oldi

Радиоинтернет. Технологии MMDS и LMDS

Алексей Кошелев

Модуляция сигнала

 

Если несколько лет назад Интернет рассматривался как одно из средств общения или даже как развлечение, то сейчас – это один из самых мощных механизмов связи, работы и получения информации. Не удивительно, что рост Всемирной паутины просто катастрофически велик. Поэтому весьма актуальным становится вопрос о создании скоростных и надежных каналов связи. Наиболее естественным и распространенным до сегодняшнего дня является проводное соединение: витая пара, оптоволокно или телефонная линия. Использование радиосредств было достаточно редким явлением и в основном применялось для спутниковой связи при передаче сигнала за океан. В то же время создать эффективные каналы доступа к сети на основе проводного соединения довольно трудно. Прокладка кабеля – дело дорогое и трудоемкое, даже если не использовать оптоволокно. Позволить себе прокладку таких магистральных линий могут лишь крупные компании и сетевые операторы. Использование же телефонных сетей общего пользования дает малую пропускную способность. В такой ситуации весьма реальной становится использования радиосигнала для передачи информации. Особенно это актуально на «последней миле», когда нужно довести сигнал до конкретного абонента. Именно об этом и пойдет речь в данной статье.

Вначале коротко рассмотрим физическую сторону дела. Речь идет о возможности передачи и приема радиосигнала в довольно широком диапазоне частот. Давайте для начала вспомним, что радиоволны, видимый свет, радиоактивное излучение и те волны, о которых мы сейчас говорим, — все это есть электромагнитное излучение, только частоты его лежат в разных диапазонах. Тот диапазон, о котором говорим мы, изменяется от мегагерц до нескольких десятков гигагерц. Так что же происходит с точки зрения физики? Передатчик испускает некоторый специальный набор радиоволн, а приемник на некотором расстоянии от передатчика его принимает. Если бы даже все происходило в вакууме и без препятствий, то имело бы место затухание волны, причем обратно пропорциональное квадрату расстояния. Однако поскольку радиоволны распространяются в воздушной среде имеет место затухание, связанное с сопротивлением воздуха. Более того, как известно на примере видимого света, который преломляется в призме или в каплях воды, возможно преломление излучения. Плюс к тому в городах и населенных пунктах имеет место отражение от предметов, например домов. Последние два явления изменяют направление излучения, но что приятно — ни один из вышеперечисленных эффектов не изменяет частоты. То есть в какой-то степени частота – это та величина, которая и должна использоваться для кодирования информации в радиоволне. Однако есть еще два явления, которые осложняют этот процесс. Это дифракция и интерференция радиоволн. Первое – это просто огибание волной препятствий. Второе – это наложение радиоволн. Последнее наиболее неприятно. Ясно, что может сложиться ситуация, когда волны при наложении даже могут полностью гасить друг друга. Отсюда видно, что основная техническая проблема передачи радиосигнала – это возможность формирования такой волны, которая, даже претерпевая все описанные изменения, доходила бы до приемника, сохраняя изначальную информацию. И проблема не только в том, чтобы информация дошла. Дело в том, что на приемник попадает несколько волн. Они все несут одну и ту же информацию, но пойдут разными путями.

Для того чтобы решить эти технические проблемы, разрабатываются специальные способы модуляции сигнала, то есть кодирования в нем информации. Если при передаче по кабелю применяют модуляцию напряжения, то есть изменение амплитуды сигнала, то при радиосвязи чаще используют модуляцию частоты или фазы. Также нередко используют смешанную модуляцию. Все это делается для того, чтобы при попадании в приемник обеспечить надежный способ, помогающий отличить основной сигнал от повторных, отраженных, и тому подобных. Также при оригинальной модуляции сигнала вы избавляетесь от помех, которые могут быть, если поблизости есть передатчик с очень близкими или кратными частотами (отличающимися от используемой в целое число раз). Наиболее совершенные способы модуляции сигнала используют также эффекты поляризации излучения, то есть возможности задать плоскость, в которой происходят колебания электромагнитного поля. В идеальном случае даже при наличии определенных помех при распространении сигнала и при условии того, что передатчик и приемник не находятся в зоне прямой видимости друг друга, возможен обмен сигналами. Одной из таких технологий модуляции, позволяющих устанавливать приемник и передатчик не в прямой взаимной видимости, является модуляция Vector Orthogonal Frequency Division Multiplexing (VOFDM), применяемая в радиоустройствах фирмы Cisco. Она позволяет передавать сигнал в условиях непрямой видимости на расстояние в несколько километров. Скажем сразу несколько слов о расстояниях. В условиях прямой видимости и без помех стандартные радиоустройства передают сигнал на несколько десятков километров. Однако, когда речь идет о населенных пунктах, необходимо проводить тестирование непосредственно по месту для определения возможных проблем. Также на передачу сигнала могут влиять другие передатчики, находящиеся в непосредственной близости от устройства. Атмосферные явления, такие как осадки, грозы, просто повышенная влажность, тоже негативно влияют на передачу сигнала. Поэтому давать сколь-нибудь точные данные о возможностях радиоустройств просто некорректно. Здесь стоит сделать одно важное замечание. С повышением частоты сигнала воздействие внешних факторов увеличивается, приводя к проблемам с передачей такого сигнала. Как одно из следствий — уменьшается расстояние, на котором возможно уверенное принятие сигнала. С другой стороны, при повышении частоты возникает больший простор для кодирования, так как увеличивается полоса частот, доступная для передачи данных. Это позволяет увеличить пропускную способность канала, передавая одновременно сигналы на нескольких частотах.

Модуляция сигнала

Выше было дано словесное описание процесса распространения сигнала и преодоления трудностей, связанных с помехами и препятствиями. Попробуем теперь дать более техническое описание процесса. Реальное распространение сигнала может быть проиллюстрировано следующим рисунком.

Отсюда наглядно видно, что к абоненту доходит несколько сигналов, причем в данном случае — ни одного прямого, что вполне реально. Нужно еще понимать, что при отражении от предметов часть энергии поглощается, что ослабляет сигнал. Кроме того, длина пути сигнала может быть различной, поэтому по разным путям сигналы приходят в разное время. В результате антенна абонента может получить сигналы, подобные изображенному на следующем рисунке.

В случае прямой видимости решение проблемы распознавания правильного сигнала очевидно, так как прямой сигнал всегда сильнее отраженного, то есть его амплитуда больше. По-настоящему проблема возникает, когда прямой видимости нет.

Многие современные продукты, касающиеся радиопередачи сигнала, работают с технологией Quadature Amplitude Modulation (QAM). Самый простой вариант основан на системе phase shift keying (PSK). Существует две разновидности этой системы: бинарная и квадратичная (BPSK и QPSK). В первом случае за счет использования сдвига фазы на величину f передается один бит за цикл, во втором случае – два, с использованием сдвига фаз на 1/2f, f и 3/2f. Если сочетать сдвиг фаз и модуляцию амплитуды, то получится так называемая технология16-QAM, способная передавать 4 бита за цикл. Это расширение можно производить и дальше, однако при этом возрастает влияние помех.

Для того чтобы сделать передачу радиосигнала более надежной, используются следующие технологии: QAM совместно с Decision Feedback Equalization (DFE), Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), Frequency Division Multiplexing (FDM) и Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

QAM и DFE

Технология DFE предназначена для того, чтобы устранять помехи, которые вызваны интерференцией соседних символов. Это связано с возможной большой задержкой (до 4 мкс), когда сигнал предыдущего символа накладывается на принимаемый в данный момент.

DSSS

Технология базируется на методе QPSK. Но помимо этого передаваемый сигнал помещается в более широкую полосу, причем ширина последней определяется исходя из значения SNR для данной линии (SN – это отношение уровня сигнала к уровню шума). Более точно ширину можно представить формулой 10^(SNR/10)*(изначальную ширину). Видно, что этот метод просто экспоненциально неустойчив к помехам.

В технологии FDM сигнал в полосе передачи делится на несколько более узких полос, что позволяет использовать каждую из несущих для передачи данных. Чтобы защитить передаваемый сигнал, по всей полосе пропускания дается защитный тон (guard tone), снижающий пропускную способность канала, но необходимый для защиты от помех.

В технологии OFDM сигнал также делится на несколько несущих, которые рассматриваются как независимые. Следовательно, нет необходимости использовать защитный тон, что повышает пропускную способность канала. Чтобы избежать проблем интерференции, вызванных задержками сигналов, данные передаются порционно (волновыми пакетами), причем каждую такую порцию начинает и заканчивает специальный сигнал.

Модификация VOFDM (vector OFDM) использует тот факт, что в зависимости от положения антенн возможны различные разбиения полосы передачи на независимые несущие. То есть возможно, что одна антенна уверенно принимает один набор частот, а другая — иной. Это позволяет использовать несколько антенн по соседству для передачи сигнала на близких частотах.

Так вкратце выглядят технологии модуляции сигнала, применяемые на текущий момент. Отметим, что технология VOFDM является одной из наиболее современных и эффективных, особенно в условиях непрямой видимости.

***

Теперь немного поговорим о частотах, на которых идет передача данных. Интуитивно понятно, что теоретически частота может изменяться от нуля до бесконечности. Предел для радиоволн – это несколько сотен гигагерц. Однако, как мы хорошо знаем, частоты в несколько сотен мегагерц уже используются обычными радиостанциями, частоты 900 и 1800 МГц заняты сотовой связью. В дополнение к этому есть телевизионные частоты, частоты специальной связи (например, правительственной), частоты, на которых передаются сигналы со спутников, частоты, занятые военными, и др. Ясно, что использовать заданную наперед частоту нельзя, и, более того, в нашей стране использование передатчика любой мощности и на любой частоте необходимо лицензировать (исключение составляют диапазоны для любительских радиостанций в районе 27 МГц и диапазон 1890-1900 МГц для радиотелефонов, работающих по стандарту DECT). Что касается самих частот, то существует некоторая таблица, находящаяся в ведении ГКРЧ (Государственный комитет по радиочастотам), которая содержит информацию об используемых частотах: «Таблица распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации в диапазоне частот от 3 кГц до 440 ГГц». В ней пока еще есть пустые полосы и участки, зарезервированные для будущего использования. Правда, в ней отсутствуют конкретно выделенные участки для радиоканалов Интернета, но это, наверное, говорит лишь о том, что сразу всего учесть нельзя . Для использования некоторой частоты вам необходимо получить разрешение ГКРЧ. Затем нужно получить разрешение Главгоссвязьнадзора на установку оборудования, что связано с получением разрешения со стороны служб гражданского и военного радиовещания. После этого установка оборудования возможна. Правда, в последнее время действует решение ГКРЧ об использовании передатчиков в диапазоне 2400-2483,5 МГц на вторичной основе без разрешения ГКРЧ для каждого пользователя. Вторичная основа подразумевает возможность помех, связанных с работой других передатчиков в этом диапазоне. То есть понятно, что получить у нас разрешение на использование радиоустройства – дело непростое. Правда, есть преимущество, которое необходимо учитывать. Получая разрешение на использование канала, вы гарантированы от помех при работе.

В данной статье мы не планировали подробно обсуждать проблему выделения частот в нашей стране, поэтому ограничимся лишь вышеприведенным замечанием и заметим еще, что это не только трудно, но и долго и дорого. Самый важный вопрос, который встает перед покупателем радиооборудования, – возможность получения права на использование той частоты, на которой это устройство может работать. И это проблема не только продавцов, но и покупателей. Может сложиться ситуация, когда разрешение на продажу будет получено, но разрешение на установку, например в данной конкретной местности, — нет. Посмотрим, какие конкретно диапазоны могут нас интересовать. Я имею в виду не то, что могут разрешить, а то, что используется в других странах, поскольку вполне возможно, что вы захотите приобрести оборудование иностранной фирмы. Вот три гигагерцевых диапазона, рекомендованные в США:

MMDS = 2,500-2,690 ГГц (Multichannel Multipoint Distribution Systems);

UNII = 5,725-5,825 ГГц (Unlicensed National Information Infrastructure);

LMDS = 27,500-28,350 ГГц, 29,100-29,250 ГГц, 31,000-31,300 ГГц (Local Multipoint Distribution Services).

В сущности, с точки зрения физики во всех диапазонах все обстоит принципиально одинаково. Разница заключается в пропускной способности и устойчивости ко внешним воздействиям. Как было сказано выше, с увеличением частоты первое увеличивается, а второе уменьшается. Поясним более конкретно, что же мы имеем.

  • MMDS. Из-за использования низкой частоты отсутствует необходимость прямой видимости. Расстояния, на которых возможен уверенный прием сигнала, оцениваются в 30 км. Пропускная способность достигает 10 Мбит/c.
  • LMDS. Работает на гораздо более высоких частотах. Это заставляет использовать радиоустройства преимущественно в прямой видимости друг друга. Причем расстояния уверенного приема становятся на порядок ниже, зато возрастает пропускная способность, которая может достигать до 45 Мбит/c.
  • Средний диапазон UNII мы не будем обсуждать, скажем лишь, что, как следует из названия, он не лицензируемый, но это относится лишь к США.

Примером устройства, работающего в диапазоне MMDS, является разработка Cisco WT2772-PAA Broadband Fixed Wireless Transverter. Это решение типа «точка-точка» (point-to-point). Максимальная пропускная способность может достигать 44 Mбит/с, а расстояние – 30 км. В сущности, данная система представляет собой создание выделенного канала на основе радиосигнала. Гораздо более интересными для операторов связи будут разработки типа «точка-много точек» (point-to-multipoint), но, что касается Cisco, в данный момент такие устройства еще не выпущены на рынок и их появление ожидается в ближайшее время.

Вообще, если говорить о системах типа «точка-много точек», то диапазон LMDS предпочтительнее, так как возможно создание большого числа каналов и увеличение пропускной способности. Сейчас уже существуют разработки, которые функционируют в данном диапазоне. Далее речь пойдет об одной из них: Evolium LMDS фирмы Alcatel.

Технические характеристики данной системы следующие:

  • рабочее расстояние в условиях прямой видимости – до 5 км;
  • один концентратор способен поддерживать двустороннюю связь с 4 тыс. абонентов;
  • пропускная способность достигает 8 Мбит/с;
  • возможна передача не только данных, но и голоса;
  • рабочий диапазон: от 3,5 до 38,0 ГГц, хотя сейчас используется лишь 24,5-29,0 ГГц;
  • система позволяет создать беспроводной абонентский доступ; коммутацию голоса, данных и смешанный трафик (голос/данные); виртуальные выделенные линии (T1/E1 или N×64 Кбит/с); IP/Ethernet/ATM/Frame Relay; полосу пропускания по требованию;
  • возможна небольшая переконфигурация и увеличение сети;
  • высокое качество и скорость связи, сравнимые с волоконно-оптическими системами.

Система состоит из нескольких компонентов. Базовая станция, состоящая из базовой радиостанции (RBS) и цифровой базовой станции (DBS). Она является тем самым концентратором, который поддерживает до 4000 каналов связи. Абонентский терминал, состоящий из сплошной антенны диаметром 26 см, устанавливаемой вне помещения, и интерфейсного блока. Центр управления, предоставляющий функции администрирования, наблюдения и обслуживания системы.

Следует упомянуть о проблемах, возникающих при использовании радиоустройств для Интернета. О первой уже говорилось – это лицензирование использования таких средств. Вторая проблема— помехи. Даже если вы получили разрешение на использование некоторой частоты, это не означает, что вы сможете без проблем использовать приобретенные радиоустройства. То, что было сказано выше о гарантии от помех, означает лишь, что в данной местности больше нет передатчиков, использующих выделенную вам полосу. Однако, особенно при использовании устройств, работающих в диапазоне LMDS, вам нужно позаботиться по крайней мере о прямой видимости. Вторым фактором могут быть осадки и туман. Возможна такая ситуация, когда в результате многократного преломления на микрокаплях воды сигнал вообще не будет доходить до приемника. Конечно, эта проблема не является повсеместной, так как по крайней мере в Москве постоянных туманов не бывает, но все же вопрос остается. Еще одна проблема – это защита. Конечно, как и в проводной сети, здесь существуют алгоритмы шифрования информации, которые предохраняют данные от считывания или изменения, но все же чисто интуитивно радиосигнал выглядит более открытым. Он открыт в буквальном смысле слова, и перехват его другим приемником нельзя исключать. Изменить сигнал, конечно, трудно, так как для этого нужен передатчик на той же частоте, что будет быстро обнаружено теми же службами Госсвязьнадзора, которые выдают разрешения на использование оборудования. Но несмотря на существование этих проблем, радиосвязь для Интернета развивается и привлекает все больше внимания.

В заключение хочется сказать, что новейшие технологии, такие как LMDS, являются весьма привлекательными для операторов связи, обеспечивая техническую возможность быстрого подключения абонентов к сети и нетрудоемкое изменение структуры сетей. Хочется надеяться, что в дальнейшем одна из проблем – проблема лицензирования таких средств — найдет решение, например аналогичное разрешению на использование диапазона 2400,0-2483,5 МГц.

 

Автор благодарен сотрудникам фирм Alcatel и Cisco за предоставленную информацию.

КомпьютерПресс 12'2000