¿Qué impulsa el avance hacia velocidades de red celular cada vez más altas? [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 espera unos años. Esto fue más obvio con la electrónica de consumo, como televisores, PC y teléfonos celulares.

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 somos capaces de construir transistores más pequeños y más eficientes (escucho aproximadamente el doble del recuento de transistores por unidad de área de silicio cada dos años).

Internet se hizo más rápido primero con DSL, que llevó al máximo el ancho de banda del par trenzado de cobre fijo. 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 se sigan acelerando? He tenido teléfonos celulares 2G, 3G y ahora LTE y las diferencias de velocidad son astronómicas, similares a las diferencias observadas en Internet en el hogar en la última década.

Sin embargo, los canales LTE no necesariamente tienen un ancho de banda mayor (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?

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

Básicamente, la buena ley de Moore.

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

Por lo tanto, una manera simple 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.

Instalar muchos micro / picoceldas en todas partes en áreas densamente pobladas significa que cada estación base solo maneja un número menor de usuarios. Menos usuarios por celda significa más ancho de banda por usuario. Esto se habilita 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 es también la disponibilidad de estos a un precio razonable:

• Grandes FPGA con un poder de cómputo realmente loco
• 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 haz 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. .

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

1. Muévase a frecuencias portadoras más altas donde haya anchos de banda más amplios disponibles. Pronto tendremos tecnología de onda milimétrica en celular.

2. Sistemas de antena de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) que permiten la transmisión paralela de flujos de datos.

3. Esquemas de modulación avanzada como OFDM y QAM.

4. Los códigos de corrección de errores más fuertes no requieren retransmisiones y nos acercan cada vez más a Shannon Capacity.

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

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

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

Con más bits por Hertz, SignalNoiseRatio (SNR) necesita mejorar, aunque la codificación proporciona una asistencia única de 5 o 10 dB aquí. Para mejorar la SNR, el enlace necesita más ERP (antenas TX enfocadas), antenas receptoras de mayor ganancia (más elementos, matrices en fase, etc., que brindan más área para reunir más energía) y caminos más cortos para reducir la pérdida de trayectoria.

¿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. Entonces, todo lo que necesita transmitirse en una llamada de voz es "texto" y el teléfono receptor puede reconstruir nuestras voces y sonar como la persona real.

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

Otro avance crítico que no se ha mencionado es la mejor utilización 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 creciente ahora permiten que docenas (o más) de "canales" ahora se apiñen en fibras individuales donde anteriormente solo habrían estado usando dos. Esto permite que la infraestructura existente (fibra en el suelo) transporte cantidades cada vez mayores de datos con solo la necesidad de actualizar el equipo de punto final. Básicamente, las redes celulares se ubican en la parte superior de las redes troncales de fibra, por lo que una fibra mejor y más rápida es una parte crítica de un celular más amplio y más rápido.

Esto es similar, de alguna manera, a cómo el cobre POTS pasó de 2400bps a 50MBps en el lapso de algunas décadas.

No solo los diseñadores siguen presentando mejores algoritmos para realizar compresión de audio dinámica, codificación dinámica de canales (es decir, acercarse al límite de Shannon) y adaptación dinámica a trayectos 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.