Маленькие соты для большой скорости

В декабрьском номере за 2011 год в статье «После ста» обсуждались основные тенденции развития проводной (читай — оптической) связи. Анализ «беспроводных» трендов был оставлен на «после-Барселоние». Именно ежегодный Конгресс мобильной связи, проходивший в столице Каталонии, позволил закрепить представление о направлениях развития этого сегмента телекоммуникационной отрасли.

Главная тенденция — это, безусловно, стремительный рост трафика. Он опережает все другие важные для операторов сотовой связи показатели, включая повышение спектральной эффективности радиотехнологий, расширение доступного частотного диапазона и, самое главное, увеличение доходов. Иногда даже высказывается опасение, что рост трафика способен похоронить бизнес операторов связи, поскольку при требуемом для поддержания такого роста объеме инвестиций практически невозможно получать прибыль. Однако, по мнению Дмитрия Тимерханова, руководителя группы стратегического анализа по странам СНГ, Северной и Восточной Европы компании Alcatel-Lucent, весомых оснований для столь категоричного вывода пока нет. Он приводит результаты 10-летнего мониторинга такого показателя, как отношение капитальных затрат к выручке: для ведущих западноевропейских операторов последние семь лет он стабильно находится на уровне 0,12–0,15, для операторов СНГ за тот же период он опустился с 0,5 до 0,2 и стал еще дальше от критического порога.

Специалисты Alcatel-Lucent предлагают разложить «цунами трафика» на четыре составляющие. Первая «волна», связанная с голосовой связью, уже практически «успокоилась» — трафик вышел на уровень насыщения. Вторую «волну» составляют данные, генерируемые людьми в процессе повседневной жизнедеятельности: это электронная почта, цифровые фото, электронные операции при покупке товаров и пр. Поскольку число связанных с ними транзакций ограниченно, то после скачка, вызванного массовым перемещением информации в облака, темпы роста этого трафика пойдут на убыль. Наиболее быстрорастущим сегодня видом трафика является видео. Однако и его объемы со временем достигнут насыщения. «Потребление видеоинформации имеет точку насыщения, — полагает Дмитрий Тимерханов. — Люди же не могут смотреть видео больше 24 ч в сутки». Наиболее сложно пока предсказать поведение четвертой составляющей трафика, связанной с межмашинным взаимодействием (M2M). По объему она меньше трех остальных, но стабильно растет, и пока трудно прогнозировать, что способно лимитировать этот рост в будущем.

GSM УСТУПАЕТ ДОРОГУ, НО ПРОДОЛЖАЕТ ДВИЖЕНИЕ

Рисунок 1. Рост объемов трафика в сетях мобильной связи.

Многочисленные исследования (см., например, Рисунок 1) подтверждают, что рост голосового трафика прекратился. Но, несмотря на это, голосовые сервисы еще долгие годы будут оставаться основным источником доходов для операторов. Согласно прогнозу Pyramid Research, в 2014 году они будут приносить 73% (20,4 млрд долларов) всех доходов операторов мобильной связи, тогда как на услуги, связанные с передачей данных, будет приходиться 21%, а видеосервисы обеспечат всего 4%. За пять лет соотношение не сильно изменится: в 2009 году на указанные сегменты приходилось 79, 18 и 3% соответственно.

Рисунок 2. Один из вариантов рефарминга частот.

С обслуживанием голосового трафика прекрасно справляются существующие сети GSM, а потому им уготована еще долгая жизнь — никто же не будет резать дойную корову. Прекратит ли при этом технология GSM свое развитие? Конечно, нет. Разработчики продолжают ее совершенствовать, предлагая новые кодеки и алгоритмы модуляции для повышения эффективности использования частотного ресурса. Помимо улучшения качества голосовой связи и обслуживания большего числа пользователей, одной из задач развития GSM является рефарминг — высвобождение частотного ресурса для внедрения новых технологий, таких как LTE. Один из вариантов рефарминга, предлагаемый экспертами Nokia Siemens Networks, приведен на Рисунке 2.

КАК ВЫЖАТЬ ИЗ СПЕКТРА МАКСИМУМ

Основная нагрузка по обслуживанию смартфонов и планшетов — главных генераторов трафика данных — в ближайшие годы придется на сети 3G. Как отмечает Харри Холма, ведущий научный сотрудник Nokia Siemens Networks, в сетях 3G эффективность использования спектра можно существенно повысить с помощью функции HSPA+ Multiflow, благодаря которой удается практически удвоить скорость передачи данных на границах сот.

Сегодня мобильные терминалы работают с сигналом только от одной базовой станции, а другие сигналы (от других базовых станций) трактуются как помеха. Поэтому на краях сот происходит существенное снижение скорости и качества связи. Функция HSPA+ Multiflow позволяет превратить вредный сигнал в полезный: она обеспечивает параллельную передачу на одно абонентское устройство двух потоков данных от базовых станций соседних сот.

На прошедшем в Барселоне конгрессе Mobile World Congress компания Nokia Siemens Networks продемонстрировала работу HSPA+ Multiflow на своих коммерческих базовых станциях Flexi Multiradio с использованием прототипов USB-модемов от Qualcomm. Функция HSPA+ Multiflow предположительно будет стандартизирована 3GPP к середине 2012 года (в Release 11), и, по словам представителей Nokia Siemens Networks, существующие сети HSPA можно будет перевести на новую технологию простым обновлением программного обеспечения. Информации о том, будет ли возможность аналогичным образом модернизировать абонентские устройства, пока нет.

Рисунок 3. Формирование двух лучей активными антенными системами.

Повысить эффективность использования частотного ресурса помогут и интеллектуальные широкополосные антенны с активной решеткой (Active Array Antenna, AAA). Такие антенны реализуют все преимущества технологии MIMO и эффективных методов формирования луча (beamforming) — благодаря последним, система способна в динамическом режиме изменять диаграмму направленности в зависимости от изменений нагрузки на соту и плотности трафика. Современные решения AAA способны формировать два луча, что обеспечивает дополнительную секторизацию (см. Рисунок 3), и, по данным Nokia Siemens Networks, позволяют на 65% увеличить емкость по сравнению с традиционным решением на базе радиоблоков типа RRH (Remote Radio Head). Кроме того, использование современных антенных технологий увеличивает надежность работы базовых станций, поскольку конфигурация антенной решетки может меняться, чтобы компенсировать отказы отдельных элементов.

Для повышения эффективности очень важны и механизмы адаптации выделения емкости при изменении нагрузки. Например, в рабочие часы пик нагрузки приходится на деловой центр города, а в утренние и вечерние часы он перемещается в спальные районы. При традиционном подходе к проектированию сети характеристики базовых станций рассчитывают на пиковую нагрузку — значит, в определенные периоды времени их ресурсы будут простаивать. Недавние предложения ведущих производителей нацелены на оптимизацию использования ресурсов. Это станет возможным благодаря централизации средств цифровой обработки сигналов, которые не привязываются к конкретной БС, а обслуживают целую группу станций.

Включаемая в состав современных антенных систем электроника способна преобразовывать радиочастотный сигнал в цифровой, который можно передать по протоколу Common Public Radio Interface (CPRI) на большие расстояния по обычному оптическому кабелю. Такой подход и позволяет перенести цифровую обработку сигнала с самих базовых станций в централизованное облако. Операторов, безусловно, порадует то обстоятельство, что при этом полностью исключается потребность в высокочастотных кабелях большой мощности, для которых характерен высокий уровень потерь (см. Рисунок 4). К тому же рядом с антеннами не надо будет устанавливать отапливаемые, кондиционируемые и защищенные от вандализма монтажные корпуса для размещения оборудования. Централизованная обработка позволит объединить ресурсы в единый пул и эффективно задействовать многие новаторские функции для координации и взаимодействия базовых станций, в частности скоординированную многоточечную передачу/прием (CoMP).

Рисунок 4. Эволюция антенных систем базовых станций сотовой связи.

Главная трудность реализации описанного подхода — организация каналов для передачи потоков CPRI от антенных систем до места размещения серверных ресурсов, поскольку требуется обеспечить очень высокие скорости передачи. Например, по данным Alcatel-Lucent, для передачи сигнала от одной антенны LTE, работающей в полосе 10 МГц, требуется пропускная способность примерно 460 Мбит/с. Для упрощения задачи Alcatel-Lucent разрабатывает высокоэффективные алгоритмы компрессии, в три раза снижающие потребность в пропускной способности в транспортных каналах CPRI. Со временем, по мере более широкого распространения волоконнооптических инфраструктур поддержка централизованных схем обработки сигналов будет становиться все более доступной.

МОДА НА МИКРО

Рисунок 5. Прогноз увеличения спектральной эффективности радиотехнологий, используемых в сетях мобильной связи.

Борьба за повышение спектральной эффективности продолжается. Специалисты Nokia Siemens Networks полагают, что к 2020 году ее можно будет увеличить в 10 раз — по сравнению с показателем эксплуатируемых сегодня сетей 3G/HSPA (см. Рисунок 5). Помимо этого, они надеются, что доступные для операторов сотовой связи частотные ресурсы также увеличатся на порядок (см. Рисунок 6). Хотя реализация второго предположения для России выглядит почти фантастикой, но и его претворение в жизнь не решает проблемы обеспечения потребности в емкости, которая к концу текущего десятилетия может вырасти в 1000 раз.

Рисунок 6. Возможное расширение частотного спектра, доступного для операторов сетей мобильной связи.

Как полагает Харри Холма, надо еще в 10 раз увеличить число базовых станций, и тогда все сойдется: 10 × 10 × 10 = 1000.

Однако при текущем подходе к развитию сетей сотовой связи, основанном на добавлении громоздких макростанций (см. Рисунок 7), требуемое увеличение их числа в условиях плотной городской застройки вряд ли возможно — никаких денег операторам не хватит, да и превращать города в антенные полигоны им никто не даст. Выход — развертывание малых сот с компактными базовыми станциями.

Рисунок 7. Рост емкости сетей сотовой связи при текущем подходе к их развитию, предполагающем добавление громоздких макростанций.

Описанные выше возможности по выносу «интеллекта» цифровой обработки сигнала в облака, наряду с миниатюризацией электронных компонентов, создают необходимые условия для уменьшения размеров таких станций. Это могут быть небольшие устройства, которые позволят формировать микро-, пико- и фемтосоты, использующие радиотехнологии сотовой связи. Для подключения таких станций могут применяться встроенные в них радиосредства или радиорелейные системы нового поколения, которые их разработчики стремятся сделать такими, чтобы они органично вписывались в городскую среду (см. Рисунок 8).

Рисунок 8. Концептуальный продукт Ericsson MINI-LINK для радиорелейной связи — шарообразные радиорелейные антенны. Этот небольшой круглый блок способен поддерживать пропускную способность в 1 Гбит/с и выглядит органично в городской среде.

Проведенное Nokia Siemens Networks тестирование кластера взаимосвязанных малых сот Flexi Zone в центре города (обслуживаемая площадь 500×500 м2, население 100 тыс. человек) показало, что это решение позволяет в семь раз увеличить пропускную способность в расчете на одного абонента по сравнению с макросотой. Кластер состоял из семи малых сот, двух концентраторов трафика и контроллера, установленного в месте размещения базовой станции макросоты. Для всех малых сот, входящих в состав кластера, используется общий пул ресурсов цифровой обработки, гибко управляемых контроллером зоны, при этом весь кластер воспринимается остальной сетью как одна сота.

Для обслуживания абонентов малые соты Flexi Zone могут использовать оптимальную в конкретном проекте радиотехнологию: WiFi или LTE — соответственно, любая из этих технологий может служить и для передачи трафика между малыми сотами. Расчет Nokia Siemens Networks показал, что затраты на передачу 1 Мбит/с пользовательского трафика при использовании малых сот с LTE сокращаются в 2,5 раза, а с WiFi — в 4 раза (по сравнению с макросотой).

WIFI ПРИХОДИТ НА ПОМОЩЬ

В качестве наиболее экономически эффективного решения для разгрузки сетей сотовой связи от стремительно нарастающего (но не приносящего оператору связи большого дохода!) трафика данных рассматривается использование точек доступа WiFi. Они могут принимать интенсивный трафик данных и сразу «уводить» его в Интернет.

Александр Фелижанко, инженерконсультант компании Cisco, приводит множество аргументов в пользу WiFi. Помимо того что при использовании этой технологии совокупный уровень затрат на бит передаваемых данных гораздо ниже (по сравнению с макросетями сотовой связи), она имеет глобальный характер — во всем мире используются одни и те же частотные диапазоны 2,4 и 5 ГГц, которые в большинстве стран не лицензируются, — встроена по умолчанию в смартфоны, планшеты, ноутбуки и другие устройства, позволяет использовать в среднем в пять раз более широкую полосу частот по сравнению с сотовой связью. Немаловажно и то, что системы WiFi операторского класса могут предоставлять сервисы с учетом местоположения абонента. Реализованные в них функции геопозиционирования успешно работают даже в закрытых помещениях, где невозможно обеспечить уверенный прием сигналов GPS.

Эксперт Cisco обращает внимание и на то обстоятельство, что документы 3GPP Release 8 изменили отношение операторов мобильной связи к сетям WiFi, дав возможность рассматривать их как равноправное дополнение к сетям 3GPP. До выхода этого релиза сети доступа WiFi рассматривались как «не доверенные» по причине слабости их средств безопасности — как по степени надежности, так и по простоте использования. В настоящее время, с реализацией стандартов 802.1x, 802.11u, 802.11i и Hotspot 2.0, целый ряд операторов считают, что по показателям безопасности технология WiFi вышла на уровень 3G/LTE. Поэтому управляемый оператором хотспот с шифрованием 802.11i на радиоканале может квалифицироваться как обеспечивающий доверенный доступ.

Рисунок 9. Интеграция WiFi с сетями мобильной связи.

WiFi можно интегрировать с сетями сотовой связи множеством способов (см. Рисунок 9). При этом интеграцию с LTE осуществить гораздо проще по той причине, что эти сети являются полностью пакетными — из конца в конец. Однако для российских операторов пока более актуальной представляется интеграция с сетями 3G.

Простейший вариант такой интеграции — «прямая» выгрузка трафика данных, генерируемого абонентским устройством 3G/WiFi, в Интернет через шлюз IP Service Gateway (IPSG). При этом абоненту может быть обеспечена прозрачная аутентификация в сети WiFi — по SIM-карте. Такой вариант не предполагает тесной интеграции сетей WiFi в инфраструктуру сотовой связи: оператор не обеспечивает «прозрачного» доступа абонента через WiFi к своему контенту и дополнительным сервисам, и сервисная неотличимость (для абонента) транспортных сред 2G/3G и WiFi не достигается. При использовании описываемого варианта интеграции инфраструктура WiFi должна быть доверенной (аутентификация согласно 802.1x и шифрование радиоканала WiFi), но установка программного клиента на абонентском устройстве не требуется.

Более интересной для оператора сотовой связи выглядит интеграция решения WiFi с пакетным ядром на уровне шлюза Tunnel Terminating Gateway (TTG) — это единственный механизм интеграции WiFi в мобильное ядро 3G, описанный 3GPP. При реализации такой интеграции абоненту WiFi будут доступны те же сервисы и контент, что и в сети 3G. В этом случае между абонентским устройством и шлюзом TTG устанавливается безопасный туннель IPSec, что позволяет защитить трафик абонентов и осуществлять подключение не только через доверенные, но и через не доверенные (чужие) сети. Вместе с тем такое решение требует установки на абонентские устройства специальных программных клиентов, которые будут осуществлять переключение радиомодулей и выполнять процедуры аутентификации и авторизации. В клиент может быть внесен список сетей WiFi партнеров сотового оператора, что упростит абоненту пользование решением.

Представители Cisco приводят следующие данные: если в 2010 году всего 23% трафика смартфонов уходило в сети WiFi, то в 2011 году этот показатель возрос до 50%. Более того, по прогнозам компании, к 2015 году доля мобильного трафика в общем объеме IP-трафика составит всего 8%, тогда как доля WiFi — 46%.

Так что российским операторам связи необходимо изменить отношение к WiFi как к технологии, обеспечивающей некачественную связь и пригодной только для бесплатного доступа в Интернет. Она имеет весомые преимущества и позволяет экономически эффективно предоставлять широкий спектр всевозможных мобильных сервисов с «тяжелым» контентом.

Сети GSM отлично справляются с обслуживанием голосового трафика, и если сети WiFi, способные максимально эффективно пропускать трафик данных, охватят все основные зоны сосредоточения абонентов, то сетям 3G и LTE будет действительно намного легче. Вот только оправдаются ли вкладываемые в них инвестиции?

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.