onsdag 19 mars 2014

Radioskolan del 3: Framtiden kräver vidunderlig wi-fi - TechWorld

Radioskolan del 3: Framtiden kräver vidunderlig wi-fi - TechWorld



Tekniken utvecklas, men fysikens lagar består, så vad du lärt
dig hittills i vår artikelserie om trådlösa nät kommer vara nyttigt även
om vi blickar framåt. I den avslutande delen av radioskolan spår vår
expert framtiden för wi-fi.




Innehållsförteckning



Du kanske tycker att det mesta
är trådlöst sammankopplat redan i dag? Det är ingenting jämfört med vad
förstå-sig-påarna tror om framtiden. The internet of things och massive
machine-to-machine communication är några begrepp bakom behovet för
utbyggda trådlösa förbindelser.


Världens hunger efter mer trådlös
kommunikation verkar aldrig kunna bli mättad. Allt pekar på en fortsatt
tillväxt, och det är främst behovet för datakommunikation via mobiler,
läsplattor, bärbara datorer och andra trådlöst anslutna enheter som
driver på utvecklingen.

 


Röstsamtal bara liten del

Röstsamtal står redan nu för en mycket liten del av den totala mängden
trådlös information i dagens mobilsystem. Innan smartmobilernas intåg
stod talet för nästan all mobiltrafik och behovet för stor bandbredd var
ingen någon talade om.


Taltrafiken har de senaste fem åren
växt långsamt, allt eftersom fler länder fått mobil täckning. Samtidigt
har datatrafiken formligen exploderat.


Vi står inför en utmaning de
närmaste 5–10 åren. Mobil datakommunikation fortsätter växa i rask takt.
Redan i dag kan vi märka hur systemen i tätbefolkade områden går på
knäna. Folk som har bytt till mobila bredbandsroutrar (wcdma/lte) börjar
nu byta tillbaka till adsl eftersom hastigheten i den mobila varianten
blivit för dålig. Därför arbetar nu industrin med olika lösningar för
att kunna möta den förväntade tillväxten.


Vi har i de tidigare avsnitten i
Radioskolan lärt oss att det tillgängliga utrymmet i etern är begränsat.
Faktum är att det är starkt reglerat och hanteras som en begränsad
naturtillgång.


De olika utmaningar i radiomiljön vi
nämnt tidigare i artikelserien kommer att vara desamma även om 100 år –
dämpningen i en murad vägg är densamma, liksom dämpningen av en
radiosignal i den fria rymden.


Vi har för varje ny teknisk
landvinning inom wlan sett hur kapaciteten ökat från generation till
generation. Det är framför allt utvecklingen av processorkraften som
gjort att vi fått allt mer överföringsprestanda i våra radiolänkar, till
exempel wlan. Ju mer processorkraft, desto mer avancerad radiosändare,
radiomottagare och antennteknik. Mimo-teknik kräver till exempel mer
datakraft än en enkel siso-kommunikation. De fysikaliska begräsningarna i
radioöverföringen gör att det blir svårare och svårare att för den
givna frekvensbandbredden lyckas överföra fler byte data. Det måste till
andra lösningar.





Världens mobila nätverk,
inklusive både röst- och datatrafik, hanterade ofantliga 2 000 petabyte
data per månad. Det är 2 exabyte, alltså två miljarder gigabyte. Källa:
Ericsson




Två sätt att se på framtiden

Hur ska då industrin kunna möta det växande behovet för trådlös
kommunikation? Låt oss titta på två tidsperspektiv, dels vad händer just
nu, dels vad tror man kommer behöva ske för att kunna möta behovet
efter år 2020.


Den tekniska utvecklingen av
radioprestandan, med Moores lag i botten, kommer inte vara tillräcklig
för att möta det förväntade ökande behovet. Man måste helt enkelt hitta
på något mer. Den mesta utvecklingen kommer inte att ske på radiobiten
av alla kommunikationslänkar, utan mer på protokoll- och
applikationsnivå samt för hela systemarkitekturen. Det är där den
största potentialen finns, även om radio givetvis kommer fortsätta att
få nya fantastiska funktioner och därmed dra sitt strå till stacken för
att möta framtidens krav på prestanda.

 

Mer data snabbare

Vi kan förvänta oss fortsatt utveckling av de standarder vi använder
i dag, som wlan och de olika versionerna av 802.11, men även hspa vilket
är en utveckling av wdcma (3g) och lte (4g). Radiotekniken kommer kunna
överföra mer data snabbare genom fortsatt utveckling av:

 
  • Smarta antenner (dynamiskt riktade antenner)
  • Högre gradens mimo (fler antenner)
  • Bättre radiokonstruktioner (bättre känslighet, lägre brus, större bandbredd)
  • Smartare och mer avancerad modulationsteknik. 


(Se den första Radioskolan-artikeln för ytterligare beskrivning av de här begreppen.)


Samtidigt jobbas det febrilt på att
öppna upp olika frekvensband i världen för att kunna öka det
tillgängliga spektret i lämpliga frekvenser och därmed kunna klämma in
fler samtidiga kanaler. Det här gäller främst mobilsystemen hspa och
lte, men det finns inget som hindrar motsvarande teknik att införas i
wlan, till exempel genom att man drar nytta av att många produkter i dag
har dubbla radio och slår ihop en 802.11n-kommunikation i 2,4
gigahertzområdet med en i 5 gigahertzområdet för att på så sätt få
totalt större bandbredd och kunna överföra mer data.

 

Avlasta med fler celler

Den störta möjlighet att öka det totala systemets kapacitet tror man
kunna uppnå genom att avlasta de större så kallade makrosystemen med
fler och mindre celler. Dessa mindre celler kan vara mindre basstationer
som mikro-, pico-, eller femto-basstationer, alla mindre varianter av
en makrobasstation som företrädelsevis kommunicerar med wcdma eller lte.
Det andra alternativet är att mer trafik hanteras av wlan-nätverk.


Utmaningen är att wcdma/lte- och
wlan-nätverk är två helt separerade system. De hanterar kommunikationen
på olika sätt: den ena är en starkt reglerad och kontrollerad
kommunikation, den andra arbetar i de fria frekvensbanden där vem som
helst får sända.


Rösttrafiken kommer som sagt  inte
vara problemet, utan utmaningen ligger i att avlasta de stora mobila
nätverken från datatrafiken som förväntas öka lavinartat. Det finns
redan i dag stora installerade wlan-nätverk och det jobbas därför
intensiv för att göra det lättare att överföra trafik från wcdma/lte
till wlan med något man kallar wlan off-load. En teknik är hotspot 2.0,
som ska göra växlingen mellan systemen sömlös för användaren.





Ericssons framtidsprognos för
global trafik i mobila nät visar på en enorm ökning, och redan om ett
par år kommer mer data spridas via telefoner än via datorer och routrar.
Källa: Ericsson




Systemgränserna suddas ut

Tittar vi framåt några år förväntas gränsen mellan traditionella
telekommunikationssystem med wcdma/lte och de mer traditionella
enterprise-systemen med wlan i grunden suddas ut.


Den stora utmaningen är kanske inte
rent teknisk, alltså hur uppkopplingen ska upprätthållas mellan de två
världarna, utan hur debiteringen av trafiken ska kunna ske när den
flyttas från ett starkt reglerat wcdma/lte-nätverk till ett
wlan-nätverk. Operatörerna vill inte göra avkall på sina intäkter bara
för att trafiken går via wlan.


Intäktssidan är ett allmänt problem
för industrin i detta prestanda-race. Man pratar om ”the scissor
effect”, sax-effekten, alltså att intäktsnivån inte lyckas hålla jämna
steg med prestandautvecklingen. Det här är kanske inte något användarna
tänker på, men det är ett stort problem för industrin som ska utveckla
nya tekniska lösningar. De måste se en chans att tjäna pengar på sina
investeringar.

 

Europa tar täten

Europeiska industriföretag var tidigt pådrivande för en global
standardisering, och det resulterade i att gsm snabbt tog över
världsherraväldet för mobil rösttrafik. De amerikanska och asiatiska
mobilstandarderna har i dag förvisats till teknikhistoriens skugga, och
EU hoppas att europeiska företag även fortsättningsvis ska behålla sin
framträdande roll inom telekom-industrin. Därför är unionen pådrivande
för utvecklingen av standarden för framtidens trådlösa kommunikation.
Det här sker i ett projekt kallat 5G PPP, 5G Public-Private Partnership
Association.


Förstudien har pågått sedan 2012 och
utförs av ett konsortium kallat Metis, förkortning för det nätta Mobile
and wireless communications enables for the twenty-twenty information
society. EU sponsrar och arbetet ska vara klart 2015. Ett 80-tal
personer jobbar heltid på att titta på hur nästa generations standard
ska se ut – kallad 5g. Man siktar på att år 2020 kunna leverera

 
  • 1 000 gånger högre datavolym för en given yta
  • 10–100 gånger fler uppkopplade enheter
  • 10–100 gånger högre typisk dataöverföring
  • 10 gångers förbättrad batterilivslängd
  • 5 gångers förbättrad fördröjning (latency).


Vad är då 5g? Är det ett nytt kommunikationsformat, precis som lte
kallas 4g efter wcdma som var 3g? Nej, så är det inte. I stället tittar
man på hur de olika nuvarande standarderna bättre ska kunna samarbeta
för att möjliggöra trådlös obegränsad tillgänglighet till information
för alla och allt – överallt – i något man kallas the networked society,
nätverkssamhället.


Standarder som 802.11, lte och wcdma
kommer att fortsätta utvecklas. För lte till exempel är man just nu
framme vid release 12 och release 13, vilka kommer erbjuda nya tekniska
landvinningar för att få ute mer av radiokommunikationen.


Men det förväntas även bli aktuellt
att utveckla nya mer specialiserade standarder för olika begränsade
tillämpningar, som också ska bli en del av helheten, alltså the
networked society.





För att komplettera de stora
makro-basstationerna erbjuder tillverkarna olika storlekar på
basstationer. De minsta ska i tätbefolkade områden avlasta de stora
basstationerna, som i sin tur då kan fokusera på täckning i stället för
kapacitet. Wlan förväntas spela en stor roll som avlastning till de
traditionella telekomnätverken wcdma/lte. Det finns dock en del problem
som måste lösas innan de två olika systemen kan närma sig varandra.




Mycket att ta hänsyn till

Den nya standarden behöver ta hänsyn till ett antal olika aspekter av
den trådlösa radiokommunikationen som alla och allt ska fungera med:

 
  • Hastighet: En del tillämpningar kommer att kräva tillgång till ännu
    större hastigheter än vad vi har i dag. Redan nu ser vi att högupplöst
    video kräver ganska mycket bandbredd, men även industriella
    tillämpningar förväntas kräva mer vad gäller hastighet i framtiden. 
 

  • Fördröjning (latency): Ju mer som flyttar till molnet, desto
    viktigare blir det att fördröjningen av överförd information inte är för
    stor. En webbsida förväntas uppdateras på en sekund, synkronisering
    mellan ljud och bild måste ligga mindre än 100 millisekunder, synen
    kräver en uppdatering på 100 hertz eller 10 millisekunder för att det
    inte ska se konstigt ut och till slut känseln kräver en svarstid på
    mindre än en millisekunder för att saker inte ska kännas slöa. Titta
    bara på dataspelarna på Dreamhack – de är känsliga för fördröjning.
 

  • Tillförlitlighet: För en del tillämpningar spelar ett eller annat
    förlorat datapaket inte så stor roll, det är bara att sända om och
    användaren märker knappast något. Andra tillämpningar kan vara helt
    beroende av en tillförlitlig uppkoppling – det kan till och med vara
    skillnad på liv och död.
 

  • Energikonsumtion: Alla vill ha smarta mobiler som har lång
    batterilivslängd. Av all energi som förbrukas av en modern smartmobil
    går en ansenlig del åt till olika typer av radiokommunikation. Det finns
    även andra tillämpningar där radiokommunikationen är förhållandevis
    enkel, men man vill inte eller kan inte ladda eller byta batteri. Det är
    till exempel lätt att förstår varför en pacemaker, som kommunicerar med
    omvärlden via radio, ska vara energisnål.
 

  • Kostnad: Avancerad teknik har blivit billigare. Det är tack vare
    att kostnaden för radiokretsar och antenner gått ner till några dollar
    eller cent som snart sagt allt har en wlan eller
    blåtandsuppkopplingsmöjlighet. Den utvecklingen kommer fortsätta.
 

  • Miljö: Även om världens kommunikation står för mindre än 2 procent
    av världens CO2-utsläpp är det viktigt att framtidens system bidrar till
    att minska miljöbelastningen. Sett ur ett helhetsperspektiv förväntas
    den nya kommunikationen inte bara bli mer energieffektiv, utan också
    kunna minska den totala miljöpåverkan genom att optimera olika
    miljöpåfrestande industrier eller transport.







Vårt behov av att titta på och
dela med oss av video är redan i dag det som driver efterfrågan på
mobilt bandbredd. Inom en nära framtid spås det stå för hälften av all
trafik i de mobila nätverken. Källa: Ericsson



 

Öppnar för nya tillämpningar

Nästa generations standard förväntas öppna för helt nya tillämpningar –
industriella, medicinska, miljötekniska och andra. Det går inte att
föreställa sig allt, men här är några exempel på vad 5g förväntas
möjliggöra:

 
  • Elnäten ska kunna styras optimalt för att bättre anpassas för småskalig produktion från till exempel vindkraftverk. 
 

  • Biltrafikflödet i alla tättrafikerade områden ska optimeras.
    Bilarna kommer kunna köra mer optimalt och på så vis minska utsläppen
    samtidigt som fler bilar kan utnyttja det existerande trafiknätet.
    Bilarna ska inte bara prata med en mobil basstation för koppla upp sig
    mot internet, utan de kommer dessutom prata med varandra för att till
    exempel en bil som upptäcker halt väglag snabbt ska kunna varna
    efterföljande bilar, som i sin tur kan varna bilar bakom dem.
 

  • Alla elproducerande prylar rapporterar sin momentana förbrukning,
    och kan från en central punkt styras eller stängas av helt för att spara
    ström.
 

  • Räddningstjänstens kommunikationssystem ska inte kunna slås ut. De
    mobila enheterna måste säkert och tillförlitligt kommunicera med en
    central via någon slags basstationer, men även kunna kommunicera med
    varandra. Det behövs dels för bättre kommunikation ute på fältet, dels i
    det fall en basstation slås ut och intillliggande terminaler ska kunna
    reläa trafik till en basstation som fungerar. Dessutom kan en brandmans
    dräkt få sensorer och sändare som gör att till exempel en grupp
    branddykare kan arbeta säkert.
 

  • Olika sensorer inopererade i kroppen ska kunna kopplas ihop och
    bilda ett nätverk för att tillsammans bli mer effektiva, till exempel en
    pacemaker som pratar med sensorer utplacerade i kroppens blodådror. 
 

  • Billiga, små temperatur- och rörelsesensorer som med
    besprutningsflyg sprids i skog och mark. Sensorerna kan snabbt
    rapportera om annalkande jordbävningar eller skogsbränder.




Intäkterna lyckas inte hålla jämna steg med prestandautvecklingen. Fenomenet kallas sax-effekten, the scissor effect. 





Vill ersätta koppar och fiber

Man undersöker redan i dag hur komponenter inom en elektronisk
konstruktion ska kunna kommunicera trådlöst med varandra i stället för
via koppar eller fiber. De elektriska kontakterna som används begränsar
hur snabbt komponenterna kan kommunicera med varandra. Du kan med smart
antennteknik, höga frekvenser och stor bandbredd komma upp i betydligt
högre hastigheter än vad vanlig koppar kan erbjuda.


Vi är kanske främst vana vid
wlan-radiokommunikation som arbetar med relativt låga frekvenser som 2,4
och 5 gigahertz, men inom Metis-projektet forskar på kommunikation upp
till hela 275 gigahertz.


Från tidigare delar av Radioskolan
vet vi att radiovågor beter sig olika beroende på frekvens. Högre
frekvenser når inte lika långt eftersom utbredningsdämpningen är
beroende av bland annat frekvensen. Men det finns stora fördelar med att
gå upp högt i frekvens – det blir lättare att öka bandbredden på
signalen, vilket leder till att mer data kan överföras samtidigt och
dataöverföringshastigheten kan öka.


Att signalen kanske bara når några
centimeter gör kanske inte så mycket om den bara ska nå till en krets på
ett kort som ligger några millimeter bort.





För att möta det ständigt ökade behovet av mobilt bredband arbetar industrin inom tre olika områden.




EU driver genom 5G PPP
utvecklingen av 5g. Det första steget, Metis, leds av Ericsson men har
representanter från andra telekomtillverkare, bilindustrin, operatörerna
och den akademiska världen.



 

TechWorlds slutsats

Att de trådlösa nätverken kommer fortsätta utvecklas är helt klart.
Sannolikt kommer de större nätverken på något sätt kopplas samman med de
traditionella telekom-systemen wcdma/lte, men allt eftersom 5g-visionen
börjar förverkligas kommer vi sannolikt se fler produkter och lösningar
tillkomma till vad vi definierar som ett trådlöst nätverk, wlan.


Att ha en grundläggande kännedom om
radioteknik kommer då väl till pass, eftersom de grundläggande
fysikaliska förutsättningarna kommer vara oförändrade. Precis som
placeringen av accesspunkter i dag påverkar nätverkets prestanda kommer
även alla framtida 5g-lösningar vara beroende av radioteknik.


Hur länge kommer då behovet av
trådlös kommunikation växa? Kommer verkligen kurvorna att peka spikrakt
uppåt för all framtid? Nja, sannolikt kommer tillväxten mattas av någon
gång, men kanske inte så snart som du kanske tror.


Vad gäller radiokommunikation är vi
just nu inne i en positiv spiral. Allt eftersom funktioner och kapacitet
blir tillgängliga, kommer vi på nya tillämpningar som ytterligare
driver på behovet för mer prestanda.


Jämför till exempel när Apples Ipad
lanserades. Det var många som ifrågasatte dess nytta då, men i dag har
plattorna hittat nya tillämpningar som knappast ens Apple hade tänkt på.


Med högre datahastigheter, bättre
tillförlitlighet och energisnålare kommunikation kommer industrin att
hitta på nya tillämpningar som spär på behovet – tillämpningar du och
jag inte ens kan föreställa oss i dag.


Kommer vi nå en punkt när
kapaciteten för all världens kommunikation med radio är uttömd? Kommer
världssamfundet då behöva reglera vem som kommunicerar när, ungefär som
bilarna i Aten, där bilar med jämna nummer på nummerskylten får åka
jämna datum?


Kanske samhällen kommer börja
etableras baserat på var radiotrafiken är gles ungefär som man förr i
tiden etablerade städer i hamnområden för att underlätta handel.


Det är svårt att sia om framtiden, men helt klart är vi har en spännande teknisk utveckling att se fram emot de närmsta decennierna. 




 

Inga kommentarer:

Skicka en kommentar