DESIGN OF CORPORATE MOBILE RADIO NETWORKS BASED ON ROF TECHNIQUE

Full Text

Введение Инфраструктура сетей корпоративной подвижной радиосвязи должна обеспечивать возможность ее использования в местах, где отсутствуют или развернуты в недостаточной мере другие сети связи. Для этих целей корпоративные сети связи должны обеспечивать поддержку нескольких сетей радиосвязи различной ведомственной принадлежности. На рис. 1 приведена структурная схема, отражающая классификацию сетей радиосвязи различного назначения. Рис. 1. Классификация сетей подвижной радиосвязи Корпоративные сети подвижной радиосвязи представлены на этой схеме различными блоками. Это могут быть спутниковые или наземные системы радиосвязи с подвижными объектами, как федеральные, так и региональные СРПО. Последние в свою очередь могут быть реализованы в виде сотовых, транкинговых, радиальных или радиально-зоновых сетей радиосвязи. Возможность использования ресурсов сетей подвижной радиосвязи пользователями всех категорий должна основываться на применении единых алгоритмов функционирования и обеспечения информационной безопасности при межсетевом взаимодействии. Требования к корпоративным сетям подвижной радиосвязи Требования к системам корпоративной подвижной радиосвязи приведены в виде структурной схемы на рис. 2. Рис. 2. Требования к корпоративным системам подвижной радиосвязи Первое и наиболее важное требование «Большая дальность связи» предполагает покрытие связью большой территории, на которой работает корпоративная подвижная радиосвязь. Второе требование «Минимальная мощность излучения» находится в противоречии с первым требованием, поэтому поиск путей преодоления этого противоречия и должен привести к революционным решениям в построении сетей корпоративной подвижной радиосвязи. Остальные требования являются необходимыми для любой подвижной системы связи: высокая помехоустойчивость, небольшие массогабаритные показатели, надежность, простота в эксплуатации и обслуживании и, конечно, защита информации. Однако, как будет показано ниже, именно преодоление противоречия между первым и вторым требованиями к системе радиосвязи приводит к инновационной идее построения сети корпоративной подвижной радиосвязи. Сравнительная оценка вариантов построения корпоративной сети подвижной радиосвязи Создание сети корпоративной подвижной радиосвязи, покрывающей большие территории и излучающей при этом минимальную мощность, является непростой задачей. При этом немаловажную роль играют экономические показатели строительства и эксплуатации такой сети. В качестве примера сетей радиосвязи, покрывающие большие территории и излучающие при этом сравнительно небольшие мощности, являются сотовые сети радиосвязи (см. рис. 3). В системах сотовой связи вся обширная территория покрывается сетью базовых станций (БС), при этом каждая БС обслуживает небольшую территорию: соту, поэтому мощность ее излучения сравнительно небольшая и составляет обычно единицы или десятки Вт. При этом размеры сот могут изменяться в больших пределах в зависимости от назначения сетей, проходящего через них трафика, мощности БС, диапазона частот, рельефа местности и т.д. Рис. 3. Пример построения сотовой сети подвижной радиосвязи Одним из важнейших объективных показателей экономической эффективности сетей сотовой связи является величина затрат на покрытие единицы площади поверхности, например, затраты на покрытие одного квадратного километра поверхности. Для сравнительной оценки проведем анализ затрат на покрытие одного квадратного километра поверхности подвижной радиосвязью для различных систем связи, использующих сотовую структуру. В таблице 1 приведены стоимостные затраты для построения одной соты и геометрические размеры одной соты в системе сотовой связи, в системе WiMAX, в системе микросотовой связи DECT и в системе Radio over Fiber (RoF). Здесь же указана расчетная величина затрат на покрытие подвижной радиосвязью одного квадратного километра поверхности в перечисленных системах радиосвязи. Подробнее технология RoF описана в следующих разделах. Значения средней суммарной стоимости БС и размеры сот для различных систем подвижной радиосвязи получены в результате усреднения указанных показателей, полученных из источников, представленных в Internet. Таблица 1. Затраты для построения одной соты и геометрические размеры соты в разных системах связи Система сотовой связи Стоимость базовой станции Средний радиус соты Затраты на покрытие 1 кв. км 2G,3G,4G 35 млн. руб. 4 км 0,7 млн. WiMAX 0,3 млн. руб. 0,5 км 0,38 млн. DECT 0,05 млн. руб. 0,2 км 0,4 млн. RoF 0,02 млн. руб. 0,2 км 0,16 млн. Из таблицы 1 следует, что технология RoF обладает наименьшими затратами на покрытие 1 кв. км. территории. Объяснение этому результату состоит в том, что она имеет наименьшую из всех рассмотренных систем стоимость БС в силу их простоты реализации и отсутствия в них контроллеров. Так как технология RoF находится на начальном этапе своего развития, то по мере расширения ее применения стоимость БС RoF будет снижаться. Принцип действия, архитектура и состав сети на основе технологии RoF В основе технологии RoF лежит принцип преобразования частоты, используемый во всех супергетеродинных приемниках. Поступающие по волокну излучения видимого оптического диапазона на двух разных частотах f1 и f2 воздействуют на нелнейный элемент, роль которого выполняет фотодиод. В результате такого воздействия в цепи фотодиода возникают колебания разностной частоты fp = f1 - f2, попадающей в диапазон радиочастот. Затем колебания радиочастотного диапазона усиливаются и подаются на излучающую антенну. В таблице 2 приведены основные данные, характеризующие видимый диапазон света: длины волн, частоты и энергия фотонов. Таблица 2. Исходные данные для проектирования сети RoF Цвет Диапазон длин волн, нм Диапазон частот, ТГц Диапазон энергии фотонов, эВ Фиолетовый Меньше 450 Больше 667 Больше 2,75 Синий 450-480 625-667 2,58-2,75 Сине-зеленый 480-510 588-625 2,43-2,58 Зеленый 510-550 545-588 2,25-2,43 Желто-зеленый 550-570 526-545 2,17-2,25 Желтый 570-590 508-526 2,10-2,17 Оранжевый 590-630 476-508 1,97-2,10 Красный Больше 630 Меньше 476 Меньше 1,97 Из этой таблицы следует, что для получения разностной частоты fp = 19 ТГц можно использовать излучения двух лазеров на границах желто-зеленого спектра, например, излучения с длинами волн 550 и 570 нм, то есть с разницей длин волн в 20 нм. Примерно можно считать, что разница длин волн излучений в 1 нм обеспечивает разностную частоту в 1 ТГц. Для получения разностной частоты fp = 60 ГГц разница длин волн двух источников излучений должна составлять всего 0,06 нм, что представляет определенные проблемы в построении систем RoF. Но тем не менее в настоящее время технология RoF, реализующая передачу радиочастотного сигнала по волоконно-эфирной структуре, является одним из наиболее перспективных путей построения распределенных сетей радиосвязи. На сегодняшний день в качестве ключевых приложений RoF можно выделить следующие [1-10]: сотовые сети связи; беспроводные локальные сети передачи данных (LAN); беспроводные сети широкополосного доступа, в том числе телевизионного вещания; беспроводные сети связи между транспортными средствами. Как правило, данные сети включают центральную станцию (ЦС), БС и абонентские терминалы (АТ). При этом БС соединяются с ЦС волоконно-оптическими линиями, а АТ с БС по радиоканалам через удаленный антенный модуль (Remote Antenna Unit - RAU). Среди очевидных преимуществ систем RoF по сравнению с традиционными технологиями радиосвязи, целесообразно выделить следующие: - практически неограниченная полоса пропускания оптического волокна и малое затухание сигнала в оптических волокнах; - невосприимчивость к мешающим электромагнитным влияниям и электромагнитным помехам; - возможность функционировать одновременно с несколькими операторами, мультисервисность (распределительная система RoF по факту является прозрачной к формату транслируемого сигнала); -высокая гибкость и низкая стоимость реконфигурирования сети. Например, при передаче трафика GSM оборудование RoF может быть оперативно развернуто в определенной территориальной зоне на период прогнозируемой пиковой нагрузкой, а по окончании последней вновь свернуто. Вместе с тем в [6; 8-9] отмечается, что, поскольку технология RoF изначально базируется на модуляции и детектировании аналогового радиосигнала, то и основными проблемами внедрения RoF являются ограничения по коэффициенту шума и динамическому диапазону, характерным для традиционных систем радиосвязи, что создает предпосылки для разработки и усовершенствования как аппаратной части, так и соответствующих форматов модуляции и алгоритмов детектирования сигнала при использовании технологии RoF. Варианты построения систем RoF В настоящее время выделяют три основных подхода, реализующих передачу радиосигналов по волоконно-эфирной среде: RFoF (Radio Frequency over Fiber): «радиочастота по волокну»; IFoF (Intermediate Frequency over Fiber): «промежуточная частота по волокну»; BBoF (BaseBand-over-Fiber): «основной сигнал по волокну». Обобщенная структурная схема, поясняющая принцип действия каждого из перечисленных методов, представлена на рис. 4. Данная схема составлена на основе предложенных в [11] диаграмм, условно отображающих соотношения спектров радиосигнала и оптической несущей оптического излучения, возбуждаемого когерентным источником. В системах RFoF передача радиосигналов по оптическим волокнам осуществляется непосредственно на частоте трансляции системы радиосвязи без последующего перехода в RAU БС на более высокие или низкие частоты. Такой подход, в частности, активно используется в сотовых сетях связи, а также беспроводных локальных сетях передачи данных (WLAN - Wireless Local Area Network) в диапазоне 5 ГГц. Рис. 4. Обобщенная структурная схема систем передачи радиосигналов по оптическим волокнам Для большинства систем RFoF транслируемый радиосигнал осуществляет прямую модуляцию по интенсивности оптического излучения, генерируемого когерентными источниками оптического излучения, в том числе, относительно недорогими, например, полупроводниковыми лазерами, коротковолновыми лазерами поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser) или неохлаждаемыми лазерами с распределенной обратной связью (DFB - Distributed Feedback Laser) c внутренней модуляцией. Таким образом, в RFoF аналоговый радиосигнал передается по волокну на заданной оптической несущей от ЦС до БС, где в результате прямого детектирования и преобразования в электрический интерфейс усиливается и далее излучается антенной. К основным преимуществам систем RFoF относят простую реализацию схемы БС. При этом внедрение RFoF в основном ограничено пределами по частоте модуляции когерентных источников оптического излучения. Например, для подавляющего большинства полупроводниковых лазеров это значение не превышает 3 ГГц, в то время как для более дорогостоящих модулей с лазерами DFB оно составляет не более 20 ГГц [10-12]. Это фактически делает неприемлемым их использование в системах микроволнового диапазона, в частности, на беспроводных персональных сетях (WPAN - Wireless Personal Area Networks) в диапазоне 60 ГГц или пикосотовых сетях в диапазоне 38 ГГц. Наконец, с увеличением частоты передаваемого радиосигнала системы RFoF возникают проблемы искажения сигналов, связанные с сильным проявлением хроматической дисперсии в оптических волокнах, что неизбежно сказывается на ограничениях протяженности волоконно-оптической линии. Обобщенная структурная схема системы RFoF c прямой внешней модуляцией представленa на рис. 5. Рис. 5. Структурная схема системы RFoF c прямой внешней модуляцией В отличие от RFoF, в системах IFoF информационный радиосигнал на пониженной промежуточной частоте, которая для подавляющего большинства систем не превышает 10 ГГц [9-12], модулирует оптическую несущую когерентного источника излучения с помощью внутреннего или внешнего модулятора и затем также передается в оптический линейный тракт с выхода ЦС. Поэтому далее в RAU БС предварительно реализуется переход с промежуточной на собственную частоту информационного радиосигнала, после чего последний излучается антенной. Это устраняет необходимость применения высокоскоростных оптоэлектронных компонентов по сравнению с системами RFoF, а также снижает чувствительность системы к проявлению хроматической дисперсии, но при этом усложняет схему RAU БС за счет необходимости включения гетеродина и преобразователя частоты, что в целом может снизить гибкость и реконфигурируемость сети. В качестве примера, на рис. 6 приведена структурная схема системы IFoF с прямой внешней модуляцией. Рис. 6. Структурная схема системы IFoF c прямой внешней модуляцией В системах BBoF основной сигнал в базовой полосе частот, непосредственно представляющий собой битовую последовательность, в ЦС конвертируется в оптический интерфейс (фактически также в результате модуляции оптической несущей когерентного источника оптического излучения) и далее передается по волоконно-оптической линии до БС, где осуществляется его детектирование и преобразование в радиосигнал как результат перехода в заданный диапазон с повышением частоты. Структурная схема системы BBoF c прямой внешней модуляцией приведена на рис. 7. Рис. 7. Структурная схема системы BBoF c прямой внешней модуляцией Если системы IFoF во многом ближе к исходной архитектуре построения аналоговых сетей, то BBoF, напротив, сопоставимы с оптическими сетями, передача данных в которых изначально осуществляется в цифровом формате. Последний факт существенно упрощает схему реализации оптической части системы BBoF, однако RAU БС, напротив, усложняется дополнительными компонентами, обеспечивающими цифровую обработку радиосигнала, что в целом снижает прозрачность сети. Следует отметить, что если на самых первых этапах разработки и внедрения технологии RoF системы RFoF и IFoF позиционировались как аналоговые, то в настоящее время уже достаточно давно известны их модификации, которые поддерживают передачу радиосигналов уже в цифровом формате. Такие системы получили название DRFoF и DIFoF (Digitized RFoF и Digitized IFoF - «оцифрованные» RFoF и IFoF, соответственно). Для этих систем при передаче сигнала от ЦС до БС также используются все преимущества волоконно-оптической сети. При этом весь сложный комплекс оборудования для обработки сигнала размещается в ЦС, в то время как в RAU БС присутствует минимальный набор компонентов «внешнего» интерфейса, который по факту состоит из аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей (АЦП и ЦАП), соответственно. Однако наличие этих компонентов накладывает определенные ограничения на применение систем DRFoF для беспроводных сетей за пределами миллиметрового диапазона радиоволн: полоса пропускания АЦП должна быть больше частоты несущей радиосигнала. Данная проблема успешно решается в системах DIFoF, в которых сначала осуществляется преобразование с понижением частоты несущей исходного радиосигнала до промежуточной, что позволяет успешно преодолеть ограниченные возможности АЦП. Заключение Приведенные в статье данные позволяют сделать следующие выводы. Из всех известных систем подвижной радиосвязи с сотовой структурой технология RoF обеспечивает наименьшие затраты на покрытие единицы площади поверхности, охваченной подвижной радиосвязью. Среди других технических и технологических преимуществ систем RoF по сравнению с традиционными технологиями радиосвязи можно выделить следующие: невосприимчивость к мешающим электромагнитным влияниям и электромагнитным помехам; обеспечение информационной безопасности при межсетевом взаимодействии и защита от несанкционированного доступа; существенное упрощение и удешевление БС, а также снижение потребляемой электроэнергии БС; высокая гибкость и низкая стоимость реконфигурирования сети; разнообразные способы реализации технологии RoF. Перечисленные преимущества технологии RoF выдвигают ее на первый план при выборе способа построения разветвленной корпоративной сети подвижной радиосвязи.

About the authors

Victor Pavlovich Kubanov

Povolzhsky State University of Telecommunications and Informatics

Email: kubanov@psati.ru

Mikhail Ivanovich Naryshkin

JSC “Concern “Automatika”

Email: nmi@rambler.ru

Anatoly Ivanovich Tyazhev

Povolzhsky State University of Telecommunications and Informatics

Email: tyagev@psati.ru

References

Supplementary files