В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Юрий Сагдуллаев
Руководитель службы развития "НИИР — РадиоНет"
Валерий Швидченко
Главный инженер проекта "НИИР — РадиоНет"
Тимур Сагдуллаев
Магистрант МТУСИ
Современный этап развития телекоммуникационных технологий для передачи данных на расстоянии предусматривает использование разнородных линий связи. На участке "последней мили" альтернативой проводным линиям связи являются технологии беспроводного доступа, техническое развитие которых достигло столь высокого уровня, что во многих случаях они могут составить достойную конкуренцию известным проводным решениям
Использование технологий радиодоступа рационально и обосновано в тех случаях, когда прокладка кабеля связана со значительными трудностями и не является целесообразной. Реалии развития технологий телекоммуникаций и широкополосного радиодоступа наряду с совершенствованием технологий кодирования и передачи видеоинформации открывают практическую возможность успешного решения задач участка "последней мили" через сети радиодоступа с доведением до пользователей необходимых мультимедийных услуг связи.
Согласно имеющимся данным, более чем в 150 городах России развернуто около 260 сетей радиодоступа. По сути, такие сети имеются в городах и районных центрах с населением от 300 тыс. жителей и больше. Достоверные данные о суммарной клиентской базе сетей отсутствуют, но в некоторых источниках она оценивается на уровне 90-100 тыс. абонентов, подавляющее число которых являются корпоративными пользователями. Известно, что отдельные ведущие компании, специализирующие в области радиодоступа, уже преодолели барьер 1 тыс. клиентов.
В настоящее время многие операторы связи получили необходимые разрешения для создания и эксплуатации сети фиксированного беспроводного доступа в различных регионах Российской Федерации (РФ), где ими осуществляется опытное тестирование систем и предоставление услуг связи клиентам. Вместе с тем следует отметить, что уровень проникновения беспроводного доступа весьма незначителен. В особенности это характерно для пригородов и сельской местности. К сожалению, на технологиях радиодоступа сегодня базируется менее 1% услуг операторов "последней мили".
В соответствии с решением Государственной комиссии по радиочастотам ФГУП "НИИР" провел анализ международного опыта регулирования использования радиочастотного ресурса системами фиксированного беспроводного доступа, основных типов и технических характеристик радиоэлектронных средств (РЭС), применяемых и планируемых к применению на территории РФ. Исходя из этих исследований и учитывая необходимость повышения эффективности использования радиочастотного спектра РЭС фиксированного беспроводного доступа, а также важность и необходимость целенаправленного внедрения современных радиотехнологий на территории РФ, Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) в своем решении от 28.11.2005 г. (протокол № 05-10-01-001) признала возможным использование полос радиочастот 2400-2483,5 МГц, 3400-3450 МГц, 3500-3550 МГц, 5150-5350 МГц и 5650-6425 МГц для РЭС фиксированного беспроводного доступа и утвердила основные тактико-технические характеристики средств фиксированного беспроводного доступа, использующих данные полосы радиочастот.
Технические характеристики РЭС (с точки зрения обеспечения ЭМС и других параметров в указанных полосах частот) должны удовлетворять определенным требованиям по их эксплуатации на территории РФ. При этом заявляемые параметры РЭС должны соответствовать определенным тактико-техническим характеристикам, которые имеют свои значения для различных категорий (I—IV) заявленной территории (по численности населения), где планируется развертывание сети фиксированного беспроводного доступа. Например, в полосе частот 5150-5350 МГц максимальный радиус разрешенной зоны обслуживания одной базовой станции составляет от 3 до 8 км, в полосе частот 5650-6425 МГц - от 3 до 20 км. Кроме того, в своем решении ГКРЧ поставила задачу по определению возможности и условий использования РЭС фиксированного беспроводного доступа для полос радиочастот, отличных от приведенных выше.
Выход в свет данного документа ГКРЧ позволяет решить многие возникающие вопросы и определить правовую и практическую основу для успешного развития и функционирования систем фиксированного беспроводного доступа на территории РФ.
Варианты построения сети радиодоступа и виды предоставляемых услуг
Фиксированная беспроводная сеть передачи данных состоит из РЭС, работающих в определенном (разрешенном) диапазоне частот, и включает в себя базовые и абонентские станции, ретрансляторы, увязанные между собой в единую инфраструктуру и соединенные с базовым оператором связи/сервис-провайдером. Структура сети обеспечивает двунаправленный обмен информацией между абонентами сети и базовым оператором связи. При этом возможны следующие варианты организации доступа и предоставляемых услуг:
Структура сигналов и скорость передачи данных в большинстве систем радиодоступа определяется выбранным методом модуляции сигналов. В настоящее время широкое применение в системах связи находит многочастотный метод модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing -мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам), где в полосе частот передачи размещается N несущих, каждая из которых модулируется низкоскоростным потоком данных, являющихся частью общего цифрового потока.
В качестве первичного метода модуляции отдельных несущих может быть использована BPSK (Binary Phase Shift Key - двоичная фазовая манипуляция), QPSK (Qudrature Phase Shift Key — квадратурная фазовая манипуляция),16 QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation — 16-позиционная квадратурная амплитудная модуляция) и 64 QAM (64 Quadrature Amplitude Modulation — 64-позиционная квадратурная амплитудная модуляция). Некоторые виды оборудования радиодоступа осуществляют поддержку всех протоколов модуляции 802.11а (BPSK, QPSK, 16 QAM и 64 QAM). Скорости передачи данных по радиоканалу для различных видов модуляции могут составлять:
Следует отметить, что в основе появления и развития этих видов модуляции лежит классическая схема квадратурной модуляции сигналов, которая в начале 50-х гг. прошлого столетия впервые нашла применение в системе цветного телевидения (NTSC) для решения задачи совместной передачи в спектре яркостного сигнала двух цвето-разностных сигналов.
Построение новых сетей фиксированного беспроводного доступа предусматривает передачу данных для доставки как традиционных, так и новых мультимедийных услуг связи для различных категорий пользователей. Первая целевая группа потенциальных пользователей сети радиодоступа включает в себя корпоративных клиентов, чьи офисы или производственно-складские мощности расположены на городских окраинах, в пригородах или поселках, где сохраняется дефицит проводной инфраструктуры. Вторая категория -частные лица, например владельцы коттеджей как в организованных поселках, так и в зонах новой индивидуальной застройки (в черте населенных пунктов или вне ее).
Фиксированная сеть беспроводного доступа позволяет предоставить корпоративным и индивидуальным пользователям следующий спектр услуг:
Особенности диапазона 5 ГГц для построения сети фиксированного радиодоступа
Передача данных видеоинформационных услуг связи даже при использовании высокоэффективных алгоритмов сжатия информации все же требует наличия широкополосных каналов связи. Для предоставления клиентам в едином пакете разнообразных мультимедийных услуг связи с использованием технологии радиодоступа, на наш взгляд (в силу большей занятости и загруженности диапазона 2,4 и 3,5 ГГц и ряда других причин), предпочтительнее осваивать и использовать диапазоны частот > 5 ГГц. В этих диапазонах частот можно организовать необходимое число дуплексных радиоканалов и осуществить высокоскоростную передачу данных до 54 Мбит/с и выше.
Проведенный анализ с точки зрения эффективности диапазона частот 5 ГГц и выше для организации сети фиксированного беспроводного доступа дает следующую картину. Во-первых, большая часть операторов связи ориентируются на различные частоты в диапазоне 5 ГГц и выше. Диапазон 5,8 ГГц (5725-5850 МГц) входит в список первоочередных профилей, поскольку большинство новых проектов в области беспроводного доступа сосредоточено в соседних диапазонах: 5,3 ГГц; 5,7 ГГц; 5,9 ГГц и выше. Полоса частот 5150-5670 МГц привлекательна тем, что в этом диапазоне нет сетей фиксированной связи, то есть радиорелейных линий и земных станций. В полосе частот 5725-5850 МГц назначения частот новым радиорелейным системам не производятся (эту полосу не затрагивают частотные планы спутниковых сетей). Следовательно, она может быть использована для систем беспроводного доступа с учетом действующих РРС. Полоса частот 5850-5925 МГц используется радиорелейными системами и земными станциями фиксированной спутниковой службы. Сейчас эта полоса достаточно свободна и может быть задействована системами беспроводного доступа. При этом последние могли бы использовать данный диапазон в рамках фиксированной службы при выполнении некоторых условий (не создавать помехи и не требовать защиты от непреднамеренных помех со стороны земных станций спутниковой связи). Новые же РРС могут работать в более высоком диапазоне частот, в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р F.383 и Национальной таблицей распределения полос частот. Полоса частот 5925-6425 МГц занята земными станциями спутниковой связи и уже действующими РЭС фиксированной службы, включая системы беспроводного доступа и РРС, которые работают в данной полосе на равной первичной основе.
На основании изложенного и других известных по этому вопросу данных следует, что диапазон 5,3 ГГц (полоса частот 5150-5350 МГц) и 5,8 ГГц (полоса частот 5650-5925 МГц) действительно является наиболее привлекательным для использования в сети фиксированного беспроводного доступа. Здесь может быть достигнута большая маневренность в выборе тех или иных фиксированных частот (для дуплексной связи) при получении разрешения на развертывание вновь создаваемой сети радиодоступа с учетом азимута излучений на местности, географических координат на основе частотно-территориального плана и других условий по назначению (присвоению) конкретных радиочастот.
На сегодня известны РЭС, функционирующие на территории РФ, которые, например, применительно к полосе частот 5650-5925 ГГц включают аппаратуру абонентского радиодоступа типа BreezeNET, Breeze Access VL, Pac-ketWave 1000, Canopy, Aironet 1400, Tsunami MP.11a. Планируется к использованию оборудование и других производителей — например, SkyPilot, InfiNet и др., которое удовлетворяет необходимым техническим характеристикам в свете упомянутого решения ГКРЧ и иных нормативных документов.
Схема организации связи в сети радиодоступа
На рис. 1 в качестве общего примера приведена схема организации связи в сети фиксированного беспроводного доступа. Фрагмент представленной сети радиодоступа по основному оборудованию включает в себя: 1 — базовую станцию; 2 — ретрансляторы; 3 — абонентские станции, которые могут быть внутреннего или внешнего исполнения; 4 — маршрутизатор; 5 — коммутатор FastEthernet; 6 — канал связи FastEther-net; 71 — сервер управления сетью радиодоступа; 72...7D — серверы видеонаблюдения, доступа (BRAS), электронной почты, обмена файлами (FTP), HTTP; серверы, обеспечивающие работу IP-видеотелефонии и др.; 8 — локальный узел связи (включающий оборудование маршрутизации, коммутации, серверной части и др.); 9 — узел связи оператора связи/сервис-провайдера.
Фактически базовая станция радиодоступа представляет собой шлюз, объединяющий и контролирующий входящий и исходящий трафики сети. К одному шлюзу могут подключаться F ретрансляторов и абонентских станций. Ретранслятор выполняет функции расширения и позволяет превратить беспроводную сеть в надежную ячейку, что обеспечивает больший охват на местности и повышенную масштабируемость.
Базовая станция 1, устанавливаемая на объекте, должна иметь стык через локальный узел связи (ЛУС) 8 с базовым узлом оператора связи 9. Ретрансляторы 2 устанавливаются на объектах, расположенных вокруг базовой станции на определенном расстоянии (в зависимости от географической местности, условий и режима работы системы), где функционируют локальные сети связи клиентов. Ретрансляторы, осуществляя радиосвязь с базовой станцией, обеспечивают доступ локальных сетей пользователей к сети оператора связи. При наличии в сети только одной базовой станции сервер управления 71 подключается к базовой станции или непосредственно, или удаленно по каналу связи. В системе применяется распределенная серверная инфраструктура, управляемая из одной точки.
Как показано на рис. 1, включение оборудования по схеме в составе базовой станции 1 и ретранслятора 2i может быть использовано для обеспечения режима работы "точка — точка" в сети фиксированного беспроводного доступа, а в составе базовой станции 1 и абонентских станций 31...3N — режима работы "точка — многоточка", где N — возможное число абонентских окончаний в сети радиодоступа (например, 3 < N < 1000).
При "ячеистой" структуре построения сети дополнительно подключаются ретрансляторы 22, 23, 24 и т.д. Каждый ретранслятор (расширитель) в данном случае обслуживает свои абонентские станции, общее число которых может быть равным К, S, ..., М. Используя рис. 1, рассмотрим основные режимы работы системы при организации связи в сети фиксированного беспроводного доступа.
Режим работы "точка — точка"
Режим "точка - точка" применяется, например, для развития сети, когда построение проводных магистральных каналов по каким-либо причинам нецелесообразно. Базовая станция 1 используется как шлюз присоединения к основному сегменту сети, а ретранслятор 2Х как шлюз присоединения к удаленному сегменту сети (в том числе и к другому ретранслятору). В данном случае, в зависимости от используемого оборудования радиодоступа, можно задействовать максимальную скорость передачи информации (порядка 54 Мбит/с) и максимальную дальность (при прямой видимости — до 20 км) на один пролет.
Режим работы "точка — много точек"
В этом режиме работы точкой распределения телекоммуникационных услуг является базовая станция 1, вокруг которой в зоне досягаемости располагаются абонентские станции 31; ..., 3N, с помощью которых одновременно можно получить доступ к основному сегменту сети (например, доступ в Интернет). При этом скорость передачи данных на отдельное абонентское окончание может достигать 3 Мбит/с при максимальной дальности до 16 км в условиях прямой видимости. Точно такой же режим работы доступен и при использовании ретранслятора 22. Связь последнего с базовой станцией 1 осуществляется в режиме "точка — точка".
Режим работы "ячеистая сеть"
Данный режим работы объединяет в себе все преимущества режимов "точка — точка" и "точка — много точек". В этом случае одновременно задействованы оба режима работы. Точкой подключения к основному сегменту сети является базовая станция 1, вокруг которой группируется часть абонентов; следующая группа абонентов группируется вокруг ретрансляторов 22, 23, 24 в другой части этой же местности и т.д. В свою очередь цепочки "базовая станция — ретранслятор" и"ретранслятор — ретранслятор" работают в режиме "точка — точка". Причем каждая из цепочек определяется системой автоматически, исходя из наилучших показателей по пропускной способности данных (но не из соображений географической близости). Таким образом получается "ячеистая структура". В этом случае система радиодоступа поддерживает высокоскоростное покрытие обширных территорий и в условиях прямой видимости, и при отраженном сигнале. Она подходит для обслуживания как районов с большой плотностью конечных пользователей, так и для отдельных участков, требующих точечной доставки беспроводного сервиса.
Итак, в режиме "точка — много точек" может обеспечиваться обслуживание рядовых абонентов и небольших предприятий малого бизнеса, в то время как в конфигурации "точка — точка" возможно предоставление высокоскоростного канала связи крупным предприятиям или удаленным пользователям. Для дальнейшего увеличения площади покрытия и охвата большего числа абонентов может быть использована "ячеистая" структура сети. Если возникает необходимость в установке дополнительных базовых станций, то они объединяются с помощью имеющейся транспортной или магистральной сети, к которой подключается система управления всем оборудованием. Сотовая топология сети позволяет охватить покрытие территории с любой ее конфигурацией.
Базовая станция радиодоступа 1 через стандартные интерфейсы и ЛУС 8 подключается к базовому узлу оператора связи 9, обеспечивая пользователям доступ к требуемым услугам (телефонии, передачи данных, видеоинформационным услугам и др.). В общем случае одна базовая станция в диапазоне частот 5 ГГц (исходя из параметров известных РЭС) способна поддерживать связь с ретрансляторами и абонентскими станциями в LOS-режиме (прямая видимость) в зоне радиусом порядка 16-32 км. В режиме, отличном от LOS, это расстояние уменьшается до величины 3-6 км. Базовые станции и ретрансляторы в большинстве случаев могут состоять из нескольких секторов (например, от 6 до 12). Оборудование каждого сектора работает независимо от оборудования других секторов и состоит из базовых устройств, мультиплексора, радиоблока и секторной антенны. Для станции с восемью секторами каждая секторная антенна охватывает на местности по горизонтали угол обзора, равный 45°.
Основной элемент базовой станции и ретранслятора — это базовый блок, который определяет общую пропускную способность всех абонентских станций. Его составляющими являются модем, интерфейсные карты и модуль промежуточных частот. Все базовые блоки свободно соединяются через мультиплексор. Каждый базовый блок преобразовывает высокочастотный сигнал в низкочастотный к телекоммуникационному порту и обратно.
В системах радиодоступа первичная настройка узлов обычно происходит в автономном режиме. Поддержка их дальнейшей работы обеспечивается в автоматическом режиме. При необходимости вмешательства в настройки системы это может быть осуществлено в удаленном режиме. В системах радиодоступа автоматически осуществляется оптимизация маршрута для минимального занятия ресурсов сети, а также осуществляется перенаправление потоков в случае обрыва связи или скачка интерференции и выполняются другие функции.
Видеоинформационные услуги в сети радиодоступа
На рис. 2 показана логическая схема соединений и возможный состав оборудования клиентского окончания в сети радиодоступа. Как видно из рисунка, в клиентской части абонентского окончания показан IP-видеотелефон для организации видеосвязи, а также телевизионные камеры (ТК) и датчики телеметрии (ДТ) для оперативного контроля состояния объектов пользователя. Пользователями могут быть востребованы и использованы и другие источники видеосигналов с их передачей — в направлении от сети к клиенту или наоборот.
Подключение к IP-сети видеотелефона, устройств видеонаблюдения и контроля объектов и других устройств осуществляется через порт Ethernet. Для использования видеотелефона от клиента не требуется никаких дополнительных затрат, так как видео передается по той же линии, что и голос. Современные IP-видеотелефоны обеспечивают CIF-разрешение — 352x288 пикселей и QCIF-разрешение — 176x144 пикселя. При этом максимальное число передаваемых кадров в секунду может составлять для формата CIF 15-20 кадр./с, а для формата QCIF — до 30 кадр./с. Благодаря встроенному аналоговому телефонному порту (POTS) видеотелефон можно использовать как обычный телефонный аппарат или для совмещения IP- и обычной телефонии. Управление видеотелефоном осуществляется при помощи кнопок телефона. Меню отображается на экране дисплея.
Среди прочих характеристик видеотелефона можно выделить наличие разъемов (вход/выход) для подключения телефона к аудио-, видеооборудованию (например, к телевизору для вывода изображения на увеличенный экран). Конфигурация может устанавливаться автоматически или вручную для поддержки протоколов TCP/IP, UDP, ICMP, DHCP, NTP.
В случае использования передачи данных систем видеонаблюдения и телеметрии через сеть радиодоступа предусматривается соответствующий сервер для сбора видеоинформации и данных телеметрии в клиентской части. Это позволяет пользователю, находящемуся вне заданной территории, контролировать состояние тех или иных объектов через Интернет или сеть передачи данных оператора связи. Для этого он должен иметь доступ в сеть и через интерфейс сервера базового узла оператора связи по запросу получать в нужное время необходимую информацию о состоянии объекта видеонаблюдения. При возникновении нештатной ситуации может осуществляться выдача сигнала тревоги, автодозвон на телефон пользователя, а также автоматическая видеозапись происшествия с включением его предыстории.
Заключение
Данная статья отражает некоторые аспекты предоставления как традиционных, так и продвижения новых видеоинформационных услуг связи на участке "последней мили" с организацией сети фиксированного беспроводного доступа. Естественно, новые технологии сетей радиодоступа должны отвечать требованиям вышеназванных услуг в отношении большей полосы пропускания и поддержки услуг передачи данных, видео и речи с заданным качеством обслуживания. Выбор оптимальной структуры построения сети радиодоступа зависит от позиций оператора на рынке связи и существующей инфраструктуры, от плотности клиентской базы на местности и некоторых других факторов.
Рассмотренная схема организации сети фиксированного беспроводного доступа применительно к диапазону частот 5 ГГц и выше при использовании соответствующего оборудования базовых и абонентских станций позволит обеспечить циркуляцию видеоинформации в сети для предоставления услуг видеотелефонии, видеонаблюдения и передачи данных телеметрии о состоянии объектов и ряд других сервисных услуг, востребованных со стороны пользователей.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #4, 2006
Посещений: 19683
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
