Совместный проект ExteNet Systems, CommScope и MatSing: модернизация сети сотовой связи стадиона AT&T

Введение

Технология 5G стала результатом широкого внедрения сотовой связи. Ее рождение вызвано исчерпанием возможностей ныне существующих сетей в части их емкости, а развитие современных технологий и растущих потребностей со стороны потребителей потребовало еще и более широкой пропускной способности [4]. Предел для 4G — около 20 тыс. абонентов на 1 кв. км, а 5G-сеть на той же площади — около 1 млн. На первый взгляд казалось, что эта новая технология, названная New Radio — «Новое радио», просто заменит существующую, как это было ранее с сетями 1G, 2G и 3G, на смену которым пришла 4G LTE. Но этого не происходит и не произойдет, по крайней мере в обозримом будущем. Детальное рассмотрение технической и организационной сторон внедрения технологии 5G не входит в рамки настоящей статьи, при необходимости можно обратиться к [5, 6, 7, 8]. Однако отметим самое важное.

Дело в том, что основной путь для увеличения скорости информационного обмена в сетях мобильной связи состоит главным образом в расширении полосы частот, а расширить эту полосу можно, перейдя в область более высоких частот, так как в существующем диапазоне LTE расширять полосу уже некуда. Распределение частот по диапазонам сотовой связи приведено в таблице 1.

Примечание. *Указано для диапазона частот выше 3,3 ГГц.

В полосе частот FR1 поведение радиоволны сигналов 5G в нижнем диапазоне мало отличается от технологии 4G, но в верхнем оно уже подобно Wi-Fi, а более высокие частоты имеют еще большие проблемы с распространением. Деревья, здания, автомобили и даже дождь могут влиять на распространение сигналов 5G, особенно это будет ощутимо при переходе в область миллиметровых волн, что необходимо учитывать при планировании и развертывании сети. Типичная структура сети 5G показана на рис. 1.

Рис. 1. Структура сети 5G — это совокупность микросот малой мощности

Кроме того, антенны 5G работают «по запросу» и передают данные только тогда и там, где необходимо. У них нет круговой диаграммы направленности, как у 4G, на нужного абонента формируется узкий луч, управляемый антенной решеткой, несколько менее узкий ответный луч формируется в сторону базовой станции абонентским устройством (рис. 2). Однако лучей от базовой станции нужно много. Эту задачу решает распределенная антенная система (distributed antenna system, DAS), которая требует далеко не простых антенных решений.

На рис. 2 недаром показан именно стадион, вот этим, но своим стадионом (рис. 3) и решила заняться такая известная компания, как AT&T (ранее — American Telephone and Telegraph Company), сооснователями которой в 1885 году были не менее известные Александр Грейам Белл и спонсор его изобретений Гардинер Грин Хаббард.

Рис. 2.
а) Пространственное мультиплексирование в технологии 5G;
б) организация сети сотовой связи 4G

Рис. 3. Стадион AT&T, подлежащий модернизации в части сетевого оборудования

Здесь необходимо небольшое уточнение, поэтому заглянем в историю [9]. В 1974 году начался процесс Министерства юстиции США против AT&T как сложившейся естественной монополии. Процесс завершился в 1982 году решением разделить компанию на AT&T Communications — компанию, предоставляющую услуги междугородней связи, и семь региональных телефонных компаний. Название AT&T осталось только у компании, предоставляющей услуги дальней связи (AT&T Communications, позже — AT&T Corporation). Также был изменен логотип — вместо колокола им стал стилизованный глобус. В 1995 году AT&T Corporation снова разделилась на три самостоятельные компании: Lucent Technologies, NCR Corporation и коммуникационную компанию, сохранившую название AT&T.

В то время многие индустриальные гиганты недооценили влияние новых технологий и переоценили свою способность к адаптации: среди них Blockbuster, Kodak, Nokia, RIM, Xerox, Atari, Sears, Hitachi, Polaroid, Toshiba, Palm, Sony, Sega, Netscape, Compaq, Enron, GM, DeLorean, Nortel и др. Некоторые из них, как, например, в случае с Kodak и цифровыми камерами, даже изобрели технологию, в итоге их бизнес и погубившую. Но вот AT&T выстояла, поднялась [9] и в 2005 году, объединившись с SBC Communications, образовала крупнейшую телекоммуникационную компанию США. Появились деньги — появились и не связанные напрямую с бизнесом, но непосредственно влияющие на имидж компании среди потребителей ее продуктов и услуг амбиции.

В начале были потребность, идея и желание найти пути ее реализации

Когда в 2009 году открылась спортивная арена, ныне известная как AT&T Stadium, она изменила представление о крупных развлекательных сооружениях. Во многих отношениях стадион расширил границы возможного для зрителей даже больше, чем это предполагалось, от самого крупного на тот момент видеотабло до потрясающе гибкой архитектуры, которая позиционировала это место для проведения мероприятий, далеко выходящих за рамки американского футбола.

В 2013 году гигант сотовой связи AT&T стал спонсором мероприятия, и это сооружение получило возможность войти в число лидеров в области беспроводных сетей, ориентированных на зрителей, в качестве комплекса сотовой связи как с распределенной антенной системой (далее — DAS), так и с Wi-Fi, что и было добавлено в последующие годы.

Как сказал мудрец, ничто не вечно под Луной, все подходит к концу своего эффективного использования и наступает время замены, причем сегодня это происходит намного быстрее, чем прежде. Вспомните, например, сколько времени прошло с тех пор, как вы пользовались пейджером. И где он? Так произошло и с сетью DAS для спортивной арены AT&T: старое оборудование в той конфигурации уже просто не могло физически удовлетворить растущие потребности зрителей, все более ориентированных на мобильные устройства.

Можно было, конечно, действовать по старинке, дополнять оборудование и выжимать из него все по максимуму. Но руководство стадиона AT&T и его футбольной команды «Далласские Ковбои» (Dallas Cowboys) из Техаса решило отбросить все устоявшиеся подходы к DAS, пойти ва-банк и создать нечто совершенно новое.

На разработку ушло более двух лет, конечный результат включал:

• чрезвычайно плотную сеть с 670 зонами, что было примерно в 10 раз больше, чем у предыдущей DAS;
• полностью цифровую инфраструктуру, которая позволяет использовать больше оптического волокна, уменьшая количество телекоммуникационного оборудования, необходимого в помещении, что приводит к огромной экономии энергии и пространства;
• ультрасовременные антенны от MatSing Lens, обеспечивающие точное покрытие для зрителей в чаше стадиона, с возможностью покрытия ранее существовавших проблемных областей, таких как места в нижней части чаши и конфигурации на поле, необходимые для проведения концертов и других мероприятий;
• перспективную DAS, которая также сможет поддерживать связь 5G в диапазоне миллиметровых волн, когда операторы сотовых сетей будут развертывать услуги в этом частотном спектре.

Воспользовавшись перерывом в проведении мероприятий, вызванным пандемией COVID-19, руководство стадиона AT&T совместно с компаниями ExteNet Systems, CommScope, MatSing и ведущим оператором сотовой связи AT&T смогли всего за 16 недель установить новую сеть, подготовив ее до начала сезона Национальной футбольной лиги 2020 года. И хотя ограниченное количество зрителей, присутствовавших на домашних играх, не могло еще в полной мере оценить возросшую пропускную способность сети, руководство стадиона AT&T уверено, что новая DAS сможет удовлетворить все потребности не только на данный момент, но и в обозримом будущем и перейти к полноценной локальной сети 5G (рис. 4, 5).

Рис. 4. Построенная всего за 16 недель новая сеть. Вверху антенны MatSing Lens, направленные вниз от стропил

Рис. 5. Конструкция крыши стадиона AT&T предоставила идеальное место для антенн MatSing

Традиционные нисходящие сотовые системы DAS испытывают предельную нагрузку на стадионах повсюду, соответственно, партнеры, выбирающие архитектуру новой сетью для стадиона AT&T, знали, что они не могут ориентироваться на предыдущие разработки, которые могли только завести их в тупик. А им было нужно что-то большее, что-то другое. Было рассмотрено множество вариантов и длинный список оборудования от самых разных поставщиков. Среди рассмотренных методов развертывания были и такие архитектуры, как размещение узлов сети под сиденьем, за сиденьем и с нано- и микросотами. В итоге все первоначальные идеи были отвергнуты, но в ходе дискуссий возникла мысль: а почему бы нам не использовать линзовые антенны компании MatSing?

Особенность линзовых антенн компании MatSing

Компания MatSing основана в 2005 году в Сингапуре. С этого момента ее главной деятельностью стала разработка радиочастотных линз. На сегодня MatSing является мировым лидером в производстве крупноразмерных и легких радиочастотных линзовых антенн.

Одна из разработок компании — сферические многолучевые антенны для операторов сотовой связи. Действие данных антенн основано на комбинации свойств линзы Люнеберга [10] и применении при ее изготовлении уникального запатентованного метаматериала. Использование таких антенн позволяет получить выдающиеся характеристики качества связи и емкости сотовой сети.

Долгое время линза Люнеберга оставалась не более чем математическим курьезом, пока в начале 1960-х годов ее не применили в качестве формирователя луча в американском радаре AN/SPG-59 — одном из первых в мире радаров с фазированной антенной решеткой (ФАР).

В отличие от современных радаров с ФАР, где пространственная картина луча формируется с помощью управляемых фазовращателей, в радаре AN/SPG-59 использовалась линза Люнеберга, расположенная в надстройке корабля (рис. 6). Выбор этой технологии был обусловлен отсутствием в 1960-х годах компактных и надежных фазовращателей C-диапазона [10].

Рис. 6. Радиочастотная линзовая антенна на основе линзы Люнеберга конструкции компании MatSing

Благодаря уникальным технологиям производства и использованию специальных материалов компания MatSing имеет возможность изготавливать различные типы радиочастотных линзовых антенн для самых разных сфер применения. При этом антенны MatSing формируют самую «чистую» диаграмму направленности в отрасли (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма направленности радиочастотной линзовой антенны на основе линзы Люнеберга

Кроме этого, антенны MatSing, в отличие, например, от широкополосных панельных антенн на основе линзы Ротмана [10], которые всегда имеют разную диаграмму направленности на различных частотах, лишены такого существенного недостатка, как частотная дисперсия [11].

Продукция компании MatSing уже широко применяется на различных мероприятиях (концертах, фестивалях), в жилых районах с уплотнительной застройкой, на стадионах и в прочих местах массового скопления людей в США и Европе. Результаты использования таких антенн — 10-кратная емкость сети по сравнению с классическими антенными решениями и десятки терабайт данных, переданных по сотовой сети за сутки. Преимущества антенн MatSing проверены и по достоинству оценены ведущими мировыми сотовыми операторами, в частности AT&T, Verizon, Vodafone, и другими. Перечень доступных в настоящее время линзовых антенн компании MatSing на российском рынке от одного из крупнейших российских дистрибьюторов электронных компонентов компании «ЮЕ-Интернейшнл» приведен в таблице 2 [11]. Более подробная информация доступна по запросу.

Изменение правил игры на поле DAS позволило сделать первые шаги к успеху

Не так давно компании AT&T и ExteNet уже имели опыт работы с уникальными шаро­образными антеннами от компании MatSing, которая предлагает несколько радиоантенн с возможностью получения невероятно точных лучей диаграммы направленности. Распределенная антенная система на основе 52 антенн MatSing, которую компания AT&T установила на Амали-арене в Тампе (Амали-арена (Amalie Arena) — арена, расположенная в Тампе, Флорида. Используется для проведения соревнований по хоккею, баскетболу, американскому футболу и концертов. Домашняя арена команды Национальной хоккейной лиги «Тампа-Бэй Лайтнинг») пару лет назад, продемонстрировала хорошие начальные характеристики этой сети в ходе женского баскетбольного турнира первого дивизиона NCAA («турнир четырех») в 2019 году. В свою очередь компания ExteNet использовала некоторые антенны MatSing в своей конструкции DAS на новом Файсерв-форуме в Милуоки (Файсерв-форум — многофункциональная спортивная арена, расположенная в Милуоки, штат Висконсин. Домашняя арена команды Национальной баскетбольной ассоциации «Милуоки Бакс», а также мужской баскетбольной команды Университета Маркет «Маркетт Голден Иглз») и также заявила, что полностью удовлетворена работой устройств MatSing.

Поскольку антенны MatSing могут передавать сигнал на гораздо большее расстояние, чем обычные антенны, последняя разработка MatSing заключается в том, чтобы разместить их на стропилах арены, но при этом скрыть от глаз зрителей. На стадионе AT&T, благодаря обширной конструкции над головами зрителей, было более чем достаточно мест для установки антенн MatSing, даже тех, которые имеют около 180 см в диаметре, чтобы лучи диаграммы направленности были ориентированы вниз на сидячие места.

Рис. 8. Частотная зависимость диаграммы направленности радиочастотной линзовой антенны на основе линзы Люнеберга компании MatSing

Поскольку каждая использованная антенна компании MatSing может принимать 48 команд дистанционного управления наклоном для каждого из лучей, это дает возможность обеспечить плотное покрытие места проведения спортивных или зрелищных мероприятий из одного места установки. При этом настройка антенн предельно упрощена: вместо обширной ВЧ-балансировки, необходимой для традиционных систем DAS, зоны покрытия в прямой видимости калибруются с помощью лазерного луча.

Благодаря способности антенн MatSing точно разделять зону покрытия у команды сетевых партнеров был ключевой элемент, подтверждающий их идею, что действительно необходимо радикальное увеличение «зон» или отдельных областей покрытия антенны внутри стадиона. Увеличение плотности сети за счет меньших зон является целью разработки нескольких новых методов развертывания DAS, включая конструкции антенн под сиденьем, которые имитируют конструкции с малым энергопотреблением и множеством антенн, знакомые еще со времен развертывания Wi-Fi. Но с антеннами MatSing сетевая группа, как отмечают ее специалисты, смогла поддерживать «чрезвычайно точные» зоны, не беспокоясь о затратах на монтаж антенн под сиденьем или необходимости проводить тестирование сети на наличие помех между соседними устройствами, как это должно было быть сделано с конструкцией при размещении антенн под сиденьем (рис. 9).

Рис. 9.
а) Вариант установки DAS под сиденьями;
б) антенна компании MatSing, поднятая на место;
в) взгляд вниз с места установки антенны компании MatSing

Поскольку правила игры на поле DAS коренным образом изменились, то возникли и другие элементы дизайна и стратегические решения. Одно из них заключалось в том, чтобы в каждом из 380 секторов стадиона сделать собственную зону DAS. Другой элемент состоял в том, чтобы исключить использование спектра нижней полосы, в первую очередь полос ниже 1000 МГц, потому что сигналы в этом диапазоне на самом деле «слишком хороши» для покрытия большой площади и оптимальны для наружных макросетей, но не столь хороши, когда сотовую связь низкого диапазона разворачивают в тесном пространстве. Поэтому для новой DAS был выбран лицензированный сотовый спектр от 1700 МГц и выше, а отказ от более низкого диапазона частот стал ключом ко всему решению.

Цифровая DAS и объединяющая магистраль от кампании CommScope сэкономили пространство и сократили расходы

Для того чтобы поддержать проект DAS с 2345 пультами дистанционного управления, команда AT&T Stadium обратилась к своему давнему партнеру — компании CommScope (русскоязычный сайт компании [12]), с которой сотрудничала при создании магистральной инфраструктуры и прокладке кабелей для первоначального развертывания DAS.

CommScope — это американский провайдер глобальной сетевой инфраструктуры. Компания основана в 1976 году, а в 1997-м выделена из General Instrument и работает с клиентами более чем в 130 странах. CommScope производит бренды корпоративной инфраструктуры Systimax и Uniprise из медной неэкранированной витой пары, соединительных панелей, разъемов и оптоволоконных кабелей, стеллажей и металлических элементов. В июле 2011 года CommScope получила награду «Продукт года в области коммуникационных решений 2010» от корпорации Technology Marketing за свой продукт Wired For Wireless («Провода для беспроводных систем»).

Первая DAS, разработанная кампанией CommScope, имела всего 21 зону, и тогда это было успехом, теперь же требовалось обеспечить 238 зон только для сидячих мест, а в сумме — на 670 секторов! Но проблема здесь в том, что для создания беспроводной сети, как это ни странно, требуется много проводов (рис. 10).

Рис. 10. Типовое оборудование для создания беспроводной сети для спортивных арен от компаний CommScope и ExteNet Systems

Для реализации столь амбициозного проекта новой DAS компания CommScope представила свою полностью цифровую распределенную антенную систему ERA, которая для связи системы Era C-RAN с оборудованием компании Nokia в основной полосе частот использует общий радиоинтерфейс CPRI. В общем, CPRI — стандарт, определяющий интерфейс между функциональными блоками базовой станции сотовой связи. В терминах самого стандарта CPRI — это интерфейс между контроллерами радиоаппаратуры и встроенными или удаленными радиомодулями.

Такая система позволила отказаться от традиционного этапа аналогового преобразования в DAS, сохранив всю систему в цифровой форме. При этом количество энергоемкого и громоздкого телекоммуникационного оборудования существенно сокращается, что приводит к низкому энергопотреблению и значительному сокращению пространства, занимаемого головной станцией. Как результат внутреннее оборудование оператора связи занимает около четырех или пяти стоек по сравнению с 30–40 стойками, необходимыми при традиционном развертывании DAS. Кроме того, упростилась и задача кондиционирования помещения с оборудованием, а само оборудование является масштабируемым.

Будущее за 5G: построение новой DAS уже готово выдержать испытание временем

Помимо новой DAS, на стадионе также есть установка наложения миллиметрового диапазона 5G [6] на LTE от компании AT&T, которая при тестировании уже подтвердила скорости в диапазоне 1 Гбит/с. По мнению руководства стадиона AT&T и глубокому убеждению самих проектировщиков системы его сотовой связи, переход на технологию нового радио является не просто перспективным, а насущным. Особенно в эпоху, когда команды уже видят ускорение своих внутренних бизнес-планов, связанных с возможностями новых технологий, из-за опасений, вызванных пандемией. При этом технология 5G не имеет никакого отношения к ее распространению [1]. Даже наоборот, помогает нивелировать ее последствия и облегчает решение многих насущных задач в самых разных сферах, хотя, как и все новое, имеет свой круг проблем, требующих решения при ее реализации. Одну из таких проблем решают описанные в статье линзовые антенны компании MatSing [11].

Из-за проблем с социальным дистанцированием стадион AT&T (как и многие стадионы, которые были открыты для болельщиков этой осенью) немедленно перешел на полностью цифровую систему продажи билетов, а также к безналичным расчетам и операциям по парковке. Для того чтобы делать все это, необходимо иметь надежную связь, и сейчас подходящий момент для проведения того, что называется цифровизацией. С этой целью разработка новой DAS предусматривала поддержку технологии 5G с ее чрезвычайно высокой локальной пропускной способностью и совместимостью с другими технологиями беспроводной связи. Это означает экспоненциальное возрастание скорости потоковой передачи, соответственно, абоненты такой сети получат мгновенный доступ к контенту множества стриминговых сервисов, смогут обращаться к сложным развлекательным сервисам, а также технологиям виртуальной и дополненной реальности в любом удобном месте.

Важным моментом является и то, что в настоящее время только технология 5G сможет позволить обрабатывать большое количество устройств на небольшом пространстве и обеспечивать быструю передачу больших пакетов данных, поэтому за ней обслуживание массовых мероприятий, таких как спортивные состязания, концерты популярных исполнителей, в том числе и в торговых центрах, больницах, кампусах университетов и т. п. И здесь, если вы, конечно, хотите быть в первых рядах, вам необходимо проявить дальновидность и известную сноровку. В этом, несомненно, поможет изучение описанного в данной статье опыта компании AT&T и ее партнеров, которые модернизировали спортивную арену с использованием новых подходов к проектированию распределенных антенных систем, позволяющих покрыть большое число отдельных секторов, и провели цифровизацию оборудования.