КорзинаНОВАЯ LOW COST TDMA ПЛАТФОРМА EPMP
В условиях глобальной и быстро развивающейся мировой экономики требуется широкополосный и надежный доступ в сеть Интернет. В городах с высотной застройкой, данная задача решается, как правило, с помощью технологий проводного доступа (xDSL, FTTx. DOCSIS и др.).
В населенных пунктах с малоэтажной застройкой и, особенно, в районах с малой плотностью населения использование технологий проводного доступа обычно является экономически нерентабельным. В этом случае, практически единственным выходом для организации каналов последней мили, для топологии точка-многоточка (РМР) является использование систем фиксированного широкополосного беспроводного доступа (ШБД).
По заявлению производителей, новая TDMA low cost платформа ePMP является следующим шагом развития для обеспечения фиксированного широкополосного беспроводного доступа. Платформа ePMP 1000 работает в одном из наиболее востребованных на данный момент диапазонах частот 5 ГГц. Во втором квартале 2014 года планируется расширить возможности работы оборудования также в диапазоне 2,4 ГГц.
Заявленные параметры ePMP 1000 указаны в таблице 1. Оборудование ePMP 1000 внесено в Реестр радиоэлектронных средств и излучающих устройств (Решение НКРЗИ №684 от 22.10.2013) и может использоваться на территории Украины в полосах частот 5150-5350 МГц, 5470-5670 МГц и 5725-5850 МГц.
Таблица 1. Основные параметры оборудования ePMP 1000
При временном дуплексном разделении каналов (TDD) обеспечивается гибкость разделения пропускной способности DL/UL в пропорции 50/50, 75/25, 30/70 и режим flexible. В режиме 75/25 пропускная способность канала делится в пропорции 75% (линия вниз – DL) и 25% (линия вверх – UL). В режиме flexible, который на данный момент пока не поддерживается, в каждую из сторон при односторонней передаче динамически выделяется более 90% пропускной способности канала. Максимальное количество абонентских станций ePMP 1000, обслуживаемых одной базой станцией составляет 120. При этом в топологии PMP максимальная пропускная способность базовой станции ePMP 1000 GPS Sync зависит от количества обслуживаемых абонентских станций (АС) и снижается примерно на 22% и 17% (89,2 Мбит/с и 191,4 Рисунок 3 – Пример работы четырехсекторной БС без синхронизации Мбит/с) соответственно для каналов 20 МГц и 40 МГц в режиме 75/25 (рис. 1).
Рис.1. Зависимость максимальной пропускной способности базовой станции ePMP 1000 GPS Sync от количества АС в сети
Заявленная задержка не зависит от загрузки канала и в топологии PTP составляет 17 мс (фрейм 5 мс), в PMP — менее 30 мс. В тоже время задержка, определенная на основе [1] показывает существенную зависимость от загрузки канала и в топологии PMP составляет менее 30 мс для 40 АС, а для 120 АС повышается до 80 мс (рис. 2).
Рис.2. Зависимость задержки от загрузки канала в системе ePMP 1000
СИНХРОНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ EPMP 1000
Развертывание любой системы фиксированного ШБД происходит в условиях жестких ограничений на использование радиочастотного ресурса. Поэтому при развертывании сети ШБД необходимо минимизировать количество используемого спектра, за счет повторного использования частот. В этом случае возникает новая проблема – внутрисистемные помехи.
В тоже время традиционный способ устранения взаимных помех при использовании многосекторной базовой станции (БС) – частотно-территориальное разнесение (ЧТР) для секторов различных частотных каналов, исключающее перекрытие частотных спектров с одновременным территориальным разнесением антенн БС.
Необходимое частотное разнесение зависит, прежде всего, от уровней внеполосного излучения, избирательности приемника по соседним каналам, диаграммы направленности (ДН) используемых антенн. Для системы ePMP 1000 требуемое частотное разнесение между каналами 20 составляет 5 МГц при пространственном разнесении между секторными антеннами не менее 1 м. Такие требования ЧТР предъявляются при использовании стандартных антенн ePMP 1000 (5 GHz Sector Antenna), обеспечивающих коэффициент защитного действия (F/B) более 32 дБ. Необходимо также учитывать, что использование других антенн на базовой станции может привести к изменению как частотного разнесения между каналами, так и пространственного разнесения.
В случае временного дуплексного разделения каналов в сети могут происходить взаимные помехи. На рисунке 3 показаны четыре точки доступа (АР) для четырех секторов БС. Если сектора не синхронизированы (АР3 не синхронизирована), время приема одной точки доступа (оранжевая область) может совпадать с временем передачи другой точки доступа (синяя область), что делает невозможным использовать этот же самый частотный канал на несколько секторов, а также создает помехи в секторах, использующих соседние частотные каналы.
Рис.3. Пример работы четырехсекторной БС без синхронизации
На рисунке 4 показана работа четырехсекторной БС, в которой синхронизированы не только все точки доступа в одном кластере, но и все кластеры в сети. В этом случае временные слоты передачи и приема не перекрываются и соответственно каналы многосекторной БС ePMP 1000 GPS Sync не создают взаимных помех при работе на одном частотном канале даже в случае, если они работают на одной частоте.
Рис.4. Пример работы четырехсекторной БС ePMP 1000 с синхронизацией
Для синхронизации используется источник эталонного времени, получаемый ePMP 1000 GPS Sync через антенну GPS, входящей в комплект поставки устройства.
Таким образом, при развёртывании одной четырехсекторной БС ePMP 1000 GPS Sync будет достаточно использовать два частотных канала, работающих по частотной схеме ABAB (рис. 5). Защитный интервалом между частотными каналами соседних секторов составляет 5 МГц и требуемый частотный ресурс для развертывания 45 МГц для частотного канала 20 МГц и 85 МГц для частотного канала 40 МГц.
Рис.5. Частотные каналы четырехсекторной БС ePMP 1000
РАБОТА В УСЛОВИЯХ ВНУТРИСИСТЕМНЫХ ПОМЕХ В СЕТИ EPMP
Рассмотрим схему частотных каналов ABAB (рис.5) при развертывании оператором телекоммуникаций сети ШДБ на большой территории.
В этом случае возникает два вида внутрисистемных помех:
1. Помеха на линии вниз, от АР к АС (рис. 6, сценарий 1). Наибольшая помеха в этом случае возникает, когда абонентская станция расположена на краю зоны обслуживания сектора В и помеха от другой точки доступа излучающей в сектор В, приходит по главному лепестку диаграммы направленности антенны. В данном случае, расстояние от «своей» точки доступа до абонентской станции (dS) будет только в три раза меньше, чем расстояние от «чужой» точки доступа до абонентской станции (dI). Тогда разница в потерях при распространении радиоволн полезного сигнала и помехи составляет 20lg(dS/dI)=20lg(3)=9.5 дБ. Без применения дополнительных мер по снижению помехи (например, наклон вниз диаграммы направленности антенны точки доступа) данное значение будет соответствовать значению сигнал/(шум+помеха) (SINR). Когда SINR составляет 9.5 дБ возможно использовать только наиболее помехоустойчивую схему модуляции и кодирования MCS1, при которой пропускная способность падает почти в десять раз по сравнению с максимально возможной (см. рис. 1);
Рис.6. Схема частотных каналов ABAB при развертывании сети ШДБ на большой территории
2. Помеха на линии вверх (от АС к АР) показана на рисунке 6, сценарий 2. Наибольшая помеха в этом случае возникает, когда мешающая абонентская станция находится вблизи точки доступа сектора В и помеха от данной абонентской станции излучающей в сектор В, приходит по главному лепестку диаграммы направленности антенны точки доступа. В этом случае, расстояние от «своей» абонентской станции до точки доступа (dS) будет только в два раза меньше, чем расстояние от «чужой» абонентской станции до точки доступа (dI). Тогда разница в ослаблении полезного сигнала и помехи составляет 20lg(dS/dI)=20lg(2)=6 дБ. При значении SINR равном 6 дБ, работа системы не представляется возможной, так как вариант наиболее помехоустойчивой схемы MCS1 требует минимальное значение 9 дБ. Такой сценарий является наихудшим и не учитывает контроль мощности абонентской станции, находящейся вблизи точки доступа. В любом случае сценарий 2 показывает, что развертывание сети ШДБ на большой территории, на основе схемы частотных каналов АВАВ имеет существенные ограничения.
Очевидно, что более эффективным будет развертывание сети, основанное на использовании четырёх частотных каналов ABCD. Рассмотрим, каким образом оператору будет лучше распределить данный частотный ресурс между секторами в кластере.
Два решения рассмотрены ниже. На рисунке 7 показано использование различных частот для каждого из секторов четырехсекторной БС ePMP 1000. В других кластерах данная схема повторяется. В данном случае также необходимо рассматривать два основных сценария взаимных помех:
1. Помеха на линии вниз от точки доступа, излучающей в сектор В на АС (рис. 7, сценарий 1). Тогда расстояние от «своей» точки доступа до абонентской станции (dS) будет в три раза меньше, чем расстояние от «чужой» точки доступа до абонентской станции (dI) и результирующее значение SINR составляет 9.5 дБ. При таком значении используется схемы MCS1, позволяющая обеспечить наиболее низкую пропускную способность;
Рис.7. Схема использования четырёх частотных каналов для каждого из секторов БС ePMP 1000 при развертывании сети ШДБ на большой территории
2. Помеха на линии вверх от абонентской станции к точке доступа (рис. 7, сценарий 2). Наибольшая помеха в этом случае возникает, когда мешающая абонентская станция находится вблизи точки доступа сектора D и расстояние от «своей» абонентской станции до точки доступа (dS) будет в два раза меньше, чем расстояние от мешающей абонентской станции до точки доступа (dI). Тогда разница в ослаблении полезного сигнала и помехи составляет 20lg(dS/ dI)=20lg(2)=6 дБ. При значении SINR равном 6 дБ работа системы не представляется возможной, так как вариант наиболее помехоустойчивой схемы MCS1 требует минимальное значение SINR составляет 9 дБ.
Таким образом, можно сделать общий вывод, что использование различных частот для каждого из секторов четырехсекторной БС ePMP 1000 не приводит к снижению взаимных помех.
Рассмотрим второе решение разделения четырех каналов (рис. 8). В этом случае один кластер БС ePMP 1000 работает по схеме АВАВ, а соседний кластер по схеме CDCD. В этом случае также присутствуют два сценария взаимных помех:
1. Помеха на линии вниз от точки доступа, излучающей в сектор D на АС (рис. 8, сценарий 1). Здесь влияние оказывается сразу на две абонентские станции. На первую абонентскую станцию помеха приходит с тыльной стороны и результирующее значение сигнал/(шум+помеха) определяется как SINR=20lg(dS/dI)+F/ B=20lg(3)+32.5=41.5 дБ. При таком соотношении никаких ограничений на схему использование схем MCS не накладывается. На вторую АС помеха приходит по главному лепестку диаграммы направленности антенны однако расстояние, расстояние от «своей» точки доступа до абонентской станции (dS) будет в пять раза меньше, чем расстояние от «чужой» точки доступа до абонентской станции (dI) и результирующее значение SINR равно 14 дБ. При таком значении используется схемы MCS10, пропускная способность которой меньше в 3,5 раза по сравнению с максимально возможной.
Рис.8. Использование четырёх частотных каналов БС ePMP 1000 по схеме АВАВ в одном кластере и CDCD в другом при развертывании сети ШДБ на большой территории
2. Помеха на линии вверх (рис. 8, сценарий 2). Наибольшая помеха в этом случае возникает, когда мешающая абонентская станция находится вблизи точки доступа сектора В и расстояние от «своей» абонентской станции до точки доступа (dS) будет в четыре раза меньше, чем расстояние от «чужой» абонентской станции до точки доступа (dI). Тогда разница в ослаблении полезного сигнала и помехи составляет 20lg(dS/ dI)=20lg(4)=12 дБ. В этом случае используется схема MCS9, пропускная способность которой примерно в пять раз ниже по сравнению с максимально возможной.
Очевидно что в последнем рассмотренном случае взаимные помехи существенно ниже, в отличии от случаев рассмотренных выше. Кроме того, когда путь распространения помехи превышает в 4-5 раз путь полезного сигнала, дополнительное ослабление помехового сигнала может быть обеспечено за счет закрытия первой зоны Френеля рельефом или кривизной земной поверхности.
Таким образом, при использовании GPS синхронизации 4-х секторная БС ePMP 1000 GPS Sync обеспечивает оптимальную работу при работе по схеме АВАВ в одном кластере и CDCD в другом. Данная схема при развертывании сети ШДБ на большой территории может работать при использовании четырех частотных каналах (рис. 8):
- 4х20 МГц, занимая с учетом защитного интервала 90 МГц частотного спектра с суммарной пропускной способностью 355,2 Мбит/c (4х88 Мбит/с), обеспечивая ШБД для максимально 480 (4×120) одновременно обслуживаемых АС;
- 4х40 МГц, занимая с учетом защитного интервала 170 МГц частотного спектра с суммарной пропускной способностью 768 Мбит/c (4х192 Мбит/с), обеспечивая ШБД для максимально 480 (4×120) одновременно обслуживаемых АС.
ТЕРРИТОРИАЛЬНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ СЕТИ EPMP
Для территориального планирования развертывания сети ePMP 1000, работающей в диапазоне 5 ГГц отметим три ключевых фактора:
Выбор высот подвеса антенн, обеспечивающих оптическую линию прямой видимости (LoS) в пределах как минимум 60% просвета первой зоны Френеля, что обеспечит пренебрежимо малые дополнительные потери распространения радиоволн (рис. 9). В случае отсутствия линии прямой видимости возникают сильные дифракционные потери – и гарантировать стабильное уровень приема сигнала невозможно.
Рис.9. Обеспечение просвета первой зоны Френеля
Подавление помех от соседнего канала. Для того, чтобы ограничить помехи от соседних каналов, как уже отмечено выше, рекомендуется использование защитного интервала 5 МГц между частотными каналами.
Учет значения SINR. Чтобы достичь желаемую пропускную способность и уровень обслуживания для индивидуальной АС и повысить общую пропускную способность системы, необходимо чтобы значение SINR было максимальным. Рассмотрим типичный бюджет радиолинии в системе ePMP 1000, работающей в диапазоне 5.8 ГГц (таблица 2).
Таблица 2. Типичный бюджет радиолинии в системе ePMP 1000
Полученные данные дальности связи и пропускной способности показывают, что предварительное планирование энергетического бюджета и емкости системы играет важную роль, так как максимальная пропускная способность превышает минимальную почти в 9 раз, в то время как максимальная дальность связи превышает минимальную в 11 раз. При развертывании сети необходимо соблюдать баланс между пропускной способностью и дальностью. Для этого можно использовать зависимость средней пропускной способности в секторе от радиуса кластера (r на рис.5). Данная зависимость представлена на рисунке 10 и построена исходя из равномерного размещения абонентских станций в зоне действия базовой станции ePMP 1000 GPS Sync.
Рис.10. Зависимость средней пропускной способности в секторе от радиуса кластера (r)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренные варианты радиопланирования новой low cost TDMA платформы ePMP позволяют сделать вывод, что данный продукт является новым шагом развития сетей фиксированного широкополосного радиодоступа.
Синхронизация работы точек доступа и абонентских устройств позволяет, используя всего четыре частотных канала с защитным интервалом между ними 5 МГц развернуть сеть ШБД на любой территории.
Существенным недостатком платформы ePMP является наличие одного типа клиентских антенн. Существующий уровень усиления 13дБи и существенно ограничивает масштабируемость планирования сети.
При развёртывании одиночных базовых станций необходимый частотный ресурс составляет всего 45 МГц, что позволяет обеспечить пропускную способность до 355,2 Мбит/c для максимально 480 одновременно обслуживаемых АС. Однако в условиях реальной помеховой обстановки их присутствие будет существенно снижать пропускную способность системы. В этих условиях важную роль играет отлаженность программного обеспечения выполнять заявленные функции по контролю мощности АС и своервенного переходу на нужный режим схемы МСS. Оценки работоспособности [4] существующего программного обеспечения показывают необходимость его дальнейшей доработки.
Таким образом, на данный момент нельзя заявлять о полном превосходстве новой low cost TDMA платформы ePMP над уже работающими системами (например UBNT/MT) и потребуется еще определённое время, чтобы все параметры оборудования, проверенные в преимущественно в лабораторных условиях, соответствовали заявленным при практической эксплуатации системы.
