O que impulsiona o avanço em direção a velocidades de rede celular cada vez mais rápidas? [fechadas]


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Eu sempre aceitei que a tecnologia avança. Nascendo nos anos 90, tudo se torna mais rápido, menor, mais barato e geralmente melhor se você esperar alguns anos. Isso era mais óbvio com eletrônicos de consumo, como TVs, PCs e telefones celulares.

No entanto, me ocorre agora que sei o que impulsiona a maioria dessas alterações, exceto uma. Computadores e celulares ficam melhores e mais rápidos, principalmente porque somos capazes de construir transistores menores e mais eficientes (ouço cerca de duas vezes a contagem de transistores por unidade de área de silício a cada dois anos).

A Internet ficou mais rápida primeiro com o DSL, que elevou ao máximo a largura de banda do par trançado de cobre de linha fixa. Quando ficamos sem espectro utilizável dentro do fio de cobre, voltamos para a fibra óptica, e era um jogo totalmente novo.

TL; DR: Mas, o que torna possível que as redes celulares continuem ficando mais rápidas? Já tive celulares 2G, 3G e agora LTE e as diferenças de velocidade são astronômicas, semelhantes às diferenças observadas na Internet doméstica na última década.

No entanto, os canais LTE não têm necessariamente uma largura de banda maior (na verdade, acredito que o LTE use menos: o 3G usa canais de 5 MHz , enquanto o LTE pode ter canais menores, de 1,4 a 20 MHz ). Além disso, ouvi muitas vezes que o LTE é mais eficiente em termos de bps por canal Hz (acrescentaria 'citação necessária' aqui, serei o primeiro a admitir que pelo menos soa duvidoso).

Então o que é? Apenas mais espectro? Eletrônicos melhores e menores? Ou estamos melhorando nisso de outras maneiras? Como assim?


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Ganância é provavelmente o condutor final: as empresas estão atrás de lucro e custos mais baixos ...
Solar Mike

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@SolarMike bem, acho que você está certo, mas não quis dizer isso. Eu quis dizer de uma perspectiva técnica, o que torna isso possível.
freejuices

Então, qual é a sua pergunta - o que vamos inventar amanhã ou na próxima semana que será mais rápido?
Solar Mike

@SolarMike Não, a questão seria como eles vão torná-lo mais rápido. Os PCs serão mais rápidos no próximo ano, porque a Intel construirá CPUs com transistores menores e mais eficientes, para que eles consigam mais hardware, por menos dinheiro, cronometrem mais rápido e usem um VDD menor. Mas por que o sucessor do LTE será mais rápido? Do ponto de vista tecnológico, o que torna isso possível? O Digiproc mencionou algo como algoritmos melhores para explorar a capacidade do canal, é o que estou procurando.
freejuices

Então, você quer conhecer as teorias de amanhã hoje? ou seja, o "como" ...?
Solar Mike

Respostas:


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o que torna possível que as redes celulares continuem ficando mais rápidas

Basicamente, a boa e velha lei de Moore.

O telefone é apenas metade da equação. O silício mais moderno e poderoso ajuda a obter melhor qualidade do canal, menos ruído, etc. No entanto, isso não pode exceder a largura de banda do canal, conforme o Sr. Shannon.

Uma maneira simples de aumentar a largura de banda disponível para cada usuário é, portanto, dividir a paisagem em células menores. As antenas direcionais no topo das torres dividem a célula "redonda" em quatro, como uma laranja.

A instalação de muitas micro / picocélulas em todos os lugares em áreas densamente povoadas significa que cada estação base lida apenas com um número menor de usuários. Menos usuários por célula significa mais largura de banda por usuário. Isso é possível reduzindo o preço do hardware da estação base (ou seja, silício barato, Lei de Moore e MMICs que integram os bits de RF no chip).

Um sistema mais inteligente também ajuda. Por exemplo, no GSM, mesmo quando você não fala, seu horário de largura de banda é reservado para você, o que é um desperdício.

Uma coisa importante também é a disponibilidade deles a um preço razoável:

  • Grandes FPGAs com poder de computação verdadeiramente insano
  • ADCs / DACs rápidos
  • CIs de microondas

Eles permitem o rádio digital, e é aí que estão os bits interessantes, como o MIMO e os arranjos de antenas adaptáveis ​​com formação de feixe em tempo real e equalização de canal, modulações avançadas (e adaptáveis), além de fortes códigos de correção de erros que exigem muito poder de computação, etc. .


Onde os FPGAs entram em jogo com relação às redes celulares? Eu teria pensado que tudo é um ASIC?
Mehrdad

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ASIC tem mais barata custo unitário, mas FPGA é campo-upgradeable ...
peufeu

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Os FPGAs podem ser econômicos em volumes mais baixos ou quando a reconfigurabilidade é necessária. O custo unitário mais alto dos FPGAs pode ser preferível à enorme despesa de desenvolvimento de um ASIC. Os FPGAs podem ser usados ​​com hardware de rede de alto desempenho, estações base celulares, etc., com volume relativamente baixo. Para picocélulas, os ASICs são uma possibilidade mais forte, porque haverá muito mais deles.
118918 alex.forencich

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ESTÁ BEM! FPGAs estão nas estações base. Os telefones são vendidos em quantidade suficiente para justificar os ASICs e são "atualizados" com bastante frequência quando as pessoas compram novos de qualquer maneira.
peufeu

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A proliferação gradual de melhores tecnologias terrestres também é uma grande parte; aparelhos formam apenas uma parte de uma rede celular. sincronização de tempo que tivemos durante anos, mas estas coisas levam um longo tempo para se infiltrar na indústria em escala por exemplo, pacotes baseado
raças Leveza com Monica

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Eu acho que a seguir estão algumas das principais tecnologias / técnicas que aumentam as taxas de dados celulares.

  1. Mova para frequências portadoras mais altas, onde larguras de banda maiores estão disponíveis. Em breve, teremos a tecnologia de ondas milimétricas sendo usada em celulares.

  2. Sistemas de antena MIMO (Multi Input Multi Output) permitindo transmissão paralela de fluxos de dados.

  3. Esquemas avançados de modulação, como OFDM e QAM.

  4. Códigos avançados de correção de erros avançados, que não exigem retransmissões e nos aproximam cada vez mais da Shannon Capacity.

  5. Diminuindo o tamanho das células. Agora, temos a mesma frequência dividida entre um número menor de usuários.


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curto e direto ao ponto. +1
Sredni Vashtar

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Supondo a mesma largura de banda, a única maneira de aumentar os dados é melhor codificação: QAM versus MSK da GSM, 16QAM versus QAM, 256QAM versus 16QAM,

E em tudo isso, caminhos múltiplos e desbotamento devem ser tratados.

Com mais bits por Hertz, o SignalNoiseRatio (SNR) precisa melhorar, embora a codificação ofereça uma assistência única de 5 ou 10 dB aqui. Para melhorar o SNR, o link precisa de mais ERP (antenas TX focadas), antenas de receptor de maior ganho (mais elementos, matrizes em fases, etc., dando mais área para reunir mais energia) e caminhos mais curtos para reduzir o caminho.


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Ainda assim, eventualmente, o limite de Shannon será atingido. Quando isso acontece, a única possibilidade de aumentar a velocidade seria mais largura de banda por usuário, significando células menores. Eventualmente pode-se acabar com um sistema que se parece com baixa potência WiFi onde apenas alguns poucos usuários estão em uma célula, e em que o design ponto de RF padrão seria no máximo rendimento possível ...
madscientist159

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Ou estamos melhorando nisso de outras maneiras? Como assim?

Chegará o dia em que nossos aparelhos (ou o sistema) serão capazes de armazenar as nuances matemáticas de nossas vozes individuais e manipulá-las para formar outras palavras algoritmicamente. Então, tudo o que precisa ser transmitido em uma chamada de voz é "texto" e o telefone receptor pode reconstruir nossas vozes e soar como a pessoa real.

Por assim dizer, "tenha um bom dia" levaria 15 caracteres ASCII ou 120 bits por dois segundos de fala.


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Não esqueça alguns bytes para um sorriso no final, a menos que você espere que todos pareçam muito sérios no telefone no futuro.
Dmitry Grigoryev

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Espero que ele não é nunca ir tão longe, para não ter algo parecido com isso acontecer, mas para comunicações de voz em vez de documentos digitalizados. Vou chamá-lo de "autocorreção de áudio".
Aleksi Torhamo

Então, quando isso se torna realidade, não podemos mais confiar nas vozes de nossos amigos pelo mesmo motivo que não podemos confiar em seus e-mails ou identificadores de chamadas hoje? (spoofing)
AaronD

@AaronD, na verdade, você não pode confiar em ligações telefônicas. O amigo (e a voz deles) permanece tão confiável como sempre.
user253751

@immibis Sim, foi isso que eu quis dizer. Acho que deixei alguma ambiguidade lá. Agradeço por ter esclarecido.
AaronD

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Outro avanço crítico que não foi mencionado é a utilização aprimorada de redes de fibra óptica . Uma fibra óptica pode transportar um espectro inteiro de comprimentos de onda. Eles nem sempre fizeram isso, no entanto. Os filtros ópticos de crescente precisão agora permitem que dezenas (ou mais) "canais" sejam agora amontoados em fibras únicas, onde anteriormente eles usariam apenas dois. Isso permite que a infraestrutura existente (fibra no solo) carregue quantidades crescentes de dados, apenas com a necessidade de atualizar o equipamento do terminal. As redes celulares basicamente ficam em cima dos backbones de fibra, de modo que a fibra melhor e mais rápida é uma parte crítica de uma célula mais ampla e rápida.

De certa forma, isso é semelhante ao modo como o cobre POTS passou de 2400bps para 50MBps no período de algumas décadas.


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Os designers ainda não estão criando algoritmos melhores para fazer compressão dinâmica de áudio, codificação dinâmica de canais (ou seja, aproximando-se do limite de Shannon) e adaptação dinâmica a caminhos múltiplos, desordem e interferências; mas, à medida que os transistores diminuem, podemos usar algoritmos mais elaborados para a mesma quantidade de energia da bateria.


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Qual o impacto que a codificação de canal deu que a maioria das comunicações é ou deve ser criptografada e, portanto, não deve ser possível distinguir do ruído branco?
Maciej Piechotka 12/02/2019

@MaciejPiechotka Não codifica como em compressão, codifica como em modulação. E a codificação como na correção de erros (por estranho que pareça, adicionar correção de erros pode aumentar a taxa de dados, pois agora sua conexão "real" pode ser mais rápida e menos precisa para compensar isso).
user253751

@immibis Ah, então coisas como 10b / 8b. Faz sentido #
Maciej Piechotka 12/02/2019

@MaciejPiechotka Suponho que você queira dizer codificação 8b / 10b ? Esse esquema de codificação é principalmente para recuperação de clock e balanço DC e transmite apenas 0,8 bits por símbolo. As transmissões com 16-QAM possuem 4 bits por símbolo e as transmissões com 64-QAM possuem 6 bits por símbolo.
Escova de dentes

@ Toothbrush sorry. A última vez que lidei com esse tipo de material foi na uni e não me lembrei da notação (e antes do café não percebi que o google colocou a ordem correta quando a checava).
Maciej Piechotka
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