В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Вячеслав Савичев
ЛОНИИР
Системы фиксированного абонентского радиодоступа, обладая рядом преимуществ по сравнению с кабельными системами "последней мили", уже завоевали себе популярность среди операторов связи и потребителей данных услуг. Применение технологий расширения спектра позволит операторам расширить перечень предлагаемых услуг и повысить их качество, тем самым увеличить свою конкурентоспособность на рынке телекоммуникаций. Абоненты подобных систем получат в результате достаточно дешевую, но качественную связь
Функции систем радиодоступа и их классификация
Наряду с уже зарекомендовавшими себя подходами к решению проблемы "последней мили", такими как, уплотнение абонентских линий (АЛ), все большую популярность приобретают решения, основанные на беспроводных технологиях. Они обладают бесспорными преимуществами в условиях отсутствия или недостаточного развития кабельной инфраструктуры (труднодоступные районы, сельская местность, пригородные зоны), невозможности прокладки АЛ или из-за их слишком высокой стоимости.
Действительно, кабельное хозяйство многих операторов физически изношенно, а их услуги не соответствуют современным требованиям ни по качеству, ни по номенклатуре. Для модернизации требуются значительные долгосрочные инвестиции, причем "узким местом" по-прежнему остается абонентская сеть - "последняя миля".
Системы фиксированного абонентского радиодоступа - это системы радиосвязи с многостанционным доступом, используемые на участке между фиксированными абонентскими терминалами (телефонными аппаратами) и АТС вместо проводной абонентской части телефонных линий общего пользования (ТфОП). Стандартная архитектура практически любой такой системы представлена на рис. 1.
Современные системы фиксированного абонентского радиодоступа обеспечивают
реализацию разных пакетов услуг: от услуг традиционной телефонии до полного
набора услуг муль-тисервисных сетей связи (TDM, VoIP, VPN) по одной линии связи.
Развитие таких систем шло по разным направлениям. В настоящее время на телекоммуникационном рынке представлено огромное количество различных систем, таких как: CLL, WLL, FBWA, WLAN и другие. Технологии абонентского радиодоступа принято делить по типу реализуемых соединений и по услугам, предоставляемым с помощью этих технологий. Обобщенная классификация систем представлена на рис. 2. Как видно из данного рисунка, системы абонентского радиодоступа делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые системы, такие как СТО, СТ1, и технологии, базирующиеся на аналоговых стандартах систем сотовой связи, на сегодняшний день не применяются для построения новых систем радиодоступа - их сменили цифровые технологии, которые превосходят своих аналоговых предшественников по всем параметрам.
Технологии во всем своем многообразии
Системы радиодоступа также принято классифицировать по используемым технологиям. Далее приведен перечень основных технологий, применяемых на сегодняшний день.
CLL (Cordless Local Loop) - обеспечение локальной мобильностью (мобильность абонента в пределах малой зоны обслуживания, дома, офисе и т.п.) дома, офиса, абонентов ТфОП.
WLL (Wireless Local Loop) - расширение зоны обслуживания АТС ТфОП.
FBWA (Fixed Broadband Wireless Access) -предоставление услуг современных мультисервисных сетей.
WLAN (Wireless Local Area Network) - организация беспроводных локальных сетей. В последние годы данная группа технологий все шире используется для построения беспроводных сетей доступа к сетям передачи данных и Интернету в местах, где возможно большое скопление платежеспособных абонентов (гостиницы, вокзалы, бизнес-центры и т.п.). Коммерческое название данной группы - Wi-Fi; и, по прогнозам ведущих телекоммуникационных компаний, это технология будущего. Ее уже поддержали такие мировые гиганты, как Cisco, Intel, HP, Siemens и другие.
WPAN (Wireless Personal Area Network) - реализация концепции "интеллектуальный дом".
Сотовое ТВ - организация интерактивных сетей доступа к мультимедийным услугам, реализуемым на базе систем эфирного телевизионного вещания путем организации в них обратного канала.
Спутниковые технологии - организация глобального доступа к услугам телекоммуникационных сетей с помощью спутниковых сетей.
Все перечисленное выше относится к технологии доступа "точка - много точек", которая применяется в основном для организации канала связи между абонентом и ТфОП, то есть на участке "последней мили", в то время как технология "точка -точка" используется, как правило, для организации транспортной сети. На сегодняшний день в этой группе широко применяются такие технологии, как:
ЦРСП (цифровые радиорелейные системы передачи) - предназначены для подключения оборудования удаленных корпоративных или частных пользователей к ТфОП;
FSO (Free Space Optic) - также предназначена для подключения корпоративных или частных пользователей. Оборудование данной технологии работает в инфракрасном диапазоне. В качестве излучающего в эфир элемента используются светодиоды или лазеры.
Такое разнообразие технологий говорит о том, что системы радиодоступа пользуются большой популярностью у стандартных и альтернативных операторов связи. С бурным развитием технологий появляются новые цифровые системы радиодоступа, которые становятся более экономичными и более скоростными, а также лучше защищены от помех, что привлекает новых потребителей данной услуги по всему миру.
Цифровые системы радиодоступа
Как уже было сказано выше, в последние годы большую часть технологий абонентского радиодоступа представляют цифровые системы.
Так, технологии WLL, FBWA, часть технологий CLL (CT2, CT3, DECT) и другие, как видно из рис. 2, являются цифровыми, то есть в них применяются цифровые методы обработки сигналов (ЦОС). Использование ЦОС приводит к увеличению качественных характеристик этих систем, таких как: помехозащищенность, скорость передачи информации, экономичность, что также позволяет внедрять новые услуги для абонентов этих сетей (мультимедиа, Интернет и прочее).
На данном этапе развития рынка наибольший интерес для операторов связи представляет технология FBWA. Она в свою очередь может быть реализована несколькими способами. Отличие от других технологий заключается в ином способе разделения каналов и архитектуре построения сети абонентского радиодоступа FBWA.
Технология CDMA в системах радиодоступа
Основная идея CDMA заключается в том, что в одной и той же полосе частот подбирается комбинация сигналов, свободных в точке приема от взаимных влияний друг на друга. Исходящий от абонента сигнал смешивается с одной из этих комбинаций (помечается кодом) - в итоге формируется и передается через канал широкополосный сигнал с распределенной энергией. Ясно, что принять информацию можно, только зная последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, -в противном случае он будет восприниматься как шум (отсюда и название -"шумоподобный сигнал"). Из этого следует, что сигналы от двух абонентов, находящихся в зоне действия одной базовой станции и работающих на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями, практически не создают помех друг для друга.
Поскольку CDMA - это чисто цифровая связь, к тому же использующая
широкополосную модуляцию сигнала, то она практически не подвержена узкополосным
помехам и несанкционированному доступу к информации.
Еще одним из широко провозглашенных преимуществ CDMA перед другими системами является более эффективное использование выделенного частотного ресурса. Например, по сравнению с AMPS эффективность CDMA может быть выше в 30 раз. Эту эффективность можно проанализировать с помощью теоремы Шеннона, но предельное или близкое к 100% использование частотного ресурса пока недостижимо, что можно объяснить тем, что любой метод многостанционного доступа уступает по суммарной пропускной способности таким технологиям, в которых в отведенной полосе организован один скоростной канал, занимающий всю полосу. Это также касается и CDMA: вследствие того что все каналы используют один и тот же частотно-временной ресурс, то и здесь имеется источник взаимных помех.
Технологии CDMA, использующие сигналы с расширенным спектром, обычно обозначаются термином SSMA (Spread Spectrum Multiple Access). Системы этого класса условно делятся на две группы - "чистые" и гибридные (рис. 3).
"Чистыми" методами доступа являются DS-CDMA, FH-CDMA и TH-CDMA; к гибридным (с разными комбинациями методов расширения спектра) можно отнести DS/FH, DS/TH, FH/TH и DS/FH/TH. Гибридные методы позволяют получить новые специфические характеристики радиосистемы, которые не обеспечиваются каждой из их составляющих в отдельности. Следует отметить, что под термином "гибридный" в предлагаемой классификации подразумевается сочетание методов расширения спектра и многостанционного доступа
В настоящее время известны три основных метода расширения спектра: DS (Direct Sequence) - прямая последовательность, FH (Frequency Hopping) - скачкообразная перестройка частоты и TH (Time Hopping) - псевдослучайная перестройка во времени. Соответственно существуют три способа передачи сигнала с расширением спектра: DS-SS, FH-SS и TH-SS.
Системы DS-CDMA
Один из наиболее широко применяемых сегодня на практике способов формирования ШПС, который называется методом прямого расширения спектра путем фазовой модуляции несущей определенной кодовой последовательности (DS-SS - Direct Sequence Spread Spectrum), был изобретен американскими специалистами Дж. Г. Грином и М. Г. Никольсоном в 1957 г. Ими был предложен метод построения бинарной кодовой последовательности с хорошими корреляционными свойствами. Позже было выполнено значительное число работ, посвященных синтезу подобных псевдослучайных последовательностей с помощью регистров сдвига. К первым теоретическим разработкам в этом направлении относятся исследования С. Голомба (1955 г.) и Н. Цирлера (1959 г.)
Метод прямой последовательности (DS) - это модуляция несущей информационным сигналом с последующей модуляцией широкополосным расширяющим сигналом. В качестве широкополосного сигнала, как правило, используются случайные или псевдослучайные последовательности (ПСП).
Разница между ними заключается в следующем: случайная последовательность непредсказуема и может быть описана только в статистическом смысле. А ПСП на самом деле не является случайной - это детерминированная периодическая последовательность, воспринимаемая передатчиком и приемником. Тому, кто не знаком с данным видом ПСП, она покажется абсолютно случайной. Такие системы нашли свое применение в системах подвижной сотовой связи (например, стандарт IS-95), в фиксированном абонентском радиодоступе (FBWA) и других системах связи.
Системы FH-CDMA
Идея реализации скачкообразной перестройки частоты, или многочастотной модуляции с кодовым управлением синтезатором частот, впервые возникла при построении систем военной связи. Системы FH-CDMA обеспечивают высокую помехозащищенность и низкую вероятность перехвата.
Принцип скачкообразной перестройки частоты в CDMA-системах воплощается
следующим образом. Любой бит передается в виде комбинации из N частот, где N -
размерность базиса частот, причем на каждой частоте передается своя
псевдослучайная последовательность (ПСП). В течение заданного временного
интервала Т несущая остается неизменной, а по его истечении она скачкообразно
изменяется. Алгоритм переключения частоты несущей для каждого абонента
индивидуален, благодаря чему возможна одновременная работа большого числа
абонентов в общей полосе частот. Полный набор используемых частот может быть
достаточно велик, однако в каждый заданный алгоритмом интервал времени мобильная
станция излучает только на одной частоте. По сравнению с классическим методом
расширения спектра прямой последовательностью DS, в соответствии с которым
сигнал передается в широкой полосе частот и имеет малый уровень мощности, при
использовании FH-CDMA мощность излучения сигнала гораздо выше, а занимаемый в
эфире участок спектра значительно уже. Это позволяет обеспечить лучшую, чем в
системах DS-CDMA, защиту от узкополосных помех. При наличии широкого набора
рабочих частот вероятность одновременной передачи информации от двух абонентов
на одной и той же частоте достаточно мала. Отсюда вытекают и главные достоинства
технологии FH-CDMA: более высокая помехоустойчивость и меньшая чувствительность
к разбросу мощностей мобильных станций. Кроме того, системам на базе FH-CDMA не
нужен сплошной участок спектра: изменяя алгоритм перестройки, можно исключить из
спектра те частоты, работа на которых запрещена.
Системы TH-CDMA
Метод расширения спектра с временной перестройкой TH-CDMA состоит в следующем. Информационный сигнал сжимается во времени и передается в виде коротких пакетов в случайные моменты времени, определяемые специальной кодовой последовательностью ПСП. Временная ось при использовании TH-CDMA сегментируется на кадры длительностью Т, каждый из которых состоит из М временных интервалов длительностью Т/М. В течение одного кадра информация передается только в одном из временных интервалов (и этим TH-CDMA напоминает способ импульсной временной модуляции). Очевидно, что ширина полосы частот, необходимая для реализации TH-CDMA, должна быть гораздо больше, чем при DS-CDMA, а конкретно - в М раз. Снижение взаимных помех в системах TH-CDMA достигается за счет выделения абонентам различных временных интервалов. Корректирующие коды, конечно, повышают помехоустойчивость, но не гарантируют правильного восстановления полезного сигнала.
Защита систем TH-CDMA от внешних помех обеспечивается самой основой метода. Поскольку сигнал TH-CDMA сжат во времени, т.е. излучается лишь в интервале, равном 1/В (В -база сигнала), при приеме он обрабатывается в течение такого же короткого промежутка времени, поэтому мешающий сигнал будет уменьшен также в В раз. Что же касается защиты от перехвата, то, хотя частота, на которой передаются данные, и является фиксированной, сам момент начала передачи неизвестен, а потому приемнику перехвата трудно определить начало и конец этой передачи, а самое главное - выяснить, какому абоненту принадлежит излучаемый сигнал. Данный метод наиболее предпочтителен в тех системах, где ограничена средняя, а не пиковая мощность передатчика.
"Гибридные системы"
Наряду с так называемыми "чистыми" технологиями, базирующимися на трех методах расширения спектра - DS-CDMA, FH-CDMA и TH-CDMA, применяются гибридные методы доступа. Они позволяют повысить спектральную эффективность и помехозащищенность радиосистем. Так, при сочетании технологий FDMA и CDMA передача сигналов становится более устойчивой к частотно-селективным замираниям, чем при использовании обычной широкополосной CDMA-связи.
Комбинация TDMA и CDMA обеспечивает снижение межсимвольных искажений (МСИ), возникающих в многолучевом канале вследствие временного расширения спектра сигналов; избавиться от них только за счет подбора оптимальных методов модуляции и кодирования, как правило, не удается. Характеристики систем с пространственным разделением каналов (SDMA) существенно улучшаются, когда дополнительно задействуются методы CDMA, позволяющие снизить уровень взаимных помех при перекрытии соседних лучей. На первый взгляд использование гибридной технологии неизбежно должно привести к увеличению сложности аппаратной реализации передатчиков и приемников. В действительности же это не совсем так. Хотя число функциональных элементов в приемопередающей аппаратуре и увеличивается, создать каждый из них существенно проще, чем в том случае, когда заданные требования к пропускной способности и помехозащищенности обеспечиваются с помощью "чистой" технологии. Согласно концепции IMT-2000, гибридные технологии доступа используются как для создания микросотовых сетей внутриофисной связи, так и для повышения помехоустойчивости и конфиденциальности передачи информации в наземных и спутниковых системах.
В рамках программы IMT-2000 разработано два проекта стандартов: IMT-МС (MC-CDMA) и IMT-TC (TD-CDMA). Основное различие между ними состоит в том, что в случае MC-CDMA расширение спектра сигнала происходит преимущественно по частотной оси, а при TD-CDMA - вдоль временной.
Основой функционирования системы MC-CDMA является разбиение входного сигнала на пакеты, каждый из которых состоит из N символов длительностью То. При передаче сигнала формируется N параллельных "узких" радиоканалов, каждый из которых передается на своей несущей. А поскольку скорость узкополосного канала относительно невелика, то и частотно-селективные замирания в нем практически отсутствуют. Эффективность системы MC-CDMA зависит от числа несущих N: чем оно больше, тем выше помехоустойчивость. В современном оборудовании, основанном на MC-CDMA и методе OFDM (его часто обозначают также аббревиатурой CDMA-OFDM), сигналы формируются с помощью кодовой матрицы Уолша-Адамара. В этом случае каждый бит потока сигналов отображается на все поднесущие, а каждая поднесущая использует свой постоянный во времени фазовый сдвиг, выбираемый в соответствии с заданным законом кодирования. Разные наборы частотных сдвигов и кодовых последовательностей позволяют осуществить частотно-кодовое разделение абонентов. Следует отметить, что если одна и та же информация передается на разных несущих, отстоящих друг от друга на ширину полосы когерентности (coherence bandwidth), то технология MC-CDMA обеспечивает эффективное частотное разнесение.
Метод доступа TD-CDMA основан на разбиении каждого TDMA-кадра на N канальных интервалов (КИ), длительность которых выражается по формуле: Тки = Tкадр/N. Различие "таится внутри интервала". Если в классической TDMA обычно реализуется принцип "один абонент - один КИ" или в крайнем случае "два абонента - один КИ" (для полускоростных каналов), то гибридная технология TD-CDMA предполагает выделение одного КИ сразу нескольким работающим абонентам. Типовая структура одного КИ включает четыре поля: два поля данных, обучающую последовательность (midample) и защитный временной интервал. Обучающая последовательность (ОП), обычно располагаемая в середине кадра, используется для оценки характеристик канала распространения радиоволн.
Выбор числа канальных интервалов для конкретной системы TD-CDMA зависит от ряда факторов. С одной стороны, при увеличении числа КИ упрощается процедура организации радиодоступа и увеличивается количество одновременно обслуживаемых абонентов. Кроме того, чем чаще передается ОП, тем выше точность оценки характеристик многолучевого канала. С другой стороны, при увеличении числа КИ (а следовательно, при уменьшении их длины) возрастает объем служебной информации и количество символов ОП.
В режиме TD-CDMA передаваемый блок информации характеризуется тремя параметрами (частота, код и время), что дает возможность однозначно идентифицировать сигналы абонентской станций и устранять взаимные помехи, возникающие в пределах одного КИ.
Заключение
Наступление этой новой технологии, о которой еще совсем недавно ничего не было известно, не пришлось по душе тем, кто ранее инвестировал разработку систем технологии TDMA и FDMA. В результате в течение нескольких лет в прессе шла горячая полемика о "мнимых" преимуществах CDMA. Оппонентами выступали европейцы, сделавшие ставку на системы GSM.
С вводом в эксплуатацию множества коммерческих сетей на основе технологии CDMA по всему миру эта полемика стала перемещаться в сторону систем связи следующего поколения. И там, похоже, соревноваться будут не системы CDMA и TDMA, а уже системы CDMA различных модификаций. Переход от старых технологий доступа к новым технологиям 3G проиллюстрирован на рис. 3. Такая тенденция стала проглядываться в последних разработках мировых лидеров в области радиодоступа.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #6, 2006
Посещений: 26856
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
