Бузина Е.Е., Токарь П.С., Шевченко Е.Н., Закальский Д.В.,Совкова О.И., Кузнецов В.В.
Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ В ОТНОШЕНИИ МАЛЫХ ЯЧЕЕК СОТОВОЙ СВЯЗИ
Аннотация
Несмотря на внедрение передовых технологий связи, таких как MIMO в технологии LTE и все более широкое использование Wi-Fi для разгрузки мобильной сети для большей передачи данных, повсеместно используются малые ячейки сотовых операторов – пикосот или фемтосот. Использование ячеек меньшей мощности, обслуживающих меньшее число пользователей, представляется необходимым для масштабирования пропускной способности сети, особенно в густонаселенных городских районах, где расширение пропускной способности является наиболее серьезным. Однако наследие заполнения покрытия небольших ячеек несколько устарело. Операторы, которые все еще смотрят на эту технологию только с точки зрения масштабирования своей сети, ограничивают свои возможности обслуживания и доходы. Сегодня небольшие ячейки рассматриваются скорее, как бизнес-решение, для запуска новых услуг, а не как инженерное решение для покрытия сотовых ячеек. Поэтому в настоящее время используется такая альтернатива, как распределенные антенные системы.
Ключевые слова: микроячейка, покрытие, преимущества, пикосота, фемтосота, backhaul, fronthaul, распределенная антенная система.
Keywords: microcell, coverage, advantages, picocell, femtocell, backhaul, fronthaul, distributed antenna system.
Сегодня термин малой ячейки (или микроячейка) используется для обозначения фемтосоты, пикосоты, метросоты, и микросоты, в порядке возрастания размера, т. е. от самого маленького до самого большого. Вышеупомянутые маломощные узлы, наложенные на обычно мощную базовую ( macro станцию, макросоту), развертываются для устранения «неосвещенных» радиосигналом участков покрытия в наружной и внутренней средах, повышения спектральной эффективности и пропускной способности сети. Такая сеть, состоящая из нескольких типов ячеек и радиотехнологий, работающих вместе, называется гетерогенной сетью (HetNet). В дополнение к предлагаемой емкости с увеличенным числом узлов сети, HetNets «доставляют» точку доступа ближе к потребителю (за это отвечает handover, о нем речь пойдет ниже) и таким образом они могут эффективно поддерживать передвижение абонента без разъединения с базовой станцией, и более экономную работу батареи мобильного устройства, за счет передачи радиосигнала к ближайшей базовой станции. HetNets также обеспечивает бесшовную интеграцию нелицензионных технологий LAN/PAN в сотовые сети. Существует ряд технических проблем и проблем с развертыванием, с которыми сталкиваются сети малых сот. Некоторые важные из них перечислены ниже:
Backhaul – это опорная сеть передачи данных, связывающая базовые станции с функциональными элементами сети (контроллеры базовых станций и др.). А в случае LTE также обеспечивает возможность соединения базовых станций напрямую между собой. Также должна обеспечиваться возможность предоставления всех необходимых сервисов (синхронизация, качество обслуживания и др.).
Самоорганизация – малые ячейки должны работать в автономном режиме и не требовать частого обслуживания от персонала сотового оператора. Это говорит о том, что такие сети должны уметь самостоятельно оптимизировать свои настройки, для уменьшения взаимных помех между макро и микро ячейками.
Handover — необходимы для бесперебойного обслуживания, когда пользователи перемещаются «в» или «из» зоны покрытия ячейки и балансировки нагрузки трафика. Это, однако, происходит за счет системных накладных расходов, которые могут быть значительными в сетях с небольшими ячейками из-за большого количества ячеек и различных обратных решений для каждого типа ячеек. В сетях с малыми ячейками, в отличие от одноуровневых сотовых сетей, внутриуровневые проблемы интерференции являются очень сложными.
Интерференция: развертывание небольших ячеек, перекрывающих макроячейки, создает новые границы ячеек и, таким образом, увеличивает вероятность того, что пользователи страдают от интерференции между ячейками, что, в свою очередь, ухудшает производительность всей сети. Это становится более важным при развертывании сверхплотного покрытия микроячейками.
Тем не менее, ожидается, что на долю постоянно увеличивающейся доли разгруженного трафика будут приходиться небольшие ячейки, которые уже стали наиболее часто используемым узлом для сотового доступа. К марту 2014 года было отгружено 8,4 млн микроячеек, в том числе 8,1 млн жилых фемтосот, и по меньшей мере 64 оператора коммерчески использовали микроячейки в своих сетях. К февралю 2016 года было отгружено 14 миллионов микроячеек. По прогнозам, в 2020 году доход от микроячеек составит 6 миллиардов долларов.
Сегодня существует несколько архитектур для сетей с малыми ячейками, в зависимости от сценария развертывания. Одним из таких решений называется DAS – distributed antenna systems (распределенные антенные системы).
Если говорить о преимуществах, то распределенная антенная система (DAS) представляет собой сеть пространственно-разделенных антенн, подключенных к общему источнику через транспортную среду. Антенны относительно небольшие и служат в качестве ретрансляторов для обеспечения беспроводной связи в пределах определенной географической области или структуры. Системы DAS, по существу, транспортные системы, которые принимают сигналы (по радиоканалу или через проводные технологии) от одного источника и транспортируют его к другим. Распределенные антенные системы могут быть размещены в помещении или на открытом воздухе. Идея состоит в том, чтобы разделить передаваемую мощность между отдельными антеннами, расположенными в изолированных местах плохого покрытия, например, на разных этажах, чтобы обеспечить однородное покрытие.
Распределенные антенные системы могут быть пассивными или активными. В пассивных DAS, различные компоненты (такие как коаксиальные кабели, сплиттеры, краны, амортизаторы, и др.) используются для разделения мощности сигнала между антеннами. Они в основном запускают выходную мощность (сигнал) базовой станции через кабели ко многим отдельным антеннам по всему зданию. Хотя пассивный DAS успешно используется в GSM, на более высоких частотах деградация сигнала может значительно повлиять на качество сигнала и становится основной проблемой. Еще одна проблема с пассивной системой возникает в огромных зданиях, установка коаксиальных кабелей невозможна из-за высоких потерь сигнала на большие расстояния. Также, коаксиальные кабели здоровенные и твердые поэтому их установка может быть трудна и дорога. В активном DAS, сигнал пропущен через волоконно-оптические линии связи, из-за этого система может усилить сигнал так, как необходимо. Активный DAS использует различные активные элементы, такие как главный блок и удаленный блок. Оно содержит усилители и конвертеры для того, чтобы контролировать всю доставку сигналов и регулировать уровни сигнала по мере необходимости.
Когда начали появляться небольшие ячейки, DAS были широко развернуты на больших площадках. Считалось, что небольшие ячейки (микроячейки) делают DAS устаревшими, поскольку они недороги и просты в развертывании, но этого не произошло и вряд ли произойдет, поскольку эти две технологии имеют некоторые фундаментальные различия, несмотря на их сходные функции, которые обеспечивают непрерывность для них обоих.
Таким образом, несколько операторов могут совместно использовать системы DAS для снижения затрат на развертывание и эксплуатацию. Кроме того, DAS не обращает внимания на технологию «air interface»: они могут одновременно обрабатывать 2G/3G/LTE и даже Wi-Fi. С другой стороны, микроячейки – это оборудование одиночного-оператора и располагая их внутри зданий, они имеют значительно меньшую мощность излучения, чем DAS. Также одним из преимуществ является то, что совместное использование небольших ячеек не так просто, как совместное использование DAS.
Подводя итог, следует отметить, что, хотя DAS были затенены подходом с микроячейками к внутреннему покрытию, этот метод остается актуальным во многих ситуациях, и в последнее время операторы чаще начинают применять распределенные антенные системы в закрытых помещениях. Эти две технологии дополняют друг друга. Поэтому одним из технологических решений, для высококачественного покрытия, является совместное использование вышеперечисленных технологий.
Литература:
- Martin Sauter // From GSM to LTE-Advanced Pro and 5G, 2017, 530 с.
- Дшхунян В.Л., Шаньгин В.Ф. Электронная идентификация: Бесконтактные электронные идентификаторы и смарт-карты. Серия: Информационная безопасность. Москва , 2004г., 696с.
- M. Yang, Y. Li, D. Jin, L. Su, S. Ma, L. Zeng, OpenRAN: a software-defined ran architecturevia virtualization, in Proceedings of the ACM SIGCOMM (2013), pp. 549–550
- Distributed base stations, http://www.speed2design.com/reports/DBS_Application_Note. pdf. Accessed Apr 2016