«Сенсационное открытие! Наконец-то решена проблема …” – такими заметками часто пестрят рекламные газеты. И сообщения в телекоммуникационной прессе с заголовками “WLAN! Наконец-то решена проблема мобильной связи…”, «WLAN хоронит системы 3G” …, очень похожи на первые. Попробуем разобраться в вопросе о «волшебной палочке WLAN” (Wireless LAN).

Недостающее звено

Лет 10-20 назад продавалась небольшая книжка зарубежного автора с названием «Как научиться изобретать». В ней описывалась технология изобретательства. На первый взгляд, предмет книги представлялся полным бредом, поскольку процесс изобретательства сродни озарению и не может быть формализован. Однако, оказалось, что отдельные шаги этого процесса можно сформулировать в виде алгоритмов, которые, конечно, не сделают открытия, но помогут к нему подойти.

Один из приемов назывался примерно так – «недостающее звено». Суть его состоит в следующем. Создается матрица (или пространство) «измерений» прикладной области и каждая его ячейка заполняется. Если после этого остались пустые ячейки, то в них, возможно, и заложено изобретение. Так, в частности, был изобретен новый электродвигатель: изобретатель расположил на клетчатом листе типы электродвигателей и обнаружил, что клетка на пересечении столбца «линейный статор» и «неподвижный ротор» пуста. Так появились «линейные электродвигатели», которые осуществляют линейное движение без вращательного.

Сделаем то же самое в нашей области для систем связи, которые бывают проводными/беспроводными и коммутируемыми/пакетными:

	[1] Проводные	[2] Беспроводные
[1] Коммутируемые	PSTN (ТфОП)	Cellular (сотовые)
[2] Пакетные	PDN (сети передачи данных в пакетном режиме)	?

Прим. PSTN – Public Swithed Telephone Network; PDN – Packet Data Network.

Одна клеточка оказалась пуста! Чего же не хватает? Правильно, систем беспроводной связи с пакетным режимом передачи! Именно это пустое «свято место» и пытаются сейчас заполнить новые телекоммуникационные технологии.

Как обмануть природу

В клетку с координатами [2,2] можно перейти по вертикали (от беспроводных коммутируемых сетей) или по горизонтали (от пакетных проводных сетей).

По первому пути идут производители систем сотовой связи («радисты»), создавая новые поколения сотовых систем 2.5G, 2.75G, 3G, где ключевым моментом является переход на пакетную передачу. Второй путь прокладывают производители компьютерного оборудования («программисты»), предлагая технологии Bluetooth, WLAN (802.11b), где ключевым моментом является беспроводная связь. Но будем помнить, что у всех одна точка назначения.

Основной аргумент «радистов» – «У нас большое покрытие!»; основной аргумент «программистов» – «У нас большая скорость передачи!». Но - у первых малая скорость, а у вторых – малое покрытие.

Как известно, природу все-таки обмануть нельзя, и в данном случае природу полномочно представляет так называемое уравнение Шеннона, которое определяет пропускную способность любой системы связи, если она работает при наличии помех:

C = W log2(1 + S/N), где

S/N - отношение сигнал/шум,
W – ширина полосы пропускания системы связи,
C – результирующая скорость передачи системы связи.

Оно показывает, что скорость передачи информации может быть равна ширине полосы пропускания системы (C = W) только при S/N стремящемся к бесконечности, иными словами, при полном отсутствии помех. В реальных системах скорость всегда будет меньше возможностей системы.

Для беспроводных систем связи очень упрощенно можно считать, что отношение S/N обратно пропорционально расстоянию между передающим и приемным устройствами (покрытию), W – скорость передачи на входе системы, а C – скорость передачи на выходе. Тогда получаем:

«скорость на выходе» тождественно равно «скорость на входе» / «расстояние»

Т.е. принципиально нельзя получить на выходе ту же скорость передачи, что и на входе, поскольку в реальных системах есть «расстояние» (т.е. возникают помехи).

Другими словами, физический мир устроен так, что невозможно одновременно обеспечить большое покрытие и большую скорость передачи при наличии помех. Это обратно пропорциональные величины, как время и частота. Поэтому бессмысленны споры о том, какая технология лучше, без уточнения, для какой именно точки в пространстве «покрытие – скорость передачи». «Ваша высокоскоростная WLAN абсолютно бесполезна - я сейчас в деревне в 10 км от базовой станции!». «Зачем мне Ваша «дальнобойная» система 3G, я сижу в офисе в 10 м от сервера!». Эти споры аналогичны ситуации в автопромышленности: можно сделать джип с отличной проходимостью на бездорожье, но который будет безбожно крениться и плохо управляться на асфальте, и, наоборот, сделать седан с отличным управлением на автобане, но который вообще не может съехать с асфальта. Поэтому, если Вы любитель рыбалок и любите погонять на трассе, Вам придется купить две машины.

Для того, чтобы удовлетворить потребности телекоммуникационных пользователей, придется также создавать принципиально разные системы (или систему с несколькими режимами). Это прекрасно понимают «радисты», системы связи которых всегда работали в условиях помех, и лишь изредка осознают «программисты», которые соединяли высокоскоростные компьютеры кабелями, где уровень помех пренебрежимо мал. Прекрасный пример – система UMTS, которая предусматривает два режима: FDD, обеспечивающий большое покрытие и небольшую скорость, и TDD, для сот малого размера с высокой скоростью передачи. Действительно, ну зачем усложнять систему двумя режимами, если можно было бы обойтись одним? К сожалению, этого нельзя сделать физически.

Разделяй и властвуй!

Если система связи будет многорежимной, то как ее рационально построить, обеспечив, с одной стороны, независимое функционирование режимов, а с другой, их взаимодействие? Наиболее разумной здесь является идея об общей опорной сети (Core Network), через которую взаимодействуют различные сети доступа (Access Networks), например, беспроводные, проводные, спутниковые и т.д. Пример такого подхода – телекоммуникационная архитектура ASPIRA, предложенная компанией «Моторола».

При таком подходе решается еще одна задача, а именно – исключение дублирования ресурсов. Что такое система связи конкретного оператора? Это не только базовые станции и контроллеры, это еще и свои коммутаторы, свои линии связи, свои платформы идентификации, свои платформы услуг и т.д. И так у каждого оператора. При росте сетей нести тяжкий груз своего натурального хозяйства приходится всем операторам.

Тяжело приходится и абонентам. Куча устройств доступа, со своими номерами, паролями, PIN’ами, PUK’ами, резервными back-up’ами, настройками и т.д., которые хранятся и обрабатываются отдельными устройствами в каждой сети.

При общей же опорной сети основные коммутаторы и оборудование связи принадлежат опорной сети, а всю «интеллектуальную начинку» абонентских баз можно выделить в отдельные устройства. И все это будет обслуживать совместно многие сети доступа.

Единая опорная сеть

В настоящее время функции простой всеобщей «опорной сети» выполняет телефонная сеть общего пользования, т.е. коммутируемая сеть. У нее есть неоспоримое достоинство – она ориентирована на соединение, т.е. предоставляет абоненту только ему принадлежаший канал связи, гарантирующий заданное качество связи (Quality of Service, QoS). К сожалению, существенным недостатком такой сети является нерациональное использование ресурсов – если в данный момент информация не передается, канал все равно остается занятым до конца сеанса. В больших сетях это становится колоссальной проблемой – их невозможно из-за технических и финансовых ограничений строить с большой избыточностью.

Поэтому большинство специалистов справедливо полагают, что настоящей опорной сетью могла бы стать пакетная сеть на основе протокола IP. Как и любая пакетная сеть, она прекрасно использует свои физические ресурсы, но в настоящем виде плохо приспособлена к поддержке QoS. Это означает, что скорость передачи и задержка пакетов не гарантируются, что, например, не позволяет качественно передавать такие критичные к ним виды информации как речь или видео. Кроме того, адресное пространство такой сети ограничено, что создает проблемы по мере роста числа абонентов сети. Проблема будет решена, когда вместо нынешнего протокола IPv4 будет внедрен протокол IPv6, который обеспечивает большое адресное пространство и предусматривает взаимодействие с алгоритмами поддержки QoS.

Единая адресация абонентов

С единой опорной сетью и многообразными сетями доступа связана еще одна проблема – адресации (нумерации) абонентов. Время от времени появляются варианты здравой идеи, что хорошо бы абоненту иметь один и тот же номер для сотового и стационарного телефона, один и тот же адрес для ноутбука и палм-топа, а также единый номер налогоплательщика (Россия) или номер социального страхования (США). Несмотря на эти усилия, все эти предложения не являются универсальными. На наш взгляд, универсальным может служить решение, основанное на присвоении уникального номера каждому человеку на Земле (номер можно присваивать, следуя каким-то «внешним» правилам, либо использовать «внутреннюю» физическую уникальность индивидуума, например кусочек кода ДНК). А уже этот номер как суффикс или префикс может использоваться для построения реального номера доступа к конкретному устройству у данного человека. Такой подход не только значительно упростит системы идентификации и авторизации, но и позволит организовать действительно всемирный роуминг. Разумеется, специальные номера можно выделить для устройств, которые не принадлежат конкретному человеку.

Разнообразные сети доступа

При наличии единой опорной сети и единой системы адресации/нумерации, можно значительно эффективнее заняться построением различных сетей доступа, поскольку общие рутинные задачи уже переложены на опорную сеть. Здесь вполне можно положиться на рынок. Другими словами, то, что будет востребовано конкретным абонентом, и будет построено в первую очередь. Причем в прикладных областях связи это по силам и небольшим компаниям, поскольку не надо строить полноразмерную систему со всеми традиционными компонентами, надо создать свое устройство «последней мили» и включить его в «розетку» общей опорной сети.

“You are here”

Вернемся к Bluetooth/WLAN и 2.5G/3G. Вряд ли любая из этих пакетных беспроводных технологий станет лидером в будущем в своем нынешнем виде - по причинам, обсужденным выше. Основные из них:

- технически невозможно создать единую систему, удовлетворящую на 100% противоположным требованиям (покрытие-скорость);
- универсальную систему связи нельзя построить из-за колоссальных финансовых и временных ресурсов на ее разработку и запуск;
- абонентское (конечное) устройство нельзя сделать универсальным, а абонентов подравнять «под одну гребенку».

В существовании сегодняшних стандартов много нетехнических причин. Технологии Bluetooth, WLAN, 2.5G, 3G и т.д. – это исторически поставленные точки на плоскости «скорость-покрытие»:

Но ведь можно поставить их и в других местах или добавить новые и назвать это технологиями UMTS-minus (UMTS без TDD), WLAN-Extra-Ultra-Super (WLAN c TDD) или DVHT (Dyadya Vasya High Technology). Вполне возможно, что у нас завтра будут системы, использующие имена Bluetooth, WLAN, 2.5G и 3G. Но если они останутся в таком виде как сейчас, без общей физической и логической основы, обеспечивающей их взаимодействие, то мы обречены жить с хаосоподобном миром телекоммуникаций, неудобным как для потребителей, так и для поставщиков услуг.

Примечание. В данной заметке использованы существенные упрощения и она поэтому не претендует на математическую строгоcть. Например, нельзя так грубо обращаться с уравнением Шеннона, пространство оценки систем может быть более строгим в 4-мерном пространстве «покрытие-скорость-качество-стоимость»; структура опорной сети или сети доступа может быть иерархической; следовало бы подробнее остановиться на маркетинговых и финансовых аспектах и т.п.

------------------------------------------------------------------
Vladimir DEMIDOV
System Engineer, Ph.D.,
Motorola, GTSS / TCSG, Moscow,
Tel.: +7 (095) 785-0150 (switchboard),
Tel.: +7 (095) 763-3791 (mobile),
Fax: +7 (095) 785-0192.
E-mail: qvd001@email.mot.com

Публикуется впервые. Редакция "Сотовик" благодарит В.Демидова за предоставленное право первой публикации статьи на "Сотовик"

Форум "В.Демидов, Волшебная палочка WLAN и уравнение Шеннона"

В форуме нет сообщений.

Все форумы

К оглавлению Библиотеки "СОТОВИК"