Использование технологии космической ретрансляции внутрисистемных каналов связи в задачах организации абонентского радиодоступа

Многообразие и сложность современных систем связи зачастую сводят задачу построения новой системы к поиску достаточно сложного компромисса между многочисленными и весьма разнообразными, а порой еще и противоречивыми требованиями. Как правило, в состав системы связи в том или ином виде входят магистральный канал связи, обеспечивающий доступ ее абонентов в телефонную сеть общего пользования (ТфОП) и глобальную сеть передачи данных – Интернет, и собственно система абонентского доступа.

Рассматривая в качестве системы абонентского доступа радиодоступ, а в качестве маги-

стрального канала – космический канал связи, оценим возможность построения и развертывания подобной системы связи для территорий, на которых использование альтернативных технологий оказывается труднореализуемым или невозможным (рис. 1).

Ориентируемся на использование геостационарного спутника связи [1], отмечая, что для передачи данных в качестве ретрансляторов возможно использование и низкоорбитальных космических аппаратов [2]. Отдавая должное технологиям пакетной передачи информации, будем ориентироваться на использование протокола TCP/IP в качестве базового для организации связи между ядром системы и удаленными базовыми станциями (БС) [3]. Космический сегмент при этом используется в «прозрачном» режиме, т.е. режиме моста (рис. 1). Исходя из ранее упомянутых огра-

ПАуКО- ■ ГРАДА

Контроллер БС

Станция спутниковой связи ядра системы

Удаленная БС

1 Контроллер БС

Интернет        ТфОП

Станция^* спутниковой связи удаленного фрагмента

Космический ретранслятор

Ethernet 100 Мб/сек

Локальная БС

Абонент удаленного Ораплонто

Абонент удаленного фри!мен|<г

Ethernet 100 Мб/сек яДро сети радиодоступа

Рис. 1. Схема организации связи для абонентов системы радиодоступа на удаленной территории

ничений, связанных с невозможностью развертывания с составе системы радиодоступа многочисленной сети БС, мы вынуждены обратиться к диапазону 300–450 МГц и технологии широкополосного радиодоступа McWill, который позволяет сформировать зону радиопокрытия для каждой из задействованных БС в десятки километров [4–5].

В этой связи в данной работе проанализированы возможности построения систем абонентского радиодоступа в диапазоне частот 300–450 МГц, сформулированы требования к параметрам космического радиомоста, с помощью которого к системе подключаются удаленные БС, а также нашел отражение опыт развертывания аналогичных систем на территории Красноярского края.

На рис. 2 приведены спектры связного сигнала, используемого в системе радиодоступа. Параметры используемых связных сигналов вы- браны с расчетом сложившейся в регионе ситуации по занятости частотного ресурса, возможности использования частотного диапазона, ранее отведенного для радиотелефонной системы «Алтай-3М» [5] и полностью отражающего соответствующие решения ГКРЧ по частотным присвоениям для оператора связи ООО «КоммИнформ».

В работе экспериментально оценивались качественные характеристики приема сигналов системы радиодоступа в упомянутых диапазонах частот. При этом измерялись два основных параметра: интенсивность сигнала в точке приема и отношение сигнал/шум. Наблюдения проводились на временном интервале, равном 3 мин – статистически наиболее вероятной длительности телефонного разговора для ТфОП. Отсчеты брались с интервалом в 1 сек. Измерения производились как для стационарного, так и для мобильного абонента,

Рис. 2. Спектры связного сигнала различных БС, используемого для организации связи с абонентом

Рис. 3. Схема проведения измерений

перемещавшегося по территории г. Красноярска. На рис. 3 приведена схема, иллюстрирующая технологию проведения измерений.

Измерительный комплекс состоял из абонентского терминала, который по USB интерфейсу был подключен к персональному компьютеру (ПК). На ПК было установлено программное обеспечение, позволяющее регистрировать номер БС, через которую осуществлялась связь на момент времени измерений, величину интенсивности сигнала в dBm, величину отношения сигнал/шум и запоминать измеренные значения в текстовом файле. Для мобильного абонента к ПК в составе измерительного комплекса по USB интерфейсу дополнительно подключался навигационный приемник GPS/ГЛОНАСС, позволявший фиксировать местоположение объекта на момент проведения измерений (рис. 3).

При проведении измерений параметров сигналов для стационарного абонента измерительный комплекс находился на расстоянии около 5 км от БС. Прямая видимость БС в точке расположения стационарного абонента отсутствовала. Измерения проводились в ситуации фактического отсутствия нагрузки на БС со стороны других абонентов.

Технология, лежащая в основе системы широкополосного радиодоступа McWill, предполагает поддержку семи типов физических каналов [5]. Наибольшую нагрузку на космический сегмент формируют каналы F и G [5]. При этом физический канал F является каналом передачи трафика для восходящей линии (UTCH). Абонентский терминал передает по каналу F пакеты трафика, включая данные, голосовую информацию, управляющую сигнализацию и информацию о своих рабочих параметрах на выбранную БС по восходя- щей линии. Физический канал G является каналом передачи трафика для нисходящей линии (DTCH). Уже БС в свою очередь передает по каналу G пакеты трафика, включая данные, голосовую информацию, управляющую сигнализацию и информацию о своих рабочих параметрах.

Для оценки нагрузки наземного сегмента на космический состояние радиоинтерфейса системы радиодоступа контролировалось с помощью спектроанализатора, настроенного на центральную частоту используемого сигнала. Оценка проводилась для различных типов услуг (голосовая связь, передача данных), которые могут быть оказаны для абонентов удаленной БС.

На рис. 4 и 5 приведены полученные в ходе экспериментов характерные виды спектров используемого сигнала при передаче голосовой информации и передаче данных соответственно. Спектры получены для центральной частоты спектра 339,5 МГц.

Для сравнения на рис. 6 приведен спектр используемого сигнала, характерный для вещательного режима, в котором БС передает информацию о конфигурации/загрузке базовой станции, пейджинговую информацию для терминалов и другие вещательные пакеты.

Поведение модуля интенсивности сигнала для центральной частоты спектра 339,5 МГц и длительности временного интервала, соответствующего среднестатистической продолжительности сеанса голосовой системы подвижной связи [7], приведено на рис. 7.

В развернутом фрагменте системы радиодоступа используются многочастотный сигнал и квадратурная фазовая манипуляция.

Наглядным вариантом оценки качества работы системы связи в целом может служить состо-

Havko-

■ ГРАДА

<8>

»РВЛ 18 M-fe

Art 10 dB ’VBAIH*

Date: 4.OCT.2016 15:16:16

Рис. 4. Спектр сигнала при голосовой связи

♦РВЛ 18 kHz

Date: 4.OCT.2016 15:12:35

Рис. 5. Спектр сигнала при передаче данных

Рис. 6. Вещательный режим работы БС

Рис. 7. Изменение интенсивности сигнала системы радиодоступа для стационарного абонента

Рис. 8. Вид «сигнального созвездия» при отсутствии полезного сигнала

Рис. 9. Вид «сигнального созвездия» для отношения сигнал/шум ≈ 20 дБ

яние так называемого «сигнального созвездия» на стороне абонента. Программное обеспечение, использованное для проведения измерений, позволило получить вид «сигнального созвездия» для четырехпозиционной манипуляции. Полученные изображения для случаев фактического отсутствия полезного сигнала и наличия полезного сигнала значительной интенсивности (отношение сигнал/шум » 20 дБ) приведены на рис. 8 и 9 соответственно. Проведенные эксперименты показали, что фактической границей работоспособности системы для стационарного абонента является отношение сигнал/шум ≈ 10 дБ.

Заключение

Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования систем космической связи в качестве прозрачного радиомоста для организации выноса БС системы радиодоступа на значительные расстояния, когда использование альтернативных технологий затруднительно или невозможно. Вместе с этим прямое включение БС системы радиодоступа в космический канал связи, построенный через геостационарный спутник связи, сталкивается с проблемой преодоления значительной задержки пакетов и недопустимого дрейфа ее значений. Так, проведенные эксперименты показали, что для обеспечения реальной работоспособности вынесенной БС упомянутые величины должны находиться в следующих пределах: задержка во внутрисистемном канале связи < 60–0 мс (Real-time); доля 43 потерянных пакетов < 7-8 %; нестабильность задержки < 30-45 мс. Одним из возможных вариантов преодоления выявленного препятствия для использования в составе системы связи узлов с элементами космического базирования может быть размещение фрагментов ядра системы в составе оборудования удаленной территории.