Протоколы и технологии связи

Сохранить в закладки
7302
107
Сохранить в закладки

IT-специалисты Евгений Хоров и Антон Кирьянов рассказывают о технологиях и протоколах передачи данных, рынке беспроводных средств связи и частной информации в эпоху интернета вещей

Мы продолжаем рассказывать о современных технологиях в проекте «Банк знаний», подготовленном совместно с Корпоративным университетом Сбербанка. Сотрудники Института проблем передачи информации Евгений Хоров и Антон Кирьянов говорят о главных проблемах передачи информации — конкуренции технологий, обилии протоколов и хрупкости представлений о частной информации.

Первые беспроводные сети передачи данных были созданы профессором Гавайского университета Норманом Абрамсоном в 1971 году. Нужно было соединить каналом передачи данных разные острова, расположенные на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга. Сеть получила название ALOHAnet. ALOHA — именно так звучит приветствие по-гавайски. В сети ALOHAnet использовался очень простой метод случайного множественного доступа к каналу передачи данных: пользователь может передавать сообщение в произвольный момент времени. Однако если при этом передачи нескольких узлов пересекаются во времени, то происходит коллизия, и адресаты сообщений, как правило, не могут принять ни одно из них. Чтобы повысить надежность передачи данных в ALOHAnet, адресат сообщения подтверждает получение сообщений. Не получив подтверждения, источник сообщений повторяет его через случайное время.

Впоследствии были разработаны различные модификации описанного метода случайного доступа, повышающие его эффективность. Но в целом базовые принципы, заложенные Абрамсоном, в своей основе используются до сих пор в сетях Wi-Fi, Ethernet, а также в сотовых сетях.

Оптимизация каналов

В ALOHAnet был очень простой принцип передачи данных. Его эффективность в лучшем случае составляла всего 18%. Это значит, что при самых удачных стечениях обстоятельств лишь 18% времени беспроводной канал занят успешными передачами, а все остальное время либо он простаивает, либо сообщения попадают в коллизию. Поистине одновременно простым и гениальным решением, в два раза увеличивающим пропускную способность, стал следующий подход, предложенный Лоуренсом Робертсом: все время поделить на интервалы фиксированной длительности, которые назвали слотами, причем отныне передача может начинаться только в начале слота, а длина слота соответствует длительности передачи одного пакета. Оказалось, что такое простое решение в два раза увеличивает пропускную способность.

Сейчас есть протоколы, эффективность которых близка к 100%. Достигается это следующим образом: узел слушает канал и в начале слота понимает, что никто ничего не передает, а значит, можно не ждать до конца слота. Это позволит уменьшить длительность пустого слота. То же самое происходит, если в канале случилась коллизия: когда узел узнает о ней, он решает сразу же прервать передачу пакета информации, чтобы разгрузить сеть.

Первый метод простой и используется во многих технологиях передачи данных. Второй работает только в проводных сетях, потому что в беспроводных сетях станция не может слушать канал одновременно с передачей сигнала. Поэтому придумали еще уловку: прежде чем начать передачу большого пакета с данными, можно передать небольшой служебный тестовый пакет, с помощью которого можно зарезервировать канал на время передачи большого пакета данных. Но можно пойти еще дальше. Так как обычно узел передает не один пакет, а много, можно один раз в случайном доступе отправить маленький пакет, через который попросить ресурсы на передачу необходимого объема данных, и затем начинать передачу.

Технологии беспроводной передачи данных: война консорциумов

В целом каждая из технологий беспроводной передачи данных была предназначена для определенного, нишевого сценария использования. Так, технологии сотовой связи обеспечивают связь в пределах города: базовая станция обслуживает абонентов в радиусе до нескольких километров или даже десятков километров, при этом скорости передачи данных оставляют желать лучшего, а за трафик приходится платить. Для домашних и офисных сетей обычно используется Wi-Fi. Радиус действия Wi-Fi всего сто метров, но зато скорость передачи данных может быть очень высокой — выше, чем у сотовых сетей. В сенсорных сетях часто используется технология ZigBee. Хотя скорости передачи данных значительно ниже, чем у Wi-Fi, при том же расстоянии между узлами, но энергопотребление крайне низкое, что делает эту технологию привлекательной для сенсорных сетей. Свои ниши на рынке имеют и другие технологии: Bluetooth, RFID, NFC.

Если параметризовать области применения различных беспроводных технологий, например, с помощью скорости передачи данных и максимального расстояния передачи по состоянию, скажем, на конец 1990-х или на начало 2000-х, мы увидим, что различным областям на такой плоскости отвечают различные технологии. Но постепенно альянсы, продвигающие каждую из технологий, пытались расширить зону влияния за счет развития возможностей данной технологии. Сотовые операторы перешли с GSM на LTE и готовятся к переходу к 5G, расширяя область использования сотовых сетей. Технология работы Wi-Fi за почти три десятка лет своей истории тоже сильно трансформировалась, хотя название осталось тем же. Если первая версия технологии Wi-Fi передавала данные на скорости 1–2 мегабита в секунду на расстояниях порядка сотен метров, то сегодня ждут появления Wi-Fi-сетей для передачи данных на скорости около 250 гигабит в секунду (правда на небольшие расстояния порядка десятка метров). В то же время существует модификация Wi-Fi — Wi-Fi HaLow, c помощью которой можно передавать данные на расстояния, измеряемые километрами (конечно, уже не с такими огромными скоростями, зато с низким энергопотреблением, что составляет конкуренцию Zigbee). Это наглядные примеры того, как консорциумы и корпорации, продвигающие те или иные технологии, стремятся захватить чужие рынки, для того чтобы увеличить прибыль от всех патентов и от всех решений, которые им принадлежат.

Что нас ждет в будущем? Скорее всего, останутся технологии спутниковой связи. Не исчезнут нишевые технологии вроде крайне энергоэффективных LoRaWAN, Sigfox и им подобных, но рынок каждого из этих решений будет небольшим. На рынке массовых технологий, в том числе «интернета вещей», по всей видимости, останутся два семейства технологий: сотовые сети и Wi-Fi. В сотовой связи максимально быстрое развитие получит семейство стандартов 3GPP (к нему относятся в том числе LTE и 5G). Wi-Fi выйдет за пределы рынка домашних и офисных сетей. У этих двух технологий построения беспроводных сетей действительно очень много не пересекающихся друг с другом технических характеристик, хотя сотовая связь и Wi-Fi с каждым днем становятся все более похожими.

Сотовые сети работают в лицензируемом спектре, за который операторы платят большие деньги. Это дает им возможность гарантировать, что никто другой не работает в этих частотах. Поэтому сотовый оператор может обещать определенный уровень сервиса. Wi-Fi более доступен: кто угодно может развернуть свою сеть Wi-Fi и передавать данные в соответствующем частотном диапазоне.

В каком-то смысле получается, что сотовые сети и Wi-Fi — две противоположности. Wi-Fi означает нелицензируемый частотный диапазон, отсутствие контроля, но одновременно низкая стоимость технологии. Технологии сотовой связи — дорогой спектр, дорогое оборудование, но можно гарантировать определенный уровень обслуживания трафика. Точка доступа Wi-Fi стоит несколько тысяч рублей, а базовая станция LTE — тысячи долларов. Поэтому на рынке всегда будет разворачиваться борьба этих двух технологий, в результате которой, как ни странно, эти технологии становятся все более похожими друг на друга.

Первым примером является адаптация технологии LTE для работы в нелицензируемом спектре, где сейчас работает Wi-Fi. Для этого комитет 3GPP (занимается разработкой сотовых сетей) заимствует из Wi-Fi хорошо зарекомендовавшие себя подходы, не забывая о том, что при одновременной работе устройств LTE и Wi-Fi первые должны получить преимущество. На этой почве у комитета IEEE 802 (занимается разработкой Wi-Fi) и у комитета 3GPP идет борьба. В конечном итоге обоим комитетам необходимо выработать общие правила использования (разделения) нелицензируемого спектра устройствами Wi-Fi и LTE, что в настоящее время, к сожалению, идет с трудом. Но рано или поздно им придется договориться, потому что эти технологии позволяют зарабатывать очень большие деньги, а никто не заинтересован в снижении собственной прибыли.

Существует и обратный пример взаимного проникновения технологий сотовых сетей и Wi-Fi — когда Wi-Fi заимствует удачные решения из LTE. Изначально сети Wi-Fi построены целиком на случайном доступе. Сети LTE работают по расписанию: сначала в случайном доступе узел отсылает небольшой пакет данных, сообщая о том, какой объем канала необходим и с каким оборудованием адресат получит сообщение, а затем получает от станции ресурс, необходимый для передачи данных. Разработчики Wi-Fi считают, что в ряде случаев для повышения эффективности сети необходимо организовать доступ к каналу аналогично тому, как это сделано в LTE. Создатели Wi-Fi-сетей, конечно, не придут в лицензируемый спектр: это слишком дорого. Но наблюдать за подобным взаимопроникновением технологий Wi-Fi и LTE, а тем более участвовать в этом процессе крайне интересно. Например, недавно удалось включить в новый стандарт Wi-Fi наше решение, разработанное и исследованное в рамках гранта Российского научного фонда, существенно повышающее эффективность работы сети, в которой есть станции разных поколений: некоторые работают по старым правилам, а другие — по правилам, заимствованным из LTE. Ключевой проблемой здесь было повысить эффективность новых станций, не ухудшив работу старым.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration