Was treibt den Fortschritt in Richtung immer schnellerer Mobilfunkgeschwindigkeiten an? [geschlossen]

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Ich habe immer akzeptiert, dass die Technologie Fortschritte macht. Mit der Geburt in den 90ern wird alles schneller, kleiner, billiger und im Allgemeinen besser, wenn Sie ein paar Jahre warten. Am offensichtlichsten war dies bei Unterhaltungselektronik wie Fernsehgeräten, PCs und Mobiltelefonen.

Allerdings fällt mir jetzt ein, dass ich weiß, was die meisten dieser Änderungen antreibt, außer einer. Computer und Handys werden besser und schneller, vor allem, weil wir kleinere und effizientere Transistoren bauen können (ich höre etwa die doppelte Anzahl von Transistoren pro Siliziumflächeneinheit alle zwei Jahre).

Das Internet wurde zuerst mit DSL schneller, wodurch die Bandbreite des Kupfer-Twisted-Pair-Festnetzkabels auf ein Maximum gebracht wurde. Als das nutzbare Spektrum im Kupferdraht erschöpft war, haben wir uns der Glasfaser zugewandt, und es war ein ganz neues Spiel.

TL; DR: Aber was macht es möglich, dass Mobilfunknetze immer schneller werden? Ich hatte 2G-, 3G- und jetzt LTE-Handys und die Geschwindigkeitsunterschiede sind astronomisch, ähnlich den Unterschieden, die im Haushaltsinternet im letzten Jahrzehnt beobachtet wurden.

LTE-Kanäle haben jedoch nicht unbedingt eine größere Bandbreite (ich glaube, LTE verwendet weniger: 3G verwendet 5-MHz-Kanäle , während LTE kleinere Kanäle von 1,4 bis 20 MHz haben kann ). Außerdem habe ich oft gehört, dass LTE in Bezug auf Bps pro Kanal-Hz effizienter ist (ich würde hier hinzufügen, dass Zitieren erforderlich ist, ich bin der Erste, der zugibt, dass es zumindest zweifelhaft klingt).

Also, was ist es? Nur mehr Spektrum? Bessere und kleinere Elektronik? Oder werden wir dies auf andere Weise besser? Wieso das?

— Fruchtsäfte
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Gier ist wahrscheinlich der ultimative Treiber: Unternehmen streben nach Profit und niedrigeren Kosten ...

— Solar Mike

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@SolarMike Nun, ich denke, du hast Recht, aber das habe ich nicht so gemeint. Ich meinte aus technischer Sicht, was das möglich macht.

— Fruchtsäfte

Also, was ist Ihre Frage - was werden wir morgen oder nächste Woche erfinden, das schneller sein wird?

— Solar Mike

@SolarMike Nein, die Frage wäre, wie sie es schneller machen werden. PCs werden nächstes Jahr schneller sein, weil Intel CPUs mit kleineren und effizienteren Transistoren bauen wird, damit sie mehr Hardware für weniger Geld vollstopfen, schneller takten und eine niedrigere VDD verwenden können. Aber warum wird der Nachfolger von LTE schneller sein? Was macht es aus technologischer Sicht möglich? Digiproc erwähnte etwas im Sinne besserer Algorithmen zur Ausnutzung der Kanalkapazität, wonach ich suche.

— Freejuices

Sie möchten also heute die Theorien von morgen kennenlernen? dh das "wie"? ...

— Solar Mike

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Was macht es möglich, dass Mobilfunknetze immer schneller werden?

Grundsätzlich das gute alte Mooresche Gesetz.

Das Mobilteil ist nur die halbe Miete. Moderneres und leistungsfähigeres Silizium hilft dabei, eine bessere Kanalqualität, weniger Rauschen usw. zu erzielen. Dies kann jedoch nicht über die Kanalbandbreite nach Mr. Shannon hinausgehen.

Eine einfache Möglichkeit, die für jeden Benutzer verfügbare Bandbreite zu erhöhen, besteht daher darin, die Landschaft in kleinere Zellen aufzuteilen. Richtantennen auf Türmen teilen die "runde" Zelle wie eine Orange in Viertel.

Durch die Installation vieler Mikro- / Picozellen überall in dicht besiedelten Gebieten kann jede Basisstation nur eine kleinere Anzahl von Benutzern bedienen. Weniger Benutzer pro Zelle bedeuten mehr Bandbreite pro Benutzer. Dies wird ermöglicht, indem der Preis für Basisstationshardware gesenkt wird (z. B. billiges Silizium, Moore's Law und MMICs, die die HF-Bits auf dem Chip integrieren) .

Ein intelligenteres System hilft auch. Selbst wenn Sie in GSM nicht sprechen, ist beispielsweise Ihr Zeitfenster für die Bandbreite für Sie reserviert, was verschwenderisch ist.

Wichtig ist auch die Verfügbarkeit zu einem vernünftigen Preis:

Große FPGAs mit wirklich verrückter Rechenleistung
Schnelle ADCs / DACs
Mikrowellen-ICs

Diese ermöglichen digitales Radio, und hier befinden sich die wichtigsten Komponenten wie MIMO und adaptive Antennen-Arrays mit Echtzeit-Beamforming und Kanalentzerrung, fortschrittlichen (und adaptiven) Modulationen sowie starken Fehlerkorrekturcodes, die viel Rechenleistung erfordern, usw .

— peufeu
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Wo kommen FPGAs in Bezug auf Mobilfunknetze ins Spiel? Ich hätte gedacht, alles ist ein ASIC?

— Mehrdad

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ASIC hat billigere Stückkosten, aber FPGA ist vor Ort aktualisierbar ...

— Peufeu

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FPGAs können bei geringeren Volumina oder wenn eine Rekonfigurierbarkeit erforderlich ist, wirtschaftlich sein. Die höheren Kosten pro Einheit für FPGAs sind den enormen Kosten für die Entwicklung eines ASIC vorzuziehen. Bei FPGAs kann es sich um sehr leistungsfähige Netzwerkhardware, Basisstationen usw. handeln, die ein relativ geringes Volumen aufweisen. Für Picocells sind ASICs eine stärkere Möglichkeit, da es viel mehr von ihnen geben wird.

— alex.forencich

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OKAY! FPGAs befinden sich in den Basisstationen. Telefone werden in ausreichender Menge verkauft, um ASICs zu rechtfertigen, und sie werden ziemlich oft "aufgerüstet", wenn Leute sowieso neue kaufen.

— Peufeu

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Die allmähliche Verbreitung besserer Bodentechnologien spielt ebenfalls eine große Rolle. Mobilteile bilden nur einen Teil eines Mobilfunknetzes. ZB paketbasierte Timing-Synchronisation, die wir seit Jahren haben, aber es dauert eine Weile, bis diese Dinge in großem Maßstab in der Industrie Fuß fassen

— Lightness Races mit Monica

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Ich denke, das Folgende sind einige der Schlüsseltechnologien / -techniken, die die Datenraten von Mobiltelefonen erhöhen.

Wechseln Sie zu höheren Trägerfrequenzen, wenn größere Bandbreiten verfügbar sind. Bald wird die Millimeterwellen-Technologie in Mobiltelefonen zum Einsatz kommen.
MIMO-Antennensysteme (Multi Input Multi Output) ermöglichen die parallele Übertragung von Datenströmen.
Erweiterte Modulationsschemata wie OFDM und QAM.
Stärkere Vorwärtsfehlerkorrekturcodes erfordern keine Neuübertragung und bringen uns der Shannon-Kapazität immer näher.
Schrumpfende Zellgrößen. Jetzt haben wir die gleiche Frequenz auf eine kleinere Anzahl von Benutzern aufgeteilt.

— Yasir Ahmed
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kurz und auf den Punkt. +1

— Sredni Vashtar

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Bei gleicher Bandbreite ist die einzige Möglichkeit, Datenraten zu steigern, eine bessere Codierung: QAM im Vergleich zu GSM-MSK, 16QAM im Vergleich zu QAM, 256QAM im Vergleich zu 16QAM.

Dabei müssen Multipathing und Fading behandelt werden.

Mit mehr Bits pro Hertz muss das SignalNoiseRatio (SNR) verbessert werden, wobei die Codierung hier eine einmalige Unterstützung von 5 oder 10 dB bietet. Um das SNR zu verbessern, benötigt die Verbindung mehr ERP (fokussierte TX-Antennen), Empfängerantennen mit höherer Verstärkung (mehr Elemente, phasengesteuerte Arrays usw., die mehr Fläche bieten, um mehr Energie zu sammeln) und kürzere Pfade, um den Pfadverlust zu verringern.

— analogsystemsrf
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Doch irgendwann wird Shannons Grenze erreicht sein. In diesem Fall wäre die einzige Möglichkeit für eine höhere Geschwindigkeit eine höhere Bandbreite pro Benutzer, dh kleinere Zellen. Irgendwann könnte es zu einem System kommen, das wie ein WLAN mit geringer Leistung aussieht, bei dem sich nur wenige Benutzer in einer Zelle befinden, und zu diesem Zeitpunkt würde das Standard-HF-Design den maximal möglichen Durchsatz

— erzielen

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Oder werden wir dies auf andere Weise besser? Wieso das?

Es wird möglicherweise einen Tag geben, an dem unsere Mobilteile (oder das System) in der Lage sein werden, die mathematischen Nuancen unserer einzelnen Stimmen zu speichern und sie zu manipulieren, um andere Wörter algorithmisch zu bilden. Dann ist alles, was in einem Sprachanruf übertragen werden muss, "Text" und das empfangende Telefon kann unsere Stimmen rekonstruieren und klingen wie die tatsächliche Person.

Wenn Sie also sagen, dass Sie einen schönen Tag haben, benötigen Sie 15 ASCII-Zeichen oder 120 Bit für zwei Sekunden.

— Andy aka
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Vergessen Sie am Ende nicht ein paar Bytes für einen Smiley, es sei denn, Sie erwarten, dass jeder in Zukunft sehr ernsthaft telefoniert.

— Dmitry Grigoryev

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Ich hoffe , dass es nicht immer , dass weit gehen, damit wir nicht so etwas wie haben dies passieren, aber für die Sprachkommunikation anstelle von gescannten Dokumenten. Ich nenne es "Autokorrektur für Audio".

— Aleksi Torhamo

Wenn dies Realität wird, können wir dann den Stimmen unserer Freunde nicht mehr vertrauen, aus dem gleichen Grund, aus dem wir ihren E-Mails oder Anrufer-IDs heute nicht mehr vertrauen können? (Spoofing)

— AaronD

@AaronD Eigentlich wird es so sein, dass man Telefonanrufen nicht trauen kann. Der Freund (und seine Stimme) selbst bleiben so vertrauenswürdig wie immer.

— user253751

@immibis Ja, das habe ich gemeint. Ich schätze, ich habe da eine gewisse Unklarheit hinterlassen. Danke fürs klarstellen.

— AaronD

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Ein weiterer kritischer Fortschritt, der nicht erwähnt wurde, ist die verbesserte Nutzung von Glasfasernetzen . Eine optische Faser kann ein ganzes Spektrum von Wellenlängen tragen. Das haben sie jedoch nicht immer getan. Optische Filter mit zunehmender Präzision ermöglichen es nun, Dutzende (oder mehr) "Kanäle" in Einzelfasern zu packen, in denen zuvor nur zwei verwendet wurden. Auf diese Weise kann die vorhandene Infrastruktur (Glasfaser im Boden) immer mehr Daten übertragen, ohne dass die Endgeräte aktualisiert werden müssen. Mobilfunknetze sitzen im Grunde genommen auf Glasfaser-Backbones, sodass eine bessere und schnellere Glasfaser ein entscheidender Bestandteil einer breiteren und schnelleren Funkzelle ist.

Dies ähnelt in gewisser Weise der Entwicklung des POTS- Kupfers innerhalb weniger Jahrzehnte von 2400 auf 50 MBit / s.

— J ...
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Nicht nur, dass Designer immer noch bessere Algorithmen für die dynamische Audiokomprimierung, die dynamische Kanalcodierung (dh die Annäherung an Shannons Grenzen) und die dynamische Anpassung an Mehrwege, Störungen und Interferenzen entwickeln. Wenn die Transistoren jedoch kleiner werden, können wir für die gleiche Menge an Batterieenergie aufwändigere Algorithmen verwenden.

— Digiproc
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Wie stark hat die Kanalcodierung dazu beigetragen, dass die meisten Kommunikationsvorgänge verschlüsselt sind oder sein sollten und daher nicht von weißem Rauschen unterschieden werden können?

— Maciej Piechotka

@MaciejPiechotka Codiert nicht wie bei der Komprimierung, codiert wie bei der Modulation. Und Codierung wie bei der Fehlerkorrektur (seltsamerweise kann das Hinzufügen einer Fehlerkorrektur die Datenrate erhöhen, da Ihre "tatsächliche" Verbindung jetzt schneller und ungenauer sein kann, um dies auszugleichen).

— user253751

@immibis Oh so Dinge wie 10b / 8b. Das macht Sinn

— Maciej Piechotka

@MaciejPiechotka Ich nehme an du meinst 8b / 10b Kodierung ? Dieses Codierungsschema ist hauptsächlich für die Taktwiederherstellung und den Gleichspannungsausgleich vorgesehen und überträgt nur 0,8 Bits pro Symbol. Übertragungen mit 16-QAM haben 4 Bits pro Symbol und Übertragungen mit 64-QAM haben 6 Bits pro Symbol.

— Zahnbürste

@ Zahnbürste sorry. Das letzte Mal, als ich mich mit dieser Art von Material befasste, war an der Uni und ich erinnerte mich nicht an die Notation (und vor dem Kaffee habe ich nicht bemerkt, dass Google die richtige Reihenfolge angegeben hat, als ich sie überprüfte).

— Maciej Piechotka