Широкополосные беспроводные линии могут использоваться для высококачественной передачи данных, видеосигналов и организации
телефонной связи. Исторически для организации восходящего канала передачи данных использовалась телефонная линия, но в настоящее время операторы
переходят к полностью дуплексной беспроводной системе. Скорость передачи данных определяется шириной доступного оператору спектра частот и схемой модуляции.
Например, эффективность цифровых схем модуляции лежит в пределах от 0,7 бит/с на Гц
при использовании модуляции двоичной фазовой манипуляции BPSK до 3,5 бит/с на Гц при
использовании квадратурной амплитудной модуляции 16QAM.
Как и в случае организации эфирной телевизионной трансляции, беспроводные
линии передачи данных организуются по принципу прямой видимости. Сигнал передается с антенны,
обычно расположенной на возвышенности или на высоком здании, на специальные приемные антенны,
установленные на зданиях пользователей. Получение достаточно чистого спектра частот может быть достаточно сложной задачей; другой проблемой
является требование прямой видимости для большинства организуемых линий. Организация линии достаточно проста, потому что не требует, например, такого объема строительных (земляных) работ, как при прокладывании кабельных систем, но
не может быть гарантировано, что организованная линия (исходя из требования прямой видимости) будет работать столько, сколько это необходимо.
Например, построенный на пути прямой видимости дом может просто «обрубить» такую линию передачи данных. Как и в случае с телевизионным эфирным
вещанием, любые препятствия (например, густые кроны деревьев, возвышенности, высокие здания и даже сильные атмосферные осадки) могут в определенной мере затруднить прием. Серьезно осложнить прием могут также искажения,
обусловленные многолучевым распространением (являющимся результатом отражения сигнала от зданий и других объектов). Следует учитывать и расстояние, так как сигналы беспроводной связи могут приниматься только в пределах определенного
расстояния от передатчика. Решением этой проблемы может быть установка сети ретрансляторов по всей зоне обслуживания (по принципу сотовой связи).
Организация сети на базе беспроводных линий подобна структуре кабельной
сети. Основное отличие заключается в том, что сигнал цифровых данных (например, содержащий запрошенную из сети Интернет информацию),
модулируется в радиочастотный канал, по которому осуществляется передача на антенну, установленную
на здании пользователя. От антенны коаксиальный
кабель идет к конвертеру, который преобразует
сигнал из СВЧ-диапазона в частотный диапазон
кабельного телевидения. После этого сигнал
поступает на модем, расположенный в помещении
пользователя. Модем демодулирует входящий сигнал
данных и направляет его на персональный компьютер
или на ЛВС.
Технология беспроводной
абонентской линии имеет несколько преимуществ по
сравнению с альтернативными технологиями доступа.
Беспроводные линии могут быть развернуты в тех
местах, где из-за невозможности проведения работ,
плотности или «древности» застройки просто не
может быть проложена кабельная линия. Во-вторых,
для определенных расстояний и расположения
населенных пунктов организация беспроводного
доступа может быть просто гораздо более
экономически эффективной по сравнению с
альтернативными технологиями. Здесь необходимо
учитывать и затраты труда, и длину абонентской
линии.
Стоимость кабельных систем в
значительной мере зависит от расстояния между
зданиями и от степени концентрации групп
абонентов. Стоимость беспроводных систем свободна
от такой зависимости. Затраты на сооружения
кабельных систем также в значительной мере зависят
от стоимости труда, которая обычно постоянно
растет. В то же время стоимость беспроводных
систем зависит в основном от стоимости
абонентского оборудования, которое имеет тенденцию
к удешевлению по мере совершенствования
технологий. Третьим положительным фактором
технологии беспроводной связи является значительно
более короткое время ввода системы в действие по
сравнению с кабельной инфраструктурой.
Тот факт, что радиосистемы
обеспечивают охват определенной зоны, означает
гораздо более легкое планирование сети по
сравнению с кабельными системами. Беспроводные
системы позволяют гораздо более оперативно
реагировать на изменения потребностей и количества
пользователей, в то время, как планирование
кабельных систем во многом базируется на
предварительных оценках (хорошо еще, если оценки
совпадут с действительностью).
Существуют и более прозаические
соображения. Если пользователь откажется от ваших
услуг и направит свое внимание на другого
оператора, то при развитии кабельных технологий
все инвестиции в данную кабельную линию будут
потеряны. В то же время при использовании
беспроводной технологии абонентское оборудование
может быть просто снято и установлено в другом
месте у нового абонента. Кроме того, поддерживать
работу и сохранность правильно организованной
беспроводной линии значительно проще, чем кабеля.
Во многих странах, например, Африки, закопанные в
землю медные кабели просто похищают (к сожалению,
к этим странам можно причислить и Россию). Даже
волоконно-оптические кабели имеют определенную
ценность как вторичный продукт.
На практике возможность
использования спутников для доступа в Интернет и
высокоскоростной передачи данных разделяется на
решение двух больших задач — организация
магистральных линий передачи данных (что является
частью большого бизнеса) и организация
высокоскоростного доступа отдельных конечных
пользователей. Под конечными пользователями
следует понимать не только индивидуальных
пользователей, но и большие корпорации, средние и
малые предприятия, а также различные офисы
(включая домашние офисы).
Если говорить коротко,
спутниковые системы имеют несколько
привлекательных черт с точки зрения предоставления
услуг высокоскоростной передачи данных и доступа в
сеть Интернет.
Спутниковые системы позволяют
обойти «заторы» в наземных системах передачи
данных. Они могут быть необходимым образом
сконфигурированы, отражая асимметричную природу
Интернет, как с точки зрения отдельных транзакций,
так с географической точки зрения. Например,
большая часть всего содержимого Интернет все еще
находится на территории Соединенных Штатов.
Некоторые отличительные особенности спутниковых
систем делают их привлекательной технологией
доступа. Прежде всего — это экономическая
эффективность для провайдера. Зона охвата спутника
такова, что он может обслуживать очень большое
количество абонентов. Причем стоимость организации
обслуживания совершенно не зависит от
географического положения пользователя в пределах
зоны охвата спутника. Спутниковый канал может
приниматься в любой точке зоны охвата, независимо
от условий местности.
Хотя спутниковые системы имеют
много плюсов, позволяющих рассматривать их в
качестве одной из технологий организации
высокоскоростной передачи данных на «последней
миле», имеются также и негативные аспекты.
Спутниковые системы доступа имеют
не самую высокую скорость передачи данных (порядка
400 Кбит/с по направлению к пользователю) и при
этом не очень быстро работают. Представьте себе,
что вы хотите загрузить какой-либо материал на
экран вашего компьютера. Щелкнув мышью, вы подаете
сигнал запроса, который проходит по вашей
телефонной линии, через провайдера и по обычному
тракту в сети Интернет, а после ответа сигнал
передается через спутник, проходя в общей
сложности около 70 тысяч километров. Даже обладая
скоростью света, такое средство доступа в Интернет
остается достаточно медленным. Особенно это
заметно при осуществлении двусторонней связи в
режиме реального времени.
Вложения в системы спутниковой
связи составляют многие миллиарды долларов, причем
успех и получение прибыли совершенно не
гарантированы. Следует упомянуть также и о
безопасности трафика, слишком длительных циклах
планирования для такой быстро изменяющейся
индустрии, как телекоммуникации, а также нехватку
частот, которые можно было бы легко использовать.
Кроме этого, к недостаткам
спутниковых систем можно отнести и необходимость
приобретения и настройки достаточно дорогостоящего
оборудования. Впрочем, существует целый ряд
экстремальных ситуаций, когда невозможно
организовать доступ в сеть Интернет никаким другим
образом, кроме как через спутник (например, для
корабля, находящийся посреди океана).
Теперь остановимся на некоторых
конкретных технологиях беспроводного
широкополосного доступа. Начнём с краткого
рассмотрения двух достаточно известных.
Среди множества технологий
беспроводного доступа местная мультисотовая,
«точка -много точек» («point to multipoint»),
система распределения сигналов LMDS (Local
Multipoint Distribution System) является одной из
немногих систем, предоставляющих пользователю
услуги широкополосного мультимедиа. LMDS работает
в диапазоне частот (28…32) ГГц, выделенном
Федеральной комиссией связи FCC США для работы
систем широкополосного абонентского доступа. Эту
систему иногда называют системой сотового КТВ
(«cellular cable TV»). Использование сотового
принципа позволяет избежать многих проблем,
связанных с условием прямой видимости, выполнение
которого является обязательным в системе
беспроводного широкополосного доступа MMDS,
которая рассматривается ниже. Несущие соседних сот
имеют одинаковые номиналы частот, но разную
поляризацию. LMDS способна обеспечить пользователя
самыми новыми видами услуг интерактивного
мультимедиа, включая телефон и высокоскоростную
передачу данных. Эта технология позволяет
некоторым провайдерам (например, провайдерам услуг
междугородной и международной связи), не имеющим
собственной инфраструктуры абонентского доступа,
предоставлять сравнительно недорого и очень быстро
услуги связи пользователям из сферы бизнеса и
индивидуальным пользователям. В архитектуре сети
доступа LMDS так называемая «последняя миля» сети
доступа является беспроводной. При этом антенна
пользователя должна находиться в пределах прямой
видимости LOS (Line of Sight) c сотовым узлом,
подключённым к сети, обеспечивающей пользователя
всеми необходимыми услугами связи.
Весьма вероятна возможность
использования LMDS в сфере бизнеса для
взаимодействия LAN в условиях города. Вероятно
также, что использование LMDS для передачи
телевизионных программ является слишком запоздалым
решением. В LMDS, как и в рассматриваемой ниже
технологии MMDS, отсутствует простая возможность
увеличения пропускной способности. Эта проблема не
является существенной в системах симплексного
телевизионного вещания, где любой пользователь
может принять любой канал. Однако для исходящего
от пользователя трафика для систем LMDS не
существует простого пути увеличения
лицензированной пропускной способности. Подобная
проблема существует и телефонной сотовой сети.
LMDS особенно хорошо подходит для
городских условий с высокой плотностью населения,
а следовательно, и потенциальных пользователей,
где малые габариты передатчика и малая площадь
соты являются вполне приемлемыми и где благодаря
этому цены за предоставляемые услуги являются
привлекательными для пользователя. Однако столь
малые размеры сот могут оказаться неприемлемыми в
пригородных и сельских районах, где потребуется
иметь большое число передатчиков для выполнения
условия прямой видимости.
Другой достаточно известной
системой широкополосного беспроводного доступа
является многоканальная многоточечная или
микроволновая многоточечная распределительная
система абонентского доступа MMDS (Multichannel
(Microwave) Multipoint Distribution System
(Service)) Эта система очень похожа на LMDS, но
работает в диапазоне частот 2,4 ГГц, причём
рабочий диапазон частот MMDS ограничен по
сравнению с LMDS. В настоящее время диапазон
частот MMDS используется провайдерами кабельного
телевидения (КТВ) для подачи широковещательного
аналогового телевизионного сигнала пользователям
через головные узлы сети КТВ. В результате
процесса либерализации услуг связи этот диапазон
частот открыт также для предоставления других
услуг, включая телефон и множество интерактивных
услуг.
В отличие от LMDS, MMDS менее
чувствительна к внешним воздействиям в виде дождя
и грозы. Поэтому требования к допустимому удалению
от сотового узла являются менее строгими по
сравнению с LMDS. Так, MMDS покрывает площадь в
радиусе около 80 километров, в то время как LMDS
имеет радиус действия не более 10 километров.
Полоса частот 2,2—2,7 ГГц в
системе MMDS используется для передачи
видеосигналов 33-х телевизионных каналов от
передающих антенн к приёмным антеннам
пользователей. Абоненты в пределах зоны радиусом
около 50 километров могут принимать эти сигналы.
При цифровой обработке и компрессии видеосигналов
количество каналов может быть увеличено до
100—150.
MMDS может использоваться для
передачи как аналоговых, так и цифровых
видеосигналов. Приём аналогового телевизионного
сигнала требует относительно простой антенны,
установленной на крыше дома пользователя, и Set
top box, которая содержит преобразователь
линейного телевизионного сигнала в видеосигнал и
дескремблер. В случае цифрового варианта MMDS
необходим более сложный и дорогой преобразователь.
В производимом в настоящее время оборудовании MMDS
предусмотрена возможность не только передачи
телевизионных сигналов, но и предоставление услуг
передачи речи и высокоскоростной передачи данных.
В качестве ещё одного примера
технологий беспроводного широкополосного доступа
остановимся на системе прямого спутникового
вещания DBS (Direct Broadcast Satellite) Это новое
поколение оборудования спутникового телевизионного
вещания. При использовании цифровых методов
преобразования и передачи телевизионных сигналов и
малогабаритной приёмной антенны эта технология
становится очень привлекательной для
пользователей. Декодирование принятого в цифровом
формате сигнала происходит в блоке
разделения/объединения и преобразования сигналов
оборудования пользователя STB (Set Top Box),
имеющем встроенные интеллектуальные функции,
которые обеспечивают предоставление множества
новых услуг — таких, как интерактивное телевидение
и предоставление информации по требованию.
Технология прямого спутникового
вещания BSS (Broadcast satellite servises)
работает в части Кu — диапазона, занимая спектр
частот 12,2 — 12,7 ГГц. Пользователи DBS могут
принимать 150 — 200 видеоканалов, используя
компрессию типа MPEG – 2. Кроме передачи видео,
некоторые провайдеры сетевых услуг планируют
широкополосную передачу данных в Кu — диапазоне.
Современные системы DBS поддерживают передачу
данных от сети Интернет к абоненту со скоростью до
400 Кбит/с, а для передачи сигналов управления от
абонента к сети используют стандартный канал
тональной частоты (тч).
Перейдём теперь к краткому
рассмотрению наиболее популярных в настоящее время
технологий проводного широкополосного доступа типа
xDSL.
хDSL представляет собой семейство
технологий высокоскоростного доступа к сетевым
услугам по существующей медной абонентской
телефонной линии. В аббревиатуре хDSL символ «х»
используется для обозначения конкретного типа
технологии цифровой абонентской линии DSL (Digital
Subscriber Line). Любой абонент, пользующийся в
настоящий момент телефонной связью, имеет
возможность с помощью технологий хDSL значительно
увеличить скорость своего соединения, в первую
очередь с сетью Интернет. Благодаря многообразию
технологий DSL, пользователь может выбрать
подходящую именно ему скорость передачи данных —
от 32 Кбит/с до более чем 50 Мбит/с. При этом
скорость передачи данных зависит только от
параметров и протяженности этой линии.
Почему-то считается, что
абонентская телефонная линия имеет полосу
пропускания в 4 кГц. Это совершенно неправильно.
Абонентская линия имеет ограниченную полосу
пропускания, потому что это предусмотрено ее
конструкцией, а не из-за того, что витая пара не
способно пропускать высокочастотные сигналы. С
помощью соответствующих схем кодирования
технологии хDSL позволяют достигать мегабитовой
скорости передачи данных.
Самой старой и наиболее медленной
технологией из семейства xDSL является IDSL
(цифровая абонентская линия IDSN), а наиболее
быстрой и «молодой» — VDSL (сверхвысокоскоростная
цифровая абонентская линия). Между ними
расположились другие технологии, в частности,
технология HDSL (высокоскоростная цифровая
абонентская линия) и технология ADSL
(асимметричная цифровая абонентская линия);
последняя имеет наибольший потенциал на рынке
массового потребителя.
Технологии DSL позволяют достичь
высокой скорости передачи данных. Например, ADSL
обеспечивает нисходящий поток данных 1,5 — 8
Мбит/с, а восходящий поток данных 640 Кбит/с — 1,5
Мбит/с. VDSL обеспечивает при выборе асимметричной
схемы нисходящий поток данных 13 — 52 Мбит/с, а
восходящий поток данных 1,5 — 2,3 Мбит/с (для
симметричной VDSL скорость передачи данных
составляет 13 — 26 Мбит/с). Скорость передачи
данных при использовании технологий DSL зависит от
расстояния; с увеличением расстояния скорость
передачи данных уменьшается. Например, для ADSL
при длине линии 3 км может быть достигнута
скорость передачи более 8 Мбит/с, а для длины
линии 6 км может быть достигнута скорость передачи
данных 1,5 Мбит/с. Для VDSL эти цифры примерно
такие. Скорости 52 Мбит/с соответствует длина
линии порядка 300 метров, а скорости 13 Мбит/с
соответствует длина линии порядка 1,5 км. При этом
данные технологии обеспечивают одновременно
телефонную связь, высокоскоростной доступ в сеть
Интернет, видео по запросу и один (для ADSL) или
три (для VDSL) телевизионных канала качества DVD.
Другие технологии DSL могут использоваться для
передачи голоса и высокоскоростного доступа в сеть
Интернет, но не подходят для передачи
высококачественных видеосигналов в режиме
реального времени.
Технологии DSL имеют определенные
преимущества. Любой абонент, подключенный к
телефонной сети общего пользования, имеет медную
телефонную линию, которая может быть использована
для развертывания линии передачи данных. То есть
не требуется создавать новую инфраструктуру. Для
работы системы необходимы только два устройства
ADSL (на станции и в помещении пользователя) и
витая пара проводов (к сожалению, следует
учитывать, что характеристики линии DSL ухудшаются
по мере увеличения расстояния от станции или
ухудшения качества линии). Линия DSL обеспечивает
надежное и постоянно установленное (в отличие от
аналоговых модемов) соединение. По сравнению с
другими технологиями доступа DSL требует
значительно меньших инвестиций при учете
достигаемой скорости передачи данных.
Технологии xDSL позволяют
наиболее экономичным образом удовлетворить
потребность пользователей в высокоскоростной
передаче данных. Различные варианты технологий DSL
обеспечивают различную скорость передачи данных,
но в любом случае эта скорость гораздо выше
скорости самого быстрого аналогового модема.
Разнообразие технологий DSL
позволяет использовать конкретную технологию для
конкретной категории пользователей. В частности,
асимметричная технология ADSL наилучшим образом
подходит для частных пользователей, которые
являются в большей мере потребителями информации,
в то время как симметричные технологии больше
подходят представителям бизнеса, для которых
потоки передаваемой и принимаемой информации
близки по объему. Кроме того, при использовании
технологии ADSL сохраняется аналоговый телефон
и/или канал основного доступа ISDN (BRI ISDN).
Первое свойство позволяет сохранить обычную
телефонную связь при повреждении оборудования
ADSL, а второе позволяет защитить инвестиции
оператора связи. Технологии хDSL могут
рассматриваться как серьезный конкурент для
кабельных модемов. Теоретически, кабельные модемы
обеспечивают большую скорость передачи данных,
чем, к примеру, технология ADSL, но реально
большинство кабельных сетей не способно обеспечить
доступ через кабельные модемы с использованием
всей полосы частот коаксиального кабеля. В тех же
случаях, когда кабельные системы обеспечивают
«восходящий» канал передачи данных, этот канал
делится между всеми пользователями. Развитие
гибридных волоконно-коаксиальных систем позволяет
смягчить эту проблему, но такие системы пока еще
достаточно дороги и потребуется достаточно
длительное время, пока они не разовьются в
достаточной степени. Следовательно, технологии
xDSL остаются наиболее жизнеспособным на данный
момент решением проблемы «последней мили».
Следует отметить, что пока в
России возможности получения высокоскоростного
доступа на основе технологии ADSL ограничены.
Очень важную роль играет территориальное (можно
сказать, географическое) положение пользователя,
но это далеко не единственное препятствие. Даже
если потенциальный пользователь охвачен сетью
кабельного телевидения или имеет телефонную линию,
это совсем не означает, что эти линии технически
могут использоваться для высокоскоростной передачи
данных. Много будет также зависеть и от того, кто
предоставляет обслуживание. Некоторые кабельные и
телефонные компании успешно развивают и
предоставляют услуги высокоскоростной передачи
данных, в то время как другие предпочитают себя не
утруждать. Такое пренебрежение некоторых
операторов связи к развитию высокоскоростной
передачи данных объясняется тем, что примерно 90%
доходов операторов связи составляет предоставление
услуг телефонной связи.
Возможность выбора является
отличительной чертой современного цифрового мира
телекоммуникаций. Причем все новые технологии в
определенной мере конкурируют друг с другом, что
позволяет ожидать роста качества предоставляемых
услуг и снижения их стоимости.
Несмотря на конкуренцию между
провайдерами, продвигающими на рынок различные
технологии, нет оснований предполагать, что, в
конце концов, какая-либо из технологий одержит
победу. Все технологии, в силу своих
основополагающих различий, имеют шанс на
существование и на свою долю пользователей. Выбор
остается за пользователями.
Оптимальная технология доступа
должна быть достаточно дешёвой, требуя
дополнительных затрат только при добавлении новых
пользователей; она должна предоставлять
пользователю не только высокую пропускную
способность, но и обеспечивать необходимое
качество передачи QoS (Quality of Service) для
заказанной услуги (например, время задержки
сигнала не более максимально допустимого,
гарантированную неравномерность этой задержки в
полосе частот передачи сигнала, требуемую
надёжность и т.д.). Все методы доступа, включая
медные или оптико-волоконные кабели, кабельные
модемы или беспроводные системы, отвечают в той
или иной мере этим требованиям. К сожалению, ни
одна из технологий не отвечает всем требованиям
сразу.
В заключение отметим ещё одну
знаковую тенденцию эволюции сетей широкополосного
абонентского доступа, которая вытекает из общей
тенденции увеличения пропускной способности сети
доступа и заключается в появлении оптимальных
решений, представляющих собой комбинацию в
пределах одной сети и даже линии доступа
нескольких способов доступа. К таким технологиям
можно отнести, например, смешанную
оптико-радио-коаксиальную технологию доступа HFRC,
а также технологию VDSL, предполагающую по
существу применение в сети абонентского доступа
смешанной медно-оптической среды передачи.