¿Qué impulsa el avance hacia velocidades de red celular cada vez más rápidas? [cerrado]

Siempre he aceptado que la tecnología avanza. Nacido en los años 90, todo se vuelve más rápido, más pequeño, más barato y, en general, mejor si esperas unos años. Esto fue más evidente con los productos electrónicos de consumo, como televisores, PC y teléfonos móviles.

Sin embargo, se me ocurre ahora que sé qué impulsa la mayoría de estos cambios, excepto uno. Las computadoras y los teléfonos celulares mejoran y son más rápidos principalmente porque podemos construir transistores más pequeños y más eficientes (oigo aproximadamente el doble de transistores por unidad de área de silicio cada dos años).

Internet se volvió más rápido primero con DSL, que llevó al máximo el ancho de banda del par trenzado de cobre de línea fija. Cuando nos quedamos sin espectro utilizable dentro del cable de cobre, recurrimos a la fibra óptica, y fue un juego completamente nuevo.

TL;DR: Pero, ¿qué es lo que hace posible que las redes celulares sigan siendo más rápidas? He tenido celulares 2G, 3G y ahora LTE y las diferencias de velocidad son astronómicas, similares a las diferencias observadas en el internet doméstico en la última década.

Sin embargo, los canales LTE no necesariamente tienen un mayor ancho de banda (de hecho, creo que LTE usa menos: 3G usa canales de 5 MHz , mientras que LTE puede tener canales más pequeños, de 1.4 a 20 MHz ). Además, he escuchado muchas veces que LTE es más eficiente en términos de bps por canal Hz (agregaría 'cita requerida' aquí, seré el primero en admitir que al menos suena dudoso).

¿Así que qué es lo? ¿Solo más espectro? ¿Electrónica mejor y más pequeña? ¿O estamos mejorando en esto de otras maneras? ¿Cómo es eso?

La codicia es probablemente el principal impulsor: las empresas buscan ganancias y costos más bajos...
@SolarMike bueno, supongo que tienes razón, pero no quise decir eso. Quise decir desde una perspectiva técnica, lo que lo hace posible.
Entonces, ¿cuál es su pregunta? ¿Qué inventaremos mañana o la próxima semana que sea más rápido?
@SolarMike No, la pregunta sería cómo van a hacerlo más rápido. Las PC serán más rápidas el próximo año porque Intel construirá CPU con transistores más pequeños y eficientes, para que puedan incluir más hardware, por menos dinero, sincronizarlo más rápido y usar un VDD más bajo. Pero, ¿por qué el sucesor de LTE será más rápido? Desde un punto de vista tecnológico, ¿qué lo hace posible? Digiproc mencionó algo similar a mejores algoritmos para explotar la capacidad del canal, eso es lo que estoy buscando.
Entonces, ¿quieres conocer hoy las teorías del mañana? es decir, el "cómo"?...
@SolarMike Eso suena como si quisiera predecir el futuro de una manera imposible. Pero a veces es posible predecir el futuro, sabemos cómo las computadoras se vuelven más rápidas y es probable que siga sucediendo de la misma manera. Si te sientes incómodo con la futurología, la pregunta también se puede responder mirando hacia el pasado: ¿Cómo se han vuelto más rápidas las redes celulares hasta ahora? Voy a extrapolar bajo mi propio riesgo
Una respuesta muy corta es "el precio de los equipos celulares está cayendo en picado (como todo el hardware), por lo que solo hay que subir muchos más..."
hola @SolarMike "La codicia es probablemente el mejor impulsor" . Eso es completamente incorrecto como respuesta a la pregunta. El hardware de la computadora duplica su velocidad cada dos años por razones técnicas específicas. Si los automóviles o cualquier otro producto pudieran volverse el doble de buenos cada dos años, lo harían. (Esos accionistas son igual de codiciosos).
@SolarMike Creo que quiere saber las teorías de mañana de ayer.
@Fattie, la duplicación de la velocidad de las computadoras se debe efectivamente a que los usuarios desean más: velocidad, gráficos en 3D, realidad virtual, etc., etc. Si los usuarios no exigieran más, el marketing no encontraría una necesidad y la demanda se reduciría al negocio. accionistas que desean reducir los costos para aumentar las ganancias...
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Respuestas (6)

¿Qué es lo que hace posible que las redes celulares sigan siendo más rápidas?

Básicamente, la buena ley de Moore.

El teléfono es sólo la mitad de la ecuación. El silicio más moderno y potente ayuda a obtener una mejor calidad del canal, menos ruido, etc. Sin embargo, esto no puede superar el ancho de banda del canal según el Sr. Shannon.

Por lo tanto , una forma sencilla de aumentar el ancho de banda disponible para cada usuario es dividir el paisaje en celdas más pequeñas. Las antenas direccionales en la parte superior de las torres cortan la celda "redonda" en cuartos, como una naranja.

La instalación de muchas micro/picoceldas en todas partes en áreas densamente pobladas significa que cada estación base solo maneja una cantidad menor de usuarios. Menos usuarios por celda significa más ancho de banda por usuario. Esto se logra al reducir el precio del hardware de la estación base (es decir, silicio barato, Ley de Moore y MMIC que integran los bits de RF en el chip).

Un sistema más inteligente también ayuda. Por ejemplo, en GSM, incluso cuando no habla, su intervalo de tiempo de ancho de banda está reservado para usted, lo cual es un desperdicio.

Una cosa importante también es la disponibilidad de estos a un precio razonable:

  • Grandes FPGA con una potencia de cálculo realmente increíble
  • ADC/DAC rápidos
  • Circuitos integrados de microondas

Estos permiten la radio digital, y aquí es donde están los bits jugosos, como MIMO y conjuntos de antenas adaptativas con formación de haces en tiempo real y ecualización de canales, modulaciones avanzadas (y adaptativas), además de fuertes códigos de corrección de errores que requieren mucha potencia informática, etc. .

¿Dónde entran en juego los FPGA con respecto a las redes celulares? ¿Hubiera pensado que todo es un ASIC?
ASIC tiene un costo unitario más barato, pero FPGA es actualizable en campo...
Los FPGA pueden ser económicos en volúmenes más bajos o cuando es necesaria la reconfigurabilidad. El mayor costo por unidad de los FPGA puede ser preferible al enorme gasto de desarrollar un ASIC. Los FPGA se pueden utilizar con hardware de red de muy alto rendimiento, estaciones base de celdas, etc., que tienen un volumen relativamente bajo. Para las picoceldas, los ASIC son una posibilidad más fuerte porque habrá muchos más.
@peufeu: Lo siento, no estaba preguntando "por qué", sino "dónde". ¿Estás hablando de FPGA en las estaciones base? o dentro de los celulares?
¡DE ACUERDO! Los FPGA están en las estaciones base. Los teléfonos se venden en cantidad suficiente para justificar los ASIC, y se "actualizan" con bastante frecuencia cuando la gente compra nuevos de todos modos.
La proliferación gradual de mejores tecnologías terrestres también es una gran parte de esto; los teléfonos solo forman una parte de una red celular. por ejemplo, sincronización de tiempo basada en paquetes que hemos tenido durante años, pero estas cosas tardan mucho en filtrarse en la industria a escala
@Mehrdad: Casi todas las estaciones base usan "Predistorsión digital" para mejorar la eficiencia del amplificador de potencia. Todos los algoritmos más sofisticados se implementan en FPGA (deben ser de alta velocidad pero programables de manera flexible y hay un presupuesto de energía significativo debido al aumento de la eficiencia de PA)

Creo que las siguientes son algunas de las tecnologías/técnicas clave que aumentan las tasas de datos móviles.

  1. Muévase a frecuencias portadoras más altas donde haya anchos de banda más amplios disponibles. Pronto tendremos tecnología de ondas milimétricas que se utilizará en celulares.

  2. Sistemas de antena multientrada, multisalida (MIMO) que permiten la transmisión paralela de flujos de datos.

  3. Esquemas de modulación avanzados como OFDM y QAM.

  4. Códigos de corrección de errores de reenvío más sólidos que no requieren retransmisiones y nos acercan cada vez más a la capacidad de Shannon.

  5. Reducción del tamaño de las celdas. Ahora tenemos la misma frecuencia dividida entre un número menor de usuarios.

Corto y al grano. +1

Suponiendo el mismo ancho de banda, la única forma de aumentar las tasas de datos es una mejor codificación: QAM frente a MSK de GSM, 16QAM frente a QAM, 256QAM frente a 16QAM,

Y en todo esto, se deben manejar las rutas múltiples y el desvanecimiento.

Con más bits por Hertz, la SignalNoiseRatio (SNR) necesita mejorar, aunque la codificación proporciona aquí una ayuda única de 5 o 10 dB. Para mejorar la SNR, el enlace necesita más ERP (antenas de TX enfocadas), antenas receptoras de mayor ganancia (más elementos, arreglos en fase, etc. que brindan más área para recolectar más energía) y rutas más cortas para reducir la pérdida de ruta.

Aún así, eventualmente, se alcanzará el límite de Shannon. Una vez que esto suceda, la única posibilidad de aumentar la velocidad sería más ancho de banda por usuario, es decir, celdas más pequeñas. Eventualmente, uno podría terminar con un sistema que parece WiFi de baja potencia donde solo unos pocos usuarios están en una celda, y en ese punto el diseño de RF estándar tendría el máximo rendimiento posible...

¿O estamos mejorando en esto de otras maneras? ¿Cómo es eso?

Posiblemente llegará un día en que nuestros teléfonos (o el sistema) podrán almacenar los matices matemáticos de nuestras voces individuales y manipularlos para formar otras palabras algorítmicamente. Luego, todo lo que debe transmitirse en una llamada de voz es "texto" y el teléfono receptor puede reconstruir nuestras voces y sonar como la persona real.

Así que decir "que tengas un buen día" tomaría 15 caracteres ascii o 120 bits por dos segundos de habla.

No olvide unos pocos bytes para un emoticón al final, a menos que espere que todos suenen muy serios en el teléfono en el futuro.
Espero que nunca llegue tan lejos, para que no suceda algo así , pero para comunicaciones de voz en lugar de documentos escaneados. Lo llamaré "autocorrección de audio".
Entonces, cuando esto se haga realidad, ¿podremos dejar de confiar en las voces de nuestros amigos por la misma razón por la que hoy no podemos confiar en sus correos electrónicos o identificadores de llamadas? (suplantación de identidad)
@AaronD en realidad será que no puedes confiar en las llamadas telefónicas. El amigo (y su voz) sigue siendo tan confiable como siempre.
@immibis Sí, eso es lo que quise decir. Supongo que dejé algo de ambigüedad allí. Gracias por aclararlo.
@AaronD: Si le preocupan los ataques de los adversarios del estado-nación, ya estamos en el punto en que reconocer la voz de su amigo por teléfono no es un mecanismo de autenticación confiable, y recuerde la Ley de Schneier: "Los ataques solo mejoran".
@MartinBonner Buen punto. Ya conocía la estafa del "sí grabado", donde hacen una pregunta inocente y juntan una grabación falsa de ti diciendo "sí" para autorizar lo que quieran cobrarte. Pero esto se trataría de sintetizar ese "sí" sin necesidad de llamadas automáticas. O incluso sintetizar una llamada iniciada por el cliente. La ley de Schneier, definitivamente, y esa es solo una posibilidad. De todos modos, se ha hecho el punto, y ahora nos estamos desviando bastante del tema.

Otro avance fundamental que no se ha mencionado es la utilización mejorada de las redes de fibra óptica . Una fibra óptica puede transportar un espectro completo de longitudes de onda. Sin embargo, no siempre lo han hecho. Los filtros ópticos de precisión cada vez mayor ahora permiten que docenas (o más) de "canales" se amontonen en fibras individuales donde antes solo se habrían utilizado dos. Esto permite que la infraestructura existente (fibra en el suelo) transporte cantidades crecientes de datos con solo la necesidad de actualizar el equipo de punto final. Las redes celulares básicamente se asientan sobre las redes troncales de fibra, por lo que una fibra mejor y más rápida es una parte fundamental de una red celular más amplia y rápida.

Esto es similar, en cierto modo, a cómo el cobre POTS pasó de 2400 bps a 50 Mbps en el lapso de unas pocas décadas.

Los diseñadores no solo siguen desarrollando mejores algoritmos para realizar compresión dinámica de audio, codificación dinámica de canales (es decir, acercándose al límite de Shannon) y adaptación dinámica a rutas múltiples, desorden e interferencias; pero a medida que los transistores se hacen más pequeños, podemos usar algoritmos más elaborados para la misma cantidad de energía de la batería.

¿Qué impacto ha tenido la codificación de canales en que la mayoría de las comunicaciones están, o deberían estar, encriptadas y, por lo tanto, no debería ser posible distinguirlas del ruido blanco?
@MaciejPiechotka No codifica como en compresión, codifica como en modulación. Y la codificación como en la corrección de errores (por extraño que parezca, agregar la corrección de errores puede aumentar la velocidad de datos, ya que ahora su conexión "real" puede ser más rápida y menos precisa para compensarlo).
@immibis Oh, cosas como 10b/8b. Tiene sentido
@MaciejPiechotka Supongo que te refieres a la codificación 8b/10b . Ese esquema de codificación es principalmente para la recuperación del reloj y el equilibrio de CC y solo transmite 0,8 bits por símbolo. Las transmisiones con 16-QAM tienen 4 bits por símbolo y las transmisiones con 64-QAM tienen 6 bits por símbolo.
@cepillo de dientes lo siento. La última vez que traté con este tipo de material fue en la universidad y no recordaba la notación (y antes del café no me di cuenta de que Google puso el orden correcto cuando lo estaba revisando).
@MaciejPiechotka No hay problema. Supuse que eso era lo que querías decir.
¿Qué impulsa el avance hacia velocidades de red celular cada vez más rápidas? [cerrado]
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