EXPERIMENTAL RESEARCH OF INTRA-CORPORATE NETWORK RADIO-MOBILE SEGMENT BASED ON RADIO-OVER-FIBER TECHNIQUE

Full Text

Введение Современные и перспективные выделенные или технологические ведомственные и корпоративные сети связи [1] все чаще ориентированы, с одной стороны, на использование комплексных решений, обеспечивающих объединение функций передачи данных и технологической связи, а с другой стороны - на максимальную универсальность и тактическую гибкость, что, в частности, предполагает наличие в составе сети сегментов как фиксированной, так и подвижной связи. Требования к радиоподвижному сегменту корпоративной сети существенно зависят от конкретных особенностей функционирования корпорации (ведомства), однако в большинстве случаев абонентская база (а значит требуемая канальная емкость сети) относительно невелика по сравнению с сетями общего пользования, номенклатура и конфигурация зон покрытия в сильной степени определяется дислокацией мест постоянного и возможного временного пребывания абонентов и соответствующими маршрутами движения, а комплект абонентских устройств должен включать набор терминалов (или универсальный терминал), обеспечивающий выполнение всех необходимых функций (телефонная, факсимильная и иная связь, передача данных, передача сигналов и команд управления и т.д.). В большинстве случаев зоны покрытия такой сети локализованы в деловых и промышленных районах городов, включая мегаполисы, а архитектура и топология сети предусматривает радиально-зоновую структуру области покрытия. Подобное решение не всегда возможно хотя бы по причине острого дефицита возвышенных сооружений (опор), на которых может быть разрешено размещение антенн базовых (центровых) станций значительной мощности для обслуживания крупных зон, не говоря уже о возможностях строительства новых опор. Перспективным решением для построения области покрытия (или ее части) в виде совокупности компактных зон обслуживания с базовыми станциями относительно небольшой мощности и антеннами, размещаемыми на имеющихся зданиях (сооружениях), является использование технологии «Радио поверх волокна» (Radio-over-Fiber - RoF) [2] с передачей на базовую станцию от центральной станции (центра коммутации) оптической несущей, модулированной полностью сформированным радиосигналом. Такое решение позволяет максимально использовать ресурс имеющейся транспортной волоконно-оптической сети, а также полностью исключить присутствие на базовой станции сетевых аппаратных средств крипто- и имитозащиты информационных и служебных сигналов, включая команды управления, благодаря чему базовая станция может быть реализована необслуживаемой и неохраняемой. Методика исследований Для подтверждения работоспособности подобного решения был разработан, изготовлен и испытан макет фрагмента корпоративной сети подвижной радиосвязи на основе технологии RoF. Макет (рис.1) включал: - макет центральной станции (ЦС); - макет волоконно-оптической линии связи (ВОЛС); - макет базовой станции (БС); - макет абонентского комплекта (АК). В состав макетов входили радиоприемники, радиопередатчики, электронно-оптические (Э/О) и оптоэлектронные (О/Э) преобразователи, опти-ческие разветвители (ОР), оптические соединители и патчкорды, оптические и радиочастотные аттенюаторы и т.д. Рис. 1. Схема макета фрагмента сети RoF. В состав макетов входили радиоприемники, радиопередатчики, электронно-оптические (Э/О) и оптоэлектронные (О/Э) преобразователи, оптические разветвители (ОР), оптические соединители и патчкорды, оптические и радиочастотные аттенюаторы и т.д. Макет ВОЛС включал одномодовое оптическое волокно (кабель длиной 30 м) с дополнительным аттенюатором, обеспечивающим затухание, соответствующее эквивалентной длине ВОЛС 80 км. В состав терминальных устройств (ТУ), подключаемых к ЦС и АК, входили портативная персональная ЭВМ (ПЭВМ) со специальным программным обеспечением (СПО), телефонный аппарат, шлюз, модем и т.п. СПО в составе ПЭВМ обеспечивало возможности измерения необходимых параметров сигналов, а также обработку и хранение результатов. Для экспериментов был использован участок диапазона подвижной радиосвязи 300 МГц. В качестве антенн БС и АК использовались антенны типа Уда-Яги («волновой канал») с коэффициентом усиления 11 дБи. Эксперименты предусматривали оценку качества связи с помощью двух телефонных аппаратов, подключенных к ЦС и АК, измерение отношения сигнал/шум в принимаемом сигнале в текущий момент времени при организации модемного соединения с помощью стандартной утилиты Hyper Terminal, измерение времени задержки и потерь пакетов путем организации удаленного соединения по методике RFC-2544 [3]. Максимальная мощность радиопередатчиков БС и АК составляла 100 мВт. Варьирование уровня мощности выходного сигнала осуществлялось путем внесения в антенно-фидерный тракт БС и/или АК аттенюаторов различного ослабления. Измерение уровней мощности осуществлялось анализатором спектра. Экспериментальные исследования проводились на специально выбранном участке территории города с типичной городской застройкой. Схема участка с указанием дальностей, высотности зданий и высот установки антенн БС и АК приведена на рис.2. Рис. 2. Схема участка, на котором проводились исследования ЦС и БС располагались в производственном здании, а АК - в офисном здании на удалении 400 м от БС. Высоты подвеса антенн были выбраны так, что линия прямой видимости экранировалась близлежащими зданиями. В непосредственной близости от БС размещалось действующее производственное оборудование (участок лазерной резки, сварочный пост, станочное оборудование), создающее существенные помехи в радиочастотном диапазоне. Дополнительным источником помех являлись контактные сети электротранспорта вблизи места размещения АК. Таким образом, условия испытаний соответствовали предполагаемым ограничениям на условия размещения БС и типичной помеховой обстановке в промышленной зоне мегаполиса. Проведение измерений в отсутствие помех организовывалось в ночное время, когда работа оборудования в цехе и движение электротранспорта прекращались. Оценка параметров качества канала связи по методике RFC 2544 [3, 4] выполнялась с использованием СПО в составе ТУ, подключенных к ЦС и АК, с помощью трех тестов: неравномерной передачи данных, зависимости уровня потерь пакетов от загрузки канала и задержки распространения пакетов. Использовались значения размеров кадров 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 байт. Продолжительность теста по передаче пакетов составляла не менее 2 секунд. Все измерения проводились при количестве отправленных пакетов равном 100 с последующим усреднением. Наряду с измерениями при согласованных по поляризации антеннах БС и АК, были проведены аналогичные измерения при искусственной деполяризации, которая обеспечивалась поворотом антенны АК типа «волновой канал» вокруг оси (траверсы) на 90º. Кроме того, для выборочных значений выходной мощности передатчиков БС и АК, наряду с вышеупомянутыми измерениями, с помощью входящих в комплекты ТУ ЦС и АК телефонных аппаратов, проводились сеансы телефонной связи, в ходе которых определялись параметры качества передачи речи по ГОСТ Р 50840 [5]. Результаты исследований Отдельные результаты измерений приведены на рис. 3-7. На рис. 3 приведены характеристики задержки прохождения кадра длиной 256 байт в зависимости от мощности передатчика АК (мощность передатчика БС постоянна и составляет 100 мВт), а на рис. 4 - аналогичные характеристики зависимости от мощности передатчика БС (мощность передатчика АК 100 мВт). На рис. 5 приведены зависимости отношения С/Ш на выходе приемника АК от мощности сигналов передатчиков АК и БС. и рис.6. Нетрудно убедиться, что характеристики каналов “uplink” и “downlink” в обоих случаях достаточно близки. На рис.6 приведены характеристики потери кадров в АК в зависимости от мощности сигнала передатчика АК при наличии и отсутствии индустриальных помех. Видим, что эффект влияния индустриальных помех на потери кадров не столь велик. Несколько сильнее зависит от этих помех отношение С/Ш на выходе приемника АК (рис.7), однако в рассмотренном диапазоне значений выходной мощности передатчика АК отношение С/Ш везде остается достаточно высоким. По результатам исследований минимально допустимый уровень мощности передатчика АК в условиях проведения измерений, включая городскую застройку и помеховую обстановку, определенный по критерию устойчивой встречной работы модемов, составил 2 дБм. Экстраполяция полученных результатов, с учетом характера зависимости дальности связи от параметров передатчиков и антенн [6], позволяет сформировать критерии для проектирования зон обслуживания БС при различных исходных данных. При этом учитывается тот факт, что именно характеристики АК являются главным ограничивающим фактором, т.к. возможности варьирования мощности передатчика и параметров антенны на БС существенно шире. Рис. 3. Зависимость времени прохождения кадра длиной 256 байт по тракту АК - БС от мощности сигнала передатчика АК Рис. 4. Зависимость времени прохождения кадра длиной 256 байт по тракту БС - АК от мощности сигнала передатчика БС Рис. 5. Зависимость отношения С/Ш на выходе приемника АК от мощности сигналов передатчиков АК и БС Рис. 6. Потери кадров в АК в зависимости от мощности сигнала передатчика АК На рис.8 в качестве примера приведена зависимость минимально допустимой выходной мощности передатчика АК от расстояния между АК и БС для случая использования в составе АК штыревой антенны с противовесом (коэффициент усиления 2 дБи), расположенной на высоте 1,5 м. Как уже было отмечено выше, одновременно с проведением измерений проводились сеансы телефонной связи. Они проводились выборочно, в условиях предельных минимальных значений выходной мощности передатчиков (при которых еще не нарушалась встречная работа модемов). Во всех случаях обеспечивался класс качества речи не хуже III по ГОСТ Р 50840 [5] и достаточная узнаваемость. Проведенные измерения при искусственной деполяризации (поворот антенны АК на 90º относительно оси траверсы) показали снижение уровней сигналов по сравнению с согласованной поляризацией на 12 дБ, как по результатам непосредственных измерений, так и по критерию устойчивой встречной работы модемов. Рис. 7. Зависимость отношения С/Ш на выходе приемника АК от мощности сигнала передатчика АК Рис. 8. Зависимость необходимой выходной мощности передатчика АК от расстояния между БС и АК Выводы Результаты экспериментальных исследований показали работоспособность решения по построению фрагмента сети подвижной радиосвязи на основе технологии RoF. Минимальный допустимый уровень сигнала, при котором возможна организация связи в условиях измерений (включая помеховую обстановку), составляет 2 дБм (1,6 мВт). Соответствующее прогнозируемое максимальное расстояние между БС и АК (радиус микросоты) составляет 1800 м при мощности передатчика АК 15 Вт (автомобильная станция) и 880 м при мощности передатчика АК 0,8 Вт (портативное устройство). Результаты измерений, проводимых со сторон ЦС и АК, практически идентичны, кроме отношения С/Ш. Последнее обстоятельство связано с локализацией источников индустриальных помех вблизи БС. Наличие индустриальных помех начинает существенно сказываться лишь при относительно небольших уровнях сигнала (5…6 дБм на БС). Проведенная оценка кроссполяризационной характеристики в условиях реальной трассы показала, что уровень сигнала при приеме волны с линейной горизонтальной поляризацией примерно на 12 дБ ниже, чем для рабочей поляризации (линейной вертикальной). Таким образом, эффект деполяризации имеет место, хотя кроссполяризационная развязка остается достаточно высокой.

About the authors

Mihail Ivanovich Naryshkin

JSC “Concern “Automatika”

Email: nmi@rambler.ru

References

Supplementary files