Радиорелейные линии Е-диапазона

Около года назад было принято Решение ГКРЧ № 10-07-04-1 об упрощении процедуры выделения полос радиочастот 71 — 76 ГГц и 81 — 86 ГГц, суть которого сводилась к следующему:

• выделение полосы радиочастот 71 — 76 и 81 — 86 ГГц для применения на территории Российской Федерации беспроводных систем прямой видимости юридическими и физическими лицами без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного юридического или физического лица;
• разрешение применения систем прямой видимости, работающих в этих частотных диапазонах, без оформления разрешений на использование радиочастот или радиочастотных каналов (правда с некоторыми ограничениями) явилось одним из основных событий определяющих перспективы развития рынка данных систем в России.

Мировая история освоения частот 71 — 76 и 81 — 86 ГГц (также известного как «E-диапазон») началась более 30 лет назад на Всемирной конференции радиосвязи (World radiocommunication conferences) WRC-79 с принятия Международным союзом электросвязи (МСЭ) решения об использовании миллиметрового диапазона радиоволн для оказания услуг фиксированной связи.

В 2000 г. на Всемирной конференции радиосвязи делегаты МСЭ обсуждали возможности обеспечения высокоскоростных услуг фиксированной связи в высокочастотных диапазонах. В то же самое время, существовало несколько факторов, которые пробудили практический интерес к E-диапазону.

Во-первых, появилась технологическая возможность изготовление компонентов, работающих в миллиметровом диапазоне частот. Во-вторых, возрастающая загрузка широко используемых микроволновых диапазонов (6 — 38 ГГц) подразумевала, что проектировщики должны начать рассматривать альтернативные диапазоны частот. Наконец, с видением мегабитных и даже гигабитных скоростей передачи данных в сетях связи, новых поколения систем связи и мультимедийных услуг, требовались новые парадигмы для создания беспроводных систем связи.

В настоящее время частоты 71 — 76 и 81 — 86 ГГц широко используется системами радиодоступа для организации сверхвысокоскоростных (до нескольких Гбит/с) полнодуплексных линий связи различных сетевых топологии: от простейших «точка-точка» до сложных кольцевых структур.

Остановимся более подробно на особенностях распространения радиоволн данного частотного диапазона. Для этого обратимся к графику ослабления радиосигнала в газах атмосферы (рис. 1) и зависимости ослабления радиоволн от частоты для дождя с различной интенсивностью (рис. 2).

Рис. 1. Ослабления радиосигнала в атмосфере

Как видно из рис. 1, после резонансного пика, превышающей 10 — 15 дБ на частотах, близких к 60 ГГц, следует значительный прогиб графика на участке частот от 70 до 100 ГГц. Здесь вносимое атмосферой, точнее содержащимся в ней молекулярным кислородом, ослабление сигнала на километр дальности составит не более 0.5 дБ, т.е. будет не значительно превышать ослабление на частотах традиционных радиорелейных систем диапазонов от 23 ГГц и выше. Данное обстоятельство послужило одной из предпосылок для освоения именно этого участка спектра.

Рис. 2. Зависимость ослабления радиоволн для дождя с различной интенсивностью

С графиком на рис. 2 дела обстоят иначе. В зависимости от интенсивности дождя ослабление сигнала может колебаться от 1 дБ/км в случае изморози и до 20 дБ/км при сильном ливне интенсивностью 50 мм/ч, который в центральной и европейской части России в июне-июле месяце — явление частое. Облегчает ситуацию то, что сильные ливни, как правило, носят кратковременный характер и имеют не большую территориальную протяженность. Коэффициент ослабления в снегопадах с сухим снегом существенно меньше, чем в дожде.

В итоге при сильном дожде на интервале длинной в 4 — 5 км, суммарное ослабление сигнала, получаемое из ослабления сигнала в поле свободного пространства, в атмосфере и дожде может достигать величин 180 — 190 дБ. Сравним: для радиорелейных систем диапазонов до 13 ГГц, расчетная величина ослабления сигнала на тех же 4 — 5 км не превысит 130 дБ.

Успешная работа систем E-диапазона в условиях таких значительных ослаблений сигнала обеспечивается за счет нескольких факторов. Первый -использование низкоскоростных, и как следствие менее требовательных к уровню принимаемого сигнала, типов модуляции BPSK и/или QPSK (еще реже 16QAM). Гигабитные скорости достигаются за счет того, что, с одной стороны, отведенная для рассматриваемых систем суммарная полоса частот составляет 10 ГГц (5000 МГц в 70 ГГц и 5000 МГц в 80 ГГц), а с другой — максимальная ширина канала пока не оговаривается; и большинство производителей для приема и передачи используют полосы по 1000-1250 МГц в 70 и 80 ГГц. При этом дуплексный разнос Tx-Rx составляет 10 ГГц.

Второй фактор заключается в том, что даже не большие антенны имеют высокий коэффициент усиления антенн, являющийся прямой зависимостью от частоты сигнала и диаметра зеркала. Сравнивая характеристики антенн Е-диапазона и 23 ГГц и, получаем прирост усиления в 10 дБ для диаметра 30 см. и 12 дБ для диаметра 60 см. В итоге при использовании антенн диаметра 60 см энергетический бюджет радиолинии увеличится на 24 дБ.

Помимо высокого коэффициента усиления при малых габаритах, антенны Е-диапазона формируют очень узкую диаграмму направленности, ширина главного лепестка которой составляет менее 1 градуса. Т.о., для антенны 60 см. на расстоянии 4 км мы получаем пятно засветки диаметром около 35 м. При установки аналогичной системы, работающей в том же направлении на одном объекте, к примеру, на крыше здания во избежание взаимных помех достаточно разнести места расположения на 20-25 м.

Беспроводные системы E-диапазона комплектуются антеннами 30 см или 60 см с усилением 45 дБ и 52 дБ. Благодаря свойству волн частотного диапазона 70-90 ГГц, заключающемуся в том, что при длине волны в 3-4 мм они практически не могут эффективно отражаться в условиях городской застройки, возможность возникновения многолучевого распространения сигнала приводящего к интерференции радиоволн, полностью исключается.

Некоторые производители в целях дополнительного увеличения энергетического бюджета радиолинии реализуют различные схемы адаптации оборудования к текущим условиям распространения радиосигнала. Одними из наиболее распространенных способов является изменение типа модуляции и скорости кодирования. Адаптивная модуляция, которая позволяет оборудованию динамически менять тип модуляции и переходить от модуляции высшего порядка к более помехоустойчивой модуляции низких порядков происходит без генерации дополнительных ошибок и прерывания трафика.

Адаптивное кодирование, заключается в увеличении избыточности, т.е. кол-ва проверочных символов на единицу передаваемой информации, что в свою очередь снижает полезную скорость, но увеличивает помехоустойчивость. Эти меры приведут к уменьшению пропускной способности, но помогут избежать полного пропадания связи.

При этом крайне важным является обработка приоритетов передачи трафика, которая реализована практически во всех системах. Так, например, при передаче разнородного трафика (голос, видео, данные) при падении скорости в случае адаптивной модуляции наибольший приоритет может отдаваться голосу, а наименьший — загрузке данных, например, из Интернета

К основным областям применения данного оборудования можно отнести построение беспроводных линий через наземные препятствия, такие как крупные автомагистрали, железнодорожные станции и пути, территории имеющие историческую и культурную ценность, промышленные предприятия (в том числе закрытые) и водные преграды, к примеру, реки, озера, болота и пр.

На базе оборудования E-диапазона можно в кратчайшие сроки развернуть полноценную гигабитную сеть передачи данных в условиях плотной городской застройки с использование резервирования на базе кольцевой структуры построения сети. Это является актуальной задачей для операторов фиксированной и мобильной связи и Интернет-провайдеров. Кроме того, при построении оптических колец, системы E-диапазона могут использоваться как вставки в такое кольцо для прохождения сложных участков.

При неоспоримом достоинстве в сверхвысокой пропускной способности, системы E-диапазона, по сравнению с традиционными радиорелейными системами ограничения по расстоянию. К примеру, при коэффициенте готовности линии в 99.995% в зависимости от типа оборудования для европейской территории РФ протяженность интервала не должна превышать 4 км. Тем не менее, при снижении требований к доступности линии, например, если есть альтернативный канал связи, протяженность интервала может быть значительно увеличена.

Среди производителей оборудования E-диапазона есть не только широко известные зарубежные поставщики, такие как BridgeWave, GigaBeam, но и отечественные компании, например, ЗАО «ДОК» и НАТЕКС, поставляющие современные системы высокого качества по конкурентным ценам, обеспечивающую локальную техническую поддержку и сервисное обслуживание. Так, например, НАТЕКС предоставляет на тестирование собственное оборудование Nateks Multilink-E-band, в случае необходимости специалисты компании готовы рассказать об особенностях его применения, провести обучение и оказать содействие в монтаже и пусконаладке. Такой подход позволит обосновано выбрать технологию и оборудование для решения поставленных задач.

Системы Е-диапазона открывают новые возможности по организации сети, как для операторов связи, так и для организаций, которым необходимо быстро, без юридических и организационных сложностей установить надежный высокоскоростной канал связи на ограниченных расстояниях.