Исследование: расширенное использование данных сотовых сетей замедляет производительность WiFi
Если подключение WiFi становится медленным, когда пользователь пытается отправить быстрое электронное письмо на свой смартфон, то можно просмотреть параметры сети и узнать, сколько сетей Wi-Fi работает вблизи. Фактически, это множество вариантов само по себе является проблемой. Эти сети конкурируют друг с другом, ограничивая скорость работы каждой из них.
Исследователи из Чикагского университета продемонстрировали, как усиление сетевой конкуренции может негативно повлиять на интернет-услуги для обычных пользователей. Конкуренция между сетями возникает, когда они работают в общих диапазонах спектра или диапазонах частот для электромагнитных волн. В частности, Wi-Fi использует спектр, который является "нелицензированным". Это означает, что любое устройство или сеть может использовать этот спектр при соблюдении определенных правил передачи, установленных Федеральной комиссией по связи (FCC).
"Нелицензионный спектр доступен буквально для всех; любой может использовать его в пределах, установленных Федеральной комиссией по связи", - объяснила Мониша Гош, член-корреспондент факультета компьютерных наук Чикагского университета и профессор исследований в Притцкеровской школе молекулярной инженерии. Услуги сотовой связи в основном полагаются на совершенно отдельную полосу спектра, которую поставщики лицензируют у FCC через аукционы спектра, хотя это изменилось с ростом спроса на сотовые данные и ограниченную полосу пропускания. Когда оператор сотовой связи лицензирует полосу спектра у FCC, они оставляют за собой право исключительного использования. В результате сети, работающие на лицензированных диапазонах, испытывают небольшие помехи. Это позволяет поставщикам предоставлять быстрые и надежные услуги, но за это приходится платить. "За последние пять лет в мире сотовой связи выросло количество пользователей и количество необходимых данных", - сказала Гош. "Поставщики услуг сотовой связи начали испытывать нехватку спектра, а лицензированный спектр стоит миллиарды".
Чтобы улучшить пропускную способность без ущерба, эти провайдеры начали также использовать нелицензированный спектр через сотовые сети, используя режим, называемый лицензированным вспомогательным доступом (LAA), который работает в тех же диапазонах, что и для Wi-Fi. Группа Гош намеревалась изучить, как это совместное использование нелицензированного спектра, называемое сосуществованием, влияет как на пользователей Wi-Fi, так и на пользователей сотовой связи. "На самом деле мы обнаружили станцию LAA, расположенную в кампусе Калифорнийского университета в Чикаго, на столбе перед книжным магазином, и в нем также используется Wi-Fi", - сказала Гош. "Это предоставило экспериментальную платформу на нашем заднем дворе, поэтому мы начали проводить измерения".
Получая доступ к нескольким сетям одновременно, группа обнаружила, что конкуренция снижает производительность - уменьшая объем передаваемых данных, скорость передачи и качество сигнала. Эта конкуренция особенно сильно ударила по Wi-Fi. Когда LAA также активно использовалась, объем данных, передаваемых пользователями Wi-Fi, уменьшился до 97%. И наоборот, данные LAA показали снижение только на 35% при использовании Wi-Fi. Гош объяснил, что несовместимость между Wi-Fi и LAA частично объясняется различными протоколами, которые каждый использует для работы с интенсивным интернет-трафиком.
"Если все начинают использовать спектр одновременно, это создает помехи, и никакая информация не проходит", - сказала Гош. "Но Wi-Fi и сотовая связь разработали совершенно разные механизмы для решения этой проблемы". Поскольку Wi-Fi зависит исключительно от нелицензионных спектров, он использует протокол, адаптированный к непредсказуемому спросу. Этот протокол, называемый "слушай перед разговором", имитирует взаимодействие группы вежливых тусовщиков. Участники слушают и ждут перерыва в разговоре, чтобы высказаться. Если два человека начинают говорить одновременно, один вежливо отступает, чтобы дать слово другому, а потом вмешивается. Точно так же, если несколько пользователей Wi-Fi пытаются получить доступ к сети одновременно, каждому назначается короткое время ожидания, и случайность среди этих промежутков ожидания снижает вероятность конфликта. В отличие от этого, операторы сотовой связи могут прогнозировать спрос на основе доступа к сотовой сети и, таким образом, назначать каждому пользователю определенное время передачи. Таким образом, пользователи LAA больше похожи на спикеров на жестко запланированных коллоквиумах, чем на неформальной вечеринке. Это различие в протоколах не создавало проблем, когда провайдеры сотовой связи были ограничены лицензированными спектрами, но поскольку они перешли на нелицензированные спектры, параметры доступа к каналу, которые использует LAA, затрудняют пользователям Wi-Fi получение равного доступа к среде. Несмотря на то, что LAA недавно изменила жесткое планирование, используемое в сотовых диапазонах, для реализации "слушай перед разговором", он все еще работает с другими параметрами. Одно из важных различий заключается в том, как долго каждая система удерживает среду после получения доступа: LAA может передавать до 10 миллисекунд, тогда как передачи по Wi-Fi длится всего до 4 миллисекунд.
Конкуренция в области совместного использования спектра происходит не только между поставщиками Wi-Fi и сотовой связи, но и внутри каждого типа сети. "В наших экспериментах мы сравниваем сосуществование Wi-Fi / Wi-Fi с сосуществованием Wi-Fi / LAA", - сказал Гош. В будущих исследованиях она также надеется изучить, как сети LAA, предоставляемые разными операторами сотовой связи, конкурируют друг с другом. Кроме того, на основе своего исследования Гош посоветовала регулирующим органам, как лучше согласовать сетевые протоколы.
