РОЗРОБКА ТА РОЗГОРТАННЯ МЕРЕЖ ЗВ'ЯЗКУ 4‐ГО ПОКОЛІННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ВИСОКОТОЧНИХ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАНЬ

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з пропонованими Аналізаторами спектру, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Оператори телекомунікаційних технологій 4‐го покоління докладно виклали вимоги до мінімальних швидкостей передачі даних на мережах, тому проектувальники повинні знайти способи надійного та недорогого вирішення цих завдань.

Оскільки сучасні телекомунікаційні технології рухаються в напрямку 4G (четвертого покоління), виникає вимога до підтримки мінімальної швидкості 100 Мб/сек при передачі даних у ситуаціях високої мобільності абонентів і 1 Гб/сек при сценаріях невисокої мобільності. Досягнення такої мети може і не скласти великих складнощів, за умови, якщо вважати 4G кінцевою точкою у розвитку технологій, якоюсь фінішною рисою. Насправді, 4G є початковим етапом у розвитку принципово нових підходів у розвитку засобів зв'язку, ‐ якогось середовища, що простягається за межі доступного для огляду майбутнього (див. рис. 1). Життя підтверджує, що коли проектно-інженерний рівень досягає якихось вершин, абоненти обов'язково знайдуть причини, щоб вимагати більшого. Іншими словами: збільшення потоку даних відбувається до того, як готівкова смуга пропускання виявиться забитою для відмови. Як тільки оператор побудує мережу, негайно з'являються потоки даних, що лавиноподібно наростають, а для того, щоб мережева інфраструктура виявилася здатною підтримувати ці процеси і технологічні виклики, вона повинна в свою чергу еволюціонувати відповідно до розвитку подій.

Слід зазначити, що розробники 4G, використовуючи як основу технологію 3G (третє покоління) більше схожі на стрілка по нерухомій цілі з поїзда, що рухається. Різного роду модернізації в рамках 3G, що включають 3.5, 3.75 і 3.9G, по суті, не стирають межу, що відокремлює їх від Святого Грааля 4G, але можуть знизити напруження вимог до якнайшвидшого переходу на мережі нового покоління. До всієї вже відомої суміші з новітніх технологій можна віднести дві головні «фішки» від 4G: LTE (довгострокова еволюція мереж мобільного зв'язку) і WiMAX (загальномірна сумісність широкосмугового бездротового доступу).

Колізії при стандартизації

ITU (Міжнародний Телекомунікаційний Союз) наводить опис пропонованих ключових характеристик 4G, більшість з яких залишають достатньо місця для маневру. ITU закликає до загальносвітової уніфікованості та сумісності, можливості взаємодії з іншими системами радіо доступу, наявності дружніх до користувачів додатків, тим самим наводячи у своїх описах скоріше лише перелік дій, необхідних реалізації всіх своїх рекомендацій, а не чітку описову структуру стандартів відповідності. По суті, тільки швидкість передачі даних, яка позиціонується як мета досягнення, різко відрізняє технологію 4G від своїх попередників. Тим самим, проектувальники піддаються спокусі реалізувати деякі з передбачуваних характеристик 4G, після чого оголосити про завершення чергової розробки проміжного покоління технології бездротового зв'язку, зовсім недалеко від справжньої 4G.

Навіть цільова швидкість, що однозначно характеризує 4G як таку, зовсім не вважається «висіченою в камені». Швидкість в 1 ГБ/сек не лише обмежується умовами низької мобільності абонентів або стаціонарними застосуваннями, але також потребує ідеальних радіо умов і, що найважливіше, не менше ніж 100 МГц смуги пропускання. Частотний діапазон досить завантажений, таким чином знайти смугу в 100 МГц може виявитися проблематично. Слід зазначити, що щодо визначення того, що є насправді 4G, єдиної згоди немає. У різних фахівців щодо цього можуть бути різні погляди. Наприклад, Mark Buffo, директор з розвитку бізнесу Keithley Instruments, вважає, що використання термінології, що відноситься до 4G, має більше маркетингових цілей і, з погляду технічних специфікацій, некоректне. «Деякі існуючі технології зіллються воєдино т.зв. 4G», коментує Buffo. «Ці технології не відповідатимуть теоретичній, задекларованій функціональності, при цьому еволюціонуючи у часі. На даний момент те, що більшість людей описують як 4G, насправді не відображає суті цієї технології і, тим більше, не відповідає очікуваному рівню її продуктивності».

Два лідируючі кандидати на звання 4G мають дещо відмінні один від одного родовід. Розробники так званої LTE Advanced базувалися на технології UMTS (універсальні мобільні телекомунікаційні системи), яку визначає своїми стандартами 3GPP (партнерський проект мереж третього покоління). "Офіційно LTE продовжує залишатися стандартом 3G, незважаючи на те, що абоненти відносять його до 3.9G і що ця технологія не має нічого спільного з UMTS", коментує Moray Rumney, провідний технолог, Agilent Technologies. Розробники LTE-Advanced заморозили розвиток цього стандарту в грудні 2008 р. стосовно базових станцій, мережної інфраструктури та інших централізованих функцій, при цьому планують задіяти цей новий стандарт для Релізу 10 специфікацій 3GPP, анонсування якого має відбутися 2009 року.

Рисунок 1 - Бездротові телекомунікаційні технології зроблять суттєвий ривок у своєму розвитку до 2010 р. (матеріал люб'язно наданий Agilent Technologies)

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИКОРИСТАНОЇ СМУГИ ЧАСТОТ І ШВИДКОСТЕЙ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

Одним рядком:

• Швидкість в 1 Гб/сек на мережах, побудованих за технологією 4G (четверте покоління), обмежується не тільки через низьку мобільність абонентів або стаціонарними застосуваннями, але також і вимогами ідеальних радіо умов (відсутність інтерференції) та наявності щонайменше 100 МГц смуги пропускання;
• Два лідируючі кандидати на звання 4G: LTE (довгострокова еволюція) та WiMAX (загальномірна сумісність широкосмугового бездротового доступу) мають дещо відмінні один від одного родовід;
• Конфігурація інфраструктури та економічна складова під час переходу та адаптації існуючих мереж на технологію 4G можуть стати причинами, з яких з'ясується, що все набагато складніше, ніж раніше планувалося;
• Технологія 4G вимагає широкої смуги пропускання при передачі та прийомі даних, що значно підвищує споживання енергії.

Група, що займається розробкою LTE-Advanced, має намір зробити цей стандарт сумісним з LTE та іншими більш ранніми технологіями для полегшення переходу на 4G. За словами Phil Medd, керівника продукції систем тестування UMTS, Департамент бездротового зв'язку компанії Aeroflex (Великобританія), однією з цілей такого переходу стане спрощення системної архітектури та вимог щодо технічного обслуговування для сумарного зниження витрат на реалізацію проекту мереж 4-го покоління. Повна сумісність із попередніми версіями мобільного зв'язку полегшить усі ці інженерні зусилля. «Спочатку LTE буде лише послугою з передачі даних», каже Phil. "Абоненти продовжуватимуть користуватися звичайним GSM-доступом при трансляції голосу". WiMAX еволюціонував із стандарту IEEE 802.11 WLAN. Мобільний WiMAX покоління 4G перейде у формат IEEE 802.16m, яке, у свою чергу, прийшло з 802.16e. Відмінності між двома згаданими технологіями 4G відбивають витоки їх походження. «Дехто намагається позиціонувати WiMAX як широкосмуговий стандарт», коментує пан Buffo з Keithley. "LTE більш пристосовано під ці завдання, оскільки ця технологія виникла зі світу телекомунікацій, тоді як WiMAX прийшов до нас зі світу передачі даних". Більшість найбільших сервіс провайдерів, таких як Verizon взяли на себе зобов'язання адаптуватися під версію LTE в рамках 4G. Більш маленькі гравці, такі як Sprint, більше тяжіють до Mobile WiMAX.

Для інженерів-проектувальників можуть настати важкі часи, коли вони почнуть продиратися крізь ці технологічні нетрі. Однак, необхідно пам'ятати, що світ, в якому інженерам доводиться працювати і щось створювати, віддалено далеко від текстів і змісту заяв різних організацій, що стандартизують – як це нагадує нам David Hall, керівник продуктової лінійки National Instruments. Стандартами встановлюються вищі швидкості передачі в порівнянні з ранніми технологіями і в цьому полягає, за їхньою версією, кінцева мета 4G. David виходить з очевидного факту, що системи стільникового зв'язку настільки складні, що далеко не всі інженери-розробники наважаться вкидати долю своїх проектів у рамки постулатів і великих умов від стандартизуючих органів, воліючи більше покладатися на такі метрики як ККД живлення-підсилювача, EVM (магнітуда вектора помилки), потужність сусіднього каналу, квадратура перекосу (тимчасової діаграми сигналу), стан та форма шумових сигналів, чутливість. «Зрештою, всепереможна технологія 4G більше визначатиметься як така через квитування встановлення зв'язку, а не тестами в польових умовах», продовжує Hall. Lynne Patterson, керівник з розвитку бізнесу контрольно-вимірювального обладнання для бездротових інфраструктур, Anritsu Corporation, стверджує, що масштаби відносного успіху технологій LTE-Advanced та mobile WiMAX відрізнятимуться залежно від країни та локальних ринкових умов. «На даний момент Північна Америка не потребує широкосмугового доступу, запропонованого за сценарієм mobile WiMAX», говорить Lynne. «Ми вже маємо легкий доступ до широкосмугової спільноти. Тим не менш, у тих частинах світу, де відсутній негайний доступ до будь-якого фіксованого або мобільного широкосмугового доступу, Mobile WiMAX здатний запропонувати значні вигоди».

Реалізація наступного «великого кроку» може виглядати дещо спокусливою. Реальний стан інфраструктури та економічна складова при переході на нове покоління технології зв'язку (4G) тим не менш, вказують на те, що адаптація 4G відбуватиметься повільніше, ніж цього хотілося б її прихильникам. У 112 країнах, 252 оператори вже реалізували технологію HSPA (високошвидкісна пакетна передача даних) - або 3G, яка зараз є найширшою технологією в мобільному зв'язку. Навіть якщо 4G насправді відображає революційний підхід із завданням збільшення швидкостей передачі, як це стверджують її прихильники, то їм доведеться долати величезну інерційність процесів під час заміни існуючої бази мереж мобільного зв'язку. Наприклад, оператор Verizon збирається розгорнути лише невеликі сегменти систем LTE-Advanced наприкінці 2009 р. з метою запуску їх у комерційну експлуатацію лише у 2010 р. Крім того, думка про досяжність простоти в архітектурі мереж нових поколінь виглядає оманливою. «Щодо огляду майбутнього, то виробники мобільних терміналів повинні будуть розробити три діапазонні або чотири діапазонні портативні телефони, здатні сприймати, скажімо, Європейську або Американську версії GSM», продовжує пан Buffo з компанії Keithley. «Користувачі вимагатимуть наявності режимів безшовного переходу із мереж одного покоління до іншого. При цьому трубки абонентів повинні самі визначати, яку саме смугу частот займати для встановлення зв'язку в реальному часі».

Питання розмірів

Алгоритми проектування мобільних терміналів для нової екосистеми телекомунікацій і забезпечення того, щоб нові розробки реально працювали, багато в чому залежатиме від структури самих телекомунікаційних мереж. Ситуації, коли будь-яке обладнання починає мовити на смузі 700 МГц, яку зараз залишають аналогові ТБ станції, або ж на 3.2 ГГц, визначатиме розмір затребуваної для цього антени, а також ступінь впливу на якість зв'язку перешкод різного профілю, як то будівлі чи інші географічні об'єкти, які стоять по дорозі проходження сигналу у його діапазоні. Низькочастотні сигнали можуть проходити на великі відстані, ніж їх високочастотні аналоги при однаковій енергії, що витрачається. На жаль, жодне хороше діяння не залишається безкарним. Розмір антени залежить від довжини сигналу. Нижчі частоти мають більш довгі хвилі і тому вимагають застосування великих за розміром антен. Встановлення відповідної низькочастотної антени на мобільний телефон може виявитися непрактичним рішенням, хоча розробники й зможуть пристосувати таку антену на портативний комп'ютер (laptop). Витрата енергії не так сильно залежить від частоти. Перехід на 4G вимагатиме багатосмугової трансляції та прийому. Багатосмугове функціонування при цьому збільшує витрати енергії, що знижує заряд акумуляторів телефонів та комп'ютерів. Підтримка належних пропускної спроможності та ємності мереж для реалізації високих швидкостей передачі даних та їх об'ємів, може бути лише за допомогою антен MIMO (множинний вхід/множинний вихід), що також робить неабиякий внесок у витрату енергії.

Рисунок 2 - Вимірювальний інструментарій типу радіо комунікаційного тестера від Rohde&Schwarz відіграє значну роль у розвитку технології 4G

Tony Opfermann, керівник групи інженерів-програмістів компанії Rohde&Schwarz розраховує на те, що принаймні на початку процесів переходу на 4G мобільні телефони не матимуть антен MIMO. Швидше, вбудовані плати для широкосмугової мобільної передачі даних під комп'ютери і телевізійні приставки з функціями широкосмугового мовлення/прийому, з'являться більш ймовірними кандидатами для вирішення завдань.

А що за цінами? Більш ніж ймовірно, що розгортання та запуск технології 4G виявиться надзвичайно дорогим задоволенням. Запитання: а скільки взагалі збираються платити абоненти за послуги 4G? Чи не виявиться так, що всі зусилля приведуть лише до заняття дуже специфічної ринкової ніші, що, в результаті, перетвориться не більше, ніж на розкішну іграшку телекомунікаційну? Як проектувальники мають намір збалансувати вимоги до високої функціональності технології 4G з оптимальною вартістю послуг? Пан Buffo з компанії Keithley припускає, що абоненти дотримуватимуться звичок використання найбільш інтелектуальних мобільних терміналів, здатних передавати більше даних і швидше за меншої латентності, при цьому будуть готові платити за всі ці привілеї відповідну ціну. Користувачі мобільного Інтернету вимагатимуть такої ж якості зв'язку, як вони отримують при дротовому з'єднанні. «Фахівці, які займаються прогнозами розвитку тієї чи іншої галузі промисловості, ставлять схожі питання [наприклад, чому абонентам знадобиться певний рівень продуктивності] за будь-яких революційних технологічних змін», продовжує Buffo. "Необхідно враховувати, що інноваційні продукти здатні самі стимулювати потребу ринку в собі". При цьому пан Buffo визнає, що нинішній економічний стан уповільнить реалізацію проектів переходу на 4G, але стверджує, що вже через 5 років ми самі дивуватимемося на предмет того, як ми в минулому могли сумніватися в успішності технології 4-го покоління.

У той же час ступінь затребуваності у високих технологіях істотно змінюватиметься на ринках розвинених країн і країн, що розвиваються. На т.зв. «виникаючих» ринках, де в людей невеликий дохід, класичне співвідношення вартість/функціональність більше схилятиметься до першої складової, тобто. акцент буде на підтримці низьких цін насамперед. Світовий економічний спад змусив абонентів навіть у розвинених країнах стати ощадливішими щодо своїх витрат. Для відповідності цим ринковим реаліям, розробники мобільних терміналів забажають придумати такі рішення, які мали б множинні характеристики за тієї ж вартості, що й раніше, або навіть нижче.

Інші мережні завдання також є величезними викликами для розробників. Експонентне зростання трафіку даних висуває найсерйозніші вимоги до телекомунікаційної інфраструктури. Наприклад, виведення на ринок новітніх трубок iPhone від Apple викликало масоване заклинювання в мережевому трафіку, цілий ряд викликів, що не відбулися, та інших проблем.

При міграції до 4G, оператори повинні бути обізнані про всі негативні моменти та підводні камені, пов'язані з цим процесом. Може так статися, що розробникам мереж останніх поколінь доведеться переосмислити структуру мережевої екосистеми загалом. До цього моменту оператори мобільного зв'язку намагалися підвищити ємність своїх мереж через збільшення пікових і усереднених швидкостей передачі даних, що є дуже дорогим і, як показала практика, неадекватне рішення. Підвищення ємності мережевої архітектури через зменшення розмірів сот також може стати дуже витратною альтернативою. Пан Rumney з компанії Agilent вказує на необхідність т.зв. парадигмі усунення (радикальної зміні чогось: поглядів, технологій etc., ‐ прим. редакції) із задіянням фемто (10 у ступені ‐15) сот. Суть у тому, що кожна стільника здатна покрити лише кілька будівель. У цьому випадку замовник купує базову станцію, ‐ високо інтегрований продукт вартістю, наприклад, $100 і діапазоном дії в межах 10 м. У результаті виходить і не зовсім дешеве рішення, проте здатне значно змінити в позитивному напрямку динаміку витрат грошей як зі боку користувачів, і провайдерів.

Сучасні компанії-виробники базових станцій дотримуються великих проектів, що зовсім не відповідає природі згаданого зсуву. Поява на телекомунікаційному ринку численних нових гравців, які не мають великих бюджетів на реалізацію проектів, проте прискорюють свої потуги і досягають видимих ​​результатів. Спостерігаючи це, після деяких вагань, оператори та традиційні виробники базових станцій все більше і більше стали схилятися до технології фемто сот.

Тестування невідомого

Перебуваючи в епіцентрі всієї цієї плутанини з новими технологіями, виникає питання: а як ви збираєтеся тестувати свої базові станції та обладнання користувачів щодо їх належного функціонування? Стандарти постійно змінюються, при цьому кожен орган, що стандартує, встановлює свої власні критерії тестування. Пан Buffo заперечує тезу, що вимоги технології LTE чітко прописані. Що стосується WiMAX, то її характеристики знаходяться в стані безперервної еволюції, таким чином стає все важче і важче визначити, як виглядатиме остаточна версія цієї технології.

Нові телекомунікаційні технології породили необхідність застосування нових типів вимірювального інструментарію, достатнього гнучкого для здатності адаптуватися під будь-яку нову версію 4G, - стверджує George Reed, віце-президент з маркетингу та впровадження нової продукції компанії Azimuth Systems. Розробникам не залишається іншого вибору, крім покладатися на поточний статус нинішніх стандартів, при цьому витрачати сили на перепроектування та внесення необхідних модифікацій у міру еволюційних змін цих стандартів. До цього дня загальна, глобальна мета тестів не змінилася. Інженери, як і раніше, повинні тестувати кінцевий продукт на функціональність. Очікування того, що виробники контрольно-вимірювального обладнання постійно пропонуватимуть щось нове на базі апаратних засобів, є непрактичним підходом.

Рисунок 3 - Функція спектрограми аналізатора сигналів представляє 3 розмірну картинку сигналу LTE. Вертикальні курсори дозволяють користувачам вибирати окрему ділянку даних у тимчасовому домені, а горизонтальні курсори дають можливість фіксувати для аналізів частоту, що цікавить (матеріали люб'язно надані компанією Anritsu)

Тим не менш, телекомунікаційне обладнання та тестери за своєю природою є радіо системами, а всі радіо системи мають спільні риси (рис. 2). Інструментарій для радіочастотних аналізів здатний захоплювати безліч типів сигналів і піддавати їх вимірювальним алгоритмам, специфічним під кожний стандарт. Виробники обладнання для новітніх технологій можуть модифікувати різноманітні системи, до складу яких входять високопродуктивні DSP, параметричні підсилювачі, ADC і т.д., при одночасному присутності програмно-керованих радіо пристроїв як вимушена відповідь на зміни в стандартах або телекомунікаційних технологіях.

Тестування антен MIMO також вносить складнощі до традиційних методик вимірювань. Представник компанії National Instruments пан Hall зазначає, що вендори все частіше пропонують на ринку все більш і більш гнучкий апаратний інструментарій з прицілом на вирішення завдань, що висуваються MIMO. Нові генератори РЧ сигналів та аналізатори дозволяють здійснювати синхронізацію опорних тактових сигналів та гетеродинів, таким чином, що проектувальники отримують можливість реалізовувати найскладніші режими вимірювань MIMO. Слід також відзначити іншу проблематику, пов'язану з тим, що розробники базових станцій, які працюють з новими стандартами, зазвичай не мають під рукою відповідних терміналів користувачів, щоб переконатися в їхній належній працездатності, з іншого боку, виробники цих терміналів не мають доступу до базових станцій, щоб перевірити якість своїх розробок. Як вихід із такої ситуації можна рекомендувати задіяння режимів імітаційного моделювання, які відтворюють поведінку всіх ділянок мережевої топології. Навантажувальне тестування додає додаткової гнучкості при розробках нових технологій. Крім того, потрібно пам'ятати, що впровадження 4G зовсім не означає того, що всі мережі 3G негайно кануть у лету. Нові проекти повинні будуть безшовно працювати з існуючою інфраструктурою до найближчого майбутнього, доки все не буде узгоджено і підігнано під стандарти 4G. Але до того часу, вже з'являться мережі 5G (п'ятого покоління) і 6G (шостого покоління) і закрутиться новий цикл «розробка тестування узгодження впровадження суміщення». Імітаційне моделювання базових станцій або мобільних телефонів здатне перевірити здатність будь-якої розробки залишатися сумісною з попередніми версіями комунікаційних мереж (див. рис. 3).

Пан Paul Goodling з компанії Rohde&Schwarz констатує, що розробники як LTE-Advanced, так і mobile WiMAX беруть за основу той самий фізичний рівень. LTE має більш чітко визначені специфікації через свої давні «зв'язки» з 3GPP, ‐ стандартизуючою організацією, яка раніше встановила параметри щодо естафетної передачі та безпеки сигналів, що транслюються. Г-н Goodling вважає, що LTE домінуватиме в області бездротових комунікацій, а WiMAX «процвітатиме» в сегменті стаціонарних додатків, як наприклад, домашні телефонні системи та портативні комп'ютери. «Але, коли настане час тестувати обидві ці технології», зазначає Goodling, «те ви відчуєте різницю. Рішення, засноване в рамках «однієї коробки», цілком зможе відповідати всім існуючим стандартам. Такий стан справ полегшить перехід на нові покоління зв'язку». Перехід на комунікації 4G здійснюватиметься через безперервне «підганяння» один під одного існуючих і знову впроваджуваних структур. Спочатку адаптація матиме різнорідний характері і, в міру просування вперед, розширюватися. Як приклад, можна розглядати перехід з 2G на 3G і те саме повториться з мережами наступного покоління. Розробники повинні підтримувати свої «твори» в повній готовності, здатні швидко реагувати на майбутні зміни, викликані еволюціонуючими стандартами. Проте цілком очевидно: затребуваність у новітніх технологіях зв'язку не закінчиться на 4G чи інших наступних поколіннях. Кілька років тому, прогнози в галузі телекомунікацій були дуже оптимістичними і ґрунтувалися на тому, що революція у зв'язку протягом наступних 10 років повторить комп'ютерну революцію за останні 10 років. Деякі фахівці вже зараз отримали повне право вважати такі оцінки зменшеними щодо реальних темпів впровадження новітніх технологій зв'язку.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник Аналізаторів Спектру в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnoho-spektra