Triple play на базе мобильных систем и систем широкополосного доступа четвёртого поколения

Реализация концепции комплексного предоставления домашних ИТ-услуг triple play на отечественном телекоммуникационном рынке в настоящее временя становится всё более актуальной. Сервисный пакет в составе Интернета, цифрового ТВ и телефонии предлагается как правило операторами кабельного телевидения или операторами, имеющими развитую кабельную сеть в городской черте населённых пунктов. Проблемами отдалённых районов, пригородов и районов сельской местности остаётся остаются сложности организации «последней мили» в системах предоставления услуг связи по кабелю. Уже неоднократно поднимался вопрос предоставления услуг triple play операторами по радиоинтерфейсу. Внедрением систем четвёртого поколения 4G (LTE — Long Term Evolution) ведётся интенсивно всеми операторами участниками рынка сотовой связи. Увеличение скорости передачи данных до 150 Мбит/c является свершившимся фактом. Однако это только первый этап развития LTE.

Однако распространённые сегодня системы широкополосного доступа являются недостаточными. Мобильные LTE роутеры уже широко распространены, однако они производят обмен данными по протоколу Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, семейство стандартов беспроводной передачи данных). Скорость передачи данных, предоставляемая этим стандартом недостаточна для передачи видеоконтента.

Для реализации ИТ-услуг triple play возможно использовать 4G роутеры производящими обмен данными посредством стандарта WiGig (альянс мульти-гигабитной беспроводной технологии связи, работающей в нелицензируемой полосе частот 60 ГГц.), где заявленной скоростью передачи данных является скорость до 7 Гигабит/сек. Применение WiGig Bus Extension и WiGig Serial Extension (WSE) обеспечит возможность беспроводной связи со скоростью несколько гигабит в секунду между несколькими устройствами, включая внешние устройства хранения данных и другие периферийные устройства, поддерживающие высокую скорость передачи данных.

Более того, сотрудничество WiGig с VESA (Video Electronics Standards Association) ставит целью уменьшение количества проводных соединений в помещении, используемых домашней электроникой. Для этого создается беспроводной DisplayPort для высокоскоростной передачи данных. WiGig стал партнером HDMI Licensing, чтобы добавить поддержку HDMI в рамках WiGig Display Extension (WDE). На данный момент, WDE — единственный стандарт связи на частоте 60 ГГц, в котором определена возможность подключения мониторов и телевизоров с интерфейсами DisplayPort и HDMI, обеспечивающая реализацию ключевых приложений, таких, как беспроводная передача сжатого или несжатого видео.

На LTE возлагаются задачи радиодоступа от базовых станций до точек доступа в помещении. Рекомендации по строительству сети и бюджет радиолинии LTE описаны в работе [1]. Так как технически услуга Triple Play может быть успешно реализована через радиодоступ сети LTE с условием значительного расширения канальной ёмкости действующих сетей и иерархичного построения на частотах 2600 МГц и 800 МГц, необходимо произвести расчёты возможности эффективного радиодоступа оконечных устройств, размещаемых в помещении по каналам WiGig.

Необходимо рассчитать бюджет радиолинии (радиодоступа) с условием обеспечения необходимой скорости передачи данных (свыше 2 Гбит) на ориентировочное расстояние 10 метров общего назначения (в том числе WPAN (англ. — Wireless Personal Area Networks) — беспроводная персональная компьютерная сеть с малым (не более 15 м) радиусом действия) и WirelessHD (стандарт, позволяющий передавать видео высокой четкости посредством беспроводной связи.)). Стандарт WirelessHD совместим со всеми техническими особенностями стандарта HDMI 1.3. WirelessHD поддерживается большим количеством производителей бытовой техники. С его помощью несжатый видеопоток высокого разрешения может транслироваться с Blu-ray-плеера на ЖК-телевизор со скоростью до 3 Гбит/с. Указанная скорость передачи данных может быть достигнута с помощью 60 ГГц с полосой пропускания канала 2 ГГц, используя, например, QPSK модуляцию. Высокая скорость передачи данных 60 ГГц требуется большие антенны с высоким коэффициентом усиления антенны и направленности. Это можно будет проанализировать подробно в вычислении бюджета мощности.

Высокая скорость передачи данных 60 ГГц имеет ограниченный бюджет мощности по расстоянию, из-за затуханий в данном диапазоне во время распространения радиоволн, а также высокого коэффициента направленности приемника и низкой мощности на выходе [2]. Большая полоса пропускания сигнала для передачи данных на большой скорости, как правило, увеличивает уровень шума приемника.

Результаты расчётов бюджета мощности показаны в таблице 1. При проведении расчёта бюджета радиолинии можно воспользоваться достаточно простым соотношением для свободного пространства (упрощённая формула), то есть для идеальных условий, когда отсутствуют препятствия, отражения, несколько возможных траекторий передачи сигнала (условия только прямой видимости):

                                                                                         (1.1)

где  — расчётная мощность сигнала в ваттах,  — переданная мощность сигнала в ваттах, – коэффициент усиления приёмной антенны,  — коэффициент усиления антенны передатчика,  — является длиной волны в метрах, и  — расстояние между передающей и приемной антеннами в метрах.

В вычислении используется переданная выходная мощность +10dBm, всенаправленные антенны используются в передатчике и приемнике с коэффициентом усиления 0dBi и коэффициентом направленности приемника +10dB [3]. Согласно уравнению Гарольда Фрииса (или формулы передачи Фрииса) (1.1), получили мощность —  = 78dBm на расстоянии 10-ти метров от источника сигнала. С другой стороны, интегрированный шум на входе приемника может быть выражен как:

, dBm                                                                    (1.2)

где  — коэффициент шума приемника для определённого частотного диапазона (BW). Данный = +10dB и  = 2 ГГц, интегрированный шум на входе приемника, . Отношение сигнал-шум  приемника может быть определен (в децибелах) как:

                                                                                                     (1.3)

которое равно — 78 + 71 = 7 дБ. гораздо ниже, чем требуемое значение 10 дБ, чтобы должным образом демодулировать, например, сигналы QPSK.

Таблица 1

Бюджет мощности WPAN на 60 ГГц с использованием всенаправленной антенны

Наиболее интересным решением для ограниченного бюджета мощности для 60 ГГц является использование антенн с высоким коэффициентом усиления, которые могут частично компенсировать потери на трассе и удовлетворят требования приемопередатчика. В таблице 2 показано вычисление бюджета мощности на 60 ГГц по линии видимости, с использованием на приемнике и передатчике направленных антенн с усилением  = 12dBi.

Таблица 2

Бюджет линии WPAN на 60 ГГц с использованием направленной антенны высокого усиления

Тогда на выходе приемника будет увеличен до 17 дБ, который отвечает требованию демодуляции, например, сигналу QPSK с положительным его превышением на 7 дБ.

Из проведённого расчета бюджета мощности можно сделать вывод, что для передачи данных со скоростью выше, чем 2 Гбит/с на расстояния 10 метров по открытой линии прямой видимости (LOS) на 60 ГГц, антенна должна иметь относительно высокое усиление. Стоит отметить, что бюджет мощности будет уменьшаться для более высокой скорости передачи данных, для большего расстояния и особенно при отсутствии прямой видимости (NLOS). В этом случае, нужно будет увеличить выходную мощность передатчика и уменьшить коэффициент шума приемника, используя антенн с большим коэффициентом усиления сигнала, это является самым эффективным решением для исследуемого бюджета мощности.

Можно достичь высокого коэффициента усиления антенны с относительно небольшой структурой при 60 ГГц, так как усиление антенны (G) для данной эффективной области антенны (А) может быть выражено следующим образом:

                                                                                                                      (1.4)

где  — длина волны сигнала, которая составляет 5 мм в свободном пространстве для 60 ГГц. В теории, эффективная область изотропной антенны для 60 ГГц является:

Антенна с эффективной областью 32 мм² может достигнуть усиления 12dBi на 60 ГГц. Эта антенна с высоким усилением может быть физически реализована в виде одной антенны или антенной решетки. Для фиксированной связи (например, LMDS), мы можем использовать одну антенну, которая механически синхронизируется с антенной на противоположной стороне радиолинии. Для мобильных связей, выравнивание главного лепестка должно быть достигнуто динамически, обычно через фазированные антенные решетки.

Техническим данными стандарта определена его дальность действия до 10 м, что при определённых, полученных при расчёте бюджета радиолинии, условиях является достаточным для обеспечения радиодоступа внутри одного помещения.

Таким образом, с использованием современных радиотехнологий построение «последней мили» при реализации услуг triple play на базе стандартов LTE и WiGig является перспективным и технически обоснованным решением.

Литература:

1.       Пищин О. Н., Дюсенова О. С., Павленко Г. С. Исследование использования новых стандартов сотовой связи и широкополосного доступа LTE и WIGIG для предоставления услуг Triple Play. Молодой ученый. Ежемесячный научный журнал. г. Чита, Изд: ООО «Издательство Молодой учёный» — 2013. — № 5 (52). — С. 42–46. ISSN 2072–0297

2.       A. M. Niknejad et al., mm-Wave Silicon Technology: 60 GHz and Beyond, Springer, New York, 2008.

3.       B. Razavi, “A 60-GHz CMOS Receiver Front-End,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 41, no. 1, pp. 17–22, Jan. 2006.