56Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Беспроводные вещательные сети


А.Бителева Теле-Спутник - 4(78) Апрель 2002 г.


Беспроводные технологии с большим или меньшим успехом используются и для телекоммуникационного доступа, и для организации компьютерных сетей, и для вещания. В статье мы постараемся ограничиться рассмотрением беспроводных технологий, используемых в вещании, или системами общего назначения, работающими выше наземного диапазона. Это не так-то просто, поскольку в разработках беспроводных систем доступа лидирует, наверно, все-таки телефония.


Системы MMDS

Беспроводные вещательные системы появились в Америке еще в середине 1970-х гг. Это были системы MDS (Multipoint Distribution System) и MMDS (Multipoint Multichannel Distribution System), работавшие в диапазоне 2.1-2.7 ГГц. Первоначально они предназначались для телекоммуникационных служб, однако вскоре стали использоваться для ТВ вещания. Сейчас MMDS называют системы беспроводного вещания, работающие в диапазоне 2-10 ГГц.

В Западной Европе, где высок уровень охвата кабелем, системы MMDS распространения не нашли. В то же время они довольно широко применяются в некоторых странах Восточной Европы, в СНГ и в Азии.

Недостатком систем MMDS традиционно считается узкая полоса, выделяемая для их работы. В России она составляет 200 МГц (2.5-2.7 ГГц). Это в 4 с лишним раза меньше, чем полоса наземного диапазона, в котором работают эфирное и кабельное телевидение, причем эти 200 МГц могут делиться между несколькими операторами MMDS. Кроме того, MMDS — не единственная служба, претендующая на частотный ресурс 2.5-2.7 ГГц. Согласно "Таблице распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации" он может отдаваться и под фиксированную службу (то есть телефонию). Международный Совет Электросвязи рекомендует этот диапазон в качестве резервного для систем мобильной связи третьего поколения. Ограниченная ширина полосы, вероятно, одна из причин (хотя и не единственная) сложности получения в нашей стране лицензии на MMDS вещание.

Достоинства MMDS уже неоднократно описаны. Их преимуществом перед кабельными системами является быстрота и дешевизна развертывания (а при необходимости и свертывания) системы. В то время как мировые цены на оборудование падают, стоимость рытья траншей для прокладки кабелей скорее поднимается. В России и странах СНГ затраты на прокладку кабеля, разумеется, не столь значительны, как в Америке. Достоинством MMDS по сравнению беспроводными системами более высоких диапазонов является более низкая цена системы и большая зона покрытия одной базовой станции, которая может достигать 60 км. Правда, система не обеспечивает надежного покрытия всей площади. В диапазоне 2.5 ГГц электромагнитные волны распространяются практически прямолинейно, и прием ведется только в зоне прямой видимости (line of site). Для распространения сигнала на крупные затененные участки иногда устанавливаются ретрансляторы, но участки, закрытые мелкими и случайными помехами, остаются "неосвещенными".

Преодоление проблемы линейного распространения сигнала в беспроводных системах

Для беспроводных сетей разработаны различные методы преодоления этой проблемы. В частности, она может решаться подбором архитектуры сети.

Беспроводные сети могут иметь зоновую, сотовую или сетчатую архитектуру. В первом случае в сети работает одна базовая станция или несколько станций, зоны действия которых не пересекаются. Именно по такому принципу и строятся системы MMDS. При сотовом построении на территории охвата работают несколько базовых станций с пересекающимися зонами покрытия. При сетчатом построении точки приема являются одновременно и точками ретрансляции сигналов. Точки ретрансляции соединяются между собой узконаправленными лучами, и в большинство точек сигнал попадает несколькими путями.

Сетчатые структуры в вещательных системах не используются, а сотовые — теоретически реализуемы, но на практике тоже почти не применяются. Исключение составляет, кажется, только одночастотная сеть цифрового эфирного телевидения в Великобритании.

Сотовые и сетчатые структуры позволяют создать более полный и надежный охват зоны обслуживания. Однако они требуют специальных мер для развязки сигналов от разных передатчиков. При сетчатом построении сети топология строится таким образом, чтобы сигналы, приходящие в точку приема/ретрансляции, одновременно не попадали в фокус одной приемной антенны.

Для сотовых систем вещания рекомендована отстройка по частоте или поляризации, а в более высоких диапазонах она может производиться просто за счет узкой направленности приемной антенны. Для сети цифрового эфирного ТВ сотовое построение оказывается возможным за счет использования OFDM модуляции и синхронизации сигналов, передаваемых всеми базовыми станциями.

Использование OFDM считается достаточно перспективным для беспроводных систем. В частности, она положена в основу технологии VOFDM (Vector OFDM), разработанной Cisco в 1998 г. для двунаправленной доставки голоса, данных и видео по беспроводным сетям. Эта технология представляет собой комбинацию OFDM c MIMO (Multipe Input Muttiple Output). Смысл этой комбинации следующий. VOFDM сигнал передается не одной, а несколькими антеннами, между которыми он распределяется по какой-то частотно зависимой функции, реализуемой адаптивными фильтрами. На приемной стороне также устанавливается несколько разнесенных на небольшое расстояние антенн, сигналы от которых после адаптивного эквалайзирования поступают на сумматор. Для настройки параметров системы перед началом работы в ней пропускается тестовая серия сигналов, формируемая по адаптивному алгоритму. Технология VOFDM позволяет максимально использовать полезные переотраженные сигналы и погасить вредные. Это позволяет не только отстроиться от помех переотражения, но и распространить работу системы за пределы прямой видимости (near line of site). Технология VOFDM взята на вооружение форумом BWIF (Broadband Wireless Internet Forum), созданным IEEE-ISTO (IEEE-Industry Standards and Technology Organization) для разработки открытого стандарта для передачи широкополосных приложений по беспроводным IP сетям. Опубликованы результаты сравнительных тестов распространения VOFDM и QAM сигналов, свидетельствующих о преимуществах VOFDM. Однако указаний частотного диапазона, для которого предназначена новая технология, найти не удалось. Вполне вероятно, что преимущества более заметны в высоких диапазонах. Где именно эта технология найдет применение — покажет будущее. Скорее всего, не в бытовых сетях распределения сигналов, так как очевидно, что VOFDM системы будут заметно дороже систем, использующих QAM или даже OFDM.

В настоящее время для цифровых систем MMDS в Европе действует стандарт DVB-MC, ратифицированный ETSI как EN 300.749. Он справедлив для всех цифровых систем беспроводного многонаправленного (multipoint) распределения, работающих на частотах ниже 10 ГГц. В отношении систем модуляции и защитного кодирования он копирует положения стандарта DVB-C, то есть предписывает использовать в прямом канале различные уровни QAM модуляции. Такая унификация позволяет применять в цифровых системах MMDS приемники DVB-C.

Цифровые системы MMDS

С переходом MMDS сетей на цифровое вещание во многом снимается проблема ограниченности полосы. В 25 радиочастотных каналах можно разместить около 200 телевизионных каналов, а если использовать статистическое мультиплексирование, то и больше. Правда, в процессе преодоления главного недостатка систем MMDS может исчезнуть и их важное достоинство — дешевизна. Это иллюстрирует пример московской системы MMDS "Космос-ТВ". Около года назад она запустила цифровое вещание на базе головного оборудования BarcoNet. Под цифру было отведено 6 радиоканалов из 19, на которые "Космос-ТВ" имеет лицензию. Сейчас "Космос-ТВ" может предложить своим абонентам около 70 цифровых каналов и 15 аналоговых. Но плата за наиболее полный цифровой пакет составляет 40 у.е., что никак нельзя считать дешевой услугой.

Пока "Космос-ТВ" — единственная российская сеть MMDS, транслирующая цифровые каналы. В перспективе там планируется добавление некоторых интерактивных услуг, в частности внедрение оплаты за просмотр Pay Per View и беспроводной скоростной Интернет.

Передача данных через MMDS

Для передачи данных системы MMDS начали использоваться около 5 лет назад. До этого времени в силу узости полосы их применение для организации индивидуальных услуг считалось неоптимальным. Теоретически при внедрении в MMDS интерактивных услуг эффективность использования частотного ресурса можно повысить. Это может быть достигнуто за счет установки на передающей стороне секторных антенн, каждая из которых обслуживает свой сегмент сети. В результате одни и те же частоты могут использоваться неоднократно. Для исключения интерференции, сигналы в смежных секторах должны отличаться по частоте или поляризации. Кроме того, как уже говорилось, сети MMDS могут строиться по сотовому принципу, с развязкой сигналов в смежных сотах. Однако использование таких структур заметно удорожает систему MMDS, что ставит под сомнение ее окупаемость.

Наибольшее распространение передача данных через MMDS получила в Америке. Так, в США и Канаде эта услуга запущена более чем в 60 системах MMDS (и MDS). Большинство из них используется исключительно для передачи данных, но встречаются и гибридные сети, в которых передача данных соседствует с трансляцией аналоговых и цифровых ТВ каналов. Обратный канал чаще всего организован по телефонной линии, а двунаправленные беспроводные системы в большинстве своем пока работают в тестовом режиме. Чаще всего передача данных реализуется на оборудовании Hybrid Networks, довольно широко распространено и оборудование Vyyo, есть несколько систем, построенных на аппаратуре Integrity и ADC.

По оценкам американских специалистов, 1 радиочастотный канал может обслуживать 5-6 тыс. абонентов, получающих потоки данных со скоростью до 1 Мбит/c. При этом число одновременно обслуживаемых абонентов может достигать 1500.

Особенности передачи данных по беспроводным системам

Как уже говорилось, стандарт DVB-MC, определяющий в частности интерфейс между радиочастотной частью сети MMDS и абонентским оборудованием, основан на стандарте кабельного телевидения DVB-С. В то же время передача сигналов через MMDS имеет свою специфику. Одно из существенных отличий тракта MMDS от кабельного заключается в появлении многолучевого распространения, что приводит к более сильному и менее предсказуемому затуханию сигнала. Сигнал отражается от различных объектов, в том числе и перемещающихся, поэтому траектория его распространения и связанные с отражением затухания динамически меняются во времени. При переотражениях может меняться не только общий уровень сигнала, но и искажаться его АЧХ.

Второе отличие связано с влиянием погрешности гетеродинов конверторов частоты на передающей и приемной стороне. Так как в MMDS передача ведется на частотах более высоких, чем в кабельной сети, влияние этой погрешности после нескольких конвертаций сигнала вверх, а затем вниз может быть более значительным. Погрешность усугубляется еще и тем, что часть конверторов расположена вне помещения и подвергается существенным температурным перепадам.

В связи с этим компания Vyyo предложила особую версию спецификации DOCSIS, разработанную применительно к системам LMDS/MMDS. Изменения в ней касаются физического и МАС уровня работы системы. Для физического уровня рекомендовано не использовать высокие уровни модуляции, увеличить требования к динамическому диапазону на входе абонентских модемов, устанавливать в модемах более мощные эквалайзеры входного сигнала, а при их настройке осуществлять поиск несущих в более широком диапазоне. Для МАС уровня рекомендовано ввести постоянное ранжирование всех обратных каналов, то есть оценку уровня затухания, временной задержки и частотного сдвига сигнала при передаче. Эта процедура при возникновении помех или необходимости балансировки трафика позволит быстро переводить модем на другой обратный канал. В спецификации DOCSIS предусмотрена возможность перевода модема на другой канал без его предварительного ранжирования, но, по мнению специалистов Vyyo, для бепроводных систем необходима предварительная коррекция установок модема.

Документ с перечисленными дополнениями часто упоминается как стандарт DOCSIS+ Wireless. Он был предложен в качестве расширения стандарта DOCSIS и рассматривался комитетом IEEE, занимающимся разработкой стандартов группы 802.16. Сейчас этой спецификации придерживается уже несколько компаний, выпускающих беспроводное оборудование для передачи данных. Однако, по нашим сведениям, стандарт так и не был ратифицирован, и Cable Labs производит сертификацию беспроводных модемов, руководствуясь "кабельными" спецификациями DOCSIS.

Сеть MMDS в Новоуральске

В России существует только одна сеть MMDS, предоставляющая услуги передачи данных. Она находится в г. Новоуральске (Свердлов-ская обл.). Передача данных реализована там на оборудовании компании Integrity, поддерживающем уже упомянутые спецификации DOCSIS + Wireless в версии 1.1. По информации, полученной от компании "Телесет", реализовавшей этот проект, передача данных уже полгода ведется в коммерческом режиме. В рамках этой услуги предоставляется скоростной доступ к Интернет и IP телефония, дающая возможность недорогого подключения к междугородным линиям и пользующаяся не меньшим спросом, чем Интернет. Обратный канал в сети тоже организован по эфиру, но в диапазоне 2.3 ГГц или 2.4 ГГц.

Стоимость приемного оборудования достаточно высокая, и услугами передачи данных пользуются преимущественно корпоративные абоненты, подключающие к беспроводному модему свои локальные сети. В качестве эксперимента была даже опробована подача данных от беспроводного модема в сеть КТВ, в которой работала система кабельных модемов стандарта DVB.

Насколько экономически оправдано внедрение передачи данных в вещательные системы MMDS, сказать сейчас трудно. Альтернативой использования MMDS, вероятно, можно считать реализацию сетей передачи данных с помощью RadioEthernet. Построение таких сетей регламентируется стандартом IEEE 802.11. Они работают в диапазоне 2.4 МГц и обеспечивают скорость передачи до 11 Мбит/с. В настоящее время в России развернуты сотни таких сетей, из них десятки крупных, обслуживающих городские районы или целые города.

Сейчас в новоуральской сети готовится новый эксперимент. Там предполагается запустить цифровой телевизионный канал. На головной станции для этой цели будет установлен необходимый комплект оборудования уже упомянутой фирмы BarcoNet.

Системы LMDS

Для работы бепроводных сетей выделено еще несколько диапазонов, но большинство из них предназначено для телекоммуникационных служб. Для вещания первоначально предназначались системы LMDS, для которых в большинстве стран отведены частотные полосы в диапазоне 26-30 ГГц. Одна телевизионная система LMDS была развернута в Америке, еще несколько проходили тестирование в Европе, в частности 4 года назад была организована экспериментальная телевизионная LMDS сеть в Москве. Однако эти опыты не имели продолжения. Системы LMDS с их сотовой структурой и более высокими, чем в MMDS, требованиями к мощности и линейности передатчиков оказались нерентабельными при обслуживании частных абонентов. В настоящее время они используются только телекоммуникационными службами. В России полоса 27.50-29.5 ГГц, в которой работала экспериментальная система LMDS, тоже отдана под фиксированную службу.

Системы MWS (MVDS)

Для службы телевизионного вещания во всей Европе был выделен еще один диапазон — 40.5-43.5 ГГц. Системы, использующие эту частотную полосу, получили название MVDS (Multipoint Video Distribution System). С недавнего времени произошла переориентация диапазона под системы MWS (Multimedia Wireless System), а MVDS теперь рассматриваются как частный случай MWS. Предполагается, что сети MWS должны обслуживать представителей среднего и малого бизнеса, а также индивидуальных абонентов.

В России согласно "Таблице распределения полос частот между радиослужбами РФ" полоса 40.5-42.5 ГГц выделена для радиовещательной службы, а полоса 42.5-43.5 ГГц — для фиксированной службы. Под радиовещательной службой подразумеваются все те же системы MWS.

Переназначение именно этого диапазона под организацию мультисервисных систем во многом объясняется его особенностями.

Во-первых, он предоставляет очень широкую полосу частот. Правда, разница в полосе MMDS и MWS оказывается более существенной при передаче аналоговых сигналов, нежели цифровых. Для цифровых систем MWS (MVDS) в Европе действует стандарт DVB-MS, основанный на DVB-S. В соответствии с этим стандартом во всех беспроводных системах вещания, работающих на частотах выше 10 ГГц, должна использоваться QPSK модуляция и радиоканалы шириной 36 МГц. Таким образом, при цифровой передаче полоса 2 ГГц, выделенная в диапазоне 40 ГГц, по своей пропускной способности эквивалентна полосе 500 МГц в диапазоне MMDS.

Во-вторых, из-за сильного затухания сигнала на этих частотах передатчик может обслуживать площадь в радиусе около 10 км. Это вынуждает разбивать системы MWS на небольшие соты, ограничивая количество абонентов, подключенных к одной базовой станции. В результате на каждого абонента можно будет выделить больший процент общей канальной мощности.

В силу особенностей этих сетей они могут гибко наращиваться или изменяться. Причем как географически, так и функционально. То есть они хороши для внедрения экспериментальных услуг. Однако достоинства этих систем пока не востребованы. Сегодня у нас нет информации ни об одной действующей системе MVDS (MWS). В Интернете можно встретить упоминания нескольких небольших аналоговых сетей MVDS, запущенных в конце 1990-х гг. в коммерческую эксплуатацию, но об их нынешней судьбе нам ничего не известно. Зоны экспериментального вещания цифровых MVDS были развернуты в Великобритании, Чехии и России. Великобритания даже разработала частотные планы для аналоговых и цифровых MVDS систем и предложила их в качестве общеевропейских. Однако до коммерческой реализации цифровых систем дело не дошло. Сегодня ни одна из компаний не производит MVDS оборудование в коммерческом объеме. На него не было сколько-нибудь крупных заказов, способных инициировать начало массового производства. Это во многом связано с высокой стоимостью оборудования и прежде всего передатчиков, которые для работы в диапазоне 40 ГГц должны иметь очень высокую линейность. Интерактивное абонентское оборудование и сами услуги, способные оправдать строительство такой системы, тоже окажутся не из дешевых. Стоимость систем будет особенно высока на начальных этапах их внедрения. В довершение всего выдача вещательных лицензий на диапазон 40 ГГц в Западной Европе сейчас заморожена. Поэтому в ближайшее время ожидать изменения ситуации не приходится. Не исключено, что диапазон 40 ГГц, как это уже случилось с LMDS диапазоном, будет переориентирован на другие службы.

Между тем российская компания "МТУ Информ", имеющая лицензию на вещание в диапазоне 40 ГГц, продолжает эксперименты в своих опытных зонах. Более того, существуют планы расширения этих зон. Однако сейчас тестирование там проходит уже не зарубежное, а отечественное оборудование. Возможно, российские производители, менее избалованные масштабными заказами, нежели такие гиганты, как Hughes Hetwork System или Philips, смогут наладить производство небольших партий оборудования по приемлемым ценам, и системы будут запущены.

МИТРИС

Обзор беспроводных систем радиовещания был бы неполным без упоминания украинских систем МИТРИС. Это беспроводные системы, работающие в спутниковом Ku-диапазоне 10.7-12.7 ГГц. До сих пор они используются во многих крупных украинских городах для распределения телевизионных сигналов. Однако около полугода назад вещание системы МИТРИС в Киеве было приостановлено.

Достоинством МИТРИС являются возможность применения стандартного абонентского оборудования для спутникового приема и широкая полоса частот. Правда, использование спутникового диапазона является не только достоинством, но и недостатком МИТРИС, так как эти системы иногда создают помехи спутниковому приему. Другим недостатком, вероятно, следует считать несоответствие МИТРИС общемировым стандартам.

Во всяком случае в последнее время в Украине наметилась тенденция свертывания систем МИТРИС и замена их стандартными системами MMDS.

Передача данных через системы МИТРИС

Есть случаи использования МИТРИС для передачи данных. Так, например, в Луганске на базе системы МИТРИС организован доступ к Интернет с обратным каналом по телефонной линии, а в качестве эксперимента для одной из луганских школ организован доступ к Интернет с обратным каналом через систему МИТРИС. Передача ведется по каналу Ethernet, который доставляется к абоненту по радиоканалу МИТРИС с использованием частотной модуляции. На приемной стороне устанавливается стандартный спутниковый аналоговый приемник и Ethernet-адаптер, согласующий уровень сигнала перед его подачей в ПК.

Полоса в 2 ГГц позволяет предоставлять и более богатый набор услуг. Сдерживающим фактором является отсутствие спроса. Возможности полосы гораздо более полно будут реализованы в проекте сети передачи данных, развертываемой на Кипре. Там на базе системы МИТРИС организуется сеть Ethernet, по каналам которой предполагается со скоростью до 1 Гбит/с передавать мультимедийные потоки. Сеть будет состоять из центральной станции и множества ретрансляторов, которые позволят покрыть сетью весь остров. Это должна быть настоящая мультисервисная сеть. Помимо передачи программ телевидения, принимаемых со спутника на центральной станции, там предполагается передавать видео по требованию, в том числе стерео 3D программы, предоставлять скоростной доступ к Интернет, поддерживать службы наблюдения и обслуживать локальные сети корпоративных клиентов. Запуск системы должен произойти в ближайшее время.



 
Теле-Спутник Апрель 2002
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт