Personal Cell — возможное будущее беспроводных сетей

Технология Personal Cell, или pCell, — это новый и революционный (в том смысле, что не является развитием традиционных технологий) подход к беспроводной связи, позволяющий существенно увеличить спектральную эффективность сетей LTE и Wi-Fi, сохраняя в то же время совместимость со стандартными устройствами.

Компания Artemis начала разработку pCell более 10 лет назад как проект в инкубаторе Rearden Companies с амбициозной целью сделать беспроводный Интернет повсеместно глобальной утилитой в XXI веке, подобно тому, как повсеместным стало электричество (в развитом мире) в XX веке.

Отличие подхода pCell к беспроводной связи заключается в том, что вместо стремления ослабить интерференцию технология использует ее для того, чтобы синтезировать небольшую персональную соту, pCell, для каждого пользовательского устройства в покрываемой зоне. Так как каждая такая pCell является независимым радиоканалом, то любое устройство в зоне покрытия соты способно одновременно с другими использовать полную емкость общего спектра.

Сегодня компания предлагает pCell в качестве мобильной связи 5G. Следует отметить, что технология предполагает изменение архитектуры и аппаратной базы имеющейся сотовой связи, поэтому сейчас неясно, как это воспримут операторы.

Как видно из рис. 1, pCell разворачивается в архитектуре, называемой Cloud-Radio Access Network (C-RAN). C-RAN является архитектурой беспроводной сети, в которой радиоволна основной полосы генерируется в ЦОД (pCell Data Center) и в цифровой форме распределяется по IP-сети к удаленным радиоголовкам (pWave) или к хабу Artemis Hub, расположенным в зоне покрытия. Каждая радиоголовка имеет интерфейс к IP-сети и один или более аналоговых внешних интерфейсов (АЦП и ЦАП), усилитель мощности и антенны. IP-сеть от ЦОД к радиоголовкам называется каналом прямой доставки (fronthaul в терминологии компании). Вся обработка вплоть до физического уровня основной полосы реализуется в режиме реального времени в проприетарной программно-определяемой радиостанции (Software-Defined Radio, SDR) в pCell Data Center.

Рис. 1. Архитектура C-RAN

Если при разворачивании сетей сотовой связи разрабатывается план точного размещения сот, чтобы избежать интерференции между базовыми станциями, то при разворачивании сети pCell делается прямо противоположное: радиоголовки pWave размещаются таким образом, чтобы излучаемые сигнала интерферировали друг с другом. Поэтому места их расположения могут быть практически произвольными.

Как уже упоминалось выше, Artemis сегодня основной акцент в использовании pCell делает на сети мобильной связи. Однако несколько ранее компания рассматривала эту технологию как реальную альтернативу традиционным сетям Wi-Fi. И тогда технология называлась DIDO (Distributed-Input-Distributed-Output). Возможно, такая переориентация была сделана в связи с появлением стандарта 802.11ас Wave 2, пропускная способность которого может удовлетворить самые требовательные к ресурсам современные мобильные приложения. В любом случае в целях дальнейшего объяснения концепции удобнее перейти к технологиям Wi-Fi и рассмотреть ситуацию в этой области. Некоторые повторения оставлены с целью сделать дальнейшее изложение полным и замкнутым.

Проблемы общего спектра

При подключении нескольких устройств к одной ТД неизбежно появляются помехи. В традиционных беспроводных сетях для ослабления их влияния скорость передачи данных на одного пользователя снижается по мере увеличения количества подключений к разделяемому спектру. Однако при использовании DIDO скорость передачи данных на одного пользователя остается полной и постоянной, даже если их число в сети растет. В результате DIDO значительно увеличивает информационную емкость беспроводного спектра одновременно повышая надежность и снижая стоимость и сложность беспроводных устройств. Потенциал рассматриваемой технологии заключается в отсутствии ограничения на количество одновременных пользователей без деградации производительности, мертвых зон и взаимных помех.

Проблемы интерференции в беспроводных сетях и снижения скорости передачи на одного пользователя при увеличении их количества известны давно. Их острота отчасти снижалась за счет использования более развитых технологий передачи, таких как MIMO и формирование диаграммы направленности (beamforming), но на практике они не приводили к существенным улучшениям для таких приложений, как видео и игры.

Причину, по которой мы ограничены в использовании емкости спектра в многопользовательском режиме при традиционных беспроводных технологиях, объясняет закон Шеннона, который определяет максимальную скорость переданных без ошибок данных по одному каналу связи для данного спектра и уровня шума (спектральная емкость канала). К примеру, все пользователи в перекрывающихся сетях Wi-Fi на одной частоте разделяют ограниченную законом Шеннона информационную емкость канала.

Подходы, подобные MIMO (802.11n/ac и LTE) и формированию диаграммы направленности, могут увеличить в определенных случаях разделяемую информационную емкость от трех до четырех раз, но эти инкрементальные улучшения подавляются экспоненциальным ростом одновременно работающих пользователей с высокими требованиями к полосе пропускания.

Беспроводная технология DIDO позволяет «обойти» закон Шеннона и увеличивать количество и плотность пользователей без снижения скорости передачи данных для каждого из них. Более того, теория не дает ограничения на количество подключенных пользователей к сети DIDO без снижения скорости передачи на каждого из них. Безусловно, на каждом этапе развития технологии будут практические ограничения, однако пока, по мнению разработчиков, до этого далеко.

Как работает DIDO

Объяснение будет носить весьма общий характер, поскольку на самом деле технология использует довольно сложный математический аппарат.

Самый простой путь объяснить, как работает DIDO, это начать с очень упрощенного описания беспроводной сети, с которой все знакомы — с Wi-Fi, а затем показать, чем отличается DIDO, если ТД Wi-Fi заменить на ТД DIDO.

Итак, если в сети Wi-Fi одна подключенная к Интернету (ТД1) и один пользователь (U1), то находясь в зоне уверенного приема, он получит все 100% пропускной способности при условии отсутствия помех. При подключении пользователя к веб-сайту (W1) с запросом, например, видео веб-сайт посылает соответствующие данные ТД1, которая затем модулирует их в форму радиосигнала и излучает последний в эфир. Компьютер пользователя получает радиосигнал, демодулирует его и воспроизводит видео.

До тех пор пока пользователь остается в пределах оптимального приема и никто больше не использует спектр, видео будет воспроизводиться непрерывно, как будто пользователь подключен кабелем. Вопреки тому, что часто наблюдается на практике, беспроводный канал высоконадежен, когда имеется хорошая связь и нет других устройств, конкурирующих за спектр. Но как только другие устройства начинают конкурировать за спектр, становится трудно обеспечивать надежное высокоскоростное соединение.

Пусть теперь второй пользователь U2 и ТД2 находятся в зоне покрытия U1 и ТД1. Если обе точки работают одновременно на одной частоте, тогда процесс связи начинается одинаково, но заканчиваются по-разному (рис. 1).

Рис. 2. Сеть Wi-Fi: два пользователя и две ТД

U1 подключается к W1 (синий цвет) и U2 подключается к W2 (зеленый), видеоданные от W1 посылаются к ТД1, видеоданные от W2 посылаются к ТД2, каждая ТД модулирует сигналы и пытается их передать. Но в этот раз не все так просто. Каждая точка быстро обнаруживает помеху, поскольку обе ТД используют один и тот же спектр. Интерференция, вызванная одновременной передачей, показана на рис. 1 красным крестом. Технология Wi-Fi имеет несколько механизмов преодоления помех, но сетевой эффект заключается в том, что все они работают в одном канале и в результате приводят к снижению скорости передачи для каждого пользователя. Упрощенно, это выглядит следующим образом. Сначала U1 использует спектр, а U2 «молчит», затем роли меняются. Таким образом, если предположить, что протокол делит спектр между двумя пользователями, то каждый в лучшем случае получит 50% пропускной способности выделенного спектра. При добавлении пользователей и ТД, работающих на той же частоте в перекрывающейся зоне покрытия, скорость передачи данных для каждого пользователя будет снижаться с соответствующим коэффициентом.

В больших городских зданиях устройство пользователя может обнаружить, к примеру, 25 сетей Wi-Fi. Если все сети разделяют один спектр, то каждый пользователь получит только 4% полной пропускной способности. Причина в том, что все пользователи и все ТД разделяют один канал, скорость передачи данных в котором ограничивается законом Шеннона.

Теперь рассмотрим тот же пример с пользователем U1 (синий цвет), но только с точками доступа DIDO (рис. 2).

Рис. 3. Сеть DIDO: один пользователь, одна ТД

Когда пользователь U1 подсоединяется в вебсайту W1 и запрашивает видео, данные от W1 не передаются к ТД1. Вместо этого они посылаются на DIDO Data Center, который поддерживает пользователя U1 и ТД1. DIDO Data Center обрабатывает данные, модулирует их в радиосигнал и посылает его в цифровом виде ТД1, которая просто направляет его на свою антенну и передает в эфир. Компьютер пользователя получает радиосигнал, демодулирует его в данные и воспроизводит видео. То есть, совершенно отлично от Wi-Fi, где ТД получает сигнал прямо от вебсайта и модулирует данные в радиосигнал. В DIDO форма радиосигнала вычисляется в DIDO Data Center, и все, что делает ТД — это передает его в эфир.

Теперь добавим пользователя U2 (рис. 3, зеленый цвет) и ТД2. Вот здесь и начинается интересное. Когда пользователи подсоединяются к вебсайтам W1 и W2 соответственно, оба вебсайта посылают данные на DIDO Data Center. Данные от этих двух вебсайтов комбинируются и обрабатываются, в результате чего получаются два радиосигнала (каждый совершенно отличен от другого), и один радиосигнал посылается по Интернету ТД1, а другой — ТД2.

Рис. 4. Сеть DIDO: два пользователя и две ТД

Затем, и это очень важно, точки ТД1 и ТД2 одновременно передают полученные радиосигналы. То есть, компьютер U1 и компьютер U2 получат сумму этих двух радиосигналов в местах своего расположения в пространстве.

Обычно, если устройство одновременно получает два различных радиосигнала, то или более сильный сигнал перекрывает более слабый, или в результате получается не поддающийся расшифровке шум.

Но это не так для технологии DIDO. В этом случае сумма двух радиосигналов в каждой точке расположения компьютеров дает чистый модулированный сигнал, несущий данные, предназначенные именно для данного компьютера. Таким образом, радиосигнал, полученный компьютером U1, содержит видеоданные, посланные вебсайтом W1, а радиосигнал, полученные компьютером U2, содержит видеоданные, посланные вебсайтом W2. Каждый компьютер просто демодулирует сигнал и воспроизведет видео для пользователя. В результате каждый пользователь получает в свое распоряжение полную пропускную способность канала.

Если теперь добавить третьего пользователя U3 и третью ТД3, процесс повторится. DIDO Data Center создаст три различных радиосигнала и пошлет их всем трем ТД. Все три ТД начнут передачу одновременно, и каждый компьютер получит суммы трех радиосигналов. И для каждого компьютера в его точке расположения результирующий сигнал будет чистым модулированным сигналом, несущим данные именно для него.

Ранее были рассмотрены нисходящие потоки, однако такие же рассуждения справедливы и для восходящих потоков. По сути, в этом случае происходит обратный процесс.

Несколько деталей о работе DIDO. Это облачная беспроводная система, весь интеллект которой сосредоточен в DIDO Data Center. Точки доступа DIDO можно рассматривать как большой случайный массив антенн, удаленных от ЦОД на многие километры, но взамен кабелей для соединения с ТД используется Интернет. Связь начинается с обмена короткими тестовыми сигналами между ТД и устройствами пользователей. Анализируя, что происходит с этими сигналами, когда они распространяются по беспроводным каналам, DIDO Data Center точно определяет, что будет происходить при передаче сигнала от ТД к компьютерам пользователей, и как одновременно переданные сигналы будут суммироваться в точках, где расположены пользовательские устройства. Затем DIDO Data Center использует результаты этого анализа наряду с данными, затребованными каждым пользователем, чтобы создать точную форму радиосигналов для всех ТД, которые, будучи излученными одновременно, дадут в сумме для каждого пользователя чистый радиосигнал, несущий нужные данные.

Важно отметить, что технология DIDO разработана для массового рынка, а не для лабораторного эксперимента. Как следствие, многие конструкторские решения были направлены на возможность практического и недорого построения системы.

По данным разработчиков, система тестировалась в диапазоне частот от 1 МГц до 1 ГГц и хорошо работала на всех тестируемых частотах. Они уверены, что она будет так же хорошо работать и на более высоких частотах.

Небезынтересно, что в одной из тестовых конфигураций радиус действия достигал 250 миль. Это происходило за счет того, что некоторые частоты (к примеру, 3–7 МГц) отражались от ионосферы, что позволило передавать данные за линию горизонта.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365