Разработка и развёртывание сетей связи 4‐ого поколения при помощи высокоточных средств измерений

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с предлагаемыми Анализаторами спектра, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Операторы телекоммуникационных технологий 4‐ого поколения подробно изложили требования к минимальным скоростям передачи данных на сетях, поэтому проектировщики должны найти способы для надёжного и недорогого решения этих задач

Поскольку современные телекоммуникационные технологии движутся в направлении 4G (четвёртого поколения), то возникает требование к поддержанию минимальной скорости 100 Мб/сек при передаче данных в ситуациях высокой мобильности абонентов и 1 Гб/сек при сценариях невысокой мобильности. Достижение такой цели может и не составить больших сложностей, при условии, если считать 4G конечной точкой в развитии технологий, некоей финишной чертой. На самом деле, 4G представляет собой начальный этап в развитии принципиально новых подходов в развитии средств связи, ‐ некоей среды, простирающейся за пределы обозримого будущего (см. рис. 1). Жизнь подтверждает, что как только проектно‐инженерный уровень достигает каких‐то вершин, абоненты обязательно найдут причины, чтобы требовать большего. Иными словами: увеличение потока данных происходит до того, как наличная полоса пропускания окажется забитой для отказа. Как только оператор построит сеть, немедленно появляются лавинообразно нарастающие потоки данных, а для того, чтобы сетевая инфраструктура оказалась способной поддерживать эти процессы и технологические вызовы, она должна в свою очередь эволюционировать согласно развитию событий.

Следует отметить, что разработчики 4G, используя в качестве основы технологию 3G (третье поколение) больше похожи на стрелка по неподвижной цели из движущегося поезда. Различного рода модернизации в рамках 3G, включающие 3.5, 3.75 и 3.9G, по сути, не стирают черту, отделяющую их от Святого Грааля 4G, но лишь могут снизить накал требований к скорейшему переходу на сети нового поколения. Ко всей уже известной смеси из новейших технологий, можно отнести две главные «фишки» от 4G: LTE (долгосрочная эволюция сетей мобильной связи) и WiMAX (общемировая совместимость широкополосного беспроводного доступа).

Коллизии при стандартизации

ITU (Международный Телекоммуникационный Союз) приводит описания предлагаемых ключевых характеристик 4G, большинство из которых оставляют достаточно места для манёвра. ITU взывает к общемировой унифицированности и совместимости, возможности взаимодействия с другими системами радио доступа, наличия дружественных к пользователям приложений, тем самым приводя в своих описаниях скорее лишь перечень действий, необходимых для реализации всех своих рекомендаций, а не чёткую описательную структуру стандартов соответствия. По сути, только скорость передачи данных, позиционируемая как цель для достижения, резко отличает технологию 4G от своих предшественников. Тем самым, проектировщики подвергаются искушению реализовать некоторые из предполагаемых характеристик 4G, после чего во всеуслышание объявить о завершении очередной разработки промежуточного поколения технологии беспроводной связи, совсем недалеко отстоящей от подлинной 4G.

Даже целевая скорость, однозначно характеризующая 4G как таковую, вовсе не считается «высеченной в камне». Скорость в 1 ГБ/сек не только ограничивается условиями низкой мобильности абонентов или стационарными применениями, но также требует идеальных радио условий и, что важнее всего, не менее 100 МГц полосы пропускания. Частотный спектр достаточно загружен, таким образом отыскать полосу в 100 МГц может оказаться проблематично. Следует отметить, что по части определения того, что есть на самом деле 4G, единого согласия нет. У разных специалистов на этот счёт могут быть разные взгляды. Например, Mark Buffo, директор по развитию бизнеса Keithley Instruments, считает, что использование терминологии, относящейся к 4G, преследует больше маркетинговые цели и, с точки зрения технических спецификаций, некорректно. «Некоторые существующие технологии сольются воедино в т.н. 4G»,‐ комментирует Buffo. «Эти технологии не будут соответствовать теоретической, задекларированной функциональности, при этом эволюционируя во времени. В настоящий момент, то, что большинство людей описывают как 4G, на самом деле не отражает сути этой технологии и, тем более, не соответствует ожидаемому уровню её производительности».

Два лидирующих кандидата на звание 4G имеют несколько отличные друг от друга родословные. Разработчики так называемой LTE‐Advanced базировались на технологии UMTS (универсальные мобильные телекоммуникационные системы), которую определяет своими стандартами 3GPP (партнёрский проект сетей

третьего поколения). «Официально LTE продолжает оставаться стандартом 3G, не смотря на то, что абоненты относят его к 3.9G и что эта технология не имеет ничего общего с UMTS», комментирует Moray Rumney, ведущий технолог, Agilent Technologies. Разработчики LTE‐Advanced заморозили развитие этого стандарта в декабре 2008 г. применительно к базовым станциям, сетевой инфраструктуре и иным централизованным функциям, при этом планируют задействовать этот новый стандарт для Релиза 10 спецификаций 3GPP, анонсирование которого должно состояться в сентябре 2009 г.

Рис. 1 Беспроводные телекоммуникационные технологии совершат существенный рывок в своём развитии к 2010 г. (материал любезно предоставлен Agilent Technologies)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ И СКОРОСТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Одной строчкой:

• Скорость в 1 Гб/сек на сетях, построенных по технологии 4G (четвёртое поколение) ограничивается не только через низкую мобильность абонентов или стационарными применениями, но также и требованиями идеальных радио условий (отсутствие интерференции) и наличия, по меньшей мере, 100 МГц полосы пропускания;
• Два лидирующих кандидата на звание 4G: LTE (долгосрочная эволюция) и WiMAX (общемировая совместимость широкополосного беспроводного доступа) имеют несколько отличные друг от друга родословные;
• Конфигурация инфраструктуры и экономическая составляющая при переходе и адаптации существующих сетей на технологию 4G могут стать причинами, по которым выяснится, что всё намного сложнее, чем ранее планировалось;
• Технология 4G требует наличия широкой полосы пропускания при передаче и приёме данных, что значительно повышает потребление энергии.

Группа, занимающаяся разработкой LTE‐Advanced, намеревается сделать этот стандарт совместимым с LTE и иными более ранними технологиями для облегчения перехода на 4G. По словам Phil Medd, руководителя продукции систем тестирования UMTS, Департамент беспроводной связи компании Aeroflex (Великобритания), ‐ одной из целей такого перехода станет упрощение системной архитектуры и требований по техническому обслуживанию для суммарного снижения расходов на реализацию проекта сетей 4‐ого поколения. Полная совместимость с предыдущими версиями мобильной связи облегчит все эти инженерные

усилия. «Изначально LTE будет представлять собой лишь услугу по передаче данных», говорит Phil.

«Абоненты будут продолжать пользоваться обычным GSM‐доступом при трансляции голоса».

WiMAX эволюционировал из стандарта IEEE 802.11 WLAN. Мобильный WiMAX поколения 4G перейдёт в формат IEEE 802.16m, которое в свою очередь, пришло из 802.16e. Различия между двумя упомянутыми технологиями 4G отражают истоки их происхождения. «Некоторые пытаются позиционировать WiMAX как широкополосный стандарт», комментирует г‐н Buffo из Keithley. «LTE более приспособлено под эти задачи, поскольку эта технология возникла из мира телекоммуникаций, в то время как WiMAX пришёл к нам из мира передачи данных». Большинство из крупнейших сервис провайдеров, таких как Verizon приняли на себя обязательства адаптироваться под версию LTE в рамках 4G. Более маленькие игроки, такие как Sprint больше тяготеют к Mobile WiMAX.

Для инженеров‐проектировщиков могут наступить тяжёлые времена, когда они начнут продираться сквозь эти технологические дебри. Однако, необходимо помнить, что мир, в котором инженерам приходиться работать и что‐то создавать, отстоит далеко от текстов и содержания заявлений различных стандартизирующих организаций – как это напоминает нам David Hall, руководитель продуктовой линейки National Instruments. Стандартами устанавливаются более высокие скорости передачи данных по сравнению с ранними технологиями и в этом заключается, по их версии, конечная цель 4G. David исходит из очевидного факта, что системы сотовой связи настолько сложны, что далеко не все инженеры‐разработчики отважатся ввергать судьбу своих проектов в рамки постулатов и прописных критерий от стандартизирующих органов, предпочитая больше полагаться на такие метрики как КПД питания‐усилителя, EVM (магнитуда вектора ошибки), мощность соседнего канала, квадратура перекоса (временной диаграммы сигнала), состояние и форма шумовых сигналов, чувствительность. «В конце концов, всепобеждающая технология 4G будет больше определяться как таковая через квитирование установления связи, а не тестами в полевых условиях», продолжает Hall.

Lynne Patterson, руководитель по развитию бизнеса контрольно‐измерительного оборудования для беспроводных инфраструктур, Anritsu Corporation, утверждает что масштабы относительного успеха технологий LTE‐Advanced и mobile WiMAX будут различаться в зависимости от страны и локальных рыночных условий. «В настоящий момент Северная Америка не нуждается в широкополосном доступе, предлагаемом по сценарию mobile WiMAX», говорит Lynne. «Мы уже имеем легкий доступ к широкополосному сообществу. Тем не менее, в тех частях света, где отсутствует немедленный доступ к будь‐то фиксированному или мобильному широкополосному доступу, то Mobile WiMAX способен предложить значительные выгоды».

Реализация последующего «большого шага» может выглядеть несколько соблазняющей. Реальное состояние инфраструктуры и экономическая составляющая при переходе на новое поколение технологии связи (4G) тем не менее, указывают на то, что адаптация 4G будет происходить медленнее, чем этого бы хотелось её приверженцам. В 112 странах, 252 оператора уже реализовали технологию HSPA (высокоскоростная пакетная передача данных) – или 3G, которая в настоящий момент является самой широкополосной технологией в мобильной связи. Даже если 4G на самом деле отражает революционный подход с задачей увеличения скоростей передачи,‐ как это утверждают её сторонники, то всем им придётся преодолевать огромную инерционность процессов в ходе замены существующей базы сетей мобильной связи. Например, оператор Verizon собирается развернуть лишь небольшие сегменты систем LTE‐Advanced в конце 2009 г. с целью запуска их в коммерческую эксплуатацию лишь в 2010 г. Кроме того, мнение о достижимости простоты в архитектуре сетей новых поколений выглядит обманчиво. «Что касается обозримого будущего, то производители мобильных терминалов должны будут разработать трёх диапазонные или четырёх диапазонные портативные телефоны, способные воспринимать, скажем, Европейскую или Американскую версии GSM», продолжает г‐н Buffo из компании Keithley. «Пользователи будут требовать наличия режимов бесшовного перехода из сетей одного поколения в другое. При этом трубки абонентов должны будут сами определять, какую именно полосу частот занимать для установления связи в реальном времени».

Вопросы размеров

Алгоритмы проектирования мобильных терминалов для возникающей новой экосистемы телекоммуникаций и обеспечение того, чтобы новые разработки реально работали, будет во многом зависеть от структуры самих телекоммуникационных сетей. Ситуации, когда какое‐либо оборудование начинает вещать на полосе 700 МГц, которую в настоящий момент покидают аналоговые ТВ станции, или же на 3.2 ГГц, ‐ будут определять размер востребованной для этого антенны, а также и степень воздействия на качество связи преград различного профиля, как то здания или иные географические объекты, стоящие на пути прохождения сигнала в его диапазоне. Низкочастотные сигналы могут проходить на большие расстояния, чем их высокочастотные

аналоги при одинаковой затрачиваемой энергии. К сожалению, ни одно хорошее деяние не остаётся безнаказанным. Размер антенны зависит от длины волны сигнала. Более низкие частоты имеют более длинные волны и, поэтому, требуют применения больших по размеру антенн. Установка соответствующей низкочастотной антенны на мобильный телефон может оказаться непрактичным решением, хотя разработчики и смогут приспособить такую антенну на крышку портативного компьютера (laptop). Расход энергии не настолько сильно зависит от частоты. Переход на 4G потребует многополосной трансляции и приёма. Многополосное функционирование при этом увеличивает расход энергии, что снижает заряд аккумуляторов телефонов и компьютеров. Поддержание надлежащих пропускной способности и ёмкости сетей для реализации высоких скоростей передачи данных и их объёмов, может быть лишь посредством антенн MIMO (множественный вход/ множественный выход), что также вносит немалую лепту в расход энергии.

Рис. 2 Измерительный инструментарий, типа радио коммуникационного тестера от Rohde&Schwarz играет значительную роль в развитии технологии 4G

Tony Opfermann, руководитель группы инженеров‐ программистов компании Rohde&Schwarz рассчитывает на то, что по крайней мере в самом начале процессов перехода на 4G, мобильные телефоны не будут иметь антенн MIMO. Скорее, встраиваемые плата для широкополосной мобильной передачи данных под компьютеры и телевизионные приставки с функциями широкополосного вещания/приёма, явятся более вероятными кандидатами для решения стоящих задач.

А что по стоимостям? Более чем вероятно, что развёртывание и запуск технологии 4G окажется чрезвычайно дорогим удовольствием. Вопрос: а сколько вообще собираются платить абоненты за услуги 4G? Не окажется ли так, что все усилия приведут лишь к занятию очень специфической рыночной ниши что, в итоге, превратится не более чем в роскошную телекоммуникационную игрушку? Каким образом проектировщики намереваются сбалансировать требования к высокой функциональности технологии 4G с оптимальной стоимостью за услуги? Г‐н Buffo из компании Keithley предполагает, что абоненты будут придерживаться привычек использования наиболее интеллектуальных мобильных терминалов, способных передавать больше данных и быстрее при меньшей латентности, при этом будут готовы платить за все эти привилегии соответствующую цену. Пользователи мобильного Интернет будут требовать такого же качества связи, как они получают при проводном соединении. «Специалисты, занимающиеся прогнозами развития той или иной отрасли промышленности, задают схожие вопросы [например, почему абонентам потребуется определённый уровень производительности] при любых революционных технологических изменениях», продолжает Buffo.

«Необходимо учитывать, что инновационные продукты способны сами стимулировать потребность рынка в себе». При этом г‐н Buffo признаёт, что нынешнее экономическое состояние замедлит реализацию проектов перехода на 4G, но утверждает, что уже через 5 лет мы будем сами себе удивляться на предмет того, как мы в прошлом могли сомневаться в успешности технологии 4‐ого поколения.

В то же время степень востребованности в высоких технологиях будет существенно варьироваться на рынках развитых стран и развивающихся. На т.н. «возникающих» рынках, где у людей небольшой доход, классическое соотношение стоимость/функциональность будет больше склоняться к первой составляющей, т.е. упор будет на поддержании низких цен в первую очередь. Мировой экономический спад заставил абонентов даже в развитых странах стать более бережливыми в отношении своих расходов. Для соответствия этим рыночным реалиям, разработчики мобильных терминалов пожелают придумать такие решения, которые имели бы множественные характеристики при той же стоимости, что и ранее, а то и ниже.

Другие сетевые задачи также являются огромными «вызовами» для разработчиков. Экспоненциальный рост трафика данных предъявляет серьёзнейшие требования к телекоммуникационной инфраструктуре.

Например, вывод на рынок новейших трубок iPhone от Apple вызвал массированное заклинивание в сетевом трафике, целый ряд не состоявшихся вызовов и иных проблем.

При миграции к 4G, операторы должны быть осведомлены обо всех негативных моментах и подводных камнях, связанных с этим процессом. Может так случиться, что разработчикам сетей последних поколений придётся переосмыслить структуру сетевой экосистемы в целом. До настоящего момента операторы мобильной связи пытались повысить ёмкость своих сетей через увеличение пиковых и усреднённых скоростей передачи данных, что представляет собой очень дорогостоящее и, как показала практика, неадекватное решение. Повышение ёмкости сетевой архитектуры через уменьшение размеров сот также может стать очень затратной альтернативой. Г‐н Rumney из компании Agilent указывает на необходимость в т.н. парадигме смещения (радикальной смене чего‐либо: взглядов, технологий etc., ‐ прим. Редакции) с задействованием фемто (10 в степени ‐15) сот. Суть в том, что каждая сота способна покрыть лишь пару зданий. В этом случае заказчик покупает базовую станцию, ‐ высоко интегрированный продукт стоимостью, к примеру, $100 и диапазоном действия в пределах 10 м. В итоге получается и не совсем дешёвое решение, тем не менее, способное значительно изменить в позитивном направлении динамику расходов денег как со стороны пользователей, так и провайдеров.

Современные компании‐производители базовых станций придерживаются «больших» проектов, что совсем не соответствует природе упомянутого «сдвига». Появление на телекоммуникационном рынке многочисленных новых игроков, у которых отсутствуют большие бюджеты на реализацию проектов, тем не менее, ускоряют свои потуги и добиваются видимых результатов. Наблюдая это, после некоторых колебаний, операторы и традиционные производители базовых станций всё больше и больше стали склоняться к технологии фемто сот.

Тестирование неизвестного

Находясь в эпицентре всей этой неразберихи с новыми технологиями, возникает вопрос: а как вы собираетесь тестировать свои базовые станции и оборудование пользователей на предмет их надлежащего функционирования? Стандарты постоянно меняются, при этом каждый стандартизирующий орган устанавливает свои собственные критерии тестирования. Г‐н Buffo оспаривает тезис, что требования технологии LTE ясно прописаны. Что касается WiMAX, то её характеристики находятся в состоянии непрерывной эволюции, таким образом, становится всё труднее и труднее определить, как же будет выглядеть окончательная версия этой технологии.

Новые телекоммуникационные технологии породили необходимость в применении новых типов измерительного инструментария, достаточного гибкого для способности адаптироваться под любую новую версию 4G, ‐ утверждает George Reed, вице‐президент по маркетингу и внедрению новой продукции компании Azimuth Systems. Разработчикам не остаётся иного выбора, кроме как полагаться на текущий статус нынешних стандартов, при этом тратить силы на перепроектирование и внесение необходимых модификаций по мере эволюционных изменений этих самых стандартов. По сей день, общая, глобальная цель тестов не поменялась. Инженеры, как и ранее, обязаны тестировать конечный продукт на функциональность. Ожидания того, что производители контрольно‐измерительного оборудования будут постоянно предлагать что‐то новое на базе аппаратных средств, является непрактичным подходом.

Рис. 3 Функция спектрограммы анализатора сигналов представляет 3‐х размерную картинку сигнала LTE. Вертикальные курсоры позволяют пользователям выбирать отдельный участок данных во временном домене, а горизонтальные курсоры дают возможность фиксировать для анализов интересующую частоту (материалы любезно предоставлены компанией Anritsu)

Тем не менее, телекоммуникационное оборудование и тестеры по природе своей являются радио системами, а все радио системы имеют общие черты (рис. 2). Инструментарий для радиочастотных анализов способен захватывать множество типов сигналов и подвергать их измерительным алгоритмам, специфическим под каждый стандарт. Производители оборудования для новейших технологий могут модифицировать разнообразные системы, в состав которых входят высокопроизводительные DSP, параметрические усилители, ADC и т.д., при одновременном присутствии программно‐управляемых радио устройств ‐ как вынужденный ответ на вносимые изменения в стандартах или телекоммуникационных технологиях.

Тестирование антенн MIMO также вносит сложности в традиционные методики измерений. Представитель компании National Instruments г‐н Hall отмечает, что вендоры всё чаще предлагают на рынке всё более и более гибкий аппаратный инструментарий с прицелом на решение задач, выдвигаемых MIMO. Новые генераторы РЧ сигналов и анализаторы позволяют осуществлять синхронизацию опорных тактовых сигналов и гетеродинов, таким образом, что проектировщики получают возможность реализовывать самые сложные режимы измерений MIMO. Следует также отметить иную проблематику, связанную с тем, что разработчики базовых станций, работающие с новыми стандартами, обычно не имеют под рукой соответствующих терминалов пользователей, чтобы убедиться в их надлежащей работоспособности, с другой стороны, производители этих терминалов не имеют доступа к базовым станциям, чтобы проверить качество своих разработок. Как выход из такой ситуации, можно рекомендовать задействование режимов имитационного моделирования, которые воспроизводят поведение всех участков сетевой топологии. Нагрузочное тестирование прибавляет дополнительную гибкость при разработках новых технологий. Кроме того, нужно помнить, что внедрение 4G вовсе не означает того, что все сети 3G немедленно канут в лету. Новые проекты должны будут безшовно работать с существующей инфраструктурой до обозримого будущего, до той поры, пока всё не будет согласовано и подогнано под стандарты 4G. Но к тому времени, уже появятся сети 5G (пятого поколения) и 6G (шестого поколения) и закрутится новый цикл «разработка‐ тестирование ‐ согласование‐внедрение‐совмещение». Имитационное моделирование базовых станций или мобильных телефонов способно проверить способность любой разработки оставаться совместимой с более ранними версиями коммуникационных сетей (см. рис. 3).

Г‐н Paul Goodling из компании Rohde&Schwarz констатирует, что разработчики как LTE‐Advanced, так и mobile WiMAX берут за основу один и тот же физический уровень. LTE имеет более чётко определённые спецификации из‐за своих давних «связей» с 3GPP, ‐ стандартизирующей организацией, ранее установившей параметры в отношении эстафетной передачи и безопасности транслируемых сигналов. Г‐н Goodling полагает, что LTE будет доминировать в области беспроводных коммуникаций, а WiMAX станет «процветать» в сегменте стационарных приложений, как например, домашние телефонные системы и портативные компьютеры. «Но, когда наступит пора тестировать обе эти технологии», отмечает Goodling, «то вы почувствуете разницу. Решение, основанное в рамках «одной коробки», вполне сможет соответствовать всем ныне существующим стандартам. Такое состояние дел облегчит переход на новые поколения связи».

Переход на коммуникации 4G будет осуществляться через непрерывную «подгонку» друг под друга существующих и вновь внедряемых структур. Поначалу адаптация будет носить разнородный характер и, по мере продвижения вперёд, расширяться. Как пример, можно рассматривать переход с 2G на 3G и то же самое повторится с сетями следующего поколения. Разработчики должны поддерживать свои «творения» в полной готовности, способными быстро реагировать на предстоящие изменения, вызванные эволюционирующими стандартами. Однако, совершенно очевидно: востребованность в новейших технологиях связи не закончится на 4G или иных последующих поколениях. Несколько лет назад, прогнозы в области телекоммуникаций были очень оптимистичными и основывались на том, что революция в области связи на протяжении последующих

10 лет повторит компьютерную революцию за последние 10 лет. Некоторые специалисты уже сейчас получили полное право считать такие оценки преуменьшенными в отношении реальных темпов внедрения новейших технологий связи.