WNaaS не догонишь

Традиционно российское сообщество профессионалов в области беспроводной передачи данных собирается на конференции «БЕСЕДА», организуемой компанией «КомпТек», которая стояла у истоков зарождения этого рынка. В 2013 году прошла уже 17-я по счету конференция, что говорит о богатой истории этой отрасли. Текущий этап ее развития представляется чрезвычайно важным, поскольку беспроводные технологии выходят на новый уровень востребованности как операторами, так и корпоративными заказчиками.

«Несмотря на тревожную экономическую ситуацию, спрос на беспроводные решения устойчиво растет», — отметил Алексей Вомпе, вице-президент компании «КомпТек». Он выделил две тенденции в развитии этих решений. С одной стороны, повышение скорости передачи данных и улучшение других технических характеристик, с другой — появление качественных продуктов нижнего ценового диапазона, что уменьшает расходы на построение сетей беспроводного широкополосного доступа (ШПД).

БЕЗ WIFI НИ ТУДА И НИ СЮДА

«Притчей во языцех» уже стали констатация и прогноз стремительного роста числа смартфонов и планшетов, а также связанного с ним роста трафика мобильной передачи данных. Например, по данным J’son & Partners Consulting, если в прошлом году объем этого трафика в России составил 550 Пбайт, то в этом вырастет почти в два раза — до 1013 Пбайт, а в 2016 году превысит 3000 Пбайт.

«Журнал сетевых решений/LAN» не раз писал о том, что при традиционном подходе к повышению емкости сетей сотовой связи, основанном на добавлении макросот, ни LTE, ни LTE-Advanced не помогут справиться с растущим трафиком. 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 (см., например, статью автора «Маленькие соты для большой скорости», опубликованную в апрельском номере журнала за 2012 год). Выход — развертывание малых сот с компактными базовыми станциями.

Такие соты могут задействовать различные радиотехнологии, но, как показывают различные тесты, затраты на передачу единицы трафика оказываются наименьшими при использовании WiFi. Отсюда огромный интерес сотовых операторов к разгрузке сетей сотовой связи с помощью данной технологии — WiFi Offload. Подробнее о технической стороне реализации такой разгрузки можно прочитать в статье Александра Фелижанко «Интеграция WiFi с сетями мобильной связи» в апрельском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2013 год.

Станислав Рыбалко, руководитель направления беспроводных технологий «КомпТек», полагает, что в российских городах-миллионниках емкость сетей 3G и строящихся 4G/LTE недостаточна для удовлетворения текущих запросов абонентов. В будущем же спрос на скорость передачи данных еще больше превысит емкость указанных сетей сотовой связи, поэтому без помощи WiFi не обойтись.

Но, как полагают специалисты «КомпТек», российские сотовые операторы, скорее всего, сами не будут строить масштабные сети WiFi. А поскольку поддержать растущий трафик без таких сетей они вряд ли смогут, то уже в ближайшие годы станут арендовать их у других компаний. В свою очередь, сдача в аренду таких сетей может стать чрезвычайно выгодным бизнесом.

Роман Смирнов, директор по развитию бизнеса в России и СНГ компании InfiNet Wireless, считает очень перспективной модель WNaaS — беспроводная сеть как сервис. Соответствующие услуги могут предоставлять различные категории компаний, каждая из которых имеет свои преимущества. Так, сильные стороны крупных телекоммуникационных холдингов — в наличии развитой магистральной сети и больших финансовых ресурсов. За плечами альтернативных операторов — обширный опыт строительства сетей беспроводного ШПД, а также наличие необходимых лицензий, сил и средств для развертывания и обслуживания таких сетей. В бизнесе WNaaS могут поучаствовать и системные интеграторы, у которых накоплен немалый опыт строительства сетей под ключ, а также реализации сложных проектов.

Эффективному аутсорсингу инфраструктуры WiFi поможет виртуализация. Как отмечает Андрей Харитонов, менеджер по развитию бизнеса Cisco Systems, в своих решениях WiFi эта компания «виртуализировала все, кроме самих точек доступа». Установка виртуальных контроллеров в ЦОД оператора и использование централизованной системы управления позволяют эффективно реализовывать различные модели — например, по предоставлению управляемой инфраструктуры WiFi, управляемых сервисов BYOD (со стороны оператора) или «продвинутых» услуг, в том числе с учетом местонахождения пользователя (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Установка виртуальных контроллеров в ЦОД оператора и использование централизованной системы управления позволяют эффективно реализовывать различные модели предоставления услуг на базе сети WiFi.

Итак, один из возможных вариантов развития бизнеса российских операторов беспроводных сетей ШПД — подготовить их к сдаче в аренду сотовым операторам. Есть ли другие варианты?

УМНЫЙ WIFI

Сами по себе сети WiFi плохо монетизируются не только в России, но и во всем мире — ну не готовы пользователи платить за WiFi! Так, согласно данным Андрея Харитонова, более 81% публичных общедоступных точек доступа в США являются бесплатными. Часть операторов практикуют так называемую дополненную модель, когда выход в Интернет через WiFi предоставляется бесплатно, но сопровождается принудительным показом рекламы. Возможен и вариант, когда доступ к определенным ресурсам предлагается бесплатно, а в остальной Интернет — за деньги.

Специалист Cisco Systems полагает, что большие возможности по монетизации WiFi открывает использование этих сетей для взаимодействия с клиентами с учетом их местонахождения. Скажем, при попадании пользователя на определенную территорию, например магазина, его смартфон «сообщит» о предлагаемых товарах, рекламных акциях и т. п. Даже если клиент не подключен к сети, регулярная посылка «пробников» в радиоэфир (WiFi) позволяет собрать статистику перемещения абонента. Накопленная информация может использоваться для анализа людских потоков, что чрезвычайно важно для владельцев торговых центров, аэропортов, крупных медицинских центров и других. Представители Cisco привели примеры реализации подобных функций на таких объектах, как Музей естественной истории Fernbank в Атланте (США), аэропорт Копенгагена и пр.

Технически взаимодействие с клиентом WiFi с учетом его местонахождения может быть реализовано несколькими способами. Один из них — использование протокола 802.11u/MSAP, с помощью которого доступные услуги могут автоматически отображаться на мобильных устройствах пользователей. Однако пока названный протокол поддерживается лишь небольшим числом конечных устройств (например, с новыми процессорами Qualcomm). Другой — разработка и загрузка на смартфоны и планшеты специальных приложений, реализующих дополнительные функции. Среди недостатков этого подхода — необходимость постоянного тестирования приложений на совместимость при обновлении версий ПО мобильных устройств.

Cisco предлагает еще один вариант, который лишен недостатков первых двух. Он сводится к перехвату трафика (на уровне сервера Mobility Services Engine, MSE, см. Рисунок 2) и вставке туда специального фрагмента кода, который задается через открытый интерфейс API. При этом на мобильном устройстве появляется меню, которое может легко настраиваться владельцем инфраструктуры или ее арендатором.

Рисунок 2. Схема для контекстно-зависимого взаимодействия с пользователями WiFi и анализа их перемещений.

ТАМ, ГДЕ ЯБЛОКУ НЕГДЕ УПАСТЬ

В традиционных системах сотовой связи обеспечение высокой пропускной способности при высокой плотности абонентов наталкивается на серьезные трудности. Об этом наглядно свидетельствуют примеры крупных спортивных событий. Так, в ходе подготовки к недавно прошедшей в столице Татарстана универсиаде один из ведущих российских сотовых операторов установил на «Казань-Арене» (этот стадион рассчитан на 45 тыс. зрителей) 27 базовых станций и выстроил разветвленную систему из 145 антенн внутри всех помещений. По данным этого оператора, средняя скорость в сети 3G в Казани во время универсиады составила 1,5–2 Мбит/с, а в 4G — 17 Мбит/с. Однако по данным, которые представил Андрей Харитонов, де-факто скорость была ограничена 300–400 Кбит/с, и для нормальной работы в Интернете пользователи вынуждены были подключаться к сетям WiFi.

Представители Cisco приводят и другой пример — стадион на 50 тыс. зрителей в Канзас-Сити. Там как раз развернута сеть WiFi, которая, как показывают реальные измерения, при 10 тыс. одновременно подключенных устройств обеспечивает скорости в 5–10 Мбит/с на устройство.

Рисунок 3. Адаптивные направленные антенны обеспечивают значительный выигрыш в пропускной способности канала и эффективное подавление интерференционных помех.

Столь разительное преимущество WiFi (над технологиями 3G и 4G) при теоретически сопоставимых скоростях объясняется массой причин. В частности, как отмечает Виктор Платов, технический специалист Cisco, малые размеры сот WiFi и возможность использования направленных антенн позволяют гораздо более эффективно повторно использовать дефицитный частотный ресурс.

Как полагают специалисты компании Ruckus, при развертывании сетей WiFi высокой плотности самое сложное — это управление интерференцией. Помимо грамотного размещения точек доступа, помочь в этом вопросе могут адаптивные антенные системы. В решениях этой компании реализована технология BeamFlex, которая позволяет изменять диаграмму с учетом местонахождения активных абонентов и, по данным Ruckus, обеспечивает значительный выигрыш в пропускной способности канала (см. Рисунок 3). По сути, точки доступа Ruckus для каждого клиента и каждого передаваемого ему пакета выбирают оптимальную конфигурацию антенн (диаграмму направленности) из 4000 предусмотренных вариантов (см. Рисунок 4). Запатентованный компанией алгоритм автоматического выбора частотного канала на основе периодического анализа загрузки сети, который выполняется каждые 15 с, обеспечивает автоматический перевод абонента на канал, который в данный момент наименее загружен трафиком со стороны других абонентов, причем этот перевод осуществляется без перерыва в обслуживании других абонентов.

Рисунок 4. Точки доступа Ruckus для каждого клиента и каждого передаваемого ему пакета выбирают оптимальную конфигурацию антенн (диаграмму направленности) из 4000 заложенных вариантов. (Сверху — точка доступа Ruckus со снятым защитным колпаком.)

По утверждению представителей Ruckus, указанные механизмы наряду с рядом других расширяют зону покрытия WiFi от 2 до 4 раз и благодаря этому обслуживают те же объекты с использованием меньшего числа точек доступа. Это позволяет сократить капитальные затраты, а для некоторых объектов вообще является единственно возможным вариантом. В качестве примера Влад Горигорьянц, региональный менеджер Ruckus по России и СНГ, привел проект по реализации сети WiFi в гостинице класса люкс на известном океанском лайнере The Queen Mary (построенный в 1936 году лайнер The Queen Mary сейчас навсегда помещен в док Лонг Бич в Калифорнии). Этот объект специалисты по радиосетям называют не иначе как «плавучая клетка Фарадея» из-за большого числа металлических перегородок. Для снижения уровня интерференции накладывались жесткие ограничения по числу точек доступа, и благодаря решениям Ruckus качественное покрытие судна площадью 300 тыс. м2 удалось обеспечить с помощью всего 33 ТД (в типовом решении требовалось 90 точек).

Если такие производители, как Cisco и Ruckus, выделяются разработкой хитроумных алгоритмов для повышения эффективности работы сетей WiFi и постоянным расширением их функционала, то есть и компании, которые делают ставку на привлекательную цену. К ним, например, относится Ubiquiti Networks. Системы WiFi этой компании, использующие программный контроллер, отличаются низкой стоимостью, что, по словам Станислава Рыбалко, позволило WiFi проникнуть туда, где он раньше не применялся. Среди бюджетных проектов, в которых задействовано оборудование Ubiquiti, — оснащение общеобразовательных школ, обширных парковых территорий и пр.

Но не следует думать, что Ubiquiti — это только низкая цена. Буквально накануне конференции «БЕСЕДА» компания выпустила первую в мире точку доступа IEEE 802.11ac для установки вне помещений. Напомню, что за счет объединения частотных каналов и других ухищрений стандарт IEEE 802.11ac позволяет повысить скорость передачи данных в сетях WiFi до 1,3 Гбит/с.

КОГДА СТАНДАРТ ОТХОДИТ НА ВТОРОЙ ПЛАН

Высокоскоростной WiFi незаменим для обеспечения беспроводного ШПД для смартфонов и планшетов, большинство которых имеют эту стандартную технологию «на борту». Но у беспроводного ШПД имеется и другой рынок — это фиксированные подключения, гарантирующие высокую емкость и доступность канала. Как отмечает Роман Смирнов, в последнее время все больший спрос на решения фиксированного БШД наблюдается со стороны владельцев различных технологических сетей (предприятия нефтегазового сектора, транспорта и пр.), а также государственных силовых и муниципальных органов, в том числе для программ «Безопасный город».

Решения фиксированного БШПД строятся по топологии «точка – многоточка» (или звезда) и состоят из базовых и абонентских станций. К последним, как правило через порт Ethernet, подключается оконечное оборудование пользователей. В подобных инсталляциях и базовые, и абонентские станции обычно поставляются одним производителем, поэтому используется не WiFi, а более эффективные нестандартные технологии.

По мнению экспертов компании Cambium Networks, стандарты WiFi накладывают серьезные ограничения на производительность и эффективность системы связи «точка – многоточка». Разработка собственных (проприетарных) алгоритмов позволяет преодолеть эти ограничения. Ключевая особенность решений Cambium Networks — сихронизация устройств (для этого используется GPS), чтобы они не мешали друг другу. На конференции «БЕСЕДА» компания представила четвертое поколение устройств «точка – многоточка» PMP 450, работающих в диапазоне 5 ГГц. По утверждению представителей компании, это единственная система на рынке, которая позволяет «с одной вышки раздать 1 гигабит».

Синхронизация устройств гарантирует отсутствие помех между секторами базовой станции (см. Рисунок 5). Это дает возможность максимально эффективно использовать частотный спектр: не требуется предусматривать защитные интервалы между частотными каналами и возможно повторное использование частотных каналов на базовой станции. Кроме того, в большинстве случаев каналы могут повторно использоваться другими базовыми станциями.

Рисунок 5. Синхронизация устройств обеспечивает отсутствие помех между секторами базовой станции и дает возможность максимально эффективно использовать частотный спектр, в частности повторно задействовать частотные каналы на базовой станции.

Один из ведущих поставщиков систем БШД российская компания InfiNet Wireless на конференции «БЕСЕДА» представила обновленные модели Smn/Lmn для сетей «точка – многоточка» (или «база – абонент» в терминологии InfiNet) и каналов «точка – точка». В топологии «точка – многоточка» производительность новых систем в среднем выросла на 50% (при восьми активных абонентах). Максимальная скорость достигает 200 Мбит/с, однако производитель рекомендует использовать вдвое меньшую — 100 Мбит/с. Технический директор InfiNet Wireless Андрей Койнов особо отмечает, что производительность систем по обработке пакетов увеличилась в 2,5 раза — до 90 тыс. пакетов в секунду. Это ответ разработчиков на тенденцию уменьшения размера пакетов в реальных сетях, из-за чего пакетная нагрузка возрастает быстрее, чем потребность в битовой скорости.

Андрей Койнов также отметил такую важную характеристику систем «точка – многоточка», как возможность динамического перераспределения пропускной способности между разными направлениями. Например, в случае классической работы в Интернете основной объем трафика идет к абоненту, а потому каналу «вниз» можно выделить до 95% пропускной способности. А вот в случае подключения систем видеонаблюдения картина распределения трафика диаметрально противоположная, а потому те же 95% лучше предоставить каналу «вверх».

Кроме того, представители InfiNet Wireless заявили о планах по выпуску системы БШД следующего поколения, которая пока имеет рабочее название InfiLINK Ultimate. Она строится в соответствии с принципами программно определяемого радио (SDR) и должна обеспечить пропускную способность свыше 1,2 Гбит/с при производительности более двух миллионов пакетов в секунду. При этом InfiLINK Ultimate будет работать не только при наличии прямой видимости (LOS) между конечными точками, но и в режимах частичной прямой видимости (nLOS) и отсутствия прямой видимости (NLOS).

НЕЛИЦЕНЗИРУЕМАЯ МАГИСТРАЛЬ

Еще одна область применения беспроводных технологий — каналы «точка – точка». Здесь также главенствуют проприетарные технологии, а классические радиорелейные станции (РРС) постепенно «сливаются» с беспроводными мостами в единую категорию продуктов.

Как и в прошлом году (см. статью автора «Беспроводной гигабит на магистрали» в октябрьском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2012 год) на «БЕСЕДЕ-2013» основное внимание в области магистральных решений «точка – точка» уделялось решениям для диапазонов V (от 50 до 75 ГГц) и E (71–76 ГГц и 81–86 ГГц). Причина интереса понятна — отсутствие необходимости получать лицензии на соответствующие частоты. Как отмечает известный эксперт рынка Сергей Портной, решения для этих диапазонов впитали в себя преимущества традиционных РРС- и WiFi-подобных систем «точка – точка».

Особенно велик спрос на эти системы со стороны операторов сотовой связи — для подключения базовых станций, в том числе микросот нового поколения (они наряду с технологиями 3G и/или 4G поддерживают и WiFi), а также для подключения точек доступа WiFi. Такие точки доступа недороги, а потому и средства их подключения должны иметь сопоставимую стоимость. Кроме того, они должны иметь небольшие размеры, чтобы их можно было незаметно разместить в городской среде. Наконец, при высокоплотном размещении в городской среде важно обеспечить низкий уровень интерференции, что достигается за счет использования высоконаправленных антенн.

E-диапазон характеризуется наличием окна прозрачности, в котором наблюдается минимум затухания на молекулах кислорода и водяных паров (см. Рисунок 6), благодаря чему становится возможной высокоскоростная передача данных. В то же время в этом диапазоне велико затухание на гидрометеорах, в первую очередь крупных каплях дождя, что существенно сокращает дальность.

Рисунок 6. E-диапазон характеризуется наличием окна прозрачности, в котором наблюдается минимум затухания на молекулах кислорода и водяных паров.

Рисунок 7. Радиосистема Siklu для Е-диапазона с однофутовой антенной.

По данным компании Siklu, среднестатистическая дальность ее систем Е-диапазона составляет 2,5 км с антенной диаметром 1 фут (см. Рисунок 7) и 3,5 км с антенной 2 фута. Для системы V-диапазона указанного производителя, которая выйдет на рынок в начале 2014 года, эта характеристика значительно меньше — до 500 м (см. Таблицу 1). Однако существенно меньший размер антенны (полдюйма против одно- и двухдюймовых антенн систем E-диапазона) делает ее отличным решением для подключения базовых станций в городской среде.

Таблица 1. Сравнение беспроводных систем «точка – точка» диапазонов 60 ГГц и 70/80 ГГц.

Решения Siklu EtherHaul для V- и E-диапазонов поддерживают скорость до 1 Гбит/с. Такие же скорости обеспечивает в канале 250 МГц и новинка для Е-диапазона компании Aviat — система WTM 3000. Она входит в семейство наружных блоков WTM 3x000, в котором также имеются решения для стандартных для РРС частот 6–42 ГГц.

Представленная на конференции «БЕСЕДА» система связи «точка – точка» от компании NEC при работе в E-диапазоне обеспечивает несколько большую пропускную способность — до 1,6 Гбит/с (в полосе 250 МГц, модуляция 256 QAM). Планы по развитию этого продукта, NEC AOR EX, впечатляют: до конца 2014 года обещано увеличение скорости до 12 Гбит/с. Решение этой компании для V-диапазона, NEC AOR SX, в полосе 50 МГц поддерживает скорость до 320 Мбит/с.

В области систем «точка – точка», работающих в более низкочастотной области, следует отметить уникальное решение PTP-650 компании Cambium Networks. По утверждению ее представителей, эта система, функционирующая в диапазоне 4,9–6,05 ГГц, способна обеспечивать связь на расстоянии до 200 км при наличии прямой видимости. Хотя из-за сферической формы земной поверхности прямая видимость при дальности до 200 км возможна только при подъеме антенн на очень большую высоту, при определенном рельефе это вполне реалистично. По крайней мере, у Cambium Networks есть проект с пролетом 187 км. Типичные же расстояния составляют 80–90 км.

Примечательно, что PTP-650, пропускная способность которой составляет до 450 Мбит/с при ширине канала 45 МГц, работает и в отсутствие прямой видимости — на расстоянии до 10 км. Надежной работе в таких условиях способствует применение нескольких алгоритмов. Это, в частности, автоматический выбор оптимального частотного канала (к сожалению, в России из-за традиционного дефицита частотного спектра он далеко не всегда может быть использован), адаптивная модуляция, интеллектуальный режим OFDM (i-OFDM), высокая спектральная эффективность и другие.

Еще один важный тренд в области беспроводной связи — конвергенция различных сетевых устройств. Один из результатов этого процесса — выпуск компанией Aviat продукта CTR 8000, где в одном корпусе объединены внутренний блок РРС, коммутатор Carrier Ethernet и маршрутизатор IP/MPLS. Такая интегрированная система, очевидно, позволяет снизить капитальные затраты, упростить инсталляцию и сократить расходы на эксплуатацию и обслуживание. При этом функциональность можно наращивать программно по мере необходимости: скажем, начав с блока РРС, заказчик может затем активировать функции коммутатора Carrier Ethernet, а впоследствии — и маршрутизатора IP/MPLS. Устройство CTR 8000 используется с внешними радиоблоками Aviat.

Итак, беспроводные системы связи «растут» в скорости и функциональности. Сферы их применения постоянно расширяются: от разгрузки сотовых сетей и формирования скоростных магистральных каналов до обеспечения корпоративной мобильности и учета людских потоков. Точнее, сегодня уже сложно представить области, где бы они не были востребованы. Да и такие, на первый взгляд, фантастические характеристики, как «дальнобойность» до 200 км или скорость в несколько гигабитов, уже стали реальностью в конкретных проектах.

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