НОВЫЕ РЕШЕНИЯ НА БАЗЕ РАДИОРЕЛЕЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СОТОВЫХ РАДИОСЕТЕЙ

Marconi developed the new AXR [Access Radio] platform, with the accent of unified hardware for PTP and PMP modes and configuring of various modes only by software means.

ВВЕДЕНИЕ

Радиорелейные системы "точка точка" PDH и SDH являются важной составной частью инфраструктуры сетей на базе сотовых радиосистем в целом и мобильных радиосистем в частности. Они обеспечивают возможность быстрого и экономичного подсоединения базовых станций мобильной связи независимо от права использования и наличия кабельных соединений. Без этого оборудования, работа которого больше проходит на заднем плане, успешное развитие мобильных радиосистем было бы невозможным.

Этот успех будет развиваться и дальше с внедрением новых технологий [например, UMTS или WLAN] и новых приложений [мультимедиа для мобильной связи]. И хотя ведутся бурные и противоречивые дискуссии о сроках внедрения и темпах развития этих технологий и, как показывает опыт, потребуется больше времени для внедрения нового оборудования высокой сложности, но потребность в разработке новых приложений, ориентированных на передачу данных, нельзя недооценивать. В сетях фиксированной связи эти изменения уже начались с введением технологии xDSL и продолжают быстро развиваться. На очереди мобильные или частично мобильные системы. Поэтому в принципе не имеет существенного значения, какая технология победит. Подсоединение к сети в любом случае необходимо. Конечно, подсоединение может осуществляться и по кабельным линиям, однако для базовых станций и точек доступа имеется, как правило, целый ряд ограничивающих условий [радиотехнические условия для оптимизации излучения, различные ограничения доступа, экологические аспекты - оптимизация электромагнитной совместимости в соответствии с экологическими требованиями], поэтому, как показывает опыт, предпочтение отдается подсоединению с помощью радиосистем.

Наряду с этими техническими аспектами все большую роль игра ют также и экономические условия. Вследствие необходимости приобретения дорогостоящих лицензий на использование частот для мобильных радиосистем нового поколения затраты операторов сетей на приобретение и эксплуатацию этих систем значительно возрастают. При использовании решения на базе WLAN целесообразность инвестиций для организации сетевого подсоединения с помощью радиосистем также ограниченна вследствие низкой стоимости самого сотового оборудования. Классические решения уже не могут соответствовать этим требованиям. Поэтому компания Marconi предлагает новую платформу радиодоступа, которая не только отвечает требованиям NGN [сети нового поколения], но и обеспечивает возможность снижения затрат на приобретение и эксплуатацию за счет целого ряда технических новшеств, а также значительно облегчает выбор системы благодаря исключительно гибкой и в то же время простой концепции.

КЛАССИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ: РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ PDH И SDH

Традиционное радиорелейное оборудование типа "точка-точка" [РТР]

стало стандартным компонентом для создания сетей на базе сотовых мобильных радиосистем с использованием различных технологий воздушного интерфейса. При установке соединения с мобильным телефоном внутри Германии вероятность использования для этого по крайней мере одной радиорелейной линии составляет до 90 %. Эта техника характеризуется исключительно высокой надежностью и гибкостью [при условии квазиоптической видимости дальность действия может составлять до 100 км, а в некоторых случаях и более]. Имеется достаточное количество лицензированных диапазонов частот, так что в каждом случае можно найти оптимальное сочетание дальности действия и диапазона частот. В большинстве случаев дальность действия составляет не более 20 - 40 км, для которой, естественно, предопределены сверхвысокие частоты [15 28 ГГц]. Для еще более коротких расстояний используются частоты в диапазоне от 32 до 57 ГГц. Для каждой отдельной радиолинии необходима лицензия на эксплуатацию и разрешение на пользование объектом, выдаваемые соответствующим государственным органом. Как правило, это происходит быстро и без бюрократических проволочек.

Способ передачи для таких систем определяется типом сети. Для сетей GSM это были и остаются технология PDH и SDH, на базе TDM [мультиплексирование с разделением по времени]. Это было естественным решением для сетей первого и второго поколения, в которых осуществлялась, прежде всего, передача речи. Поэтому соответствующие базовые станции мобильной связи способны вводить отдельные вызовы в потоки n x 2 Мбит/с, т. е. самая простая форма подсоединения к сети состоит в прозрачной передаче этих сигналов от соответствующей базовой станции к ближайшему узлу сети. После достижения определенного количества соединений 2 Мбит/с целесообразно перейти на более высокий уровень плезиохронной иерархии [например, 34 Мбит/с] для уменьшения числа интерфейсов. В зависимости от территориального распределения базовых станций мобильной связи хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации такие структуры, как "звезда" и "дерево" ["цепочка"]. Для соединений с повышенными требованиями к готовности необходимо резервирование. При использовании технологии PDH это будет исключительно резервирование оборудования, так как в этой технологии поддержка резервирования на уровне топологии возможна только при значительных дополнительных затратах. Современное оборудование предоставляет, как правило, до 16 интерфейсов 2 Мбит/с и может гибко конфигурироваться относительно пропускной способности и используемой полосы пропускания. Полоса пропускания обычно примерно соответствует максимальной скорости передачи, т. е. для п х 2 Мбит/с необходимо около 0,85 х п х 2 МГц ширины полосы. В настоящее время широко применяются системы такого типа с 4-уровневой цифровой модуляцией. Так как такая передача не отличается особой эффективностью, то все чаще применяются системы с 16-уровневой модуляцией, в которых используемая ширина полосы частот уменьшается вдвое. Это, конечно, связано с соответствующим уменьшением дальности действия. На более высоких уровнях сети скорости передачи и эффективности использования спектра частот, характерных для оборудования PDH, уже недостаточно. Для такого применения были разработаны системы на базе технологии SDH с большей пропускной способностью для более высоких скоростей передачи. Гранулярность скорости передачи увеличивается в этом случае до 155 Мбит/с [т. е. более чем в четыре раза превышает максимальную пропускную способность PDH]. Кроме того, эти системы поддерживают, как правило, все дополнительные возможности передачи SDH и способны, например, обеспечивать резервирование по кольцу [кольцо городской сети]. При увеличении скорости передачи не требуется увеличения предоставляемой полосы частот: в современных системах SDH для передачи полного SDН-сигнала, включая заголовок, необходимо только около 0,18 х 155 МГц. В системах PDH и SDH используемая ширина полосы частот может быть еще вдвое уменьшена при применении ортогональной поляризации.

Если рассмотреть эффективность систем "точка-точка" на базе PDH и SDH относительно аспектов управления трафиком для вышепредставленных случаев применения, то можно увидеть ограничения, существующие для этих систем: системы обеспечивают возможность только прозрачной передачи, в обоих случаях в узлах сети потребуется оборудование с дополнительными функциями [мультиплексоры PDH и SDH и/или кросс-коммутаторы]. Этот факт необходимо учитывать при рассмотрении вопроса об экономической эффективности. Кроме того, потребуются большие площади и, возможно, большие затраты на интеграцию в управление сетью, особенно в тех случаях, когда в сети используется радиорелейное и другое оборудование разных производителей. С увеличением потребности в передаче данных [в частности, при значительных изменениях скорости передачи, характерных, например, для некоторых мультимедийных приложений] этот недостаток становится все весомее, так как ограничение гибкости и фиксированная гранулярность не смогут обеспечить эффективное использование пропускной способности. То есть приходится, как правило, увеличивать емкость сети до больших размеров, чем это необходимо для ее эффективного использования.

ПЕРВЫЙ ИННОВАЦИОННЫЙ ШАГ: ТОЧКА-МНОГО ТОЧЕК" [POINT TO-MULTIPOINT, PMP]

Наряду с вышеназванными ограничениями для систем РТР имеется еще один существенный недостаток, особенно в том случае, когда увеличивается плотность обслуживаемых базовых станций мобильной сети или точек доступа в пределах дальности действия радиорелейной системы. Это не имело большого значения для мобильных радиосистем первого и второго поколения с большим радиусом сот. С внедрением мобильных радиосистем третьего поколения ситуация изменяется коренным образом. Чтобы обеспечить покрытие с достаточной пропускной способностью для использования мультимедийных приложений, необходимо большее количество сот с меньшим радиусом, чем раньше. Если использовать в этих случаях традиционное радиорелейное оборудование, то очень скоро будет достигнут предел с точки зрения конструкции, так как невозможно будет уменьшить большое количество необходимых антенн. Кроме того, как правило, возникают проблемы с неприятием таких систем общественностью.

Это привело к развитию систем типа "точка-много точек" , в которых излучение сигнала осуществляется из центральной станции по секторам, что обеспечивает возможность передачи к нескольким целям. Следствием этого стало не только значительное снижение необходимого количества антенн, но и уменьшение дальности действия [3 - 10 км в зависимости от используемого диапазона частот]. Пропускная способность систем у разных производителей отличается: эффективность простых систем можно сравнить с системами PDH с 4-уровневой модуляцией, а эффективность систем с более высокой производительностью можно сравнить с радиорелейной техникой SDH. Некоторые решения предоставляют даже возможность адаптивной модуляции [т. е. изменяемой в процессе эксплуатации], с помощью которой можно проводить оптимальную установку пропускной способности, дальности действия с учетом интерференции.

При разработке систем РМР была также сделана попытка обойти системные ограничения по гибкости, существующие в оборудовании PDH и SDH. Поэтому в состав многих из этих систем входят элементы для динамического управления трафиком [например, кросс-коммутаторы PDH или концентраторы ATM] вплоть до скорости передачи данных 155 Мбит/с [после концентрации]. Однако это связано, как правило, со значительным увеличением занимаемой площади для блоков передачи данных на центральной станции.

СОВРЕМЕННАЯ ИНФРАСТРУКТУРА СЕТИ

На рис. 1 показан пример типичной конфигурации сети на базе современных систем мобильной радиосвязи. Базовые станции второго поколения [GSM, HSCSD, GPRS] в зоне прямого доступа подсоединяются в большинстве случаев по радиорелейным линиям PDH n x 2 Мбит/с. Часто используется линейная топология и топология типа "звезда" и "дерево". Выбор предпочтительной топологии зависит от требований конкретного оператора сети. В основном используется конфигурация 4 х 2, 8 х 2 и 16x2 Мбит/с. Управление трафиком [например, кросс-коммутация на уровне 2 Мбит/с] осуществляется не напрямую, а на более высоком сетевом уровне [коллекторы трафика]. В зависимости от объема трафика в этих точках для дальнейшей передачи [например, в кольцевых структурах городских сетей] используется радиорелейное оборудование SDH. Коллектор может в этом случае представлять собой мультиплексор / кросс-коммутатор SDH с трибутарными РDН-интерфейсами.

Для первой фазы построения сетей UMTS также уже используются системы РМР. С их помощью могут подсоединяться как отдельные базовые станции UMTS [Node В], так и отдельные базовые станции GSM или их сочетание. Благодаря большему числу интерфейсов 2 Мбит/с в зоне покрытия системы РМР [системы большой производительности могут обеспечивать до 30 интерфейсов Е1 на сектор 45 или 90°], целесообразно подсоединять такие конфигурации по радиорелейным линиям SDH с использованием встроенных кросс-коммутаторов и концентраторов. Если не имеется кольцевых структур для резервирования, то обычно применяется резервирование по схеме 1+1 [резервирование оборудования, горячий резерв или резервирование линии]. Подобные сетевые структуры и технологии соединений имеют достаточную производительность только в случае эффективной нагрузки отдельных соединений 2 Мбит/с. При передаче в основном голосового трафика этого можно добиться с помощью соответствующего определения параметров сети. Другое преимущество заключается в использовании сравнительно простого и хорошо зарекомендовавшего себя оборудования. Однако эти положительные свойства быстро становятся относительными при увеличении объема трафика. Вследствие характера мультимедийного трафика потоки данных являются более динамичными, чем в случае трафика TDM. Загрузка отдельных трактов передачи с гранулярностью 2 Мбит/с в этом случае гораздо менее эффективна, что приводит при отсутствии концентрации или статического мультиплексирования к неэффективности использования инфраструктуры. Кроме того, возрастают расходы за счет большого количества интерфейсов. Обычно при расчете сети исходят из 1-2 интерфейсов Е1 для типичной базовой станции GSM, в случае UMTS добавляется около 2 4 Е1, так что при общей эксплуатации станций 2G и 3G могут подсоединяться до 6 интерфейсов, а в исключительных случаях и больше. Это побудило некоторые фирмы-изготовители к разработке своих систем PDH для более высоких скоростей передачи [> 16 х 2 Мбит/с] и созданию комбинированных систем SDH - PDH. Хотя эти два подхода решают техническую проблему, но все еще неэффективны в отношении затрат [количество интерфейсов] и степени использования. Кроме того, все еще имеется необходимость использования для каждои технологии [PDH, SDH, РМР] различных [собственных] решений, что не является оптимальным для эксплуатационных затрат [покупка, логистика, обучение]. То есть решение обиспользовании РМР или РТР какое угодно, но не простое.

ИНФРАСТРУКТУРА БУДУЩЕЙ СЕТИ

Таким образом, становятся понятными основные причины дальнейшей оптимизации рассмотренной выше инфраструктуры сети:

- снижение расходов на приобретение и эксплуатацию за счет единой исходной системы;

- как можно более раннее использование концентрации или статического мультиплексирования;

- возможность собственного гибкого и высокогранулярного управления трафиком в сочетании с высоким качеством услуг [QoS];

- дальнейшее повышение эффективности использования спектра без уменьшения дальности действия за счет динамической и гибкой оптимизации этих обратнозависимых параметров;

- возможность гибкой конфигурации интерфейсов;

- исключительно компактная конструкция.

Это показано в предыдущем примере на рис. 2. Ядром сети является новая, разработанная Marconi платформа радиодоступа AXR [Access Radio], характерной особенностью которой является унифицированное аппаратное обеспечение для режима РТР и РМР, а также конфигурирование различных режимов только с помощью программного обеспечения. Благодаря максимальному количеству возможных скоростей передачи это единое решение обеспечивает замену радиорелейного оборудования PDH, РМР и частично

SDH посредством одной исходной системы. Система ядра сети на базе ATM обеспечивает за счет встроенного процессора ATM улучшенное управление потоками трафика по сравнению с обычной радиопередачей. Поэтому можно полностью отказаться от использования дополнительных кросс-коммутаторов и мультиплексоров. Такая возможность управления трафиком благодаря применению технологии ATM имеется, таким образом, в непосредственной близости от базовых станций мобильной связи и может при необходимости использоваться. Так как технология UMTS также в настоящее время базируется на ATM, то это является естественным решением, так как сквозное соединение создается на базе одной технологии передачи, что исключает необходимость неэффективных преобразований.

Различные виды топологии, используемые до сих пор [линия, кольцо, дерево] могут, конечно, продолжать использоваться и дальше. Кроме того, концепция позволяет использовать сети с узловой конфигурацией и повторителями, которые представляют интерес особенно в том случае, если необходимо подсоединять базовые станции, находящиеся на различном удалении. Как правило, в таких случаях имеется небольшое количество удаленных станций и большое число станций, находящихся гораздо ближе. Если в первом случае необходимо соединение РТР вследствие его большой дальности действия, то во втором случае лучше использовать систему РМР. С помощью традиционного оборудования эту проблему можно решить лишь не полностью. И такие ситуации будут возрастать в случае массивного развертывания сетей 3G[UMTS].

КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ: AXR КОМПАНИИ MARCONI

Несмотря на исключительный инновационный потенциал нового решения, разработанного Marconi, были сохранены хорошо зарекомендовавшие себя принципы проектирования. Так, новая система также состоит из компактного внутреннего блока [1 единица высоты], имеющего устройства для модуляции, демодуляции, управления трафиком и интерфейсы, и наружного блока, в состав которого входит радиочасть. Оба блока соединены друг с другом с помощью коаксиального кабеля, как и в традиционных системах [рис. 3].

Внутренний блок предоставляет одновременно целый ряд интерфейсов передачи, которые в зависимости от требований могут частично конфигурироваться с помощью программного обеспечения:

- интерфейсы 6 RJ 45 [электрические], которые могут конфигурироваться в качестве Е1 и/или 10/100 Base T Ethernet;

- интерфейсы 2 STM-1 ATM [оптические, сменные, небольшого форм-фактора [SFP]].

Таким образом, без дальнейшего изменения аппаратного обеспечения внутреннего блока можно обеспечить следующие конфигурации:

- соединение PDH РТР до 4-х Е1 TDM, дополнительно 2 интерфейса 10/100 BaseT, например, для подсоединения точек доступа WLAN;

- соединение ATM РТР до 4 Е1 ATM или IMA [инверсное мультиплексирование для ATM], дополнительно 2 интерфейса 10/100 BaseT;

- соединение STM-1 ATM РТР;

- система РМР с интерфейсом

STM-1 ATM на центральной станции и сочетание вышеназванных интерфейсов на абонентских станциях [одновременно 4хЕ1 ATM и/или TDM, 2x10/100 BaseT и 2xSTM-1 ATM].

При переходе от РТР к системе РМР необходимо только с одной стороны заменить однонаправленную антенну на секторную [рис. 3], все остальные изменения конфигурации можно осуществлять с помощью программного обеспечения. Это возможно также посредством последующей загрузки программного обеспечения.

Всю производительность и гибкость системы можно увидеть на упрощенной блок-схеме [рис. 4]. Ядром системы является высокопроизводительный процессор обработки ячеек ATM с пропускной способностью более 600 Мбит/с, позволяющий осуществлять подключение до 256 двунаправленных VP [виртуальных трактов] и VC [виртуальных соединений] с учетом классов трафика ATM [CBR, rtVBR, nrtVBT и UBR]. Связь с внешней средой осуществляется через стандартные порты UTOPIA. Элементы такого типа используются также в интерфейсах [lub/lur] базовых станций UMTS. В направлении наружного блока сигналы проходят через модуль [TDM/А], где с помощью программного обеспечения осуществляется выбор режима TDM или TDMA, прежде чем сигналы поступят на модулятор/демодулятор. Подсистема TDMA, а также блок модуляции/демодуляции разработаны уже не по собственному стандарту Marconi, а по стандарту, определенному ETSI BRAN [Broadband Radio Access Network] [HiperAccess].

В направлении интерфейсов сигналы также проходят через шину UTOPIA на гибкие интерфейсные модули, которые могут конфигурироваться в зависимости оттребований. В примере показаны лишь некоторые интерфейсы, возможны и другие конфигурации. Однако уже в базовой конфигурации имеются решения почти для всех вариантов применения. При этом необходимо учесть, что в каждой радиорелейной станции [см. рис. 2] сигналы могут передаваться через интерфейсы STM-1 ATM от одной станции к другой, поэтому в таких точках подсоединения всегда имеется двойное количество интерфейсов и 2 дополнительных оптических интерфейса STM-1. Это позволяет подсоединять обычные соединения 2 Мбит/с по TDM, а также базовые станции Node В в будущем через STM-1 ATM для уменьшения количества интерфейсов.

Систему можно, конечно, также использовать в сетях на базе IP. Так как ядро будет по-прежнему на базе ATM, то будут возможны даже определенные параметры качества услуг [QoS] [IPoATM], при которых для соединений IP могут назначаться фиксированные VC и VP. По сравнению с обычными IР-сетями это будет иметь преимущество особенно тогда, когда не имеется достаточной пропускной способности [а в системах передачи на базе радиосвязи это встречается постоянно]. Ниже приводится обзор важных параметров [таблица].

ВЫВОДЫ

Известная, внедренная и хорошо зарекомендовавшая себя техника также может иметь значительный инновационный потенциал. Это доказывает компания Marconi своей новой платформой радиодоступа AXR. В этой новой разработке внедрен целый ряд усовершенствований. Теперь разнообразные задачи сетей доступа могут быть решены на базе единой аппаратной платформы, что значительно упрощает выбор системы и приводит, кроме того, к заметной экономии затрат на приобретение и логистику. Более высокая степень стандартизации воздушного интерфейса приводит к повышению надежности планирования для пользователя по сравнению с применявшимися до сих пор полностью собственными решениями фирмы. Более высокая степень управления трафиком и оптимизации сети, выходящая за рамки только функции транспорта, обеспечивает экономию затрат на приобретение дополнительного оборудования и облегчает интеграцию в системы управления сетью. Наступает время UMTS, и радиорелейная связь уже в полной готовности.

Приглашаем посетить стенд компании Marconi

Павильон 7, стенд 7422 11 - 16 мая 2004 г., Москва

Таблица. Общий обзор некоторых важных технических параметров