Nová éra bezdrátových sítí

8. 12. 2003

Tři pokrokové technologie mohou dramaticky zvýšit ...

… kapacitu rádiových frekvencí

Dopoledne 10. června bylo ve Washingtonu jasno a slunečno. Mark McHenry vylezl na střechu šestipatrové kancelářské budovy nedaleko rušné křižovatky Dupont Circle a přitáhl tam i neforemnou třímetrovou anténu a šedou plechovou krabici. Spolu s dalším technikem chystal experiment. Chtěli změřit, do jaké míry hlavní město USA využívá v pracovní špičce bezdrátové frekvence.

Cílem experimentátorů bylo vyvrátit všeobecně rozšířený mýtus: při dnešním boomu bezdrátových přístrojů je přece vzduch plný signálů televizních a rozhlasových stanic, mobilů a kapesních počítačů, nebo snad ne? A co teprve vysílání družic, řízení letového provozu, policejních dispečinků a zón Wi-Fi, které rostou jak houby po dešti. Jak ale zjistili, dokonce ani ve čtvrti plné technických vymožeností umístěné v srdci District of Columbia nepřesáhlo obsazení rádiových vln devatenáct až čtyřicet procent přenosového spektra, a to po celých osm hodin experimentu.

Pokus odhalil paradox, který trápí celé odvětví bezdrátové techniky. Přestože rozhlasové a televizní stanice nebo armáda mají nad územím Spojených států rozparcelovány a pronajaty skoro všechny přímo využitelné frekvence, éter většinou leží ladem a nikdo ho nevyužívá. “Jako by každý provozovatel sítě měl na cestu do práce soukromou silnici – místo aby všichni jezdili po společné komunikaci,” kroutí hlavou McHenry, prezident začínající technologické firmy Shared Spectrum z virginského města McLean. A výsledek? Novátoři, kteří přijdou s nějakým originálním nápadem v oblasti bezdrátových komunikací, se prostě nedostanou do éteru.

Nicméně každý z těchto vynálezců by vám asi také řekl, že změny visí ve vzduchu. Provozovatelé mobilních sítí už dnes dokážou díky digitálním technologiím protlačit stejným vlnovým pásmem více dat než přes staré analogové systémy. Na trh míří nová vlna – tentokrát inteligentních síťových technologií, která se už rozlévá z univerzit a vojenských laboratoří. Bezdrátové novinky jsou známy pod různými názvy – třeba inteligentní antény, meshové sítě a vysílače s elektronickým přelaďováním kmitočtu. Všechny fungují na principu stejných průlomových objevů ze zpracování digitálního signálu. V konečném důsledku patrně smetou ze stolu pečlivé rozškatulkování spektra, které vzniklo zhruba před 75 lety z popudu amerických federálních zákonodárců, kteří tehdy považovali rádiové vlny za vzácný přírodní zdroj.

V současné době však téměř všichni tleskají snahám o osvobození spektra. Už se stali svědky oslnivého vzestupu Wi-Fi a právě tento bezdrátový standard – a jím zrozené zóny “hot spots” – se v USA lavinovitě rozšířil právě proto, že regulátoři nechali volný alespoň kousek pásma pro licencemi nesvázaná zařízení typu mikrovlnných trub a automatických systémů na otevírání garáží. Americká federální komunikační komise (FCC) nyní zbořila další hradby. V polovině listopadu nabídla další kousek koláče v podobně jen mírně regulované frekvence v pásmu pěti gigahertzů. “Čím víc lidí může ve vymezeném pásmu bezstarostně experimentovat, tím větší je pravděpodobnost, že zajistí další technický pokrok,” vysvětluje hlavní inženýr komise FCC Edmond Thomas.

OPOZICE V ZÁKOPECH
Provozovatelé rozhlasového a televizního vysílání, mobilních sítí i další majitelé dlouhodobých licencí na vysílání v některé části spektra se ovšem svých exkluzivních práv nevzdají bez boje. “Pokud musíme za pásmo platit, zatímco ostatní ho dostanou zdarma, pak se tu měří dvojím metrem,” zlobí se Brian F. Fontes, který působí jako viceprezident firmy Cingular Wireless pro styk s federálními úřady. Inženýři, vynálezci a jejich mecenáši však nepochybně budou i nadále vyvíjet tlak na FCC, aby vlnová pásma rozdávala efektivněji a vynalézavěji. Zároveň s novými nápady na inteligentní přístroje a síťové architektury se tak otevírají hranice bezdrátového prostoru. Zajímá vás, o čem to techničtí odborníci mluví? Prosím, tady to je:

Inteligentní antény: Když pittsburská rozhlasová stanice KDKA v roce 1920 postavila první vysílač na střední vlny, pyšná anténa na jeho vrcholku vysílala signál v úhlu 360 stupňů. Šířila kolem sebe energii rádiových vln nevybíravě a v podobných kruzích, jako kámen hozený do rybníka.

Takové plýtvání, mračí se dnešní inženýři. Pokud by se vám podařilo všechnu energii vyslat právě tím směrem, kde čekají posluchači, dostal by se signál mnohem dál a nerušil by vlny ve ostatních směrech. “Inteligentní” anténa vyšle úzký svazek signálu na větší vzdálenost, stejně jako hadice na vodu dostříkne dále, když zahradník přiškrtí průtok v jejím ústí palcem. Příměr ale nezachycuje “inteligenci” těchto systémů. Poradce v oblasti bezdrátových komunikací Nitin Shah spíše systém přirovnává k bodovému světlu, které sleduje herce při jeho pohybu na jevišti – na rozdíl od běžného osvětlení, jež svítí na každého.

Odborníci na univerzitách i ve firemních laboratořích si s takovými anténami pohrávají ze všech stran. Jedním z výsledků je i komerční produkt malé sanfranciské firmy Vivato. Systém 128 antén o velikosti tužky dokáže vysílat signál na vzdálenost až čtyř kilometrů. Trik spočívá v tom, že jednotlivé pramínky energie – každá anténa má výkon asi sto miliwattů, což je polovina výkonu mobilního telefonu – zkoncentrují do úzkých vln s rozptylem sedm až osm stupňů. Každá anténka začne vysílat v jiný okamžik a vyšle svůj signál na běžných rádiových frekvencích. Když vysílání jedné antény začne klesat, signály druhé naopak dosáhnou maxima. Celý systém pak dokáže vytvořit elektromagnetické vlny v takovém tvaru, aby pokryly vytčený cíl. Antény jsou řízeny speciálním programem a mohou tedy bleskově změnit tvar a směr vlnění v případě, že se cíle jejich vysílání pohnou. Firma Vivato hodlá tímto způsobem rozšířit dosah sítí Wi-Fi, který je v současnosti omezen na zhruba sto metrů. “Inteligentním anténám patří budoucnost ve sdílení spektra pro účely bezdrátové komunikace,” prohlašuje Greg Raleigh, generální ředitel společnosti Airgo Networks z kalifornského Palo Alta. Jeho firma chystá o něco složitější systém, který má rozšířit možnosti této technologie. “Za deset let budou inteligentní antény v každém bezdrátovém přístroji.”

Meshové (vícecestné) sítě: Stejně jako inteligentní antény dokážou uvolnit více bezdrátových frekvencí než tradiční rozhlasové stanice, tak nové technologie směrování provozu posunou dnešní nejvýkonnější digitální sítě do oblasti zbytečných žroutů spektra. Když chtějí například uživatelé dnešních systémů mobilních telefonů získat spojení, musí být v dosahu vysílače neboli základnové stanice. Vysílač mobilní sítě je centrální rozbočovač a spojuje všechny telefony ve svém dosahu.

U takzvaných “meshových” sítí může jeden vysílač dostat spojení z vedlejší antény, i když není v dosahu rozbočovače. Požaduje se pouze spojení mezi uživateli, ať již pomocí pevných okruhů, či nikoli, které vede do rozbočovače – může jít třeba o internetový přístupový bod nebo vysílač mobilní sítě. Při vysvětlování této koncepce inženýři často uvádějí jako příklad možnou komunikaci na přelidněném večírku. Chcete-li sdělit svému partnerovi na druhém konci místnosti, že je čas jít domů, nemusíte překřikovat celou společnost, když ostatní hosté předají váš vzkaz jeden druhému až dojde k tomu, komu je určen.

V případě meshových sítí se každý přístroj – ať již přenosný počítač, jak je tomu u většiny dnešních prototypů, nebo futuristický mobilní telefon – stává ekvivalentem základnové stanice nebo rozbočovačem sítě. Jakmile se některý přístroj zapne, vyšle přihlašovací signál a vyhledá signály ostatních zařízení. Když tento nováček najde skupinu síťově propojených přístrojů, “zaťuká na dveře” a zapojí se do skupiny. Pravda, kabelem propojené internetové přepínače dosahují stejného efektu. Ve světě bezdrátových technologií se však problémy násobí, neboť stále hrozí změna reliéfu terénu. Jestliže naproti přes ulici vyroste nová budova, meshová síť dokáže překážku zjistit a obejít.

Různé firmy se sítěmi tohoto typu již tu a tam experimentovaly, ale dosud nedosáhly výraznějších komerčních úspěchů. Energetické nároky meshové sítě totiž dokážou rychle vyždímat baterky. I když nebudete v určitou chvíli komunikovat přes síť, váš notebook budou využívat ostatní k přenosu vlastních zpráv. Přesto Nokia, Microsoft, Intel a ostatní obři doufají, že se jim díky této novince podaří rozšířit dosah Wi-Fi. Zájem však neprojevují jen podnikatelské subjekty. V kalifornském San Mateu testuje policie systém místní firmy Tropos Network, který propojuje přenosné počítače umístěné v policejních autech v centru města.

Agilní rádio: vysílačky s rychlým přelaďováním kmitočtu. V blankytných vodách zálivu San Diego probíhá první fáze experimentu, jenž by mohl vést k největšímu přelomu v rádiovém vysílání. Dvanáct námořníků admirálské lodi Coronado z americké válečné flotily testuje vysílačky firmy General Dynamics, které mohou komunikovat v deseti různých frekvenčních pásmech. Jde o důležitý detail, neboť armáda má k dispozici hned několik částí spektra, ale jednotlivé složky ozbrojených sil používají různé frekvence a často spolu nemohou vzájemně komunikovat. Novinka testovaná na Coronadu má speciální software: vysílá a přijímá na několika frekvencích zároveň a tím překonává všechny bariéry. “Představte si tyto vysílačky jako počítač s anténou,” vysvětluje John D. Bard, generální ředitel výrobce nového softwaru, jímž je firma Space Coast Communication Systems z floridského Melbourne.

SUPERCHYTRÝ STROJ
Aktivity armády v oblasti softwarově řízeného vysílání jsou pouhou předehrou k tomu, co mnozí považují za vrcholné řešení bezdrátové budoucnosti – vysílání s rychlým přelaďováním kmitočtu. Zařízení tohoto typu může přeskakovat mezi prázdnými místy spektra, fungovat v nejrůznějších pásmech a v prostorech, jenž jsou momentálně nevyužity. Americké ministerstvo obrany financuje prostřednictvím své agentury DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) vývoj tohoto superchytrého systému, který by měl dokázat samostatně podrobně prohledávat rádiové vlny a zjišťovat neobsazená místa. Jestliže se do těchto frekvencí natlačí jiní uživatelé, vysílač zvýšený provoz zpozoruje a okamžitě vyhledá volnou skulinku v ostatních pásmech.

Generální ředitel Vanu Bose ze společnosti Vanu, která softwarově řízené vysílání vyvíjí, upozorňuje, že vývoj prakticky fungujícího systému bude trvat nejméně deset let. Vysílač do reálného provozu musí spolehlivě zjistit, že jsou prázdná pásma opravdu k dispozici, a přitom nesmí rušit komunikaci ostatních uživatelů. “Musíme dokázat, že nebudeme na obtíž,” prohlašuje Preston Marshall, který má v agentuře DARPA nový systém na starosti. Odborníci se shodují, že pokud by se tak citlivý rádiový systém objevil, přenosová kapacita by se zvýšila až desetkrát.

Lákavá vidina změnila názor některých amerických regulátorů a mnozí z nich dnes rozvoj převratných technologií sami propagují. Zastřešující Federální komunikační komise (FCC) však pravděpodobně zvolí pomalejší postup a bude uvolňovat malé bloky spektra, které má pronajaté armáda i jiné subjekty. Až se přehradní hráz naruší, záplavě už nic nezabrání. Bezdrátoví novátoři mohou v zátopovém území vyzkoušet své nejdivočejší sny a všichni ostatní pak třeba vstoupí do éteru bez hranic.

Rádiová revoluce Vysílací frekvence byly řadu let považovány za drahocenný přírodní zdroj a byly pečlivě rozparcelovány. Tři nové technologie, které představujeme na těchto stránkách, upozorňují na nutnost uvolnění části rádiového spektra z regulačních pout. Novinky mohou urychlit technický pokrok v bezdrátových komunikacích a zároveň změnit systém, jakým státy na celém světě omezují využití rádiových frekvencí.

Klasické a mobilní vysílače: Vysílání ve všech směrech
Éter je rozdělen na vlnová pásma reprezentující rozsahy frekvencí, využívané pro různé účely. Rozhlasové stanice VKV vysílají na frekvencích kolem 100 MHz, americké mobilní telefony na 1,9 GHz, sítě Wi-Fi na 2,4 GHz atd. V mobilních sítích udržují spojení mezi účastníky základnové stanice. Když se volající vzdaluje od jednoho vysílače, signál slábne – do té doby, než ho základnová stanice “předá” jinému vysílači v příslušném směru.

Inteligentní antény: Míří přímo na vás Staromódní antény vysílačů mobilní sítě (nahoře) chrlí energii všemi směry jako fontána. Inteligentní anténu (dole) lze přirovnat spíše k zahradní hadici: “stříká” pouze jedním směrem a brání tak zahlcení sítě v jiných směrech. Jeden z těchto systémů – vyvinutý firmou Vivato – se skládá ze 128 antének o velikosti tužky, z nichž každá odesílá po vlnách část dat, ale v jiný okamžik než ostatní. Tam, kde vlnění jedné anténky začne slábnout, vyzařování jiné může vrcholit. Jako systém pak vlnění vytvoří svazek elektromagnetického záření formovaný tak, aby dosáhl vytčeného cíle.
Kupuj! – Prodej! – Počkej!
Pramen: Vivato, RHK

Meshové sítě: Diskrétní šepot. Telefonáty v mobilní síti dnes pohlcují šířku pásma stejně jako dva lidé, kteří překřikují dav. Meshové sítě se naopak podobají skupině lidí, kde se zpráva předává diskrétně od člověka k člověku jakoby tichou poštou. Koncové zařízení každého uživatele - přenosný počítač nebo telefon – slouží jako základnová stanice a předává signály dalším uživatelům a ti zase dalším. Podmínkou je jen to, aby alespoň několik uživatelů mělo spojení se síťovou bránou. Pramen: Skypilot Network, Tropos Networks, MeshNetworks

Agilní vysílače: Konec dopravního kolapsu Dnešní rádia, mobilní telefony a všechny ostatní bezdrátové přístroje jsou konstruovány tak, aby fungovaly v konkrétních frekvenčních pásmech. Obsazují je podobně jako auta, která najíždějí do dálničních pruhů. Agilní, rychle přelaďované vysílače naopak posílají signály do prázdných míst v jakémkoli daném pásmu včetně frekvencí vyhrazených pro televizi nebo veřejné použití. Software upraví signál tak, aby se vešel do potřebného prostoru. Konečným cílem je takový systém, který umí zmapovat celé spektrum, vyhledat prázdná místa v téměř jakémkoli pásmu a překonfigurovat signál tak, aby se do příslušného místa přesunul. Pramen: Raytheon