Возможности сетей 3G/4G, проблемы и пути их решения

Большинство технарей в той или иной степени знакомы с законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в интегральных микросхемах будет удваиваться примерно каждые два года. Примерно то же самое происходит и в сфере беспроводной связи. За последнее десятилетие она претерпела огромные изменения, пройдя путь от 2G до современных сетей 3G/4G, от GSM/TDMA/CDMA до UMTS/HSPA/EVDO (3G) и WiMAX/LTE (4G). За это время скорость передачи данных выросла с 9,6 кбит/с до 14 Мбит/с для 3G, а в 4G приблизилась к 100 Мбит/с (рис. 1). Благодаря этим переменам человечество может наслаждаться истинно беспроводным подключением к Интернету.

Рис 1. Эволюция стандарта беспроводной связи в период 1990–2010 гг.

Конечно, закон Мура, действующий в компьютерной промышленности, нельзя непосредственно интерпретировать для теоретической пиковой пропускной способности технологий беспроводной связи. Закон Мура предсказуем и гарантирован, тогда как пиковая пропускная способность беспроводных сетей меняется от точки к точке и от сети к сети, в зависимости от состояния антенной системы базовой станции (БС) и от эфирных помех.

Операторы беспроводной связи вкладывают миллиарды долларов в построение сетей 3G/4G, причем почти 20% средств расходуется на их содержание. Следовательно, важнейшую роль играет поддержка и оптимизация «последней мили» беспроводных сетей (радиоинтерфейса), поскольку она определяет не только восприятие услуги абонентом, но и прибыли и убытки оператора. В конечном итоге именно качество соединения с абонентом решает судьбу оператора беспроводной связи, включая правильный выбор технологий, обоснованное планирование, планомерное развертывание и эффективное обслуживание.

В статье обсуждаются изменения, привнесенные 3G/4G, исследуются преимущества и проблемы, связанные с ними, подчеркивается их беспроводной аспект и описываются ситуации, влияющие на качество работы сетей.

Привлекательность 3G/4G

Пару лет назад эксперты ломали головы, пытаясь понять, какое заманчивое приложение сможет повысить средний доход на одного абонента (APRU) и скомпенсировать постоянно снижающуюся прибыль от голосовой связи. В конце концов стало ясно, что эту роль на себя могут взять уже существующие в беспроводном мире голосовая связь и стабильное высокоскоростное подключение к Интернету. Но при построении беспроводных сетей нового поколения необходимо обеспечить два главных показателя: превосходное качество речи и высокую скорость передачи данных.

Сети 3G/4G предоставляют потребителям и провайдерам массу удобств и преимуществ. Однако существует и недостаток: радиоинтерфейс, через который осуществляются столь желанные функции, сильно подвержен воздействию помех, следовательно, эффективность каждой из них всегда определяется качеством антенной системы и радиосигнала. Рассмотрим подробнее имеющиеся возможности и проблемы.

Превосходное качество передачи голоса

В сетях 3G применяются всевозможные методы кодирования и коррекции ошибок, предотвращающие потерю пакетов или восстанавливающие потерянные пакеты за счет коррекции ошибок или повторной передачи. Кроме того, в сетях на основе UMTS/CDMA используется плавное переключение между сотами, которое гарантирует постоянную связь мобильной станции (МС) хотя бы с одной БС. Однако в большинстве случаев МС одновременно видит несколько БС с достаточно сильным сигналом. Это явление называется «засорение пилот-сигналами» и отрицательно влияет на отношение сигнал/шум (С/Ш) в информационном канале, снижая качество речи.

Высокая скорость передачи данных по радиоинтерфейсу

Технология EVDO в современных сетях 3G обеспечивает пиковую скорость передачи в сторону абонента 3,1 Мбит/с, тогда как HSPA предлагает значение 14,4 Мбит/с, а HSPA+ до 28,8 Мбит/с. Но эти значения описывают пропускную способность соты. Средняя же пропускная способность для каждого абонента существенно ниже и лежит в интервале 1–3 Мбит/с. Пропускная способность беспроводного соединения существенно зависит от шума и эфирных помех. В сетях 3G/4G используется несколько методов коррекции ошибок и схем повторной передачи, от PHY, MAC и RLC до более высоких уровней, включая IP. Если происходит потеря пакета из-за помех, сеть пытается исправить ситуацию, применяя коррекцию ошибок или повторную передачу. К сожалению, эти операции отнимают время и отрицательно сказываются на скорости передачи данных.

Большая емкость соты

Сегодня провайдеры стремятся максимально сократить затраты на каждое голосовое соединение и каждый бит переданных данных, чтобы подключить к своей сети больше абонентов. В сетях 3G/4G этого можно достичь за счет применения сложных схем модуляции и плотной схемы повторного использования частот (1:1). Однако емкость сети ограничивается шумом и помехами. Например, если в HSDPA собственный шум восходящего канала превышает –90 дБм, получение трафика становится невозможным. Представьте, что внешняя помеха вызвала повышение уровня собственных шумов восходящего канала. В результате сота не сможет принимать вызовы абонентов.

Лучшая зона покрытия

В сетях 3G/4G используется множество технологий, улучшающих зону покрытия и позволяющих минимизировать количество БС, необходимых для ее создания. Эти технологии обеспечивают выигрыш от обработки сигнала, плавное переключение между сотами и разнесение передатчиков. Тем не менее покрытие получается не совсем равномерным в том смысле, что зависит от емкости и помех. Например, сеть 3G основана на применении смежных каналов. Это значит, что с увеличением числа поддерживаемых абонентов повышается собственный шум системы, что приводит к росту шума в восходящем канале и сокращению зоны обслуживания. Если же существует еще и внешняя помеха, то она влияет и на емкость, и на зону покрытия.

Особенности конфигурирования сетей 3G/4G

Как уже обсуждалось, сети 3G/4G должны обеспечивать лучшее качество речи, предоставлять широкополосный доступ к Интернету и поддерживать более высокую пропускную способность. Для достижения этих целей нужно соответствующим образом обслуживать и оптимизировать радиочастотное оборудование. Кроме того, следует минимизировать эфирные помехи.

Станет ли жизнь специалистов в области радиосвязи с распространением беспроводных сетей следующего поколения еще беспокойней? Или сети превратятся в примитивный шлюз, предоставляющий только доступ в Интернет, подобно современным бесплатным сетям Wi-Fi? И да, и нет.

Давайте начнем с хорошей новости. Ключевым элементом радиосети является БС (узел B в сети 3G) или точка доступа (AP) — в зависимости от того, в чьем лагере вы оказались. Базовая станция содержит (рис. 2):

• ВЧ-тракт, в состав которого входят усилитель мощности, смеситель, фильтр и малошумящий усилитель;
• тракт модулирующего сигнала (на основе ПЛИС);
• блок управления с тактовым генератором;
• модуль транспортного канала, обеспечивающий взаимодействие между БС и транспортной сетью (например, T1, E1, ATM, оптическим каналом или Ethernet);
• источник питания.

Рис. 2. Конфигурация базовой станции

В БС применяется технология программной радиосвязи (SDR), которая поддерживает работу на нескольких частотах и несколько стандартов связи на единой аппаратной платформе (например, GSM, EDGE, WCDMA, HSPA и LTE).

Ключевая функция технологии SDR заключается в том, что она позволяет быстро изменять радиопараметры, включая частоту, формат модуляции и полосу. Это делает базовую станцию практически самонастраивающейся. Специалисту достаточно лишь ввести IP-адрес конкретной БС, а все остальные настройки (мощность, число каналов, частотный диапазон, схема модуляции и схема кодирования) автоматически загружаются из коммутатора.

Главное преимущество данной технологии состоит в том, что она исключает необходимость ВЧ-настройки в полевых условиях во время ввода БС в эксплуатацию. Это позволяет провайдерам значительно быстрее развертывать сети и приложения. Например, развертывание сети HSPA на основе UMTS займет всего несколько месяцев и потребует лишь программного обновления. В первых сетях 2G такого даже представить было нельзя. Конечно, оптимизация и тонкая настройка после развертывания сети всегда отнимает много времени, но это справедливо для сетей любого типа.

Проблемы сетей 3G/4G

Как уже говорилось, сети 3G/4G поддерживают множество функций, удобных как для абонентов, так и для провайдеров. К сожалению, эти возможности порождают и свои специфические проблемы.

Увеличение числа базовых станций

Для достижения высокой пропускной способности необходима значительно бóльшая полоса частот. Например, для нормальной работы HSPA нужна полоса 5 МГц, а для LTE и WiMAX — не менее 10 МГц. В результате для систем 3G/4G предпочтительны более высокие частотные диапазоны. Но чем выше частота, тем больше БС приходится устанавливать в заданной области. Это существенно увеличивает затраты на строительство и аренду площадок, а техническим службам приходится обслуживать в два-три раза больше точек, чем раньше.

Большее число активных устройств и ВЧ-компонентов в антенно-фидерных системах

В сетях 3G/4G используются различные технологии, направленные на улучшение зоны покрытия восходящего и нисходящего каналов. В результате в антенно-фидерные системы приходится устанавливать много активных ВЧ-компонентов (например, мачтовые усилители (TMA), выносные радиоголовки (RRH), выносные регуляторы наклона и интеллектуальные антенны). Такие устройства должны правильно устанавливаться, оптимизироваться и обслуживаться, в противном случае они могут вызывать перебои связи и помехи (например, насыщение TMA при попытке повысить мощность в восходящем канале).

Подавляющее большинство сетей 3G/4G сосуществует с сетями 2G, а это ограничивает место для прокладки новых коаксиальных кабелей и установки антенн. Для решения данной проблемы используется большое число диплексеров и дуплексеров. Однако эти компоненты вносят дополнительные потери и в конечном итоге сокращают зону покрытия. Кроме того, диплексеры и дуплексеры имеют определенную полосу пропускания и могут маскировать отказы фидерных линий, что затрудняет определение расстояния до места повреждения. Поэтому настоятельно рекомендуется отключать системные диплексеры перед проверкой кабелей.

Высокое отношение пиковой мощности к средней

Для повышения пропускной способности в сетях 3G/4G применяются схемы модуляции более высокого порядка: в 3G используется модуляция QPSK или 16QAM, а в сетях 4G — OFDM. Одним из следствий применения таких схем модуляции является повышенное отношение пиковой мощности к средней. Так, для WCDMA это отношение равно 8–10 дБ, а для OFDMA — 10–12 дБ. Это значит, что один 20-Вт передатчик может выдавать до 200–320 Вт пиковой мощности, а это слишком много. Представьте, какая мощность будет передаваться по фидерной линии или через антенну, если применяется несколько несущих.

В конечном итоге мощность системы может значительно изменяться. Высокая мощность сильно нагружает компоненты системы, приводя к возникновению интермодуляционных искажений — в частности, порождая пассивную интермодуляцию (PIM). Если интермодуляционные составляющие попадают в восходящий канал, они могут блокировать работу всей базовой станции.

Антенно-фидерные системы

Антенно-фидерные системы тоже могут создавать помехи. Для лучшего понимания этого факта представьте себе антенно-фидерную систему сети 3G/4G в виде водопровода. Любая утечка в трубах вызывает изменение водяного давления и в конечном итоге снижает напор воды в кранах. Рассмотрим потенциальные проблемы, которые могут возникать в антенно-фидерных системах.

Ключевыми показателями качества, позволяющими оценить состояние антенно-фидерной системы, являются обратные потери (RL) или КСВ. Как уже обсуждалось, в антенно-фидерной системе 3G/4G присутствует множество ВЧ-компонентов, каждый из которых вносит потери или создает отражения. Если система должным образом не настроена и не проверена, отражения могут не только сократить зону покрытия, но и привести к возникновению помех.

В качестве примера рассмотрим ситуацию, когда неприемлемо высокий уровень обратных потерь в тракте передачи уменьшает энергию, передаваемую в нисходящем радиоканале. При такой ситуации в нем снижается отношение сигнал/шум, и мобильная станция «думает», что она находится далеко от базовой станции. В результате она повышает мощность передачи, и в восходящем канале возникает предупреждение о помехах.

Поскольку мощность передачи МС очень мала, улучшение качества на границе соты может вызвать затруднения. Чтобы исправить эту ситуацию, для расширения зоны покрытия восходящего канала и улучшения качества сигнала используются мачтовые усилители (TMA) (рис. 3). Но и TMA могут порождать проблемы. Например, если сигнал восходящего канала слишком высок, он может перегрузить TMA и создать помехи в восходящем канале, блокирующие трафик.

Рис. 3. Измерение усиления TMA через радиоинтерфейс

Примечание: Синяя кривая на рисунке 3 соответствует выключенному TMA, черная — включенному. В данном случае усиление TMA равно 12 дБ.

Сети 3G/4G коренным образом меняют структуру мобильного трафика. Согласно некоторым статистическим исследованиям, 80% информационных соединений устанавливаются из помещений. Следовательно, важнейшую роль для провайдеров играет зона покрытия и качество сигнала внутри них. Для обеспечения покрытия применяются распределенные антенные системы (DAS). Из-за большей длины кабелей и наличия сумматоров, делителей и ответвителей DAS внутри помещения имеет обычно значительно бóльшие потери, чем стандартная наружная система. Эти потери ухудшают отношение сигнал/шум, что, как уже говорилось, вынуждает МС повышать мощность передачи и приводит к росту уровня шумов. Повышение уровня шумов ухудшает качество услуги и снижает емкость системы. Поэтому системы внутри помещений нужно тщательно проектировать и тестировать (рис. 4).

Рис. 4. Измерение длинного кабеля внутри помещения

Итак, проблемы в антенно-фидерных системах могут ухудшать зону покрытия, вызывать ненужные переключения между сотами и снижать емкость сети.

Качество радиосигнала

В системах 2G, таких как GSM, установка голосового соединения с хорошим качеством речи требует отношения несущей к помехе (C/I) не менее 9 дБ. Речь не так подвержена влиянию C/I, как данные, поэтому для установки информационного соединения с большой пропускной способностью сеть должна обеспечивать значение C/I не менее 12 дБ. Это значит, что скорость передачи данных сильно зависит от отношения сигнал/помеха (SINR). Помехи можно разделить на три категории.

Внутренние помехи сети

Внутренние помехи сети состоят из помех от соседнего и смежного каналов. Помехи такого типа могут обнаруживаться элементами сети. Их можно устранить путем оптимизации структуры сети, частотного плана, распределения мощности и настройки антенно-фидерной системы.

В системах WiMAX и LTE с временным разделением каналов (TDD) существует внутренняя помеха, получившая название межслотовой. В системе TDD восходящий и нисходящий каналы используют одну и ту же частоту, распределенную по временным слотам. Из-за неправильного распределения слотов или задержек слоты восходящего и нисходящего каналов могут частично перекрываться, увеличивая SINR в пострадавшем слоте и снижая скорость передачи данных.

Интермодуляционные помехи (IMD)

Интермодуляция является сложным явлением. Когда два или несколько сигналов проходят через активное устройство, они могут порождать интермодуляционные составляющие. Это явление часто называют активной интермодуляцией. Когда два или несколько сигналов проходят через пассивное устройство, такое как кабель, разъем или антенна, они тоже могут порождать интермодуляционные составляющие. Такое явление называется пассивной интермодуляцией (PIM). Интермодуляционные составляющие могут проникать в восходящий канал сети и блокировать восходящий трафик (рис. 5).

Рис. 5. Спектрограмма интермодуляционного пейджингового сигнала, создающего помеху в восходящем канале UMTS

Внешние помехи

Внешние помехи представляют собой паразитные сигналы, создаваемые передатчиками, не относящимися к данной сети, например ретрансляторами или двунаправленными усилителями (BDA), которые могут увеличивать уровень собственных шумов восходящего и нисходящего каналов. Если эту проблему не решить, она легко может стать источником помех.

Заключение

Беспроводные широкополосные сети 3G/4G должны предоставлять высокоскоростной доступ к Интернету и обеспечивать полную мобильность, предлагая платформу для совместной работы голосовой связи, аудио, видео, информационных и интерактивных приложений. Поскольку провайдеры вкладывают миллиарды долларов в обновление радиочастотных и транспортных сетей, чрезвычайно важно обеспечить высокое качество «последней мили». В конечном итоге именно этим определяется общее восприятие услуги абонентом.

На качество соединения с абонентом влияют два взаимосвязанных компонента. Один из них — это радиочастотное оборудование (антенно-фидерная система), а другой — качество радиосигнала. Проблемы в антенно-фидерных системах могут ухудшать зону покрытия, вызывать нежелательные переключения между сотами и сокращать емкость сети. SINR радиосигнала может непосредственно влиять на скорость передачи данных. Таким образом, оптимизация беспроводной сети передачи данных сводится, в основном, к устранению помех.