Современные технологии беспроводного широкополосного доступа 802. 16е и LTE: перспективы внедрения на транспорте

Современные технологии беспроводного широкополосного доступа 802.16е и НЕ: перспективы внедрения на транспорте

В настоящее время современный транспорт находится в стадии модернизации, что совершенно необходимо для повышения безопасности и эффективности перевозок. Для достижения этого требуется современная система способная автоматически управлять имеющимися ресурсами и оперативно принимать решения на соответствующем уровне. Работоспособность данной системы будет определяться качеством оперативно-технической связи на транспорте, ключевой вопрос выбор наиболее качественной технологии.

Ключевые слова:

LTE, Wi-MAX, беспроводной широкополосный доступ, транспортная сеть

Легков К.Е., Донченко А.А., Садовов В.В.

Северо-Кавказский филиал МТУСИ, constl@mail.ru

Беспроводные системы и средства связи в настоящий момент используются на транспорте для организации станционной, диспетчерской, ремонтно-оперативной связи, связи внутри транспортного средства, а также в системах управления движением, для содержания инфраструктуры, в качестве "последних миль" в сетях передачи данных и др. Однако, довольно часто еще используются аналоговые средства связи, которые не обеспечивают выполнение необходимых функций, при этом качество связи данных средств оставляет желать лучшего, что влияет на безопасность и увеличение дополнительных расходов на техническое обслуживание. Проблема протокольной несовместимости различных подсистем на транспорте также понижает безопасность транспортной сети. Все это обуславливает необходимость перехода современного транспорта на новые телекоммуникационные технологии с использованием спутниковых систем радионавигации, радиоидентификации, радиомониторинга и радиоуправления, совместимых с системами радиосвязи других стран (эксплуатационная совместимость).

В настоящее время на железнодорожном транспорте происходит переход на перспективные цифровые системы связи для повышения эффективности управления и безопасности. Проведем краткий анализ перспективных технологий беспроводного широкополосного доступа и рассмотрим возможность их применения на транспорте.

Построение сетей беспроводного доступа до настоящего момента осуществлялось по двум известным принципам [1]:

1. IP-пакетная передача данных, характеризующаяся фиксированным абонентским терминалом, небольшим числом устройств на сектор и упрощенной структурой сети "база-абонент".

2. Принцип, типичный для сетей сотовой связи: мобильный абонент, малый объем трафика на каждого абонента, но большое их число на базу, бесшовный роуминг между базами и, как следствие, необходимость вынесенных контроллеров базовых станций и управляющей инфраструктуры.

Развитие рынка передачи IP-данных для мобильных абонентов сейчас существенно опережает темпы роста рынка голосовой связи. Тем не менее, до недавнего времени сети операторов были практически не приспособлены для передачи большого объема трафика данных. Например, абонент, использующий симметричный канал 1 Мбит/с, по загрузке сотовой базы эквивалентен 100 голосовым соединениям. Поддержка передачи большого объема данных в сотовых сетях являлась движущей силой развития стандартов ev-do и HSDPA/HSDPA+, однако даже последний стандарт обеспечивает лишь 10-20 Мбит/с пропускной способности на сектор в идеальном случае и 2-7 Мбит/с при работе вне прямой видимости (NLOS) и на больших дальностях.

Стандарт 802.16d

Данный стандарт обеспечивает QoS и детерминированный доступ к радиосреде, что позволяет наряду с передачей данных использовать VoIP. Устройства разделяются на базовые и абонентские, с передачей базо-

вой станции функций управления доступом к среде и обеспечения QoS. Применяемые рабочие диапазоны частот — 3,5 ГГц, реже 2,4 и 5 ГГц. Основным недостатком сетей фиксированного WiMAX остается невысокая пропускная способность вследствие отсутствия поддержки технологии М1МО и использования большинством производителей полос частот 3,5-10 МГц. В формате WiMAX-форума проводится проверка устройств на совместимость, однако большое число профилей тестирования позволяет говорить лишь о списках совместимого оборудования, а не о полной взаимооперабельности в рамках стандарта. Отсутствие возможности передачи данных между подвижными абонентами делает данный стандарт неприменимым для любого российского транспорта [2, 3].

Стандарт 802.16е

Сети, разворачиваемые сейчас на базе технологии мобильного WiMAX, характеризуются ориентированностью на мобильный абонентский терминал. Отличительные черты подобного терминала — малая мощность и усиление антенны, работа в условиях непрямой видимости, необходимость бесшовного роуминга. 802.16е представляет собой дальнейшее развитие технологии пакетной передачи данных и непосредственно 802.16d [4].

Модель QоS 802.16е является расширением 802.16d (с добавлением одного нового класса) для работы с пульсирующим потоком real time-данных (голосовые данные со сжатием заголовков и подавлением тишины). В канальном уровне произошли радикальные изменения: добавлена поддержка многопоточного режима передачи MIMO, помимо модуляции OFDM поддерживается OFDMA [5]. Модуляция OFDMA позволяет абоненту пе-

редавать и получать данные не на всех подне-сущих диапазона, а лишь на выделенных ему в данный момент времени [6]. Рекомендуется использование адаптивных антенн с изменяемой диаграммой направленности: например, 8-элементная антенна базовой станции Cisco bwx 8305 обеспечивает дополнительное усиление в 18 дБ при передаче и 9 дБ при приеме сигнала.

Стандарт LTE

В противоположность 802.16е стандарт LTE — преемник сотовых сетей стандарта HSPDA. Унаследовав классическую архитектуру сотовых сетей, LTE приобрел высокую пропускную способность, превышающую таковую даже текущего поколения 802.16е. Основные требования и пиковые скорости приема-передачи данных представлены в таблицах 1-3.

Сеть LTE способна легко стыковаться с существующими станциями сотовой связи, а в перспективе и с Wi-МАХ-сетями. В LTE описывается MIMO до уровня 4x4, применяются антенны изменяемой направленности и возможна одновременная работа абонента с несколькими базами.

Существенным отличием от 802.16е становится возможность в режиме FDD использовать для нисходящего и восходящего потоков полосы разной ширины, а также различную модуляцию в восходящем и нисходящем каналах. Поскольку трафик мобильных IP-абонентов преимущественно однонаправленный, данное решение позволяет более рационально использовать радиоресурс.

Вторая инновация — LTE-модуляция SC-OFDMA в восходящем канале. Обеспечивая меньшую пропускную способность по

Таблица 2

Пиковая скорость приема/передачи данных

Таблица 3

Пиковая скорость приема/передачи данных

Полоса спектра/конфигурация антенн Прием данных

2X2 4X4 1X2

2 МГц 37 72 IN

10 МГц 73 147 36

20 МГц 150 300 7S

сравнению с OFDMA, SC-FDMA существенно снижает требования к сложности и энергопотреблению клиентского терминала, стабильнее работает при худшем соотношении сигнал/шум. На настоящий момент актуальной является 11-я версия стандарта LTE.

Наиболее перспективным примером развертывания сети LTE является инсталляция Verizon в США, в 2010 г. первые 20-30 сегментов сети будут введены в коммерческую эксплуатацию, к 2015 г. планируется полное покрытие континентальной части США. Сеть строится в диапазоне 700 МГц на оборудовании LTE rev 8 Alcatel-Lucent, Nokia Siemens Networks, Ericsson, Starent, предполагаемая средняя скорость работы с абонентом 7-14 Мбит/с.

В середине прошлого года были продемонстрированы полезные скорости LTE —

Таблица 1

Основные требования, предъявляемые к сети LTE

11 ара метр Значение

Пи ко на я скорость передачи данных downlink - 100 Мбит/с; uplink - 50 Мбит/с*

Время перехода из режима ожидания в активное состояние Менее 100 мс

Емкость сети Не менее 200 активных пользователей в соте в полосе 5 МГц

Задержка сигнала Не менее 5 мс для небольшого пакета данных

Пропускная способность и спектральная эффективность В 3-4 раза выше, чем в сетях HSDPA (downlink); в 2-3 раза выше, чем в сетях HSUPA (uplink);

Мобильность 0-15 км/ч - максимальная производительность; i 5-120 км/ч - высокая производительность; поддержка 120-350 км/ч, до 500 км/ч в зависимости от частотного диапазона

* в полосе частот 20 Мгц в конфигурации 2 приемные и 1 передающая антенна на абонентском устройстве

до 160 Мбит/с на сектор в условиях прямой видимости и до 15-30 Мбит/с в условиях NLOS. Полевые испытания оборудования LTE диапазона проводила компания Nokia Siemens Networks. В сентябре T-Mobile совместно с корпорацией Nortel осуществил демонстрацию потокового видео в формате HD с помощью нового мобильного телефона компании LG Electronics. Демонстрация происходила в автомобиле, который ехал по шоссе со скоростью 100 км/ч. При этом, как утверждают участники эксперимента, передача данных происходила без помех.

Такими скоростными достижениями Wi-МАХ к сожалению не обладает. Как показывает опыт работы телекоммуникационных компаний реальная скорость в сети Wi-МАХ не превышает 1-2 Мбит/с, при пиковой пропускной способности по характеристикам стандарта — 75 Мбит/с.

По мнению операторов, внедряющих мобильный Wi-МАХ самое слабое его место — отсутствие межсетевого роуминга, а для мобильных технологий это очень существенный недостаток. Перемещаясь между сетями в различных городах для абонентов транспортной системы необходимо приобретать совместимое оборудование. К тому же, фиксированный и мобильный Wi-МАХ до сих пор плохо стандартизированы, из-за чего в ближайшие несколько лет обречены на ограниченное покрытие, ограниченный выбор устройств и ограниченный роуминг.

Стандарт LTE, по сравнению с мобильным Wi-МАХ, характеризуется более низким энергопотреблением операторского оборудования и большим радиусом действия пользовательских устройств, что немаловажно

Таблица 4

Сравнительная характеристика перспективных технологий широкополосного

беспроводного доступа

802.16 d 802.16 e LTE

Каналы передачи SISO MIMO MIMO

Метол модуляции OFDM OFDM/OFDMA OFDMA/SC-FDMA

Метод дуплекса TDD/FDD TDD/FDD TDD/FDD

Множественный доступ TDMA TDM Л/OF DMA TDMA/ OFDMA

1 арангия времени доставки JM Да Да

QoS Централизованный, потоковая модель: UGS. rtPS. nrtPS. BE l (ентрализованны й, потоковая модель; UGS. ertPS. rtPS. nrtPS. BE Централизованный, потоковая модель

Количество активных пользователей на сектор 50-100 100-200 До 200-400

Производительность сектора 20 МГц (прямая видимость), Мбит/с 72 100/50(MIM02x2> 300/100 (MIMO 4x4), технически 150/50 (MIMO 2X2). тестовые зоны

Бесшовный роуминг Нет Да Да

Сопряжение с сегями сотовых операторов Нет Her Да

Абонент Фиксированный Подвижный Подвижный

для российского транспорта при высокой стоимости электроэнергии.

Несмотря на это, перспективы применения 802.16е или LTE на российском транспорте зависят, в первую очередь, от инвестиций в построение сетей и выделения частот.

Развертывание сетей 802.16е и LTE потребует более существенных финансовых вложений, чем привычные технологии беспроводной связи. Стоимость одного сектора базовой станции мобильного WiMAX в 10-15 раз превышает стоимость станции proprietary с поддержкой MIMO. Из-за высокой стоимости инфраструктурного оборудования данные сети плохо масштабируются вниз, и подключение неприбыльного транспорта нерентабельно. Для частных корпоративных сетей использование 802.16е с целью соединения также будет экономически неоправданно. Если говорить о подключении фиксированных абонентов в сеть оператора 802.16e/LTE, следует учитывать, что максимальные скорости секторов достигаются лишь при прямой видимости абонентов и малом радиусе соты.

Для фиксированного абонента характерен более симметричный характер нагрузки — вследствие, например, удаленного видеонаблюдения и синхронизации баз данных. Подключение подобных пользователей приведет к перегрузке восходящих каналов базовой станции 802.16е и LTE. Отличен и типичный радиус соты: если в первом случае классическая глубина сектора составляет 5-10 км и широко применяются каналы "точка-точка", то для 802.16е наиболее эффективен радиус соты 1-3 км. На большем удалении сота не сможет обслуживать клиентов вне прямой видимости, то есть мобильные абонентские терминалы.

Вторым (после стоимости оборудования) сдерживающим фактором для распространения в России является недостаток частот: по результатам заседания ГКРЧ от 19 августа 2009 г. было принято решение о перспективности диапазонов 2,3-2,4 ГГц, 2,5-2,53 ГГц, 2,56-2,57 ГГц, 2,62-2,63 ГГц, 2,66-2,67 ГГц и 2,68-2,69 ГГц. При этом в большинстве регионов необходимый, по мнению ГКРЧ, частотный ресурс отсутствует, и возможности его освобождения пока лишь изыскиваются. Данные частотные диапазоны позволяют создавать сети с существенно меньшим радиусом соты, чем диапазон 700-900 МГц, используемый в США.

Для дальнейшего развития сетей необходимо:

— освобождение частотного диапазона;

— снижение минимального диапазона,

выделяемого оператору (30 МГц);

— принятие решения о независимости выделяемых частот от технологии радиосвязи.

Текущая политика регулятора говорит о малой вероятности последнего варианта развития событий.

Как видно из анализа, технологии LTE и WiMAX для мобильной связи, предназначены для разных рынков, хотя и используют схожие радиотехнологии, но для применения на транспорте первая имеет небольшое преимущество. Однако каждая методика в настоящее время занимает свою долю рынка, что дает возможность различным классам абонентов получить качественную и высокоскоростную связь.

Современная радиосвязь является основой для повышения уровня безопасности всех видов транспорта.

Задачу повышения безопасности и эффективности применения транспорта можно решить путем интегрирования всех видов применяемых и перспективных технологий и систем радиосвязи, радионавигации. Это достигается прежде всего повышением качества применяемых видов радиосвязи, применением современных систем связи, навигации и единых стандартов связи.

Литература

1. Лепков К.Е Анализ стандартов систем беспроводного доступа // Сборник трудов международной молодежной научно-практической конференции "ИНФ0К0М-2008". — Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2008. — С. 45-47.

2. 802.16 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems // IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques Society, 2004.

3. Лепков К.Е., Донченко АА Анализ систем передачи в сетях беспроводного доступа. — T-Comm - Телекоммуникации и транспорт, 2009. — №2. — С. 40-41.

4. Донченко АА, Легков К.Е. Беспроводные городские сети: анатомия стандартов IEEE 802.16 // Сборник трудов СКФ МТУСИ-2009. — Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 46-49.

5. 802.16-2004 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16, Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems // June 24, 2004. — Р. 219-217.

6. Донченко АА, Легков К.Е. Построение радиосистемы на основе ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) // Сборник трудов международной молодежной научно-практической конференции "ИНФ0К0М-2008". — Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2008. — С. 35-41.