Связь без проводов

Широкое применение во многих странах находят беспроводные телефонные системы, используемые в качестве альтернативы кабельным абонентским линиям на местных телефонных сетях. Системы, называемые Wireless Local Loop (WLL), используются как временные или постоянные сети связи, не требуют прокладки дорогостоящих медных или волоконно-оптических кабелей, проведения сложных инженерных работ и вводятся в строй в считанные месяцы. Гибкая технология WLL позволяет обеспечивать потребности густонаселенных районов городов с исторически ценной застройкой, быстро растущих пригородов и дачных поселков, малых городов и редконаселенной сельской местности без развитой инфраструктуры электросвязи. Стоимость системы WLL, использующей радиоканалы, не зависит от длины кабеля, состояния грунтов, наличия водных поверхностей и заболоченных участков в пределах зоны обслуживания.

В аналитическом обзоре дается краткое описание системы WLL, приводится типовой набор оборудования, составляющего систему. Проводится сравнительный анализ наиболее распространенных технологий и международных стандартов, применяемых в системах WLL, дается оценка их технико-экономической эффективности.

Введение
В последние годы во многих странах на местных сетях электросвязи исключительно высокими темпами развивается фиксированный радиодоступ к телефонным сетям общего пользования, как альтернатива проводным линиям между абонентскими телефонными аппаратами и АТС. Такие системы получили название Wireless Local Loop (WLL) и активно внедряются на телекоммуникационных сетях всего мира. Так в США в 1995 г. более половины всей введенной за год номерной емкости было осуществлено с помощью систем WLL.

Абонентская сеть, построенная на медном или волоконно-оптическом кабеле, представляет собой довольно громоздкое хозяйство, требующее, как правило, длительного поэтапного внедрения и значительных капитальных затрат. Невысокий процент использования каждой абонентской пары на местных сетях делает неэффективными и мало привлекательными для инвесторов крупные капиталовложения и снижает окупаемость кабельных систем. Любое расширение сети требует исключительно больших инженерных работ на кабельных трассах. Прокладка и организация линий связи становится сложной проблемой, особенно в старых городах, и требует повышенных капитальных затрат в сельской местности.

На ранних этапах развития беспроводного доступа его использование являлось экономически оправданным только в тех случаях, когда металлический кабель оказывался по каким-либо причинам труднореализуемым. Внедрение в беспроводный доступ цифровой технологии позволило значительно повысить пропускную способность и коэффициент использования спектра частот, а также предоставить новые услуги. В результате, сегодня цифровой беспроводный абонентский шлейф в состоянии конкурировать с медным кабелем в отношении надежности, габаритов оборудования, качества речи и темпов реализации. Для абонентского фиксированного радиодоступа могут использоваться самые различные технологии. Наиболее известными являются две технологии, стандартизованные Европейским Институтом Стандартизации в области связи (ENSI): CT2 и DECT. До настоящего времени оба эти стандарта использовались в основном для бесшнуровой радиотелефонии в офисах с относительно большим числом абонентов.

Стандарт СТ2 на аналоговую систему микросотовой радиосвязи предназначен для обеспечения многостанционного доступа с частотным разделением каналов в диапазоне 900 МГц. Стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunication) является стандартом на цифровой многостанционный доступ с временным разделением каналов в диапазоне 1,8 ГГц. В последнее время система DECT стала использоваться и для беспроводного фиксированного доступа. Кроме указанных технологий рядом зарубежных фирм (Motorola, Hughes Network Systems, Qualcomm, NEC) в последнее время разработаны более эффективные специализированные системы беспроводного доступа WLL, использующие такие известные в радиосвязи технологии доступа и разделения каналов, как TDMA (Time Division Multiple Access), E-TDMA (Extended), CDMA (Code Division Multiple Access), W-CDMA (Wideband). Кроме того беспроводный абонентский шлейф может быть с успехом реализован и на базе существующих сотовых технологий, используемых в мобильной связи: AMPS (Advanced Mobile Phone System), NAMPS (Narrow band Advanced Mobile Phone System), GSM (Global Systems for Mobile Communication), IS-54 и др. Это особенно перспективно в тех случаях, когда на базе WLL-системы в дальнейшем планируется создать сеть подвижной связи. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки, однако все они значительно превосходят проводный доступ. По сравнению с обычной кабельной сетью беспроводная телефонная система WLL обладает следующими преимуществами:

  • на порядок более высокие темпы ввода в эксплуатацию, меньшая трудоемкость работ;
  • малый срок окупаемости системы (3-4 года);
  • в 1,5-2 раза меньше капзатраты;
  • оптимальное решение для пересеченной и сильно изрезанной коммуникациями и водоемами местности, абсолютная независимость от типов грунтов;
  • простота и гибкость при расширении сети, возможность сравнительно легкой трансформации в сеть мобильной связи;
  • число отказов WLL составляет не более 6-10% от числа отказов кабельной телефонной сети;
  • в несколько раз более низкая стоимость 10-летнего жизненного цикла.

    В следующих разделах проводится сравнительный анализ наиболее распространенных технологий и стандартов, применяемых в системах WLL, по некоторым показателям технической и экономической эффективности. Рассмотрены основные преимущества CDMA-технологии по сравнению с другими технологиями цифровой сотовой радиотелефонии: GSM, AMPS, использующими системы доступа типа TDMA и E-TDMA. В качестве примера в разделе 4 приведено описание особенностей построения систем беспроводной телефонной связи различных технологий разработки фирмы Motorola.

    Поскольку, большинство известных в мире систем WLL используют технологии и оборудование систем подвижной радиосвязи, сравнение технологии CDMA в применении к WLL проведено с наиболее развитыми системами и стандартами сотовой мобильной связи. Кроме того, предполагается, что система фиксированной связи типа WLL может быть сравнительно легко трансформирована в систему подвижной радиосвязи с сотовой структурой. Для российских специалистов такая информация может оказаться полезной, учитывая возросший в последнее время интерес к использованию радиосвязи для быстрой и эффективной реализации абонентских участков во вновь создаваемых и модернизируемых сетях общего пользования.

    TDMA- И E-NDMA-ТЕХНОЛОГИИ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ И АБОНЕНТСКОГО ДОСТУПА
     Первая спецификация технологии TDMA (МДВР) была разработана специалистами американской Ассоциации телекоммуникационной промышленности (Telecommunications Industry Association TIA) в 1988г. в соответствии с Техническими требованиями пользователей (UPR) документом, изданным Ассоциацией промышленности сотовой связи (CTIA), в котором определен технический облик систем подвижной связи 90-х гг. Указанная спецификация в том же году была опубликована как стандарт IS-54 на многостанционный доступ с временным разделением каналов. Новый стандарт позволил сначала увеличить число каналов в системе в 3 раза по сравнению с аналоговой технологией стандарта EIA-553. В дальнейшем после использования алгоритма сжатия речевого сигнала на 50% коэффициент приращения числа каналов был увеличен до 6. Однако для целого ряда использований требовалось десятикратное увеличение числа каналов. На новое требование откликнулись две ведущие американские фирмы Hughes и Qualcomm, владеющие передовыми военными технологиями, уже применяемыми в американских системах тактической связи. В результате были разработаны два новых варианта цифровой технологии гражданского применения: CDMA фирмы Qualcomm и E-TDMA фирмы Hughes Network Systems.

    Различие между этими технологиями состоит в том, что E-TDMA была разработана с целью увеличения пропускной способности технологии TDMA стандарта IS-54. В ней сохранена базовая структура каналов, механизм управления и контроля, метод модуляции и протоколы. В отличие от нее CDMA-технология является широкополосной технологией, требующей самостоятельной системы стандартов. После серии научных форумов по широкополосным цифровым системам радиосвязи было определено, что технология CDMA должна также подвергнуться стандартизации рабочей группой TIA, что и было сделано в 1994 г. Более подробно о технологии CDMA сказано в следующем разделе.

    При разработке технологии E-TDMA фирма Hughes Systems за счет снижения скорости передачи речи в 2 раза получила увеличение емкости системы TDMA в 5,2 раза относительно аналоговой системы при неблагоприятных условиях распространения и в 8,6 раза при благоприятных условиях распространения. Однако фирма пошла дальше, предложив использовать метод статистического уплотнения и интерполяции речевого сигнала, который используется уже с 60-х годов на международных линиях связи, получив за счет этого увеличение пропускной способности системы подвижной связи соответственно в 11,7-17,5 раза в зависимости от состояния Среды распространения. В совокупности в E-TDMA-технологии используются следующие преобразования исходного речевого сигнала:

  • Статистическое уплотнение, позволяющее увеличить загрузку одного канала в 2 раза и довести ее до 80%.
  • Цифровое кодирование речевого сигнала с половинной скоростью с помощью кодека VSELP.
  • Деление цифрового речевого потока на отдельные интервалы, формирование контрольных интервалов.
  • Присвоение каждому речевому и контрольному интервалу той или иной несущей частоты по псевдослучайному закону (перескок несущей частоты); количество несущих частот, соответствующее количеству каналов, зависит от общей емкости системы. Так три канала обеспечивают 20 подвижных абонентов, 8 каналов 76 абонентов, 19 каналов 208 абонентов. При 24 каналах одновременно система может обслуживать 240 вызовов.

    Передача элементов сигнала на разных несущих частотах избавляет от влияния релеевских замираний и межканальных интерференционных помех. К тому же перескок частоты, сокращенно называемый ППРЧ, является достаточно надежным способом засекречивания.

    Расчеты и экспериментальные оценки фирмы Hughes Network Systems показывают, что в расчете на один канал система E-TDMA в 2-2,5 раза дешевле обычной аналоговой системы с точки зрения затрат на обслуживание при одинаковых начальных капзатратах и в 1,5-2 раза дешевле системы TDMA на базе стандарта IS-54.

    На граф. 1. приведены данные о сравнительных затратах на оборудование сотовых радиоцентров в расчете на один канал для трех сценариев развития сети:

  • только на базе аналоговой системы (на рисунке линия 1);
  • на базе оборудования, работающего как в аналоговом, так и в цифровом стандарте (IS-54) (линия 2);
  • на базе аналоговой, цифровой TDMA и цифровой E-TDMA (линия 3). Как видно из графика, смешанная система (аналог + IS-54) дает экономию в расчете на один канал в 31%, а включающая также режим E-TDMA дополнительно еще на 40%. Указанные стоимости включают стоимость радиооборудования и каналообразующей аппаратуры, подсистемы управления режимом E-TDMA, антенного хозяйства, станционных сооружений и системы обслуживания.

    ВОЗМОЖНОСТИ CDMA-ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ С СОТОВОЙ СТРУКТУРОЙ
     Технология CDMA в беспроводных системах связи постепенно находит все большее признание. Проведен ряд комплексных испытаний этой технологии, показавших ее существенные преимущества по основным технико-экономическим показателям перед другими известными технологиями, использующими системы доступа типа TDMA, E-TDMA и FDMA. Эта технология принята в качестве североамериканского стандарта для всех видов беспроводной связи. В течение 1996 г. в США должно быть введено около 80 сот будущей национальной сети подвижной связи стандарта CDMA. В ряде стран, прежде всего Юго-Восточной Азии, уже созданы коммерческие сети подвижной связи CDMA-технологии.

    Практическим внедрением технологии CDMA занимаются многие ведущие фирмы мира, среди которых важное место принадлежит фирме Qualcomm. Эта фирма разработала систему Octel, являющуюся стандартной цифровой системой технологии CDMA для беспроводного доступа в стационарные сети.

    Были проведены комплексные сравнительные испытания CDMA системы Octel на опытном районе радиусом 25 км и общей площадью 2000 кв.км с числом абонентов до 100 000. Испытания подтвердили теоретические оценки и результаты лабораторных исследований, которые были проведены в течение последних нескольких лет в США. CDMA-технология не только конкурентоспособна, но и обладает преимуществом в том, что касается пропускной способности, качества речи и интегральной оценки по критерию эффективность стоимость. Кроме того, система CDMA Octel по сравнению с альтернативными системами показала наилучшие результаты по радиоперекрытию, надежности, скрытности при передаче информации и защите от несанкционированного доступа.

    Высокое качество речи в CDMA-системах определяется не условиями прохождения радиоволн и свойствами радиоинтерфейса вообще, а свойствами вокодерной подсистемы преобразования речи в цифровой сигнал. Вокодер QCELP-13 фирмы Qualcomm, работающий со скоростью 13,2 бит/с, обеспечивает разборчивость речи и другие показатели ее качества практически идентичные тем, которые обеспечиваются проводными абонентскими линиями. При этом качество сохраняется даже в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки. Это подтвердили тестовые испытания вокодера QCELP-13, проведенные в лабораториях фирмы AT&T. Ниже дается экспертная оценка качества речи трех типов преобразователей речи при различном коэффициенте ошибки в канале, полученная в лабораториях фирмы AT&T (табл. 1).

    По сравнению с другими технологиями беспроводного доступа CDMA- технология имеет наибольший потенциал по пропускной способности и радиусу перекрытия в идентичных условиях распространения радиоволн. Лучшее перекрытие и высокая пропускная способность позволяют иметь меньшее число сот в сети, что соответственно уменьшает капитальные затраты на организацию системы и затраты на оперативное обслуживание. Это, в свою очередь, ускоряет процесс реализации системы и окупаемость капитальных затрат.

    CDMA-технология в силу своей природы обеспечивает высокую скрытность передаваемой информации и защиту от несанкционированного доступа и различных форм мошенничества. Процесс цифрового кодирования, используемый в CDMA-технологии, разбивает информацию на триллионы бит, что и является основным препятствием для интерференции и перехвата, в системе Octel фирмы Qualcomm дополнительно к этому используется процедура идентификации абонента и другие превентивные меры для исключения хищения информации и эфирного времени. Высокая пропускная способность системы CDMA Octel обеспечивается даже при коэффициенте повторного использования частот равном единице, в результате чего отпадает необходимость в частотном планировании и координации частотных планов различных сот в сети связи. Эта важная особенность технологии CDMA вообще и системы Octel в частности, существенно облегчает обслуживание сети и ее расширение.

    Чтобы снизить общий уровень интерференционных помех от соседних сот и абонентских устройств, а также помех от посторонних источников электромагнитного излучения, на базовых станциях системы CDMA Octel используется многосекционная направленная антенна, позволяющая делить общее пространство радиоперекрытия на отдельные сектора. В зависимости от числа абонентов в соте, нагрузки и электромагнитной обстановки на местности используются антенны различной конфигурации и размеров. Одна сота может делиться максимально на 9 секторов. В каждом секторе может обслуживаться до 45 вызовов. Благодаря высокоточной автоматической регулировке коэффициента усиления усилителя мощности передатчиков базовых станций, эффективность секторального перекрытия близка к 100%. Таким образом, 3-секторальная базовая станция позволяет обслуживать в три раза большее число абонентов, чем базовая станция с всенаправленной антенной, а 9-секторальная соответственно в 9 раз больше.

    При нагрузке в ЧНН от одного абонента, равной 0,1 Эрланга, проценте отказов из-за блокировки канала, равном 2%, выделенном спектре частот 1,23 МГц (с защитным частотным промежутком 1,25МГц) и с учетом того, что в системе CDMA каналы формируются как по частотно-временному, так и по кодовому пространству, нагрузка в одном секторе должна составлять больше 35,6 Эрланга. Соответственно, число абонентов в одном секторе может составлять больше, чем 356, а в целом в одной соте при 9-секторальном делении больше 3204. При организации в 9-секторальной соте, занимающей общую полосу частот приблизительно 12,5 МГц, 10 кодовых пространств или подсетей , общее количество абонентов в односотовой сети CDMA при указанных выше условиях может превышать 35000. Результаты испытаний системы Octel в условиях конкретной сети опытного района приведены в таблице 2.
    Заключение
    Как показали испытания, система Octel требует в 4 раза меньше сот, чем технология E-TDMA, хотя обеспечивает намного более высокое качество речи. Меньшее количество сот требует меньшего количества оборудования, благодаря чему сокращаются сроки ввода системы в эксплуатацию. Это же достоинство систем CDMA позволяет иметь меньшее количество трактов и линий связи между базовыми станциями, что существенно снижает капзатраты и сокращает срок окупаемости системы в целом. Спектральная эффективность системы Octel в 4 раза больше, чем у самой совершенной альтернативной системы технологии E-TDMA и в 90 раз больше, чем у систем технологии AMPS.

    (Продолжение следует)

    Юрий Кураев

    Редакция благодарит фирму Экспо-Телеком за предоставленные материалы.