FUNCTIONAL CAPABILITIES OF MODERN EQUIPMENT FOR PACKET MILLIMETER-WAVE RADIO COMMUNICATIONS

Full Text

Введение На сегодняшний день основную часть капитальных затрат оператора занимает строительство сетей связи, включающих в себя линии, программное обеспечение и объекты связи. Быстро вводимыми в коммерческую эксплуатацию считаются кабельные линии, такие как волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Сложнее ситуация обстоит со строительством радиосетей. Основная сложность заключается в присвоении частот и согласовании частотно-территориального плана. Данный процесс может занимать от 6 месяцев до 1,5 лет, причем все это время построенные объекты нельзя ввести в коммерческую эксплуатацию, за исключением настройки оборудования и тестовых испытаний. В то же время потребности пакетной передачи данных по радиоканалам постоянно растут и важную роль здесь начинают играть радиорелейные станции (РРС) миллиметрового (ММ) диапазона волн. Во-первых, появилась технологическая возможность изготовления компонентов, работающих в ММ диапазоне частот. Во-вторых, возрастающая загрузка широко используемых микроволновых диапазонов (6-38 ГГц) подразумевала, что проектировщики должны начать рассматривать альтернативные диапазоны частот. Наконец, с достижением мегабитных и гигабитных скоростей передачи данных в сетях связи новых поколений, требовались новые парадигмы для создания беспроводных систем связи. В настоящее время частоты 71-76 и 81-86 ГГц широко используются системами радиодоступа для организации сверхвысокоскоростных (до нескольких Гбит/с) полнодуплексных линий связи различных сетевых топологий: от простейших «точка-точка» до сложных кольцевых структур [1-2]. Особенности распространения радиоволн ММ-диапазона Ослабление радиосигнала в атмосфере. Известно, что после резонансного пика поглощения, превышающего 10-15 дБ на частотах близких к 60 ГГц, следует окно прозрачности на участке частот 70-100 ГГц. Здесь вносимое атмосферой, точнее содержащимся в ней молекулярным кислородом, ослабление сигнала на километр дальности составит не более 0,5 дБ, то есть будет незначительно превышать ослабление на частотах традиционных радиорелейных систем диапазонов от 23 ГГц и выше. Данное обстоятельство послужило одной из предпосылок для освоения именно этого участка частот [3-4]. Ослабление радиоволн при дожде различной интенсивности. В зависимости от интенсивности дождя ослабление сигнала может колебаться от 1 дБ/км в случае изморози до 20 дБ/км при сильном ливне интенсивностью 50 мм/ч, который в центральной и европейской части России в июне-июле месяце - явление довольно частое. Облегчает ситуацию то, что сильные ливни, как правило, носят кратковременный характер и имеют небольшую территориальную протяженность. Коэффициент ослабления в снегопадах с сухим снегом существенно меньше, чем в дожде. В итоге при сильном дожде на интервале длиной 4-5 км суммарное ослабление сигнала, получаемое из ослабления сигнала в поле свободного пространства, в атмосфере и дожде может достигать величин 180-190 дБ, тогда как для РРС диапазонов до 13 ГГц, расчетная величина ослабления сигнала на тех же 4-5 км не превышает 130 дБ. Успешная работа систем E-диапазона в условиях таких значительных ослаблений сигнала обеспечивается за счет нескольких факторов. Первый фактор - это использование низкоскоростных, и, как следствие, менее требовательных к уровню принимаемого сигнала типов модуляции BPSK и (или) QPSK (реже 16QAM-256QAM). Гигабитные скорости достигаются за счет того, что, с одной стороны, отведенная для рассматриваемых РРС суммарная полоса частот составляет 10 ГГц (5000 МГц в 70 ГГц и 5000 МГц в 80 ГГц), а с другой - максимальная ширина канала пока не оговаривается; и большинство производителей для приема и передачи используют полосы до 1000-1250 МГц в 70 и 80 ГГц. При этом дуплексный разнос Tx-Rx составляет 10 ГГц. Второй фактор заключается в том, что в данном диапазоне даже небольшие антенны имеют высокий коэффициент усиления. Сравнивая характеристики антенн Е-диапазона и 23 ГГц, получаем прирост усиления в 10 дБ для диаметра 30 см и 12 дБ для диаметра 60 см. В итоге при использовании антенн диаметра 60 см энергетический бюджет радиолинии увеличивается на 24 дБ. Помимо высокого коэффициента усиления при малых габаритах антенны Е-диапазона формируют очень узкую диаграмму направленности, ширина главного лепестка которой составляет менее 1°. Поэтому при антенне 60 см на расстоянии 4 км получается пятно засветки диаметром порядка 35 м. Для установки аналогичной системы, работающей в том же направлении на объекте, к примеру, на крыше здания, во избежание взаимных помех достаточно разнести их на 20-25 м. Беспроводные системы E-диапазона комплектуются антеннами 30 см или 60 см с усилением 45 дБ и 52 дБ. Благодаря свойству волн частотного диапазона 70-90 ГГц, заключающемуся в том, что при длине волны в 3-4 мм они практически не могут эффективно отражаться в условиях городской застройки, возможность возникновения многолучевого распространения сигнала приводящего к интерференции радиоволн, полностью исключается. Некоторые производители в целях дополнительного увеличения энергетического бюджета радиолинии реализуют различные схемы адаптации оборудования к текущим условиям распространения радиосигнала. Для приближения к предельно возможной скорости передачи информации используют различные способы модуляции и кодирования в различных пространственно-частотных каналах. Одними из наиболее распространенных способов является изменение типа модуляции и скорости кодирования [3-4]. Главные задачи адаптивной модуляции и кодирования - это компенсация нестабильности радиоканала и точная подстройка параметров передачи. Для этого существуют различные методы и средства, улучшающие адаптацию радиоканала, как, например, автоматическая регулировка мощности, адаптивные антенны, динамическое кодирование, размещение каналов и т.д. Адаптивная модуляция (AMR), которая позволяет оборудованию динамически менять тип модуляции и переходить от модуляции высшего порядка к более помехоустойчивой модуляции низких порядков, происходит без генерации дополнительных ошибок и прерывания трафика. Адаптивное кодирование заключается в увеличении избыточности, то есть числа проверочных символов на единицу передаваемой информации, что, в свою очередь, снижает полезную скорость, но увеличивает помехоустойчивость. Эти меры приводят к уменьшению пропускной способности, но помогают избежать полного пропадания связи. AMR представляет собой технологию улучшения ошибкоустойчивости, главным образом, в оборудовании пакетной передачи за счет использования термальной пороговой разницы между элементами иерархии по модуляции, такими как QPSK, 256QAM и т.д. Например, при сильном дожде, вызывающем снижение уровня приема в высокочастотных диапазонах, AMR автоматически обеспечивает доступность сети и выполняет «ошибкозащищенный» (далее без кавычек) выбор при модуляции с более низким порогом. При IP пакетной передаче, то есть в случае неиерархической передачи, ошибкозащищенность является более важным фактором, чем даже значительное уменьшение пропускной способности. При гибридной передаче, тем не менее, рекомендуется удерживать ту же самую пропускную способность даже при ухудшении условий приема. Установка приоритетов между Ethernet-портами и на основе VPN является наиболее важным для поддержания качества сервиса наиболее высокого уровня. Разработка наиболее реалистичных и надежных функций AMR, а также оснащение семейства как у iPASOLINK платформ, поддерживающих возможность установки QoS параметров при работе AMR, выполнены на основе обширного опыта NEC в области распространения сантиметровых и ММ радиоволн [12]. Крайне важным является обработка приоритетов передачи трафика QoS, которая реализована практически во всех системах. Так, например, при передаче разнородного трафика (голос, видео, данные) при падении скорости в случае адаптивной модуляции наибольший приоритет может отдаваться голосу, а наименьший - загрузке данных, например, из Internet. К основным областям применения данного оборудования можно отнести построение беспроводных линий через наземные препятствия, такие как крупные автомагистрали, железнодорожные станции и пути, территории, имеющие историческую и культурную ценность, промышленные предприятия (в том числе закрытые) и водные преграды, к примеру, реки, озера, болота и пр. На базе оборудования E-диапазона можно в кратчайшие сроки развернуть полноценную гигабитную сеть передачи данных в условиях плотной городской застройки с использованием резервирования на базе кольцевой структуры построения сети [6]. Это является актуальной задачей для операторов фиксированной и мобильной связи, а также Internet-провайдеров. Кроме того, при построении оптических колец, системы E-диапазона могут использоваться как вставки в такое кольцо для прохождения сложных участков. При неоспоримом достоинстве в сверхвысокой пропускной способности, системы E-диапазона, по сравнению с традиционными РРС имеют ограничения по расстоянию. К примеру, при коэффициенте готовности линии в 99,995% в зависимости от типа оборудования для европейской части территории Российской Федерации протяженность интервала не должна превышать 4 км. Тем не менее, при снижении требований к доступности линии, например, если есть альтернативный канал связи, протяженность интервала может быть значительно увеличена. Успешное применение данного оборудования обусловлено их высокой пропускной способностью и простотой юридического оформления радиоканала. Они представляют собой недорогую альтернативу ВОЛС, быстро развертываются и не требуют кабельной канализации. Они эффективны для построения распределительных сетей (backhaul) для инфраструктур 4G/LTE, быстрого развертывания временных линий связи, резервирования оптических каналов, колец и последних миль. Такие РРС могут применяться для построения локальных и корпоративных сетей, а также передачи телепрограмм групповым абонентам. С целью выбора оборудования в данной работе проведен анализ представленных на рынке моделей. Анализ оборудования пакетной радиосвязи ММ-диапазона На сегодняшний день данное оборудование представлено следующими марками: E-Link 1000Q (E-Band, США); EtherHaul-1200 (Siklu, Израиль); РРС-1000 (ДОК, Россия); iPasolink (NEC, Япония), Nateks Multilink-E-10G (Россия), FlexPort 80-3000 (BridgeWave, США), UltraLink F80 (Intracom-Telecom), ALFOplus80v1(SIAE Microelettronica, Италия) [2; 7-12]. На территории России могут быть использованы РРС е-диапазона, основные технические характеристики которых представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что максимальная ширина канала представлена у моделей FlexPort 80-3000, MINI-LINK PT 6010, РРС-1000 и E-Link 1000Q. Но данный показатель теряет свою привлекательность при сравнении модуляции данных моделей. Использование QPSK Ericsson, ДОК, E-Band Communications, NEC, Nateks, вместо BPSK Bridge Wave не приводит к потерям, но позволяет вдвое повысить спектральную эффективность за счет сужения полосы в два раза. И как видно из таблицы 1, данные модели и дополнительно ALFOPlus80 v1 обладают наиболее высокой пропускной способностью, но уступают по этому показателю iPasolinkEX. К NEC приближен образец компании Nateks, который способен в спектральных полосах 500 и 750 МГц расшириться до 3000 Мбит/сек. iPasolinkEX может работать на опорных модуляциях от QPSK до 256 QAM при ширине канала до 500 МГц. Это позволяет обеспечить высокую пропускную способность канала. Компактность оборудования позволяет осуществлять быстрый монтаж, легкую эксплуатацию и снизить операционные затраты в части арендной платы за размещение. Хотя надо отметить, что наиболее широко представлены размерность у производителей Intracom-Telecom, ДОК, Nateks. Здесь стоит отметить, что все производители выпускают решения с резервированием. Например, BridgeWave предлагает решение FlexPort 80-3000, которое представляет собой систему с конфигурацией 1+1 или 2+0, построенную на базе продукта FlexPort 80. Напомним, что схема 1+1 предполагает, что к одной антенне через СВЧ-мост подсоединяются два внешних блока (ODU) - один активный, второй резервный. В системах 2+0 два блока ODU также через СВЧ-мост подсоединяются к одной антенне и работают параллельно на разных частотах, за счет чего передаваемые ими потоки можно различить на приемной стороне. Для создания двух каналов передачи данных на одной частоте можно использовать технологию XPIC. В этом случае данные передаются на двух поляризациях: вертикальной и горизонтальной, для чего необходима соответствующая антенна с OMT блоком. Адаптивно связанная цепь между двумя радиостволами с ортогональной поляризацией на совпадающих частотах или двумя соседними радиостволами с чередующейся поляризацией на одной и той же линии, которая используется для уменьшения кросс-поляризационной помехи. Таблица 1.Технические характеристики РРС Е-диапазона, полностью удовлетворяющие требованиям решения ГКРЧ от 15.07. 2010 № 10-07-04-1/ 10-07-04-02 (начало) Производитель Bridge Wave Ericsson Siklu ДОК NEC Модель FlexPort 80-3000 MINI-LINK PT 6010 EtherHaul 1200 PPC-1000 iPasolink EX Диапазон, ГГц 71-76/81-86 71-76/81-86 71-76/81-86 71-76/81-86 71-76/81-86 Максимальная ширина канала, МГц 2×1000 2×1000 500 2×1250 500 Максимальная задержка, мкс 65 65 350 50 - Модуляция BPSK/QPSK QPSK QPSK/16/64QAM QPSK QPSK/256QAM Пропускная способность, Мбит/с 2×1200 2×1000 365 2×1000 2×3200 Конфигурации 1+0,1+1, 2+0 1+0,1+1, 2+0 1+0,1+1, 2+0 1+0,1+1, 2+0 1+0,1+1, 2+0 Дальность действия, км 5-6 2 3 10 4 Разделение по частоте/времени Full duplex Full duplex TDD Full duplex Full duplex Габариты антенн, см 30,60 30,60 30,60 30, 45, 60, 90 30,60 Рабочая температура, С0 -33°; +550C -33°; +550C -45°; +550C - 50°; 60°C -45°; +55°C Таблица 1 (окончание) Производитель NATEKS E-Band Intracom-Telecom SIAE Microelectronica Модель MULTILINK-E-10G E-Link 1000Q UltraLink F80 ALFOPlus80 v1 Диапазон, ГГц 71-76/81-86 71-76/81-86 71-76/81-86 71-76/81-86 Максимальная ширина канала, МГц 250, 500 и 750 2×1000 125 - 500 250 - 500 Максимальная задержка, мкс < 50 мкс 5 5 Модуляция QPSK, 8PSK, 16/32/64 QAM QPSK 16/64QAM/ QPSK 4/16/64 QAM Пропускная способность, Мбит/с 83 - 3000 2×1250 1000 2500 Конфигурации 1+1 1+0,1+1, 2+0 1+0,1+1, 2+0 1+0, 1+1, 2× (1+0) Дальность действия, км 16 5 2,5 6 Разделение по частоте/времени Частотный дуплекс Full duplex FDD, TDD Full duplex Габариты антенн, см 6×8 см и 26×12 см (диаметр × высота) 30, 60 26, 31, 65 20, 30, 60 Рабочая температура -50°; +60°С -45°С; +60°С -45°; 55°C -40°; +55°C Данная функция позволяет удвоить эффективность использования радиочастотного спектра посредством удвоения пропускной способности частотного канала. Соответственно, при такой технологии удваивается скорость передачи данных без расширения полосы сигнала - за счет создания передатчиком двух потоков, работающих в одной полосе, но на ортогональных поляризациях (вертикальной и горизонтальной). При прохождении сигнала через канал распространения происходит деполяризация сигнала, в результате чего нарушается ортогональность, что приводит к необходимости дополнения системы связи устройствами поляризационной компенсации. Технология XPIC позволяет скомпенсировать негативное влияние «соседнего» сигнала и увеличить уровень развязки сигналов в приемнике [6]. В передающей части системы формируется два потока данных, производится перенос обоих потоков на несущую частоту, после чего сигналы поступают в антенну, один с горизонтальной, другой с вертикальной поляризацией. Пройдя через канал распространения, сигналы принимаются приемной антенной. Разделение сигналов производится по поляризационному признаку, однако при передаче через канал связи происходит деполяризация сигналов, таким образом, в каждом приемном тракте оказываются сигналы обеих поляризаций. По пилот-сигналам производится оценка мощности «сигнала-помехи» (сигнала соседней поляризации) и формируются весовые коэффициенты фильтров. На выходе фильтров формируются компенсирующие сигналы, которые складываются с принятыми сигналами для подавления «сигнала-помехи». При изменении уровня кроссполяризационной помехи производится адаптация фильтров для максимального уровня развязки. В самом простом воплощении суть применения процедуры XPIC состоит в том, что по контрольным сигналам, подаваемым последовательно на каждой из ортогональных поляризаций, сначала замеряются уровни «прохождения» сигналов из канала соседней поляризации. В предположении, что измеренные коэффициенты кросс-поляризационной связи не изменяются слишком динамично, полученные коэффициенты используются на этапе приема информационных сообщений для вычитания кросс-поляризационных помех из полезных сигналов. Основным фактором деградации уровней принимаемых сигналов в случае двойной поляризации излучения, как известно, являются атмосферные осадки. Однако при использовании XPIC в сочетании с методами поляризационного кодирования в определенной мере можно снизить негативные эффекты рассеяния сигналов. На сегодняшний день технология XPIC применяется ведущими производителями радиорелейного оборудования. Для основной массы РРС Е-диапазона выпускают антенны двух диаметров: 30 см и 60 см. Компания ДОК предлагает дополнительно модификации с антеннами 45 см и 90 см. Хотя надо отметить, что наиболее широко представлены размерность у производителей Intracom-Telecom и ДОК. Нетиповые размеры представлены у компаний SIAE Microelectronica и Nateks. ДОК и Nateks - это единственные производители, которые заявляют дальность расстояния порядка 10 км и 16 км соответственно. Все РРС, за исключением EtherHaul-1200 производства Siklu и UltraLink F80 от Intracom-Telecom, работают в режиме FDD и обеспечивают двустороннюю передачу гигабитного потока Ethernet. В итоге при невысоких требованиях к пропускной способности можно выбрать РРС EtherHaul-1200 производства Siklu и UltraLink F80 производства Intracom-Telecom. Наилучшими энергетическими показателями обладает РРС Е-link-1000Q компании E-Band (системное усиление 192 дБ), она же работает в самом широком температурном диапазоне от -45 до +60°C. Большее системное усиление: 195 дБ заявлено только у РРС-1000 производства ДОК, но при этом используются антенны 90 см, а не 60 см. При выборе следует также учитывать отлаженность технологии и объем необходимых ручных операций при настройке оборудования. Большой практический интерес вызывает оборудование, опережающее все вышеуказанные модели, Nateks MULTILINK-E-10G за счет дальности расстояния и уступающее компании NEC по пропускной способности. Но самыми выдающимися, на наш взгляд, показателями обладает оборудование iPasolinkEX: - пропускная способность до 3,2 ГБит/с, в режиме радиоагрегации (нужно два iPasolinkEX) до 6,4 ГБит/с; - большой набор схем модуляции (от QPSK до 256QAM) с адаптивным функционированием (R1.5/R2.0: от QPSK до 256QAM); - ширина канала до 500 МГц; - поддержка адаптивной модуляции AMR; - поддержка технологии XPIC; - поддержка VLAN по протоколам 802.1q и 802.1ad; - широкий функционал QoS; - защита от «петель» с помощью протокола MSTP; - синхронизация с помощью Synchronous Ethernet и протокола IEEE 1588v2; - поддержка множественных портов GbE/FE: до 3 ед.; - сменные антенны разного диаметра без необходимости повторного ориентирования; - синтезированные каналы RF для простоты использования; - доступны методы сжатия заголовков L1/L2/L3/L4; - эффективное сетевое планирование через соединение GbE высокой пропускной способности; - надежность операторского класса вплоть до 99,999%; - высокозащищенная антенна с узконаправленным лучом; - коды LINK ID, устанавливаемые пользователем; - средства управления паролями множественного уровня на M-плоскости; - регулируемая скорость передачи данных для звеньев сети разной длины на одном и том же оборудовании; - широкий диапазон входных напряжений в сети; - низкий уровень энергопотребления; - возможность питания через PoE; - синхронизация по SyncE; - функция локального и дистанционного наблюдения за оборудованием с помощью встроенного Web (HTML) административного агента или опции управления по протоколу HTTPS с защищенным доступом; - дистанционное наблюдение за условиями работы оборудования с помощью Web административного агента; - средства защиты от «закольцовывания» порта GbE/FE [12]. Заключение Проведенный анализ оборудования показывает, что под каждую задачу можно подобрать оптимальное решение по цене и техническим параметрам. Необходимо отметить российские разработки компаний Nateks и ДОК которые уступают только NEC по показателю пропускной способности.

About the authors

Dmitriy Sergeevich Klyuev

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: klyuevd@yandex.ru

Sergey Aleksandrovich Korshunov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: sergei_korshunov@mail.ru

Svetlana Vasilyevna Sitnikova

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: sitnikovasv@mail.ru

Yuliya Vladimirovna Sokolova

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: ula.81.81@mail.ru

Sergey Evgenyevich Platonov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: platonovse@mail.ru

References

Supplementary files