"Результаты натурных испытаний системы BreezeACCESS VL"

Автор: Портной Сергей, Кац Михаил
Источник: Технологии и средства связи No4, 2004 год.

Краткая история развития фиксированного беспроводного доступа

Практически одновременно с появлением вычислительных машин встала задача объединения этих машин в сети, однако пока вычислительные машины были большими и громоздкими, задача обеспечения обмена данными между ними решалась "эксклюзивным" способом в каждом конкретном случае. Ситуация кардинально изменилась с появлением персональных компьютеров – на повестку дня стала задача создания типовых распределенных сетей, объединяющих большое число компьютеров.

Как в случае локальных сетей, так и в случае распределенных, на начальном этапе использовались только проводные соединения между компьютерами, но очень быстро стало ясно, что далеко не всегда можно обойтись проводной инфраструктурой. Именно тогда, на рубеже семидесятых и восьмидесятых годов прошлого века, и стали возникать первые беспроводные компьютерные сети.

На начальном этапе своего развития компьютерные сети строились по следующим основополагающим принципам:

• Использовалась идеология локальных вычислительных сетей, практически без изменения перенесенная в радиосвязь, - без гарантии качества обслуживания для всех абонентов.
• Сети строились для априорно неопределенных условий с неизвестным количеством абонентов собственной сети, а также числа мешающих сетей.
• Сети строились в так называемых безлицензионных (но не в России) диапазонах в 902 – 928 МГц, а позже в 2,4 ГГц и 5,8 ГГц.

• Широкополосные сигналы с прямым расширением спектра (DSSS).
• Широкополосные сигналы с прыжками по частоте (FHSS).

В первом случае использовались сигналы либо с кодом Баркера с базой сигнала [1] 11 (например, радиомодемы фирмы Airnet), либо с m-последовательностью с базой 32 (например, радиомодемы фирмы Sylink). Во втором случае использовались сигналы с полосой 1 МГц с количеством "прыжков" по частоте от 20 до 83 – соответственно с базой сигнала от 20 до 83.

Широкое распространение таких систем привело к разработке международных стандартов в этой области. Так появилась группа стандартов IEEE 802.11, а позже модификации b, a, g и т.д. Кстати, появление модификаций стандарта с различными буквенными индексами было связано с тем фактом, что по мере распространения беспроводных сетей становилось понятно, что широкополосные системы обладают одним существенным недостатком, несущественным для военной связи, – низким уровнем использования частотного спектра, т.е. низкой частотной эффективностью.

Так например, стандарт IEEE 802.11а предусматривает использование частотного диапазона 5 ГГц и модуляции по методу ортогонального мультиплексирования с разделением частот [Orthogonal Frequency Domain Multiplexing [OFDM]). Применение этого стандарта позволяет увеличить скорость передачи в каждом канале с 11 Мбит/с, как в стандарте 802.11 b, до 54 Мбит/с. При этом одновременно может быть организовано до восьми непересекающихся каналов, а не три, как в диапазоне 2,4 ГГц.

Беспроводная локальная сеть стандарта IEEE 802.11а способна одновременно поддерживать большее число сеансов высокоскоростной передачи данных, чем сети 802.11 и 802.11b, причем с меньшей вероятностью конфликтов.
Однако достаточно быстро стало понятно, что основополагающие принципы, заложенные в беспроводные системы на первом этапе, нуждаются в существенной корректировке. На сигнальном уровне на повестку дня стало оптимальное использование канала с точки зрения работы на уровне пропускной способности Шеннона при любом уровне обменных соотношений "скорость – помехоустойчивость". На протокольном уровне стало необходимым обеспечивать качество обслуживания (QoS) любому абоненту сети.

Разработанный Институтом IEEE стандарт 802.16 представляет собой рассчитанную на внедрение в городских и сельских беспроводных сетях (WirelessMAN) технологию широкополосной связи, а точнее беспроводного широкополосного доступа. Технические характеристики первой версии стандарта – IEEE 802.16а, утвержденные в январе 2003 года и предусматривающие работу оборудования в диапазоне от 2 до 11 ГГц, позже вошли в стандарт IEEE 802.16-2004. Широкий диапазон частот, предусматриваемый стандартом IEEE 802.16 - 2004, позволяет развертывать каналы передачи данных с высокой пропускной способностью с использованием передатчиков, устанавливаемых на мачтах сетей сотовой связи и высотных зданиях. Принимающее и передающее оборудование, работающее по этому стандарту, может находиться не только в зоне прямой видимости.

WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – это коммерческое "имя" стандарта беспроводной связи 802.16, поддержанного промышленной группой, в состав которой входят известные компании. WiMax Forum - организация, в которую входят ряд ведущих коммуникационных компаний (Airspan Networks, Alvarion Ltd, Aperto Networks, Fujitsu Microelectronics America, Intel, OFDM Forum, Proxim Corporation, Wi-LAN Inc и др.). Целью этой организации является содействие разработке беспроводного оборудования для доступа к широкополосным сетям, скорейшее развертывание сетей во всём мире и сертификация оборудования 802.16.

По данным WiMax, базовая станция (БС) стандарта 802.16 способна обслуживать абонентов на удалении до 50 км, при этом последним не потребуется обеспечивать прямой видимости между антеннами БС и абонентского устройства. Скорость передачи данных в разделяемом канале будет достигать 70 Mбит/с на один сектор, что вполне достаточно для предоставления доступа на скорости 1,5 Мбит/с для более чем 60 корпоративных клиентов или обслуживания нескольких сотен домашних пользователей. Обычно БС будут обслуживать до 6 секторов.

Технологические особенности и принципы OFDM

Как указывалось выше, ключевым моментом для существующего этапа развития беспроводных сетей, включая будущие WiMax сети, является OFDM модуляция. Теоретические основы OFDM модуляции были заложены в работах Р. Галлагера в пятидесятых годах прошлого века [3].
Р. Галлагер оценивал теоретическую пропускную способность Шеннона для канала с переменной межсимвольной интерференцией и аддитивным гауссовским белым шумом. Такой канал может служить моделью реальных радиоканалов с замираниями, взаимными помехами и шумами. Было показано, что при передаче по такому каналу многомерными сигналами из N последовательных отсчетов, разделенных L защитными символами, где L не меньше памяти канала, дальнейшему преобразованию этих сигналов в ортогональном базисе (например, Фурье) с учетом характеристик канала, исходный канал преобразуется к следующему виду.
Исходные канал виртуально представляется в виде N параллельных каналов с аддитивным гауссовским шумом с различными отношениями сигнал/шум, но без памяти (без межсимвольной интерференции). Естественно, такое преобразование требует точного знания импульсного отклика канала или его частотной характеристики. Таким образом, Р. Галлагер вычислял пропускную способность исходного канала как среднее арифметическое параллельных каналов без памяти.

Существенно позже, с развитием цифровой элементной базы и появлением возможности реализуемости даже самых невероятных теоретических идей, была построена так называемая ступенчатая конструкция [4], суть которой состоит в следующем. После ортогонального преобразования параллельные каналы разбиваются на подгруппы с близкими друг к другу отношениями сигнал/шум. Сигналы внутри одной и той же подгруппы модулируются квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ) одной и той же кратности. Так, например, может оказаться N1 сигналов с модуляцией КАМ2, N2 сигналов с модуляцией КАМ4, N3 сигналов с модуляцией КАМ16 и т. д. Естественно N1 + N2 + N3 + …= N. Далее единая конструкция из N параллельных каналов кодируется единым корректирующим кодом, исправляющим ошибки. Если N достаточно велико, корректирующий код и его алгоритм декодирования достаточно оптимальны, а канал измеряется точно, и быстро отслеживаются изменения канала, то реализуется оптимальная схема с отличием от пропускной способности Шеннона на доли дБ. Фактически все это и заложено в WiMax совместимое оборудование.

Проблема переходного периода к WiMax системам

Особое значение беспроводные системы и особенно WiMax совместимые системы приобретают для России, где, с одной стороны, велика территория и сравнительно мала плотность населения, с другой - недостаточно развита во многих местах, особенно в глубинке, проводная инфраструктура, а с третьей - достаточно специфично "частотное" регулирование.
В этой связи становится актуальным на современном этапе использовать такие системы, в которых заложены основные принципы WiMax систем, но еще нет естественно полного совмещения. При этом должны выполняться основные принципы разработки и использования WiMax систем, а именно:

1. Естественно наличие OFDM конструкции.
2. Адаптивное измерение характеристик канала.
3. Наличие ступенчатой сигнально-кодовой конструкции с различными видами КАМ и корректирующим кодом.
4. Наличие протокола с "качеством обслуживания" (QoS).

Важной также оказывается задача выбора частотного диапазона, в котором должна работать беспроводная система. Учитывая большое число различных, часто взаимоисключающих факторов, для России сегодня одним из наиболее перспективных частотных диапазонов является диапазон 5 ГГц [5].

Всем этим требованиям удовлетворяет оборудование, описанное в следующем разделе.

Краткое описание системы BreezeACCESS VL как прообраза будущих WIMAX систем

Сетевая (точка-многоточка) беспроводная OFDM система BreezeACCESS VL (компания Alvarion Ltd), работающая практически во всем диапазоне от 5 до 6 ГГц, представляет собой IP- решение последнего поколения систем беспроводного широкополосного доступа [6]. Система BreezeACCESS VL построена по принципу – многосекторная (или односекторная) базовая станция – множество абонентов. Система BreezeACCESS VL обеспечивает высокую производительность, приведенную к одному сектору базовой станции. Используются быстрые и эффективные методы модуляции, которые поддерживают индивидуальные скорости для абонента до 3, 6 или 54 Мбит/с. Применение технологии OFDM позволяет обеспечивать надежные соединения не только в случае прямой видимости от базовой станции до абонента, но и в случае ограниченной видимости, и даже при ее отсутствии (NLOS), а также высокую спектральную эффективность, устойчивую работу при многолучевом распространении и большие скорости передачи данных.
Система BreezeACCESS VL также поддерживает "качество обслуживания" для каждого абонента (QoS), увеличенную безопасность и шифрование данных, протокол фильтрации, исправление и обнаружение ошибок, а также систему управления операторского класса.

Система BreezeACCESS VL разработана с возможностью интеграции в существующие сети BreezeACCESS, работающие в различных диапазонах частот. Компоненты базовой станции BreezeACCESS VL используют стандартное BreezeACCESS.
Система BreezeACCESS™ VL в настоящее время выпускается для диапазонов: 5.15 – 5.35 ГГц, 5.47 - 5.725 ГГц (HIPERLAN), 5.725 - 5.850 ГГц и для дополнительного 5ГГц диапазона: 4.9 - 5.091 ГГц (для Японии). Для всех диапазонов, кроме последнего, система сертифицирована в России.

Некоторые особенности и характеристики BreezeACCESS VL.

• Диапазоны 5ГГц (4.9 - 5.091, 5.15 – 5.35, 5.47 - 5.725 и 5.725 - 5.850 ГГц). 
• OFDM модуляция: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. 
• Режим работы: TDD. 
• Адаптивная модуляция. 
• Размер FFT преобразования OFDM – 64.
• Количество тестовых частотных позиций – 4.
• Ширина канала 20 МГц.
• Выходная мощность AU (в порту антенны): от -6 до 21дБм, с шагом 1 дБ.
• Автоматический контроль мощности передачи (ATPC).
• Пропускная способность 6 секторной базовой станции: до 324 Мбит/с.
• Интерфейсы со стороны базовой станции: IEEE 802.3 Ethernet 10/100BaseT.
• Интерфейс со стороны абонентского устройства: IEEE 802.3 Ethernet 10/100BaseT.
• Скорости абонентского устройства: 3Мбит/с, 6Мбит/с и 54Мбит/с. 
• Поддержка VLAN IEEE по 802.1Q. 
• Обеспечение качества обслуживания QoS (CIR, MIR).
• Безопасность.
  · Протокол ассоциации – ESSID.
  · Идентификация и шифрование данных WEP128 и AES.
  · VLAN согласно IEEE 802.1Q.
  · Уровень IP-фильтрации для адресов.
  · Определение прав доступа и фильтрация IP-адресов для управления пользователей или протоколов.
• Конфигурация и управление на основе SNMP.
  · BreezeCONFIG.
  · AlvariSTAR.
• Согласование с мировыми радио стандартами.
  · FCC Part 15.
  · ETSI EN 301 753.
  · ETSI EN 301 021.
  · ETSI EN 301 893 (2003-04).

Архитектура сети показана на рисунке, где SU A –XD – обозначает абонентское устройство, причем A – характеристика максимальной скорости, а X – количество MAC адресов в абонентском устройстве.

Устройства доступа (AU) BreezeACCESS VL, входящие в состав базовой станции, обеспечивают все необходимые функциональные возможности для связи с удаленными абонентскими устройствами и подключения их к внешней сети. Каждое устройство доступа используется как одиночный сектор и обеспечивает до 54 Мбит/с всем абонентским устройствам (SU), расположенным в данном секторе.
Разработанные для получения минимальных затрат при инсталляции, устройства доступа BreezeACCESS VL состоят из внутреннего модуля, подключенного через дешевый CAT-5 кабель к наружному радио модулю с антенной. Данные, питание, сигналы контроля и управления передаются между внутренним и наружным модулем через CAT-5 кабель. Каждое AU соединяется с сетью через стандартный IEEE 802.3 Ethernet 10/100BaseT (RJ 45) интерфейс.
BreezeACCESS VL поддерживает два типа конфигурации базовой станции:

1. Модульная базовая станция на основе шасси

Оборудование базовой станции базируется на 3U шасси базовой станции BreezeACCESS, которое подходит для инсталляции в 19 " стойке. Каждое шасси базовой станции (BS-SH-VL) может поддерживать до семи внутренних модулей AU, всех диапазонов частот (2.4 ГГц, 3.5 ГГц, 5.8 ГГц), обеспечивая надежный доступ к максимальному числу абонентов и полномасштабную избыточность. Для обеспечения непрерывного функционирования и резервирования по питанию в шасси BS-SH могут использоваться два модуля питания. Типовая архитектура базовой станции – 6 секторов, по 54 Мбит/с каждый.
Внутренний модуль AU (AU-D NI BS), вставляемый в шасси, связан через CAT-5 кабель с наружным радио модулем (AU-RE), который связан с антенной через РЧ-кабель.
Серии AU-D-BS включают:

• AU-D-BS-ff-VL-60 - внутренний и наружный модули и 60° антенна; 
• AU-D-BS-ff-VL-90 - внутренний и наружный модули и 90° антенна;
• AU-D-BS-ff-VL-120 - внутренний и наружный модули и 120° антенна, где ff – характеристика частотного поддиапазона.

2. Устройство доступа "Micro Cell – Микро ячейка".

Устройство доступа "Micro Cell" - автономный внутренний модуль, который соединяется с таким же наружным модулем как и в конфигурации устройств доступа базовой станции с шасси. Автономный внутренний модуль AU-D-NI-SA, связан через CAT-5 кабель с наружным радио модулем (AU-RE). Наружный модуль связан с антенной через РЧ-кабель.
Серии AU-D-SA включают: 

• AU-D- SA -ff-VL-60 - внутренний и наружный модули и 60° антенна;
• AU-D- SA -ff-VL-90 - внутренний и наружный модули и 90° антенна;
• AU-D- SA -ff-VL-120 - внутренний и наружный модули и 120° антенна.

Оборудования конечного пользователя серии BreezeACCESS VL устанавливается в помещении клиента и обеспечивает высокоскоростную передачу данных к устройству доступа.
Абонентское устройство состоит из двух модулей: внутреннего модуля, устанавливаемого в помещении и соединяющегося с оборудованием пользователя через IEEE 802.3 Ethernet 10/100BaseT интерфейс (RJ 45), и наружного модуля с интегрированной антенной, устанавливаемого вне помещения на крыше, стене или мачте. Данные, питание, сигналы контроля и управления передаются между внутренним и наружным модулем через кабель CAT-5. Внутреннее устройство обеспечивает сетевой интерфейс с оборудованием пользователя и питается от сети переменного тока через встроенный источник питания.

Доступные модели абонентских устройств: 

• 3 Мбит/с модель (SU-A-ff-3 -1D-VL - поддерживает одного пользователя);
• 6 Мбит/с модель, с программным обновлением до 54 Мбит/с (SU-A-ff-6-1D-VL - поддерживает одного пользователя или SU-A-ff-6-BD-VL - поддерживает полный мост);
• 54 Мбит/с модель (SU-A-ff-54-BD-VL – поддерживает полный мост).

Натурные испытания системы BreezeACCESS VL

В мае 2004 года компанией КРЕДО-ТЕЛЕКОМ (Москва) с участием специалистов из компаний "Алварион Лтд" (Израиль) и "Седиком" (Москва) были проведены натурные испытания системы BreezeACCESS VL, разработанной для диапазона 5.150-5.350 ГГц специально для России. Компания КРЕДО-ТЕЛЕКОМ была выбрана производителем в качестве тестовой лаборатории для бета-тестирования нового оборудования.

Одновременно с бета-тестированием при испытаниях ставились следующие задачи:

1. Измерение максимальной пропускной способности каналов связи, образуемых на базе системы BreezeACCESS VL.
2. Измерение пропускной способности каналов связи в зависимости от расстояния между базовой станцией и клиентскими устройствами.
3. Измерение пропускной способности каналов связи, образуемых при помощи различных типов антенн базовой станции.

1. Скорость передачи данных от клиентской станции к базовой станции (up) и скорость передачи данных от базовой станции к клиентской станции (down). 
2. Уровень модуляции (modulation level).
3. Отношение сигнал/шум (SNR).

Были выбраны следующие базовые технические параметры оборудования.

• Рабочая радиочастота передатчика, ГГц: 5.230.
• Мощность передатчика, мВт: 130. 
• "Эквивалентная" битовая скорость в канале связи, Мбит/с: 54.

Оборудование было установлено на время натурных испытаний следующим образом. На базовой станции на высоте 129 метров было установлено два устройства BreezeACCESS VL AU.

Одно устройство было подключено к всенаправленной антенне с усилением 11dB производства ЦКБ "Связь" (Россия), второе устройство было подключено к секторной антенне с усилением 15 dB и диаграммой направленности шириной 120 градусов производства "Алварион Лтд" (Alvarion, Израиль).

Три клиентских устройства BreezeACCESS VL SU были установлены на расстоянии 19, 13 и 3 километров от базовой станции в пределах прямой видимости на высотах 91, 88 и 170 метров. К каждому устройству был подключен компьютер с операционной системой UNIX FreeBSD.

Во время испытаний были получены следующие результаты.

1. Измерения со всенаправленной антенной (клиенты на расстоянии 13 и 19 км).

Результаты при тестировании клиента на расстоянии 13 км.

• Modulation level: 5.
• SNR down: 12.
• Скорость, Мбит/с: 5,1 up; 4,9 down; 10 суммарная.

• Modulation level: 4.
• SNR down: 13.
• Скорость, Мбит/c: 3,6-4,5 up; 3,6-4,5 down; 7.2 – 9 суммарная.

Результаты при тестировании двух клиентов одновременно.

• Скорость на базе, Мбит/c: 4,9-5,2 up; 4,9-5,2 down, 9,8 – 10,4 суммарная.
• Скорость у клиента 13 км, Мбит/c: 2,5-3 up; 2,5-3 down; 5 -6 суммарная.
• Скорость у клиента, 19 км, Мбит/c: 2,5-3 up; 2,5-3 down; 5-6 суммарная.

2. Измерения с секторной антенной (клиенты на расстоянии 13 и 19 км).

Результаты при тестировании клиента на расстоянии 13 км.

• Modulation level: 6-7
• SNR down: 22
• Скорость, Мбит/c: 8,9 up; 8,9 down; 17,8 суммарная.

Результаты при тестировании клиента на расстоянии 19 км.

• Modulation level: 5
• SNR down: 17
• Скорость: 5-5,5 up; 5-5,5 down; 10 -11 суммарная.

Результаты при тестировании двух клиентов одновременно.

• Скорость на базе, Мбит/cек: 5,5-6 up; 8,8-9,2 down; 14,3 – 15,2 суммарная.
• Скорость у клиента 13 км, Мбит/cек: 2,5-3,5 up; 3,5-6 down; 6 – 9,5 суммарная.
• Скорость у клиента 19 км, Мбит/cек: 2,5-3,5 up; 3,5-6 down; 6 – 9,5 суммарная.

3. Измерение максимальной скорости (клиент на расстоянии 3 км).

• Modulation level: 8
• SNR down: 34
• Скорость, Мбит/cек: 14,8 up; 14,8 down; 29,6 суммарная.