Современная радиорелейная связь

Радиорелейная связь - особый тип беспроводной связи, позволяющий передавать данные на большие расстояния (десятки и сотни километров), с высокой пропускной способностью (от сотен мегабит до нескольких гигабит). Прием и передача данных разнесены по разным частотам и происходят одновременно - все РРЛ работают в режиме полного дуплекса. 

В сегодняшней статье мы рассмотрим:

• Для чего используют РРЛ.
• Чем радиорелейная связь отличается от беспроводной связи по WiFi.
• Преимущества и недостатки РРЛ по сравнению с волоконнооптическими линиями.
• Частоты, на которых работают РРС.
• Условия развертывания РРЛ и дальность связи.
• Технологии формирования сигнала в РРЛ: PDH и SDH.
• Надежность радиорелейной связи.
• Конструкция радиорелейных станций.
• Современные, доступные по цене РРЛ - Ubiquiti AirFiber.

Применение радиорелейной связи

Радиорелейные станции (РРС) обычно используются:

• для создания высокоскоростных беспроводных магистралей провайдерами, сотовыми операторами,
• в крупных корпоративных сетях для передачи информации по беспроводным мостам между различными подразделениями,
• для каналов "последней мили" и других подобных задач.

Основные отличия РРЛ от беспроводной связи по Wi-Fi:

• Собственные диапазоны передачи сигнала и стандарты связи.
• Использование высокоэффективных модуляций сигнала (256QAM, 1024QAM).
• Тип передачи данных - направленный (РРЛ комплектуется узконаправленными антеннами). На радиорелейках строят, в основном, беспроводные мосты, раздача трафика в режиме точка-многоточка не используется.
• Высокая пропускная способность и дальность связи.
• Полный дуплекс каналов.

Кроме того, в радиорелейной связи, в отличие от обычного WiFi, активно применяется:

• агрегирование каналов для повышения пропускной способности пролета;
• резервирование канала передачи для повышения надежности соединения;
• ретрансляция сигнала от станции к станции для увеличения общей дальности передачи.

Преимущества и недостатки радиорелейного канала связи по сравнению с волоконнооптическими линиями:

Преимущества:

• Возможность построить РРЛ в местности со сложными географическими условиями (горы, ущелья, болота, леса и т. д.), где прокладка оптоволоконной магистрали невозможна или экономически нецелесообразна.
• Быстрота возведения - буквально несколько дней. Для запуска РРЛ нужно только установить станции в начальных, конечных и, возможно, промежуточных точках, не нужно прокладывать кабель на всем протяжении трассы.
• Отсутствие риска падения канала связи из-за повреждения или кражи кабеля.
• Низкая себестоимость беспроводной трассы.

Основной недостаток радиорелейной линии (РРЛ) по сравнению с оптоволокном - невозможность достижения действительно высокой пропускной способности. Максимум, что вы можете получить по беспроводу - это до 10 Гбит/сек, в то время, как скорость по оптоволоконной магистрали измеряется терабитами.

Несмотря на узкую нишу, существует довольно много различных типов радиорелейных станций. Ниже мы рассмотрим их основную классификацию и общие характеристики, а также серию радиорелеек Ubiquiti, оптимальных по соотношению цена/производительность для украинского сегмента рынка.

Частота работы радиорелейных станций

Диапазон частот, который может использоваться для развертывания РРЛ, чрезвычайно широк - от 400 Мгц до 94 ГГц. В Украине чаще всего радиорелейные станции работают на 5, 7, 8, 11, 13, 18 ГГц и на высоких частотах (70-80 ГГц).

Так как разбег частот большой, особенности развертывания линков на них и характеристики связи серьезно отличаются. Можно выделить основные закономерности:

 Чем выше частота, тем больше затухание сигнала в атмосфере (в децибелах на километр). Правда, зависимость не линейная - на рисунке ниже можно видеть, что в диапазоне 60 ГГц показатель затухания резко зашкаливает, далее снижается и растет постепенно.

Соответственно, чем выше частота - тем меньше дальность связи. Если радиорелейные линии на 5 ГГц, 7 ГГц - это 40-50 и более км, то на 70-80 ГГц - до 10 км, а на 60 ГГц - еще меньше, из-за пикового затухания.

 Чем выше частота, тем большее влияние на сигнал оказывают атмосферные осадки. В диапазоне 2-8 ГГц их влияние на мощный радиорелейный канал практически незаметно, а в диапазонах выше 40 ГГц дождь становится серьезной помехой. Смотрим график зависимости: 

 Чем выше частота, тем большей пропускной способности можно достичь на радиорелейной линии, за счет использования широких частотных каналов внутри диапазона (56 МГц, 112 МГц и более). Сейчас активно осваиваются так называемые диапазоны V-Band и E-Band - 60 ГГц и 70-80 ГГц. Скорость радиорелейной линии здесь может достигать 10 Гбит/сек.

Условия развертывания РРЛ и дальность связи

Сейчас, в основном, используется и производится оборудование для радиорелейной связи прямой видимости - станции должны располагаться в зоне так называемой радиовидимости друг друга. Сигнал от станции к станции не должен встречать на пути препятствий, в том числе в зоне Френеля. Для увеличения расстояния видимости и исключения попадания в зону Френеля препятствий и земной поверхности, станции размещают на высоких мачтах - это помогает увеличить дальность пролета.

Но из-за естественного искривления поверхности Земли максимальная дальность беспроводного линка между двумя радиорелейными станциями составляет обычно не более 100 км (на равнинной местности - до 50 км).

Хотя, при удачном рельефе местности, можно достичь и большего - как в примере компании Ubiquiti, прокинувшей беспроводной мост на AirFiber 5X на 225 км (подробности на сайте производителя): 

Также для дальности связи, как мы уже сказали выше, имеет значение диапазон, в котором работает радиорелейное оборудование:

• Станции на низкой частоте - "дальнобойные", в среднем до 35 км, в хороших условиях до 80-100 км.
• Дальность связи на высоких частотах - до 10 км.

Технологии PDH и SDH

Все используемые сейчас РРЛ разделяются на два основных типа:

• с использованием технологии передачи PDH (плезиохронной цифровой иерархии),
• с использованием технологии передачи SDH (синхронной цифровой иерархии).

 Передача данных по радиорелейной связи с использованием технологии PDH на практике происходит по 4 видам потоков:

В теории существует еще поток E5, со скоростью 565 Мбит/сек, но на практике, по рекомендациям стандарта G.702, он не используется. Поэтому 139 Мбит/сек - это фактически, максимум пропускной способности данной технологии радиорелейной связи. Неудивительно, что PDH на данный момент считается устаревшей технологией, хотя еще достаточно работающих РРЛ, произведенных с ее использованием.

Второй ее существенный недостаток - мультиплексирование и демультиплексирование происходят достаточно медленно, что вызывает задержки на канале.

 SDH, или синхронная цифровая иерархия - новая технология, обеспечивающая гораздо более актуальные скорости передачи. Когда говорят о скорости радиорелейного оборудования с технологией SDH, используется понятие синхронного транспортного модуля - STM. Скоростные потоки образуются путем умножения базового потока STM-1 на 4, 16, 64, 256 и т. д.

Картина уже поинтересней, согласитесь. И STM-1024 - это еще не ограничение, теоретически скорость может быть больше. 

При этом оборудование SDH полностью совместимо с радиорелейными станциями, спроектированными под PDH.

Надежность радиорелейной связи

Радиорелейная связь считается одной из самых надежных среди беспроводных способов передачи данных. Это обеспечивается как различными прогрессивными технологиями беспроводной передачи, так и активным применением резервирования каналов (стволов) связи - так называемые конфигурации N+1 (1+1, 2+1). Это может быть:

• "холодное" резервирование, с подключением дополнительного комплекта приемо-передающего оборудования в выключенном состоянии;
• "горячее" резервирование, с одновременной передачей данных по резервному каналу. Для исключения взаимных помех каналы разносятся в пространстве (ПР - пространственное разнесение) или по частотам (ЧР - частотное разнесение).

Конструкция радиорелейных станций

Радиорелейные станции можно разделить на два типа.

 Первый - это радиорелейные станции, состоящие из 3 модулей:

• внутреннего блока (IDU), устанавливаемого в помещении в непосредственной близости от телекоммуникационного оборудования. Внутренний блок отвечает за питание, мультиплексирование, модулирование сигнала, коммутирование, передачу данных в сеть LAN;
• внешнего блока (ODU), преобразующего частоту сигнала из служебной в частоту, на которой будет вестись передача, и обратно, усиление мощности передатчика при необходимости и т. д.;
• приемо-передающей антенны.

Здесь нужно уточнить, что производители по-разному распределяют функционал между внутренним и наружным блоками, вплоть до того, что внутреннему модулю могут остаться только функции питания, защиты и подключения к LAN-сети, а большая часть активного функционала передается во внешний блок.

Внешний и внутренний блоки соединяются коаксиальным кабелем, антенна и внешний модуль могут соединяться непосредственно или также с помощью кабеля. Одним из очевидных недостатков такой конструкции является кабельное соединение, приводящее к потерям на пути от передатчика к антенне, а также двойное преобразование сигнала с частоты на частоту.

 Второй тип радиорелейных станций - это интегрированные системы, в которых весь функционал сосредоточен в наружном блоке. Антенны в них могут быть встроенными, соединяться с передатчиком непосредственно, или с помощью RF-кабеля - все это существенно снижает потери, по сравнению с обычным, довольно протяженным кабельным соединением. РРЛ второго типа гораздо более компактны.

В качестве примера радиорелейных станций интегрированного типа можно привести серию AirFiber компании Ubiquiti.

Современные радиорелейные станции Ubiquiti - AirFiber

Несколько лет назад американский вендор, специализирующийся на производстве беспроводного оборудования, выпустил на рынок устройства операторского класса - радиорелейные станции Ubiquiti AirFiber. Первые модели работали в диапазоне 24 ГГц, чуть позже были выпущены устройства для 5 ГГц, еще чуть позже - линейка AirFiber X, в которой сейчас есть модели для нескольких диапазонов.

Радиорелейные станции AirFiber стали на тот момент по-настоящему революционным событием: компания предлагала пропускную способность до 1,5 Гбит/сек в полном дуплексе (750 Мбит/сек в одну сторону) на расстоянии до 13 км по очень приятной цене (для оборудования такого класса).

В радиорелейных станциях Ubiquiti:

• в одном корпусе собраны внешний, внутренний блоки и антенны (для серии AirFiber, в AirFiber X - антенны внешние);
• используется технология MIMO XPIC (с подавлением кроссполяризационных помех) для повышения пропускной способности канала;
• используется адаптивная модуляция для повышения надежности связи в любых погодных условиях;
• отсутствуют потери в антенно-фидерном тракте, благодаря непосредственному соединению модулей, без использования кабеля - в моделях со встроенными антеннами;
• меньшие потери в антенно-фидерном тракте в моделях со внешним антеннами - благодаря предельно короткой длине соединительного кабеля;
• сигнал формируется сразу на частоте излучения, без использования промежуточной частоты, благодаря чему также повышается эффективность работы.

Иллюстрация технологии адаптивной модуляции:

Сейчас компания выпускает 4 модели РРЛ со встроенными антеннами и 6 моделей без антенн, к которым можно подключать антенны разного усиления.

Модель	Внешний вид	Антенна	Дальность	Скорость	Диапазон	Особенности
AF5		Встроенная, 23 dBi, 6°, двойная наклонная поляризация	100 км	1,2 Гбит/сек	5,470 - 5,875 ГГц	1024QAM MIMO HDD (полудуплекс), FDD (полный дуплекс)
AF5U		Встроенная, 23 dBi, 6°, двойная наклонная поляризация	100 км	1,2 Гбит/сек	5,725 - 6,200 ГГц	1024QAM HDD (полудуплекс), FDD (полный дуплекс)
AF24		Встроенная, 33 dBi, 3,5°, двойная наклонная поляризация	13 км	1,4 Гбит/сек	24,05 - 24,25 ГГц	64QAM HDD (полудуплекс), FDD (полный дуплекс)
AF24HD		Встроенная, 33 dBi, 3,5°, двойная наклонная поляризация	20 км	2 Гбит/сек	24,05 - 24,25 ГГц	256QAM HDD (полудуплекс), FDD (полный дуплекс)
AF-2X		Внешняя. Подходят модели: AF-2G24-S45	200 км	500 Мбит/сек	2,300 - 2,700 ГГц	1024QAM HDD (полудуплекс)
AF-3X		Внешняя. Подходят модели: AF-3G26-S45	200 км	500 Мбит/сек	3,300 - 3,900 ГГц	1024QAM HDD (полудуплекс)
AF-4X		Внешняя. Подходят модели: AF-5G30-S45 AF-5G34-S45 RD-5G30 RD-5G34	200 км	500 Мбит/сек	4,700 - 4,990 ГГц	1024QAM HDD (полудуплекс)
AF-5X		Внешняя. Подходят модели: AF-5G23-S45 AF-5G30-S45 AF-5G34-S45 RD-5G30 RD-5G34	200 км	500 Мбит/сек	5,470 - 5,875 ГГц	1024QAM HDD (полудуплекс)
AF-11FX-H		Внешняя. Подходят модели: AF-11G35	300 км	1,2 Гбит/сек	10,700 - 10955 ГГц 11,200 - 11,445 ГГц	1024QAM FDD (полный дуплекс)
AF-11FX-L		Внешняя. Подходят модели: AF-11G35	300 км	1,2 Гбит/сек	10,940 - 11,200 ГГц, 11,440 - 11,700 ГГц	1024QAM FDD (полный дуплекс)

К серии AirFiber X дополнительно можно купить мультиплексор, объединяющий несколько устройств в один пролет. Есть модели на 2 AirFiber (4×4 MIMO) и на 4 AirFiber (8×8 MIMO).

С помощью мультиплексора можно организовать агрегацию или резервирование каналов, правда, нельзя сказать, что здесь эти технологии реализованы в совершенстве - например, агрегация настраивается не на самих AirFiber, а на роутере. Точно так же, как и управление переключением на резервный канал осуществляется извне.

Итак, основные выводы:

 Основные преимущества РРЛ - независимость от сложного рельефа местности, высокая пропускная способность, дальность связи и надежность, в основном, благодаря возможности резервирования каналов.

Основные недостатки - невысокий порог пропускной способности по сравнению с ВОЛС, влияние погодных условий на сигнал, высокая цена.

Современная радиорелейная связь активно осваивает частоты 70-80 ГГц, с высоким потенциалом пропускной способности, поэтому списывать со счетов возможности беспроводной связи пока рано. У соседей есть примеры РРЛ оборудования с возможностью линка до 10 Гбит/сек на расстоянии до 8 км. 

Привычная многим конструкция РРС из трех блоков, у многих производителей постепенно уступает место компактным устройствам с одним блоком + встроенная или внешняя антенна, в которых удается избежать потерь на кабельных соединениях и на преобразовании частоты.

РРЛ Ubiquiti AirFiber - на данный момент одно из наиболее оптимальных решений для украинского рынка, по соотношению цена/производительность/надежность.