Беспроводные миллиметровые линии

Стремясь удовлетворить постоянно растущие запросы пользователей, операторы сотовой связи предлагают все более высокие скорости и привлекательные тарифные планы. Новые технологии доступа делают реальностью мобильное подключение к Интернету со скоростью несколько десятков мегабит в секунду. Голос перестает быть основным видом трафика мобильных сетей — на смену ему приходят видео и другие виды данных: согласно прогнозам Cisco, уже через четыре года видеоданные займут 66% пропускной способности мобильных сетей, создавая постоянную нагрузку на каналы. Как следствие, на повестку дня выходит подключение базовых станций по гигабитным магистралям. Увы, существующая магистральная инфраструктура операторов на это попросту не рассчитана.

Согласно статистике, в конце прошлого года в США по оптическому волокну было подключено лишь 10% базовых станций, тогда как по беспроводным линиям T1/Е1 — около 85%. Оставшиеся 5% приходились на высокоскоростные беспроводные линии СВЧ-диапазона. В Европе ситуация чуть лучше: здесь оптическое волокно используется для подключения 20% базовых станций. В России процент базовых станций, подключенных по оптическому волокну, скорее всего еще меньше в силу относительной неразвитости кабельной инфраструктуры.

Альтернативы оптическому волокну немногочисленны: медные телефонные линии практически исчерпали резервы роста пропускной способности. Частот от 5 до 38 ГГц, традиционно используемых для организации высокоскоростных беспроводных линий, в городах с высокой плотностью населения уже не хватает. К тому же линии в этих диапазонах подвержены интерференционным помехам, а ограниченный частотный ресурс заставляет использовать все более сложные способы модуляции, что, в свою очередь, сказывается на стоимости оборудования.

Выходит, единственным реальным направлением все-таки является оптика с дорогостоящей и не всегда возможной прокладкой кабеля, многочисленными согласованиями и постоянными арендными платежами? Или, как вариант, освоение еще более высоких — и пока почти свободных — частот: так называемого миллиметрового диапазона?

МИЛЛИМЕТРЫ

К миллиметровому диапазону принято относить радиоволны с частотами от 30 до 300 ГГц и длинами, соответственно, от 10 до 1 миллиметра. Высокая несущая частота, малые длины волн и особенности взаимодействия излучения с атмосферой определяют основные преимущества и недостатки миллиметровых волн.

В контексте этой статьи мы рассмотрим три наиболее перспективных диапазона — 60, 80 и 90 ГГц. Первый примечателен высоким уровнем затухания в атмосфере и, как следствие, безлицензионным использованием в США, Европе и некоторых других странах, что делает его прекрасным выбором для связи на относительно небольших расстояниях — в пределах одного-двух километров или даже внутри квартиры.

Два других отличаются значительно меньшим уровнем затухания в атмосфере, позволяющим создавать более длинные линии связи. Кроме того, для них предусмотрен без преувеличения революционный порядок регистрации в России.

ПРЕИМУЩЕСТВА…

Гигабитные скорости передачи данных. Благодаря высокочастотной несущей, для передачи данных можно задействовать широкие полосы частот — вплоть до 5 ГГц в каждом направлении в полнодуплексном режиме (80-гигагерцевый диапазон объединяет две полосы частот: 71–76 и 81–86 Ггц) — и использовать относительно простые методы модуляции. Это позволяет снизить нагрузку на сигнальный процессор и стоимость реализуемых схемотехнических решений, а в перспективе — довести скорость до 10 Гбит/с или даже выше. К слову, оборудование стандарта WiGig, которое, как ожидается, станет коммерчески доступным уже в 2012 году, способно сделать вполне обыденными домашние беспроводные миллиметровые линии со скоростями на уровне 7 Гбит/с.

Рисунок 1. В пластмассовый корпус трансивера SiBEAM интегрированы 32 независимые антенны миллиметрового диапазона.

Компактные и технологичные излучатели. Даже короткий проводник является очень эффективным излучателем ММВ. Это позволяет с минимальными затратами создавать фазированные антенные решетки и, более того, размещать их непосредственно на микросхеме трансивера. Коммерчески доступные радиотрансиверы компании SiBEAM (см. Рисунок 1), выпускаемые для еще одного миллиметрового стандарта передачи данных, WirelessHD, используют 32 фазированных излучателя, расположенных непосредственно в корпусе микросхемы и работающих синхронно, — их сигналы будут складываться по амплитуде и умножаться по мощности (практически в тысячу раз). Все «миллиметры» — внутри пластмассового корпуса; разработчики получают функционально законченный модуль, работа с которым не требует изучения таинств схемотехники миллиметрового диапазона. На выходе, в беспроводном канале — 4 Гбит/с!

Для увеличения дальности в миллиметровых радиомостах — или, как их еще называют, радиорелейных станциях (РРС) и радиорелейных линиях (РРЛ) — используют параболические зеркала. В целях уменьшения габаритов приемо-передающего модуля чаще всего используются антенны Кассегрена, состоящие из двух соосных отражающих зеркал — основного параболического и вспомогательного гиперболического. Такая схема позволяет уменьшить глубину антенны и разместить ее в закрытом жестком корпусе, защищающем от климатических и механических воздействий (см. Рисунок 2, а). Альтернативный и, быть может, более перспективный подход — использование плоских антенных решеток, сформированных на подложке из пластмассы (см. Рисунок 2, с). Как утверждают разработчики компании Huber+Suhner, такая решетка размером 20×20 см позволяет формировать в диапазоне 60 ГГц лучи шириной менее 2 градусов и обладает коэффициентом усиления на уровне 30 дБ. Насколько можно судить, именно они чаще всего используются в компактных радиомостах диапазона 60 ГГц (см. Рисунок 2, b).

Рисунок 2. Радиомосты ММВ-диапазона: с антенной Кассегрена (а) и плоской антенной решеткой (b, с).

Узкие «карандашные» диаграммы направленности. Миллиметровые длины волн и относительно большие (30–60 см) диаметры антенн позволяют формировать узкие, шириной менее 1–2 градусов, диаграммы направленности. Диаметр пятна засветки такого радиомоста на расстоянии 2 км может не превышать 14 м: попытка реализации антенн с такими характеристиками в низкочастотных диапазонах, скорее всего, была бы обречена на коммерческий провал. Тем не менее при расчетах трасс требуется учитывать условие прямой видимости и первую зону Френеля — в пределах шести десятых ее радиуса от линии визирования не должно быть никаких препятствий. Следует отметить, что слишком узкие диаграммы направленности могут затруднять использование линий миллиметрового диапазона на мачтах и высоких зданиях, способных отклоняться под порывами ветра или скручиваться вследствие температурных градиентов на несколько градусов.

Радиопрозрачность. Большое дерево, диаметр кроны которого достигает 10 м, способно ослабить ММВ-сигнал на 20 дБ. Тем не менее волны миллиметрового диапазона легко проникают через незначительные препятствия, являющиеся непреодолимой преградой для света, — например, краску, слой пыли, пластмассу или даже корпус микросхемы.

Высокая электромагнитная совместимость. Миллиметровые линии, даже находясь в непосредственной близости, очень слабо влияют друг на друга. Эффекты дифракции, вследствие малости длины волны по сравнению с размерами антенны, малы, а значит — практически вся энергия уходит в главный лепесток диаграммы направленности. Ширина лепестка, напомним, не превышает нескольких градусов (или даже долей градуса), любые источники и помехи, в него не попавшие, для антенны практически ненаблюдаемы. Отражения от металлических поверхностей — крыш, заборов, зданий и т. д. — носят диффузный характер и быстро затухают по мере удаления от препятствия. Отсутствие боковых лепестков, узкие карандашные диаграммы направленности и возможность ухода от мешающих источников по поляризации и частоте привели к тому, что во всем мире, включая Россию, на радиолинии этого диапазона распространяются особые, значительно упрощенные правила лицензирования и регулирования.

… И НЕДОСТАТКИ

Дождь, пожалуй, наиболее серьезная проблема для ММВ-линий. Затухание сигнала во время сильного ливня может достигать 30–50 дБ/км. Однако такие дожди в средних широтах наблюдаются редко и заканчиваются быстро: по словам Николая Мацнева, генерального директора компании «НТЦ ФИОРД», активно использующей миллиметровые радиомосты на московских магистралях, максимальная продолжительность отказа линии связи вследствие дождя за все время эксплуатации не превысила 22 мин. — вполне, впрочем, достаточных для того, чтобы клиент начал обрывать телефоны оператора.

Дожди и вызванное ими ослабление сигнала являются основным ограничительным фактором для дальности миллиметровых линий. По данным ряда производителей, длина линии диапазона 80 ГГц с антеннами диаметром 60 см и доступностью 99,95% в условиях Москвы может превышать 7 км, однако когда требуется обеспечить доступность на уровне 99,995%, расстояние сокращается вдвое, до 2,4–3,6 км (см. Таблицу 1). В то же время, по данным компании «ДОК», при отсутствии дождей — например, в пустынных районах — длина трассы могла бы достигать 20 км.

Как показало засушливое, если не сказать огненное, лето, взвешенные аэрозоли, дым и туманы в условиях Москвы могут представлять значительно более серьезную помеху для основного конкурента миллиметровых линий — линий атмосферных. Такие линии, как отмечают эксперты ДОК, «боятся» густого тумана — луч не может преодолеть расстояние между станциями и рассеивается. Между тем миллиметровые системы продолжают полноценно работать в таких условиях, во всяком случае до тех пор, пока размер взвешенных в атмосфере частиц не станет соразмерным с длиной волны (примерно 3 мм) — то есть до ближайшего сильного дождя, который заодно прибьет пыль и другие взвешенные аэрозоли, открыв дорогу атмосферным линиям.

Таким образом, когда необходимо организовать бесперебойную работу практически в любых условиях и обеспечить операторские «пять девяток» даже на относительно длинных трассах, атмосферные и миллиметровые линии могут включаться в параллель и выгодно дополнять друг друга в моменты неблагоприятных для каждой из них погодных условий.

Ровно посредине миллиметрового диапазона, на пяти миллиметрах и 60 гигагерцах, расположен пик резонансного электромагнитного поглощения молекул кислорода. В зависимости от высоты над уровнем моря и уровня содержания кислорода в атмосфере сигнал этой частоты ослабляется на 10–16 дБ/км. Наличие такого пика обусловило разбиение ММВ-диапазона на две части — нелицензируемый ISM (частоты от 57 до 64 ГГц) и лицензируемые (в Европе и США) диапазоны частот 71–76 ГГц, 81–86 ГГц (80 ГГц) и 92–95 ГГц. Поглощение излучения двух последних диапазонов не превышает 0,5 дБ на километр, и на фоне потерь, вносимых дождями, ими можно пренебречь (см. Рисунок 3).

В результате оборудование 60 ГГц используется на коротких, до 1,5 км, линиях — например, для подключения «уличных» базовых станций, размещаемых на столбах в непосредственной близости от абонентов. Радиомосты диапазонов 80 и 90 ГГц применяются на более длинных дистанциях и линиях операторского класса надежности.

Рисунок 3. Поглощение миллиметрового излучения в атмосфере.

ЛИЦЕНЗИРОВАНИЕ: РЕВОЛЮЦИЯ НА МАРШЕ

Решениями ГКРЧ 2006 и 2010 годов предусмотрен упрощенный порядок регистрации миллиметровых линий диапазонов 60, 80 и 90 ГГц. Для использования в заявительном порядке выделены в общей сложности почти 13 ГГц частотного спектра: 10 ГГц в диапазонах 71–76 и 81–86 ГГц и еще 3 ГГц в диапазонах 92–94 и 94,1–95 ГГц, что в несколько раз превышает все выделенные до этого свободные частотные ресурсы. Согласно решениям 2010 года, применение РРС прямой видимости может осуществляться «без оформления разрешений на использование радиочастот или радиочастотных каналов» и носит уведомительный характер. В то же время использование открытого во всем мире ISM-диапазона 60 ГГц все еще требует получения частотных разрешений на основании независимой экспертизы каждой устанавливаемой линии (не требуются лишь отдельные решения ГКРЧ).

Возможно, именно этим и объясняется относительная непопулярность в нашей стране более доступных по цене решений для 60 ГГц: как отмечает Алексей Яворский, менеджер по продукции компании «Дэйтлайн», как достойная альтернатива миллиметровой линии диапазона 60 ГГц заказчику скорее всего будет рекомендована атмосферная линия связи.

В то же время решения ГКРЧ 2010 года по диапазонам 80 и 90 ГГц изменяют привычные представления о принципах лицензирования частот в России. Сроки оформления владельцем беспроводного оборудования необходимых документов обычно достаточно велики (не менее полугода). Разрешенный уведомительный характер для диапазонов 71–76 ГГц / 81–86 ГГц и 92–95 ГГц экономит массу сил, времени и финансовых ресурсов оператора, позволяя сконцентрироваться на развитии и продвижении новых цифровых услуг.

Порядок ввода в эксплуатацию РРС диапазона 80/70 ГГц предельно прост: пользователю РЭС необходимо лишь разработать проектную документацию в составе, определенном НТД отрасли «Связь», провести ее негосударственную экспертизу, зарегистрировать РЭС в территориальных органах Роскомнадзора и сдать РРЛ комиссии с подписанием соответствующих документов. После этого данный объект связи можно вводить в эксплуатацию. Экономия средств, а главное, времени — налицо.

К тому же не нужно забывать, что это решение позволяет устанавливать РРС на 80/70 ГГц не только операторам, но и фактически любым желающим — например, для объединения нескольких локальных сетей разрозненных офисов или подключения отдельно стоящих зданий. У корпоративных пользователей и физических лиц появилась, таким образом, возможность официально и достаточно быстро самостоятельно установить и запустить защищенную высокоскоростную беспроводную линию, не прибегая к дорогостоящей прокладке или аренде кабельных сетей.

Как отмечает Филипп Иванов, генеральный директор ДОК, одним из технических требований решения ГКРЧ является эффективность использования спектра, которая должна составлять не менее 1 бит/с/Гц. Поэтому при выборе оборудования диапазонов 80 и 90 ГГц нужно обращать внимание не только на мощность передатчиков и ширину диаграммы направленности, но и на тип модуляции, скорость передачи данных и полосу используемых частот. И тогда при регистрации миллиметровой линии никаких проблем не возникнет.

ПРОИЗВОДИТЕЛИ

На российском рынке миллиметровые радиомосты диапазона 80 ГГц продвигают по крайней мере три компании: BridgeWave (через НТЦ «Дэйтлайн»), E-Band и ДОК.

Особенностями BridgeWave FlexPort80 являются одновременная поддержка TDM и IP-подключений (SDH/SONET/Ethernet), позволяющая операторам применять это устройство в гибридных сетях TDM/IP, и адаптивный выбор способа модуляции в зависимости от состояния канала связи (QPSK или BPSK). Во время дождя FlexPort80 может автоматически перейти на использование модуляции BPSK, благодаря чему бюджет потерь линии увеличивается еще на 7 дБ ( см. Таблицу 1).

E-Band позиционирует радиомост E-Link 1000EXR для передачи на большие расстояния, заявляя о более высоком бюджете потерь — на 10 дБ выше, чем у решений конкурентов. Кроме того, радиомост отличает поддержка протокола Synchronous Ethernet, обеспечивающего синхронизацию времени и частоты базовых станций. Установка дополнительного радиомодуля и кросс-поляризационного адаптера позволяет довести скорость передачи линии до 2,5 Гбит/с.

Радиомосты РРС-1000 компании «ДОК» не требуют настройки, используют модуляцию QPSK и по сути являются медиаконвертерами оптическое волокно/беспроводная линия. Как заявляют в компании, такой канал связи с точки зрения оператора полностью эквивалентен оптическому кабелю, проложенному между точками установки радиомоста. Такая «всеядность», например, позволяет передавать кадры протокола CPRI, необходимые для управления радиооборудованием базовых станций. Администрирование по SNMP делает возможной централизованную диагностику устройств из диспетчерской оператора связи. С помощью встроенных средств РРС-1000 можно оценить работоспособность моста и получить уведомление о возможных неисправностях (повышение или понижение температуры выше критической, снижение уровня сигнала, вызванное разворотом антенны, понижение питающего напряжения и т. д.) до того, как они скажутся на качестве связи.

Следует отметить, что все перечисленные устройства работают в полнодуплексном режиме: общая канальная скорость радиомостов достигает 2,5 Гбит/с.

Филипп Иванов считает, что беспроводные системы особенно удобны для эксплуатации в тяжелых погодных условиях. Так, в Норильске в условиях вечной мерзлоты, когда глубина оттаивания даже в летний период составляет всего 30–40 см, а зимой температура достигает -60°C, прокладка оптического кабеля как «воздушным», так и подземным способом — непростая и очень дорогостоящая процедура. ДОК установила в Норильске несколько радиомостов, которые успешно работают.

ТЕНДЕНЦИИ

Согласно прогнозам Infonetics Research, в 2014 году объем мирового рынка городских линий миллиметрового диапазона (E-Band и W-Band) превысит 485 млн долларов. Три четверти этого объема составят закупки операторов связи, которые будут приобретать оборудование для построения беспроводных магистралей и подключения базовых станций. Как отмечает Infonetics, в 2009 году доля BridgeWave превышала 50%, но уже в ближайшее время рынок ждут серьезные потрясения, вызванные приходом в 2010 и 2011 годах более крупных игроков: Alcatel-Lucent, Ericsson, Huawei, NEC и NSN.

Одним из факторов, сдерживающих распространение миллиметровых радиомостов, является их относительная дороговизна. Компания BridgeWave, объединив силы с компанией Provigent, обещает приблизить стоимость гигабитных радиомостов диапазона 80 ГГц к решениям более низкочастотных диапазонов путем разработки однокристальных радиотрансиверов (system on a chip). Другой способ снижения цены — перевод миллиметровой радиочасти с использования арсенида галлия на более распространенные и отработанные кремниевые технологии. В этой связи следует отметить, что в сектор городских радиомостов скорее всего будут проникать технологии, созданные при разработке и продвижении устройств стандартов WiGig и WirelessHD. Впрочем, помощь может прийти и из более высоких диапазонов: в ноябре сингапурский государственный институт микроэлектроники A*STAR сообщил о разработке кремниевых радиотрансиверов 10 Гбит/с для диапазона 135 ГГц — то есть для частот почти вдвое больших, чем у наиболее популярного сегодня диапазона 80 ГГц.

Если говорить о втором витке миграции технологий из беспроводных домашних сетей в городские сети (именно с такой миграции начиналось в России внедрение Wi-Fi: оборудование было дорого для дома и офиса, но замечательно подходило для городских магистралей), то перспективным может оказаться использование в качестве облучателя параболического зеркала многоканальных радиотрансиверов — фазированных решеток (см. Рисунок 2). Во-первых, они позволят решить проблему недостаточной мощности каждого отдельного излучателя, а во-вторых, обеспечат управление, пусть даже в небольших пределах, главным лепестком диаграммы направленности, чтобы компенсировать отклонения здания или мачты под напором ветра или градиентов температуры.

Расширяется и область применения миллиметровых радиолиний: исследователи из Stony Brook University и NEC Laboratories начинают всерьез задумываться об использовании миллиметровых магистралей для организации межсоединений в святая святых информационной отрасли — центрах обработки данных. Как ожидается, потребление беспроводных радиоинтерфейсов 10 Гбит/с не превысит 1 Вт, при этом беспроводная радио-часть (фазированная антенная решетка займет на лицевой панели сервера не более 5×5 см) обеспечит автоматическую коммутацию радиомагистралей, избавит ЦОД от пучков кабелей и заметно улучшит условия охлаждения аппаратуры.

Правда, придется изрядно повозиться с перестановкой шкафов и стоек — в новой топологии для удобства коммутации миллиметровых магистралей их придется устанавливать кольцами, «лицом» друг к другу.

Георгий Башилов — независимый эксперт. С ним можно связаться по адресу: gbashilov@gmail.com.