3. Повышение спектральной эффективности посредством усовершенствований технологии MIMO («multiple input, multiple output» — «несколько входов, несколько выходов»). MIMO увеличивает пропускную способность радиоканала за счет использования нескольких передающих и принимающих антенн. Это позволяет использовать многолучевое распространение, при котором радиосигнал может достичь приемника двумя или более путями. MIMO впервые стала применяться для Wi-Fi и сотовых технологий 3G примерно в 2006 году. Существует довольно много вариантов MIMO; в первых сотовых стандартах применялась MU-MIMO (Multi-User MIMO). Обычно эти технологии используют разнесенность пользователей в пространстве для нейтрализации взаимных помех, возможных на любом конце беспроводной передачи. Massive MIMO — одна из разновидностей MU-MIMO, при которой число антенн базовых станций увеличивается настолько, что их становится намного больше, чем конечных точек. Можно даже использовать трехмерный массив антенн — так называемую технологию FD-MIMO (Full-Dimension MIMO).
Еще одна возможность, которую дает 5G, — сегментация сети (network slicing). Операторы сотовой связи могут создавать многочисленные виртуальные сети поверх одной и той же физической инфраструктуры, выделяя части сети под конкретных потребителей. Части сети (и их ресурсы) распределяются между поставщиками приложений с разными запросами. Например, для приложения, требующего высокой пропускной способности, и для приложения с низкими требованиями можно выделить разные сегменты сети. Растет также популярность таких вспомогательных технологий сегментации сетей, как программно-определяемые сети (Software-Defined Networking, SDN) и виртуализация сетевых функций (Network Functions Virtualization, NFV). Мы обсудим эти технологии в следующих главах.
2.7. Кабельные сети
Стационарные и беспроводные телефонные системы, безусловно, сыграют важную роль в сетевых технологиях будущего, но на сети широкополосного доступа немалое влияние окажут и кабельные системы. Сегодня многие пользователи получают по кабелю услуги телевидения, телефона и интернета. В следующих разделах мы подробно рассмотрим сеть кабельного телевидения и сравним ее с уже изученными телефонными системами. Больше информации вы можете найти в работе Харте (Harte, 2017), а также в стандарте DOCSIS 2018 (в частности, относительно архитектур современных кабельных сетей).
2.7.1. История кабельных сетей: ТВ-системы коллективного приема
Кабельное телевидение возникло в конце 1940-х как способ улучшения телевизионного сигнала в сельской или горной местности. Изначально система состояла из большой антенны, установленной на возвышенности и принимающей телевизионный сигнал из эфира, усилителя — так называемой головной станции (headend) — и коаксиального кабеля, ведущего к домам абонентов (илл. 2.44).
Илл. 2.44. Первые системы кабельного телевидения
Сначала кабельное телевидение называлось ТВ-системами коллективного приема (Community Antenna Television, CATV) и было, по сути, семейным бизнесом. Любой разбирающийся в электронике человек мог настроить телевидение для жителей своего города, готовых оплатить расходы. По мере роста числа абонентов к первоначальной линии подсоединялись дополнительные кабели, а в случае необходимости добавлялись усилители. Передача была односторонней, от головной станции — пользователям. К 1970 году уже существовали тысячи независимых систем.
В 1974 году компания Time Inc. запустила новый канал телевидения Home Box Office, работающий исключительно через кабельную сеть. Затем появились и другие кабельные каналы: спортивные, новостные, кулинарные, исторические, научно-популярные, детские, каналы с фильмами и многие другие. Это привело к двум серьезным изменениям в отрасли. Во-первых, крупные корпорации начали скупать уже существующие кабельные системы и прокладывать новые кабели для привлечения новых пользователей. Во-вторых, возникла потребность в соединении множества систем, зачастую расположенных в разных городах, для распространения новых кабельных каналов. Операторы кабельного телевидения начали прокладывать магистрали между городами, чтобы соединить их в единую систему. Все это напоминало события в телефонной отрасли, происходившие за 80 лет до этого, когда изолированные друг от друга оконечные телефонные станции соединялись, чтобы можно было звонить по межгороду и в другие страны.
2.7.2. Широкополосный доступ в интернет по кабелю: сети HFC
Шли годы, кабельные системы росли, а кабели между городами сменились оптоволокном с широкой полосой пропускания, аналогично тому, как это происходило в телефонных системах. Системы, в которых на больших расстояниях прокладывается оптоволокно, а к домам ведут коаксиальные кабели, называются комбинированными оптокоаксиальными сетями (Hybrid Fiber Coax, HFC). Именно такая архитектура сегодня преобладает в современных кабельных сетях. Оптоволокно проводится все ближе и ближе к домам абонентов, как было описано в разделе, посвященном FTTX. Электронно-оптические преобразователи, служащие интерфейсом между оптоволоконной и электрической частями сети, называются оптоволоконными узлами (fiber node). А поскольку пропускная способность оптоволоконного кабеля гораздо выше, чем коаксиального, один оптоволоконный узел может раздавать поток данных на несколько коаксиальных кабелей. Часть современной системы HFC показана на илл. 2.45 (а).
Илл. 2.45. (а) Комбинированная оптокоаксиальная кабельная сеть. (б) Стационарная телефонная система
В конце 1990-х многие кабельные операторы начали предоставлять услуги телефонии и доступа в интернет. Для этого им пришлось учесть различия между кабельной и телефонной проводкой. Прежде всего нужно было заменить все односторонние усилители двусторонними для поддержки как исходящей, так и входящей передачи данных. В ранних системах интернет-доступа для входящей передачи данных использовалась кабельная телевизионная сеть, а для исходящей — модемное соединение через телефонную сеть. Это было временное и топорное, но рабочее решение.
Полностью прекратить телевещание и использовать кабельную инфраструктуру исключительно для доступа в интернет операторы не решались. Это вызвало бы гнев немалого числа пользователей (в основном старшего поколения, так как молодежь уже сама отказалась от телевизора). К тому же городские власти зачастую жестко регулируют кабельный контент, так что компании при всем желании не смогли бы этого сделать. В результате пришлось искать способ мирного сосуществования телевидения и интернета в одном кабеле.
Решением проблемы стало мультиплексирование по частоте. Каналы кабельного телевидения в Северной Америке занимают полосу в 54–550 МГц (за исключением FM-радио в диапазоне 88–108 МГц). Ширина этих каналов — 6 МГц, включая защитные полосы; они могут нести сигнал одного обычного аналогового телевизионного канала или нескольких цифровых. В Европе нижняя граница этого диапазона обычно около 65 МГц, а ширина каналов 6–8 МГц (для повышенного разрешения PAL и SECAM), в остальном же схема выделения частот такая же. Нижняя часть полосы частот не используется. Современные кабели отлично себя проявляют на частоте более 550 МГц, иногда даже до 750 МГц или выше. Было принято решение организовать исходящие каналы в полосе 5–42 МГц (в Европе чуть больше), а частоты в конце диапазона использовать для входящих сигналов. Кабельный спектр показан на илл. 2.46.
Илл. 2.46. Распределение частот в типовой системе кабельного телевидения, используемой для доступа в интернет
Поскольку все телевизионные сигналы — входящие, можно использовать исходящие усилители, работающие только в диапазоне 5–42 МГц, и входящие, работающие только в диапазоне 54 МГц и выше, как показано на рисунке. Возникает асимметрия входящей и исходящей полос пропускания, ведь в более высокой полосе (по сравнению с телевизионной) частот доступно больше, чем в более низкой. С другой стороны, большинству пользователей требуется больше входящего трафика, чем исходящего, так что кабельных операторов этот факт вполне устраивает. Как мы видели выше, телефонные компании, как правило, представляют асимметричный DSL-сервис, хотя технических причин для этого у них нет. Операторам приходится обновлять не только усилители, но и головные станции — на смену примитивным усилителям приходят интеллектуальные цифровые компьютерные системы с широкополосным оптоволоконным интерфейсом подключения к провайдеру. Подобные усовершенствованные головные станции иногда называют оконечной системой кабельных модемов (Cable Modem Termination System, CMTS).
2.7.3. DOCSIS
Для подключения на «последней миле» кабельные компании используют технологию физического уровня HFC, а также оптоволокно и беспроводные соединения. Технология HFC широко распространена в США, Канаде, Европе и в других странах. В ней используются DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) — стандарты передачи данных по коаксиальному кабелю, разработанные CableLabs.
Версия 1.0 стандарта DOCSIS была выпущена в 1997 году. Ограничения по входящей и исходящей скорости для DOCSIS 1.0 были 38 Мбит/с, для DOCSIS 1.1 — 9 Мбит/с. С появлением DOCSIS 2.0 (2001) исходящая пропускная способность увеличилась втрое. Поддержка IPv6 и «склейки» каналов исходящего и входящего трафика в DOCSIS 3.0 (2006) резко повысила потенциальную пропускную способность для каждого абонента до сотен мегабит в секунду. DOCSIS 3.1 (2013), в котором появилось мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), расширилась полоса пропускания и повысилась эффективность, позволил достичь входящей скорости более чем 1 Гбит/с для каждого абонента. Позднее в стандарт DOCSIS 3.1 были внесены обновления. Среди них — полнодуплексные операции (2017), благодаря которым стала возможна мультигигабитная симметричная входная/выходная пропускная способность, а также DOCSIS Low Latency (2018) и прочий функционал для снижения времени задержки.