Обзор Рынок беспроводных технологий 2006 подготовлен

Особенности распространения радиоволн: во вред и во благо

При всей своей привлекательности беспроводная связь обладает целым рядом принципиальных недостатков. С некоторыми из них пытаются бороться, некоторые — превратить в достоинства.

Вне зависимости от технологии беспроводная связь характеризуется рядом особенностей, которые определяются спецификой распространения электромагнитных волн. Последние, в частности, затухают при удалении от своего источника — базовой станции (это приводит к уменьшению уровня полезного сигнала вплоть до величины, при которой устойчивая связь невозможна), чувствительны по отношению к помехам со стороны различного электрооборудования, ослабляются предметами на пути их распространения и накладываются друг на друга при переотражениях от различных объектов (интерференция) и т.п. Все это приводит к снижению качества связи — искажению или пропаданию речи, уменьшению скорости передачи данных и пр., а подчас делает коммуникации невозможными. Как сгладить эти недостатки, избавиться от которых полностью, по-видимому, принципиально невозможно?

Проектирование и еще раз проектирование

Многие перечисленные выше проблемы беспроводной связи могут быть предотвращены еще на этапе проектирования сети. Например, в случае Wi-Fi требуется грамотный расчет необходимого числа базовых станций и их размещения для непрерывного покрытия предполагаемой зоны доступа и обеспечения требуемой производительности. Так, точки доступа должны размещаться максимально далеко друг от друга: с одной стороны, минимизируются расходы на оборудование, с другой — сводится к минимуму взаимное влияние базовых станций, работающих на одном канале. Однако, если базовых станций будет слишком мало, связь в предполагаемой зоне доступа будет неустойчивой. Этот и другие компромиссы решаются профессионалами, которые должны учитывать характеристики радиоокружения, геометрию здания и много других факторов. Они же должны задействовать все доступные механизмы обеспечения информационной безопасности. Разумеется, теорию и расчеты необходимо проверить на практике, а именно — протестировать построенную сеть в реальной работе. Все это несколько нивелирует преимущества беспроводных сетей для заказчика, поскольку ему необходимо оплачивать все работы. Кроме того, даже идеально продуманная беспроводная сеть не застрахована от сбоев — ведь условия, в которых работает сеть, могут меняться и меняться весьма существенно. А спрогнозировать эти изменения не представляется возможным.

Эффект «бутылочного горлышка»

Точки доступа стандартов 802.11 предоставляют разделяемую среду, в которой в данный момент времени лишь одна из них может вести передачу данных. Это приводит к так называемому эффекту «бутылочного горлышка», который проявляется при использовании большого количества точек доступа и большого числа клиентов, подключенных к одной точке. Он выражается в виде резкого снижения пропускной способности сети, даже при условии достаточно широкого внешнего канала.

Для борьбы с этим нежелательным эффектом используют mesh-сети (ячеистые или многоузловые сети), построенные по принципу интернета. В таких сетях любое устройство беспроводной связи может выступать как в роли маршрутизатора, так и в роли точки доступа. Если ближайшая точка доступа перегружена, данные перенаправляются к ближайшему незагруженному узлу. Пакеты данных продолжают перемещаться от одного узла к другому, пока не достигнут адресата.

Примеры развернутых и разворачиваемых mesh-сетей известны: сеть Wi-Fi оператора «Голден Телеком» в Москве, которая является крупнейшей в Европе и построена на оборудовании Nortel. В Дублине построена беспроводная mesh-сеть Cisco. В конце 2006 года Motorola подписала соглашение с оператором BT на поставку инфраструктуры для mesh-сетей в шести городах Великобритании в рамках проекта "Город без проводов".

Идея mesh-сетей существует довольно давно. Еще в 2001 году стало известно, что компания Radiant Networks испытывает в Уэльсе высокоскоростную беспроводную сеть нового типа "mesh radio".

«Умный» Wi-Fi

Кроме принципиальных недостатков, присущих электромагнитным волнам на уровне физики, существуют и недостатки конкретных радиотехнологий. В случае Wi-Fi, например, объем трафика в беспроводной сети не постоянен, поэтому стоит задача прогнозирования длины последующих пакетов данных. Эта задача была решена еще в апреле 2004 года — тогда появились сведения о том, что компания SmartPackets разработала алгоритм Smart Wi-Fi, оптимизирующий пересылку пакетов данных в беспроводных сетях. В алгоритме, занимающем всего 19 кбайт, использовались идеи нейронных сетей, которые помогали прогнозировать длину пакетов на основании данных о текущей загрузке сети.  В результате, по оценкам поставщика, возможно удвоение пропускной способности для выбранного приложения.

Разработчики Smart Wi-­Fi утверждают, что новая технология избавлена от недостатков, связанных с перегрузкой радиоканала, влиянием радиопомех и низкой информационной безопасностью. В частности, «умные» базовые станции могут автоматически изменять мощность передатчика и управлять тем самым размером своей соты. В дальнейшем ожидается появление мобильных устройств, которые  будут регулировать мощность своих передатчиков под управлением базовых станций.

Smart Wi-­Fi уже используется крупными зарубежными операторами для предоставления услуг широкополосного доступа по стандартным каналам Wi-Fi в пригородах и сельской местности. В 2006 году американская компания Ruckus Wireless, запатентовавшая эту технологию, поставила около 100 тыс. своих систем MediaFlex, поддерживающих Smart Wi-­Fi, более 125 операторам по всему миру.

Как утверждают разработчики, интеллектуальные антенны способны избегать помех со стороны таких распространенных в быту источников, как микроволновые печи, беспроводные телефоны и Bluetooth-устройства. Система автоматически выбирает наиболее оптимальный маршрут для передаваемого по сети Wi-Fi трафика, и при обнаружении помех и падении качества связи выбирает другой маршрут. Таким образом, как утверждают в компании, предлагаемая технология обеспечивает стабильную передачу данных по радиоканалу, который до недавнего времени считался недостаточно надежным. В этой связи разработчики планируют использовать технологию Smart Wi-­Fi для доставки на дом мультимедийного контента, очень критичного к качеству канала — потоковому видео, телефонии и пр.

Недостатки превращаются в достоинства

В том, что недостатки беспроводной связи могут работать на нее и превратиться в достоинства, убеждает пример технологии WiMax. Как известно, стандарт 802.16 предполагает работу на отражениях, то есть не в пределах прямой видимости (Non-Line-of-Site, NLOS). За счет переотражений, например, от зданий или других конструкций, связь может быть установлена и в непрямой видимости. Во многом это достигается благодаря используемой в WiMax модуляции OFDM¹ с 256-ю поднесущими.

Другой пример извлечения пользы из эффекта множественного отражения и интерференции радиоволн — использование схемы кодирования MIMO², которая часто сочетается с технологией OFDM. Обе технологии были реализованы Agere Systems еще в 2002 году — тогда компания представила прототип чипа с максимальной скоростью обмена данными 162 Мбит/с в частотном диапазоне стандарта 802.11а — 5 ГГц.  Известно также, что протокол MIMO поддерживает технология сотовых сетей третьего поколения — UMTS.

MIMO активно продвигает Intel; в конце 2004 года компания Belkin выпустила Wi-Fi оборудование с тремя антеннами, увеличивающее скорость обмена и радиопокрытие в стандартах 802.11b/g. Примерно тогда же был поставлен рекорд по скорости передачи данных в беспроводных сетях сразу в двух странах — Siemens Communications в Германии и NTT DoCoMo в Японии. Обеим компаниям, которые использовали MIMO, удалось достичь скорости передачи данных 1 Гбит/с. Первой — в сети Wi-Fi, второй — в сети 4G. А в середине 2005 года Samsung выпустил на рынок первый в мире ноутбук с MIMO. Позже появились сомнения — сможет ли чип Airgo третьего поколения с технологией MIMO, на базе которого создаются различные беспроводные системы, работать в настоящем стандарте 802.11n, когда тот появится. Несмотря на это, MIMO находит свое воплощение вплоть до сегодняшних дней — недавно компании Kyocera Wireless и Runcom Technologies объявили о соглашении по разработке новых бытовых электронных устройств, задействующих технологию Mobile WiMAX с функцией MIMO.

Радиорелейная связь ищет компромисс

Ограниченность частотных ресурсов, особенно в нижних диапазонах до 10 ГГц, заставляет операторов, использующих радиорелейную связь, подумать о переходе в более высокочастотные диапазоны. Однако  здесь не все так просто. В частности, с увеличением частоты растет емкость сети, но уменьшается дальность связи. Это влечет за собой резкое уменьшение длины радиорелейных пролетов, что связано с трудностью обеспечения норм на показатели качества и надежности радиорелейных линий (РРЛ). Так, по оценкам экспертов, если в диапазоне 7 ГГц можно построить РРЛ на 1–2 STM-1 при средней протяженности пролета 30–50 км, то уже на уровне 18 ГГц реальна РРЛ увеличенной емкости, но с интервалами связи 10–12 км. Это повлечет за собой резкое увеличение расходов на оборудование, окупить которое в разумные сроки будет проблематично.

Каков может быть выход из сложившейся ситуации? Ericsson предлагает усовершенствовать характеристики распространения сигналов в пространстве — например, разработать сверхузконаправленные антенны, снизить уровень побочных излучений и т.д. Можно искать пути дальнейшего увеличения эффективности использования радиоспектра за счет применения алгоритмов цифровой обработки сигналов (перспективные типы модуляции, дополнительные схемы кодирования, методы цифровой линеаризации и др.) или использовать механизмы управления трафиком и классом сервиса — концентрацию и статистическое мультиплексирование, т.е. увеличение эффективности использования полосы пропускания в противовес наращиванию скорости передачи. Насколько эти меры могут быть эффективны на практике — вопрос пока открытый.

Неврожденные недостатки

Помимо ограничений, присущих беспроводной связи «от рождения», участники рынка сталкиваются и с регуляторными ограничениями, которые, порой, не способствуют полному раскрытию потенциала перспективных радиотехнологий. Речь, в частности, идет о WiMax и о решении ГРКЧ «Об использовании полос радиочастот радиоэлектронными средствами фиксированного беспроводного доступа». По расчетам специалистов компании InfiNet Wireless введенные регулятором ограничения более чем в половине вариантов построения систем широкополосного доступа не обеспечивают максимальной скорости передачи данных. «Недостающие» до максимальной скорости базовых станций децибелы можно получить только путем уменьшения мощности передатчика абонентской станции (АС) при соответствующем увеличении коэффициента усиления антенны АС (в пределах заданных ограничений). Однако это приведет к увеличению стоимости АС, что в корне противоречит концепции WiMax — т.е. относительно сложная операторская инфраструктура при максимально простом и дешевом абонентском оборудовании, — считают в InfiNet Wireless. 

Виталий Солонин / CNews Analytics