Гигабит по воздуху — реальное решение
13 март, 2013 - 13:31КОСистемы беспроводной связи постепенно достигли новых, ранее не используемых, сверхвысоких частотных диапазонов. В Украине освоение диапазона
Миграция операторов связи к сетям 3G и LTE, развитие сетей доступа FTTB, рост трафика в корпоративные сетях — все это накладывает новые требования не только на архитектуру, но и параметры производительности сетей передачи данных. Беспроводные технологии, используемые в таких ситуациях, также должны удовлетворять новым критериям.
Прежде всего, высокие скорости передачи данных в сетях 3G и 4G для подключения базовых станций диктуют увеличение пропускной способности до 1 Гб/с. Таких же высоких скоростей требуют резервирование последней мили или быстрое включение узлов FTTB, замена оптических линий в корпоративных сетях.
Из-за высокой плотности размещения базовых станций возникает необходимость упрощения процесса радио-планирования. Следовательно, новые технологии должны применять методы уменьшения интерференции. Кроме того, изменение погодных условий влияет на изменение радио-бюджета радиолинии, поэтому беспроводное оборудование должно поддерживать адаптивную модуляцию.
Немаловажно и то, что беспроводные технологии должны обеспечивать качество обслуживания пользовательского мультимедийного трафика, как важное дополнение адаптивной модуляции.
Кроме того, радио-технологии должны поддерживать механизмы передачи синхросигналов поверх пакетных сетей (SyncE, 1588v2), а также технологии управления сервисом и элементами сети (OAM) для упрощения эксплуатации и поиска неисправностей в пакетных сетях.
С учетом описанных выше требования производители смогли реализовать беспроводные решения на сверхвысоких частотах
Преимущества работы в диапазоне «E-Band»
Диапазон «Е-Band» позволяет использовать полосу частот в 10 ГГц и таким образом увеличить полосу канала в десятки раз по сравнению с традиционными системами радиорелейной связи (РРЛ). Поскольку в РРЛ используется ширина канала до 56 МГц, то для достижения высоких скоростей передачи данных необходимо применять сложные схемы модуляции. Например, для реализации скорости 400 Мб/с в одном канале используются схемы модуляции QAM256. Благодаря широкому частотному спектру, решения в диапазоне «E-Band» позволяют оперировать шириной канала 500 МГц, при использовании модуляции QAM64, скорость передачи достигает 1 Гб/с. Очевидно, что использование более простых схем модуляции уменьшает стоимость элементной базы решений, а значит и конечную цену на оборудование. Стоит отметить, что в перспективе использование сложных схем модуляции может увеличить производительность таких решений до 10 Гб/с.
Рассмотрим физические параметры диапазона «E-Band» и их влияние на дальность связи радио планирование:
1. Затухание в атмосфере.
2. Потери в открытом пространстве.
3. Коэффициент усиления антенн.
4. Данные радиопередатчика и радиоприемника.
5. Затухание вследствие погодных условий (дождь, туман, снег и т.д.)
На рис. 1 показана зависимость атмосферного затухания от частоты.
Легко заметить, что в диапазоне «E-Band» затухание в атмосфере незначительное (около 0,4 дБ/км). Потери в открытом пространстве для высоких частот будут выше по сравнению с потерями для диапазонов работы традиционных РРЛ, таб. 1.
Таблица 1 — Потери в открытом пространстве (на расстоянии 1 км)
| Потери в открытом пространстве | ||
| 8 ГГц | 38 ГГц | 76 ГГц |
| 110 дБ | 124 дБ | 130 дБ |
Данные потери компенсируются за счет увеличения коэффициента усиления антенн в этом диапазоне.
С увеличением частоты при тех же размерах антенны, главный лепесток диаграммы направленности сужается — коэффициент усиления увеличивается. Типичная ширина главного лепестка в диапазоне «E-Band» составляет порядка 1 градуса для однофутовой антенны и 0,5 градуса для двухфутовой. Это несколько усложняет процесс юстировки антенн, зато предлагает очень важное преимущество — использование узконаправленных антенн позволяет избежать интерференции при плотном радиопланировании.
Часто можно слышать вопрос о влиянии погодных условий на работу радиорелейных линий связи, а также о степени влияния с повышением частоты. Дождь — самый неблагоприятный фактор для распространения радиоволн, в то время как туман и снег на затухание в диапазоне «E-band» не оказывают серьезного эффекта. С увеличение частоты, влияние дождя на затухание усиливается, рис. 2.
Рисунок 2 — зависимость затухание в атмосфере от частоты и плотности дождя
Поэтому для расчета дальности, как правило, берется в расчёт дождевое затухание от 10 до 25 децибел на километр (в зависимости от дождевой зоны и желаемого коэффициента доступности), и это приводит к сокращению дальности «E-band» до нескольких километров (последней мили). Однако имеется множество способов эффективного противодействия влияния дождя на затухание радиосигнала:
— Увеличение выходной мощности.
— Увеличение коэффициента усиления антенн за счет увеличения размеров антенны.
— Использование механизмов адаптивной модуляции.
Первые два метода увеличивают стоимость решения и не являются экономически оправданными. Учитывая тот факт, что не все сервисы требуют высокого коэффициента доступности, наиболее эффективным методом является использование адаптивной модуляции и поддержки технологии качества обслуживания.
Подводя итог оценки физических характеристик диапазона «E-band», можно отметить, что эта технология подходит для высокопроизводительных соединений протяжённостью в несколько километров в местах с высокой плотностью радиосоединений.
В число возможных применений технологии входит:
— Бэкхолинг мобильных сетей.
— Расширение/удлинение волоконно-оптических сетей.
— Корпоративные и кампусные сети.
— Прохождение «непроходимых мест»: ЖД, дорог, рек.
— Временное решение для дублирования поврежденной оптики.
Решения Siklu для диапазона «E-Band»
В качестве примера оборудования для диапазона «E-band» рассмотрим решение компании Siklu.
Таблица 2 — Технические характеристики оборудования Siklu Etherhaul-1200T
| Характеристики радиоинтерфейса
|
|
| Частотный диапазон (ГГц) | 71-76 |
| Радиоинтерфейс | TDD, OFDM |
| Ширина канала, МГц | 500, 250 |
| Мощность передачи | 5 дБм |
| Динамический диапазон адаптивной модуляции | 25 дБ |
| Модуляция | QPSK, QAM16, QAM64 |
| Усиление, дБи | 42, 43, 50 |
| Ширина диаграммы |
1 – 1ft; 0,5 – 2ft |
| Функциональность Carrier Ethernet | |
| Задержка, мкс | 350 |
| Поддержка Jumbo frame | до 16,000 Байт |
| Carrier Ethernet Switch |
4096 активных VLANs 4K MAC адресов IEEE 802.1ad Provider Bridge (QinQ) IEEE 802.1d Transparent Bridging IEEE 802.1ag Ethernet Service OAM (CFM) ITU-T Y.1731 OAM IEEE 802.3ah Ethernet Link OAM (EFM) ITU-T G. 8032 Ethernet Ring Protection |
| Quality of Service |
Advanced CoS classification and prioritization Per interface CoS based packet queuing / buffering (8 CoS served by 8 queues) Flexible scheduling schemes (SP/WFQ/Hybrid) Traffic shaping Traffic policing |
| Синхронизация |
G.8262, G.8264 Synchronous Ethernet IEEE 1588v.2 Timing-over-packet Transparent Clock (TC) |
| Performance Monitoring |
Per Ethernet port statistics Per VLAN statistics Per queue statistics Enhanced radio Ethernet statistics |
| Скремблирование | AES 128, AES 256 |
Среди указанных технических характеристик следует выделить в первую очередь, преимущества радиоинтерфейса и поддержку протоколов Carrier Ethernet согласно стандартам Metro Ethernet Forum (MEF).
Поддержка режима TDD позволяет оператору для организации связи использовать вдвое меньшую полосу частот по сравнению с конкурентными решениями на основе FDD. Стоит отметить, что данный аспект весьма актуален в Украине, поскольку национальное регулирование требует наличия лицензии для работы в диапазоне «E-Band». Соответственно плата за частотный ресурс сокращается в два раза при использовании решений TDD.
Использование технологии TDD наилучшим образом подходит для передачи асимметричного трафика, так как позволяет изменять соотношение DL/UL по требованию заказчика от 50/50 до 90/10. Такая гибкость решения особенно важна для мобильных операторов, в сетях которых преобладает ассиметричный трафик 3G или LTE.
Поскольку оборудование Siklu поддерживает множество протоколов Carrier Ethernet, это позволяет его использовать не только в сетях доступа, но и в сетях агрегации с поддержкой всех существующих топологий, включая кольца, Daisy Chain и Mesh. Среди преимуществ и поддержка технологий передачи синхросигналов поверх пакетных сетей, что необходимо для подключения базовых станций 3G и LTE. Система поддерживает G.8262, G.8264 Synchronous Ethernet и IEEE 1588v.2 TC
Стоит также упомянуть то, что энергопотребление оборудования Siklu составляет 25 Вт, что позволяет подавать питание дистанционно, используя технологию стандарта PoE IEEE 802.3at.
Решение Siklu EtherHaul 1200T сквозь призму теста
В специальной пилотной зоне, которая была организована компанией «ЭС ЭНД ТИ Украина» было проведено тестирование оборудования Siklu EtherHaul 1200T, результаты которого мы и предлагаем вашему вниманию.
Рисунок 3 — схема тестирования технических параметров решения в диапазоне «E-band» компании Siklu
В ходе испытаний в качестве анализатора и трафик-генератора использовался тестовый прибор Veem. Изменение схем модуляции для реализации частных сценариев производилось не автоматически, как это обычно происходит на практике вследствие изменения погодных условий, а вручную, путем изменения параметров радио модуля.
Основным критерием производительности, естественно, является тестирование пропускной способности системы. Данный тест проводился для пакетов разного размера.
Таблица 3 — Результаты тестирования пропускной способности оборудования Siklu Etherhaul-1200T
| Уровень модуляции | Соотношение DL/UL | Размер пакета, байты | Пропускная способность в одном направлении, Мб/с |
|
64qam [500MHz] |
50/50 | 64 | 200 |
| 256 | 485 | ||
| 1518 | 482 | ||
|
64qam [500MHz] |
25/75 | 512 |
UL: 243 DL: 748 |
| 1518 |
UL: 243 DL: 748 |
||
| 64 | NA | ||
|
16qam [500MHz] |
10/90 | 512 |
UL: 68 DL: 677 |
| 1518 |
UL: 67 DL: 675 |
Как показывают результаты тестирования, параметры соответствуют заявленным производителем и система способна предоставить 1 Гб/с агрегированного трафика.
Так как РРЛ часто используют как альтернативу оптическим линиям, то значения задержки передачи пакетов должны быть соизмеримыми. Важно знать не просто величину этого параметра, но и то, как он связан с переменой условий радиопередачи.
Таблица 4 — Результаты тестирования задержки передачи пакетов оборудования Siklu Etherhaul-1200T
| Уровень модуляции | Размер пакета, байты | Значение задержки, мкс |
|
64qam [500MHz] |
64 | 330 |
| 512 | 360 | |
| 1518 | 400 | |
|
16qam [500MHz] |
64 | 410 |
| 512 | 415 | |
| 1518 | 460 |
Результаты тестирования показывают, что величина задержки вполне удовлетворяет условиям передачи мультимедийного трафика операторских сетей для всех вариантов изменения уровней модуляции.
Стоит также отметить, что в ходе испытаний была выполнена проверка работоспособности механизмов качества обслуживания, которые должны позволить операторам предоставлять мультимедийные услуги, а также обеспечат SLA для клиентских сервисов, работающих через РРЛ:
— Strict Priority
-
802.1p
-
Vlan id
-
DSCP
— Weighted Fair Queuing
— Policing
— Shaping
Дополнительно было выполнено тестирование интерференции в условиях плотного размещения радио интервалов, работающих на одной частоте с однофутовой антенной.
Интересно было изучить взаимное влияние при разных условиях работы двух интервалов, использующих антенны с диаграммой 1 градус. В ходе тестирования измерялся угол между интервалами, при котором отсутствует взаимное влияние. Значение угла измерялось для разных условий размещения радио интервалов:
1. Величина минимального угла между радио интервалами, согласно рис. 4.
Рисунок 4 — измерение угла между радиолиниями без взаимного влияния
В ходе тестирования было выяснено, что величина угла соответствует значениям, указанным в таб. 5.
Таблица 5 — измерение минимального угла без взаимного влияния для разных уровней модуляции схемы условия № 1 для одно футовой антенны
|
Modulation |
Co-Channel Co-Polarization |
Co-Channel Alternate-Polarization |
Adjacent-Channel Co-Polarization |
Adjacent-Channel Alternate-Polarization |
| 64QAM | 6° | 1.5° | 0° | 0° |
| 16QAM | 3° | 1° | 0° | 0° |
| QPSK | 2.5° | 0° | 0° | 0° |
2. Величина минимального угла между радио интервалами, согласно рис. 5.
Рисунок 5 — измерение угла между радиолиниями без взаимного влияния
Таблица 6 — измерение минимального угла для разных уровней модуляции схемы условия № 2
|
Modulation |
Co-Channel Co-Polarization |
Co-Channel Alternate-Polarization |
Adjacent-Channel Co-Polarization |
Adjacent-Channel Alternate-Polarization |
| 64QAM | 0° | 0° | 0° | 0° |
3. Величина минимального угла между радио интервалами, согласно рис. 6.
Рисунок 6 — измерение угла между радиолиниями без взаимного влияния
Таблица 7 — измерение минимального угла для разных уровней модуляции схемы условия № 3
|
Modulation |
Co-Channel Alternate-Polarization |
| 64QAM | 1,5° |
| 16QAM | 1° |
| QPSK | 0° |
Как следует из проведенных замеров взаимного влияния, тестируемое оборудование позволяет избежать интерференции при работе радиоинтервалов на одной частоте. Необходимым условием является разнос интервалов на угол более 6 градусов или изменение радиоканала (система поддерживает 9 радиоканалов, переход между которыми осуществляется программным способом), что вполне приемлемо в реальных условиях.
Как было упомянуто выше, единственным ограничением для радио планирования оборудования в диапазоне «E-band» является расчет коэффициента доступности исходя из уровня осадков конкретного региона. Так, для Украины длина радиотрассы с коэффициентом доступности 99,995% составляет до 3,2 км, а с коэффициентом доступности 99,999% — до 2,2 км.
При более низком уровне доступности, расстояние может быть и больше.
Одним из примеров успешного использования систем в диапазоне «E-Band» является стабильное функционирование радиоинтервала Siklu и предоставление качественной связи даже в самых сложных погодных условиях во время урагана Сэнди.
Подводя итоги
В заключение необходимо отметить, что решения в диапазоне «E-Band» поддерживают всю функциональность, необходимую не только в операторских сетях, но и в корпоративных. Данное оборудование позволяет организовать магистральные беспроводные каналы, резервирование широкополосных оптических каналов или их замены в условиях отсутствия возможности прокладки кабеля.
Стоит также подчеркнуть, что в соответствии с Законом Украины «О радиочастотном ресурсе» технологическим пользователям для построения корпоративных сетей приобретать лицензию на частотный диапазон
Что же касается операторов, которым для работы в этом диапазоне лицензия все же необходима, то и для них рассматриваемое решение быстро окупит инвестиций. Безусловно, гигабитные скорости можно реализовать, используя и традиционные РРЛ с поддержкой технологии XPIC или конфигурации 2+0. Однако этот подход не только усложняет задачи администрирования, такое решение по стоимости будет в несколько раз выше варианта на базе оборудования диапазона «E-Band». Одним словом, самое время присмотреться к новым возможностям для построения беспроводных сетей со скоростью передачи 1 Гб/с.
Более детально о технологии и оборудовании диапазона "E-Band" вы сможете узнать на специальном семинаре, который пройдет 27 марта. На мероприятии вы сможете задать интересующие вас вопросы непосредственно разработчикам данных решений.