Перспективы применения радиорелейных линий в новых частотных диапазонах 60780 ГГц

Перспективы применения радиорелейных линий в новых частотных диапазонах 60-80 ГГц

Ключевые слова: высокоскоростные РРЛ, выслокочастотные диапазоны 60-80 ГГц, пакетные РРЛ, адаптивная модуляция, показатель готовности.

Интенсивное развитие новых технологий в сетях широкополосного беспроводного доступа (ШБД), в частности, в сетях LTE, требует подачи на базовые станции потоков со скоростями до 5GG Мбит/c. Существующие PPn диапазонов 6-38 ГГц ограничены полосой ствола 28 или 56 МГц и не позволяют достичь требуемых скоростей даже с модуляцией QAM высокой кратности. Эти факторы побудили разработчиков обратить внимание на новые свободные частотные д иапазоны 6G-8G ГГц. В данных д иапазонах регламентирующие органы выд елили более широкие радиоканалы (с полосой частот до 1GGG МГц), что позволяет значительно увеличить скорость передачи информации. Проведено изучение состояния оборудования PPn в новых диапазонах и показано, что эта аппаратура позволяет решать в городах проблему подачи интернет трафика с гигабитными скоростями на базовые стации. Приводятся особенности оборудования для этих диапазонов. Существенной стороной PPЛ является то, что данные линии построены на основе модуляции QPSK, поскольку здесь нет необходимости "укладываться" в полосы стволов традиционных диапазонов. Аппаратура получается простой, экономически выгодной, еще и потому, что на коротких пролетах нет нужды бороться с искажениями из-за многолучевости. Даются результаты полевых испытаний пролетов PPЛ и на их основе приводятся конкретные рекомендации применения оборудования отдельно для 6G ГГц и для 8G Ггц.

Петренко АА,

магистр, преподаватель Алкатель-Лусент, Кирик Ю.М.,

к.т.н., доцент кафедры СиСРТ МТУСИ

Введение

Несколько лет назад, когда мы рассматривали радиорелейные линии (РРЛ) городской связи [1], то главной стороной их применения являлось построение цифровых трактов с пропускной способностью до 100 Мбит/с для организации соединительных линий на сетях мобильной связи. Однако, появление новых стандартов связи 3G, LTE, а также интенсивное внедрение широкополосного доступа привело к скачку скоростей передачи информации и бурному развитию транспортной инфраструктуры. Существующие радиорелейные решения в диапазонах 6-38 ГГц ограничены шириной ствола 28 или 56 МГц и не позволяют достигать требуемых скоростей передачи данных даже с высоким уровнем модуляции QAM. Это побудило разработчиков обратить внимание на новые частотные диапазоны 60-80 ГГц, где и удалось решить проблему доступности к широкополосным услугам. Даются рекомендации по выбору конкретного оборудования для новых сетей беспроводного доступа.

Аспекты, определившие рост РРЛ в новых диапазонах

Первым фактором, вызвавшим стремительный интерес к новым частотам, является перегрузка традиционных диапазонов. Как показывает опыт, полосу частот шириной 56 МГц в диапазонах 18, 23, 38 ГГц (именно для этих диапазонов выпускают оборудование передовые производители) в городах получить затруднительно. Но даже и в этой полосе невозможно достичь необходимой скорости передачи информации. Лучшие компании предлагают для РРЛ в данных диапазонах уровень модуляции не выше 256 QAM [2], что определяет коэффициент эффективности использования частотного спектра в канале передачи у =6,4. Напомним, что у =С/В — представляет отношение скорости передачи канала С (бит/с) к полосе радиочастот B (Гц). Следовательно, через полосу 56 МГц можно в РРЛ максимально пропустить около 360 Мбит/с. Какая же скорость передачи необходима для подачи в LTE? Современный уровень аппаратуры [3] позво-

ляет передать с помощью одной базовой станции НЕ, при выделенной полосе канала 20 МГц, следующие скорости передачи информации, с учетом параметров оборудования, приведенных в табл. 1:

Таблица 1

Тип модуляции QPSK I6QAM 64QAM 64QAM 64QAM

Видмімо нет нет нет 2x2 4x4

Скорость (Мбит/с) 20.8 57,6 86,4 172,8 345,6

Это означает, что всего лишь для одной базовой станции, излучающей по трем секторам, необходим тракт подачи информации со скоростью около 1 Гбит/с (345,6x3 Мбит/с), что почти в три раза больше, чем может передать традиционная РРЛ. Следовательно, поиск новых решений для РРЛ является требованием времени.

Вторым фактором ускорения работ в новых диапазонах является уменьшение дальности пролетов радиорелейных линий. На сегодняшний день, в крупных городах, расстояние между конечным абонентом и ближайшей точкой оптической агрегации едва ли достигает 1-2 км и это также побудило разработчиков радиорелейных устройств обратить внимание на свободные диапазоны 60-80 ГГц, которых ранее остерегались на длинных пролетах из-за повышенного затухания в условиях дождей.

Третьим фактором, вызвавшим ускорение перехода в новые диапазоны, являются законодательные решения последних лет, на основе которых выделяются более широкие радиоканалы (до 1000 МГц), что позволяет значительно увеличить скорость передачи информации в РРЛ (до 4 Гбит/с). Таким конкретным документом является решение Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) об упрощении процедуры выделения полос радиочастот 71-76 ГГц и 81- 86 ГГц для использования радиорелейными станциями прямой видимости [4]. Практически упрощается выделение частот также в диапазоне 60-66 ГГц.

Затухание радиосигнала — ключевой параметр новых РРЛ

Затухание сигнала зависит от геоклиматических параметров региона и самое главное от диапазона частот, в котором работает станция. Один из таких графиков зависимости затухания радиорелейного сигнала в воздухе от частоты, построенный на основе данных [5], приведен на рис. 1 [5]:

Совместно с крупным российским оператором в Москве были проведены полевые испытания оборудования 80ГГц. Был построен радиорелейный пролет длиной 2150м диапазона 80ГГЦ с антеннами диаметром 0,6 м. Измеренные значения надежности приведены в табл. 2:

Таблица 2

Интенсивность осадко* Рекоме идация гги Поляр иэация Длина линка Мощность Тх Уровень R* Пороговый уровень Rx Запас мощности Надежность

22 мм/ч ITU-R Р.837-1 V 2.14 км 20 дБм •16.84 дБм 62.4дБм 45.56 дБ 99.99933%

26.8 мм/ч ITUR Р.837-5 V 2.14 км 20 дБм •16.84 дБм -62.4дБм 45.56 дБ 99.99887%

Pm:. 1. График зависимости километрического затухания от частоты

Из графика следует, что с ростом частоты увеличивается затухание радиосигнала в воздухе и, особенно в каплях воды или снега. Максимум затухания достигается в диапазоне 60 ГГц и составляет 16 дБ/км. Это связано с физическими явлениями — поглощением сигнала в молекулах кислорода. Далее затухание уменьшается до значений 0,5 дБ/км на частотах 70-80 ГГц.

Радиорелейные линии в диапазоне 80 ГГц (71-76 ГГц нижний диапазон и 81-86 ГГц верхний диапазон) за счет меньшего затухания в молекулах кислорода и воды позволяют передавать большие скорости на большие расстояния. Используя радиоканал шириной 1000 МГц и изменяемую, в зависимости от погодных условий модуляцию BPSK-QPSK-16QAM, можно достичь скорости до 2,4 Гбит/с на приемопередатчик на расстоянии до 3-5 км. В пакетных РРЛ учитывается нагрузка и, с применением адаптивной модуляции можно передавать более значительные скорости.

При проектировании линий необходимо пользоваться графиками, которые показывают, как выполняются международные нормы по готовности (ауаУаЫйу) для данной конкретной аппаратуры. Такой график построен на рис. 2 для диапазона 80 ГГц, антенн диаметром 60 см, с условием необходимости передачи информации со скоростью 1250 Мбит/с.

По этим данным можно определить, что для московского погодного региона (это регион Е) безотказная работа для данной РРЛ будет обеспечена с вероятностью 99,995% на длинах пролета до 4,5 км.

Технологические особенности. Технические характеристики оборудования, данные которого приведены в таблице, соответствуют рекомендациям, изложенным в приложении к Pешению [4]. В соответствии с данным документом, максимальная мощность передатчика не должна превышать G,15 Вт ( + 21,7 дБМ), чувствительность приемника быть не хуже - 57 дБм, а ширина диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной областях не более 1 град. Следовательно, экспериментальная линия удовлетворяет требованиям n<P4 при диаметре антенн 0,6м.

Отличительной особенностью всех высокоскоростных радиорелейных систем является исполнение Full Outdoor, то есть это решение без нижнего блока. В приемопередатчик интегрированы модемная и интерфейсные платы. Вниз спускается только один кабель — витая пара 1Гбж/с Ethernet, который может быть подключен либо к базовой станции, либо к любому роутеру/свитчу клиента напрямую. Такая схема представлена на рис. 3.

Put 2. Показатель готовности для PPЛ в диапазоне 8G ГГц

Еще одним типом оборудования являются приемопередатчики в диапазоне 60ГГц (57-64ГГц). Данные РРЛ работают на очень коротких дистанциях (до 500-700 м), так как эти линии очень сильно подвержены затуханию в условиях дождя, снега или тумана. Однако, с другой стороны, при расчете таких сетей можно пренебрегать интерференцией сигналов и организовывать множество высокоскоростных (до 1 Гбит/с) каналов в одном географическом месте. Для Московского региона, попадающего в зону Е по количеству осадков в год длина радиорелейного пролета с требуемой гарантированной надежностью 99,995% составляет до 750 м. Обычно в этом диапазоне применяется модуляция QPSK и при специальном FEC кодаке достигается скорость до 1000 Мбит/с на приемопередатчик.

В отличие, от стандартных радиорелейных систем, оборудование диапазона 57-64 ГГц имеет миниатюрные размеры, не требует громоздких антенн. Приемопередатчик размером 20х20х7 см интегрирован с антенной решеткой и весит менее 2 кг. Все эти преимущества позволяют использовать оборудование в условиях города без ограничений и обеспечивают высокую скорость передачи данных на малых расстояниях. У любого решения есть свои плюсы и

минусы. Если взять, например, диапазон 71-76 ГГц, то надо учесть, что, здесь можно разместить лишь четыре полноценных радиоканала с полосой 1 ГГц каждый. Следовательно, в одном месте, без интерференции, могут одновременно работать не более 4 радиорелейных линий этого диапазона. А учитывая упрощенную процедуру регистрации данных типов РРЛ (получение частот происходит в уведомительном порядке и любой оператор в любой момент может внезапно переиспользовать вашу частоту) потребуется очень точное радиопланирование радиорелейных сетей, что осложняется отсутствием единого контрольного регулирующего органа в Российской Федерации.

Заключение

Рассмотренные высокочастотные решения в диапазонах 60-80 ГГц обладают своими преимуществами и недостатками. Выбор того или иного диапазона должен быть обусловлен в первую очередь возможностями применения оборудования и его экономическими характеристиками. В свою очередь, авторы статьи реко-

мендуют использовать диапазон 6G ГГц в условиях плотной городской застройки и требованиях к сохранению архитектурного облика в центральных частях города на арендованных площадях. Диапазон 8G ГГц позволяет достичь больших скоростей передачи данных на большие расстояния, но имеет ряд ограничений по планированию и запуску сети в эксплуатацию.

Литература

1. Кирик Ю.М. Тенденции в развитии городской радиорелейной связи // Электросвязь, 2GG9. — № 3. — С. 11-13.

2. Журавель С., Шашков А. PPЛ NEC: традиции, качество, надежность Технологии и средства связи. — № 5, 2GG8. — С. 44-45.

3. TD LTE and FD LTE. A basic comparison/ http://www.ascom.com/en/ tems-fdd-ite-vs-td (дата обращения 1G.11.2G12).

4. ФГУП РЧЦ (Государственный радиочастотный центр), Pешение от 15. G7. 2G1G / http://www.grfc.ru/ (дата обращения G5.12.2G12).

5. Technoiogy comparisons. http://www.e-band/com (дата обращения 2G.12.2G12.

Trends to usage radio relay links at the new frequency bands 60-80 GHz Pelrenko AA.., Alcatel-Lucent, Kirik Yu.M. MTUCI

Abstract

Rapid development of new technologies in the sphere of broadband wireless networks requires transmits to base stations streams of more then 500 Mbit/s. Current radio relay links in diapasons of 6-38 GHz are banned 28 and 56 МГц and are unable to reach required speeds even with MQAM modulation. The factors mentioned above made developers to put their attention to new free bands 60-80G Hz. As regulation authorities in Russia gave a new possibility to use broadbands up to 1000 GHz that gives us an opportunity to increase the speed of information transmission. We conducted a field research and tested the RRS equipment operating with new diapasons 60-80 GHz and revealed that with this equipment it is possible to transmit internet traffic with gigabits speeds to base stations in the urban areas. In present paper specifications and characteristics of equipment are discussed. Principal thing of RRS is that this type of lines is based on QPSK modulation. That means that equipment needed to establish it is relevantly simple in use, has a perfect value, and there is no need to fight with multybeams propagation. In this paper we describe key findings of equipment fields tests and give practical recommendations for usage of 60 GHz и для 80 GHz equipment.

Keywords: Broadband radio relay links; Frequency bands 60-80 GHz; Packet RRS; Adaptive modulation; Availability objectives.

References

1. Kirik Yu.M. Trends in urban radio relay communications/ Telecommunications, 2009. No3. Pp. 11-13.

2. Juravei S. Shashkov A RRL NEC: tradition, quality and reliability. Technoiogy and communications. No 5, 2008. Pp 44-45.

3. TD LTE and FD LTE. A basic comparison/ http://www.ascom.com/en/tems_fdd_lte_vs_td (дата обращения 10.11.2012).

4. 15. 07.2010/ http://www.grfc.ru.

5. Technoiogy comparisons. http://www.e_band/com.