Проетирование WLL

Аббревиатура WLL (Wireless Local Loop) дословно означает “беспроводной абонентский шлейф”. WLL-cистемы беспроводного доступа — это системы радиосвязи с многостанционным доступом, используемые на участке между фиксированными абонентскими терминалами (телефонными аппаратами) и АТС вместо проводной абонентской части ТфОП. Типовая архитектура практически любой системы WLL представлена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая архитектура системы WLL

Бурный рост во всем мире числа смонтированных систем WLL обусловлен рядом их неоспоримых достоинств.

Высокая скорость развертывания. Системы WLL позволяют в короткие сроки развернуть систему большой абонентской емкости, ежедневно подключая несколько сотен абонентских терминалов. Это имеет значение для операторов связи в условиях жесткой конкуренции на рынке телекоммуникационных услуг, а также свидетельствует о простоте и удобстве (следовательно, и низких затратах) проведения монтажных работ.

Отсутствие ограничений на тип и рельеф местности. Естественные труднопреодолимые препятствия (реки, болота, сильнопересеченная местность и др.) в значительной степени затрудняют прокладку проводных коммуникаций. В таких случаях гораздо более эффективным решением будет установка систем WLL, благодаря возможности размещения базовых станций (БС) на господствующих высотах, а также использованию ретрансляторов.

Простота и быстрота наращивания. Для подключения к системе нового абонента достаточно обеспечить его номером и абонентским терминалом. При дефиците емкости системы ее можно легко расширить дополнительными модулями или подсистемами.

Эффективность в условиях низкой плотности абонентов. Стоимость подключения одного абонента в отличие от проводных систем не растет с увеличением расстояния до него (в пределах допустимых радиусов зон обслуживания БС).

Поэтому при большом удалении абонентов от АТС беспроводная система становится дешевле проводной. На рис. 2 представлена зависимость полных среднегодовых расходов на одного абонента от плотности абонентов. На рисунке видно, как эффективность использования проводной технологии выравнивается с беспроводной при высокой “плотности” абонентов (300—600 аб./км 2).

Рис. 2. Зависимость полных среднегодовых расходов на одного абонента от их плотности.

Малые начальные инвестиции. Проводная инфраструктура требует крупномасштабных инвестиций, которые существенно опережают прогнозируемые потребности в количестве абонентских линий и не всегда оказываются оправданными, тогда как беспроводная технология допускает постепенное инвестирование, точно отвечающее потребностям.

По прогнозам, системы WLL к 2010-му году будут составлять до 15% среди всех систем в сетях доступа. Стоимость ввода одного телефонного аппарата (ТА) с проводным принципом доступа сейчас составляет около $1000, что сравнимо со стоимостью оборудования в расчете на одного абонента для современных систем WLL.

В структуре стоимости ввода ТА с проводным принципом доступа (в мировой практике) затраты, связанные с прокладкой кабельных линий, составляют более 40%. А при использовании беспроводной технологии основные затраты приходятся на оборудование, цены на которое неуклонно падают. Уже сегодня в целом ряде случаев радиодоступ — выгодная альтернатива проводным решениям; так, например, в США более 50% всей введенной еще в 1995 году номерной емкости базировались на технологии WLL.

Типы систем WLL

Сегодня на рынке системы WLL представлены большим количеством моделей от практически всех крупных производителей телекоммуникационного оборудования. Так что сделать выбор в отношении какой-то системы человеку, досконально не знакомому с этим рынком, достаточно трудно.

WLL-системы делятся на три основные категории:

цифровые и аналоговые системы, реализованные на базе технологий и стандартов сотовой подвижной связи (NMT-450, D-AMPS, CDMA IS-95);

системы на базе стандартов беспроводной телефонии (DECT, CT2 и PHS);

фирменные аналоговые и цифровые системы, предназначенные для обеспечения фиксированного доступа.

Категория систем на базе технологий и стандартов сотовой подвижной связи характеризуется довольно высокой емкостью сот и большой дальностью связи между БС и пользовательскими терминалами, которая может достигать 46 км для аналоговых систем. Радиусы сот цифровых систем меньше и составляют 20—35 км. Системы на базе технологий и стандартов сотовой подвижной связи хорошо подходят для телефонизации обширных территорий с разными уровнями плотности абонентов.

Системы на базе стандартов беспроводной телефонии (DECT, СТ2 и PHS) обеспечивают относительно небольшие радиусы сот (0,2—10 км) и оптимальны для охвата небольших территорий с высокой плотностью абонентов. Одно из преимуществ WLL-систем на базе стандартов беспроводной телефонии — отсутствие необходимости частотного планирования, поскольку они автоматически осуществляют выбор рабочих частот, что также упрощает их использование. Кроме того, они, как правило, обеспечивают более высокое, чем системы на базе стандартов мобильной сотовой связи, качество речи (кодирование АДИКМ со скоростью 32 кбит/с) и скорость передачи данных.

И, наконец, в фирменных системах используются различные варианты многостанционного доступа и уплотнения каналов: частотный (FDM/FDMA), временной (TDM/TDMA), кодовый с прямым расширением спектра (DS-CDMA) или псевдослучайной перестройкой частот (FH-CDMA), а также их комбинации. Системы этой категории настолько сильно отличаются базовыми радиотехнологиями, параметрами и возможностями, что дать им общую характеристику невозможно.

Для удобства рассмотрения разделим их на две группы: узкополосные и широкополосные. Узкополосные системы схожи с системами WLL на базе технологий и стандартов сотовой связи. Они обеспечивают довольно большую дальность радиосвязи и невысокую скорость передач и. Широкополосные системы обладают довольно большой скоростью передачи данных (до 144 кбит/с) и высокой помехозащищенностью, однако их максимальные радиусы зон обслуживания БС несколько меньше, чем у узкополосных систем.

Кроме того, все системы можно разделить по типу зоны покрытия на зоновые, “точка—многоточка” (point-to-multipoint) и сотовые.

Зоновые системы

Зоновые системы WLL рассчитаны на обслуживание абонентов, распределенных в относительно большом районе вокруг АТС, и часто устанавливаются непосредственно на здании АТС. Эти системы могут состоять как из одной, так и из нескольких сот, которые, как правило, требуют частотного планирования (если в них не используется радиоинтерфейс DECT или CDMA). От микросотовых систем их отличает значительно больший радиус зоны обслуживания вокруг базовой станции (от единиц до десятков километров).

Узкополосные системы

Системы такого типа бывают как аналоговыми, например российская система “Волемот” или система Telecell производства компании KRONE, так и цифровыми, например система Proximity производства Nortel или S-WLL производства Samsung (таблица 1 ).

Таблица 1

Характеристики WLL-системТип

WLL-системы Производитель Диапазон

используемых

частот, МГц Ширина полосы

радиоканала,

частот, МГц Используемый метод

многостанционного

доступа/дуплексного

разделения каналов Скорость

кодирования

речи/передачи

данных, кбит/с Выходная

мощность

передатчика

БС/АС, Вт

Telecell KRONE 380—500, 800—1000 — FDMA/FDD — /9,6 —

Proximity Nortel 3400 / 0,307 0,307 TDMA/TDD 32/— —

S-WLL Samsung 300—500 2 FDMA,TDMA/FDD 16/9,6 —

DRA1900 Ericsson 1880—1900 20 FDMA,TDMA/ТDD 32/28,8 0,25

Airspan-60 DSC 2300—2500; 3400—3600 3,5 CDMA/FDD 32/144 —

MultiGain Wireless Tadiran 1400—1500; 2400—2500; 3400—3500 — FH-CDMA, TDMA 32/14,4 0,3

AirLoop Lucent Technologies 3600—4000 10 CDMA / FDD 16/N *16 3/0,25

Samsung SWL-144 1800, 2100—2700 — B-CDMA / FDD 32/28,8; N * 64 50

IRT-2000 Lucent Technologies 1427—1535; 2300—2500; 2500—2690/2 2 TDMA / FDD 64/— 0,1; 0,2; 1

Следует отметить систему DRA1900 производства компании Ericsson, которая базируется на стандарте DECT. Обеспечиваемая ею дальность связи — до 5 км при максимальной мощности передатчика 250 мВт. Одна базовая станция поддерживает от 28 до 60 разговорных каналов. Для связи контроллера с местной АТС могут быть использованы проводные и радиорелейные линии связи, что позволяет распределять монтированную емкость АТС на значительном удалении от нее.

Широкополосные системы

В последнее время все более популярны широкополосные WLL-системы, в которых, как правило, используется широкополосная CDMA (B-CDMA или W-CDMA) с частотной полосой радиоканала от 3—5 МГц до 10—20 МГц. Такие системы уже могут предоставлять услуги ISDN или высокоскоростную передачу данных.

Один из примеров такой системы — Airspan-60 производства DSC. Базовая станция поддерживает до 120 разговорных каналов и обеспечивает связь на расстоянии до 20 км.

Интересен способ формирования широкополосного сигнала в системе MultiGain Wireless производства Tadiran. В ней используются так называемые “скачки по частоте” (FH — Frequency Hopping), когда несущая частота в передатчике постоянно меняет свое значение в рамках некоторого частотного диапазона по псевдослучайному закону (индивидуальному для каждого разговорного канала); приемник ведет себя таким же образом, обеспечивая выделение и дальнейшую обработку только нужного канала. Это один из двух способов получения сигналов CDMA (более детально об этом методе формирования псевдослучайных сигналов — в статье Владимира Сайко “Радиосистемы с псевдослучайной перестройкой рабочих частот”,

Второй метод, широко используемый в других системах CDMA, в том числе и в известном стандарте IS-95, — метод “прямой последовательности” или DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access). В соответствии с этим методом в передатчике каждый узкополосный информационный сигнал перемножается на определенный широкополосный шумоподобный сигнал, знание которого на приемной стороне позволяет выделить нужный канал путем получения свертки двух сигналов.

Метод частотных скачков, как и все виды CDMA, позволяет избавиться от помех при многолучевом приеме, а также от необходимости частотного планирования сот, так как работа происходит в одном и том же диапазоне рабочих частот. И конечно, как и все системы CDMA, она обеспечивает своим абонентам высокую конфиденциальность связи.

В рассмотренной выше системе MultiGain Wireless в направлении к абоненту используется технология TDM (временное разделение каналов), от абонента — FH-CDMA. На одну базовую станцию приходится 8 речевых каналов, а к контроллеру могут подключаться до 80 базовых станций. Максимальная дальность связи — 20 км, причем излучаемая базовой станцией мощность составляет 300 мВт. Эта система может подключаться к АТС по аналоговым и цифровым интерфейсам.

Беспроводная стационарная система абонентского доступа AirLoop производства компании Lucent Technologies рассчитана на предоставление услуг ISDN и функционально соответствует традиционной проводной абонентской системе. AirLoop работает в частотном диапазоне 3,6—4,0 ГГц и обеспечивает связь с абонентом на таком расстоянии:

2,5 км — в городе;

4 км — в пригородах;

6 км — в сельской местности.

Система может сосуществовать в одном диапазоне частот с узкополосными системами, такими как радиорелейные и спутниковые. Количество абонентов, поддерживаемых одним комплектом центрального оборудования, ограничивается емкостью интерфейса местной АТС.

В настоящее время это уже не единственная система B-CDMA. Собственные аналоги разработаны Siemens (CDMAlink) и Samsung (SWL-144). Последняя система имеет максимальное число речевых каналов — от 70 до 90, в зависимости от размера зоны обслуживания; радиус соты — до 30 км.

Системы “точка—многоточка”

Иногда необходимо предоставить услуги телефонии на относительно большой территории, например с радиусом до 1000 км, но с низкой плотностью абонентов, причем сгруппированных в относительно небольших районах. Это типичная для сельской местности ситуация. Для этой цели и используются системы типа “точка —многоточка”, построенные на базе РРЛ. Причем между пролетами РРЛ располагается коммутационное оборудование для подключения абонентов, которое осуществляется по обычным витым парам или радио, для чего, как правило, используются DECT-системы.

Типичным представителем систем типа point-to-multipoint является IRT-2000 производства фирмы TRT Lucent Technologies (ранее известной как TRT Philips). Цифровая система IRT-2000 является абонентским радиоудлинителем типа “точка—многоточка” для связи со стационарными объектами.

В состав оборудования системы входит центральная станция и два типа удаленных станций: ретрансляционная и абонентская. Структурная схема системы IRT-2000 приведена на рис. 3.

Абоненты могут подключаться к удаленным станциям по проводным линиям, а также для них возможно беспроводное подключение с использованием системы SWING стандарта DECT (производства Lucent Technologies). Конфигурация системы может быть различной в зависимости от числа абонентских и ретрансляционных станций. Система позволяет при сотовом покрытии территории реализовать радиальную, радиально-узловую и линейную конфигурацию сети с максимальным числом абонентов одной системы — 480. Имеется возможность наращивания емкости сети за счет параллельной работы нескольких систем или в дальнейшем их объединения с помощью аналогичного оборудования IRT-4000 емкостью до 1920 абонентов.

Центральная станция этой системы подключается к аналоговым или цифровым (2,048 Мбит/с) интерфейсам городских АТС. Для связи центральной станции с абонентскими используется РРЛ-станция, работающая в диапазоне 2300—2500 или 2500—2690 МГц. Могут использоваться и другие диапазоны частот, в частности 1427—1535 МГц.

Абонентские станции предназначены для обслуживания отдельных групп абонентов и подразделяются на такие виды в зависимости от числа последних: микростанция (до 8 абонентов), министанция (до 24 абонентов), стандартная станция (до 128 абонентов). Кодирование речи: ИКМ G.711 (64 кбит/с). К абонентским станциям подключаются проводные телефонные аппараты. Радиус зоны обслуживания для центральной станции и станций-ретрансляторов — 25—35 км. Максимальное число удаленных станций достигает 158. Максимальное удаление абонентских станций от центральной при использовании промежуточных ретрансляционных — 2000 км. Оборудование системы IRT-2000 обеспечивает полный набор услуг ISDN.

Разумеется, это не единственная система такого типа. К этому классу, в частности, относится система А9800 производства компании Alcatel. Она обеспечивает передачу речи, данных и факсимильных сообщений. Оборудование системы, устанавливаемое на АТС, соединяется с ней стандартным интерфейсом 2,048 Мбит/с или 2 * 2,048 Мбит/с. Кодирование речи: АДИКМ (G.726; 32 кбит/с) или ИКМ (G.711;64 кбит/с). Структурная схема и принцип работы системы A9800 аналогичны IRT-2000.

На рынке предлагается также система DRMASS аналогичного назначения и структуры производства NEC (Япония). Она работает в диапазоне частот 1,5 ГГц или 2,4 ГГц (возможна работа в диапазонах 10 и 15 ГГц). Пропускная способность радиоканала, работающего со скоростью 4 Мбит/с, дает возможность сформировать 60 временных каналов, что позволяет подключить к системе до 1024 абонентов. Оконечные абонентские станции могут быть вынесены при помощи ретрансляторов на расстояние до 1080 км от центральной станции.

Значительно отличаются от рассмотренных выше системы DMS (производства BOSH Telecom) и CD2000 (производства Granger Telecom, США).

Первая из них использует свою оригинальную разновидность технологии FDMA (FDMA/DBA), работает на радиочастотах 3,5 или 26 ГГц (дальность связи, соответственно, 20 и 5 км) и может обслуживать до 5432 абонентов. Абонентские же станции могут обслуживать 4, 16, 30 и 60 обычных телефонных абонентов, а также предоставлять каналы 2,048 Мбит/с.

Во второй используется технология B-CDMA с шириной полосы радиоканала 3,5 МГц и скоростью передачи в нем 4 Мбит/с. Максимальная емкость системы — до 10 000 абонентов, а дальность связи — до 30 км. Кодирование речи — АДИКМ/32. Абонентское оборудование рассчитано на обслуживание индивидуальных абонентов.

Сотовые системы

При необходимости обеспечить телефонной связью большие районы с различной абонентской плотностью используются сотовые системы WLL. Эти радиосистемы строятся на основе оборудования, предназначенного для применения в сетях сотовой подвижной связи, но способного обслуживать и стационарных пользователей. Либо в них используется упрощенное коммутационное оборудование, не поддерживающее мобильных абонентов и обслуживающее исключительно стационарных абонентов. При этом снижается стоимость системы в расчете на абонента и повышается ее емкость из-за отсутствия необходимости резервирования радиоканалов для перемещающихся между сотами абонентов.

Системы WLL на базе сотовых стандартов развивались вместе с совершенствованием последних. Первыми на рынке появились аналоговые системы WLL на базе стандартов NMT-450 и NMT-900 (380—500 и 800—960 МГц), а также стандартов AMPS и TACS (диапазон 800 МГц). За ними последовали системы на базе цифровых стандартов:

А9500 производства Alcatel, на базе стандарта GSM (диапазон 900 МГц);

Wire-up GSM производства Lucent Technologies, использующая одноименный стандарт (диапазон 900 МГц);

Easywave производства Nokia, использующая стандарты GSM и DCS (диапазона 900 МГц и 1,8 ГГц);

GMH-2000 производства Huges, в которой применяется “фирменная” модификация стандарта D-AMPS, называемая E-TDMA (диапазон 800 МГц);

Proximity T-LTX производства Nortel, использующая стандарт D-AMPS (диапазоны 440—495 и 824—894 МГц).

Однако коммерческое использование данных систем в настоящее время мало реально. Дело в том, что сейчас в крупных населенных пунктах Украины уже практически все свободные частоты в указанных диапазонах заняты системами подвижной связи соответствующих стандартов, что просто не оставляет таким системам WLL “места под солнцем”.

Подобных проблем лишены системы, основанные на базе стандарта CDMA/IS-95 (см. “Системы беспроводной телефонии”), который широко используется в США, Канаде и Корее в сетях подвижной связи. В Украине он принят в качестве национального стандарта.

Одиночная базовая станция CDMA стандарта IS-95 (при отсутствии серьезных радиопомех) позволяет организовать 64 радиоканала (в каждом радиоканале — один разговор). Но это идеальный вариант, не встречающийся в реальных условиях. В сети фиксированной связи из нескольких сот за счет взаимных шумовых помех это число уменьшается до 30—45 радиоканалов. Отсутствие необходимости частотного планирования сот позволяет даже в относительно небольшом выделенном частотном диапазоне получить очень высокую абонентскую емкость сети.

Системы WLL-CDMA предлагаются компаниями Qualcomm (QCTel-800), Motorola (CDMA-WiLL), Nortel (Proximity C), Samsung и NEC. Базовые станции производства Motorola и Nortel работают как в диапазоне 824—894 МГц, так и 1,85—1,99 ГГц.

Заметим, что реально доказанные преимущества технологии CDMA привели к ориентации всех поставщиков, разрабатывающих системы радиотелефонной связи третьего поколения (в том числе и для подвижной связи), исключительно на различные варианты широкополосной CDMA. При этом европейцы имеют пока два перспективных, но несовместимых стандарта TD/CDMA и W-CDMA, а американцы — WB-CDMA на базе сегодняшнего IS-95, являющегося дальнейшим развитием последнего. Эти системы предназначаются для обслуживания как подвижных, так и стационарных абонентов.

Какая система WLL лучше?

И все-таки, какую систему WLL выбрать? К сожалению, универсального ответа здесь нет, все зависит от конкретной ситуации: числа абонентов, их распределения по территории, сложностей при решении задачи электромагнитной совместимости и т.д.

При выборе WLL-оборудования, прежде всего, узнайте у продавцов о наличии сертификата на их систему, а также свободных радиочастот для ее работы, которых часто просто нет. При этом сотовые системы WLL зачастую просто не могут быть развернуты из-за присутствия в том же регионе операторов подвижной связи.

С другой стороны, то огромное количество так называемых “частных” стандартов и технологий для систем WLL (а их гораздо больше, чем удалось рассмотреть в данной статье) является по существу тупиковой ветвью. Часто они просто не могут найти для себя свободных полос частот и будут вскоре вытеснены системами третьего поколения. Исключение составляют сейчас либо очень дешевые решения (вне зависимости от типа используемой технологии), либо решения с оптимальным соотношением высокого качества и приемлемой цены (например, FH- или DS-CDMA).

Среди всех систем WLL наиболее перспективными следует признать цифровые технологии связи DECT и CDMA (конечно же, для своих областей применения).

В последние пару лет широко были разрекламированы CDMA-системы, особенно на базе стандарта IS-95, поэтому приведем результаты сопоставления последнего с DECT при использовании в местной сети доступа.

При передаче речи емкость зоны CDMA по меньшей мере в 2—3 раза выше емкости системы DECT, но последняя больше подходит для передачи данных. Однако, пожалуй, самый важный недостаток IS-95, которого лишен DECT, — невозможность двух или более операторов совместно использовать частоты в одной зоне. Необходимо делить их между операторами, а также создавать специальные защитные полосы. Два оператора CDMA могут совместно использовать один и тот же частотный диапазон в смежных областях только за счет уменьшения канальной емкости. Кроме того, при наличии выделенной полосы частот для WLL IS-95 в той же полосе допустимо присутствие и WLL DECT.

Аналитические оценки показывают, что для речевых услуг технология CDMA оказывается вдвое рентабельней при очень низкой плотности абонентов. Применение DECT, в свою очередь, в два раза рентабельней для районов со средней и высокой плотностью абонентов. Точка равной рентабельности — около 7 аб./км 2.