Сучасний радіорелейний зв'язок

Радіорелейний зв'язок - особливий тип бездротового зв'язку, що дозволяє передавати дані на великі відстані (десятки та сотні кілометрів), з високою пропускною здатністю (від сотень мегабіт до кількох гігабіт). Прийом та передача даних рознесені за різними частотами і відбуваються одночасно - всі РРЛ працюють у режимі повного дуплексу. 

У сьогоднішній статті ми розглянемо:

 

ЗАСТОСУВАННЯ РАДІОРЕЛЕЙНОГО ЗВ'ЯЗКУ

Радіорелейні станції (РРС) зазвичай використовуються:

  • для створення високошвидкісних бездротових магістралей провайдерами, стільниковими операторами,
  • у великих корпоративних мережах для передачі інформації по бездротових мостах між різними підрозділами,
  • для каналів "останньої милі" та інших подібних завдань.

 

Використання РРЛ
РРС порівняно  рідко застосовуються в сегменті SOHO і приватними особами, так як їх використання найчастіше вимагає ліцензування і  коштують вони набагато дорожче за обладнання WI-FI, навіть провайдерського класу.
 
Крім продуктивності, висока ціна виправдовує себе тривалим терміном служби обладнання: більшість моделей провідних вендорів радіорелейних станцій розраховано на кілька десятків років служби (20-30 років), у тому числі в суворих кліматичних умовах.
 

ОСНОВНІ ВІДМІННОСТІ РРЛ ВІД БЕЗДРОТОВОГО ЗВ'ЯЗКУ WI-FI:

  • Власні діапазони передачі сигналу та стандарти зв'язку.
  • Використання високоефективних модуляцій сигналу (256QAM, 1024QAM).
  • Тип передачі - спрямований (РРЛ комплектується вузькоспрямованими антенами). На радіорелейках будують, переважно, бездротові мости, роздача трафіку як точка-многоточка не використовується.
  • Висока пропускна здатність та дальність зв'язку.
  • Повний дуплекс каналів.

 

Крім того, в радіорелейному зв'язку, на відміну від звичайного WiFi, активно застосовується:

  • агрегування каналів підвищення пропускну здатність прольоту;
  • резервування каналу передачі підвищення надійності з'єднання;
  • ретрансляція сигналу від станції до станції збільшення загальної дальності передачі.

 

ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ РАДІОРЕЛЕЙНОГО КАНАЛУ ЗВ'ЯЗКУ В ПОРІВНЯННІ З ВОЛОКОННООПТИЧНИМИ ЛІНІЯМИ:

Переваги:

  • Можливість побудувати РРЛ у місцевості зі складними географічними умовами (гори, ущелини, болота, ліси тощо), де прокладання оптоволоконної магістралі неможливе або економічно недоцільне.
  • Швидкість зведення – буквально кілька днів. Для запуску РРЛ потрібно встановити станції в початкових, кінцевих і, можливо, проміжних точках, не потрібно прокладати кабель на всьому протязі траси.
  • Відсутність ризику падіння каналу зв'язку через пошкодження чи крадіжку кабелю.
  • Низька собівартість бездротової траси.

 

Основний недолік радіорелейної лінії (РРЛ) порівняно з оптоволокном - неможливість досягнення справді високої пропускної спроможності. Максимум, що ви можете отримати бездротовим - це до 10 Гбіт/сек, в той час, як швидкість по оптоволоконної магістралі вимірюється терабітами.

Незважаючи на вузьку нішу, існує багато різних типів радіорелейних станцій. Нижче ми розглянемо їх основну класифікацію та загальні характеристики, а також серію радіорелей Ubiquiti, оптимальних за співвідношенням ціна/продуктивність для українського сегменту ринку.

ЧАСТОТА РОБОТИ РАДІОРЕЛЕЙНИХ СТАНЦІЙ

Діапазон частот, який можна використовувати для розгортання РРЛ, надзвичайно широкий - від 400 МГц до 94 ГГц. В Україні найчастіше радіорелейні станції працюють на 5, 7, 8, 11, 13, 18 ГГц та на високих частотах (70-80 ГГц).

Так як розбіг частот великий, особливості розгортання лінків на них та характеристики зв'язку серйозно відрізняються. Можна виділити основні закономірності:

 Чим вища частота, тим більше загасання сигналу в атмосфері (у децибелах на кілометр). Правда, залежність не лінійна - на малюнку нижче можна бачити, що в діапазоні 60 ГГц показник загасання різко зашкалює, далі знижується і поступово зростає.

Згасання радіосигналу в атмосфері

Відповідно, що вище частота - то менше дальність зв'язку. Якщо радіорелейні лінії на 5 ГГц, 7 ГГц – це 40-50 і більше км, то на 70-80 ГГц – до 10 км, а на 60 ГГц – ще менше, через пікове згасання.

 Чим вище частота, тим більший вплив на сигнал надають атмосферні опади. У діапазоні 2-8 ГГц їх вплив на потужний радіорелейний канал практично непомітний, а в діапазонах вище 40 ГГц дощ стає серйозною перешкодою. Дивимося графік залежності: 

Згасання радіосигналу через дощ

 Що частота, то більшої пропускної спроможності можна досягти на радіорелейної лінії, за рахунок використання широких частотних каналів всередині діапазону (56 МГц, 112 МГц і більше). Зараз активно освоюються так звані діапазони V-Band та E-Band – 60 ГГц та 70-80 ГГц. Швидкість радіорелейної лінії тут може сягати 10 Гбіт/сек.

УМОВИ РОЗГОРТАННЯ РРЛ ТА ДАЛЬНІСТЬ ЗВ'ЯЗКУ

Зараз, в основному, використовується та виробляється обладнання для радіорелейного зв'язку прямої видимості - станції повинні розташовуватися в зоні так званої радіовидимості одна одної. Сигнал від станції до станції повинен зустрічати по дорозі перешкод, зокрема у зоні Френеля. Для збільшення відстані видимості та виключення попадання в зону Френеля перешкод та земної поверхні станції розміщують на високих щоглах – це допомагає збільшити дальність прольоту.

Але через природне викривлення Землі максимальна дальність бездротового лінка між двома радіорелейними станціями становить зазвичай трохи більше 100 км (на рівнинній місцевості - до 50 км).

Пряма видимість для радіорелейних станцій

Хоча, при успішному рельєфі місцевості, можна досягти і більшого - як у прикладі компанії Ubiquiti, що прокинула бездротовий міст на AirFiber 5X на 225 км ( подробиці на сайті виробника ): 

Радіорелейна лінія на 225 км

Також для дальності зв'язку, як ми вже сказали вище, має значення діапазон, в якому працює радіорелейне обладнання:

  • Станції на низькій частоті – "дальнобійні", в середньому до 35 км, у добрих умовах до 80-100 км.
  • Дальність зв'язку на високих частотах – до 10 км.

 

ТЕХНОЛОГІЇ PDH ТА SDH

Усі використовувані зараз РРЛ поділяються на два основні типи:

  • з використанням технології передачі PDH ( плезіохронної цифрової ієрархії) ,
  • із використанням технології передачі SDH (синхронної цифрової ієрархії).

 

 Передача даних з радіорелейного зв'язку з використанням технології  PDH на практиці відбувається за 4 видами потоків:

Назва потоку  Як утворюється Швидкість 
E1 32 канали даних (по 64 кбіт/сек кожен) збираються єдиний потік E1, який вважається базовим потоком PDH. 2 Мбіт/сек
E2 Мультиплексування (об'єднання) 4 потоків E1. 8 Мбіт/сек
E3 Мультиплексування (об'єднання) 4 потоків E2. 34 Мбіт/сек
E4 Мультиплексування (об'єднання) 4 потоків E3. 139 Мбіт/сек

 

Теоретично існує ще потік E5, зі швидкістю 565 Мбіт/сек, але практично, за рекомендаціями стандарту G.702, не використовується. Тому 139 Мбіт/сек - це власне, максимум пропускної спроможності цієї технології радіорелейного зв'язку. Не дивно, що PDH на даний момент вважається застарілою технологією, хоча ще досить РРЛ, що працюють, вироблених з її використанням. 

Другий її суттєвий недолік - мультиплексування та демультиплексування відбуваються досить повільно, що викликає затримки на каналі.

Формування сигналу в PDH

 SDH, або синхронна цифрова ієрархія  - нова технологія, що забезпечує більш актуальні швидкості передачі. Коли говорять про швидкість радіорелейного обладнання із технологією  SDH, використовується поняття синхронного транспортного модуля - STM. Швидкісні потоки утворюються шляхом множення базового потоку STM-1 на 4, 16, 64, 256 і т.д.

Позначення потоку Пропускна здатність
STM-1 155 Мбіт/сек
STM-4 622 Мбіт/сек
STM-16 2,5 Гбіт/сек
STM-64 10 Гбіт/сек
STM-256 40 Гбіт/сек
STM-1024 160 Гбіт/сек

 

Картина вже цікавіша, погодьтеся. І STM-1024 – це ще не обмеження, теоретично швидкість може бути більшою. 

При цьому обладнання SDH повністю сумісне з станціями радіорелей, спроектованими під PDH.

НАДІЙНІСТЬ РАДІОРЕЛЕЙНОГО ЗВ'ЯЗКУ

Радіорелейний зв'язок вважається одним із найнадійніших серед бездротових способів передачі даних. Це забезпечується як різними прогресивними технологіями бездротової передачі, і активним застосуванням резервування каналів (стволів) зв'язку - звані зміни N+1 (1+1, 2+1). Це може бути:

  • "холодне" резервування, з підключенням додаткового комплекту приймально-передавального обладнання у вимкненому стані;
  • "гаряче" резервування, з одночасною передачею даних по резервному каналу. Для виключення взаємних перешкод канали розносяться у просторі (ПР – просторове рознесення) або за частотами (ЧР – частотне рознесення).

 

Схеми резервування каналів у РРЛ

КОНСТРУКЦІЯ РАДІОРЕЛЕЙНИХ СТАНЦІЙ

Радіорелейні станції можна поділити на два типи.

 Перший - це радіорелейні станції, що складаються з 3 модулів :

Конструкція РРЛ

  • внутрішнього блоку (IDU), що встановлюється у приміщенні у безпосередній близькості від телекомунікаційного обладнання. Внутрішній блок відповідає за живлення, мультиплексування, модулювання сигналу, комутування, передачі даних в мережу LAN;
  • зовнішнього блоку (ODU), що перетворює частоту сигналу зі службової в частоту, на якій вестиметься передача, і назад, посилення потужності передавача при необхідності і т. д.;
  • приймально-передавальної антени.

 

Як працюють модулі радіорелейної станції

Тут потрібно уточнити, що виробники по-різному розподіляють функціонал між внутрішнім та зовнішнім блоками, аж до того, що внутрішньому модулю можуть залишитися лише функції живлення, захисту та підключення до LAN-мережі, а більшість активного функціоналу передається у зовнішній блок.

Зовнішній та внутрішній блоки з'єднуються коаксіальним кабелем, антена та зовнішній модуль можуть з'єднуватися безпосередньо або також за допомогою кабелю. Одним із очевидних недоліків такої конструкції є кабельне з'єднання, що призводить до втрат на шляху від передавача до антени, а також подвійне перетворення сигналу з частоти на частоту.

 Другий тип радіорелейних станцій - це інтегровані системи , у яких весь функціонал зосереджено зовнішньому блоці. Антени в них можуть бути вбудованими, з'єднуватися з передавачем безпосередньо, або  за допомогою RF-кабелю - все це суттєво знижує втрати, порівняно із звичайним, досить протяжним кабельним з'єднанням. РРЛ другого типу набагато компактніші.

Як приклад радіорелейних станцій інтегрованого типу можна навести серію AirFiber компанії Ubiquiti.

СУЧАСНІ РАДІОРЕЛЕЙНІ СТАНЦІЇ UBIQUITI - AIRFIBER

РРЛ AirFiber

Декілька років тому американський вендор, що спеціалізується на виробництві бездротового обладнання, випустив на ринок пристрої операторського класу - радіорелейні станції Ubiquiti AirFiber. Перші моделі працювали в діапазоні 24 ГГц, трохи пізніше були випущені пристрої для 5 ГГц, трохи пізніше - лінійка AirFiber X, в якій зараз є моделі для декількох діапазонів.

Радіорелейні станції AirFiber стали на той момент по-справжньому революційною подією: компанія пропонувала пропускну здатність до 1,5 Гбіт/сек у повному дуплексі (750 Мбіт/сек в один бік) на відстані до 13 км за дуже приємною ціною (для такого класу обладнання) ).

У радіорелейних станціях Ubiquiti:

  • в одному корпусі зібрані зовнішній, внутрішній блоки та антени (для серії AirFiber, AirFiber X - зовнішні антени);
  • використовується технологія MIMO XPIC  (з придушенням кросполяризаційних перешкод) підвищення пропускної спроможності каналу;
  • використовується адаптивна модуляція для підвищення надійності зв'язку у будь-яких погодних умовах;
  • відсутні втрати в антенно-фідерному тракті завдяки безпосередньому з'єднанню модулів, без використання кабелю - в моделях з вбудованими антенами;
  • менші втрати в антенно-фідерному тракті в моделях із зовнішніми антенами - завдяки гранично короткій довжині сполучного кабелю;
  • сигнал формується відразу на частоті випромінювання без використання проміжної частоти, завдяки чому також підвищується ефективність роботи.

 

Ілюстрація технології адаптивної модуляції:

Адаптивна модуляція в залежності від погодних умов

Зараз компанія випускає 4 моделі РРЛ із вбудованими антенами та 6 моделей без антен, до яких можна підключати антени різного посилення.

 Модель Зовнішній вигляд  Антена  Дальність  Швидкість  Діапазон  Особливості
AF5 AirFiber 5 Вбудована, 23 dBi, 6°, подвійна похила поляризація 100 км 1,2 Гбіт/сек 5,470 – 5,875 ГГц

1024QAM MIMO

HDD (напівдуплекс), FDD (повний дуплекс)

AF5U AirFiber 5U Вбудована, 23 dBi, 6°, подвійна похила поляризація 100 км 1,2 Гбіт/сек 5,725 – 6,200 ГГц

1024QAM

HDD (напівдуплекс), FDD (повний дуплекс)

AF24 AirFiber 24 Вбудована, 33 dBi, 3,5 °, подвійна похила поляризація 13 км 1,4 Гбіт/сек 24,05 – 24,25 ГГц

64QAM

HDD (напівдуплекс), FDD (повний дуплекс)

AF24HD AirFiber 24HD Вбудована, 33 dBi, 3,5 °, подвійна похила поляризація 20 км 2 Гбіт/сек 24,05 – 24,25 ГГц

256QAM

HDD (напівдуплекс), FDD (повний дуплекс)

AF-2X AirFiber 2X

Зовнішня. Підходять моделі:

AF-2G24-S45

200 км 500 Мбіт/сек 2,300 – 2,700 ГГц

1024QAM

HDD (напівдуплекс)

AF-3X AirFiber 3X

Зовнішня.

Підходять моделі:

AF-3G26-S45

200 км 500 Мбіт/сек 3,300 – 3,900 ГГц

1024QAM

HDD (напівдуплекс)

AF-4X AirFiber 4X

Зовнішня.

Підходять моделі:

AF-5G30-S45

AF-5G34-S45

RD-5G30

RD-5G34

 

200 км 500 Мбіт/сек 4,700 – 4,990 ГГц

1024QAM

HDD (напівдуплекс)

AF-5X AirFiber 5X

Зовнішня. Підходять моделі:

AF-5G23-S45

AF-5G30-S45

AF-5G34-S45

RD-5G30

RD-5G34

200 км 500 Мбіт/сек 5,470 – 5,875 ГГц

1024QAM

HDD (напівдуплекс)

AF-11FX-H AirFiber 11FX-H

Зовнішня. Підходять моделі:

AF-11G35

300 км 1,2 Гбіт/сек

10,700 – 10955 ГГц

11,200 – 11,445 ГГц

1024QAM

FDD (повний дуплекс)

AF-11FX-L AirFiber 11FX-L

Зовнішня. Підходять моделі:

AF-11G35

300 км 1,2 Гбіт/сек

10,940 – 11,200 ГГц,
11,440 – 11,700 ГГц

1024QAM

FDD (повний дуплекс)

 

До серії AirFiber X додатково можна придбати мультиплексор, який об'єднує кілька пристроїв в один проліт. Є моделі на 2 AirFiber (4×4 MIMO)  та на 4 AirFiber (8×8 MIMO) .

Мультиплексор для Ubiquiti AirFiber

За допомогою мультиплексора можна організувати агрегацію або резервування каналів, щоправда, не можна сказати, що ці технології реалізовані досконало - наприклад, агрегація налаштовується не на самих AirFiber, а на роутері. Так само, як і управління перемиканням на резервний канал здійснюється ззовні.

Отже, основні висновки:

 Основні переваги РРЛ - незалежність від складного рельєфу місцевості, висока пропускна спроможність, дальність зв'язку та надійність, переважно завдяки можливості резервування каналів.

Основні недоліки – невисокий поріг пропускної спроможності порівняно з ВОЛЗ, вплив погодних умов на сигнал, висока ціна.

Сучасний радіорелейний зв'язок активно освоює частоти 70-80 ГГц, з високим потенціалом пропускної спроможності, тому списувати з рахунків можливості бездротового зв'язку поки що рано. У сусідів є приклади РРЛ обладнання з можливістю лінку до 10 Гбіт/сек на відстані до 8 км. 

Звична багатьом конструкція РРС з трьох блоків, у багатьох виробників поступово поступається місцем компактним пристроям з одним блоком + вбудована або зовнішня антена, в яких вдається уникнути втрат на кабельних з'єднаннях і на перетворення частоти.

РРЛ Ubiquiti AirFiber – на даний момент одне з найбільш оптимальних рішень для українського ринку, за співвідношенням ціна/продуктивність/надійність.