Широколентов достъп: Преглед на технологиите

Кабелни широколентови технологии

Телове от мед

Медните проводници се определят като „наследена телефонна неекранирана медна усукана двойка“, осигуряваща широколентови връзки чрез използване на xDSL-технологии, като ADSL/ADSL2 + (максимум 24/3 Mbps скорост надолу/нагоре по веригата в рамките на макс. обхват на ефективност от 0,3 km) или VDSL/VDSL2/VDSL2-Vplus/VDSL2 векториране (с векториране макс. 300/100 Mbps скорост надолу/нагоре по веригата в рамките на обхват на ефективност от 0,2 km) или G.fast с до 1 Gbps над много къси медни вериги (обикновено под 0,1 km).

• Плюсове: Те изискват относително ниски инвестиции, необходими за пасивна инфраструктура (в повечето домакинства вече има медна телефонна линия), и са най-малко разрушителни за крайните потребители.
• Недостатъци: Високите (изтегляне) скорости зависят от дължината на медната линия и се разграждат експоненциално с разстояние от възела, производителността страда в шумна среда. Технологията xDSL е силно асиметрична: скоростите на качване обикновено са много по-ниски от скоростите на изтегляне; това може да възпрепятства новите услуги (напр. изчисленията в облак, видеоконферентните връзки, дистанционната работа, присъствието от разстояние). Необходими са по-големи инвестиции в активно оборудване (с продължителност на живота 5-10 години). Това може да е временно решение, но инвестицията в оптична инфраструктура най-вероятно ще бъде отложена само с 10—15 години.
• Устойчивост: В много държави от ЕС медната инфраструктура остарява и постепенно се премахва. Newer copper-based technologies (e.g.: Vectoring, G.fast) може да осигури по-високи скорости, но страдат от същите ограничения. Те демонстрират свързващи технологии към цялостни оптични кабелни инфраструктури.

Широколентовият интернет чрез коаксиален кабел обикновено се предлага на клиентите чрез съществуващата кабелна телевизия (CATV). Коаксиалният кабел се състои от централен меден проводник, изолационен слой, метален щит (обикновено мед или алуминий) и външна защитна жилетка. Следователно телевизионните кабелни мрежи са по-ефективни от традиционните телефонни мрежи, тъй като поддържат много по-висока честотна лента, по-дълъг ефективен обхват и са по-малко податливи на смущения, като по този начин дават възможност за по-добра производителност на широколентовите услуги.

• Плюсове: Това изисква относително ниски инвестиции, необходими за пасивна инфраструктура, и също така е най-малко разрушително за крайните потребители. Тази инфраструктура предлага малко повече възможности за осигуряване на по-високи широколентови скорости, отколкото по телефонните линии. Възможни са свръхбързи скорости, ако плътността на възлите се увеличи и се прилагат стандартите DOCSIS.
• Недостатъци: Широчината на честотната лента се споделя между няколко потребители, което намалява нейната наличност по време на пиковите периоди на трафик през деня. Невъзможността за отделяне води до липса на конкуренция в областта на услугите на пазара на кабелни услуги; Рядко се срещат в областите на цифровото разделение. Едно временно решение за инвестиране в инфраструктура за оптични влакна най-вероятно ще бъде отложено само с 10—15 години, както при медните проводници.
• Устойчивост: Прилагането на нови стандарти (DOCSIS 3.1 и DOCSIS 4.0) позволява по-високи честотни ленти за крайните потребители до 10 Gbps и подобрена производителност при качване.

Широколентовият достъп може да се осъществява чрез съществуващи електроразпределителни мрежи за ниско и средно напрежение. Скоростите на BPL са сравними с тези на ранните xDSL. Днес BPL е до голяма степен остаряла в повечето държави от ЕС и вече не се използва широко.

• Плюсове: Не е необходимо да се разгръща нова инфраструктура, тъй като могат да се използват съществуващи електропроводи.
• Недостатъци: В слабо населените райони технологията е икономически жизнеспособна за крайния потребител само ако домовете са оборудвани с трансформатори, за да се осигури широколентов достъп по електропроводите. В противен случай крайните потребителски цени за достъп до интернет надвишават тези за xDSL и коаксиални кабелни решения. Съществуват технически предизвикателства, дължащи се на това, че електропроводите са много „шумна“ среда и смущения във високочестотните радиокомуникации и радиоразпръскване.

Линиите от оптични влакна се състоят от кабели от стъклени влакна, свързани с домовете на крайните потребители (FTTH), сградите (FTTB) или уличните шкафове (FTTC). Те позволяват много високи скорости на пренос (1—10 Gbps за мрежи за достъп, 100 Gbps или повече в опорни мрежи или мрежи от бизнес клас) в рамките на много широк диапазон на ефективност (10—60 km). Това е най-ориентираното към бъдещето решение, но изисква големи инвестиции в пасивна инфраструктура.

• Плюсове: Изключително високо ниво на скорост на предаване и симетрия (възможни са Gbps и Tbps честотни ленти), по-малко податливи на смущения и почти никакъв спад на мощността на по-големи разстояния до дистрибутора, за разлика от xDSL и достатъчно резерви на мощност също за взискателни многочленни домакинства.
• Недостатъци: Високи инвестиционни разходи за пасивна инфраструктура поради високите разходи за строително инженерство за изкопни работи и тръбопроводи; внедрената инфраструктура не може да бъде локализирана и изисква точна документация за поддръжка и бъдещи модернизации.
• Устойчивост: Технология от следващо поколение с капацитет да отговори на високите изисквания за честотна лента, очаквани в близко бъдеще. 

Внедряването на кабелна широколентова инфраструктура е рентабилен и ресурсоемък вариант. Намаляването на разходите ще насърчи инвестициите в разгръщането на широколентовия достъп и ще намали прага за навлизане на пазара. Това може да бъде улеснено чрез достъп до алтернативни инфраструктури и комунални мрежи и чрез използване на стратегии за разгръщане със слабо въздействие (напр. окопаване на канали).

Откритата окопна конструкция е метод за разполагане на водопроводни и канализационни тръби. Повърхността на земята се отваря и се изкопава окоп. За полагане на телекомуникационни линии се използват ръчно изкопаване, както и строителна техника.

• Плюсове: Откритата окопна конструкция се използва във всички топологични сценарии и е общоприложима за всички видове повърхности. Трайността е много висока и няма ограничение за използването на тръби и компоненти. Потенциалните разходи могат да бъдат спестени, отклонявайки се от нормалната дълбочина, разполагайки се в пешеходни или велосипедни алеи или използвайки окопи.
• Недостатъци: Отклонението от нормалната дълбочина увеличава риска от евентуални повреди на кабелите в хода на строителните и ремонтните работи на съседни или припокриващи се инфраструктури. Възстановяването на повърхностите е доста сложно и сградната среда е нарушена от шумово замърсяване и смущения в движението. Методът е скъп и показва дълги времена на строителство.

Процепът се смила в пътна покривка, асфалтова пътека или велосипедна пътека, в която се поставят микротръби и веднага след това се затварят с пълнеж. Прави се разграничение между нанотренч (до 2 cm), микро-(8 cm до 12 cm), мини-(12 cm до 20 cm) или макротренч (20 cm до 30 cm) и използваната техника на рязане или фрезоване.

• Плюсове: Окопаването обещава кратко време за строителство и значително по-ниски разходи за строителство. Процесът има висока конструктивна мощност от около 600 м на ден и води до много малко нарушения на движението поради бързото запълване на пътното тяло.
• Недостатъци: Фрезованите прорези могат да доведат до увреждане на асфалтовата повърхност под формата на пукнатини, утаяване или увреждане от замръзване. Допълнителното ниво на полагане на пътя може да направи последващите строителни работи - особено във вътрешния градски район - по-трудни и да доведат до по-дълги и по-скъпи конструкции.

Техниката за насочено сондиране позволява полагане на безизкопни тръби за защита на кабелите, например използвани за пресичане на препятствия като река, пътища (защита на дърветата) и железопътни линии. Между две изкопни ями се извършва управляем пилотен отвор. Ефектът от въртенето, хода и ударните движения и втечняването позволява задвижване при голямо разнообразие от почвени условия. С помощта на бентонитна сондажна течност (суспензия за пробиване) почвата се разхлабва и извлича (изплаква). След това главата на бормашината разширява съществуващия канал.

• Плюсове: Методът предлага алтернатива, когато откритото окопаване не е възможно (напр. пресичане на препятствия като железопътни линии или реки) или икономически осъществимо.
• Недостатъци: При ниска дълбочина и хлабави терени окачването за пробиване може да излезе на повърхността по време на процеса на пробиване (издухване). Освен това неточностите в контрола могат да причинят отклонения в надлъжния градиент.

Тази технология е процес на изместване на земята, при който пневматично задвижван чук за изместване на земята (ракета) се задвижва през почвата чрез сгъстен въздух. Защитна тръба се изтегля в създадената заземителна тръба в същата операция. Технологията се използва особено за свързване на сгради.

• Плюсове: Разходите за изкопни работи и възстановяване са спестени, ограниченията на движението или пътните бариери често не са необходими. Методът спестява време, тъй като тръбите се подават директно с ракетата. Може да се използва дори при екстремни почви и на по-дълги разстояния.
• Недостатъци: Дълбочината на разполагане трябва да бъде най-малко десетократно по-голяма от диаметъра на ракетата, за да се избегне издуване на повърхността на терена. Той е подходящ само за сравнително кратки разстояния и не може да се използва в тресавища или много скалисти почви.

По време на процеса на оран плугът за разполагане се изтегля през плуга с помощта на трактор. В получената бразда се полага гъвкав проводник (микрокабелни съединения), особено подходящ за директно оран.

• Плюсове: Процедурата е сравнително евтина и позволява маршрутизиране на дълги разстояния с малко усилия.
• Недостатъци: Може да се използва само върху незапечатани повърхности, ограничени до мек терен, и следователно не е подходящ за асфалтови пътища.

Роботът за сглобяване се използва в недостъпни канали, докато в пешеходните зони работата се извършва от техници. Маршрутите трябва да бъдат инсталирани по такъв начин, че услугата и почистването на канализационния оператор да не бъдат възпрепятствани и безопасността да бъде гарантирана по всяко време. Необходимото пространство в тръбната система е минимално и не представлява значителна пречка за условията на потока. Съответният оператор може да прецени дали тази инсталация може да бъде приложена. Също така преди вземането на решения следва да се разгледа местната ситуация по отношение на състоянието на канала, тенденцията към запушване, технологиите за почистване, аспектите на здравословните и безопасни условия на труд.

• Плюсове: Чрез използването на съществуващата инфраструктура се избягват скъпи и продължителни наземни инсталации. Инсталацията в канализационните системи е добра алтернатива, когато трябва да се сведат до минимум нарушенията на трафика и околната среда.
• Недостатъци: Местната ситуация трябва да бъде правилно анализирана и възможните пречки да бъдат отстранени преди прилагането на тази технология. Недостатъкът е, че досега не могат да се правят домашни връзки. Сега има различни системи, които се развиват за осъществяване на домашна връзка.

Кабелите от оптични влакна се полагат върху поставени дървени мачти или съществуващи улични мачти. Този метод се използва главно при маршрути за свързване по линии с високо и високо напрежение. Той е особено подходящ за отдалечени сгради извън района на населеното място, за които други връзки не биха били икономически жизнеспособни.

• Плюсове: В сравнение с подземната инсталация, надземната инсталация прави възможна рентабилната първоначална инсталация.
• Недостатъци: Кабелната система е изложена на по-силни външни влияния, което увеличава чувствителността. Тъй като инсталацията изисква специално обучен персонал и подходящи инструменти, инсталирането на кабелите е скъпо.

Безжичните широколентови технологии включват мобилни радиорешения (напр. 3G (HSPA), 4G (LTE),5G), фиксирани радиорешения (напр. WiMAX или 5G FWA) и сателитни решения.

Наземната безжична широколентова връзка обикновено се осигурява от 5G FWA, WiMAX (обхват на ефективност до 60 km), Wi-Fi (обхват на ефективност до 300 m) или 5G/4G (обхват на ефективност до 3-6 km).

Когато модернизирането на кабелната инфраструктура не е възможно, вариант е да се изгради инфраструктура за наземен безжичен широколентов достъп, главно антенни обекти за връзки от точка до много точки (напр. WiMax, Wi-Fi, 5G).

• Плюсове: Не са необходими кабелни връзки от първа миля. Инфраструктурата може да се използва и за търговски мобилни услуги.
• Недостатъци: Тъй като честотната лента може да бъде споделена между няколко потребители, пиковите периоди на трафик през деня ще намалят наличната честотна лента за всеки потребител. Силата на сигнала намалява бързо с разстоянието и се влияе от времето; нарушената видимост може да намали качеството на сигнала. Междинен разтвор: инвестиции във влакнестооптична инфраструктура ще бъдат необходими в рамките на 10—15 години.
• Устойчивост: За достъп до бъдещи услуги, нуждите от широчина на честотната лента изискват допълнителни честоти; въпреки това наличният радиочестотен спектър е ограничен.

5G описва стандартите за мобилни телекомуникации отвъд 4G. 5G позволява латентност от край до край на приложението от 4 до 1 милисекунда, според Международния съюз по далекосъобщения (ITU). Технологията е способна на най-малко 10 Gbps качване и 20 Gbps скорост на предаване на данни за изтегляне. Устройствата и приложенията автоматично ще избират мрежата, която най-добре отговаря на техните нужди.

6G технологиите вече стартират по целия свят, като първите продукти и инфраструктури се очакват в края на това десетилетие. 6G системите ще преминат от гигабитов към терабитов капацитет и субмилисекундно време за реакция. Това ще даде възможност за нови приложения, като например автоматизация в реално време или разширено наблюдение на реалността („Интернет на сетивата“), като се събират данни за цифров близнак на физическия свят.

Прочетете повече за последните развития в политиката относно 5G в ЕС.

• Плюсове: 5G предлага подобрения в покритието, ефективността на сигнализацията, скоростта на предаване и намалената латентност. 5G включва различни радиотехнологии — всяка оптимизирана за конкретна нужда (напр. интернет на нещата, критични комуникации, свързващи автомобили, къщи и енергийни инфраструктури).
• Недостатъци: Много от настоящите услуги все още не се нуждаят от такива скорости на предаване на данни. Очаква се обаче търсенето да нарасне бързо, тъй като се разработват нови приложения, нуждаещи се от огромен капацитет (напр. разширена реалност, дистанционна хирургия, индустриална автоматизация, игри в облак в реално време).

Сателитният широколентов достъп, наричан още интернет по сателит, е високоскоростна двупосочна интернет връзка, установена чрез комуникационни спътници, разположени в геостационарна (GEO) или негеостационарна (NGSO) орбита. Сателитите на NGSO могат да бъдат разположени на средна околоземна орбита (MEO) или ниска околоземна орбита (LEO). Крайният клиент изпраща и получава данни чрез сателитна чиния, разположена например на покрива.

• Плюсове: Това изисква ниски инвестиции за пасивна инфраструктура, тъй като не са необходими регионални опорни и районни мрежи. Лесно е да се свържат потребители, разпръснати на сравнително голяма площ (регионална, макрорегионална или дори национална).
• Недостатъци: Ограничен общ брой потребители могат да бъдат обхванати в един регион. Нейната присъща висока латентност на сигнала (GEO ~ 600 ms, LEO ~ 20–40 ms) поради времето за разпространение до и от спътник възпрепятства определени приложения. Необходими са относително големи инвестиции за активно оборудване за крайните потребители. Лошото време и ограничената видимост могат да намалят качеството на сигнала. Трафикът на данни обикновено е ограничен месечно или ежедневно в текущите търговски оферти.
• Устойчивост: Наличната честотна лента особено зависи от броя на потребителите, които изискват сателитната технология. В зависимост от потенциала за по-нататъшно развитие (напр. методи на предаване, спътникова конфигурация) технологията ще играе значителна роля за обхващане на области, които все още не са свързани по друг начин.

Спътниците, които се движат по-близо до Земята (нискоземната орбита варира от около 160 до 2000 km над Земята), дават възможност за по-високи скорости на предаване на данни, покриват широки райони и дават възможност за широколентов достъп на достъпни цени. Малки, евтини потребителски терминали комуникират със сателити и доставят 4G, 5G пренос и WiFi до околните райони.

Съществуват няколко европейски инициативи за LEO, които укрепват иновационната база и стратегическата автономност на Европа в космическото пространство. IRIS2, водещата сателитна мрежа на ЕС, има за цел да осигури сигурни правителствени комуникации и широколентов достъп в цяла Европа, като използва многоорбитален подход, със силен акцент върху LEO. Eutelsat OneWeb управлява глобална сателитна мрежа LEO за предоставяне на широколентов достъп и свързаност за отдалечени региони, авиация и корпоративни потребители. SES mPOWER интегрира LEO сътрудничества за предоставяне на високопроизводителни услуги с ниска латентност за правителствения, корпоративния и морския сектор. Той подчертава гъвкавостта чрез стратегия за хибридна орбита. Инициативата LEO-PNT на ЕКА проучва използването на спътници LEO за подобряване на услугите за определяне на местоположението и времето като допълнение към „Галилео“. Мисията „Хайнрих Херц“, ръководена от германската космическа агенция DLR, се фокусира върху изпитването на модерни комуникационни технологии в космоса и поддържането на сигурни правителствени връзки, включително компоненти за GEO и LEO. Множество европейски новосъздадени предприятия в областта на NewSpace разработват системи за задвижване, наносатове и периферни изчисления в областта на LEO.

SpaceX (САЩ) изведе в орбита хиляди малки, евтини сателити за еднократна употреба (проектStarlink). Сателитите обикалят в три орбитални снаряда (1.110, 550 и 340 км), за да се даде възможност за по-бързо интернет обслужване. SpaceX осигурява сателитна интернет връзка до райони с недостатъчно обслужване на планетата, както и услуга на конкурентни цени за градските райони. Тестването на технологията започна през 2018 г. Към март 2024 г. Starlink се състои от над 6 000 масово произвеждани малки спътника в ниска околоземна орбита (LEO), които комуникират с определени наземни приемо-предаватели.

• Плюсове: Сателитите със средна околоземна орбита (MEO) и ниска околоземна орбита (LEO) са с по-ниска латентност. Те могат да обхванат широки райони и по този начин да улеснят широколентовото покритие за много селските и отдалечените райони.  
• Недостатъци: Необходима е голяма мрежа от спътници, изстреляни в орбита, за да се покрият широки области / по-голямата част от планетата. Това от своя страна води до високи разходи за дружествата доставчици, включително по отношение на контрола от страна на необходимите наземни станции на нестационарните летящи спътници. Освен това възникват опасения във връзка с риска от космически отпадъци и регулаторните предизвикателства.

Платформени станции с висока надморска височина като базови станции за IMT (HIBS)

Станциите с платформи за високи височини (HAPS) като Международни базови станции за мобилни телекомуникации (IMT) (HIBS) са въздушни платформи, които могат да функционират като летящи базови станции. HIBS може да бъде интегрирана с 5G ново радио (NR) като неназемен мрежов актив. HIBS дават възможност за използване на HAPS за допълване на наземното покритие на IMT, като се възползват от платформите, разположени в стратосферата, което дава възможност за много по-широко покритие в сравнение с конвенционалните наземни решения. HIBS осигуряват свързаност към същите мобилни устройства като наземните мрежи, което увеличава глобалното покритие и разширява мобилната свързаност. 

• Плюсове: HIBS разширяват покритието на комуникациите, като се справят със съществуващите цифрови пропуски, особено в общностите без или с недостатъчно обслужване.
• Недостатъци: За HIBS е предизвикателство да изпълни строгите цели за експлоатационна надеждност и достъпност на наследените телекомуникационни мрежи. Докато средното време между отказите (MTBF) се подобрява, телекомуникационните операции изискват още по-висока надеждност и достъпност.

Интернет балоните се изпращат на 18-20 км в стратосферата. Специфичен софтуер ги движи нагоре или надолу, за да намерите правилните ветрове, за да ги насочи в позиция. Всеки балон излъчва интернет връзка до антените на земята.

Project Loon, приключен през 2021 г. поради икономическа нежизнеспособност, а не поради техническа неизправност, е мрежа от балони, захранвани със слънчева енергия, които предават интернет сигнали към наземни станции, домове, работни места или директно към лични устройства, използващи LTE технология. Балоните се движат в стратосферата на височина от около 18 км, специално предназначени за свързване на хора в селски и отдалечени райони.

• Плюсове: Интернет балоните са в състояние да осигурят достъп до интернет в най-отдалечените части на планетата. Алгоритмите за изкуствен интелект гарантират, че балоните намират и използват оптималните потоци на вятъра, за да останат по-дълго във въздуха.
• Недостатъци: Огромната студенина добавя към найлоновия материал на балона и го прави крехък. Смазочните материали стават твърди при тези температури. Балоните са изложени на силна ултравиолетова и космическа радиация и забележими разлики в налягането по време на пътуването си. Контролирането от необходимите наземни станции на нестационарни летящи балони е много предизвикателство.

LiFi е двупосочна, високоскоростна безжична комуникационна технология. Той използва видима светлинна комуникация или инфрачервен и близък до ултравиолетовия (вместо радиочестотни вълни) спектър. Светлината от светодиодите (LED) служи като средство за комуникация. PureLiFi демонстрира първата налична в търговската мрежа LiFi система, Li-1st. В момента има няколко компании, които разработват тази технология.

• Плюсове: LiFi може да бъде по-бърз от WiFi, достигайки скорост от 224 Gbps в лабораторни условия. Технологията е полезна в чувствителни към електромагнитни смущения зони като самолетни кабини, болници и атомни електроцентрали, без да причинява електромагнитни смущения.
• Недостатъци: Технологията осигурява комуникация само в малък обхват. Ниската надеждност и високите разходи за монтаж са допълнителни потенциални недостатъци. Скоростите в реалния свят са по-ниски от (стотици Mbps до ниски Gbps) лабораторните записи, границите на покритие на лицевата линия на зрението и текущите внедрявания са по-скъпи от WiFi.

Сравнението на широколентовите технологии дава обща представа и помага да се избере най-добрата технология.

Научноизследователската и развойна дейност все повече се съсредоточава върху мрежата от протоколи за целия интернет (AIPN). Това позволява да се подобри комуникацията и предаването на данни чрез базирани на интернет протокол (IP) мрежови технологии и услуги, които включват интернет телефония или VoIP (Voice-over Internet Protocol).

IP-базираното предаване на пакети от данни позволява разработването на иновативни услуги и приложения независимо от основната мрежова инфраструктура. 5G е типичен пример за сближаването на мобилните комуникации и паралелно съществуващите технологии за широколентови мрежи.

Пълното преобразуване в мрежови инфраструктури въз основа на интернет протокола (All-IP Migration) е основата за конвергентна реализация на услугите в гигабитовото общество и за използването на различни комбинации от отделни технологии за достъп до мрежата.

Последните развития включват мрежови инфраструктури, които да бъдат допълнени от изцяло оптични мрежи, което ще позволи маршрутизиране и комутация на приложения и съдържание.

Четвъртото направление на научните изследвания включва моделите за предаване на данни след РП. В него се разглеждат информационно-центричните мрежи (ICN) и мрежите с имена на данни (NDN) като алтернативи на IP, които се характеризират с:

• нова архитектура с възможност за управление, поддържаща множество домейни, напр. разделяне на мрежи, периферни изчисления с много възможности за достъп, SDN (софтуерно дефинирана мрежа) и NFV (виртуализация на мрежови функции),
• Нови безжични протоколи (енергийна и спектрална ефективност), способни да поддържат различни безжични мрежи, от сензорни мрежи с много ниска мощност до широкообхватни мобилни мрежи.

Съществуващите и бъдещите скорости на предаване, иновативните методи за компресиране на данни и подобренията на стандартите за предаване ще отговарят на услугите и приложенията с интензивно използване на честотната лента. Следва да се отбележи, че компресирането често причинява загуби по отношение на качеството на данните (напр. телевизионни формати, видеоконференции).