О техническом прогрессе, или Взаимозаменяемость неприятностей

Любой вид коммуникаций можно отнести к одной из двух категорий — информационное и целевое общение. В первом случае мы обмениваемся информацией, как говорится, не корысти ради, а лишь удовольствия для; во втором стараемся достигнуть какого-то результата — найти выход из проблемной ситуации, продать товар, получить работу и т.д. Все это относится и к общению с помощью средств связи. Включая телевизор, мы откидываемся на спинку кресла и пассивно «потребляем» информацию. «Для души» можно потрепаться по телефону с приятелем или приятно провести время в чате. Но работяга-Internet позволяет нам и более-менее целенаправленно искать ответы на требующие срочного решения вопросы.

Однако в последнее время я замечаю: мои путешествия по Сети занимают все больше времени, что, конечно же, не способствует уменьшению цифр в счетах, с удручающей регулярностью выставляемых мне провайдером. Проведя несложные подсчеты, я обнаружила, что значительная часть оплаченного мною времени была потрачена вовсе не на активную работу. Мне все время приходится ждать — пока установится соединение, пока отыщется узел, пока скачается файл. Добавьте сюда еще килобайты обязательных приложений в виде рекламы. Как ни печально, это уже стало спецификой перегруженной интернетчиками телефонной сети, которая изначально предназначалась все-таки не для них.

У каждой задачи — свое решение

Не секрет, что развитие телефонных сетей в нашей стране не успевает за лавиноподобным ростом потребностей в доступе к информационным сетям. Еще пара лет, и скорости, максимально возможные для телефонных каналов на базе медной пары, будут удовлетворять разве что тетю Клаву, заказывающую в электронном магазине «Вискас» для своего кота. Если же ваши интересы выходят за пределы микрорайона и вам нужен практически неограниченный и свободный интерактивный доступ к самой разнообразной информации, полосы пропускания телефонной сети маловато уже сегодня.

Организация широкополосных кабельных и оптоволоконных сетей — дело, конечно же, хорошее. Это так, коли вы живете в Москве или, скажем, Зеленограде. А вот до какого-нибудь Лотошина или Егорьевска ни один «Комкор» свои сети не потянет. А если вспомнить, что Россия занимает территорию в 17,1 млн кв. км, то можно прикинуть, сколько здесь потребуется кабеля.

Нет, для наших просторов самое милое дело — радио. Но и тут не без проблем. Прежде всего, пора забыть великую фразу о радио, которое является чем-то там «без расстояний». Распространение радиоволн в различных участках спектра имеет свои особенности, во многом определяющие специфику построения соответствующих радиосистем. Те технические решения, которые еще вчера декларировались как наиболее распространенные, выверенные на практике и прочая, прочая, прочая, сегодня уже почти невозможно использовать. Причин тому несколько, однако почти все они сводятся к одному: российские операторы связи (и Internet-провайдеры в том числе) пожинают плоды, взращенные не только разработчиками, производителями и продавцами оборудования, но и рекламными агентами, политиками и чиновниками.

Уже несколько лет аналитики говорят о постоянном росте интереса к широкополосной передаче по локальным сетям, соединяющим дома или офисы абонентов. Все чаще в качестве наиболее перспективных инструментов доставки рассматриваются радиосистемы местного распределения информационных потоков, построенные на базе архитектуры «точка—много точек». К системам такого класса относятся, например, хорошо известные MMDS, LMDS и MVDS. Их названия довольно условны, и сегодня можно ограничиться одним термином — широкополосные системы беспроводного доступа (BWA). Однако русские слова «доступ» и «распределение» (в отличие от английских аналогов «access» и «distribution») явно имеют смысловой оттенок «односторонняя передача», тогда как эти системы способны на большее.

Все дороги ведут в Internet

Волею судеб в России к системам MMDS, LMDS и MVDS приклеился ярлык «эфирно-кабельное телевидение». Действительно, технология MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System) используется в США для аналогового телевещания еще с 60-х годов. Изначально такие системы были предназначены для дистанционного обучения и устанавливались в высших и средних учебных заведениях, затем MMDS заинтересовались частные компании, которые пытались конкурировать с операторами кабельного телевидения (КТВ) — хотя и не очень успешно.

В начале 90-х, когда первые MMDS-системы стали появляться в России, они казались весьма многообещающими и считались наиболее «передовыми». Наш телезритель, «измученный нарзаном» густо сдобренных рекламой, трех-пяти государственных ТВ-каналов, без особого сожаления расставался с определенной суммой за возможность смотреть дополнительные развлекательные программы. Напомню, что «Бонум» тогда еще не летал, а спутниковая антенна на балконе была в диковинку даже в обеих «продвинутых» столицах. Недорогое абонентское оборудование системы MMDS, простота ее развертывания и эксплуатации, невысокая стоимость обслуживания (особенно по сравнению с кабельной сетью) снискали ей любовь российских операторов. Но любовь длилась недолго — до выхода в июне 1998 г. пресловутого 552-го Постановления Правительства, определившего конкурсную основу выдачи разрешений для использования систем MMDS, LMDS и MVDS. На этом их бурное распространение в России и закончилось.

Между тем в США попытки операторов MMDS конкурировать с сетями КТВ настолько облегчили их кошельки, что к середине 90-х большинство компаний «эфирно-кабельного» телевидения, оказавшись по уши в долгах, начали искать новые пути удержания своего бизнеса на плаву. И выход был найден.

Воспользовавшись тем, что размер выделенной для MMDS полосы частот вполне достаточен для работы с широкополосными приложениями, ряд американских операторов MMDS предложил своим абонентам кроме телевизионных программ еще и информационные услуги. Сначала для передачи в прямом направлении использовался радиоканал, а в обратном — телефонная линия. Тем временем производители MMDS-оборудования создали устройства, позволяющие осуществлять двустороннюю радиопередачу цифровых потоков, а Федеральная комиссия по связи (FCC) установила новые правила использования MMDS-диапазона (2500—2700 МГц), в соответствии с которыми некоторые операторы уже сегодня предоставляют действительно двунаправленные услуги беспроводной связи.

Появление возможности передавать трафик Internet по сети MMDS привело к созданию новой ниши на рынке услуг электросвязи. Высокоскоростная двусторонняя передача цифровых потоков с применением MMDS открывает дополнительные рынки сбыта информационных услуг, позволяя охватить ими любого удаленного абонента (конечно, если он находится в зоне обслуживания сети).

MMDS-системы способны обеспечить гораздо более высокие скорости передачи, чем обычные телефонные сети или ISDN. По индивидуальному каналу шириной 2 МГц можно передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Три отдельных канала можно объединить в канал шириной 6 МГц, получив пропускную способность 30 Мбит/с. Вычтя из этой цифры примерно 10% (заняты контрольными битами сверточного помехозащищенного кодирования), мы получим значение полезной скорости передачи канала — 27 Мбит/с. Ширина стандартного ТВ-канала в США равна 6 МГц, а в России — 8 МГц, поэтому «у нас цифра может выйти лучше» — 36 Мбит/с. Кроме того, как показывает практика, стоимость доступа к Internet в данном случае значительно ниже, чем при использовании выделенной линии.

Организация доступа к информационным сетям через MMDS привлекательна не только для MMDS-вещателей, но и для Internet-провайдеров. Это решение позволяет обойти три основные проблемы, свойственные телефонной сети общего пользования и лимитирующие трафик, — низкое качество местных телефонных линий, бремя повременных тарифов и необходимость задействовать для доступа в Сеть единственный телефон в квартире.

Теоретически, операторы MMDS имеют уникальную возможность предложить пользователю высокоскоростную передачу данных и доступ к информационным сетям (Internet — лишь одна из них) плюс практически любые интерактивные услуги. Конфигурация системы может быть различной, она зависит от того, как организуется обратный канал, — по телефону или эфиру. Решения с обратным радиоканалом более дороги, но и более удобны. Поскольку трафик Internet несимметричен и интенсивность передачи информации по прямому каналу в 10—20 раз превышает интенсивность запросов, проходящих по обратному каналу, в последнем применяются менее сложные схемы модуляции и, соответственно, меньшие скорости передачи.

Для обратного радиоканала производители предлагают оборудование, работающее в полосах 2150—2162, 2305—2320 или 2345—2360 МГц. Кроме того, реализованы технические решения с обратным каналом в основной полосе. Уже сегодня можно поддерживать в одной системе и телефонный, и эфирный обратные каналы. Это позволяет оператору, начав с более простого решения — телефонного, впоследствии перейти к обратному каналу по эфиру.

Работа над ошибками

Системы LMDS (Local Multipoint Distribution Service) и MVDS (Multipoint Video Distribution System), в отличие от MMDS, сразу разрабатывались в цифровом варианте и никогда не были предназначены только для трансляции телевизионных программ. Их задача — организация связи в условиях прямой видимости в диапазонах частот 27,5—29,5 и 40,5—42,5 ГГц соответственно (хотя в последнее время появилась аппаратура LMDS и для более высоких частот, например 38 ГГц). Обе технологии вполне пригодны для густозаселенных городских районов, где с их помощью можно предоставлять самые разные — как одно-, так и двунаправленные — широкополосные услуги связи (трансляцию ТВ-программ, телефонию, видеоконференц-связь, высокоскоростной доступ в Internet и передачу данных).

По всей вероятности, мнение об исключительном предназначении этих систем для распределения телевизионного сигнала сложилось в нашей стране под влиянием модного в середине 90-х стремления ко всему сотовому. На гребне успеха сотовой телефонии термин «сотовое телевидение» был весьма популярен, и подвижники систем LMDS и MVDS как-то выпустили из виду следующее. В США и Канаде, где появились первые системы LMDS, они с самого начала использовались вместо витой пары при построении комплексных сетей связи, в которых передача телевизионных сигналов была только одной из многочисленных возможностей.

Кроме того, ограничению области применения таких систем исключительно телевещанием, очевидно, «способствовал» Регламент радиосвязи. Первоначально полоса 40,5—42,5 ГГц была выделена в Европе для аналогового телевизионного вещания, поэтому системы, работающие на данных частотах, получили название «системы распределения видеосигналов». Но каковы бы ни были исторические корни этих ограничений, последние пора бы уже и снять.

Более широкая полоса LMDS- и MVDS-систем (целых 2 ГГц, что в 10 раз больше полосы MMDS) позволяет обеспечить и большую пропускную способность. Однако чем выше рабочие частоты, тем меньше дальность связи. Дело в том, что сигналы, передаваемые на этих частотах, ослабляются в атмосфере гораздо быстрее, а их распространение сильно зависит от климатических условий и, как ни странно, от времени года. С появлением на деревьях первой листвы у оператора возникает дополнительная головная боль.

Малая дальность связи определила сотовый характер архитектуры сетей LMDS и MVDS, имеющих маломощные передатчики базовых станций. Использование широкой полосы в сочетании с сотовой структурой делает эту технику очень подходящей для организации интерактивных мультимедийных сетей.

Некоторые надежды на скорое исправление ошибок истории, связанных с MMDS, LMDS и MVDS, а равно и на изменение задействуемых ими полос частот внушают два события. Первое — принятие на Всемирной конференции радиосвязи 2000 г. решений, согласно которым полоса 40,5—43,5 ГГц предназначается для приложений фиксированной связи высокой плотности. Второе — появление решения ГКРЧ (от 30 октября сего года) о возможности организации систем передачи данных и доступа к информационным сетям с использованием частот 2500—2700 МГц и обратного канала в полосе 2300—2500 МГц, а также частот 40,5—42,5 ГГц.

Целесообразность построения систем высокоскоростной передачи данных и, в частности, организации доступа в Internet через системы BWA обсуждается уже достаточно давно. На мой взгляд, интерес операторов к таким системам подогревается следующим.

Во-первых, обостряется борьба за абонента среди поставщиков различных телевизионных программ: все шире разворачивается проект «НТВ+» и, вероятно, не за горами появление его собратьев, растет число телевизионных каналов в эфире, а значит, для сохранения бизнеса требуются «завлекалочки» в виде новых услуг. Во-вторых, Минсвязи объявило о повсеместном переходе с будущего года на повременные телефонные тарифы, и конечно, абонент начнет искать другие, более дешевые, пути в Internet. В-третьих, почти не осталось свободных радиочастот в полосах, в которых сегодня работают радиомодемы Radio Ethernet (2400—2483,5 МГц). Вот это «в-третьих» и хотелось бы рассмотреть подробнее.

Секонд хэнд

Общеизвестно, что во многих странах системы передачи данных в полосе 2400—2483,5 МГц используются на регистрационной основе. Это значит: купил, зарегистрировал и можешь работать. Никаких тебе решений ГКРЧ, разрешений Главгоссвязьнадзора, согласований с военными... Экономятся и время, и деньги.

Столь «легкомысленное» отношение к делу обусловлено несколькими причинами. В Регламенте радиосвязи полоса 2400—2500 МГц отводится для бытовых, промышленных, научных и медицинских ВЧ-установок (например, СВЧ-печей или агрегатов для литья зубных протезов), не подверженных влиянию помех. Мало того, согласно тому же Регламенту, системы связи, работающие в указанной полосе, должны мириться с помехами от подобных устройств. Наконец, системы передачи данных специально проектировались так, чтобы довольно много этих систем могли функционировать, не мешая друг другу.

Их помехоустойчивость обеспечивается за счет применения хорошо зарекомендовавших себя в военных системах связи технологий расширения спектра. Сигнал «обычной» системы, основная доля энергии которого сосредоточена в сравнительно узкой полосе частот, подвержен воздействию помех (случайных или преднамеренных), если невдалеке на той же или близкой частоте работает передатчик достаточной мощности. Поэтому возникла идея реализовать совершенно иной принцип радиопередачи при помощи широкополосного или шумоподобного сигнала (обоим вариантам соответствует сокращение ШПС).

У нас, как всегда, все иначе. Для внедрения систем передачи данных требуются разрешения и согласования, а используемые ими частоты имеют категорию «ПР». Последнее означает, что все, кроме военных, действуют на вторичной основе, безо всяких там претензий на наличие помех и требований защиты. И конечно, — только по разрешению Связьнадзора. Поэтому сегодня практически полностью «отсутствует наличие» свободных частот в тех районах, где они больше всего требуются. А там, где частоты есть, нет желающих строить сети высокоскоростной передачи данных. Однако не факт, что в перегруженной «на бумаге» полосе частот на самом деле нет свободных участков.

Первые системы передачи данных, работающие в полосе 2400—2483,5 МГц (типа ARLAN), появились в России несколько лет назад. Все эти годы наши «регуляторы» подбирали для них частоты без учета специфики их работы, используя методики, созданные еще для радиорелейных линий. Жизнь была прекрасна до тех пор, пока спрос на частоты удовлетворялся. Никто не выказывал недовольства, да и сомнений в правильности частотного планирования не возникало. Стали даже поговаривать о накопленном опыте, об отработанной методике... Как всегда, было забыто, что новые способы передачи требуют принципиально иного подхода.

«Экономная» технология

Чтобы понять, в чем же состоит суть «частотной» проблемы, обратимся к сравнительно недавно принятому и стремительно завоевывающему мировой и российский рынок стандарту IEEE 802.11 — RadioEthernet. Пусть вас не вводят в заблуждение слова «недавно принятый». Как известно, процесс международной стандартизации на несколько лет отстает от темпов развития промышленности, т. е. стандарты закрепляют «де-юре» то, что уже стало стандартом «де-факто». Принципы организации связи, описанные в 802.11, с успехом реализуются уже достаточно давно.

Стандарт RadioEthernet регламентирует принципы организации на ограниченной территории локальных беспроводных сетей связи, в которых абоненты имеют равные права доступа к общему каналу передачи. Информация передается либо при помощи инфракрасных лучей, либо посредством широкополосного сигнала, который, в свою очередь, может быть сформирован по методу прямой последовательности (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) или скачкообразной перестройки частоты (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum).

Оставим без внимания инфракрасные технологии, обеспечивающие работу только при наличии прямой видимости, «чувствительные» к погоде и успешно используемые лишь внутри помещений. Поговорим о радио, вернее — только о втором диапазоне частот из двух предусматриваемых стандартом (915 МГц и 2,4 ГГц), ибо проблемы первого заслуживают отдельной статьи.

Первоначально разрабатывавшаяся для того, чтобы скрыть сам факт радиосвязи, а затем рассматривавшаяся как способ защиты информации, технология ШПС, оказалось, обладает дополнительными плюсами. Это и хорошая помехозащищенность, и низкий уровень помех, создаваемых использующими ее радиосистемами. Для передачи информации такие системы задействуют значительно более широкую, чем в традиционных радиосетях, полосу частот. По ней мощность сигнала буквально «размазывается» (мне все чаще кажется, что именно такой смысл вкладывали разработчики в английское словечко «spread») тонким слоем.

Расширение спектра с помощью метода прямой последовательности предполагает, что каждый информационный символ кодируется 11-разрядным двоичным кодом Баркера. При передаче единицы и нуля используются соответственно прямой и инверсный варианты выбранной для данного сеанса связи 11-разрядной кодовой последовательности.

Несущая модулируется уже не символами сообщения, а прямыми или инверсными последовательностями Баркера. А поскольку вместо одного бита появляется 11, частота следования бит повышается в 11 раз, значит, в полном соответствии с теоремой Котельникова, и полоса излучаемого сигнала становится в 11 раз шире. Уточним: расхожее мнение о том, что технология DSSS позволяет работать на пониженных мощностях передатчика, не совсем соответствует действительности. На деле излучаемая передатчиком мощность остается неизменной, а вот спектральная плотность мощности сигнала действительно существенно уменьшается.

В приемнике полученный сигнал (вместе со всеми помехами, попавшими в полосу его пропускания) умножается на код Баркера; он опять становится узкополосным, а помеха, наоборот, широкополосной. В узкую полосу результирующего сигнала попадает лишь часть помехи с мощностью, примерно в 11 раз меньшей той, что действовала на входе приемника. Кодер и декодер другой пары «приемник—передатчик» работают с иной псевдослучайной последовательностью, и последовательностям этим несть числа. Основной проблемой становится обеспечение синхронизации передатчика и приемника.

Еще один плюс этих систем. Они используют такой способ получения абонентом доступа к общему каналу (с опросом несущей и избежанием коллизий — CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance), который предусматривает этап предварительного резервирования канала. «Столкновения» между абонентами допускаются только при резервировании (когда идет «соревнование» за канал), а в процессе собственно передачи данных коллизии исключаются.

В случае применения другого способа расширения спектра — скачкообразной перестройки частоты — весь предназначенный для передачи участок спектра используется как одна широкая полоса (79 подканалов в соответствии со стандартом 802.11). Каждый передатчик с некоторой частотой (которая, кстати, стандартом 802.11 не определяется) меняет частотный канал, в котором ведет передачу. Псевдослучайная последовательность скачков, которые должны выполняться передатчиком и приемником строго синхронно, устанавливается заранее.

Другая пара «передатчик—приемник» использует иную последовательность скачков частоты, не только никак не связанную с первой, но и полностью независимую от нее. В одной полосе частот и на одной территории таких пар можно разместить достаточно много. Естественно, с ростом числа одновременно работающих сетей растет и вероятность того, что два передатчика одновременно перескочат на одну и ту же частоту, а оба приемника потеряют информацию. Однако маловероятно, что при следующем скачке частоты передатчиков опять совпадут, т.е. мешать друг другу они будут недолго. Кроме того, на этот случай существует контроль ошибок: если пакет, переданный по одному из подканалов, не принят или в нем обнаружена неисправимая ошибка, то по запросу приемника он передается повторно по одному из следующих (в соответствии с последовательностью скачков) подканалов.

Вероятно, излишне повторять, что не зная этой последовательности, принять и распознать сигнал не сможет никто. Количество вариантов смены частот легко определить, пользуясь знакомыми нам еще со школы правилами комбинаторики. Если имеется набор из N частот, то число их комбинаций для передачи методом FHSS равно N!. Для рекомендованного стандартом 802.11 N=79 количество вариантов выбора порядка следования частот равно 8,946*10¹¹⁶. В общем случае вероятность повторения такой последовательности равна обратной величине, т.е. уверенно стремится к нулю.

Еще одно чрезвычайно полезное свойство устройств, «размазывающих» сигнал по спектру: они практически не создают помех обычным узкополосным радиосистемам большой мощности, поскольку последние воспринимают широкополосный маломощный сигнал как шум с уровнем ниже порогового. И наоборот, обычные устройства не наносят ущерба широкополосным, ибо их сигналы «мешаются» только в определенной узкой полосе частот, и помехи без особых проблем отбрасываются в схемах обработки.

Итак, для решения задачи оптимального распределения частот весьма полезно то, что с помощью технологии ШПС можно использовать каждый участок спектра по крайней мере дважды: узкополосные и широкополосные устройства способны работать в одной полосе и на общей территории, не мешая друг другу. Значит, подход к частотному планированию для таких систем должен в корне отличаться от частотного планирования для радиорелейных линий и допускать работу на одной территории нескольких систем.

Радует то, что о возможности перемен теперь говорят не только операторы: 25 сентября ГКРЧ приняла решение о необходимости проведения исследований с целью изменения порядка назначения частот для систем передачи данных и доступа к информационным сетям, работающим в полосе 2400—2483,5 МГц. Пока только исследований, но и этого ждали долго. Результатом проводимых под эгидой Минсвязи работ, как ожидается, станет определение возможности выдачи лицензий новым операторам, которым до сих пор отказывали ввиду отсутствия свободных частот.

Так хочется чудес

Под влиянием технического прогресса мы довольно быстро меняем свои привычки: то, что позавчера казалось баловством, сегодня становится насущно необходимым. Рынок услуг, предоставляемых беспроводными локальными сетями, стремительно расширяется, а значит, растет и спрос на высокоскоростной доступ к информационным сетям различного уровня.

Коммерческая привлекательность широкополосного беспроводного доступа состоит не только в потенциальной способности распределить транспортные потоки и решить проблему «последней мили». Это хорошая альтернатива дорогостоящим выделенным проводным линиям. Безусловно, для решения проблем фиксированной связи оптоволоконный кабель подходит больше, чем сегодняшние технологии радиосвязи. Но не в ситуации, когда связь нужна «еще вчера». Надо отметить, что немалые инвестиции и длительное время, необходимые для прокладки кабельной сети, оказываются факторами, играющими на руку операторам радиодоступа. Может быть, когда кабельная разводка «дотянется» до каждой квартиры и каждого офиса, фиксированная радиосвязь окажется не у дел в больших городах и станет обслуживать, в основном, удаленных абонентов, к которым протягивать кабель экономически нецелесообразно. Вероятно... Но не сегодня и не завтра.

Другое принципиально непреодолимое ограничение кабельных решений связи — невозможность подсоединения подвижных абонентов. Услуги радиодоступа не привязаны к телефонной розетке или кабельному разъему. И хотя во время каждого сеанса связи положение абонента остается фиксированным, он получает определенную свободу в выборе места выхода в эфир. Другой вопрос, насколько ему это нужно. Но и здесь работает тезис о влиянии технического прогресса на наши привычки и потребности. Кроме того, нельзя сбрасывать со счетов, что в некоторых ситуациях и «мобильникам» требуется передавать данные.

Каковы бы ни были слабые стороны проводной связи, фиксированному беспроводному доступу, в конечном счете, придется отвоевывать себе место под солнцем. И хотя вряд ли когда-нибудь по радио будет пересылаться такой же объем данных, как по оптоволоконным сетям, конкуренция заставляет операторов искать все новые пути к кошелькам покупателей.

Прогнозируя грядущие перестройки на телекоммуникационном рынке России, можно утверждать следующее.

Во-первых, все они будут непосредственно связаны с дальнейшим расширением возможностей доступа в Internet и развитием разработанных «под него» технологий типа IP-телефонии или Internet-вещания. Во-вторых, эти изменения будут опираться на радиотехнологии, так как прокладка кабеля «с южных гор до северных морей» — удовольствие столь же длительное, сколь недешевое.

ОБ АВТОРЕ