На волне совершенства

PC WEEK/UE № 16, 22 сентября - 5 октября 2011

С одной стороны беспроводные технологии объединяет использование радиоэфира для передачи информации, с другой стороны каждая из них весьма существенно отличается как пользовательскими параметрами, так и техническими характеристиками. После принятия решения об использовании беспроводных технологий встает вторая, не менее сложная задача – какую же технологий беспроводных коммуникаций выбрать. Данная статья посвящена именно этому вопросу – что выбрать для развертывания беспроводной сети, что бы не было мучительно больно за потраченные ресурсы.

С точки зрения топологии, беспроводные каналы связи, как и проводные, можно условно разделить на «точка-точка» и «точка-многоточка».

Выбор решений для каналов «точка-точка» ограничен в основном радиорелейными станциями и мостами, построенными на базе широкополосных линий связи в диапазонах частот «до 6 ГГц», при этом мосты обычно использовались на участке последней мили, а радиорелейные каналы использовались как на магистральных участках так и на участках последней мили. В последнее время, с появлением высокоскоростных мостов, которые используют современные радиотехнологии, появилась тенденция к использованию мостов также на магистральных участках сети. Причинами этого является привлекательные ценовые параметры мостов, преимущества построения каналов связи в более низких частотных диапазонах, сравнимое качество канала связи при тех же подходах к проектированию линии связи, а также использование новейших эффективных разработок в области радиосвязи, восстановления сигнала и помехоустойчивости.

Гораздо более интересен анализ решений для топологии «точка-многоточка», на котором хотелось бы остановится более подробно.

Интерес к анализу решений «точка-многоточка», а вместе с тем и сложность выбора связаны с тем, что используются разные радиотехнологии, разные методы реализации качества сервиса (QoS) или обходятся вовсе без QoS, разные методы доступа абонентских устройств к базовой станции и пр. Рассмотрим подробнее критерии анализа.
1) Радиотехнология, заложенная в основу радиоинтерфейса, самый важный компонент анализа, т.к. именно здесь заложены основные параметры системы связи. На нынешний момент наиболее эффективными решениями признаны:
- использование широкополосных сигналов OFDM;
- способ распределения ресурса базовой станции между абонентами не только по времени, но и по частоте (режим OFDMA), что повышает среднюю спектральную плотность мощности клиентского устройства и эффективность использования ресурса базовой станции;
- большое количество компонентов широкополосного сигнала - чем большее кол-во компонентов (база сигнала), тем выше помехоустойчивость и тем лучше работа системы в условиях непрямой видимости. В эффективных системах в полосе частот 10 МГц используется 1024 элемента (OFDM1024), при этом с изменением полосы количество компонентов меняется пропорционально – технология Scalable OFDMA;
- использование технологии множественного приема-передачи (MIMO) для увеличения дальности обслуживания клиентских устройств (одновременная передача одного и того же трафика по нескольким каналам – MIMO A) или увеличение пропускной способности базовой станции (параллельная передача разного трафика по нескольким каналам – MIMO B).
- использование технологии умных антенн BeamForming, позволяющей синтезировать оптимальную диаграмму направленности антенны для обслуживания активных в данный момент клиентских устройств. Для реализации этой технологии используется фазированные антенные решетки, имеющие от 2 до 8 элементов
2) Поддержка качества обслуживания (QoS) необходима для построения мультисервисных корпоративных сетей или предоставления конвергентных услуг абонентам оператора. Реализация качества обслуживания в беспроводном канале представляет некоторые трудности и требует реализации механизмов поддержки приоритезации трафика непосредственно в самом радиопротоколе и механизма классификации на интерфейсе базовой станции или клиентского устройства. Решение без реализации управления доступом клиентских станций к среде принципиально не обеспечивает эффективную поддержку качества обслуживания.
3) Способ доступа клиентских устройств к среде (ресурсу базовой станции) определяют возможность предоставлять абоненту трафик в соответствии с SLA. По большому счету способ доступа к среде определяет, в какой момент времени и по какому принципу клиентскому устройству разрешается передавать информацию. Если способ доступа к среде не контролирует этот процесс (не детерминированный), то, как указывалось выше, такой способ доступа не может гарантировать ни полосу пропускания на клиентское устройство, ни приоритезацию трафика. Детерминированный способ доступа к среде предоставляет возможность обеспечить QoS, но не является достаточным условием для обеспечения качества обслуживания.
Если проанализировать доступные технологии широкополосного доступа с использованием вышеприведенных критериев, то получится следующая картина: 10 лет назад все было проще, но печальнее – в Украине был относительно общедоступен только один диапазон для использования в сетях широкополосного доступа – 2,4 ГГц, было несколько решений широкополосного доступа с реальной пропускной способностью от 2 до 14 Мб/с, включая WiFi - IEEE 802.11 и IEEE 802.11b. Сейчас ситуация кардинально поменялась – появилась возможность использовать диапазон 5 ГГц, стали доступны множество новых решений и технологий, к анализу которых я и приглашаю. Технологии анализируются в хронологическом порядке выхода на рынок.

WiFi - самая проверенная временем технология – это решения построенные на семействе стандартов IEEE 802.11 известное под именем организации, занимающейся продвижением этой технологии – WiFi Alliance. Технология разрабатывалась и предназначена для построения внутриофисных локальных сетей, но, зачастую, эту технологию пытаются «натянуть» на построения сетей масштаба города. Одним из немногих преимуществ решений широкополосного доступа на базе этой технологии является стандартизированность (как результат, низкую стоимость и ни с чем не сравнимая массовость) – клиентские модули WiFi встроены практически во все ноутбуки, нетбуки, смартфоны и специализированные складские, учетные, измерительные и пр. устройства. Вторым преимуществом решений, построенных на базе семейства стандартов IEEE 802.11, является высокая пропускная способность – скорость передачи составляет от десятков до сотен мегабит в секунду (для IEEE 802.11n, которая не разрешена в Украине для внешнего применения – до 200 Мб/с).

Несмотря на вышеописанные преимущества WiFi, использование этой технологии для построения систем широкополосного доступа крайне неэффективно в силу предназначения технологии для внутриофисного использования: применение не детерминированного способа доступа к среде, проблема высокого уровня коллизий при внешнем применении, отсутствие качественной поддержки QoS, нестабильность радиопараметров и скорости доступа.
Pre-WiMAX – это совокупное название некого набора решений, которые объединены только одним – решение не стандартизировано, это уже не WiFi, но еще не WiMAX. Т.к. такие решения весьма сильно отличаются друг от друга, то какого-то четкого портрета Pre-WiMAX создать сложно.
В основной массе это решения, которые построены на базе радиоинтерфейса IEEE 802.11a или IEEE 802.11g, но зачастую имеют детерминированный способ доступа к среде, поэтому их правильнее было бы назвать Post-WiFi, но маркетинг и мода на WiMAX диктует свои правила.
Обычно такие решения характеризуются несколько более высокой стабильностью трафика, могут обеспечивать весьма качественную поддержку QoS, но при этом обладают низкой спектральной эффективностью - невысокой пропускной способностью – до 20-30 Мб/с при использовании 20 МГц полосы частот, характеризуются работой только в условиях прямой видимости, малым и средним радиусами действия БС. Еще одним существенным следствием несертифицированности решений Pre-WiMAX является относительно небольшие объемы производства и полная зависимость от поставщика, что зачастую приводит к неоправданно высоким ценам на оборудование и сервисы производителя.

Таким образом, данные решения, делая некоторый шаг вперед по сравнению с использованием WiFi для широкополосного беспроводного доступа, не отвечают современным требованиям к мультисервисным беспроводным широкополосным сетям.

WiMAX является следующим поколением систем широкополосного беспроводного доступа. По сути, WiMAX это название организации, которая занимается продвижением технологии и продуктов, построенных на базе семейства стандартов IEEE 802.16 – WiMAX Forum.
Первые коммерческие продукты WiMAX строились на базе стандарта IEEE 802.16d-2004, который описывает радиоинтерфейс для фиксированного беспроводного доступа – Fixed WiMAX. Чуть позже вышел стандарт IEEE 802.16-2009, который не явился развитием стандарта IEEE 802.16d-2004, но упорядочил и собрал под одной крышей все предыдущие релизы данного стандарта.
Появление систем WiMAX резко повысило интерес к беспроводным технологиям т.к. параметры этих систем революционно отличаются от систем предыдущего поколения:
- использованием широкополосных сигналов OFDM с базой 256, которое позволяет обеспечивать эффективную и устойчивую связь даже в условиях непрямой видимости в городах и сельской местности;
- обеспечением качественной поддержки многоуровнего QoS для построения мультисервисных операторских и корпоративных сетей;
- резким снижением стоимости клиентских устройств (по сравнению с большинством Pre-WiMAX систем).

К слову сказать, первую в Украине WiMAX сеть на базе системы IEEE 802.16d-2004 для ООО «Украинские Новейшие Технологии» на оборудовании Alvarion BreezeMAX 3500 построила наша компания Приобретенный опыт подтверждает высокую эффективности систем Fixed WiMAX по отношению к любым системам Pre-WiMAX.
Надо отметить, что в 2004 году существовали системы Pre-WiMAX, с сопоставимыми параметрами – это система NextNet. Одной из причин уходы этой системы с рынка стало появление еще более эффективного решения на базе следующего поколения WiMAX - Mobile WiMAX (IEEE 802.16e-2005).

Mobile WiMAX представляет из себя революционную технологию, в которой абоненты получили возможность перемещаться между зонами действия базовых станций WiMAX без потери соединения (хендовер) – появилась мобильная широкополосная сеть передачи данных.
Но у любого преимущества для абонента есть скрытые технические нюансы – оборотной стороной мобильности стала необходимость обслуживания мобильных клиентских устройств с маломощными передатчиками и «слабыми» антеннами, что потребовало кардинальных усовершенствований радиоинтерфейса:
- Применение сложных сигналов OFDM с количеством компонентов до 2048
- Использование масштабируемой OFDMA
- Поддержка MIMO A и MIMO B
Все вышеотмеченное позволяет значительно увеличить радиобюджет канала между клиентским устройством и базовой станцией, позволяя предоставлять услуги для USB модемов внутри зданий, там, где раньше требовалось использование настольных или внешних клиентских устройств.

Естественно, что улучшения коснулись не только радиоинтерфейса, но и сервисной подсистемы
- усовершенствованный QoS – появился новый тип сервиса, эффективно передающий голос и пр. высокоприоритетный трафик, выделяя ресурсы базовой станции только при передаче трафика и освобождая их в перерывах (например, пауза в разговоре).
- существенное улучшение информационной безопасности, основанное на использовании AES128, сеансовых ключах, протоколах EAP и RADIUS.

Все вышеизложенное делает Mobile WiMAX (IEEE 802.16e-2005) одной из самих эффективных технологий широкополосного доступа, позволяя использовать усовершенствованный радиоинтерфейс для фиксированного доступа.
Улучшение радиобюджета в новой технологии может быть конвертировано в преимущество несколькими способами:
- увеличение зоны обслуживания базовой станции;
- улучшение модуляции, а значит скорости клиентского устройства при прочих равных условиях; - возможность использования более простых, а, следовательно, менее дорогих клиентских устройств в фиксированной сети Mobile WiMAX в тех же условиях с той же пропускной способностью.

Данное преимущество сетей Mobile WiMAX для фиксированного доступа является особенно интересным для улучшения экономики развертывания операторских сетей т.к. известно, что краеугольным камнем успеха операторской сети является рост абонентской базы. Первоначальный платеж (в беспроводной сети - стоимость клиентского устройства) оказывает очень большое влияние на количество абонентов. По заявлениям операторов беспроводного доступа снижение стоимости клиентского устройства способствует резкому росту абонентской базы.

Доступность частотного диапазона накладывает существенные ограничение на развертывания того или иного решения. Как уже говорилось, в Украине относительно доступным для развертывания беспроводных сетей доступа являются диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц. И, если использование 2,4 ГГц ограничено развертыванием WiFi и Pre-WiMAX сетей, то в диапазон 5 ГГц возможно использование технологий Fixed и Mobile WiMAX. В Украине представлено достаточно много решений на базе стагнирующего стандарта IEEE 802.16d-2004, эффективность которого значительно выше, чем решений на базе Pre-WiMAX, но, при этом, значительно ниже эффективности Mobile WiMAX.

Если говорить о Mobile WiMAX в диапазоне 5 ГГц, то первым и пока единственным доступным решением фиксированного широкополосного доступа является решение компании Alvarion – Alvarion BreezeMAX Extreme 5000.

В этом решении, в соответствии с рекомендациями Mobile WiMAX реализован SOFDMA, количество компонентов OFDM – до 2048, доступны MIMO A и MIMO B, расширенная поддержка QoS и высокая информационная безопасность. Это позволяет строить эффективные высокоскоростные сети последней мили с подключением абонентов в условиях непрямой видимости и предоставлением качественных мультисервисных услуг. Весьма привлекательная ценовая политика при мощном техническом решении обеспечивать один из самих низких показателей стоимости решения в пересчете на тип сервиса, абонента и площадь покрытия.
Эффективность Alvarion BreezeMAX Extreme 5000 подтверждает тот факт, что все 3 оператора имеющие всеукраинские лицензии на частоты в диапазоне 5,4 ГГц (Киевстар, Инфоком и Норматек) развивают свои сети с использованием именно этого оборудования.
«ЭС ЭНД ТИ УКРАИНА», как партнер Alvarion в Украине и некоторых других странах СНГ, занимается продвижением и обслуживанием Alvarion BreezeMAX Extreme 5000 и прочих решений этого производителя.

Сергей Бобров