Технология WiMAX

Широкополосные беспроводные сети многими специалистами считаются одним из самых перспективных направлений телекоммуникационного бизнеса, однако период повсеместного их распространения еще не наступил даже в развитых западных странах. Но именно в этой области у России есть неплохие шансы пойти в ногу с прогрессом. Если внимательно присмотреться к карте распространения широкополосных технологий на необъятных просторах России, общая тенденция развития становится вполне очевидной: чем дальше от МКАД, тем большую заинтересованность проявляют к беспроводным технологиям местные провайдеры. Скорее всего, это связано с тем, что та самая «последняя миля», обеспечить которую и призваны беспроводные технологии, в крупных городах уже существует в виде стандартного медного провода. В то же самое время платежеспособный спрос населения диктует свою географию распространения так называемых технологий пре-WiMAX. По крайней мере такое объяснение дали нам руководители компании «Р.М. Телеком» — одного из крупнейших московских провайдеров радиодоступа в Интернет.

На сегодняшний день большая часть пользователей широкополосных беспроводных сетей сосредоточена в Москве. Таким образом, неравномерность экономического положения столицы и российских регионов приводит к парадоксальной ситуации: WiMAX необходим и выгоден с технологической точки зрения именно в провинции, в редконаселенных сельских и труднодоступных горных районах, но крупнейшие коммерческие сети пока успешно развиваются в рамках МКАД. Несмотря на то что стандарты на беспроводное оборудование существуют с середины 1997 года, то есть достаточно давно, если судить по меркам быстро развивающегося IТ-рынка, до сих пор производителей этой техники не так уж и много.

Технологической особенностью любой из разновидностей современных беспроводных систем является то, что они работают в одном из заранее определенных частотных диапазонов. Поэтому каждый из производителей, как правило, ориентируется лишь на один из них. Хотя, конечно, бывают и исключения, которые только подтверждают общее правило. Условно все оборудование, представленное сегодня на российском коммуникационном рынке, можно разделить по используемому способу расширения спектра, рабочему диапазону и ряду других менее значимых параметров. Надо сразу же заметить, что некоторые производители, несмотря на открытость общих стандартов, имеют совершенно особый взгляд на конкретные способы их реализации. Одной из «особых» беспроводных технологий можно назвать решение от компании Motorola, получившее обозначение Canopy (в переводе на русский — балдахин, полог, навес, тент). Эта технология предназначена для работы в неиспользуемой части спектра от 5,25 до 5,35 ГГц и от 5,65 до 5,85 ГГц. А с осени 2004 года оборудование Canopy работает и в частотном диапазоне 5,15–5,25 ГГц: эти частоты для системы Canopy были специально расширены компанией Motorola, чтобы удовлетворять требованиям российских заказчиков.

Изначальная маркетинговая стратегия продвижения Canopy предполагала ее преимущественное развитие в сегменте малого и среднего бизнеса, которому часто не по карману относительно дорогостоящее беспроводное оборудование. Разработчики старались сократить начальные вложения за счет того, что часть спектра «вокруг» 5 ГГц не подлежит сегодня лицензированию в большинстве стран мира. Общая структура развертывания системы Canopy включает в себя базовую станцию, состоящую из шести точек доступа (Access Point Module). Кажда я такая точка охватывает сферу в 60° и имеет радиус действия две мили (примерно 3,5 км). Одна базовая станция может обеспечивать работу 1200 модулей конечных пользователей (Subscriber Module). Разумеется, 1200 является теоретически возможным числом, которое на практике недостижимо, поскольку в таком случае доступный объем трафика для каждого пользователя беспроводной сети будет измеряться ничтожно малыми значениями. В реальности базовая станция обеспечивает подключение к Интернету одновременно не более 5-6 абонентов, расположенных на расстояниях от 0,5 до 4 км от кластера. При удалении абонентского устройства от базовой станции более чем на 2 км на стороне клиента используется пассивный отражатель. Впрочем, если использовать точку доступа в качестве базового узла, собирающего информацию с огромной сети датчиков, каждый из которых посылает в определенный момент времени небольшую порцию данных, можно достичь теоретического предела в 1200 модулей. Однако в этом случае речь уже идет о нейронных сетях для обработки информации, что выходит за рамки данной статьи. В состав базовой станции Canopy входит модуль управления кластером, который имеет GPS-приемник, передающий точные сигналы синхронизации в точки доступа и транзитные модули. Такая конструкция обеспечивает минимальную интерференцию между соседними точками доступа. К этому набору опционально могут быть добавлены дополнительные модули транзитного соединения (Backhaul Module), которые вместе с установкой абонентских узлов на пассивных отражателях способны увеличить радиус действия Canopy до 16 км. А использование связки из двух модулей транзитного соединения позволяет создать магистраль передачи данных на расстояние до 32 км.

Технологическая реализация Canopy даже сегодня по многим параметрам остается «вещью в себе». Дело в том, что система использует довольно редкую разновидность метода доступа к среде, которая называется TDD/TDMA (TimeDivision-Duplex/Time-Division-Multiple Access — двухстанционный/многостанционный доступ с разделением каналов по времени), вместе с «фирменным» мотороловским методом модуляции — высокоиндексной BFSK (Binary Frequency Shift Keying — двоичная частотная манипуляция) с оптимизацией по помехоустойчивости. Реальная скорость для варианта соединения точка-точка составляет 7,5 Мбит/с, а для варианта точка-многоточка — Trango Systems Inc. 6,2 Мбит/ с. Полезная скорость передачи для модуля абонента достигает 1,5 Мбит/с. Причем эти показатели не зависят от количества активных пользователей и загрузки канала — такое положение вещей обеспечивается за счет механизма управления интервалом ожидания. Вообще говоря, скорость передачи по отношению к конечному потребителю в общем случае может и не быть постоянной величиной. Делов том, что в каждой из двух заявленных частотных областей определяется до трех полос, по которым может направляться как входящий, так и исходящий трафик. Поэтому для соотношения запросов/ответов 1:3 скорость будет составлять 3,7 Мбит/с. Два самых важных преимущества Canopy — это обеспечение качества обслуживания (QoS) и устойчивая работа в условиях сильных помех. Гарантированное качество обслуживания в Canopy достигается за счет механизма разделения системного канала и канала передачи данных. При этом передача высокоприоритетных данных (например, VoIP) будет выполняться с фиксированным временем задержки независимо от нагрузки. Высокая помехозащищенность, обеспеченная модуляцией BFSK, определяет, что требуемое для работы соотношение сигнал/помеха в Canopy составляет всего 2-3 dB, что является наилучшей подобной характеристикой в отрасли. Безопасность работы пользователей обеспечивается аутентификацией абонентских модулей с использованием 128-битного ключа. Для России особое значение имеет и такой фактор как высокая надежность оборудования Canopy (производится в Канаде) при эксплуатации в сложных погодных условиях суровой зимы.

Первая редакция стандарта IEEE 802.11 определяла три типа протоколов физического уровня: широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS), перескоком частоты (FHSS), а также с помощью инфракрасного излучения. Последний тип связи для «последней мили» мало интересен, а вот два «классических» варианта беспроводных технологий весьма примечательны. Метод FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) представляет собой способ расширения частотной полосы спектра за счет многократного перехода или «перескока» несущей частоты. То есть данные передаются «пачками»: сначала на одной частоте, потом на другой и т. д. Частота и алгоритм «перескоков» определяются и синхронизируются отдельно для каждой пары приемник/передатчик. Стандарт 802.11 определяет, что таких частот должно быть не менее 79, при этом длительность удержания частоты должна быть равна 20 мс. Надо сказать, что исторически метод FHSS может считаться более «старым», а оборудование марки Breeze, работающее на основе этого типа беспроводной технологии, — одна из известных марок на нашем рынке. Линейка оборудования Breeze компании Alvarion (производится в Израиле) включает в себя комплексные решения для всех секторов рынка. Показательно, что пользователю в большинстве случаев предлагаются именно решения, а не отдельное оборудование. Логика построения всех подобных систем практически одинакова: стандартный набор оборудования включает базовую станцию, абонентские устройства и при необходимости ретрансляторы. В состав базовой станции может входить до семи модулей доступа, которые способны обеспечить скорость передачи до 3 Мбит/с для каждого абонента и зону охвата до 15 км. На форуме IDF, прошедшем в Москве осенью 2004 года, Alvarion продемонстрировала новые базовые станции BreezeMAX 3500. Это оборудование, по заявлению компании, полностью соответствует стандарту WiMAX. Недостатком технологии FHSS, который несколько тормозит ее продвижение на нашем рынке, является определенная неустойчивость к погодным катаклизмам. Например, сильный мокрый снег может при определенных условиях заметно снизить скорость передачи. Тем не менее это оборудование способно поддерживать одновременно работу до тысячи клиентов в одной ячейке, а это становится существенным фактором в том случае, когда беспроводная сеть выходит за пределы одного отдельно взятого предприятия.

Метод DSSS (модуляция сигнала с прямым расширением спектра — Direct Sequence Spread Spectrum) предусматривает двухступенчатую систему кодирования. Каждый бит исходного сообщения кодируется специальной 11-разрядной последовательностью. Результирующая комбинация передается в эфир с помощью фазовой модуляции несущей — при каждом изменении из 0 в 1, или наоборот, происходит смещение фазы. При этом каждый разряд полученной последовательности передается на своей частоте и исходный сигнал как бы «размазывается» по всему частотному спектру. Отличительной особенностью данного метода является высокая устойчивость к погодным условиям.

Разработчики, ориентированные на DSSS, стремятся сделать свою аппаратуру максимально привлекательной для использования на «последней миле», а потому добавляют в свои устройства максимум технологических новшеств. Например, оборудование InfiNet (торговая марка на российском рынке — Revolution) с самого начала разрабатывалась для построения сетей малого и среднего масштаба. Кстати говоря, именно сегмент SOHO, о котором, собственно, и идет речь, наиболее перспективен для развития беспроводных коммуникаций в настоящее время. Revolution использует неколлизионный протокол работы в эфире, который поддерживает IP-маршрутизацию. Особое внимание при этом уделяется обеспечению качества обслуживания (QoS). Кроме того, в систему Revolution встроены удобные средства поддержки VoIP — именно на этот момент в первую очередь указывали инженеры InfiNet, которых мы попросили рассказать о преимуществах Revolution перед оборудованием Breeze. Базовые станции и абонентские устройства InfiNet являются опорным элементом сетей, которые обеспечивают широкополосный, фиксированный доступ до 11 Мбит/с и 54 Мбит/с в частотных диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц соответственно. Оборудование Revolution широко используется в сети компании ArtCommucations.

Если рассматривать беспроводные сети в качестве решения проблемы «последней мили», нетрудно будет заметить, что у них есть один весьма характерный недостаток, существенно тормозящий развитие отрасли. Дело в том, что изначальные вложения, которые необходимы для создания канала, ощутимо выше тех же затрат на классический проводной канал передачи данных. Тем не менее в некоторых случаях (как правило, при полном отсутствии проводной инфраструктуры) радиосети могут стать единственно возможным и экономически выгодным решением. Кроме того, именно радиосети выгоднее всего использовать, если существует необходимость высокоскоростного подключения удаленных филиалов. Показательно, что выигрыш здесь получается не только в деньгах, но и во времени развертывания. Именно это обстоятельство вынудило специалистов NASA использовать технологию Canopy для развертывания беспроводной сети на месте падения обломков шатла Columbia. С точки зрения поставщика услуг доступа в Интернет радиосети являются несомненным козырем в конкурентной борьбе с проводными операторами, которых у нас в стране абсолютное большинство. Но, с другой стороны, радиосети остаются предметом немалых финансовых затрат — именно поэтому провайдеров беспроводного доступа до сих пор не так много в России. Даже в Москве сегодня подобные услуги предоставляют только две крупные компании.