Основы построения систем беспроводного абонентского радиодоступа

В последнее время в технической литературе появился термин «последняя миля». Им обозначают участок сети связи от телефон­ной станции до абонентских оконечных устройств. Другое обозначе­ние того же понятия - сеть абонентского доступа. Оба определения берут свое начало от английских выражений («Last Mile» и «Access Network»). Интерес к участку «последней мили» резко возрос в развитых странах в конце прошлого века, когда, с одной стороны, стало ясно, что одни лишь услуги аналоговой телефонии перестали удовлетворять пользователей, а, с другой стороны, прошла модер­низация и цифровизация магистральных сетей и коммутационных станций, позволившая удовлетворить потребность в новых услугах. «Последняя миля» стала в тот момент «горлышком бутылки», сдерживающим стремительное развитие услуг связи.

Актуальность развития сетей беспроводного абонентского доступа объясняется несколькими причинами. В частности тем, что традици­онная абонентская сеть с использованием медного или волоконно-оптического кабеля представляет собой довольно громоздкое хозяй­ство, требующее, как правило, длительного поэтапного внедрения и значительных капитальных затрат, а невысокий процент использо­вания каждой абонентской пары не способствует привлечению круп­ных инвестиций и быстрой окупаемости кабельных систем. Кроме того, любое расширение сети требует больших инженерных работ на кабельных трассах. В силу этого прокладка и организация проводных линий связи становится весьма сложной проблемой, особенно в старых городах, и требует повышенных капитальных вложений в сельской местности. Следовательно, когда прокладка кабельных линий связи нецелесообразна, а также для мобильного развертыва­ния сети доступа, эффективным может оказаться беспроводное подключение абонентов (Wireless Local Loop).

Основная функция системы беспроводного абонентского радио­доступа (СБАР) - предоставление конечному пользователю, т.е. абоненту, стандартных услуг телефонной связи. Таким образом, СБАР являются дуплексной системой телефонной связи.

Типовая архитектура СБАР представлена на рис. 14. Она вклю­чает в себя следующие основные компоненты: контроллер базовых станций, базовые станции (БС), абонентские терминалы и терминал технического обслуживания и эксплуатации - компьютер со специ­альным управляющим приложением. БС связаны с контроллером проводными или беспроводными микроволновыми линиями связи с пропускной способностью, обычно равной л х 2 Мбит/с. Рассмот­рим функции каждого компонента СБАР.

Рис. 14. Типовая архитектура системы беспроводного абонентского

радиодоступа

Контроллер базовых станций. Данное устройство предназначе­но для концентрации и в ряде случаев коммутации трафика беспро­водного радиодоступа, обработки вызовов и обеспечения связи с коммутатором ТфОП, осуществляемой, как правило, по цифровым

каналам с высокой пропускной способностью или по многочислен­ным аналоговым двухпроводным линиям, для чего контроллер оснащают соответствующими интерфейсами. Кроме того, он под­держивает функции управления системой, реализуемые на базе терминала технического обслуживания и эксплуатации.

Абонентские терминалы. Данные устройства представляют со­бой портативные беспроводные телефонные трубки, обеспечиваю­щие ограниченную подвижность связи; специальные настольные телефонные аппараты с трансивером и антенной и стационарные блоки на одну или несколько (две, четыре и более) телефонных линий, к которым подключают обычные телефоны, факсы или мо­демы.

Структурная схема подвижной станции аналогична ПС системы сотовой связи (см. рис. 4). Аналогично и назначение всех элементов схемы.

Базовая станция (БС). Ее компоненты СБАР осуществляют ра­диосвязь со стационарными или ограниченно мобильными абонен­тами в пределах своих зон обслуживания, величина которых зависит от используемой в системе радиотехнологии, и обеспечи­вают передачу вызовов контроллеру БС. БС состоит из антенно-фидерного тракта, одно или многоканальной приемопередающей аппаратуры, локальной подсистемы управления, коммуникационных интерфейсов и подсистемы питания.

Ориентация на обслуживание стационарных абонентов создает определенную специфику развертывания и применения систем беспроводного абонентского доступа, если сравнивать их с сотовыми системами подвижной связи. Последние должны обеспечить сплошное покрытие обслуживаемой территории, в то время как базовые станции систем радиодоступа можно размещать лишь вблизи мест расположения абонентов (точнее, зданий, где они живут или работают). Наличие информации о количестве потенциальных стационарных абонетов позволяет при установке системы реализовать лишь минимально необходимую абонентскую емкость, которая увеличивается по мере роста числа пользователей. Благодаря этому можно оптимизировать конфигурации БС и системы в целом, а также минимизировать затраты на начальном этапе развития системы. Достоинством систем беспроводного абонентского радиодоступа является и относительно слабое (опять же по сравнению с системами подвижной связи) проявление эффекта замирания сигнала из-за многолучевого распространения радиоволн.

Многие элементы, входящие в состав базовой станции, по функциональному назначению не отличаются от аналогичных элементов подвижной станции сотовой связи, но в целом базовая станция существенно больше и сложнее подвижной, что соответствует ее месту в системе радиосвязи.

Структурная схема БС аналогична схеме БС сотовой связи (рис. 3) и поэтому особого описания не требуется.

В системах радиодоступа широко используются самые различные технологии организации множественного доступа, в частности:

FDMA (Frequency Division Multiple Access) - множественный доступ с частотным разделением, при этом выделенный для определенной системы спектр делится на полосы частот, в которых осуществляется передача канальной информации от разных абонентов;

TDMA (Time Division Multiple Access) - множественный доступ с временным разделением, при этом выделенная полоса частот предоставляется для передачи канальной информации на опреде­ленный короткий промежуток времени, в следующий промежуток времени осуществляется передача информации от другого абонента;

CDMA (Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением, сообщения от абонентов шифруются и передаются одновременно, этот способ имеет определенные достоинства (например, скрытность информации), но при этом для передачи требуется довольно широкая полоса частот, что может быть недостатком при ограниченности частотного ресурса.

Технология СТ-2 использует метод FDMA, совмещенный с вре­менным дуплексным разделением режимов передачи и приема TDD (Time Division Duplex - дуплексный канал с временным разделени­ем), при котором в одном временном интервале осуществляется передача сообщения от абонента, а в следующий момент - прием сообщения от базовой станции. Таким образом, используется толь­ко одна несущая частота для передачи и приема.

Рассмотрим построение системы абонентского радиодоступа на примере системы TANGARA Wireless (TW) (рис. 15), представляющей собой цифровую радиосистему для абонентского доступа, построен­ную по методу FDMA/TDD и работающую в диапазоне частот 864...868 МГц. Структурная схема TW представлена на рис. 15.

Контроллер базовых станций (КБС), управляющий базовыми станциями (БС) и абонентскими терминалами (AT), устанавливается обычно в помещениях АТС и подключается к ТфОП через различные типы интерфейсов - по двухпроводным аналоговым линиям или по трактам потоков 2 Мбит/с (поток Е1). КБС обеспечивает возможности централизованного сетевого управления. Один кон­троллер обслуживает до 512 абонентов при подключении к АТС по двухпроводному аналоговому интерфейсу или до 960 абонентов при подключении по цифровым трактам Е1. Для увеличения общей емкости системы радиодоступа несколько контроллеров могут объединяться общей системой управления. К КБС могут быть под­ключены до 30 шестиканальных базовых радиостанций, до 96 двухканальных, 48 четырехканальных или их любые комбинации.

Рис. 15. Структура системы TANGARA Wireless

Базовая станция (БС) обладает модульной структурой и под­держивает от 2 до 6 радиоканалов. В зависимости от нагрузки в сети и допустимой вероятности отказов каждая БС обслуживает от 6 (выделенные каналы постоянного соединения) до 80 абонентов. Рекомендуемое число - 40 абонентов на одну БС. С целью увели­чения числа обслуживаемых абонентов и увеличения зоны радио­покрытия несколько БС могут объединяться и создавать много­секторную ВС. Соединение между КБС и БС осуществляется по медным парам (по трем парам с диаметром жилы 0,9 мм на рас­стояния до 11 км) без применения дополнительного каналообра-зующего или линейного оборудования. При необходимости

соединение может быть осуществлено через радиорелейные линии, спутниковые системы или цифровые транспортные сети.

Абонентский терминал (AT) представляет собой блок малых размеров, спроектированный специально для легкого настенного монтажа в помещениях абонента или в общественных телефонах-автоматах. К нему может присоединяться компактная направленная или штыревая антенна. В зависимости от типов антенн и усилите­лей допустимое удаление AT от БС составляет 5... 12 км в условиях прямой видимости.

Интерфейс AT с телефонным аппаратом аналогичен интерфейсу телефонной станции. К AT могут подключаться телефонные аппа­раты любых конструкций, автоответчики, факсимильные аппараты, модемы и т. д.

Мобильные абоненты могут работать в пределах одной БС, а также после перерегистрации в зоне действия других базовых станций того же контроллера базовой станции.

Управление. Система централизованного сетевого управления обеспечивает контроль всего вышеперечисленного оборудования. Она допускает дистанционное конфигурирование всей сети с цен­трального пункта, мониторинг ошибок в каналах связи, загрузку программного обеспечения.

В зависимости от плотности распределения абонентов в системе TW предусмотрены различные конфигурации: для районов с высо­кой плотностью (в пригородах и городах) и низкой (в сельской мест­ности) плотностью абонентов.

Система TW позволяет рентабельно прорабатывать несколько сценариев. Особенно хорошо система подходит для жилых районов со средней плотностью проживания в пригородных или сельских районах. При определенных условиях технология позволяет обес­печить рентабельность телефонизации и малонаселенных облас­тей сельской местности. Основная часть себестоимости ложится на абонентские терминалы (35...55 %), которые могут закупаться не сразу, а по мере необходимости. Затраты на установку и организа­цию связи между БС и КБС (передача) невелики по сравнению с другими системами абонентского радиодоступа. Себестоимость «базового» оборудования сети радиодоступа, составляющая так называемые начальные затраты, оценивается в 15...35 % в зависи­мости от числа абонентов. Затраты на установку оборудования составляют 7...20 % и определяются топологией телефонных сетей. Затраты на проектные работы - 8... 15 %.