Как преодолеть узкие места в широкополосной радиосвязи

При решении проблем, связанных с преодолением «последней мили», технология широкополосной радиосвязи зачастую является наиболее подходящим решением и, как следствие, привлекает огромное внимание. По всему миру распределяются лицензии и создаются сети. Сегодня в мире уже существует свыше 3 тыс. базовых станций широкополосной радиосвязи для ста с лишним клиентов. Одним из лидеров на этом рынке является компания Alcatel.

Поставщику услуг выгодно использовать глобальный опыт лидеров отрасли и их практическую поддержку собственных инфраструктур на местах. Такая поддержка часто предполагает повсеместную установку продуктов от одного производителя — от центральной станции до зданий, где находятся клиенты. Решения «под ключ» от одного производителя включают продукты и поддержку, необходимые для успешного развертывания, свертывания и оперативной работы.

Планирование ячеек и проектирование сети — одна из услуг в рамках такой поддержки, которую Alcatel предоставляет провайдерам, использующим технологию широкополосной радиосвязи. Спектр радиочастот — это ценный ограниченный ресурс, и только тщательное планирование и проектирование поможет обеспечить его эффективное использование. Настоящая статья освещает некоторые ключевые вопросы планирования ячейки и проектирования сети для сетей широкополосной радиосвязи, в частности в диапазоне 24-40 ГГц, предусмотренном решением Alcatel Local Multipoint Distribution Service (LMDS).

Чтобы разобраться в типах архитектуры, выбранных для реализации, важно понимать особенности сетей широкополосной радиосвязи.

Затухание сигнала при дожде

Сильный дождь, снег и туман ограничивают расстояние, которое способен преодолевать сигнал частотой 24-40 ГГц. Системы LMDS могут работать в районах, где бывают сильные дожди, но, чтобы обеспечить связь бизнес-класса с качеством на уровне волоконно-оптической, при проектировании общей сети необходимо учитывать фактор затухания при дожде. Эксперты по планированию радиосвязи отлично разбираются в этих параметрах и помогут провайдеру выбрать нужное соотношение между уровнем сигнала в ячейке и устойчивостью связи.

Линия прямой видимости

При работе на частоте 24-40 ГГц между базовой радиостанцией и приемником должна существовать линия прямой видимости (Line Of Sight, LOS), но она есть далеко не всегда. Однако в условиях городской сотовой сети приемники, находящиеся на границе ячейки (и сталкивающиеся с наибольшими помехами при прохождении сигнала), используют перекрытия между ячейками, что улучшает фактор линии прямой видимости.

Повторное использование частот и помехи

В областях с высокой плотностью трафика провайдер должен разворачивать множество смежных ячеек большой емкости. Поскольку выделенный провайдеру спектр частот ограничен, существующие каналы необходимо использовать повторно как можно более интенсивно, чтобы:

обеспечить охват многих ячеек;
создать запасные каналы на уровнях сотового охвата, что даст возможность развернуть новые уровни (более высокую емкость).

Повторное использование несущих радиочастот (Radio Frequency, RF) в смежных ячейках вызывает помехи, которые способны влиять на полезный сигнал несущей, если отношение мощности несущей к помехе (C/I) превышает коэффициент, допустимый системой. Таким образом, повторное использование частот ограничивается помехами, поэтому необходимо внимательно планировать подобную схему.

Варианты создания LMDS-ячеек

Конфигурация ячейки

Существует множество возможных конфигураций ячеек, поэтому для обеспечения экономии в сочетании с высокой производительностью следует выбрать оптимальный вариант. Изолированные ячейки (рис. 1) не используют частоты и повторно, поэтому проблем с помехами там не возникает. Нужна такая конфигурация, которая при минимуме оборудования обеспечивала бы максимальный размер ячейки и позволяла справляться с необходимым трафиком (с возможностью наращивания емкости). Максимальный охват достигается за счет использования на центральной станции секторных антенн (что обеспечивает более высокий коэффициент направленного действия), выносных антенн увеличенного диаметра и минимальной ширины канала связи между ними (что дешевле).

Размеры в сотовой конфигурации (рис. 2) требуют учета трех основных параметров: объема трафика, требуемого спектра частот и области помех. Обычно при проектировании сетей в первую очередь учитывают трафик. Повышение пропускной способности на ограниченном частотном спектре требует как можно более частого повторного использования частотных каналов в массиве ячеек и в то же время ограничения критичных областей помех. Настоятельно рекомендуется регулярная структура повторного использования частот, поскольку она предлагает ряд преимуществ: повышенный иммунитет к помехам, большую вероятность достижения абонентами линии прямой видимости и повышенную пропускную способность пользовательских частот.

На варианты повторного использования частот и емкость ячейки влияют несколько факторов. Использование более узкого канала, например 14 МГц внизу и 3,5 МГц вверху, вместо 28 и 7 МГц, увеличивает дальность действия ячейки (360°) примерно на 30% (в зависимости от зоны дождей). Однако при этом емкость трафика сокращается наполовину в обоих направлениях — и вверх и вниз.

Применение как горизонтальной (Н), так и вертикальной (V) поляризации повышает дискриминацию сигнала, предоставляя возможность повторного использования одних и тех же каналов в смежных секторах и ячейках и повышая тем самым общую эффективность спектра сотовой сети. Это также обеспечивает большую защищенность от помех в сотовых сетях, использующих несколько каналов. Недостатком здесь является сокращение охвата примерно на 20% (в зависимости от зоны дождей) в секторах с горизонтальной поляризацией по сравнению с секторами с вертикальной поляризацией (рис. 3).

Таким образом, при развертывании сети LMDS существует множество вариантов. Дальнейшие разделы статьи содержат подкрепленные примерами инструкции о том, как нужно управлять сетью и обращаться с радиотехникой, чтобы успешно реализовать развертывание.

Архитектура секторов и ячеек в реальных условиях

Четырехсекторная архитектура ячейки (рис. 4) обеспечивает оптимальную производительность одно- и многосотовых схем, а также самую высокую экономию средств и возможность наращивания трафика. Кроме того, система легко устанавливается на крыше и в максимальной степени обеспечивает линию прямой видимости.

Стандартная четырехсекторная архитектура ячейки

Обычно архитектура базовой станции предполагает четыре сектора, каждый с охватом 90°. Такая конфигурация имеет следующие достоинства:

Хорошее соотношение между емкостью ячейки и количеством радиоустройств: четыре базовые радиостанции (Radio Base Station, RBS) на крыше обеспечивают до 40 Мбит/с на каждый сектор с диапазоном 36 МГц по приему сигнала (одноканальная RBS) в комбинации с полной гибкостью в наращивании мощности. Если требуется большая мощность (и есть достаточный RF-спектр), к той же конфигурации на крыше можно добавить еще один уровень, повысив мощность вдвое. Держатели лицензий с широким спектром, достаточным для повышения мощности до 160 Мбит/с (до четырех каналов по 40 Мбит/с на сектор), могут установить четыре многоканальные RBS с охватом по 90°. Четыре сектора по 90° позволяют обеспечить полный охват с оптимальным количеством радиоустройств и возможностью наращивания до любой емкости (на сектор или на всю ячейку).
Оптимальная производительность:
- сотовая конфигурация: меньший угол позволяет использовать антенны с лучшей направленностью, что увеличивает дальность действия и, возможно, повышает повторное использование частот на каждую базовую станцию. К сожалению, меньший угол приводит к увеличению помех в ячейке и смежных ячейках, в результате чего значительная часть областей выпадает из обслуживания. Это препятствует такой реализации в условиях сотовой сети;
- изолированные ячейки: больший угол сокращает дальность действия, но эта схема может было легко реализована для конфигураций с малой емкостью изолированных ячеек с целью сокращения расходов на оборудование.
Экономия: производительность каждой конфигурации необходимо оценивать с точки зрения затрат. Четырехсекционный вариант обеспечивает полный охват с помощью всего лишь четырех радиоустройств базовой станции и по мере загрузки сети позволяет постепенно наращивать мощность. С ростом количества радиоустройств и секторов провайдер сталкивается с увеличением расходов на оборудование и его обслуживание. Кроме того, приходится решать вопросы, связанные с расширением инфраструктуры, такие, например, как аренда места на крышах.
Простота размещения устройств на крышах с оптимальной линией прямой видимости: четырехсекторная конфигурация позволяет размещать базовую станцию на углах или вдоль кромок прямоугольных крыш. При меньшем количестве устройств (например, две антенны по 180°) критичными становятся зоны молчания, вызванные конструкцией крыши; в этом случае провайдеру приходится устанавливать устройства на мачту.

Для сотовой сети выбор оптимальной конфигурации очень важен, поскольку она определяет схему повторного использования частоты, которая воспроизводится по всей сети с минимальными изменениями, чтобы предотвратить возможные помехи.

Повторное использование частот: секторы 8×45° и 4×90°

На рис. 5 приводится принцип расчета помех в частотной структуре с использованием двух каналов и перекрестной поляризации в ячейках 8×45°. Результат показывает, что примерно 14% сотовой сети представляют собой области критичных помех против менее 5% при двух уровнях секторов ячеек 4×90° с теми же двумя каналами и перекрестной поляризацией. Следовательно, при использовании двух каналов такое разбиение на секторы неудобно. При четырех каналах помехи снижаются почти до нуля, но по сравнению с двумя слоями секторов ячеек 4×90° здесь не происходит улучшения при повторном использовании частоты. Таким образом, для сотовой схемы конфигурация с секторами 4×90° является самым гибким и эффективным вариантом.

Другие виды архитектуры ячеек

Так, например, Alcatel в рамках своего LMDS-решения предлагает также антенны с секторами от 180° до 45° с соответствующими схемами повторного использования частот. На заказ могут быть произведены конфигурации с другими секторами.

Секторы 180° обычно применяются в тех случаях, когда требуется охватить изолированными ячейками области малой емкости. Для этого требуется всего два радиоустройства, что снижает расходы. Таким образом, речь идет о реализации, рассчитанной на охват и не ограниченной емкостью каждой ячейки.

Конфигурация 8×45° рекомендуется лишь в нескольких случаях. Изолированные ячейки обычно имеют малую или среднюю емкость, что не требует столь большого количества каналов, как в сотовых сетях. Конфигурация 8×45° имеет лишь два преимущества: диапазон ячейки шире, чем при использовании антенн 90°, и теоретически достижим больший уровень повторного использования частот. Однако в реальных проектах чаще применяется конфигурация с секторами 4×90°, поскольку в сотовой сети она обеспечивает значительную экономию и высокую производительность.

Повторное использование частот и емкость

Сотовая схема

В зависимости от требований трафика и допустимых искажений возможны следующие варианты повторного использования частот на каждую ячейку:

Простая конфигурация повторного использования (рис. 6а): четыре частоты, по одной на каждый из четырех секторов 90°. Общая мощность базовой станции соответствует четырем каналам. Такая конфигурация обеспечивает наименьшие искажения в сотовой сети. Для удвоения мощности можно с помощью перекрестной поляризации добавить еще один уровень.
Оптимизированная конфигурация повторного использования (рис. 6b): две частоты, каждая из которых используется повторно для охвата четырех секторов. Общая мощность базовой станции также соответствует четырем каналам. Вследствие перекрестной поляризации область, выпадающая из обслуживания вследствие критичных помех, составляет 1% против 5% без перекрестной поляризации. Такая конфигурация может достигать в полной сотовой сети очень высокой производительности благодаря использованию всего лишь двух частот. Кроме того, если допустить, что из сферы обслуживания выпадает область 5%, то такая схема обеспечивает повторное использование частот с фактором 1, позволяя и дальше наращивать мощность сети. Принцип состоит в том, чтобы добавлять уровни при использовании перекрестной поляризации:
- при наличии только двух частот путем наложения двух уровней можно поднять пропускную способность до восьми каналов на ячейку;
- тот же принцип может быть действителен и с 4, 6... частотами. При наличии четырех частот могут быть использованы четыре уровня, что обеспечивает пропускную способность, соответствующую 16 каналам на ячейку.
Конфигурация с максимальным повторным использованием (рис. 6с): повторно используется одна частота с перекрестной поляризацией на четыре сектора. Это достигается повторным использованием частоты с фактором 1 с одним уровнем, что обеспечивает емкость в четыре канала на ячейку; область помех при этом составляет 5%.

С помощью разных схем повторного использования можно с полной эффективностью задействовать несколько уровней (если каждый уровень использует одну и ту же схему для всех ячеек), например с целью комбинации малых помех с высокой емкостью в охвате сети LMDS.

Пример: варианты повторного использования частоты при ширине спектра 112 МГц

Настоящий пример предполагает три допущения:

в диапазоне 26 ГГц стандарта ETSI (European Telecommunications Standard Institute) присутствуют четыре частоты по 28 МГц;
чистая пропускная способность на канал округлена до 30 Мбит/с, хотя в действительности она несколько выше;
расчет помех произведен по наихудшему сценарию, предполагающему модель плоской земной поверхности (то есть без препятствий для интерферирующих сигналов).

Похожие конфигурации и результаты (с некоторыми отклонениями) могут быть предложены в случае других частотных диапазонов и каналов и иной производительности базовых станций. Заметьте, что лучше всего этот пример соотносится с вариантом применения четырех частот по 14 МГц (или разделения 28 МГц на две частоты) при пропускной способности, составляющей половину от приведенной здесь.

С учетом указанных допущений, возможны несколько схем повторного использования частот (рис. 7). В зависимости от потребностей провайдера предлагаемое Alcatel решение LMDS может различаться — от вариантов с малыми помехами до высокой эффективности спектра с фактором повторного использования 1 и чистой пропускной способностью до 480 Мбит/с в диапазоне 112 МГц.

Изолированная ячейка

В случае с изолированной ячейкой можно просто повторно использовать ту же частоту с перекрестной поляризацией на четыре сектора без каких бы то ни было межсекторных помех. Следовательно, увеличение емкости определяется добавлением уровней (один на частоту) на базовой станции. Поскольку изолированные ячейки используются для охвата областей с малой плотностью, при их проектировании учитывается прежде всего не емкость, а охват. Существует несколько способов увеличить зону действия ячейки:

Использование 60-сантиметровых антенн на удаленных терминальных станциях — охват увеличивается почти на 50% в зависимости от зоны дождей ITU.
Высокая степень направленности секторных антенн базовой станции — охват увеличивается почти на 60% в зависимости от зоны дождей ITU.
Использование узкого канала (14 вместо 28 МГц по ETSI), который сокращает отношение мощности несущей к помехе, снижая стоимость канала связи. При использовании стандартных антенн этот вариант повышает охват ячейки примерно на 30% (в зависимости от зоны дождей), наполовину сокращая, однако, емкость ячейки и скорость передачи данных на каждый терминал. Для сохранения емкости ячейки необходимо использовать два уровня. В этом случае понадобится устанавливать две совместно размещенные станции (а не одну), но расходы (включая и периодические издержки) будут покрыты за счет увеличения охвата на 30%.

Потребность в емкости изолированной ячейки сети удовлетворяется без проблем. Для этого потребуется увеличить дальность действия базовой станции: здесь возможны варианты, с помощью которых можно увеличивать охват в два и более раз.

Модуляция: QPSK и 16/64 QAM

Выбор модуляции определяется пропускной способностью, уровнем помех и эффективностью спектра. Там, где особо важен частотный спектр, модуляции 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) и более «продвинутая» 64 QAM выглядят гораздо привлекательнее по сравнению с Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) или 4 QAM. Хотя первые две гораздо дороже и сокращают дальность действия радиосистем, теоретически они могут соответственно вдвое и вчетверо увеличить полосу пропускания, доступную через QPSK того же спектра.

На практике, однако, и здесь есть свой минус: варианты модуляции 16/64 QAM более чувствительны к помехам (см. рис. 8). Реальная сеть LMDS обычно состоит из множества ячеек и располагает одинаковыми частотными каналами, которые в смежных ячейках зачастую используются повторно. В таких условиях существуют убедительные доводы в пользу именно QPSK:

больший охват поверхности на каждую ячейку — до 2,5 раз;
только 25% помех при том же радиусе ячейки;
благодаря уменьшению повторного использования частот (4 канала в схеме повторного использования на базе QPSK против 16 каналов в схеме на базе 16 QAM) требуется только 25% частотного диапазона. Это один из положительных результатов, обусловленных требованиями минимального расстояния при повторном использовании частот с целью достижения почти нулевого уровня помех (см. рис. 8).
для охвата той же области достаточно лишь четвертой части всего количества радиоцентров. Если в схеме 16 QAM площадь поверхности в виде квадрата требует восьми ячеек, то в схеме QPSK — только четырех.

Эффективность провайдера определяется эффективностью спектра и финансовыми затратами. Следовательно вопрос ставится так: какая эффективность спектра (в Мбит/с на МГц) может быть обеспечена тем же количеством базовых станций? Эффективность при этом выражается следующим отношением: эффективность = трафик (Т) / необходимый спектр (S) / количество базовых станций (BS) (в Мбит/с на МГц на базовую станцию). При этом устанавливаются следующие допущения:

хотя теоретически емкость сектора по схеме 16 QAM вдвое больше, чем по схеме QPSK, на практике необходимость использования прямого исправления ошибок означает, что реально эта цифра составляет 60%;
та же задача снижения помех почти до нулевого уровня должна быть достигнута при развертывании сети.

Расчеты на основе стандартов Alcatel и ETSI

При сравнении это выглядит так:

E_QPSK = T_QPSK/S_QPSK/BS_QPSK

E_16QAM = (1,6 × 4 × T) / (4 × S_QPSK) / (4 × BS_QPSK) =

= 0,4 E_QPSK

Итак, E_QPSK = 2,5 E_16QAM

Таким образом, эффективность QPSK на 150% выше эффективности 16 QAM, а поскольку проблема помех становится критичной на более высоких уровнях модуляции, то вопрос об использовании 64 QAM здесь даже не встает. Сравнение показывает, что модуляция QPSK является оптимальным вариантом для Alcatel LMDS, поскольку она:

оптимизирует охват и количество радиоцентров;
повышает до максимума повторное использование частот;
сводит до минимума области помех.

При одинаковом уровне помех в сотовой сети эффективность спектра Alcatel LMDS QPSK выше, чем любой из систем на базе 16 или 64 QAM. Ясно, что для повышения эффективности спектра варианты 16 и 64 QAM не подходят. Однако изменения уровней модуляции от края до центра ячейки через автоадаптационную систему модуляции 4/16/64 QAM, сохраняя все преимущества QPSK, увеличивают пропускную способность в центре ячейки. Этот метод имеет большие шансы стать основой для LMDS-решения следующего поколения.

Заключение

При проектировании широкополосной радиосети необходимо учитывать множество моментов. Технология эта молодая и быстро набирает популярность, поэтому, естественно, провайдерам следует обращаться к лидерам индустрии, обладающим большим опытом в области глобальной связи и локальной поддержки.

Филип Рувре, вице-президент отдела сетевых технологий Alcatel,

Alcatel Telecommunications Review, 4’2000

КомпьютерПресс 7'2001

1999	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2000	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2001	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2002	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2003	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2004	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2005	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2006	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2007	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2008	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2009	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2010	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2011	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2012	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2013	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12