Содержание

1. Вступление

2. Частотный диапазон

3. Конструктивные особенности РРС

4. Модуляция цифрового сигнала

5. Адаптивная модуляция

6. XPIC

7. Агрегация частот

8. Super Dual Band

9. Резервирование

10. Заключение

Вступление

Здравствуйте, меня зовут Виталий, я являюсь ведущим инженером технической поддержки транспортной сети направления РРЛ (радио релейных линий) МегаФона. В этой статье я хочу рассказать о радио релейных системах (РРС) операторского класса, используемых на транспортной сети Компании, а точнее о РРС «точка-точка» как альтернативе волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС).

Что такое РРС «точка-точка»?

Наверняка у каждого из вас в доме есть Wi-Fi маршрутизатор, благодаря которому Вы получаете канал в Интернет из любой точки квартиры. Это происходит потому, что электромагнитная волна (сигнал Wi-Fi) от маршрутизатора распространяется во все стороны. Однако, стоит вам выйти из дома, как сигнал теряется, что, в свою очередь, обусловлено ограничением мощности передатчика Wi-Fi маршрутизатора.

Как увеличить мощность сигнала и расстояние распространения, не мешая Wi-Fi маршрутизаторам соседей? Это можно сделать, если сфокусировать сигнал с помощью направленных антенн. Но тогда его можно получать только в конкретной точке квартиры, куда направлена антенна, и возможности перемещаться, не теряя его, уже не будет. Однако вы сможете поймать сигнал, даже выйдя из дома и сев на скамейку соседнего сквера, если туда направлена антенна Вашего маршрутизатора. Вот такие РРЛ и называются «точка-точка».

Что значит «как альтернатива ВОЛС»?

В наше стремительное время каждому хочется иметь доступ в Интернет «здесь и сейчас». Такую возможность могут предоставить только операторы сотовой связи. Для получения большой скорости необходимо находиться в непосредственной близости от базовой станции (БС) мобильной связи. Это обусловлено ограничением мощности передатчиков сигналов как БС, так и самого смартфона или модема, то есть мобильной станции (МС). Нельзя для каждой БС поставить мощный генератор электрической энергии, да и увеличение мощности МС может не хорошо повлиять на абонента. Чем большую скорость Интернета хочет получить абонент, тем шире полоса передачи данных ему должна быть предоставлена. Для передачи широкой полосы потребуется больше мощности, а она, как Вы поняли, ограничена. Поэтому в местах массовых скоплений людей, например во время праздничных гуляний, возникают проблемы со связью, так как одновременно нескольким сотням абонентов требуется высокоскоростной доступ в Интернет по средствам мобильной связи. Мощности BS не хватает, и сота обслуживания сужается. Мы называем ее «плавающей». Для решения таких проблем требуется установка большего количества базовых станций, до которых необходимо организовать каналы от их контроллеров. 

Прокладывать для каждой БС кабель ВОЛС неоправданно дорого. Плюс в черте города кабель-каналы в подземных колодцах уже заполнены, а открытая прокладка кабеля запрещена. К тому же до БС прокладывается не пара волокон, а кабель целиком из 16-и волокон минимум, что уже избыточно по пропускной способности одной БС. Вот тут и приходят на помощь радиорелейные системы, для которых средой передачи является воздушное пространство.   

Частотный диапазон используемых РРС

Как я упомянул ранее, средой передачи для РРС является воздух, а эта среда довольно агрессивная. Из-за состава воздуха и примесей в нем, той же воды, происходит затухание (ослабление) сигнала. На графики приведена кривая затухания радио сигнала в воздухе в зависимости от его частоты. Чем больше частота сигнала, тем сильнее затухание. На графике заметно, что на каких-то участках есть всплески, а на каких-то провалы. Те диапазоны частот, где есть провалы (затухание меньше), и используются в РРС операторов связи.

На текущий момент выделяются 3 диапазона частот:

• Common-band 6-42 ГГц

• V-Band 57-64 ГГц

• E-Band 71-86 ГГц

  РРС частотного диапазона Common-band уже десятилетиями используется разными операторами. V-band появился сравнительно недавно, но широкого применения не получил из-за узкой полосы и большого затухания. А вот E-Band диапазон всё больше и больше развивается последние несколько лет.   

Из-за широкого применения весь диапазон Common-band лицензируется со стороны государства. Именно государственный орган ГРЧЦ выдает разрешение на использования частот из диапазона Common-band в том или ином регионе, участке города, области. V-band и E-band пока не лицензируются, частоты выбираются произвольно и по ситуации, не создавая помех аналогичным системам.

Производители оборудования уже ведут разработки для создания РРС W-band и D-band диапазонов, которые находятся на грани и за гранью миллиметрового диапазона частот. Думаю, на начальном этапе они также не будут лицензироваться.

Исходя из частотного диапазона можно грубо разделить РРС по используемому расстоянию, т.е. дистанции радиорелейной линии (РРЛ). Как Вы можете заметить, чем больше частота, тем меньше дистанция РРЛ, поэтому высокочастотные системы чаще используются в пределах города, а низкочастотные - в области и между регионами. Из своего опыта могу сказать, что встречал РРЛ 7ГГц и с дистанцией в 80 км, это уже соизмеримо с дистанцией ВОЛС.

Есть еще одна немаловажная особенность использования частот в РРС. В проводных системах тракты передачи (Tx) идут в одной витой паре или волокне, а тракты приема (Rx) в другой витой паре или волокне одного и того же кабеля.

С учетом того, что среда передачи в РРС единая, тракты передачи (Tx) и приема (Rx), в отличие от проводных систем, имеют разные частоты одного и того же диапазона. Оборудование с одной стороны называется Low end (Low band), используется частота передачи из нижнего спектра частот, с другой стороны - High end (High band), частота передачи используется из верхнего спектра

Частотный интервал между Tx и Rx, который называется T/R Spacing, выбирается не произвольно, он стандартизован и определен производителем. Его характеризует минимальный интервал частот, который позволяет исключить влияние частоты передатчика на приемный тракт, поскольку самым первым элементом приемного тракта является высокочувствительный малошумящий усилитель, и только потом стоит избирательный фильтр приемного сигнала.

Как и для мобильных абонентов (терминалов), чтобы получить большую скорость передачи, необходимо предоставить широкую частотную полосу. Это же правило действует и для РРС. Чтобы пропустить сигнал с большой скоростью через РРС, необходимо использовать широкую полосу на радиоинтерфейсе

На графике предоставлены данные о скорости через РРС, полученные на один частотный канал.

В Common-band на один частотный канал одного направления (тракты Tx и Rx считаются разными направлениями) с полосой 244 МГц можно получить пропускную способность РРЛ почти в 2,5 Гбит/с.

В E-band на один канал одного направления с полосой 2000 МГц можно получить пропускную способность РРЛ в 10 Гбит/с.

    Но производители оборудования не останавливаются на достигнутом и изобретают технологии, которые позволяют еще больше увеличить пропускную способность канала. Некоторые из таких технологий мы рассмотрим в этой статье.

Конструктивные особенности РРС

В зависимости от назначения РРС разделяются по конструкции на Split системы и Full Outdoor решения.

Особенности Split систем:

• Блок с интерфейсами располагается в теплом и сухом помещении и называется IDU (Indoor Unit).

• Высокочастотный блок для передачи радиосигнала находится на улице и закреплен на мачте. Такой модуль называет ODU (Outdoor Unit).

• Между IDU и ODU используется коаксиальный кабель промежуточной частоты (ПЧ). Частота ПЧ в таком кабеле на 10 порядков ниже, чем требуемая для передачи в пространстве. Дело в том, что на низких частотах проще формировать и обрабатывать цифровые сигналы, да и компоненты для этого дешевле.

• Шасси IDU может состоять из нескольких слотов (один слот используется для одного модуля разного назначения), а может быть моноблоком с ограниченным количеством потребительских интерфейсов: E1, STM-1, FE, 1GE, 10GE.

Особенности Full Outdoor систем:

• И потребительские интерфейсы, и радиоинтерфейс (RF) располагаются в одном и том же блоке, который крепится на мачте на улице.

• Из-за компактности решения количество интерфейсов для подключения потребителей и их тип ограничены. В основном это интерфейсы Ethernet: FE, 1GE, 10GE.

• Все потребительские интерфейсы (Service интерфейсы) защищены от попадания воды и грязи.

Модуляция цифрового сигнала

Перед тем как приступить к рассказу об интересном функционале РРС, давайте рассмотрим методы преобразования цифрового сигнала в аналоговый. До сего момента мы в радиорелейных системах обсуждали их диапазоны работ с точки зрения частот. А что такое частота? Это аналоговый сигнал. “Как так?” - спросите Вы. “Ведь сейчас используются везде цифровые системы, а аналоговые устарели”. Да, Вы правы, везде используются цифровые системы, но в РРС передавать нули и единицы в том виде, в котором они есть, нецелесообразно, неэффективно, да и просто невозможно из-за ограничений мощности передатчиков. Поэтому цифровой сигнал от потребительских интерфейсов преобразуется в аналоговый.

Какие есть способы преобразования:

• Амплитудная модуляция (ASK), когда логическая единица (1) кодируется определенной частотой и амплитудой, а логический ноль (0) кодируется вообще отсутствием сигнала, то есть – амплитуда есть, амплитуды нет.

• Частотная модуляция (FSK), где 1 кодируется одной частотой, а 0 – другой, но с той же амплитудой.

• Фазовая модуляция. Первая её реализация – это BPSK, где 1- кодируется одной частотой с нулевым сдвигом фазы, а 0 –тоже частотой, но сдвинутой по фазе на 180 градусов

Эффективность таких модуляций равна 1, так как любой символ 0 или 1 кодируется одним состоянием передатчика. А частотная модуляция требует еще и использование 2-ой частоты.

Дальнейшее развитие модуляций привело к появлению:

• Фазовой модуляции QPSK, где частота имеет одну амплитуду, а сдвиг фазы выполняется уже на 90 градусов. Это позволяет одним состоянием передатчика закодировать два логических символа. Эффективность такой кодировки увеличивается и равна 2.

• Затем появилась квадратурно-амплитудная модуляция (QAM), где комбинация логических нулей и единиц кодируется не только изменением амплитуды сигнала одной частоты, но и изменением фазы. А точнее цифровая комбинация кодируется вектором в декартовой системе координат. Эффективность QAM модуляции зависит от её индекса. 

Например, модуляция 16QAM кодирует комбинацию из 4 символов нулей и единиц, а 32QAM – 5 символов. Эффективность таких модуляций выше. На текущий момент уже реализована модуляция 8192QAM и в перспективе 16кQAM. С модуляцией 8192QAM и полосой сигнала в 112МГц на одной частоте можно получить пропускную способность РРС почти в 1,2 Гбит/с.

«Крутой» функционал РРС

Вот мы и подошли к интересным функциям современных РРС. Начнем с адаптивной модуляции (AM).

Адаптивная модуляция.

Как Вы уже поняли радиосигнал передается через агрессивную среду, где могут возникать разные аномалии: дождь, снег, туман, смог, испарения от полей и водоемов. Даже в предварительных расчетах готовности РРЛ указывается так называемый дождевой коэффициент, который показывает плотность осадков в том или ином регионе.

Из графика выше легко заметить, что при одной плотности осадков затухание сигнала увеличивается от частоты, и что при одной и той же частоте затухание сигнала увеличивается с увеличением плотности осадков.

В описании модуляции QAM я подчеркнул, что высокая модуляция позволяет получить большую пропускную способность РРС, но она может работать только в хороших условиях окружающей среды, то есть при хороших погодных условиях. Если погодные условия будут ухудшаться, то в РРЛ будут возникать ошибки вплоть до полной неработоспособности линии. Поэтому, чтобы сохранить хоть какой-то трафик в РРЛ, разработчики применили технологию автоматического понижения модуляции при ухудшении погодных условий и обратное увеличение при улучшении.

Дальнейшее развитие АМ привело к появлению сигнализации (информационных сообщений по сервисным каналам в сторону терминального оборудования) об уменьшении полосы пропускания на радиорелейной линии, чтобы терминальное оборудование, подключенное к РРЛ знало об этом и принимало решение о перераспределении трафика по другим направлениям. Такие сообщения называются Bandwidth Notification (BA).

Cross-Polarization Interference Cancellation (XPIC)      

Дальнейшее развитие РРС с точки зрения увеличения пропускной способности привело к реализации функционала под названием XPIC. Технология позволяет на одной частоте передавать радиосигнал не только в одной вертикальной поляризации (V), но и в горизонтальной (H). Объединение двух одно поляризационных сигналов от ODU в один двух поляризационный сигнал и обратное разделение выполняет механическое устройство под названием OMT.

Технология XPIC описывает функционал в своем названии, которое переводится как «подавление взаимного влияния от кросс-поляризационного сигнала». То есть, если при корректном монтаже на передающей стороне сигнала двух поляризаций распространяются строго горизонтально и вертикально, то после прохождения через агрессивное воздушное пространство они могут отклоняться от горизонтали, вертикали и друг относительно друга. Такое отклонение приводит к перетеканию части мощности сигнала из одной поляризации в другую, создавая помехи. Технология XPIC нивелирует эти помехи

В итоге, при иcпользовании технологии XPIC на одной частоте увеличивается пропускная способность РРС вдвое. Однако для её реализации требуется увеличение количества модулей ODU и дополнительное оборудования АФУ (антенно-фидерное устройство) в виде модуля ОМТ. Такая конфигурация РРЛ называется 1+0 XPIC или просто 2+0.

Дальнейшее увеличение пропускной способности РРС приводило лишь к развитию АФУ и увеличению количества используемых модулей ODU. Так появилось решение 2+0 XPIC или просто 4+0, где было реализована конфигурация 1+0 XPIC два раза на двух разных частотах с использованием уже четырех модулей ODU. При таком решении можно получить пропускную способность РРС до 4 Гбит/с в Common-band диапазоне.

Затем появилось решение 4+0 XPIC или просто 8+0, где используется восемь модулей ODU и четыре разные частоты. При такой конфигурации можно было получить пропускную способность РРС до 8 Гбит/с в Common-band диапазоне.

На оборудовании E-Band диапазона, чаще это Full Outdoor решение, можно так же организовать XPIC. Для такой конфигурации потребуется 2 E-band блока, соединенных XPIC кабелем, и E-band OMT. Конструкция получается несильно громоздкая. И в итоге можно получить пропускную способность РРЛ в 20 Гбит/с Full Duplex.

У производителей уже есть решения для E-band диапазона, позволяющие организовать пропускную способность РРЛ до 25 Гбит/с, а при использовании технологии XPIC – до 50 Гбит/с.

Carrier aggregation (CA) – агрегация частот

Производители понимали, что увеличение пропускной способности РРЛ методом увеличения модулей ODU приводит к увеличению нагрузки на мачту, и разработали технологию Carrier aggregation (CA), которая позволяет агрегировать две несущих частоты в одном RF интерфейсе. Таким образом можно было организовать два канала одинаковой емкости через один радио интерфейс, увеличив пропускную способность РРЛ в двое, без увеличения модулей ODU.

Также они разработали новые модули ODU, содержащие сразу два RF интерфейса. Используя такие модули ODU и технологию CA можно организовать сразу четыре одинаковых канала на двух разных частотах и двух поляризациях в Common-band диапазоне.

Вот как выглядит конфигурация 2+0 XPIC или просто 4+0 в очень компактном решении.

И даже 4+0 XPIC

Super Dual Band (SDB)

Параллельно с увеличением пропускной способности РРЛ производители разработали технологии совместного использования Common-band и E-band в одной РРС. Так появилась технология Super Dual Band, которая позволяет объединить два разных частотных диапазона в одной РРЛ. Дистанция, конечно, небольшая, так как слабым звеном в данном случае является высокочастотный диапазон E-Band, но благодаря совместной работе диапазонов удалось увеличить дистанцию с 4 до 7 км. В итоге получился баланс между РРЛ с высокой доступностью Common-band диапазона и РРЛ с большой пропускной способностью E-Band диапазона.

Были даже разработаны двухдиапазонные антенны для целей SDB.  

Резервирование

На некоторых частотах Common-band диапазона (6-8 ГГц) можно организовать РРЛ с большой дистанцией в несколько десятков километров и обеспечить мобильной связью и Интернетом самые отдаленные и трудно доступные участки, например, места добычи и переработки полезных ископаемых. Однако эксплуатация таких РРЛ затруднительна, так как для устранения аварии полевой инженер сможет добраться до некоторых локаций только в определенное время года. Для повышения надежности таких РРЛ вносится некоторая избыточность оборудования самих РРС: модулей IDU и ODU, а иногда и антенн. При выходе из строя одного из блоков происходит автоматическое переключение на резервное оборудование.

Существует 3 типа резервирования РРЛ:

• 1+1 Hot StandBy (HSB). При этом типе резервирования используются 2 модуля ODU и 2 IF интерфейса (желательно на двух разных блоках) IDU, но одна антенна. При настройке конфигурации выбирается один ODU и IF интерфейс в качестве основных элементов, а другие в качестве резервных. В нормальном состоянии трафик передается только по основным модулям.

  

• 1+1 Frequency diversity (FD). При этом типе резервирования используются два модуля ODU разных частот и диапазонов (например 7 и 8 ГГц), два IF интерфейса (желательно на двух разных модулях) IDU как в 1+1 HSB и одна или две антенны. Если используются две антенны для разных диапазонов, то на мачте они монтируются на разных высотах. Помимо резервирования блоков РРС также выполняется резервирование среды передачи. Звучит немного странно – «резервирование среды передачи», но так оно и есть. Как мы ранее выяснили, на разные частоты окружающая среда влияет по-разному, поэтому при изменении погодных условий канал на одной частоте может перестать работать совсем, а на другой частоте - продолжить работу.

  

• 1+1 Space diversity (SD). В самом названии типа резервирования есть слово Space (пространство), которое описывает принцип резервирования. При этом типе резервирования используются два модуля ODU одинаковой частоты, два IF интерфейса (желательно на двух разных модулях) IDU как в 1+1 HSB и две антенны на каждой стороне. Одна антенна большего диаметра и одна меньшего. Антенны на одной мачте располагаются на разных высотах, обеспечивая специальное расстояние между ними (обозначается символом H), которое заранее рассчитывается. При монтаже такой РРЛ основные антенны большего диаметра позиционируют относительно друг против друга на разных сторонах, а вот антенны меньшего диаметра размещают относительно антенн большего диаметра на противоположной стороне. Такие схемы резервирования часто применяют, когда РРЛ проходит над водной гладью. Из-за повышенной влажности в воздушном пространстве могут образовываться слои с разной плотностью, они препятствуют распространению радиосигнала. Изменение высоты подвеса антенн позволяет их обойти.

  

И это еще не всё. Заключение.

Наверняка у многих может возникнуть впечатление, что описанные РРС могут только выполнять роль радио удлинителя для прозрачной передачи данных от источника к потребителю, но на самом деле современные РРС – это почти полноценные маршрутизаторы, SDH мультиплексоры и TDM коммутаторы. В них используется большое разнообразие сервисов и технологий помимо радио:

• Обработка и передача ATM сервисов

• Передача TDM каналов как nx64 кбит/с, так и целиком Е1

• Передача VC12 или VC4 контейнеров STM потоков как в SDH

• Обработка Ethernet фреймов разного типа c VLAN и без VLAN, с изучением MAC адресацией и с её прозрачной передачей

• Поддержка MPLS и организация LSP с конкретными маршрутами для разных сервисов

• Поддержка кольцевых топологий и резервирование сервисов в них

• Полноценная поддержка синхронизации Sync-E с сообщениями SSM и PTP 1588V2 и G.8275.1

• Последнее поколение РРС уже поддерживает L3VPN с BGP, OSPF и ISIS маршрутизацией.

Современные РРС – это уже не просто альтернатива ВОЛС, это уже полноценная, хорошо масштабируемая транспортная сеть.