Tothom hem vist els efectes: es cancel·len les trucades i, de vegades, les pàgines web triguen a carregar-se. Una de les principals raons per les quals es produeixen aquests forats a la cobertura és que les actuals xarxes sense fils estan dissenyades com a xarxes estrella. Això vol dir que hi ha una element de la infraestructura que se situa al centre, com podria ser una torre cel·lular o un encaminador, que es comunica amb tots els dispositius mòbils que l’envolten.
La cobertura sense fils 100 % segura només es produirà gràcies a l'arquitectura i disseny d'una xarxa de malla que sense dubte, millora a les xarxes en estrelles. A diferència d'una xarxa estrella, una xarxa mallada, consisteix en nodes que es comuniquen entre si, així com els diferents dispositius finals d'usuari. Amb aquest sistema, els forats de cobertura d'una xarxa sense fils es poden omplir simplement afegint un node per que permeti superar un node amb limitacions. Per exemple, un senyal Wi-Fi es pot reforçar en una part d’un edifici amb poca recepció instal·lant un node que es comuniqui amb l’encaminador principal.
No obstant això, els dissenys de les actuals xarxes sense fils mallades tenen limitacions. El més important és saber que un node en una xarxa de malla interferirà amb ell mateix ja que transmet dades si utilitza la mateixa freqüència per transmetre i rebre senyals. Per tant, els dissenys actuals envien i reben en diferents bandes de freqüència. Però l’espectre és un recurs escàs, especialment per a les freqüències molt transitades que utilitzen les xarxes mòbils i el Wi-Fi. Pot ser difícil justificar dedicar tant d’espectre per a omplir forats de cobertura quan les torres cel·lulars i els encaminadors Wi-Fi estan donant una altra qualitat de servei la major part del temps.
En aquest cas, es podrien usar les xarxes mallades, fins i tot a les xarxes més exigents i amb un espectre intens, per exemple, les que connecten robots ancorats als terres de les fàbriques per processso de muntatge, cotxes autònoms o eixams de drons. De fet, ja està sorgint una avançada tecnologia: la cancel·lació d’interferències pròpies (SIC). Com el seu nom indica, SIC permet que un node de xarxa mallada cancel·li la interferència que crea transmetent i rebent a la mateixa freqüència. La tecnologia literalment duplica l’eficiència espectral d’un node, eliminant la necessitat de freqüències de transmissió i recepció separades.
Ara hi ha desenes de milers de milions de dispositius sense fils al món. Segons l' Associació GSM, almenys 5.000 milions d'ells són telèfons mòbils . La Wi-Fi Alliance diu que hi han més de 13.000 milions de dispositius equipats amb Wi-Fi i el Grup d’Interès Especial Bluetooth prediu que s'enviaran més de 7.500 milions de dispositius Bluetooth entre el 2020 i el 2024. Ara és el moment de portar xarxes mallades sense fils al mercat principal, ja que la capacitat sense fils s'inclou més productes (bàscules de bany, sabatilles de tennis, olla a pressió, etc.) entre molts altres.
Els telèfons mòbils, els encaminadors Wi-Fi i altres ràdios bidireccionals
Tots ells, es consideren ràdios full-duplex. Això significa que són capaços tant d’enviar com de rebre senyals, mitjançant l’ús de transmissors i receptors separats. Normalment, les ràdios transmetran i rebran senyals mitjançant el sistema duplex de divisió de freqüència, és a dir, que els senyals de transmissió i recepció utilitzen dues freqüències diferents, o sistemes duplex de divisió de temps, és a dir, que els senyals de transmissió i recepció utilitzen la mateixa freqüència però en moments diferents. L'inconvenient de les dues tècniques dúplex és que teòricament, cada banda de freqüències només s'utilitza per a la meitat del seu potencial en un moment donat, és a dir, per enviar o rebre, no ambdós
Il·lustració: Erik Vrielink Les ràdios, com les dels telèfons mòbils, solen comunicar-se amb freqüències diferents o amb la mateixa freqüència en diferents moments, per enviar i rebre senyals. Aquestes tècniques són la meitat d’eficaços en utilitzar l’espectre que en utilitzar la mateixa freqüència alhora.
Els enginyers de ràdio, estan treballant amb l'objectiu per desenvolupar un sistema dúplex complet amb la mateixa freqüència, que seria capaç de fer un ús màxim de l’espectre transmetent i rebent a la mateixa banda alhora. Això seria com imaginar-se una autopista de dos carrils, amb trànsit que circula en direccions diferents per carrils diferents. Llavors, el doble dúplex a la mateixa freqüència seria com construir un sol carril amb cotxes circulant alhora en ambdues direccions. Això potser no té sentit per al trànsit, però és totalment possible per a l'enginyeria ràdio.
Per ser clar, els full-dúplex amb la mateixa freqüència continuen sent un objectiu en el qual, encara treballen els enginyers ràdio. La cancel·lació d’interferència pròpia acosta les ràdios a aquest objectiu, ja que permet que una ràdio cancel·li les seves pròpies transmissions i escolti altres senyals a la mateixa freqüència alhora, però no és una tecnologia perfecta.
El SIC, tot just comença a emergir. Als Estats Units, hi ha almenys tres startups que porten el SIC a les aplicacions del món real: GenXComm, Lextrum i Kumu Networks. També hi ha un grapat de substancials programes que desenvolupen tècniques d’auto-cancel·lació a les universitats, concretament a Columbia, Stanford (on va començar Kumu Networks) i la Universitat de Texas a Austin .
El SIC pot semblar senzill. Al cap i a la fi, la ràdio emissora sap exactament quin serà el seu senyal de transmissió abans d’enviar-lo. Aleshores, tot el que ha de fer la ràdio emissora és cancel·lar el seu propi senyal de transmissió de la barreja de senyals que està captant la seva antena per escoltar els senyals d'altres ràdios.
Però en realitat, el SIC és més complicat, perquè un senyal de ràdio ha de passar diversos passos abans de la transmissió que pot afectar el senyal transmès. Una ràdio moderna, com la del telèfon intel·ligent, comença amb una versió digital del senyal que es transmetrà al seu programari. No obstant això, en el procés de convertir la representació digital en un senyal de radiofreqüència per a la transmissió, els circuits analògics de la ràdio generen sorolls que distorsionen el senyal de RF, cosa que fa impossible l’ús del senyal tal com és per a l’auto-cancel·lació. Aquest soroll no es pot predir fàcilment perquè es deu en part a les temperatures ambientals i a subtils imperfeccions de la fabricació.
La diferència de magnitud de la potència d'un senyal transmès interferent en comparació amb la d'un senyal rebut desitjat, també confon la cancel·lació. La potència transmesa per l'amplificador de la ràdio és molt més gran que la potència dels senyals rebuts. És com intentar sentir algú que et xiuxiueja a uns quants metres mentre els crides simultàniament.
Il·lustració: Erik Vrielink. Un component SIC d’una ràdio mostra el senyal de transmissió a les capes digitals [1] , IF [2] i RF [3] . A les capes IF i RF, el senyal mostrejat s’ajusta per diversos components [4] per crear inverses de les mostres. A la capa digital, els algoritmes cancel·len les alteracions del senyal causades per les reflexions ambientals [5] . Quan es rep el senyal, el component SIC el cancel·la a les capes RF [6] , IF [7] i digital [8] . El senyal de transmissió també és mostrejat [9] per un sintonitzador digital que ajustarà els components SIC [10] per cancel·lar-lo millor la propera vegada.
A més, el senyal que arriba a l’antena receptora no és el mateix que quan l’enviava la ràdio. Quan retorni, el senyal també inclou reflexos d'arbres propers, parets, edificis o qualsevol altra cosa del seu en voltant. Els reflexos es compliquen encara més quan el senyal rebota en objectes en moviment, com ara persones, vehicles o fins i tot fortes pluges. Això vol dir que si la ràdio simplement anul·lava el senyal de transmissió tal com era quan la va enviar, la ràdio deixaria de cancel·lar aquestes reflexions.
Per fer-ho bé, les tècniques de cancel·lació d’auto-interferències depenen d’una barreja d’algoritmes i trucs analògics per tenir en compte les variacions de senyal creades tant pels components de la ràdio com pel seu entorn local. Recordem que l'objectiu és crear un senyal que sigui l'invers del senyal de transmissió. Aquest senyal invers, quan es combina amb el senyal de recepció original, hauria d’anul·lar idealment el senyal de transmissió original, fins i tot amb el soroll, distorsions i reflexos afegits, deixant només el senyal rebut. A la pràctica, però, l’èxit de qualsevol tècnica de cancel·lació encara es mesura per la quantitat de cancel·lacions que proporciona.
La tècnica SIC de Kumu, intenta cancel·lar el senyal de transmissió en tres moments diferents mentre la ràdio rep un senyal. Amb aquest enfocament de tres nivells, la tècnica de Kumu arriba a aproximadament 110 dB de cancel·lació, en comparació amb els 20 a 25 dB de cancel·lació que pot aconseguir un punt d’accés Wi-Fi de malla típic.
El primer pas, que es duu a terme a l’àmbit analògic, es troba a nivell de radiofreqüència. Aquí, un component SIC especialitzat a la ràdio mostra el senyal de transmissió, just abans d’arribar a l’antena. En aquest punt, la ràdio ja ha modulat i amplificat el senyal. Això significa que qualsevol irregularitat causada pel mesclador de senyal, l'amplificador de potència i altres components de la ràdio ja està present a la mostra i, per tant, es pot cancel·lar simplement invertint la mostra presa i alimentant-la al receptor de la ràdio.
El següent pas, també realitzat a l’àmbit analògic, anul·la més el senyal transmissor a nivell de freqüència intermèdia (IF). Les freqüències intermèdies, com el seu nom indica, són un pas mig entre la creació d’un senyal digital d’una ràdio i el senyal transmès real. Les freqüències intermèdies s’utilitzen habitualment per reduir el cost i la complexitat d’una ràdio. En utilitzar una freqüència intermèdia, una ràdio pot reutilitzar components com ara filtres, en lloc d’incloure filtres separats per a cada banda de freqüència i canal on pot funcionar la ràdio. Tant els encaminadors Wi-Fi com els telèfons mòbils, per exemple, converteixen els senyals digitals en freqüències intermèdies per reutilitzar components i converteixen els senyals a la seva freqüència de transmissió final només més endavant en el procés.
La tècnica SIC de Kumu aborda la cancel·lació de la IF de la mateixa manera que realitza la cancel·lació RF. El component SIC mostra el senyal IF al transmissor abans de convertir-lo a la freqüència de transmissió, modulada i amplificada. El senyal IF s'inverteix i s'aplica al senyal de recepció després que el senyal de recepció s'hagi convertit a la freqüència intermèdia. Un aspecte interessant de la tècnica SIC de Kumu a destacar aquí és que els passos de mostreig i de cancel·lació es produeixen com a inversos els uns dels altres. En altres paraules, mentre el component SIC mostra el senyal IF abans del senyal RF del transmissor, el component aplica la cancel·lació del senyal RF abans del senyal IF.
Il·lustració: Erik Vrielink. quan un telèfon mòbil està prou a prop o té una línia de visió a una torre cel·lular, és capaç de comunicar-se fàcilment amb les tècniques de dúplex establertes [1] . Els nodes de retransmissió poden ampliar el rang de senyal d’una torre cel·lular sense espectre de captació mitjançant l’anul·lació d’interferències (SIC). Els millors resultats seran quan el telèfon mòbil es posiciona directament enfront del node de relé des de la torre cel·lular [2] . En un angle, la cancel·lació necessària per mantenir les comunicacions clares es fa més complicada a mesura que els senyals comencen a interferir els uns amb els altres [3] .
El tercer i últim pas del procés de cancel·lació de Kumu aplica un algorisme al senyal rebut després de convertir-lo a un format digital. L’algorisme compara el senyal rebut restant amb el senyal de transmissió original anterior als passos IF i RF. L’algoritme esbossa bàsicament el senyal rebut per detectar els efectes persistents que poguessin haver estat causats pels components del transmissor o pel senyal transmès que es reflecteix a l’entorn proper i els cancel·la.
Cap d’aquests passos no és efectiu al 100%. Però, en conjunt, poden assolir un nivell de cancel·lació suficient per eliminar el senyal de transmissió suficient per permetre la recepció d'altres senyals raonablement forts a la mateixa freqüència. Aquesta cancel·lació és prou bona per a moltes aplicacions clau d'interès, com ara el repetidor Wi-Fi descrit anteriorment.
La tecnologia de Kumu ja està desplegada comercialment a les xarxes 4G Long Term Evolution (LTE), on un dispositiu anomenat node de repetició, pot cobrir forats de cobertura, gràcies al SIC. Un node de retransmissió és essencialment un parell de ràdios bidireccionals connectats entre si. La primera ràdio del parell, orientada cap a una torre cel·lular 4G, rep senyals de la xarxa. La segona ràdio, orientada cap al forat de cobertura, transmet els senyals, a la mateixa freqüència, als usuaris que presentes un forat de cobertura. El node també rep senyals dels usuaris al forat de cobertura i els retransmet, de nou, amb la mateixa freqüència, a la torre cel·lular. La diferència és que, els nodes de retransmissió funcionen de manera similar als repetidors i extensors tradicionals que amplien una àrea de cobertura repetint un senyal emès més lluny de la seva font.
Com que un node de retransmissió retransmet completament un senyal, perquè el node funcioni correctament, el transmissor cap a l’estació base 4G no ha d’interferir amb el receptor que mira cap al forat de cobertura. Recordeu que un gran problema en reutilitzar l'espectre és que els senyals de transmissió són ordres de magnitud més elevats que els senyals de recepció. No es vol que el node atenuï els senyals que intenta transmetre dels usuaris pels seus propis intents de retransmissió. De la mateixa manera, no es vol que el transmissor que cobreix el gap de cobertura cancel·li senyals que entren de la torre cel·lular. El SIC evita que cada ràdio atenuï els senyals que l’altre escolta cancel·lant les seves pròpies transmissions.
Els desplegaments en curs de xarxa 5G, encara ofereixen una oportunitat més gran per al SIC. El 5G es diferencia de les generacions cel·lulars anteriors amb la inclusió de cèl·lules petites, essencialment torres cel·lulars en miniatura situades entre 100 i 200 metres de distància. Les xarxes 5G requereixen cèl·lules petites perquè la generació cel·lular utilitza senyals d’ona mil·limètrica de major freqüència, que no viatgen tan lluny com altres freqüències cel·lulars. El Small Cell Forum prediu que en el 2025, més de 13 milions de cèl·lules petites 5G s’instal·larà a tot el món. Cadascuna d’aquestes petites cel·les necessitarà un enllaç dedicat, anomenat enllaç backhaul, que el connecti a la resta de la xarxa. La gran majoria d’aquests enllaços de backhaul seran sense fils, ja que l’alternativa, el cable de fibra òptica, és més cara. De fet, la indústria 5G està desenvolupant un conjunt d’estàndards anomenats Integrated Access and Backhaul (IAB) per desenvolupar enllaços de backhaul sense fils més robustos i eficients.
IAB, com el seu nom indica, té dos components. El primer és l'accés, és a dir, la capacitat dels dispositius locals com els telèfons intel·ligents per comunicar-se amb la cel·la petita més propera. El segon és backhaul, és a dir, la capacitat de la petita cèl·lula per comunicar-se amb la resta de la xarxa. Els primers esquemes proposats per a 5G IAB eren permetre que les comunicacions d’accés i de retrocés tinguessin torns al mateix canal d’alta velocitat o bé utilitzessin canals separats per als dos conjunts de comunicacions. Tots dos tenen grans inconvenients. El problema de compartir el mateix canal és que introdueix retards en aplicacions sensibles a la latència, com ara la realitat virtual i jocs multijugador. D'altra banda, l'ús de canals separats també comporta un cost substancial: s'ha duplicat la quantitat d'espectre sense fils sovint car que necessita de llicència per a la xarxa.
Igual que a l'exemple de node repetidor LTE, SIC poden cancel·lar el senyal de transmissió d'una ràdio d'accés en una petita cel·la del receptor de la ràdio backhaul i, de manera similar, cancel·lar el senyal de transmissió d'una ràdio de retorn a la mateixa cel·la petita del receptor de la ràdio d' accés. El resultat final és que la ràdio de retorn de la cel·la pot rebre senyals de la xarxa més àmplia, fins i tot mentre la ràdio d’accés de la cel·la parla amb els dispositius propers.
La tecnologia de Kumu encara no està desplegada comercialment a les xarxes 5G mitjançant IAB, perquè IAB encara és relativament nou. El Projecte de col·laboració de la tercera generació, que desenvolupa protocols per a les telecomunicacions mòbils, va congelar la primera ronda d’estàndards IAB el juny del 2020 i, des de llavors, Kumu ha refinat la seva tecnologia mitjançant proves industrials.
Una darrera tecnologia que cal esmentar és la Wi-Fi, que comença a fer un major ús de les xarxes mallades. Una xarxa domèstica Wi-Fi, per exemple, ara ha d’arribar a ordinadors, televisors, càmeres web, telèfons intel·ligents i qualsevol dispositiu d'una casa intel·ligent, independentment de la seva ubicació. Un sol encaminador pot ser suficient per cobrir una casa petita, però les cases més grans o un petit edifici d’oficines poden requerir una xarxa de malla amb dos o tres nodes per proporcionar una cobertura completa.
Les actuals tècniques de Wi-Fi mallat, assignen algunes de les bandes sense fils disponibles per a la comunicació interna dedicada entre els nodes de la malla. En fer-ho, renuncien a una part de la capacitat que d’altra manera s’hauria pogut oferir als usuaris. Un cop més, SIC pot millorar el rendiment fent possible que les comunicacions internes i els senyals dels dispositius utilitzin les mateixes freqüències simultàniament. Malauradament, aquesta aplicació encara està molt lluny en comparació amb les aplicacions 4G i 5G. Tal com està, actualment no és rendible desenvolupar tecnologia SIC per a xarxes Wi-Fi mallades, perquè aquestes xarxes solen gestionar volums de trànsit molt més baixos que les estacions base 4G i 5G.
Les xarxes mallades s’estan desplegant cada vegada més a les xarxes mòbils i Wi-Fi. Les dues tecnologies s’assemblen cada cop més a la seva manera de funcionar i d’utilitzar-les, i les xarxes mallades poden solucionar els problemes de cobertura i revisió experimentats per tots dos. També són fàcils de desplegar i s'auto-reparen, cosa que significa que les dades es poden encaminar automàticament al voltant d'un node que ha fallat. Les xarxes de malla 4G LTE realment robustes ja s’estan millorant molt mitjançant el full-duplex amb la mateixa freqüència. Espero que passi el mateix en un futur proper amb les xarxes 5G i Wi-Fi.
La tendència tecnològica a la xarxa sense fils és treure més i més rendiment de la mateixa quantitat d’espectre. SIC, literalment, duplica la quantitat d’espectre disponible i, en fer-ho, ajuda a introduir categories d’aplicacions sense fils completament noves.
Font: IEEE Spectrum
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada