[Tecnologia e Futuro] A evolução das redes sem fio

evolução sem fio
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Se os smartphones de hoje são uma porta de entrada para um mundo de serviços e informações, o amanhã pode se tornar a interface principal entre o nosso alter ego digital e os numerosos recursos inteligentes trouxe dote da internet das coisas. Nossos dispositivos, em outras palavras, neste futuro hipotético mas realista, teriam a tarefa de verificar equipamento eletrônico nas proximidades para responder em tempo real às nossas necessidades.

Tal cenário seria possível, porém, somente graças a um Densa troca de informaçõese, conseqüentemente, não seria alcançável na ausência de protocolos sem fio poderosos e eficientes. Esta última necessidade representa uma verdadeira desafio tecnológico que, já há algum tempo no seio das empresas mais visionárias, hoje parece superável graças a um vasto arsenal de novo padrão projetado para atender a necessidades específicas.

protocolos sem fio
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Hoje vamos aprofundar nosso conhecimento de tecnologia MIMO, que é explorada por muitos novos protocolos, e, claro, vamos analisar caso a caso os padrões mais interessantes e promissores. Antes de continuar lendo, no entanto, recomendamos (se você ainda não o fez) para ler nosso artigo anterior em protocolos atuais, onde explicamos alguns conceitos preparatórios para uma boa compreensão do que vamos dizer.

Para um melhor sinal: MIMO e suas muitas almas

Pode parecer trivial, mas um sinal forte e limpo é de grande ajuda quando você deseja obter conexões estáveis ​​e rápidas. O uso de ondas electromagnéticas particularmente potenti pode parecer natural, mas a necessidade de conter consumo e limites legais (imposto pelo desejo de proteger a saúde pública) obrigar todos os padrões a usar sinais de baixa potência.

Já que estamos falando de ondas, no entanto, o caminho do poder não é o único que pode ser adotado. Imagine, por exemplo, que você quer enviar uma mensagem de um lado para o outro de uma massa de água usando as ondas criadas pela imersão de um bastão: eles se espalham igualmente em todas as direções e as informações logo se tornariam difíceis de detectar.

Onda esférica 2d

Se as varas na água fossem mais de umPor outro lado, pode-se explorar ainterferência maximizar a intensidade das ondas ao longo de uma direção, que seria aquele para o qual gostaríamos de enviar o sinal. Acabamos de descrever um caso de beamforming em que, enviando o mesmo sinal com várias antenas e fases adequadas, é obtida uma onda particularmente forte no ponto desejado.

Também o uso de mais receptoresPor outro lado, pode ser muito conveniente melhorar a qualidade de um serviço sem fio. Na maioria dos casos reais, de fato, o sinal enviado é refletido várias vezes antes de ser recebido, e pode viajar estradas diferentes para chegar ao mesmo ponto (propagação multipercurso). Nos protocolos sem fio tradicionais apenas a onda que seguiu o caminho mais curto (e portanto chegou primeiro) é levada em consideração, mas nos de nova geração é possível, comparando o sinal de várias antenas, também use pacotes que chegaram atrasados sem criar problemas de ordem.

mimo
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Usando numerosos antenas enviando e recebendoentão há uma configuração MIMO (múltiplas entradas e múltiplas saídas) que é incrivelmente versátil para melhorar a qualidade do sinal e, acima de tudo, a velocidade da conexão. Este último objectivo, em particular, pode ser alcançado utilizando sistemas de multiplexação espacial onde cada antena de envio usa a mesma banda de frequência e o mesmo protocolo para transmitir sinais diferentes.

Este cenário pode ser comparado ao caso em que várias pessoas conversam ao mesmo tempo em uma sala. Na azáfama geral, normalmente não seria possível distinguir as várias vozes, mas com o suficiente informação espacial (obtido por exemplo através da visão) nosso cérebro pode isolar a fala de uma pessoa daquela de um vizinho. Da mesma forma, o uso de um número de antenas pelo menos igual ao dos fluxos de informação permite ao aparelho receptor, através de cálculos muito laboriosos, obter informação suficiente para recriar os sinais individuais.

Mimo
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A tecnologia MIMO, então, também pode ser usada para fazer mais robusto o sinal e garantir o cobertura em pontos que, com a tecnologia tradicional, não seriam alcançáveis ​​em baixas potências. Este propósito pode ser alcançado explorando, por exemplo, o espaço-tempo codificação, na qual o mesmo fluxo de informações é enviado por várias antenas com codificações diferentes.

A ideia básica é, portanto, explorar o redundância, na esperança de que pelo menos uma cópia de cada pacote, independentemente da codificação utilizada, chegue ao receptor. Novamente, no entanto, o fluxo original só é recriado ao custo de cálculos muito complexos (algumas versões de codificação espaço-tempo exigem que o receptor use oAlgoritmo Viterbi, por exemplo).

A maioria das tecnologias MIMO, portanto, melhora a qualidade do sinal usando cálculos intensivos que, graças ao contínuo desenvolvimento tecnológico, no futuro se tornará cada vez mais acessível energética e economicamente. Amanhã, portanto, veremos cada vez mais terminais equipados com múltiplas antenas, que irá explorar pelo menos uma das muitas possibilidades desta tecnologia.

Long Term Evolution

O potencial do MIMO é realmente grande e, se acompanhado por um protocolo moderno, pode facilmente levar a conexões incrivelmente rápidas. O antigo UMTS baseado em W-CDMA, deste ponto de vista, provou-se ao longo do tempo inadequado para alcançar um largura de banda teórica de pelo menos 1 Gbit / s que, de acordo com a ITU (International Telecommunication Union), é necessário para as redes de quarta geração (4G).

Por essa razão, o Consórcio 3GPP, que já liderou o desenvolvimento das redes UMTS e HSPA, criou (com o 3GPP Release 8) um novo padrão capaz de enfrentar com sucesso os desafios do futuro. Nós nos referimos, claro, a LTE (evolução a longo prazo), a tecnologia que abriu o caminho para "verdadeiro 4G".

verdadeiro 4g
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Devemos esclarecer, de fato, que em sua versão original (8 e 9) este padrão também não satisfaz todos os requisitos da ITU. ele não caiu, conseqüentemente, entre as redes de quarta geração. O marketing, entretanto, impôs essa denominação, e a UIT teve que se adaptar criando a categoria True 4G (a qual LTE Advanced pertence).

O protocolo LTE, no entanto, prevê que a transmissão da informação pode ser do tipo FDD que TDD (o último é predominante principalmente na Ásia), com uma largura de banda pode variar de 1.4 MHz a 20 MHz (um bom salto em comparação com o UMTS 5 MHz). O acesso múltiplo ao canal, então, acontece graças a OFDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência Ortogonal), ou seja, criar várias sub-portadoras e atribuir uma parte delas a cada terminal.

A última tecnologia, no entanto, requer o uso de amplificadores com excelentes características de linearidade que também são muito caros poco eficiente. Por este motivo, o protocolo LTE também requer o uso de FDMA com uma só portadora, também conhecido como OFDMA pré-codificado linearmente.

SC-FDMA
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É, na verdade, uma versão modificada do OFDMA em que, em vez de usar muitas subportadoras, usamos o transformada discreta de Fourier para enviar todas as informações em uma única operadora. Usando a transformada inversa, então, a torre de rádio será capaz de reconstruir o sinal inicial.

Tanto no uplink quanto no downlink a transmissão pode ter diferentes modulações, todas baseadas em QAM (modulação de amplitude em quadratura). Destes, aquele que garante a menor largura de banda envia 2 bits por vez e é comumente conhecido como QPSK (chaveamento de mudança de fase em quadratura), enquanto o aumento é o 16-QAM (4 bit de cada vez) e o 64-QAM (6 bit de cada vez).

QAM
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O desejo de chegar ao True 4G então empurrou o 3GPP para lançar o novo LTE-Advanced (3GPP versão 10) que, apesar de ser totalmente compatível com a versão original do padrão, prevê a utilização de diferentes tecnologias para aumentar ainda mais a velocidade de conexão. Isso é possível em primeiro lugar usando mais canais ao mesmo tempo (agregação de portadores) e introdução de modulações de ordem superior (128-QAM e 256-QAM). O MIMO, que também está presente no LTE, foi aperfeiçoado com a possibilidade de usar até Fluxo 8 ao mesmo tempo.

Isso levou a conexões que, no papel, devem ser incrivelmente pré-formadas. Nós nos mudamos em particular de todo 300 Mbit / s em fluxos 4 MIMO em LTE download cat.5 ai 3916.6 Mbit / s teórico no fluxo 8 de LTE-A cat.15. Devemos também lembrar que, a médio prazo, a definição da norma está prevista LTE Advanced PRO que deve marcar uma melhoria adicional na velocidade de conexão (usando, por exemplo, a frequências sem licença) e, ao mesmo tempo, o patamar desta norma no segmento de comunicação direta ed baixo consumo entre dispositivos (LTE-M).

LTE advanced Pro

Wimax, o eterno rival

Você provavelmente sabe que a LTE não é a única tecnologia 4G no mercado hoje e que, teoricamente, também Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) é um candidato válido para nossos smartphones. Vamos esclarecer, no entanto, que a atenção da indústria sobre esta tecnologia parece ter arrefecido nos últimos anos, tanto que o diferença de desempenho entre os dois padrões está crescendo rapidamente.

É uma tecnologia originalmente criada para trazer banda larga para áreas metropolitanas, que na versão Wimax Advanced (IEEE 802.16m), se enquadra no grupo restrito de redes True 4G. O padrão, na realidade, surge da harmonização de três diferentes protocolos de transmissão que, hoje, podem ser usados ​​corretamente por todos os dispositivos certificados Wimax.

wimax

O primeiro desses três protocolos é WirelessMAN (IEEE 802.16), o segundo é o seu rival europeu HiperMAN e o terceiro é WiBro. Este último, em particular, é o padrão coreano que embasa o Wimax mobile (IEEE 802.16e), que é o único realmente interessante para nossos smartphones.

O padrão, em particular, prevê a transmissão de dados com OFDMA, com canais amplos de 1.25 MHz a 20 MHz e até Subportadoras 2048. Como de costume, a tecnologia é muito usada MIMO, e a modulação é do tipo QAM (até 64-QAM). Trata-se, portanto, de um protocolo baseado nas mesmas tecnologias escolhidas pelo LTE, muito mais utilizado e que, justamente por isso, não obteve grande sucesso entre gestores e empresas.

wimax
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O discurso é diferente, claro, no que diz respeito à versão não móvel da norma que, sendo capaz de contar com baixos custos de instalação, desempenha um papel muito importante em luta contra a exclusão digital.

Conexões de curto alcance: NFC, DASH7, Wireless HD, Wireless USB ...

Muitas vezes, nossos dispositivos não precisam se comunicar com a rede mundial, mas simplesmente se comunicar com objetos muito mais perto. Esta função, como vimos no último artigo, hoje pode ser executada graças ao protocolo Bluetooth que, no entanto, se prova insuficiente em vários cenários de uso.

Suponha, por exemplo, que queremos transferir uma grande quantidade de dados do nosso computador para o smartphone sem usar o cabo USB. transmitir um vídeo para um display ou querendo sincronizar em tempo real um dispositivo a consumo muito baixo. Em todos esses casos, o Bluetooth é completamente ineficiente e novos padrões devem ser usados especialmente projetado.

usb sem fio
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Para os casos em que são necessários transferências rápidas a uma baixa distância, em particular, tenderemos a usar frequências muito altas. USB sem fio, por exemplo, ele promete uma largura de banda de 480 Mbit / s usando uma frequência que pode chegar a 10.6 GHz, enquanto Interface digital doméstica sem fio e HD sem fio, nascido para a transmissão de fluxos de vídeo, respectivamente, eu uso 5GHz e 60 GHz.

Nós não podemos esquecer que WiFi-to que nasceu para tornar as casas do futuro completamente sem fio. Também esta tecnologia é baseada na banda de 60 GHz e, como todos os mencionados anteriormente, faz uso extensivo de MIMO e é baseado em OFDMA. Muitos desses padrões, no entanto, estão destinados a desaparecer ou agregar uns aos outros, e provavelmente os smartphones do futuro serão compatíveis apenas com um número limitado de sobreviventes.

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A necessidade de fluxos lento mas contínuo e eficienteem vez disso, conduz simetricamente à adoção de frequências baixas, como aqueles escolhidos para ZigBee (2.4 GHz, 915 MHz e 868 MHz) e Dash7 (433 MHz, 868 MHz e 915 MHz). Em particular, estes são dois protocolos criados para a gestão de sensores e ideal para o futuro casa inteligente, que ainda terá que superar a concorrência do análogo e até agora próximo WiFi-ah.

Finalmente, não podemos esquecer todas as aplicações em que a distância entre as antenas deve ser de alguns centímetros. Não estamos apenas nos referindo a NFC (near field communication), que opera no 13.56 MHz e nasceu como uma evolução de sistemas RFID passivos que comumente encontramos como uma tag anti-roubo, mas também para uma tag muito mais poderosa TransferJet, que opera em 4.48 GHz e atinge velocidades reais de conexão de 375 Mbit / s.

Roteiro 5G
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Finalmente, devemos adicionar a este arsenal de novos padrões novas versões do WiFi e o próximo Tecnologias 5G que, infelizmente, ainda estou longe de ser definido. A tendência para o futuro é, no entanto, muito clara, e um dia poderíamos chegar aos smartphones Não há portas externas para conexão a cabo. A possibilidade de usar uma conexão com fio, portanto, será mantida apenas para atualizações e depuração.

Não podemos dizer, portanto, quais dessas tecnologias sobreviverão e se o futuro será realmente como imaginamos, mas, para concluir, podemos antecipar que na próxima semana finalmente chegaremos cérebro dos nossos dispositivos e vamos analisar o SoC, a RAM e ROM!