Какая должна быть домашняя телекоммуникационная система?

в 9:14, , рубрики: будущее здесь, децентрализованные системы, домашняя инфраструктура, домашняя сеть, инфраструктура дома, телекоммуникационные системы, умный дом

Предлагаю рассмотреть, подумать над концептом домашней телекоммуникационной системы (Home Telecommunication System, HTS), а конкретнее, её инфраструктуры.

Зачем нужна? Чтобы пользоваться своими гаджетами, PC и прочими разнообразными электронными девайсами, хоть как-то использующими (или потенциально способны на это) информационные потоки, будь то передача данных во всех её ипостасях или разнообразные аналоговые аудио, видео,…

И как это сделать? Можно (и нужно!, но на коленках невозможно, хотя бы уже поэтому и концепт) собрать из всех уже существующих энтерпрайзных решений.

Пока звучат очень общие слова; чуть более подробная и конкретная мысль по древу потечёт далее.

Цель статьи: создать максимально понятное представление какая должна быть современная HTS; бросить зёрна :)

«Стек» HTS — классический:

1) физическая инфраструктура передачи данных, сore infrastructure.
2) интеллектуальное управление этой инфраструктурой, системными (и, возможно, пользовательскими) сервисами.

Это основные, базовые задачи. Остальное — будет расти уже над ними. Остальное — это существующие и будущие софт и девайсы, которые и будут делать, как мне представляется, основные фичи именно для пользователя и cash для производителей софта/девайсов. Вполне приемлема аналогия с компами: технически стандартизированный рынок, на базе которого взросло огромное количество (в т.ч. в $) софта и сопутствующего железа. Другими словами: компы — это HTS, софт на компах — это приложения в HTS и куча девайсов. Аналогию с компами привёл ещё и потому, что из неё хорошо видно, как HTS из очередной маниловщины можно превратить в вполне осязаемый продукт для производителей и потребителей (иногда буду вещать штампами).

HTS — это просто следующий виток способа организации работы с информацией вокруг человека в домашней среде. И следующий этап — работа единой сети HTS (Global HTS, GHTS).

По умолчанию речь идёт о пространстве внутри квартиры, дачи, частного дома (далее все типы называет «домом») и прилегающем пространстве. Всё рассматриваем именно для рынка домохозяйств, home user.

Сначала типичные пользовательские сценарии и их решение (неупорядоченно и несистемно, с пересечениями).

1. Запросы пользователя

1.1. Свобода передвижения (мобильность)

Задача: Передвигаться по своему дому с WiFi, Bluetooth-девайсами (в т.ч. располагать их стационарно), не задумываясь о местонахождении оборудования (точек доступа, AP), коллизиях с другим оборудованием, бытовыми приборами своими и соседей…

Решение: Сети WiFi и Bluetooth (BT) с контроллером и AP.

1.2. Свобода мультимедии

Задача: Смотреть, слушать и даже передавать медиаконтент с минимальными телодвижениями, почти не задумываясь куда какой очередной аудио-видео (АВ) кабель кинуть, как настроить трансляцию по сети и т.п.

Решение: (а вот тут кратко опять только общие слова) Внедрение (и доработка) выживших и перспективных стандартов, относящихся к передаче и воспроизведению мультимедиа на различных устройствах.

Банальный бытовой пример: воспроизведение аудиопотока со смартфона. Смартфон цепляется к наушникам по BT. Зашёл за угол, «неудачно» отвернулся — и всё. Как изменить ситуацию, ничего не меняя в пользовательских устройствах? В доме — сеть BT, а наушники и смартфон подсоединяются не к друг другу, а к сети BT; дальше очевидно.

1.3. Доступ во внешний мир (где инет, конечно, основной)

Задача: Иметь максимально быструю и надёжную связь с внешним миром, не забивая голову, через что здесь и сейчас лучше — свой кабельный инет, 4G, вплоть до публичного WiFi, соседней сети (если там тоже HTS)…

Решение: Найти, проанализировать и оптимально использовать все имеющиеся ресурсы (=каналы связи) с внешним миром.

1.4. Коммуникации людей

Задача: Общаться текстом, голосом, видео, не задумываясь (далее — см. п.3).

Решение: Поверх решения п.3

1.5. Хранение данных

Задача: Надёжно хранить свои (и не свои) разнообразнейшие данные.

Решение: СХД, использующая все доступные внутренние и внешние ресурсы.

1.6. Умный дом

Задача: (авто)управление инженерными системами дома.

Решение: нужен «мозг» с подключением к этим инженерным системам.

[что ещё дома нами востребовано?]

2. Реальность + небольшой взгляд на перспективу

Быстро пройдёмся по каждому пункту что имеем на сегодняшний день по каждой части.

2.1. Мобильность

Тут интересует железная реализация — вдруг велосипед уже есть; технологии передачи данных можно пока не обсуждать: имеем на борту WiFi, BT.

Свойства Домашний маршрутизатор + репитеры Смарт-системы Бюджетное из корпоративного (Small Medium Business)
Функционал 1 AP несколько AP (mesh, но не всегда): плохое использование Frequency Band, частотный диапазон, ниже скорость скорее всего, нет автооптимизации сети
Сложность использования почти plug'n'play относительно несложная настройка plug'n'play требуется соотв-я квалификация
Стоимость $ $$ $$$ $$$$

Под нашу задачу подходят только полноценные контроллеры WiFi, умеющие «правильно» взаимодействовать с клиентами, слушать и помехи, и чужие сети, далее на основании всех полученных данных на автопилоте оптимально распределять мощность, частоты и даже направленность излучения своих AP. Ближе всего — недешёвые системы из SMB-сегмента, у которых обрезан функционал. Насколько понимаю, сейчас нишу постепенно занимают смарт-системы (например; и здесь уже не mesh).

По BT никаких сетевых решений не припомню. Если и есть, то уникальные, нестандартные, примерно как в статье Tarson и в комментах к ней.

2.2. Мультимедия

В отличие от предыдущего пункта, тут — наоборот, интересуют не девайсы, а используемые стандарты и протоколы — то, что должна поддерживать инфраструктура.

Ну тут приличный набор и технологий, от условно стандартных/универсальных Miracast), DLNA) до вендорных/проприетарных AirPlay, Google Cast, WiDi и (пока?) экзотических WHDI. Смотря в призрачное будущее, если запустятся протоколы типа WiGig, то и мультимедийные стандарты будут кардинально меняться/создаваться.

Итого: имеем зоопарк без явного лидера.

2.3. Коммуникации с внешним миром

Также интересуют именно протоколы/стандарты, по которым наш дом смотрит наружу (и снаружи смотрят в наш дом). Можно, при желании, заняться классификацией, например: проводные и беспроводные, цифровые и аналоговые и т.д. Пока достаточно перечислить.

1. Конечно же, медный Ethernet, который 10/100/1000Base-T. И даже 10G.
2. То же, но оптика. Тут помним про встроенные и SFP-интерфейсы. Последние не присутствуют в оборудовании для дома, но почему бы и нет.
3. Чуть захватываем зону ответственности оператора/провайдера — различные xPON, туда же и разные ответвления/развития типа GEPON.
4. Постепенно отмирающие xDSL. Подозреваю, что во многих местах планеты технология живёт и здравствует, поэтому оставляем.
5. Мобильная (которая сотовая) связь. Поколения от 2G до 4G с прицелом на 5G (краткая табличка — внизу статьи). Помимо самих стандартов, ещё помним про разбросы используемых частот по странам.
6. Спутниковая связь. В рамках нашей системы — как ещё один (Ethernet) канал.
7. Публичный WiFi. Видимые открытые WiFi-сети.
8. Цифровое телевещание, пять групп форматов ATSC, DMB, DTMB, DVB, ISDB. Забегая вперёд, сразу можно сказать — аналоговое вещание отметаем, слишком дорого по ресурсам обработки впихивать его в домашнюю систему.
9. Аналоговые телефонные линии (FXO).

2.4. Коммуникации людей

Общение происходит через PSTN, на сегодняшний день включающей в себя от аналоговых линий до мобильных операторов, и пока не зарегламентированный государственными бюрократиями инет. Пользовательские терминалы, от железа к софту: аналоговые аппараты, мобильные телефоны, специализированные (видео, SIP, DECT и т.п.) терминалы, софт на девайсах.

На текущий момент у среднестатистической семьи получается приличное многообразие почти никак не связанных между собой аппаратных и софтовых клиентов, работающих практически по всем внутренним и внешним каналам связи. У каждого человека — целый набор устройств, и даже если откинуть все мало/редкоиспользуемые и оставить смартфон, то и на нём — зоопарк приложений.

2.5. Хранение данных

Типичное: в смартфонах (фото), на компах (всё), для продвинутых — «облака». Особо продвинутые (доли %) умеют полу- и автоматом синхронизировать.

Не существует решений для рядового пользователя, позволяющего без углублений в айтишный мир качественно (надёжно, быстро, безопасно, на разных девайсов и т.п.) хранить и пользоваться своими данными.

2.6. Умный дом

По всем предыдущим задачам есть какое-то понимание, вполне понятные наборы и сочетания технологий, девайсов. Тут же, очередной раз натыкаясь на очередную статью про умный дом, обычно вырывается нечто вроде «будь прокляты оба ваши дома». Кто во что горазд, и что только не придумано по чёрт знает скольким странным (для дома) технологиям. Все решения из коробки сводятся примерно к лампочке/розетке, управляемых с телефончика (о да, умный дом!). Всё остальное выглядит монструозно, нетиражируемо, дорого.

Итак, что имеем. Требования пользователя плохо коррелируют с реальными реализациями. Комплексного решения не существует. Ситуация по каждому виду функционала примерно как в табличке про WiFi.

3. Описание системы

Как видится HTS.

Какая должна быть домашняя телекоммуникационная система? - 1

3.1. Схема-топология

Комплекс строится по принципам программно-определямых (SDx) систем под управлением ИИ (употребляю не моде в угоду, а токмо сути истинной ради). Принципиально то, что HTS должна больше работать не в традиционной парадигме (особенно ручками набиваемых) шаблонов, а в реальном времени самостоятельно динамично обеспечивать оптимальную телеком. среду в каждый момент времени.

HTS сочетает элементы и централизованной системы (есть ядро), и децентрализованной (компоненты обладают некоторой автономностью). В рамках GHTS, соответственно, есть общая логика взаимодействия внутри GHTS и есть режим полной автономии HTS.

Всё управление системой выполняется основным и обязательным компонентом MainBox; это ядро и мозг системы. Остальные компоненты (обозначаются как xBox) опциональны, имеют свои специализации, содержат минимум интеллекта, но достаточного, например, для работы в текущем режиме при отваливании ядра.

WLBox обеспечивает все возможные беспроводные интерфейсы.

MediaBox предназначен для подключения медийных устройств (ТВ, мониторы, компы) в HTS.

OutWLBox является вариантом WLBox для установки максимально близко к краям помещения, а для частных домохозяйств и за пределами дома. Помимо прочего, обеспечивает связь с мобильными операторами.

mWLBox — усечённый вариант WLBox для поддержки самых распространённых протоколов WiFi и BT. Чем больше их в доме, тем лучше.

Все интерфейсы между всеми компонентами HTS — 1/2.5/5/10G Ethernet, WiFi и HomePlug — работают как один канал связи. Каждый компонент HTS имеет на борту эти три комплекта интерфейсов.

Все внешние проводные коммуникации также через MainBox, беспроводные — в первую очередь, через OutWLBox.

Каждый беспроводной интерфейс каждого компонента работает внутри своей распределённой сети. Контроллеры сетей (которые в MainBox) знают друг о друге и используют это инфо (есть условный «суперконтроллер»). Получаем:

— оптимальное использование радиочастотного диапазона внутри HTS;
— отсутствие коллизий внутри каждой сети и между сетями HTS;
— сведение к минимуму проблем с другими (неуправляемыми HTS) источниками-помехами;
— индивидуальное отслеживание состояния каждого пользовательского устройства, предоставление ему максимальной пропускной способности канала;
— автоматические роуминг и handover;
— и ещё целый ряд специфичных и не очень возможностей.

Беспроводные сети требуют минимизации расстояний между компонентами из-за особенностей протоколов BT и WiFi. В частности, небольшие зоны максимально достижимой скорости передачи данных. Специально для этой цели — mWLBox. Чем больше AP, тем меньше их мощность на передачу, тем более сегментированный радиодиапазон.

В идеальном случае, когда в соседних квартирах также развёрнуты свои HTS и между ними есть связь (чем более высокоскоростная, тем лучше), все перечисленные фичи работают ещё более эффективно — все соседние HTS автоматически не только договариваются друг с другом об использовании радиодиапазона, но и пытаются создать единую сеть (с учётом некоторых ограничений, например, запрет или сильное ограничение использования внешних соединений соседнего HTS с лимитированным трафиком).

3.2. Компоненты

Общее для всех компонентов HTS:

— питание как от электросети, так и по PoE (кроме самого MainBox);
— интерфейсы для работы в сети HTS — 1/2.5/5/10G Ethernet, WiFi и HomePlug;
— имеют самые распространённые интерфейсы для работы с пользовательскими устройствами, такие как WiFi и BT;
— начинка (кроме MainBox) — связки SoC + FPGA;
— вся логика работы радиоинтерфейсов, от управления до радиомодулей — перепрограммируемая, что позволит без изменения железа и без участия пользователя устранять баги, выбирать региональные шаблоны, менять параметры при изменении региональных стандартов;
— режим сохранения максимальной работоспособности при потери ядра.

3.2.1. MainBox

Включает в себя сервер, коммутатор, комплект беспроводных интерфейсов и ИБП.
На сервере крутиться весь набор софта — виртуалка(и)/ОС, контроллеры и т.п. Состав железа (процессор, память) будут понятны после конкретизации задач, понимания состава софта. Очень предварительно — десктопный процессор уровня Core i5/i7, Ryzen 5/7.

Коммутатор, как и во всех остальных компонентах, работает по принципу SDN. Смотрящие внутрь HTS-сети Ethernet-порты — не хуже PoE+ (30 Вт). В идеале — 60 Вт. Также через него все проводные подключения наружу к провайдерам услуг (Communications service provider, CSP).
ИБП обеспечивает весь комплекс электропитанием. Строится по идеологии онлайн-преобразования (возможно, что-то похожее на проработку R4ABI).

3.2.2. WLBox

Компонент, обеспечивающий сетевые соединения:

— внутри HTS;
— HTS с домашними девайсами;
— между HTS в рамках GHTS.

Комплект примерно такой:

— WiFi: 802.11ac и 802.11n с развитием до ax, ad с развитием до ay, aj, af, ah;
— BT: BT 5;
— IoT: Zigbee, Z-Wave, набор LPWAN;
— DECT;
— Ethernet: autosense 1/2.5/5/10G (PoE 802.3bt Type 4 — для MainBox точно; возможно, для компонентов, которые пользователь включит в электросеть). Для сети компонентов HTS и для подключения домашних устройств;
— HomePlug: HomePlug AV2;
— Femtocell (или Picocell): под большим вопросом (надо копать).

Перечислена желаемая спецификация. Есть условность в разбитии по группам — например, часть WiFi-стандартов также используются для IoT. Все протоколы/стандарты — в максимальной реализации. Результатом должен быть компромисс, в первую очередь, между техническим функционалом, размерами, совместимостью. Должна быть спроектирована антенно-фидерная система, покрывающая все (или подавляющее большинство) реализации применяемых интерфейсов. Требуются серьёзные R&D.

3.2.3. mWLBox

Сильно усечённая версия WLBox с самыми распространёнными интерфейсами (WiFi, BT) для установки в условных «белых» пятнах. Чем больше установлено в доме, тем лучше.

3.2.4. OutWLBox

Обеспечивает работу пользовательских устройств на границе дома, связь с внешними беспроводными сетями: сотовыми операторами, спутниковыми навигационными системами. Основные задачи:

— охват внутренних и ближайших внешних границ дома;
— связь с пользовательскими устройствами за пределами дома, выделение их из высокоскоростной внутридомовой сети;
— голосовая связь и передача данных по сетям сотовых операторов;
— геолокация по спутниковым навигационным системам;
— коннект с соседними HTS;
— коннект с соседними открытыми сетями WiFi (резервный канал при аварии основных).
Устанавливается на границе дома; варианты:
— квартира: у окна, на балконе/лоджии;
— частный дом: у окна, с внешней стороны стены.

Набор интерфейсов аналогичен WLBox с меньшим количеством портов Ethernet и USB, плюс сотовые операторы (3/4/5G), спутниковые глобальные и региональные навигационные системы (GPS, ГЛОНАСС, ...).

В дальнейшем для частных домов можно разработать отдельную версию OutWLBox для установки на крыше.

3.2.5. MediaBox

Компонент, обеспечивающий работу медийных устройств в HTS. Фактически состоит из двух частей: набор беспроводных интерфейсов и MediaCenter. Состав набора беспроводных интерфейсов подобен WLBox с возможными незначительными корректировками. Если в комнате установлен MediaBox, то WLBox в этой же комнате будет, скорее всего, избыточен.

Задачи MediaCenter:

— передача мультимедийного (аудио, видео) потока на устройства отображения/озвучки (мониторы, ТВ, проекторы, разнообразные аудиоусилители) по стандартным мультимедийным интерфейсам (HDMI, DVI, DisplayPort, Thunderbolt, аналог. аудио);
— работа по беспроводным стандартизованным и вендорным протоколам с поддерживающими их устройствами (см. п.2.2);
— получение мультимедийного потока по стандартным интерфейсам с пользовательских устройств.

4. Общие размышления

Система весьма сложная и по железу, и особенно по софту. Софт, ест-но, надо сопровождать. И это всё надо продавать масштабно, и не в пределах одной страны.

Мне видится, что разработку такой системы могут потянуть только гиганты типа (в алфавитном, а не вероятностном порядке) Cisco, Google, HP, Huawei и подобные [в пару этих контор закидывал своё предложение (в другом виде, ест-но :) ) — полный игнор]. Почему — причину уже сказал: даже компоненты очень непростые для реализации, а уж что говорить про систему в комплексе. Для примера достаточно посмотреть, как долго и мучительно эти же компании строят только свои WiFi решения. Аналогично с сетевым мониторингом. А когда появилась концепция SDN, и где она пока сейчас? И так можно пройтись по многим ключевым вещам.

С другой стороны, есть целый ряд причин, по которым идея HTS внутри этих контор, скорее всего, не выстрелит.

Заманчива идея компании с нуля для реализации (как минимум, разработки) HTS. Помимо приличных финансовых вложений и грамотного (да, уже смешно, но дайте пофантазировать) менеджмента останется самое главное — продажи.

Как мне видится, HTS, особенно GHTS, реализующая «умную» телеком. инфраструктуру дома, имеет огромный обоюдовыгодный потенциал для всех участников системы (производителей/продавцов и пользователей).

Автор: Вадим Животовский

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля