CC BY
146
7 декабря 2011 г. 17:33
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Радиорелейное оборудование с пакетной технологией передачи данных
В настоящее время происходит эволюция транспортных сетей, в гам числе, предназначенных для мобильной связи, в сторону перехода на пакетные технологии. Эго связано с желанием потребителя получить широкополосный доступ к интернету Переход к сетям связи Зв позволит получить такие услуги даже абоненту мобильного телефона. Сигналы из центра на базовые станции (ВС) стандарта ЗС будут подаваться по новым цифровым радиорелейным линиям связи (ЦРРЛ) с пакетной передачей. Мель статьи — облегчить выбор типа радиорелейного оборудования поставщикам услуг связи.
Кирик Ю.М.,
МГ/СИ
Петренко АА,
AlcateUucant
На сегодня опий день рост числа абонентов сотовой связи замедлился и близок к своему насыщению. Эго связано с тем, что мобильные телефоны, обеспечивающие голосовую связь, имеют почти 100% населения. Погоня за прибылью вынуждает операторов сотовой связи искать новые способы расширения спектра услуг. В России, по сравнению с другими странами, процент проникновения интернета и мультисервисных услуг по мобильной связи очень низок. Это объясняется тем, что существующие сети 2-го поколения (GSM) могут обеспечить доступ в интернет л ишь с низкими скоростями. Внедрение сетей связи 3-го поколения позволяет в разы увеличить скорость доступа в интернет, к IP-7V, другим услугам с помощью привычных мобильных телефонов. Опыт ведущих операторов сотовой связи показал, что запуск сетей 3G приводит к рекордному росту активности пользователей.
Развитие сетей 3G в России сдерживалось из-за ограничений на необходимые рсщиочааоты. Непосредственным поводом для написания данной статьи явилось сообщение последних дней 2009 года о том, что Роскомжздзор выдал главным российским операторам разрешение на использование радиочастот для развертывания сетей сотовой связи третьего поколения в Москве [ 1 ]. При этом можно будет запустить несколько тысяч новых базовых станций. Данное решение было принято на самом высоком уровне руководства страны.
Возникает вопрос, как наилучшим образом осуществить подачу пакетных Ethernet сообщений на новые базовые станции?
До сих пор основным средством подачи являлись тради1*юннь»е ЦРРЛ с временным мультиплексированием (TDM), которые передавали на базовые станции поколения 2G потоки плезиохронной цифровой иерархии (PDH). Если необходимо, пакетный трофик передавался его инкапсуляцией в потоки PDH с помощью внешних устройств. Такая система не эффективна с точки зрения использования полосы радиочастот. Этому есть две причины. Одна — при переводе пакетов Ethernet в TDM неизбежны потери. Другая, главная, здесь не учитывалось то, что пакетный трафик **иеет пульсирующий характер с ярко выраженными максимумами в час наибольшей нагрузки и минимумами в ночные часы. При использовании стандартных TDM технологий операторов приходится постоянно резервировать максимальную полосу с учетом наибольшей нагрузки, что является абсолютно нерентабельным решением с точки зрения затрат полосы радиочастот и денег. Такие ЦРРЛ будут являться своеобразным "узким горлом" при внедрении 3G. Эти простейшие TDM релейки, которые еще 10 лет назад были последним словом техники, сейчас снимаются с производства, хотя в эксплуатации их еще много.
Второй распространенной технологией является передача по
современным ЦРРЛ сигналов синхронной цифровой иерархии (SDH). Здесь, с помощью многоуровневой мсщуляции, достигается высокое отношение скорости передачи к занимаемой полосе. Типичным примером является передача 155 Мбит/с в полосе 28 МГц при модуляции 128QAM. Ввод пакетных сообщений в мультиплексор SDH происходит достаточно эффективно. Современная техника делает это практически без потерь с помощью предварительной подготовки Ethernet сообщений по технологии GFR [2]. Данные ЦРРЛ широко применяются при магистральной связи с большими потоками и там, где сглажены временные пики нагрузки. Однако эти релейки не интеллектуальны. Они не "думают'1, есть нагрузка или нет, и продолжают занимать в эфире полосу 28 МГГц даже, когда нет трафика. Помехозащищенность из-за сложной модуляции здесь низкая, эти ЦРРЛ должны проектироваться с большим запасом на замирания при дождях.
Третий популярный вариант существующих ЦРРЛ воплощен в системах, где на вход внутреннего блока оборудования подаются и сигналы TDM и сигналы Ethernet. Пакетные сигналы мультиплексируются с сигналами TDM в общий сигнал, имеющий, по существу, структуру TDM, который модулирует радионесущую и в таком виде поступает в эфир. Достоинства подобных систем были описаны в [3]. Несмотря на очевидные удобства эксплуатации и на то, что потребителю не нсщо, кроме релейки, покупать иного оборудования, при таком построении все недостатки TDM для передачи пакетного трафика остаются.
Перейдем к рассмотрению релеек с абсолютно новыми технологиями. Это оборудование будет являться частью общей пакетной транспортной сети, основанной на сетевых протоколах контроля качества, таких, как IP/MPIS. При использовании данного протокола резервируется только часть максимально возможной полосы с учетом статистических измерений. В случае максимальной нагрузки на транспортную сеть организуются так называемые очереди трафика, согласно которым гарантированный трафик, например потоки Е1, пропускается без задержек, а негарантированный трафик, например пакеты пользователей, осуществляющих доступ в интернет, буферизируется и передается с небольшой задержкой, незаметной для конечных потребителей. Переход к IP/MPIS вынуждает производителей, а также операторов сотовой связи радиорелейных систем поменять концепцию развития и постепенно заменять устаревшие ТОМ системы на новейшие пакетные устройства.
Сегодня на телекоммуникационном рынке предлагается три принципиально разных решения в области пакетных релеек:
Гибридная радиорелейная система
В таких системах используется два процессора для обработки и коммутации трафика — в родионтерфейсе отдельно передается ТОМ трафик (потоки Е1), отдельно — пакетный трафик (Ethernet). Эти два трафика не "перемешиваются" между собой, а передаются в одном радиокадре с разделением во времени. Передача TDM тра-
86
T-Comm, #7-2010
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
фика осуществляется по аналогии с предыдущими TDM радиорелейными системами, Ethernet трафик передается с различными приоритетами и в разных очередях. Производители таких типов оборудования заявляют, что только таким образом можно достичь идеальной синхронизации потоков Е1 при передаче. Системы PDH очень чувствительны к точности тактовой синхронизации и стабильность тактовой чостоты — необходимое условие для работы PDH. Однако, как будет показано ниже, существуют иные методы передачи синхронизадии, которые являются более простыми и надежными. Основными недостатками гибридного оборудования является наличие двух матриц коммутации для разных типов трафика, а также необходимость физической кроссировки Е1 потоков, что является трудоемким процессом для обслуживающего персонала операторов сотовой связи.
Полноценная пакетная радиорелейная система
В этом оборудовании в радиоинтерфейсе передается только Ethernet пакетный трафик и на вход таких устройств подключаются только сигналы Ethernet. Оборудование за счет приоритезации и создания очередей оптимизирует трафик и передает большие объемы информации в малых полосах пропускания. Данное решение оптимально для интернет-провайдеров, операторов WiMAX и других служб, работающих только с Etherr>et сетями. Однако, полноценная пакетная радиорелейная система не приемлема для существующих операторов сотовой связи. Как известно, сети связи 3-го поколения строятся на основе существующей инфраструктуры сетей 2G, следовательно, на каждом сайте уже установлена одна или даже несколько базовых станций предыдущего поколения с интерфейсами Е1. Для подключения таких интерфейсов к пакетным релейкам потребуются дополнительные El -Ethernet мультиплексоры (Cell Site Aggregators), а следовательно дополнительные вложения средств и трудозатраты.
Пакетная радиорелейная система с возможностью агрегации трафика и Ethernet радиоинтерфейсом
Данное решение на сегодняшний день является оптимальным на рынке телекоммуникационного оборудования. За счет своей гибкости оно позволяет удовлетворить потребности как операторов сотовой связи со смешанными типами трафика, так и интернет-провайдеров с пакетным трафиком. На вход оборудования может поступать TDM трофик (потоки Е1 — витая пара), Ethernet трафик (интерфейсы Base-T или SFP), ATM трафик (ATM ячейки поверх интерфейса Е1) и даже SDH трофик (интерфейсы STM-1). Внутри оборудования находится матрица обработки и кросс-коммутации, которая преобразует весь входящий трафик в пакеты Ethernet и передает в радиотракт. При инкапсуляции TDM в Ethernet происходит дополнительный выигрыш в занимаемой полосе, так как при телефонии незанятые временные промежутки удаляются. Проблема синхронизации потоков Е1 решается передачей сигналов тактовой частоты по отдельным гарантированным каналам в радиоинтерфейсе, также возможна синхронизация от внешних источников синхронизации (GPS, ГЛОНАСС) и других источников. Дополнительным плюсом релейки с агрегацией является удобство стыковки с другими элементами транспортной сети, В старых TDM решениях в каждом месте стыка двух устройств необходимо было устанавливать кросс для всех потоков Е1, в данном случае весь трафик передается в пакетах Ethernet и достаточно просто подключить Ethernet интерфейс между устройствами.
Еще одним, чисто радиорелейным, преимуществом устройств с
пакетной технологией передачи данных является наличие адаптивной модуляции. С ухудшением погодных условий (дождь, снег, туман), в оборудовании с фиксированным уровнем модуляции, при понижении сигнала ниже порогового уровня приемника, начинают возникать ошибки, вплоть до полного отключения релейки и потери всех данных. Современные системы с адаптивной модуляцией с изменением погсдных условий автоматически, без разрыва существующих соединений, переключаются на модуляцию более низкого уровня в диапазоне от 256QAM до QPSK. И наоборот, при улучшении радиосигнала уровень модуляции растет и увеличивается пропускная способность ЦРРЛ. Например, для стандартного канала 28 МГц при увеличении модуляции от QPSK до 256QAM, пропускная способность увеличивается от 40 Мбит/с до 180 Мбит/с Однако, при настройке адаптивной модуляции, необходимо учитывать гарантированный трафик — минимальную пропускную способность ЦРРЛ при минимально разрешенной модуляции (задается оператором). Весь дополнительный трафик будет считаться негарантированным и может не передаваться при низком уровне принимаемого сигнала.
Выигрыш от перехода на адоптивную модуляцию можно качественно иллюстрировать следующим образом. При широком развертывании новых БС возникают проблемы с радиочастотами для релеек. В Москве уже сейчас ограничено применение частоты 13 ГГц и выделяются частоты 18 ГГц и выше. Однако значение множителя ослабления в условиях осадков быстро растет с увеличением чостоты. Это показано на графике (рис.1), построенном нами по данным [4] для трассы длиной 10 км. При интенсивности дождя 30 мм/час (такие осадки характерны для средней полосы России в 0,05% времени) релейка на частоте 18Пц имеющая такие же параметры по мощности передатчиков, усилению антенн и чувствительности приемников, что и оборудование на частоте 13 ГГц потребует энергетического запаса на 10 дБ большего. Однако в новой релейке можно не закладывать дополнительного запаса, связанного, например, с необходимостью увеличения мощности передатчиков. "Интеллектуальное" оборудование понизит уровень модуляции во время дождя, например, с 128 QAM до 16 QAM. Часть пакетной информации попадет в буфер, но телефония пройдет без задержек.
На рис. 2 показано построение радиорелейных систем с пакетной технологией. Следует обратить внимание, что в гибридной системе TDM и Ethernet трафики передаются параллельно, в двух других типах оборудования TDM трафик инкапсулируется в Ethernet либо в самой релейке, либо на другом этапе.
10 20 30 40 50 во 70 80
13 ГГц
18 ГГц
V, дБ
Рис 1. Значение множителя ослабления в условиях осадков (R = 10 км)
T-Comm, #7-2010
87
