Отрасль мобильной связи на подъеме. Планшеты и смартфоны на платформах iOS и Android раскупаются, как горячие пирожки, российские аукционы на частоты для LTE и WiMAX стали завсегдатаями новостных сюжетов. Рост мобильного трафика опережает даже самые смелые прогнозы Cisco: на протяжении последних трех лет его ежегодные объемы практически утраиваются — только за прошедший год мобильный мировой трафик вырос в 2,6 раза, достигнув отметки 237 Пбайт в месяц. По оценкам Cisco, к 2015 году объем мирового мобильного трафика увеличится (по сравнению с 2010 годом) в 26 раз, до 6,3 Эбайт в месяц. В 2015 году в мобильных сетях будет работать свыше 7,1 млрд персональных интернет-устройств — примерно по одному на каждого жителя планеты, а видеоданные составят две трети общего объема мобильного трафика.

На протяжении 2010 года средняя скорость мобильного сетевого соединения стала вдвое выше, а к 2015 году прогнозируется ее десятикратное увеличение — до 2,2 Мбит/с. По мнению экспертов, именно совершенствование каналов передачи и доставки данных станет важнейшим фактором, поддерживающим рост объемов мобильного трафика.

Обеспечение достаточной пропускной способности мобильных сетей передачи данных требует использования проектных подходов, принципиально отличающихся от применяемых в сетях телефонии. В то время как аппетит голосовых кодеков ограничен скоростями 10 Кбит/с, требования мобильных приложений сдерживаются, пожалуй, лишь тарифными планами для пользователей. Просмотр видеоролика на YouTube может потребовать скоростей на два порядка больше, чем телефонный разговор. Один час видеотелефонного соединения, даже с небольшим разрешением, выльется в передачу более 90 Мбайт данных, а ежемесячный объем будет измеряться гигабайтами.

Постоянно растущее число мобильных приложений (см. Таблицу 1) требует от сотовых сетей все более высокой пропускной способности. По оценкам Cisco, объемы трафика — и потребляемые пользователями планшетов, и передаваемые при межмашинном взаимодействии — в 2015 году повторят глобальный объем всего мобильного трафика, зафиксированного в 2010 году.

 

Таблица 1. Примеры ресурсоемких мобильных приложений.

 

В то же время, пропускная способность базовых станций весьма ограниченна, а скорость доступа быстро падает по мере увеличения числа пользователей в секторе базовой станции. На Рисунке 1 приведены соответствующие данные для технологии HSPA. Как видим, уже при наличии в одном секторе 10 активных пользователей скорость доступа может оказаться недостаточной для комфортного просмотра видео, фотогалерей и «тяжелых» интернет-страниц, объем которых (даже без видео) может превышать сотни килобайт.

 

Рисунок 1. Зависимость скорости доступа в секторе HSPA от числа активных абонентов.

 

При этом даже для наиболее перспективных технологий, в том числе при использовании пространственного разделения каналов (MIMO), скорости в пределах одного сектора базовой станции ограничены значениями 39–158 Мбит/с (см. Таблицу 2).

 

Таблица 2. Пропускная способность секторов базовых станций.

 

ДЕЛО ТРУБА?

Вооружившись аналитикой Cisco для построения модельных требований по частотному ресурсу, используемому операторами связи, компания Rusavi пришла к неутешительному выводу: при прогнозируемых темпах развития мобильного широкополосного доступа операторы связи могут исчерпать весь доступный им частотный ресурс за три-четыре года, при этом учитывались такие параметры, как спектральная эффективность сети, объемы ежемесячного потребления трафика, динамика загрузки сети в течение дня, число пользователей на сектор базовой станции и т. д (см. Рисунок 2).

 

Рисунок 2. Пропускная способность сотовых сетей: требования и реалии.

 

Тезис весьма напоминает дебаты о непременном исчерпании нефтяных запасов, которые, однако, так и не кончаются, — наоборот, постоянно появляются новые месторождения и новые, все более эффективные способы добычи. Тем не менее проблема существует и требует решения.

Разумеется, ситуация на разных рынках будет различаться в зависимости от степени востребованности широкополосного доступа и тарифной политики операторов. Последние, без сомнения, будут использовать разнообразные меры для увеличения пропускной способности сетей, включая увеличение плотности базовых станций, разгрузку сетей с помощью фемтосот и WiFi и применения более эффективных технологий передачи и пространственного разделения данных. Однако все эти усилия, скорее всего, смогут лишь на время снизить остроту проблемы и лишь отложат удручающую развязку.

По мнению аналитиков Rusavi, единственным выходом из сложившейся ситуации является увеличение частотного ресурса, используемого каждым оператором связи. Этот тезис можно проиллюстрировать простыми расчетами: затраты на подготовку площадки для базовой станции, подключенной к распределительной сети оператора, могут достигать 200–300 тыс. долларов, трехсекторная базовая станция добавит к этой сумме еще около 50 тыс. долларов. Если бы на той же площадке можно было разместить еще одну базовую станцию, работающую на другом наборе частот, увеличение вдвое пропускной способности сети обошлось бы всего в 50 тыс. долларов, то есть удалось бы ограничиться впятеро меньшей суммой в сравнении с традиционным для операторов подходом. Кроме того, дальнейший рост плотности площадок может быть затруднен или невозможен из-за административных ограничений, особенностей рельефа местности и других факторов.

Как видим, эффективному увеличению пропускной способности сети мешает отсутствие частотных ресурсов.

Тупик? Коллапс беспроводных сетей? Скорее всего, нет. Количество переходит в качество: мобильная связь нуждается в новой парадигме.

 

НОВЫЕ ВРЕМЕНА — НОВЫЕ МОМЕНТЫ

Одним из первых о недостаточной эффективности использования частотного спектра заговорил Поль Бэран, до этого принимавший самое активное участие в создании Интернета. В июне 1995 года, выступая на торжествах, посвященных столетию радио, он выступил с программной речью, в которой утверждал, что:

  • радиочастотный спектр используется чрезвычайно неэффективно. Причина тому — ограничения, наложенные лицензирующими органами, и недостаточная функциональность самих радиоустройств;
  • с помощью спектроанализатора или даже радиоприемника любой желающий может легко убедиться в том, что подавляющая часть радиочастот не используется большую часть времени;
  • свободные участки спектра можно и нужно использовать, проводя в реальном масштабе времени соответствующие измерения и определяя моменты и частоты, подходящие для передачи данных.

По сути, основные положения его речи представляют собой приложение принципов пакетной передачи данных, заложенных в Интернете, к использованию частотного спектра, а практическая реализация предлагаемых им подходов способна привести к радикальным изменениям в беспроводных сетях.

Семена упали на благодатную почву. В 1996 году был создан союз SDR Forum, поставивший своей целью разработку программно перестраиваемых радиоустройств (Software Defined Radio, SDR). В марте 2000 года Федеральное агентство по связи США (FCC) выпустило запрос на публичные комментарии по поводу нового поколения радиоустройств — SDR. В мае 2004 года оно опубликовало уведомление о предлагаемых правилах игры (Notice of Proposed Rulemaking), где заявило о возможности нелицензируемого использования радиочастот, высвобождаемых при переходе на цифровое эфирное телевидение, — «белых пространств» (White Spaces, WS), пропусков в сетке вещательных ТВ-каналов.

В 2006 году Microsoft и HP образовали коалицию для лоббирования свободного использования «белых пространств». В течение года коалиция объединила восемь крупнейших игроков отрасли ИТ (Microsoft, Google, Dell, HP, Intel, Philips, Earthlink и Samsung) и поставила целью разработку и продвижение стационарных и мобильных устройств, использующих для местной связи пропуски в диапазоне частот ниже 700 МГц. Согласно планам, WS-устройства должны обеспечивать скорость до 80 Мбит/с при дальности в несколько десятков километров и до 400–800 Мбит/с в помещениях и на небольших расстояниях. Излучаемая мощность стационарных устройств, использующих мачты и направленные антенны, ограничена 4 Вт, мобильных — смартфонов и ноутбуков — 100 мВт.

В ноябре 2008 года FCC выделило для безлицензионного использования пропуски между телевизионными каналами в диапазоне частот от 50 до 700 МГц. В соответствии с существующей региональной сеткой телевизионных каналов, в общей сложности WS-устройствам будут доступны до 100 МГц (или даже больше) радиочастотного спектра — в зависимости от лицензий и активности местных вещательных телекомпаний (в разных населенных пунктах могут быть свободны разные частоты). Как ожидается, благодаря особенностям распространения радиоволн ТВ-диапазонов «белые пространства» позволят быстро и с относительно небольшими затратами решить проблемы «интернетизации» сельской местности (где к тому же особенно много пропусков в сетке телевизионных частот), а также предложить новые услуги в более крупных населенных пунктах.

FCC, накопившее большой опыт по высвобождению частот, предложило точные механизмы реального времени для регулирования и устранения коллизий. До начала работы WS-устройство должно определить свои координаты (по GPS — с точностью до 50 м) и на основании полученных данных запросить геоинформационную базу о свободных каналах, не используемых для передачи данных другими устройствами и телевизионными станциями. Мобильные устройства, работающие в инфраструктурном режиме, могут получать данные о рабочих частотах от общей точки доступа. Первоначально предполагалось, что перед началом работы WS-устройство должно проверить, свободна ли частота (ее не использует, например, беспроводной микрофон), но в сентябре 2010 года, принимая окончательные спецификации на WS-устройства, FCC решило отказаться от столь жестких требований. А беспроводные микрофоны с «постоянной пропиской» в концертных залах получили право на регистрацию в общей базе данных.

После регистрации и выбора рабочих каналов WS-устройство должно запрашивать базу данных не реже одного раза в день. При изменении местоположения операция повторяется заново, мобильные устройства могут получать разрешения на работу от базовой станции. Для поддержания работоспособности системы и гарантии отсутствия помех для телевизионных приемников и других радиоустройств все WS-устройства должны быть сертифицированы FCC.

Аналогия с принципами построения Интернета может быть продолжена: в январе FCC назвало компании, выбранные в качестве администраторов создаваемой геоинформационной базы «белых пространств». Наряду с Google, в список вошли Comsearch, Frequency Finder, KB Enterprises и LS Telcom, Key Bridge, Neustar, Spectrum Bridge, Telcordia Technologies и WSdb. Администраторы выбраны сроком на пять лет, перед коммерческим запуском база данных будет подвергнута тестовым испытаниям, которые могут начаться уже в марте 2011 года и продлятся около 45 дней.

Как сообщает FCC, в настоящее время рассматривается вопрос переноса схожих принципов управления частотами на другие участки спектра. Иначе говоря, «белые пространства» становятся своеобразной тестовой площадкой: принципы, отработанные при предоставлении услуг в нелицензируемых диапазонах (и, соответственно, не имеющих столь жестких критериев по качеству), в случае успешной реализации проекта могут быть перенесены на лицензируемые частоты.

 

КОГНИТИВНОЕ РАДИО: СТАНДАРТЫ

По сути, когнитивное радио (CR), создаваемое сейчас для освоения «белых пространств», представляет собой промежуточный этап на пути к программно перестраиваемому радио (SDR) и отличается более простой реализацией и ограниченной функциональностью. По сравнению с обычными беспроводными устройствами CR обладает существенно большим частотным диапазоном и возможностью выбора рабочих частот на основании информации из единой базы данных. Среди стандартов когнитивного радио следует назвать IEEE 802.22, IEEE 802.11af и ECMA-392 (см. Таблицу 3).

 

Таблица 3. Стандарты «белых пространств».

 

IEEE 802.22 использует топологию точка – многоточка. Радиус действия базовой станции может достигать 30–100 км, скорость доступа в Интернет клиентских устройств составлять 1,5 Мбит/с, скорость обратного канала — 384 Кбит/с.

IEEE 802.11af, называемый также Super-WiFi, принадлежит к группе стандартов WiFi и, как ожидается, будет принят в декабре 2011 года. Мощность базовых станций и стационарных абонентских устройств — до 4 Вт, высота размещения антенн — не выше 30 м. Мощность передатчиков мобильных абонентских устройств — в пределах 100 мВт. Тем не менее, благодаря использованию низкочастотного диапазона и направленных антенн для стационарных устройств, дальность связи сможет составлять 20–30 км. Вслед за принятием стандарта 802.11af Консорциум WiFi планирует организовать сертификацию устройств Super-WiFi.

ECMA-392 позволит реализовать одноранговые, инфраструктурные и ячеистые (mesh) сети и обеспечить доставку абоненту одного потока видео высокой четкости.

В общем и целом информация о стандартах крайне скудна, а оборудование для «белых пространств» представлено пока только пилотными и тестовыми образцами.

 

ПЕРСПЕКТИВЫ

Инициативы по использованию «белых пространств» рассматриваются сегодня в Великобритании и Европе. Первое заседание Международного союза электросвязи, на котором будет обсуждаться освоение европейских «белых пространств», должно состояться в 2012 году.

«Белые пространства» фактически становятся полигоном, на котором будут опробованы новые подходы к построению широкополосных систем мобильной связи. Вслед за когнитивным радио ожидается появление программно перестраиваемого радио, способного не только перестраиваться по частоте, но и обеспечивать поддержку множества протоколов передачи данных.

И тогда, не исключено, сбудутся мечты Лэрри Пейджа, одного из основателей Google, о микроаукционах, на которых в реальном времени будут проходить торги по продаже неиспользуемых частот, необходимых для организации новых сеансов связи, благодаря чему пользователи и операторы связи смогут получить новые возможности, а государства — новые источники доходов.

Российских операторов пока беспокоят совсем другие вопросы. По мнению Станислава Рыбалко, руководителя направления беспроводных технологий CompTek, до тех пор пока в нашей стране не будет проведена тотальная конверсия спектра и он не станет платным для всех, попытки сдвинуть военных с зарезервированных ими частот (пусть и неиспользуемых), скорее всего, ни к чему не приведут. Среди предлагаемого им комплекса мер можно выделить следующие:

Автоматизация позволяет максимально упростить получение частот операторами и сделать эту процедуру прозрачной. Останется в прошлом мучительный процесс сбора документов, а предоставление чиновникам полного комплекта правильно оформленных бумаг лишит их возможности найти предлог для формального отказа. Ведь все автоматизируемо: заявитель указывает координаты и технологию, выбирает оборудование из предложенного списка, заполняет анкету — и на сайте генерируется комплект нужных документов и указывается сумма, которую надо заплатить за выполнение расчета электромагнитной совместимости (ЭМС). Тогда эффективность работы Главного радиочастотного центра (ГРЧЦ) значительно повысится, да и у чиновников станет меньше хлопот с проверкой документов.

Возможность быстрой проверки факта наличия свободных частот позволит не терять время на сбор информации, уже имеющейся в базах данных. То есть оператору должна быть предоставлена возможность подать запрос через сайт ГРЧЦ и — пусть даже не в реальном времени, за пару дней — получить ответ. Причем ответ может не содержать перечня конкретных частот, а лишь информировать о возможности их выделения для указанных секторов или пролетов в данном диапазоне. Установив факт наличия свободных частот, заявитель может заказать расчет ЭМС, чтобы выяснить точно — какие и сколько действительно доступны.

Правила игры (аукционы, плата за спектр) для каждого вида связи должны быть публичными и понятными. Например, цена за 1 МГц или за зону покрытия с дифференцированием платежей в зависимости от территории (вплоть до дотирования операторов, чтобы связь была везде) должна быть известна. Для систем «база – абонент» частоты нужно выдавать не на сектор, а на территорию с требованиями по ЭМС на ее границах. Внутри этой границы, при условии соблюдения требований ЭМС на периметре, оператору необходимо предоставить свободу действий. Сейчас он не может ни поменять собственное оборудование, ни передвинуть базу на соседнее здание — каждый подобный шаг связан с переоформлением частот.

Как отмечает Рыбалко, первые два предложения являются радикальными и требуют политической воли и серьезных изменений в структуре министерства, поэтому вероятность их воплощения в жизнь невелика. А вот третье вполне реализуемо и может значительно облегчить жизнь операторам.

Вместе с тем нельзя не отметить, что за последнее время ГКРЧ и Минсвязи немало сделали для либерализации рынка беспроводных технологий, включая введение заявительного принципа регистрации беспроводных городских сетей и линий, работающих в диапазонах частот 2,4 и 80 ГГц. Думается, что создание тестовых зон для освоения «белых пространств» на безлицензионной заявительной основе наряду с уже принятыми мерами в немалой степени способствовало бы ликвидации цифрового неравенства в нашей стране. Тем более что и необходимая производственная база, и опыт разработки программного обеспечения для городских беспроводных сетей у российских инженеров уже имеются.

Георгий Башилов — научный редактор «Журнала сетевых решений/LAN».