Образовательный портал о технологиях мобильной связи


Broadband WLL - технология .


      

Системы широкополосного фиксированного беспроводного доступа (broadband WLL) .

Под термином "доступ" понимается сетевой доступ, имеющий массовый характер, т.е. сеть доступа. Радиомодемные соединения типа "точка - точка", а также радиорелейные станции и линии связи, являющиеся традиционными средствами решения проблемы "последней мили" с помощью радиосредств, имеют многочисленные примеры реализации, однако не обеспечивают массовый характер подключений. Поэтому данный материал посвящен, прежде всего, системам беспроводного доступа, являющим собой функционально законченный набор аппаратно-программных средств, реализующих соединения типа "точка - много точек" и образующих сеть доступа.

Данная тема, при ее более детальном рассмотрении, представляется сильно зависящей от национального законодательства и порядка использования полос радиочастот. Процедура получения разрешения об использовании полосы радиочастот для закупки радиоэлектронных средств с целью их дальнейшей эксплуатации достаточно сложна и многоэтапная.

Сразу несколько организаций занимаются выдачей разрешительных документов. В их числе Государственный специализированный проектный институт радио и телевидения (ГСПИ РТВ), Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) при Госкомсвязи РФ, Главное управление государственного надзора за связью в РФ (Главгоссвязьнадзор).

Конкретные номиналы рабочих частот назначаются в установленном порядке Главгоссвязьнадзором России на основании расчетов на электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными средствами этого диапазона, работающими в районе размещения закупаемых средств, с применением разработанных и согласованных с Министерством обороны РФ норм частотно-территориального разноса, исходя из реальной электромагнитной обстановки.

Кроме того, радиоэлектронные средства должны быть в обязательном порядке сертифицированы Госкомсвязи РФ.

Все выше сказанное приводит к тому, что далеко не все средства и системы беспроводного доступа, разработанные и доступные за пределами России, могут найти применение в национальном масштабе. Соответственно, данный материал, ограничен в примерах реализаций подобных систем.

Широкополосный беспроводной доступ.

По классификации, системы широкополосного беспроводного доступа предоставляют абоненту сети услуги по передаче данных до 2 Мбит/с (N x 64 K) и выше. Понятие абонента, как индивидуального пользователя, скорее всего, соответствует традиционным узкополосным системам WLL, к примеру, MultiGain Wireless компании InnoWave ECI Wireless Systems, где передача данных ограничивается полосой 64 Кбит/с ISDN BRI, или, фактически, модемным соединением 56 Кбит/с. К этой же категории можно отнести системы WLL DECT. В последних, передача данных, организуемая через модемное соединение, имеет скорость еще меньше. В широкополосных системах правильнее использовать понятия "подписчик" (subscriber) или пользователь, подписавшийся на тот или иной сервис (услугу или услуги), который ему предоставляет оператор сети доступа.

Сервис, предоставляемый пользователю оператором сети беспроводного доступа, зависит от характеристик системы и используемой радио технологии.

Радио технологии в настоящее время меньше всего стандартизованы, в отличие от применяемых сетевых интерфейсов и, по сути, являются "proprietary", т.е. уникальными технологиями разработчиков систем, в основу которых положены общие принципы модуляции и передачи радиосигналов. Поэтому, классификация радиосистем, скорее возможна исходя из характеристик оборудования и предоставляемого пользователю сервиса, нежели по радио технологиям (можно сравнить с xDSL доступом, где ситуация обратная).

Итак, что же сегодня представляют собой средства и системы широкополосного беспроводного доступа?

Радиочастоты и характеристика систем.

Оборудование широкополосного доступа использует вполне определенный частотный диапазон. Прежде всего, - это диапазон 2,4 ГГц. Обусловлено это тем, что во многих странах этот диапазон свободен от лицензирования и инсталляции оборудования, работающего в этом диапазоне, имеют массовый характер. С одной стороны, это дает широкие возможности для тех операторов, кто не специализируется в развертывании радиосетей доступа, с другой не взыскательный характер самого оборудования сказывается на его характеристиках в сторону минимального сервисного набора (например, только передача данных), а также небольшой емкости подобных систем.

За свободным от лицензирования диапазоном следуют полоса радиочастот 2,5 - 2,7 ГГц, используемая Multichannel Multipoint Distribution Service, (MMDS), диапазоны 3,5 ГГц, 5,8 ГГц. Как правило, в этих диапазонах работает оборудование операторского класса, имеющее большую абонентскую емкость и расширенный набор услуг (передача данных, мультимедиа, телефонии). Далее следуют частоты в диапазонах от 10 до 38 ГГ. Полоса радиочастот 27,5 - 29,5 ГГц используется системами Local Multipoint Distribution Service (LMDS).

(Системы MMDS и LMDS как системы распределенного вещания в микроволновом диапазоне по своей сути не отличаются от систем широкополосного беспроводного доступа, но специализированны для целей телевизионного вещания).

Системы широкополосного беспроводного доступа типа "точка - много точек", работающие в микроволновом диапазоне до 38 ГГц, обладают уникальной емкостью. Так поток информации, подводимый к базовой станции в максимальной конфигурации в системе PMP компании P-COM, составляет 4800 Мбит/с. Информационные потоки, которыми оперируют подобного рода системы, позволяют характеризовать их радио интерфейс как ATM в эфире.

Используемые частоты обеспечивают работу систем в условиях прямой видимости. Возможности систем, характеристики, а также условия их применения обуславливают фиксированный доступ.

Компоненты и архитектура.

В общем случае архитектура систем соответствует организации сотовых сетей с территориально-распределенным покрытием. Образующим элементом соты является базовая станция (БС) с круговой диаграммой покрытия. Круговая диаграмма может быть разбита по азимуту на сектора. Количество секторов может быть до 24. Как правило, каждый сектор обслуживается устройством БС как таковым и направленной антенной с секторной диаграммой (H-plan). Таким образом, подобные системы обладают очень важным качеством, как легкая расширяемость и масштабируемость.

Являясь образующим элементом сети беспроводного доступа, БС также играет важную роль в классификации систем широкополосного беспроводного доступа. Информационная емкость БС позволяет условно разделить все системы беспроводного доступа по группам, что отраженно в дальнейшем изложении материала.

Абонентские устройства (Subscriber Units, SU), обслуживаемые БС и устанавливаемые у пользователя, имеют различный пользовательский интерфейс. Для телефонии используется абонентская линия (FXS), цифровой интерфейс E1, ISDN. Для передачи данных - Ethernet, Frame Relay с синхронным интерфейсом, ISDN.

Абонентские устройства имеют либо встроенную, либо внешнюю присоединяемую направленную антенну. Каждое абонентское устройство или устройство подписчика (SU) работает на свою БС.

Соединения между БС различных сот выполняются с помощью технологий проводного (чаще всего оптические линии связи) или беспроводного доступа (радиорелейные, либо радиомодемные линии связи).

Неотъемлемой компонентой систем широкополосного беспроводного доступа также являются программные средства сетевого управления.

Радиомаршрутизаторы.

Подобное оборудование является наиболее доступным оборудованием операторского класса, т.е. предоставляющим пользователю сервис с гарантированным качеством. Более распространенным оборудованием (особенно в России) являются радиомодемы типа "беспроводной мост". Однако последние разработаны и используются, прежде всего, для соединений локальных вычислительных сетей. Обеспечивая соединения сегментов ЛВС Ethernet и передачу данных в соответствии с рекомендациями IEEE 802.11, данные радиомодемы все же не приспособлены для организации сети доступа к узлу оператора, так как не позволяют средствами радиомодемов гарантировать пользователю уровень качества обслуживания (QoS). В любом случае радио сеть, выполненная в соответствии с рекомендациями IEEE 802.11, является коллизионной средой передачи данных, не обеспечивающей уровень качества обслуживания.

Радиомаршрутизаторы, напротив, могут предоставлять пользователю услуги по передаче данных, используя IP маршрутизацию и QoS. Пользователю может быть предоставлен уровень качества обслуживания в зависимости от максимального размера и количества передаваемых IP пакетов. Т.е. фактически накладывается ограничение на полосу пропускания (Maximum Information Rate, MIR). Таким образом, при правильном планировании распределения общей пропускной способности радиомаршрутизаторы позволяют избежать коллизий и гарантировать пользователю уровень качества обслуживания. Однако такой подход ведет к снижению общей абонентской емкости системы, что ограничивает применение радиомаршрутизаторов в сетях доступа, имеющего массовый характер.

Системы и оборудование этого класса, как правило, работают в диапазоне 2,4 ГГц, реже 3,5 ГГц и 5,8 ГГц. В диапазоне 2,4 ГГц используются две основные радио технологии - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) и Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Для DSSS в диапазоне 2,4 ГГц используются три неперекрывающихся канала по 22 МГц каждый (как пример, радиомаршрутизаторы Revolution российской компании CompTek, использующие аппаратную часть модемов Aironet). Для FHSS используется псевдослучайная последовательность перестройки рабочей частоты. Общее количество каналов - 79; канал занимает 1 МГц. Плотность абонентов, как собственно и емкость системы, для FHSS выше, чем для DSSS.

Определяющим для оператора сети доступа, делающего выбор оборудования, может быть наличие в системе на базе радиомаршрутизаторов, выделенного абонентского оборудования. В этом случае, более дорогое центральное устройство берет на себя большую часть функций и играет роль БС. Менее дорогое устройство устанавливается у подписчика или пользователя. Тем самым, общая стоимость системы снижается.

Сетевой интерфейс пользователя в подобных системах - Ethernet. К базовой станции подводится маршрутизируемый поток данных Frame Relay.

Из оборудования и систем данного класса в России также известны WaveNet Access 2458 и WaveNet Access 3500 компании Wireless.

Широкополосные WLL.

Терминологические изыски вещь не совсем благодарная, тем более в такой области как беспроводной доступ, чье бурное развитие за последнее время привело и приводит к взрывному развитию базовых технологий. В равной мере это касается всего материала. К примеру, в последнее время появился и, с точки зрения приложений, оправдан термин Wireless DSL (WDSL) в применении к системам широкополосного беспроводного доступа. Другой пример, термин Wireless Local Loop (WLL). В принципе, радиомаршрутизаторы, о чем говорилось выше, также являются средствами широкополосных систем WLL. Однако сам термин WLL в его традиционном понимании предполагает, прежде всего, предоставление услуг фиксированного телефонного доступа. С этой точки зрения, системы broadband WLL должны предоставлять пользователю помимо передачи данных одну или несколько телефонных абонентских линий или цифровой интерфейс E1.

Такие системы появились, и дальнейшее рассмотрение будет вестись на примере двух из них, а именно BreezeACCESS 2,4/3,5 компании BreezeCOM и WaveGain компании Innowave ECI Wireless Systems. BreezeACCESS сертифицирован в России для работы в диапазоне 2,4 и 3,5 ГГц.

IP WLL BreezeACCESS 2,4/3,5.

Система BreezeACCESS строится по сотовому принципу. Базовая станция образуется одним или несколькими устройствами доступа (Access Unit, AU), работающими, соответственно, на одну всенаправленную или несколько направленных антенн с секторной диаграммой, в зависимости от количества секторов БС. В случае БС в составе нескольких устройств доступа AU их работа синхронизируется контроллером БС.

Все устройства доступа AU имеют сетевой интерфейс Ethernet и коммутируются по общей шине. В состав базовой станции или организуемого отдельно узла оператора сети также должен входить универсальный маршрутизатор с синхронным интерфейсом передачи данных Frame Relay и возможностью организации шлюза H.323 VoIP в телефонную сеть.

BreezeACCESS имеет радиоинтерфейс FH-CDMA и работает в режиме Time Division Duplex (TDD) в полосе 2,4 - 2,5 ГГц и Frequency Division Duplex (FDD) в полосе 3,4 - 3,6 ГГц в канале 1 и 2 МГц соответственно. Скорость передачи данных составляет до 3 Мбит/с.

Абонентские устройства SU имеют сетевой интерфейс передачи данных Ethernet и абонентскую телефонную линию.

Отличительной особенностью системы BreezeACCESS является наличие параметров QoS: гарантированной полосы пропускания (CIR) и максимальной скорости передачи (MIR). Именно QoS, как свойство системы, позволило реализовать передачу голоса VoIP без потери качества. Для сжатия речи в системе используются кодеки G.711 (64 Кбит/с), G.729 (8 Кбит/с) и G.723.1 (6,3 Кбит/с).

Кроме того, наличие CIR позволяет планировать емкость системы в случае превышения физических возможностей сети. Так, если количество пользователей в соте превышает физические возможности БС в 10 раз, то вероятность достижения значения CIR, т.е. получения абонентом гарантированной полосы пропускания равна 97%. Таким образом, для БС BreezeACCESS на 6 секторов количество пользователей с CIR = 64 К и MIR = 128 K в диапазонах 2,4 и 3,5 ГГц равно 960 и 1740 соответственно со значением 0,1 Эрланг на абонента.

В случае, когда, к примеру, CIR = 512 К, а вероятность достижения CIR составляет 99,5%, общее количество пользователей равно 18 и 32 соответственно. При распределении абонентов, когда 20% пользователей (CIR = 256 K) имеют 80% трафика, а 80% пользователей (CIR = 64 K) имеют 20% трафика, емкость системы BreezeACCESS 2,4 в соте с БС на 6 секторов составляет порядка 300 абонентских устройств. Емкость системы в диапазоне 3,5 ГГц за счет использования технологии FDD выше, а максимальное количество абонентов путем планирования емкости системы и использования возможности совместной работы трех AU в одном секторе можно довести до 5220.

Программные средства сетевого управления системы BreezeACCESS реализованы на базе SNMP и протокола Telnet.

WaveGain.

Система WaveGain по своим характеристикам относится к более высокому классу, чем BreezeACCESS, обеспечивая, прежде всего, большую емкость системы.

Базовая станция WaveGain может иметь до 24 секторов. Каждый сектор обслуживается отдельным устройством БС, работающим на направленную антенну с секторной диаграммой. Устройство БС имеет синхронный интерфейс передачи данных Frame Relay и цифровой интерфейс E1 для телефонии. Для подключения к телефонной сети используются протоколы V5.2, V5.1, PRI и CAS. К одному устройству БС может быть подведено до 4-х потоков E1. Общая информационная емкость 24 секторной базовой станции составляет 48 x E1 2,048 Мбит/с.

WaveGain имеет радиоинтерфейс DS-CDMA, работает в режиме дуплексного разделения частот (FDD) в диапазоне 3,5 ГГц в канале 5, 10 и 20 МГц в зависимости от нагрузки БС. Скорость передачи данных составляет 2 Мбит/с или до 8 Мбит/с.

Абонентские устройства SU могут иметь сетевой интерфейс передачи данных Ethernet, Frame Relay и ISDN, до 4-х абонентских телефонных линий, цифровой интерфейс E1 или ISDN для телефонии.

Система WaveGain поддерживает все параметры Frame Relay QoS такие, как CIR, MIR и распределение полосы пропускания по требованию (Bandwidth-on-Demand, BoD). Для сжатия речи используется импульсно-кодовая модуляция, соответствующая G.711.

Максимальная емкость системы WaveGain, заявляемая производителем, соответствует 1536 пользователям одновременно занимающих полосу 64 Кбит/с. При планировании емкости сети, в случае превышения физических возможностей системы, количество пользователей, работающих на одну БС состоящую из 24 секторов, может быть доведено до 49152 (коэффициент 1 : 32). При этом, количество обслуживаемых абонентских линий составит 7742.

Программные средства сетевого управления системы WaveGain реализованы на базе SNMP.

ATM в эфире.

Системы беспроводного доступа в микроволновом диапазоне до 38 ГГц по своим характеристикам уникальны и подлинно являются системами широкополосного беспроводного доступа. Как правило, БС имеет сетевой интерфейс ATM. Технология ATM используется также в радиоинтерфейсе. Техническая реализация подобных систем начинается с диапазона 10 ГГц. В качестве примера можно привести систему OnDemand компании Lucent Technologies (10, 26 и 38 ГГц) и уже упоминавшуюся систему PMP компании P-COM (10, 24, 26, 28, 31, 38 ГГц).

Дальнейшее рассмотрение подобных систем, как и в предыдущий раз, будет вестись на конкретном примере, а именно на примере системы Alcatel 9900 (EVOLIUMд LMDS) компании Alcatel.

Каждая БС системы Alcatel 9900 состоит из базовой радиостанции (RBS) и цифровой базовой станции (DBS). DBS имеет очень широкую полосу пропускания до 34 Мбит/с на сектор и в конфигурации БС с 4 секторами, образующими круговую диаграмму, способна обслуживать до 4000 сетевых терминалов. DBS имеет сетевой интерфейс ATM 155 Мбит/с для передачи данных или 64 х Е1 для трафика, ориентированного на сети с коммутацией каналов.

Система Alcatel 9900 работает в полосе частот от 24,25 до 29,5 ГГц. Система использует технологии TDMA и ATM в сочетании с дуплексным разделением частот приема и передачи от 500 до 1480 МГц. Для более гибкой настройки RBS используются поддиапазоны шириной в 280 МГц.

Скорость передачи в системе составляет до 8 Мбит/с.

Абонентский терминал состоит из радиотерминала (RT) и сетевого терминала (NT). В состав RT входит направленная антенна и блок приемопередатчика, работающий в заданном диапазоне радиочастот. К каждому радиотерминалу можно подключить до 8 сетевых терминалов. Сетевой терминал имеет интерфейсы Ethernet, E1, ISDN и абонентские телефонные линии.

Благодаря динамическому распределению ресурсов, основанному на сочетании методов опроса (polling), соперничества (contention)и вложения (piggybacking), вся емкость сети постоянно является доступной.

Для повышения надежности связи во всей системе используется резервирование по схеме 1 + 1.

Программные средства сетевого управления системы Alcatel 9900 основаны на протоколе SNMP и интегрированы в платформу управления Alcatel ALMAP.

Система программного управления обеспечивает сетевое управления до 10000 терминалов и до 100 базовых станций.

Некоторые выводы.

Рассмотренный материал позволяет сделать некоторые выводы в части возможных рекомендаций по применению систем широкополосного беспроводного доступа. На одном полюсе находятся радиомаршрутизаторы, как эффективные средства в небольших инсталляциях, способные обеспечить высокоскоростной трафик. Как правило, это внутри корпоративная сеть с количеством абонентских устройств до 10 работающих на одно центральное устройство (радиомаршрутизатор в роли БС). Именно подобные решения могут быть наиболее эффективными с точки зрения технико-экономического обоснования для корпоративных клиентов.

На другом полюсе - системы в микроволновом диапазоне, включая системы LMDS, поддерживающие ATM, обслуживающие тысячи абонентов и предоставляющие им услуги широкополосного доступа. Подобные системы оптимальны для урбанизированных районов с городской застройкой и наивысшей плотностью абонентов. Примеров реализации в России на сегодняшний день эти системы не имеют, однако, подобный проект был выполнен в Польше и, надо полагать, что в обозримом будущем они появятся и у нас.

Для России, в ближайшем будущем, по всей видимости, будут перспективны системы подобные упоминавшимся BreezeACCESS и WaveGain. Именно эти системы, обеспечивающие QoS, передачу данных и телефонии более всего подходят для операторов связи (включая отраслевых операторов), предоставляют широкие возможности по наращиванию емкости сети доступа, предполагая при этом не очень высокую плотность абонентов, а также их значительное удаление от БС.


Системы широкополосного беспроводного доступа (таблица).

Наименование WaveNet Access 2458 WaveNet Access 3500 BreezeACCESS 3,5 WaveGain Alcatel 9900 PMP OnDemand

Тип

Беспроводной маршрутизатор

Беспроводной маршрутизатор

Система беспроводного доступа

Система беспроводного доступа

Система беспроводного доступа

Система беспроводного доступа

Система беспроводного доступа

Производитель

Wireless

Wireless

BreezeCOM

InnoWave ECI Wireless Systems

Alcatel

P-COM

Lucent Technologies

Диапазон, ГГц

2,4 / 5,8

3,4 - 3,6

3,4 - 3,6

3,4 - 3,6

24,25 - 29,5

10, 24, 26, 28, 31, 38 ГГц

10, 26, 38 ГГц

Радиоинтерфейс

Frequency Hopping

Frequency Hopping

FH-CDMA

DS-CDMA

TDMA

FDMA, TDMA

ATM

Дуплекс

С разделением частот

С разделением частот

С разделением частот

С разделением частот

С разделением частот

С разделением частот

С разделением частот

Полоса

От 17 до78 МГц

1,75 МГц

2 МГц

5, 10, 20 МГц

От 180 до 280 МГц

-

7, 12,5, 14 МГц

Модуляция

GMSK

4QAM

GFSK

8PSK

QPSK

QPSK, 16QAM, 64QAM

4QAM, 16QAM

Скорость передачи

600 Кбит/с

1,625 Мбит/с

До 3 Мбит/с

До 2 Мбит/с

До 8 Мбит/с

До 40 Мбит/с

8, 13, 16 26 Мбит/с

Макс. емкость БС

До 6 устройств

До 8 устройств

До 54 Мбит/с

До 96 Мбит/с

До 136 Мбит/с

До 4800 Мбит/с

-

Интерфейс БС

Ethernet

Ethernet

Ethernet

ISDN, Frame Relay V.35, POTS E1/FE1

ATM 155 Мбит/с, 64 х Е1

T1, E1, OC-3, OC-12

E3, DS-3, OC-3/STM-1

Интерфейс абонентских устройств

Ethernet

Ethernet

Ethernet, абонентская телефонная линия

ISDN, Frame Relay V.35, Ethernet, POTS E1/FE1, абонентские телефонные линии

ISDN, Ethernet, E1, абонентские телефонные линии

T1/FT1, E1/FE1, Frame Relay, Ethernet, POTS, ISDN, ATM

T1/FT1, E1/FE1, Frame Relay, Ethernet, ISDN

Приложения

IP

IP

IP, VoIP

Frame Relay, TDM

ATM, TDM

ATM, TDM

ATM, TDM

Управление

SNMP, HTTP/HTML

SNMP, HTTP/HTML

SNMP, HTTP/HTML

SNMP

SNMP, HP Opeview UNIX

SNMP, HP Opeview UNIX

SNMP, Windows NT, Solaris, HTTP/HTML


Wireless