Микроволновый гигабит

Автор: Владимир Николаевич
Опубликовано в журнале "Компьютерра" №21 от 7 июня 2005 года.

Почти год назад в «КТ» была опубликована небольшая заметка под названием «Воздушный гигабит». Речь в ней шла о создающейся в Стамбуле городской линии связи, построенной на атмосферных инфракрасных лазерах. Они должны были связать «по воздуху» восемь многоэтажных бизнес-центров на скорости один гигабит в секунду, чего раньше еще не делалось и что стало поводом для упомянутой заметки.

Между тем параллельно атмосферным лазерам развивается другой способ связи. Как и лазеры, его часто рекламируют слоганом «Линии без обрывов, траншей и лицензий!», и он все чаще становится альтернативой оптике. Речь идет о микроволновых радиомостах. Не обычных Wi-Fi, а специализированных линиях «точка-точка» — дорогих, быстрых и работающих на таких частотах, которые обывателям не забить помехами. В отличие от лазеров микроволны менее чувствительны к дождю и снегу, но до недавнего времени они обеспечивали гораздо меньшую скорость. Впрочем, это отставание постоянно сокращается, и в минувшем феврале публике уже был представлен один из первых гигабитных радиомостов. Что удивительно, он был сделан не западными корпорациями, а петербургскими инженерами из вполне коммерческой фирмы ДОК ltd[ www.dokltd.ru.]. Узнав, что этот отечественный радиомост опережает по основным характеристикам оборудование крупнейших мировых производителей, мы решили связаться с его создателями и выяснить подробности. Замдиректора ДОК Сергей Березин терпеливо отвечал на наши вопросы, интервью с ним мы и предлагаем читателям.

Сергей, первый и самый важный вопрос: насколько реально ваше предложение? Пять лет назад «Компьютерра», как и все российские компьютерные издания, много писала о процессоре «Эльбрус». Это было детище серьезной команды под руководством человека с мировым именем — Бориса Бабаяна. В печати мелькали эпитеты «убийца Merced», приводились цифры производительности, сообщалось о планах «заткнуть за пояс Intel», но итог известен — хороший виртуальный процессор так и не стал реальным. Как и десятки других замечательных российских разработок. У вас не так?

— Наше оборудование модельного ряда PPC совершенно реально. Мы уже показывали его на семинаре во время выставки «Норвеком-2005», а вам можем дать подержать в руках. Почувствуете настоящие 14 килограмм металла и пластика.

Мост PPC-1000 действительно передает «по воздуху» гигабит в секунду?

— Вообще-то 1,25 Гбит/с в обе стороны. РРС-1000 транслирует полный Ethernet-поток примерно на восемь километров.

Вы самостоятельно освоили эффективную модуляцию на очень большой скорости, что и позволяет передавать гигабит в секунду на дальнобойных частотах. Ваше оборудование — это не лабораторные прототипы?

— Конечно. Мы уже производим линки серии РРС. Если не верите, ваш журнал может приобрести себе линию. Поставите одну станцию в редакции, а другую дома у главного редактора. С нашей скоростью можно передавать три десятка несжатых видеопотоков со стереозвуком. Расставите камеры по всей редакции, и главред может не ходить на работу — будет всех видеть и контролировать не выходя из квартиры.

Интересное предложение… Он будет всех нас непрерывно видеть… Давайте немного сменим тему и поговорим о вашей компании. Откуда взялась команда, добившаяся такого успеха?

— Фирма ДОК образовалась в 1993 году как научно-производственное объединение. Тогда наш генеральный директор Даниил Корнеев и несколько его коллег решили заняться производством (а позже и разработкой) компонентов для микроволновой техники. Прежде все они работали на кафедре физики плазмы Ленинградского политехнического института, хорошо знали тематику и смогли создать вполне успешную компанию. Сегодня в штате ДОК 28 человек, мы регулярно участвуем в научных конференциях и в узких «микроволновых» кругах приобрели определенную известность. Не скажу, что широкую, но наше оборудование работает в европейском CERN[European Organization for Nuclear Research], американском NIST[National Institute of Standards and Technology] и британской Лаборатории имени Резерфорда[Rutherford Appleton Laboratory]. Кроме того, наши приборы стоят практически на всех ныне действующих токамаках.

Токамаки — это ведь магнитные ловушки для плазмы, прототипы будущих термоядерных реакторов. А какая связь между плазмой и микроволнами?

— Плазма в токамаках столь горяча, что в нее нельзя ввести датчики для съема параметров, и СВЧ-волны используются как инструмент для диагностики плазмы. Например, для измерений профиля температуры в камере токамака или собственного излучения плазмы. Чем больше температура плазмы, тем сильнее она «светит» на частотах электронного циклотронного резонанса, а эти частоты меняются по радиусу плазменного шнура. Снимая спектр излучения — зависимость интенсивности от частоты, можно восстановить профиль температуры. Таких методик довольно много, и они являются «стандартными» в этой области физики: например, электронную плотность, как правило, измеряют по фазовой задержке специально пропущенного через плазму СВЧ-луча, а характеристики турбулентности — по отражению микроволн от слоев плазмы. Именно такие приборы мы и делаем, вместе с оборудованием для астрофизики, ЭПР-спектроскопии[ЭПР-спектроскопия — раздел спектроскопии, использующий электронно-парамагнитный резонанс. Т.е. резонансное поглощения излучения парамагнитным веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. ЭПР обусловлен квантовыми переходами между магнитными подуровнями (Энциклопедия «Рубрикона», www.rubricon.com/ies_ann/..%5Cann%5Cies%5C31_ye%5C31_ye63739.asp)] и других задач. Кстати, когда начнется строительство ITER — международного реактора для самоподдерживающегося термоядерного синтеза, мы намерены бороться, чтобы стать поставщиком и для этого проекта.

Что ж, круг интересов у ДОК весьма широкий. Но почему вы решили заняться телекоммуникацией? Вы же понимали, что конкуренция на этом рынке очень велика, а опыта, вероятно, у вас не было.

— Опыта действительно не было, но так сложились обстоятельства. Использовать свои знания в области связи мы пытались давно, но серьезный сдвиг начался лишь после проектирования трансивера в рамках IBCoBN[Integrated Broadband Communications on Broadcast Networks]. Это был европейский проект с финансированием из Брюсселя, запущенный для развития цифрового вещания (в первую очередь ТВ) на миллиметровых волнах. Мы получили заказ от одного из английских университетов и сделали трансивер, способный принимать и передавать данные в диапазоне 40,5–42,5 ГГц. Он был успешно испытан в Англии, но один из главных участников проекта — компания Hughes — по каким-то своим причинам свернула все разработки в данном направлении. Отчего, кстати, у многих вещателей, включая пару российских, уже имевших лицензии на вещание в диапазоне 42 ГГц, сорвались большие планы.

А что мог делать ваш трансивер?

— Как говорил наш директор: «Мы стали счастливыми обладателями трубы от патефона». Это была приемо-передающая система из антенн, усилителей, блока питания и защит. Для вещания или приема ТВ-сигнала к нашей «трубе» надо было добавить «мозг» — своего рода модем, берущий на себя всю цифровую обработку и управляющий режимами работы. Именно такой модем должна была сделать Hughes, на ней же лежали вопросы интеграции. Без нее все повисло в воздухе, но мы попытались найти других партнеров, чей «модем» подошел бы к нашей «трубе». Не хотелось, чтобы наши разработки пропали впустую. Мы вели переговоры со многими канадскими, американскими, израильскими и европейскими фирмами. К сожалению, все они занимались кабельными системами или обратным каналом для спутниковой связи, поэтому их предложения оказались не слишком подходящими или слишком дорогими. И тогда мы решили сделать все сами.

Очень по-русски. Ваш директор подробно рассказывал об этом в журнале «Телемультимедия» (№3, 2003), поэтому давайте коснемся только общих черт. Что вы сделали в итоге?

— Мы сделали систему MVDS — «точка-многоточка», работающую на частотах 42 ГГц. С ее помощью городскому вещателю очень удобно раздавать цифровой телесигнал. Представьте обычный телеспутник, который не запустили в космос, а подняли на крышу высотного здания и положили «на бок». Это прямая аналогия нашей базовой станции. Она может вещать одновременно на четырех частотных каналах, каждый из которых шириной 39 МГц и обычно вмещает шесть-восемь телепрограмм, сжатых алгоритмом MPEG-2. Если использовать несколько передатчиков, то в одном луче можно транслировать 300–400 телепрограмм. Структура сигнала в точности повторяет стандарт DVB-S[стандарт цифрового вещания мультимедийного контента. Буква S означает спутниковую (satellite) разновидность. DVB-C — кабельную, а DVB-Т — для обычного эфирного вещания «вдоль земли»], и для его приема используются самые обычные спутниковые тюнеры, только подключенные к другой антенне. Кроме ТВ-вещания, через нашу систему можно «раздавать» Интернет, как и через геостационарные спутники.

Можно сказать, вы сделали «спутник для бедных». Делает то же, что и геостационарный аппарат, но висит не в космосе, а на городской вышке. Однако спутники вещают на целые континенты, а ваше оборудование….

— У нас городской масштаб и это имеет свои преимущества. При таком подходе значительно увеличивается плотность передаваемой информации. Сейчас сотовые операторы специально делают микросоты, чтобы обеспечить работу в городских районах, где много пользователей. Конечно, волны с частотой 42 ГГц не могут заглядывать за горизонт. Кроме того, их длина примерно 6 миллиметров, поэтому они заметно рассеиваются дождевыми каплями. Существует график зависимости дальности от плотности дождя, но глядя на него, надо учитывать такой нюанс. Когда график показывает, что при осадках, например, 10 мм/час сигнал принимается не более чем в пяти километрах, это значит, что дождь должен идти на протяжении всех пяти километров. А в жизни так бывает редко. Поэтому наша система работает на большем расстоянии. Мы испытывали оборудование в Петербурге, разнеся базовую станцию и приемник на 13 километров. Погода у нас дождливая, мы специально взяли маленькие антенны с отражателем всего 30 сантиметров, но даже на них сигнал принимался практически без перебоев. Кстати, наши абонентские станции могут не только принимать, но и передавать данные, что очень удобно для того же интернет-доступа.

Но переход ТВ в цифровой формат и так увеличивает канальную емкость в восемь раз за счет сжатия видео в MPEG-2. А MPEG-4 увеличит емкость еще почти вдвое.

— Сжатие только смягчает проблему. Впереди нас ждет ТВ высокой четкости, а в обозримом будущем, может, и стерео/видео. Меж тем обычное телевидение не единственный потребитель частотного ресурса. Более того, его популярность в последние годы заметно снижается. Люди все меньше «смотрят телевизор» в обычном смысле этих слов. Им все чаще предлагают скоростной доступ в Сеть и видео по заказу, причем эти две услуги чем дальше, тем больше сливаются в одну. Ваши читатели, наверное, слышали термин «информационная супермагистраль», о которой, если не ошибаюсь, любит поговорить Билл Гейтс. Так вот организация этой супермагистрали требует гораздо больше места в эфире, чем обычное ТВ. В условиях городской застройки на дециметровых волнах его может просто не оказаться. И тогда провайдеры будут вынуждены использовать более высокие частоты.

А почему не оптоволокно? Оно быстрее любого радио.

— Хорошо, если оно уже есть. А если его предстоит уложить, то может быть такой крюк, что оно покажется золотым. Кроме того, наземные линии легко повреждаются. И для быстрого восстановления того же волокна надо содержать круглосуточную бригаду квалифицированных ремонтников. Между тем я не сказал о другом достоинстве миллиметровых волн. Их малая длина позволяет создавать антенны с очень узкой диаграммой направленности. Сигналы на частотах 42 ГГц и выше иногда называют квазиоптическими, поскольку они уже напоминают световые лучи. Мы используем антенны Кассегрена, которые с 60-сантиметровым отражателем излучают (или наоборот — принимают) пучок с расхождением всего 0,7 градуса.

Нельзя ли наглядный пример? Чтобы прочувствовать эти ноль-семь…

— Луч с таким расхождением через километр превращается в пятно диметром всего 13 метров. Через два километра — в 25 метров, через четыре — в 50 и т. д. Таким образом, можно делать соту диаметром 10 километров (на полгорода) и ставить в ее центре (например, на высотном здании) две базовые станции двух разных операторов. Они смогут работать на одной частоте, в одной поляризации и не пересекаться друг с другом, если разнести их по высоте на 60–70 метров. То есть один оператор поставит передатчик на 15-м этаже, а другой на 40-м, и антенны абонентов будут видеть только свои сигналы. Это похоже на лазерные системы, только без их чувствительности к плохой погоде.

Ваши MVDS–системы уже где-нибудь установлены?

— К сожалению, пока есть только пилотные проекты — в Петербурге, в подмосковных Люберцах, Риге и Словении. Наше Министерство связи разрешило, вслед за Европой, использовать диапазон 40,5–43,5 ГГц для мультисервисных сетей широкополосной передачи данных, но в каждом случае требуется специальное решение о выделении частот и наличие соответствующих лицензии. В любой стране разрешительные системы неторопливы. Россия — не исключение, к тому же играет роль и экзотичность технологии — для нее пока нет сложившегося механизма принятия решений, поэтому пройти все этапы согласований смогли единицы. Особенно это мешает установке линий «точка-точка». Сейчас, если организация хочет соединить два своих офиса, она обязана получить разрешение, аналогичное разрешению на радиорелейную линию, хотя специалистам очевидно, что микроволновый луч, узкий, почти как у лазера, наверняка не сольется с другим таким лучом.

У нас, как обычно, все слишком зарегулировано… Но в России суровость законов компенсируется их неисполнением. Может ли произойти с микроволнами то же, что случилось с Wi-Fi? Его точки доступа надо регистрировать, но большинство владельцев этого не делает. Пеленговать их у Связьнадзора желания нет, и в результате в крупных городах работают тысячи сот Wi-Fi и линий «точка-точка». Вы говорите, что микроволновые линии мешать друг другу будут очень редко. Значит, и проблем не будет?

— Проблем действительно почти не будет, но если вы хотите, чтобы я публично призвал устанавливать наши системы без лицензии, то я не стану этого делать. Хотя вы правильно заметили — плохие законы часто нарушаются в массовом порядке. Мы надеемся, что американский опыт лицензирования приживется и у нас. Впрочем, в любом случае ожидать бума нелегальных микроволновых линий пока рано — технология новая и цены доступны лишь для организаций.

Кстати, о ценах. Стоимость ваших вещательных MVDS-систем, наверное, зависит от их масштабов, но линии «точка-точка» вы ведь продаете и в единичных экземплярах. Сколько они стоят?

— Радиомост для FastEthernet стоит 11 тысяч евро, а новейший гигабитный — 25 тысяч.

Очень дорого…

— Как раз не очень, если сравнивать с конкурирующими продуктами с аналогичной или близкой скоростью. Я специально подходил на выставке «Связь-Экспоком 2005» к производителям и дистрибьюторам радиорелейных систем на 100 Мбит и 155 Мбит, — так вот наша цена находится вблизи нижней границы цены подобной техники.

Если рынок так перспективен, то почему же крупные американские корпорации до сих пор не смогли «разогнать» свои радиомосты до нужной скорости, а небольшая питерская фирма не только смогла, но уже и продает их?

— Мы не сразу сделали гигабитную модель. Сперва у нас было 10 Мбит/с, спустя три года — 100 Мбит/с, в прошлом году — 155, и только в этом мы достигли 1,25 Гбит/с. Почему западные компаний пока не могут? Думаю, дело в путях развития микроволновой техники. Мы в очень многом отстаем от Запада. Например, у нас никогда не было возможности работать с микросхемами миллиметрового диапазона, так называемыми MMIC[Monolitic Microwave IC — монолитные интегральные СВЧ-схемы]. Эти чипы изготавливают примерно так же, как обычные низкочастотные микросхемы, и само направление очень перспективно — можно уместить в одном корпусе сложную конструкцию, а затем дешево выпускать ее миллионами, как процессоры или модули памяти.

Однако сделать работоспособную MMIC очень непросто — проблемы с помехами, интерференцией и отражениями сигналов так велики, что пока коммерческий продукт не получается даже у американских корпораций. Проектируют чип, заказывают на заводе образец, получают, включают — не работает. Вносят исправления, и все по новой. Но самая главная проблема начинается после того, как набор чипов изготовлен. Оказывается, на этих частотах уже нельзя использовать традиционные методы установки и тестирования микросхем в блоках. Эта так называемая проблема сборки. Установка нескольких MMIC в одну схему не менее трудна, чем их производство. На таких частотах уже надо учитывать объемное взаимодействие чипов со стенками камеры, в которую они помещаются. Другими словами, если вы устанавливаете две микросхемы друг за другом в одну камеру, то нельзя настраивать их работу отдельно — слишком велико их влияние друг на друга. Кроме того, в эти конструкции нельзя завести зонд и посмотреть сигнал в какой-нибудь точке — сам зонд влияет на схему.

Конечно, в конце концов серийную СВЧ-технику на микросхемах создадут, и это будет революция, сравнимая с заменой микросхемами одиночных транзисторов. Но пока этого нет, и западные компании пытаются использовать уже имеющиеся опытные образцы. Они не могут увеличить частоту модулированного сигнала до нужных десятков гигагерц за один раз — надо умножать в несколько ступеней. В каждой ступени обязательны фильтры и усилители. Все это довольно крупные элементы, поэтому конструкция получается большой и сложной в настройке, хоть и основана на микросхемах.

Вам эти трудности неведомы из-за нехватки денег на MMIC?

— Да, нам пришлось развивать альтернативные решения, в частности лавинно-пролетные диоды[IMPATT-диоды (impact avalanche transit time) — двухэлектродные полупроводниковые приборы, близкие родственники туннельных диодов, диодов Гана, Рида и др]. Это очень маленькие, простые и надежные детали, технология производства которых была неплохо отлажена в Советском Союзе. Как оказалось, на них можно сделать умножители частоты с большим коэффициентом умножения, которые на одном блоке преобразуют подготовленный сигнал прямо в микроволновой диапазон. Это наша фирменная конструкция, защищенная патентами. Архитектура системы получается на удивление простой и пригодной для массового выпуска, несмотря на то что это «старая» технология, от которой на Западе отказались.

Вспоминается история с пишущей ручкой для невесомости. Американцы для решения этой проблемы финансировали разработку фломастера, а наши космонавты купили в магазине карандаш за три копейки.

— Аналогия все же не такая прямая. Мы не могли купить готовый умножитель…

Вы взяли недорогие диоды и спаяли из них нужный блок. Предварительно, конечно, просчитав конструкцию на компьютере. Что ж, в заключение давайте коснемся некоторых подробностей. Ваше оборудование может работать не только на частоте 42 Ггц ?

— Да, очень важно, что наша технология оказалась малочувствительна к рабочей частоте. Для нас не является проблемой перейти от 42 к 94 или, например, к 140 ГГц. По желанию заказчика мы делаем модели для 71–76, 81–86 и 92–95 ГГц. В США их собирательно обозначают E-band. 4 апреля на заседании российской ГКРЧ была рассмотрена наша заявка на разработку оборудования для этих частот. Было принято положительное решение, которое сейчас находится в стадии оформления. Мы будем пытаться продвигать «американские» частоты в России, но надо помнить, что пока у нас открыты только 40,5–43,5 ГГц.

Почему выбраны именно такие частоты? И можно ли работать на бо,льших?

Работать-то можно, но надо учитывать особенности поглощения волн атмосферой. Уже диапазон 92–95 ГГц находится в так называемом окне прозрачности, за пределами которого поглощение сигнала выше, чем внутри него. Частоты 40,5–43,5 ГГц — общеевропейский выбор для цифровых мультимедийных приложений, который выбран из еще свободных от военных сигналов и при этом подходящих под задачу.

Мощность сигнала вашего гигабитного моста всего 0,1 Вт. Такой слабый сигнал сделан для прохождения санитарной экспертизы?

— Не только. Его вполне достаточно для работы с остронаправленными антеннами, а специально усиливать мы пока не хотим, чтобы не повышать цену. Кстати, предупреждая возможные страхи о вреде излучения, напомню, что у мобильного телефона сигнал вдесятеро сильнее, но его прикладывают прямо к голове.

Вы довольно быстро увеличивали скорость своих радиомостов. Это делалось за счет усложнения модуляций или сигнал занимал все больше места в эфире?

— Как правило, для связи в миллиметровом диапазоне используют простейшие методы модуляции — амплитудную либо BPSK. В своем линке для FastEthernet мы тоже применяли амплитудную модуляцию. Но для гигабитной версии использовали QPSK, поскольку рассчитывали на американский рынок, а в первой редакции документа Federal Communication Commission (Федеральная комиссия по связи США) от 4 ноября 2003 года, было введено ограничение на эффективность использования радиоспектра. Занимать эфир, передавая данные с эффективностью хуже 1 бит/с на 1 Гц, было можно, но без гарантий государства по лицензии. В переводе это значит, что простейшие модуляции не запрещались, но их использование на важных трассах было проблематично — могли выгнать в любой момент. Нам удалось сделать модулятор/демодулятор с нужной эффективностью для гигабитной скорости, а нашим американским конкурентам, по-видимому, нет. В марте 2005 года появилось дополнение к документу FCC, где ограничение на эффективность установлено на уровне 0,125 бит/с на 1 Гц. Фактически теперь можно модулировать как угодно.

Получается, вы смогли выполнить требования FCC, а у американских компаний сил на это не хватило. Если не секрет, каких достижений можно ждать от компании ДОК в ближайшем будущем?

— Мы будем двигаться в двух направлениях: во-первых, продолжим проектирование высокоскоростных систем, а во-вторых — планируем сделать «народный» линк на диапазон 40,5–43,5 ГГц. Это будет частотный конвертер с приемопередатчиком и антенной, который позволит использовать дешевое оборудование стандартов 802.11, но перед отправкой данных в эфир будет поднимать несущую с 2,4 ГГц или с 5 ГГц до 40 ГГц и передавать данные в этом миллиметровом диапазоне. На приемной стороне частота будет, соответственно, понижена до стандартной. Преимущества такого подхода — дешевизна комплектующих 802.11 в сочетании с дальностью и помехоустойчивостью диапазона 40,5–43,5 ГГц. Естественно, скорость передачи в такой гибридной системе будет задаваться возможностями той карточки WiFi или Wi-Max, к которой подключен данный частотный конвертер.

Ну и конечно, мы будем и дальше наращивать скорость передачи. В ближайших планах — скорости порядка 2,5 Гбит/с в дуплексе, потом 5 Гбит/с. Через несколько лет можно надеяться на 10 Гбит/с в «американских» полосах — 71–76 ГГц и 81–86 ГГц. Собственно, для этого они и были выделены.

Что ж, большое спасибо за интервью. Удачи вам!