Применение фемтосот для улучшения приема

Применение фемтосот для улучшения приема сигнала
сетей мобильной связи внутри зданий
Д.Х. Дусматов, (ГУП «UNICON.UZ»)
В статье рассмотрены общие сведения о фемтосотовых точках доступа (Femto access point – FAP), преимущества применения
фемтосот и их недостатки. Предложено добавочно применить систему DAS (Disctributed antennas systems) при построении сетей мобильной
связи внутри здания.
Мақолада, фемтосотавий уланиш нуқтаси (Femto access point –
FAP) ҳақидаги умумий маълумотлар, фемтосотани қўлланилишини
устунликлари ва камчиликлари ёритилган. Бино ичида тармоқни қуришда қўшимча DAS (Disctributed Antennas Systems) тизимини қўлланилиши таклиф қилинган.
The main information about femto accesses point, the advantages of
femtocells and some shortcomings of femtocells are considered in this article.
Suggested additionally apply Disctributed antennas systems in the build of
mobile networks within the building.
За последние годы мобильная
связь стала самым быстроразвивающимся сектором телекоммуникационного рынка. Темпы развития
мобильных систем столь высоки, что
за прошедшее десятилетие количество абонентов сетей мобильной
связи превысило число пользователей стационарной телефонии. Однако дальнейший рост числа абонентов мобильных сетей напрямую
связан не только с технологическими аспектами, но и с повышением
качества потребительских услуг
Происходящий процесс совершенствования технологии подвижной связи направлен не только
на повышение эффективности использования радиочастотного ресурса и внедрение дополнительных
услуг, но и, главным образом, на
удовлетворение потребностей абонентов в высокоскоростном доступе
к мировым информационным ресурсам.
Доступность широкополосных
подключений в зданиях подталкивает операторов к конвергенции технологий мобильной и фиксированной связи, позволяющей удешев-
лять процесс оказания услуг. Именно на этой почве возникла идея использовать специальные устройства, подключаемые к широкополосным сетям, которые должны обеспечивать улучшении качества радиосигнала в квартирах и офисах. Такие
устройства называют «фемтосотовые точка доступа» (Femto access
point - FAP), а саму новую технологию — «фемтосотовой связью».
Концепция фемтосот нашла
место в архитектуре сетей 3G как
решение, призванное улучшить покрытие сигнала в офисах и жилых
домах (где мобильные абоненты
проводят значительную часть времени), а также разгрузить транспортную сеть сотового оператора.
Установив маломощные передатчики, клиенты получат очень качественный радиосигнал, на который
не смогут «претендовать» пользователи с улицы. Конечно, нужно убедиться, что сигнал не покидает пределы здания и не создает помех
внешним радиосетям. За счет улучшения качества сигнала достигается
более устойчивая голосовая связь и
повышается скорость передачи данных.
По мере развертывания 3Gсетей и других беспроводных решений широкополосного доступа (ШПД)
операторы обнаружили, что вещательная сеть базовых станций, хорошо работавшая для передачи голоса, далека от идеала при передаче данных. Есть много причин этому,
но основная заключается в том, что
в сетях 3G используются более высокие частоты, в результате чего
радиоволны значительно хуже проникают внутрь зданий. Кроме того, к
сетям передачи данных предъявляются более высокие требования к
соотношению «сигнал-шум», особенно если абоненту требуется повышенная скорость передачи трафика данных и голосового трафика.
Кроме того, по [1] 36 % мобильного
трафика данных пользователь получает, находясь дома, (диаграмма
распределения мобильного трафика
данных представлена на рис. 1). По
прогнозам внутри помещений к 2015
году будет генерироваться до 75 %
мобильного трафика, причем 95 %
из него будет составлять передача
данных.
Высокая заинтересованность
разработчиков и производителей в
усовершенствовании качества услуг,
предоставляемых в данной области,
а также необходимость абонентов
всегда быть уверенными в качестве
связи и стали основанием для написания данной статьи.
Femto Access Point – Фемтосотовая точка доступа (фемтосота) — маломощная и миниатюрная
станция сотовой связи, предназначенная для обслуживания небольшой территории (одного офиса или
квартиры).
Одно из наиболее полных
определений фемтосоты дано Фемто Форумом (Femto Forum) и характеризует ее как маломощную точку
беспроводного доступа, работающую в лицензированном спектре частот и обеспечивающую подключение
стандартных
мобильных
устройств к сети оператора с использованием абонентского xDSL
(digital subscriber line, цифровая
абонентская линия) или другого канала ШПД.
Рис. 1. Диаграмма распределения мобильного трафика данных
Общие сведения о
тосотовых точках доступа
фем-
Другими словами - это миниатюрная домашняя базовая станция с
максимальной мощностью излучения менее 0.1 Вт (менее 0.02 Вт для
3G) [2]. Устройство обычно поддерживает от 2 до 8 параллельных разговоров или сессий обмена данными. Фемтосота размещается недалеко от мобильного телефона, что
обеспечивает значительную экономию заряда батареи по сравнению,
например, с Wi-Fi телефонами.
При своей миниатюрности
фемтосота, обладает «интеллектом», достаточным для решения целого ряда задач, в частности, она
обеспечивает:
 автоматическое конфигурирование и настройку по принципу
"Plug&Play" (включил и работай) для
возможности самостоятельной установки оборудования пользователем,
т.е. осуществляется автоматическое
распознавание объекта и внесение
соответствующих изменений в конфигурацию абонентской системы;
 определение местоположения фемтосоты для предотвращения несанкционированного переноса оборудования и поддержки вызовов экстренных служб;
 исключение несанкционированного доступа FAP к макросети
и неавторизированных пользователей к фемтосоте;
 высокое качество предоставляемых услуг (QoS) при передаче
данных через сеть оператора ШПД.
Фемтосоты используют существующие мобильные технологии
(GSM, CDMA, WCDMA, mobileWiMAX,
LTE), работая в лицензированном
спектре частот и тех же полосах частот, что и внешние станции. Кроме
того, они полностью контролируются
и управляются оператором, а также
обладают свойствами самоорганизации и самоуправления. В целом, FAP
фактически являются «умным ра-
дио» для массового рынка. Они используют различную технику для избавления от интерференции, имеют
большой динамический диапазон регулировки мощности и поддерживают
динамическую реконфигурацию под
радиочастотное окружение. При этом
фемто точки доступа позволяют
осуществлять удаленное автоматическое обновление программного
обеспечения (ПО) и профиля услуг,
поддерживают автозагрузку, автосканирование и автоконфигурирование.
Использование
имеющихся
широкополосных соединений для
транспортировки мобильного трафика дает сотовым операторам очевидные преимущества.
Во-первых, снижается стоимость предоставления услуг, так как
xDSL — более дешевый транспорт,
чем опорные магистрали, связывающие обычные базовые станции с
контроллерами БС и мобильным
коммутатором. По Интернет протоколу трафик пользователей сразу же
попадает в ядро операторской сети,
откуда автоматически транслируется либо в Интернет, либо в центр
мобильной коммутации (в зависимости от типа трафика). Во-вторых,
снижая себестоимость услуг, оператор может предлагать специальные
тарифы на обслуживание, выгодно
отличающиеся от базовых.
Упрощенная схема организации соединения FAP с сетью оператора показана на рис. 2.
Радикальное преимущество
решения заключается в том, что
фемтосотовая точка доступа не требует специального частотного планирования и дорогостоящих исследований. Миниатюрная «ячейка» интегрируется в сетевую инфраструктуру почти автоматически. В домашней версии устройства FAP соответствует стандартам plug-&-play и не
требует от пользователя каких-либо
специальных умений и навыков ее
настройки.
Рис. 2. Упрощенная схема организации соединения FAP
с сетью оператора
Для обеспечения информационной безопасности фемтосоты подключаются к шлюзу RAN GW (RGW) через IP-сеть с применением протокола шифрования IPsec. Включение RGW в сеть оператора осуществляется через стандартные интерфейсы Iu-PS и Iu-СS, используемые для подключения контроллеров базовых станций (RNC) (рис. 3).
Рис. 3. Организация сети с использованием фемтосот
Фемтосота работает в стандартном Uu радиоинтерфейсе, обеспечивая
поддержку любых мобильных телефонов соответствующего стандарта и абонентских 3G устройств. Телефонный коммутатор (MSC) и коммутатор данных
(SGSN) взаимодействуют со шлюзом RGW так же, как при обработке звонков в
мобильной сети [3]. Поэтому абонентам доступны все услуги макросети, включая переадресацию, голосовую почту, доступ в интернет и другие.
Однако эти достоинства проявляются при обеспечении радиопокрытия относительно небольших
помещений (типичный радиус действия FAP составляет порядка 20
метров). Если площадь здания достаточно велика, и для качественного радиопокрытия требуется несколько фемтосот, то следует принимать во внимание недостатки
фемтосот. В состав недостатков
входят (по [4]):
 дополнительные меры по
обеспечению управления парком
фемтосот и их последующему техническому обслуживанию;
 моночастотность: поскольку
фемтосоты работают на одной частоте, возникают проблемы обеспечения в здании радиопокрытия при
необходимости присутствия разных
операторов. Владельцу здания придется размещать дополнительные
фемтосоты других операторов, работающих на иных частотах;
 интерференция - фемтосоты «конфликтуют» между собой, что
сказывается на качестве связи. Аналогично WiFi-точкам доступа, фемтосоты требуют выделенных каналов для исключения случаев соканальной интерференции. В результате, операторы вынуждены расходовать на небольшой площади покрытия достаточно большой частотный ресурс;
 проблема hand-off: абоненты, перемещающиеся по зданию,
будут постоянно переключаться
между соседними фемтосотами, или
между микросотой и внешней базовой станцией, что неизбежно скажется на качестве связи и на скорости разряда аккумуляторов;
 необходимость
обеспечения резервной емкости - каждая
фемтосота рассчитана на обслуживание определенного числа абонентов. При проектировании фемтосот
приходится устанавливать избыточные микросоты на случай работы в
час пик. Это непроизводительные
расходы.
Имея в виду такие недостатки
фемтосот, предлагается добавочно
применить систему DAS (Disctributed
antennas systems - распределенные
антенные системы) при построении
сетей внутри здания, в которых реализуются преимущества и DAS, и
фемтосот.
Возможности
построения
DAS системы на основе фемтосот
DAS – распределенные антенно-фидерные устройства, которые не только обеспечивают полноценное покрытие здания в сетях
2G/3G от одного оператора, но и
позволяют подключиться к инфраструктуре DAS другим операторам
сотовой связи. Возможности DAS
еще более востребованы при переходе на сети LTE/4G, ориентированные на передачу мультимегабитных
объемов данных с большой скоростью.
DAS-системы бывают активные (с использованием излучающих
элементов), пассивные (реализованные на кабельных сетях) и комбинированные. В высокоскоростных
системах беспроводной связи используются только активные и комбинированные DAS, которые, в свою
очередь, делятся на DAS для помещений (Indoor DAS) и для открытых
пространств (Outdoor DAS) [5, 6].
Система DAS включает в себя
соединение кабелей и антенн по
зданию для сбалансирования уровней сигнала в каждом узле DAS (рис.
4).
В течение продолжительного
времени DAS системы успешно используются в сетях GSM/UMTS для
улучшения радиопокрытия внутри
зданий. Однако после появления на
рынке многофункциональных мобильных телефонов (смартфонов),
резко увеличивших трафик передачи
данных, основной проблемой стало
не столько качество покрытия внутри зданий, сколько, прежде всего,
обеспечение в сети дополнительной
емкости.
Рис. 4. Пример системы DAS с направленными ответвителями
Эту проблему обычная DASсистема, просто перераспределяющая емкость от макробазовой станции с помощью территориально
распределенных антенн, решить не
в состоянии. Дополнительную емкость в сети можно обеспечить с помощью микробазовых станций фемтосот [4].
Выходом из этой ситуации является использование компромиссного решения - гибридной DAS, в котором реализуются преимущества и
DAS и фемтосот:
поскольку DAS - мультичастотная технология, она может передавать сигналы от разных операторов с помощью единой антенной
системы;
DAS
представляет
собой
практически одну большую соту, что
исключает случаи межсотовой интерференции;
наличие одного сигнала в системе позволяет распределить его
равномерно по всему зданию, что
исключит случаи переключения тер-
миналов между станциями и решает
проблему hand-off;
создание резервной емкости
не нужно, поскольку все антенны в
системе DAS имеют доступ к одной
и той же емкости, так что нет необходимости в инсталлировании дополнительных базовых станций по
всему зданию, достаточно сделать
это в одном месте;
обслуживание системы DAS
менее затратно, чем обслуживание
системы из нескольких фемтосот,
соответственно, меньше операционные расходы;
расходы на обеспечение подвода сигналов из опорной сети также меньше, поскольку DAS требует
только одной точки входа.
При применении фемтосот
для улучшения приема сигнала сетей мобильной связи внутри зданий,
операторы и пользователи получат
определенные преимущества, которые изложены выше. Но эти достоинства работают, обеспечивая радиопокрытия относительно неболь-
ших помещений. Если площадь здания достаточно велика, и для качественного радиопокрытия требуется
несколько фемтосот, приходится
принимать во внимание недостатки
фемтосот. Особенно нужно отметить
интерференцию между FAP и базовыми станциями макросети, и интерференцию между FAP и соседними FAP. Однако, некоторые производители FAP (NEC, Huawei,
Samsung, и т.д.) предлагают свои
технические решения, которые, возможно, решат эти недостатки.
Использованные источники
1. The Casefor UMA - EnabledFemtocells. – http://www.kineto.
com/products/downloads/ /kineto_wp_
UMA_Femto_2007.pdf
2. Huawei ETS-1001 (стационарный терминал) http://www.skylinkshop.ru/?go=catalog&c=30&id=28
3. PC8208 3GPP HSDPA/Rel5
FemtocellBasestation PHY. – Product
brief, http://www.picochip.com/ products/femtocells
4. Reader Forum: Microcells
and DAS belong together - January 31
2011 http://www.rcrwireless.com/ article/20110131/READERFORUM/11011
9954/0
5. How to Properly Design an
In-Building Distributed Antenna System
(DAS) – Bird Technologies Group
http://bird-technologies.com
6. Distributed Antenna Systems: Open Architecture for Future
Wireless Communications – June 16,
2006
http://ecs.umass.edu/~goeckel
/promotion_files/cooperative_spmag.p
df.
Советуем прочитать
Современные беспроводные сети: состояние и перспективы
развития.
Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В., 2009,
Изд-во: ЭКМО, С. 672.
В книге систематизировано изложены теоретические основы передачи информации в беспроводных сетях, принципы построения и
функционирования телекоммуникационных систем семейств стандартов IEEE 802.15, IEEE 802.11, IEEE 802.16, WCDMA/UMTS и
cdma2000. Проводится обсуждение состояния рынка услуг и тенденций развития систем беспроводного широкополосного доступа и сотовой связи. Рассматриваются перспективные радиотехнологии и
особенности реализации беспроводных систем поколений после 3G –
LTE и 4G.
Для студентов радиотехнических специальностей, преподавателей, научных и инженерно-технических работников, аспирантов.