MMDS – еще одна технология беспроводного доступа

Мир телекоммуникаций настойчиво стремится сбросить с себя путы проводной связи или, по крайней мере, значительно их ослабить. Многоканальная многоадресная распределенная служба (Multichannel Multipoint Distribution Service — MMDS) относится к технологии фиксированных беспроводных сетей. Об одной из них — LMDS — мы писали в "Компьютерном Обозрении", # 35, 2000. Таким образом, данная публикация является как бы логическим завершением этой темы на сегодняшний день.

MMDS получила широкое распространение в Соединенных Штатах для доставки телепрограмм. Поэтому она имеет еще и другое название, выражаемое оксюмороном "беспроводный кабель". Это далеко не новая технология: достаточно сказать, что первая коммерческая станция начала вещание еще в 1984 г. Большинство систем использовали аналоговую передачу — одна видеопрограмма на полосу 6 MHz в диапазоне частот 2,5 GHz.

Основные изменения в MMDS-индустрии связаны с переходом на цифровое видео и техникой передачи сжатых данных. Цифровые технологии в ряде случаев сделали использование MMDS более выгодным, чем кабель, поскольку позволили по одному каналу передавать различные типы трафика (видеоинформация, голос и данные). Эти нововведения как нельзя кстати совпали с экспоненциально растущим количеством пользователей, которым доступ к Internet становится необходимым в силу профессиональной деятельности. При этом к традиционным пользователям из медицинской и образовательной сферы и бизнес-структур добавляется изрядное количество индивидуальных. Ответной реакцией провайдеров услуг явилось внедрение в конце 1997 — начале 1998 гг. высокоскоростного доступа к Internet с использованием MMDS.

Особенности технологии

MMDS использует микроволновый диапазон частот 2,5—2,7 GHz и поэтому требует прямой видимости между передающей и всеми приемными антеннами. Максимальный радиус действия составляет 50 км, а реальный зависит от погодных условий и характера местности. (Пример построения сети MMDS приведен на рис. 1.)

Рис. 1

Первые системы доступа к Internet сочетали беспроводную и кабельную технологии: от провайдера (нисходящий поток) данные передавались по радиоканалу, в то время как запросы абонентов поступали по телефонной линии с использованием модема. Это было связано не с особенностями технологии, а с ограничениями на использование радиочастот этого диапазона. Впрочем, с учетом асимметричного характера трафика в Internet это не было существенным недостатком, хотя и нарушало чистоту концепции. Может быть, поэтому вскоре соответствующие компетентные органы разрешили использовать двунаправленный радиоканал, чем немедленно и воспользовались производители оборудования для MMDS. Однако двунаправленный обмен потребовал ответа на некоторые фундаментальные вопросы, в частности:

  • какой метод дуплексирования использовать;
  • какие должны быть схемы модуляции для нисходящего и восходящего потоков данных;
  • какова должна быть скорость передачи данных в нисходящих и восходящих потоках;
  • как управлять доступом к среде (МАС).

Для обеспечения дуплексного режима могут использоваться два метода: дуплексирования с разделением по времени (Time Division Duplexing — TDD) или с разделением по частотам (Frequency Division Duplexing — FDD). Примером TDD в сетевых приложениях служит Ethernet. Здесь любой пользователь может получать данные от всех других, при этом доступ к каналу регулируется с помощью ставшего уже классическим метода CSMA/CD. Это все хорошо работает в случае относительно короткого времени задержки распространения сигнала, поскольку при коллизии теряется небольшое количество данных. Если время задержки распространения сигнала возрастает, больший объем данных успеет поступить в канал, прежде чем передающая станция обнаружит коллизию. В случае использования рассматриваемой технологии абонент вообще не имеет возможности получить сигнал от другого, так что управление доступом к каналу должно выполняться распределителем (хабом).

Метод FDD позволяет осуществлять одновременную передачу в обоих направлениях, но за это приходится платить неиспользуемой полосой спектра, служащей "зазором" между частотами приема и передачи.

В современных фиксированных микроволновых коммуникациях обычно применяется какой-либо из вариантов квадратурно-амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation — QAM). Эти схемы имеют различные уровни сложности. При использовании фазовой модуляции (Phase Shift Keying — PSK) данные кодируются с помощью сдвига сигнала по фазе. Это надежный и легко реализуемый метод, но низкоскоростной. В двоичной фазовой модуляции (BPSK) синусоидальный сигнал начинается либо с фазы 0, либо со сдвигом на 1/4 периода. Здесь можно за один период передать только один бит информации. Метод квадратурно-фазовой модуляции (Quadrature Phase Shift Keying — QPSK) подобен BPSK, но вместо двух различимых фазовых состояний он использует четыре. Хотя в этом методе амплитуда не модулируется, его иногда обозначают как 4-QAM. В случае, когда четыре уровня амплитуды комбинируются с четырьмя фазовыми сдвигами, мы получаем схему 16-QAM и т. д.

Как уже упоминалось выше, трафик в Internet несимметричен: в нисходящем канале он обычно в 10—20 раз интенсивнее, чем в обратном. Поэтому данные транслируются абоненту по цифровым каналам, использующим модуляцию QPSK, 16-, 32-, 64-, 128- или 256-QAM, тогда как для передачи запросов применяют более простые схемы — QPSK или 16-QAM. Это позволяет получить в канале шириной 8 MHz скорость передачи данных до 56 Mbps в нисходящем потоке и 12 и 25 Mbps в обратном.

В качестве протокола управления доступом к среде выступает несколько модифицированный алгоритм множественного доступа, разработанный в 1970 г. для радиосети ALOHA, установленной в Гавайском университете связи между центральной ЭВМ и различными терминалами данных. Здесь каждый узел начинал передачу пакета в первом же временном окне (слоте). В MMDS этот метод используется в комбинации с резервированием полосы пропускания канала и обнаружением коллизий.

Что касается топологии сети, то геометрически это "звезда", логически — "общая шина", а фактически — "маркерное кольцо".

Поскольку технология MMDS традиционно применяется в телевещании, то для передачи данных выделяется только несколько каналов. Поэтому вполне актуальной является задача расширения возможностей этой технологии при организации доступа к Internet, в частности, речь идет о повторном использовании частот. В данном случае применяют два метода: разбиение на секторы и построение сотоподобных структур.

Разбиение на секторы осуществляется с помощью множества узконаправленных антенн, что позволяет посылать разные данные нескольким пользователям на одной и той же радиочастоте. Это требует разделения групп по азимуту (рис. 2). Здесь сразу же возникает проблема подавления боковых лепестков излучения. Поэтому при реализации такой схемы необходим разумный компромисс между количеством секторов и сложностью используемого в каждом канале метода модуляции.

Рис. 2

Развертывание сети MMDS на базе сотовой архитектуры также позволяет повысить эффективность утилизации выделенного частотного спектра. В данном случае группам абонентов, географически распределенных в каком-то районе, данные доставляются с помощью множества ретрансляционных станций. Таким способом различная информация может посылаться разным подписчикам на одной и той же частоте. На практике же используется комбинация обоих методов.

Сети MMDS получили довольно широкое распространение в развитых странах. В связи с этим может создаться впечатление, что рынок Украины еще не созрел для предложения этой технологии. Однако в России к настоящему времени уже работают несколько таких систем. Поэтому нужно быть готовым к тому, что в весьма недалеком будущем сети MMDS начнут разворачиваться и в Украине.