Как работают беспроводные мультисервисные сети
Pixabay
Беспроводные мультисервисные сети, будучи достаточно нишевой технологией еще 10 лет назад, сейчас становятся мейнстримом развития. И на конференциях, посвященных телевещанию, все чаще звучит мнение, что уже скоро новые беспроводные технологии «обрежут кабель». Сейчас эту миссию возлагают на следующее поколение сотовой связи — 5G.
Да, говорят приверженцы этой точки зрения, это произойдет не завтра, но в ближайшие лет пять — точно. Все больше разгорается борьба за так называемый цифровой дивиденд между телевещателями и сотовыми операторами. И если у первых основной козырь — это большой охват и гораздо более эффективное использование спектра при массовом вещании, то вторые упирают на наличие интерактивных или, как сейчас говорят, нелинейных услуг.
Если признать, что сети надо как-то классифицировать, то беспроводные сети различают по расстоянию доступа и охвату обслуживаемой территории: от индивидуальной сети (PAN, Personal area network) и локальной (LAN, Local area network) до глобальной сети (GAN, Global area network). Между ними находятся сети городские (MAN, Metropolian area network), кампусные (Campus area network) и региональные (Wide area network). Очевидно, что в определенных случаях границы между этими классификациями сильно размыты.
Персональная сеть охватывает связь между личными устройствами пользователя, как правило, это связь гаджета со стационарным компьютером по Bluetooth или инфракрасному каналу. LAN — это домашняя или офисная сеть. Кампусная — то же самое, но побольше; как правило, она включает в себя несколько локальных сетей. Городская — то же самое, но в пределах города или городской агломерации. Региональная сеть связывает несколько городских, глобальная — охватывает весь мир. Деление достаточно условное, но общее представление о применяемых технологиях и предоставляемых услугах оно дать может.
По топологии сети делятся на «точка-многоточка» и «точка-точка». По содержанию — на корпоративные и операторские. Первые создаются в интересах бизнес-клиентов, вторые — для оказания услуг и получения абонентской платы за них.
Системы широкополосного беспроводного доступа прошли достаточно долгий путь, чтобы из россыпи различных технологий превратиться в единую сеть, объединенную едиными стандартами и одной общей технологией. Этот процесс еще далек от завершения, но основное направление развития уже сомнений не вызывает. Те беспроводные стандарты и технологии, которые в этой борьбе все-таки выжили, решают локальные нишевые задачи. Сейчас, если говорить о хоть сколько-нибудь массовом применении, все существующие сети и работающие стандарты стремятся к мультисервисности: DVB стараются как-то доработать, чтобы наладить нелинейное вещание, в сотовые стандарты спешно внедряют доработки для массового мультикаста. Разумеется (особенно в корпоративном секторе), остаются и отдельные сети передачи данных, в том числе сети для предоставления услуг одновременной передачи данных и голоса (VoIP), предо¬с¬тавления в аренду каналов высокоскоростного интернет-доступа (LMDS — Local Miltipoint Distribution System), и радиомосты между сетями в своих стандартах и на своих частотах, и магистральные каналы на релейных станциях. Но корпоративные заказчики все чаще отдают предпочтение массовым стандартам, в первую очередь по той причине, что чем более распространен стандарт, тем дешевле оборудование для него.
ЛОКАЛЬНАЯ СЕТЬ НА ПОЛМИРА
Стандарт IEEE 802.11, более известный как Wi-Fi, родился в 1999 году как оптимальное решение проблемы последней даже не мили, а скорее дюйма. Беспроводной радиодоступ, для которого не нужны ни кабель, ни сложные алгоритмы модуляции сигнала, почти сразу приобрел огромное количество поклонников. Немалую роль сыграл тот факт, что компания Intel внедрила адаптер 802.11 в платформу Centrino. На рынке появилось большое количество ноутбуков с Wi-Fi-адаптерами, что, в свою очередь, дало толчок к развитию сетей.
Первый базовый стандарт беспроводных локальных сетей (Wi-Fi) IEEE 802.11 был разработан в 1997 году, в 1999 году появился первый массовый вариант — IEEE 802.11b. Адаптеры 802.11b работают в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивают теоретически максимальную скорость передачи 11 Мбит/с на расстояние до 300 метров (тоже, разумеется, теоретический предел). Его развитие — стандарт 802.11g, который полностью совместим с 802.11b, работает в том же частотном диапазоне, максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с. Стандарт 802.11n принят в 2009 году, работает в диапазонах 2,4—2,5 или 5 ГГц, теоретически возможная скорость передачи данных увеличена до 600 Мбит/c. В 2012 году компания Cisco анонсировала оборудование для беспроводной локальной сети c быстродействием 1 Гбит/c (802.11ac работает в диапазоне 5 ГГц). Существует оборудование стандарта 802.11ac, которое может работать от 450 Мбит/c до 6,93 Гбит/с (802.11n).
ПЕЧАЛЬНЫЙ ФИНАЛ НЕУДАЧНИКА
Для того чтобы вывести беспроводные сети с уровня LAN на городские и региональные уровни, был придуман стандарт 802.16, более известный как Wi-Max. Изначально он был создан для соединения стационарных объектов. Его задачей является обеспечение сетевого уровня между локальными (IEEE 802.11) и региональными сетями (WAN), для которых разрабатывался свой стандарт. Вообще, в начале 2000-х IEEE разрабатывал ряд стандартов, которые должны были составить четкую иерархию от персональной сети до глобальной, включая технологии для организации мостов между различными областями и городскими сетями.
802.16 WiMAX покрывает диапазон частот от 2 до 11 ГГц. Базовая станция осуществляет связь с абонентскими терминалами по схеме «точка-мультиточка» в основном режиме, но возможен и вариант «точка-точка», когда абоненты могут осуществлять связь между собой непосредственно. При размещении на высоте 50 м радиус зоны охвата составляет около 50 км. Пропускная способность — до 135 Мбит/с при полосе несущей 28 МГц.
Около 10 лет назад на этот стандарт возлагали большие надежды по развитию беспроводных сетей, операторы разворачивали сети и предоставляли услуги. Но впоследствии Wi-MAx не выдержал конкуренции с мобильными сетями и был выдавлен с рынка B2C. Сейчас 802.16 не исчез окончательно, сосредоточившись на корпоративных решениях. Этому способствовала изначально заложенная в стандарт возможность решать задачи, которые возникают в каналах с асимметричным трафиком. Это позволяет использовать каналы Wi-Max вместо наземных выделенных линий.
СОТОВЫЕ СЕТИ: ОТ ГОЛОСА К МУЛЬТИКАСТУ
Самый большой взрыв в мультисервис¬ных беспроводных сетях за прошедшие 10 лет совершили сотовые операторы. И сейчас, когда мы говорим о мультисервисных беспроводных сетях, у нас в первую очередь всплывает термин 4G, что в общем и целом характеризует ситуацию.
Распределение стандартов сотовой связи по поколениям — исключительно маркетинговый ход и носит крайне приблизительный характер. Некая ясность есть с 1G — это аналоговая связь. Второе поколение предоставляло передачу голоса.
Технологии второго поколения (2G) не столь однозначны. Передача голоса, в отличие от первого поколения, осущест¬вляется через шифрованный цифровой канал. Этот этап характеризуется борьбой GSM и CDMA с уверенной победой GSM, в первую очередь из-за его более раннего появления на рынке. Третье поколение уже должно было поддерживать передачу данных. Сложность заключалась в том, что МСЭ довольно высоко поднял планку для связи третьего поколения. Текущее состояние технологий не позволяло сразу выйти на столь высокий уровень, что породило массу стандартов и услуг, обозначаемых как 2G+, 2,5G и пр.
Разработчики технологий и операторы GSM-сетей для развития стандарта создали группу 3GPP (3rd Generation Partnership Proje). Группа постепенно разрабатывала и внедряла стандарты, предоставляющие все большие скорости передачи данных HSCSD, ECSD, GPRS и EGPRS. Конкуренты, развивающие CDMA, создали свою группу и, не особенно напрягая фантазию, назвали ее 3GPP2. В конечном итоге обе группы представили высокоскоростные стандарты UMTS (3GPP), вторая презентовала EVDO (3GPP2). В обоих случаях оставлена совместимость с клиентским оборудованием предыдущего (2G) поколения. UMTS официально считается развитием GSM, что подчеркивается другим названием стандарта — 3GSM. Но по сути это другой стандарт, работающий на других частотах, использующий другую методику разделения каналов. Совместимость с предыдущим поколением обеспечивалась наличием в абонентских терминалах двух модулей доступа. В 2005 году внедрением версии несимметричного доступа HSDPA (high-speed downlink packet access) удалось поднять скорость до 7,2 Мбит/c, через два года HSUPA позволил реализовать те же скорости, но уже в симметричном варианте. Следующий несимметричный стандарт HSPA+ предоставлял до 42 Мбит/с в нисходящий канал и до 11 Мбит/c в обратном направлении.
Операторам уже было очевидно, что дальнейшее развитие пойдет по пути введения новых услуг, трафик данных к тому моменту уже начал явно превышать голосовой, и в общем и целом, что делать, было понятно. То, что именно видеотрафик приносит самый большой доход, операторам тоже было понятно, так что основное направление было задано.
После запуска сетей 3G операторы начали запускать различные видеосервисы. Скорость доступа уже позволяла передавать видео, но раздача происходила в режиме юникаст, и в случае массовых запросов (например, во время каких-нибудь топовых спортивных мероприятий) пропускной способности сети на все запросы не хватало и скорость резко падала. Для того чтобы этот недостаток устранить, была создана технология Multimedia Broadcast Multicast Services (MBMS). Основным элементом в сети становился вещательный центр (BM-SC, Broadcast Multicast Service Center). BM-SC подключается к сети оператора и обрабатывает запросы пользователей, управляет идентификацией, осуществляет прекращение соединения. Также центр является входной точкой для стороннего контент-провайдера. Учитывая запросы пользователей, центр оптимально распределяет ресурсы сети, не загружая ее одним и тем же контентом. Себестоимость услуги при этом также снижается.
Пользуясь MBMS, операторы начали развивать услуги мобильного ТВ, после чего уже можно было говорить о сотовых сетях как о мультисервисных.
DVB-T
Вещательный телевизионный стандарт семейства DVB предназначен и оптимизирован под одностороннюю трансляцию больших цифровых потоков. Но, разумеется, практически с самого начала внедрения цифрового ТВ у вещателей и операторов появилось желание сделать вещательные сети мультисервисными. Так появились гибридные технологии. Самым распространенным является HbbTV. Стандарт предусматривает возможность использования телевизионного экрана для отображения текстовой и медиаинформации, получаемой из Интернета. Отличительная особенность HbbTV состоит в том, что интернет-канал служит для загрузки дополнительного содержимого программы и других данных, относящихся к транслируемому каналу, который по большому счету можно представить как весьма объемный информационный ресурс, адаптированный специально под телевизор, и этот ресурс можно соответствующими командами вызывать на экран. Первоначально большие надежды на коммерческое применение этой платформы связывали с развитием телемагазинов и расширением продаж сувенирной продукции, посвященной героям кино и сериалов. HbbTV достаточно широко распространен в Европе, сервис популярен, но говорить о настоящей мультисервисности здесь не приходится, и этот аргумент широко используется конкурентами.
Но все гибридные сервисы требуют отдельного обратного канала, и их преимущество — только в оптимальном использовании асимметричного доступа, когда самый большой трафик (от оператора к абоненту) идет по самой оптимизированной для этого технологии — DVB. Этот вариант был популярен 10-15 лет назад, но развитие широкополосных сетей его фактически убило. В России было построено несколько сетей (например, в Самарской области), где по DVB раздавался контент, а запрос осуществлялся либо DVB-RCS, либо наземными каналами. На этот сервис было повешено множество муниципальных служб, телемедицина и телеобразование. Но широкого распространения эта технология не получила.
Общее направление, по которому сейчас развиваются вещательные стандарты, — это организация эфирного вещания посредством IP (DTT over IP). Эта работа идет и в США, где создали первую версию стандарта ATSC 3.0. Этот стандарт уже планируют внедрить в Южной Корее к зимней Олимпиаде 2018 года. Консорциум DVB также активно работает над DTT over IP, так как это позволит говорить о реальной мультисервисности и станет весомым аргументом в борьбе с сотовыми операторами за частоты. Еще один удачный ход — появление DVB в смартфонах. Отдельные тюнеры, которые при подключении к смартфону или планшету позволяют смотреть цифровое эфирное ТВ, существуют давно, но большой популярностью не пользуются. Но в прошлом году Sony начала выпускать чип с интегрированной возможностью приема DVB, и на рынке уже есть ряд моделей с такой возможностью. Проникновение в смартфоны не сделает DVB мультисервисным с технической точки зрения, но с точки зрения рынка это уже будет неважно.
4G — ПОЛНОЦЕННОЕ ВЕЩАНИЕ
МСЭ установил, что 4G должно предоставлять скорость доступа с движущимися объектами не меньше 100 Мбит/сек, но операторы, не имея возможности этих скоростей достичь, давали своим услугам разные маркетинговые названия. Изначально под 4G понимали отнюдь не те стандарты, которые продвигали сотовые операторы и поставщики технологий, а стандарт 802/16 Wi-Max. И первая российская 4G-сеть работала в этом стандарте. Но впоследствии сотовые операторы, у которых оказалось больше ресурсов, фактически выдавили Wi-Max с рынка, и даже тот оператор, который имел самую развитую в России сеть, перевел ее на стандарт LTE.
Скорости, предоставляемые 4G, развитие технологии eMBMS (см. этот номер, материал на стр. 24) позволяют говорить о том, что именно сотовые операторы предложат миру полноценную массовую беспроводную мультисервисную платформу. Несколько настораживает тот факт, что к настоящему моменту коммерческий запуск eMBMS осуществили всего два оператора в мире, и то их сервис нацелен больше не на полноценное телевещание, как мы его представляем, а на раздачу контента, например во время крупных концертов или спортивных мероприятий.
5G ОБРЕЖЕТ КАБЕЛЬ?
Что нас ждет в будущем? А в будущем нас ждет очередное поколение — теперь уже никто не сомневается, что стандарт 5G будет доминировать на рынке беспроводных мультисервисных сетей. Картина обычная: МСЭ пока не определил критерии стандарта, а производители, операторы и эксперты уже имеют свое веское мнение на этот счет.
Например, около месяца назад в Нижнем Новгороде «Мегафон» и Nokia продемонстрировали прототип БС, обеспечивающей доступ со скоростью 5 Гбит/с, и назвали это 5G. А летом Федеральная комиссия по связи США разрешила установку базовых станций 5G без дополнительного согласования и выделила частоты: 28 ГГц (27,5—28,35 ГГц), 37 ГГц (37—38,6 ГГц), 39 ГГц (38,6—40 ГГц), 64—71 ГГц (оставив возможность в будущем добавить частоты выше 95 ГГц). Также в этом году Vodafone и Huawei протестировали 5G, разогнав сеть до 20 Гбит/с для одного устройства на частотах 71—76 ГГц, 81—86 ГГц и 92—95 ГГц. Южнокорейский оператор SK Telecom обещает организовать 5G-связь к зимней Олимпиаде 2018 года. «Мегафон» тоже говорил о тестовых запусках во время чемпионата мира по футболу в 2018 году.
Чудес не бывает, и скорости достигаются прежде всего увеличением полосы пропускания.
Также увеличивается количество потоков. Технология MU-MIMO позволяет одновременно передавать несколько независимых потоков данных разным пользователям. Можно либо увеличивать общую скорость передачи, либо повышать устойчивость канала. MIMO используется и в LTE, и в Wi-Fi, но в массовых моделях количество потоков не превышает двух. Massive MIMO — технология, разработанная для 5G, теоретически позволяет размещать десятки маленьких антенн в мобильных устройствах и сотни — в передающей станции. Для массового применения ожидаемое количество используемых потоков — 8 или 16. Работа 5G планируется в диапазоне 4.5ГГц, то есть волны обладают меньшей проникающей способностью по сравнению с 2 ГГц у 3G и 2G, и базовые станции придется ставить чаще. Например, сейчас в США установлено около 200 тысяч БС, развертывание 5G потребует их более миллиона. В этом есть и плюс: будет устранена ситуация перегруза БС, когда через нее большое количество абонентов качают тяжелый контент. Но в реальных городских условиях прототипы 5G пока не демонстрируют результатов, удовлетворяющих потенциальных заказчиков. К тому же всплывают и нетехнические аспекты: переход к малым сотам серьезно обостряет проблему многочисленных согласований по месту установки. А это может сильно повысить цену и увеличить время развертывания.
Еще одна особенность 5G — поддержка Интернета вещей. Уже довольно давно сервисы М2М работают через сотовые сети различных поколений. Но предполагается, что в 5G это не потребует создания отдельных сервисов и приложений, что позволит резко расширить рынок. Разу¬меется, Интернет вещей — это одна из ярких наклеек на 5G для привлечения потребителей. Большинству абонентов сейчас хватает с запасом возможностей существующих сетей 4G, поэтому заставить их платить за новые технологии можно только с помощью принципиально нового сервиса или хотя бы того, что можно таковым представить.
WI-FI И 5G — ИНТЕГРАЦИЯ ИЛИ БОРЬБА?
Сейчас на рынке основная конкуренция разворачивается между сотовыми сетями и Wi-Fi. Последний расширяет свое присутствие, особенно в крупных городах, выходя с локального уровня на городской. В Нью-Йорке в ближайшее время 7500 телефонных будок заменят на гигабитные Wi-Fi (802.11ac) точки. В Лондоне British Telecom планирует то же самое с 750 будками. Для большего удобства абонентов на этих хот-спотах будет предусмотрена возможность зарядки устройств. Еврокомиссия сейчас изучает вопрос предоставления 120 млн евро на проект WIFI4EU — развертывание бесплатных Wi-Fi-сетей в общественных местах по всему Евросоюзу.
Расстояние, на которое проникает сигнал 5G в городской застройке, сравнимо с зоной проникновения Wi-Fi, что делает конкуренцию между стандартами не такой уж бессмысленной. Основной трудностью Wi-Fi в грядущей конкурентной борьбе становится тот факт, что скорость 1 Гбит/с в сетях стандарта 802.11ac реально достичь крайне трудно. Правда, исследования показали, что тормозом являются не недостатки стандарта, а малая пропускная способность кабеля, которым точка подсоединяется к магистрали.
В некоторых странах именно Wi-Fi становится более востребованным, чем 3G или 4G. Например, в 2015 году в Нидерландах около трех четвертей от общего числа подключений пришлись на Wi-Fi. И вообще, в 46 странах в исследованиях Open Signal более половины всех подключений приходится на Wi-Fi.
Многие эксперты считают, что работу 5G нужно использовать в тандеме с Wi-Fi, обеспечив бесшовное переключение между сетями с одним устройством, одной сим-картой и на одном тарифном плане. Но пойдут ли на это операторы?
Отказ 3GGGP от сотрудничества с консорциумом DVB говорит, что вряд ли. Сотовые операторы активно продвигают LTE-U (Unlicensed) — систему использования LTE в нелицензируемом диапазоне (2,4 ГГц, 5,8—5,9 ГГц), то есть там, где сейчас работает Wi-Fi. Поэтому активисты LTE-U (например, компания Qualcomm) активно продвигают испытания совместной работы LTE-U и Wi-Fi с целью доказать, что технологии не создают друг другу помех. Wi-Fi Alliance, не противясь открыто этой инициативе, старается создать такие условия, чтобы обернуть результаты испытаний в свою пользу.
Сотовые операторы и поставщики технологий ищут решения, которые помогут им в развертывании большого количества базовых станций БС. Nokia в этом году представила концепт F-cell — микросоты 5G с питанием от солнечных батарей, обеспечивающей скорость 1 Гбит/с. Устанавливается F-cell при помощи беспилотных летательных аппаратов, например при помощи квадрокоптера. AT&T заявил о начале работ по проекту AirGig — беспроводной сети в миллиметровом диапазоне, где в качестве вышек используются опоры ЛЭП.
Тенденцию к совместному использованию обеих технологий проявляют крупные социальные сети, которые в последнее время начинают активно строить собственные сети. В 2016 году Facebook начал испытание беспилотного аппарата Aquila, работающего и как базовая станция для LTE/5G, и как точка доступа Wi-Fi. Аналогичные разработки продвигают Intel, Amazone и Google.
Обещание «Обрезать кабель с приходом 5G» надо воспринимать, конечно, как несколько утрированное. Но то, что постепенно беспроводные сети станут доминировать, — бесспорно. Показательно недавнее заявление Google Fiber о переориентации на беспроводные технологии в 12 крупнейших городах США, где компания предоставляет услуги ШПД. Также компания, возможно, заморозит проекты по созданию гигабитных кабельных сетей. Google Fiber раскручивала этот проект в пику аналогичному проекту AT&T Gigapower. И только переход на беспроводные технологии, считают в Google Fiber, позволит им выдержать конкуренцию с AT&T, в первую очередь за счет выигрыша по времени развертывания. Тестирование высокоскоростных беспроводных технологий радиодоступа позволило Google Fiber и другим экспертам говорить о появлении беспроводного кабеля (wireless cable).
