Как улучшить покрытие сетей GSM/UMTS внутри зданий?

07.04.2007

Проблема обеспечения сетевого покрытия в зданиях и сооружениях (indoor coverage) по мере насыщения рынка становится все более актуальной

No 2 апрель–май 2007 

ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА СВЯЗИ

Н.Ф. Касаткин, менеджер ОАО "Скандинавский Дом"

Проблема обеспечения сетевого покрытия в зданиях и сооружениях (indoor coverage) по мере насыщения рынка становится все более актуальной. Новейшие системы и решения, обеспечивающие indoor-покрытие (indoor systems), позволяют получать существенные дополнительные доходы. В предлагаемой статье приводится краткий обзор современных indoorсистем, анализируются их преимущества и недостатки, приводятся основные критерии выбора подобных систем.

Выгоды очевидны

Все более широкое использование indoor-систем обусловлено следующими очевидными выгодами для операторов и владельцев зданий.

Выгоды операторов

  • Увеличение трафика базовых станций (БС): использование indoor-систем позволяет разгрузить внешние БС и таким образом увеличить трафик вне зданий.
  • Увеличение indoor-трафика: улучшение покрытия внутри здания создает новый трафик. Мировой опыт эксплуатации indoor-систем показывает, что до 80% их трафика приходится на новые звонки, которых не было до внедрения indoor-систем. Удлиняется также продолжительность сеансов связи.
  • Важное маркетинговое преимущество: качественное indoor-покрытие помогает привлекать новых абонентов, уменьшает отток абонентов (churn). Значение этого фактора возрастает по мере появления новых технологий высокоскоростной передачи данных, а также услуг 3G.
  • Экономия на инвестициях и обслуживании: технические возможности распределенных антенных систем (DAS – distributed antenna system) позволяют использовать их сразу несколькими операторами. В связи с этим отпадает необходимость развертывания в здании или сооружении каждым оператором своей собственной indoor-системы. В результате достигается экономия на инвестициях, а также на эксплуатационных расходах.

Выгоды владельцев зданий

  • Создание надежного и качественного беспроводного окружения в офисах: качественное indoor-покрытие внутри зданий позволяет их владельцам привлекать в качестве арендаторов высокотехнологичные компании, пользующиеся услугами мобильных офисов и заинтересованные в развитии корпоративного Интернета, организации беспроводного контроля производственных процессов и т.п.
  • Качественно новый уровень информационного обслуживания: в аэропортах, на вокзалах, в торговых центрах и других крупных сооружениях, оборудованных indoor-системами, посетители получают качественно новые услуги информационного обеспечения (информация о прибытии/отлете, заказ билетов, реклама в duty-free и т.п.).
  • Совмещение беспроводных технологий: современные DAS позволяют создавать в здании единую широкополосную инфраструктуру, обслуживающую все существующие системы беспроводного доступа, включая GSM/EDGE/3G/EVDO/WLAN/Wi-Fi/paging/PMR. В результате отпадает необходимость в параллельном развертывании в здании каждым из операторов своей собственной инфраструктуры.

Какая indoor-система предпочтительнее

Решение этого вопроса зависит как от специфических архитектурных особенностей здания/сооружения, так и от требований владельца здания.

Основные критерии, учитываемые при развертывании indoor-системы

  • Площадь и конфигурация покрытия: нужно ли обеспечить покрытие только в нескольких местах или покрытие должно быть сплошным по всему зданию? Обеспечение покрытия для некоторых подвальных помещений может быть достаточно трудоемким и дорогостоящим.
  • Поддержка нескольких операторов: должно ли indoor-покрытие поддерживать одну или несколько систем сотовой связи? Нужно ли владельцу помещения обеспечивать покрытие для посетителей, пользующихся услугами разных операторов? Ответ на этот вопрос кардинально влияет на выбор системы.
  • Масштабируемость: заказчик должен принять решение, потребуется ли ему в будущем расширять indoorпокрытие и увеличивать емкость обслуживания. Indoor-система должна быть, как правило, масштабируемой и обеспечивать предоставление перспективных услуг, отсутствующих на момент развертывания системы.
  • Интерференция: если в здании находятся чувствительные приборы (например, покрытие организуется в госпитале), возникают требования по ограничению уровня излучаемой мощности. Устанавливаемая indoorсистема должна иметь эффективную систему контроля уровня излучения.
  • Трудоемкость развертывания системы: в некоторых случаях заказчик может иметь специфические требования по времени инсталляции indoor-системы.

С учетом приведенных выше факторов проектировщик принимает решение о типе indoor-системы. Наиболее распространенным вариантом при организации покрытия в небольших зданиях является установка ретранслятора, к которому по коаксиальным кабелям подключаются удаленные антенны, образуя распределенную антенную систему. Для создания нужной топологии сети используются делители мощности и направленные ответвители. Однако применение коаксиальных кабелей ограничивает удаление антенн от ретранслятора до нескольких сотен метров. При большей площади покрытия приходится размещать ретранслятор, а антенны подключать по волоконно-оптическим линиям связи, допускающим удаление антенн от источника радиосигналов на расстояние до 6 км. Применение оптических линий связи требует использования соответствующих модулей преобразования радиосигналов в оптические и обратно.

Организация покрытия с помощью базовых станций

В случае если требуется дополнительная емкость, вместо ретрансляторов ставят базовые станции. В зависимости от пожеланий заказчика возможна также организация indoor-покрытия с использованием системы микро- или пикобазовых станций, устанавливаемых в местах неуверенного приема. Каждый из указанных способов имеет свои преимущества и недостатки, рассмотрим их более подробно.

Преимущества организации indoor-покрытия с использованием микро/пико-БС

  • Быстрота инсталляции, отсутствие необходимости дорогостоящей прокладки кабельных трасс.
  • Возможность использования уже имеющейся в здании инфраструктуры Ethernet для передачи к БС как данных, так и питания.
  • Легкость интеграции в существующую сотовую сеть.
  • Возможность реализации сервиса GSM-over-IP.
  • Простое частотное планирование.
  • Возможность дистанционного мониторинга частотных планов с предоставлением реальных уровней сигналов в различных точках покрытия.
  • Возможность организации мобильного офиса.

Недостатки организации indoor-покрытия с использованием микро/пико-БС

  • При организации покрытия с помощью микро/пикобазовых станций возникают следующие сложности:
  • сложность конфигурации системы: требуется тщательная настройка системы для обеспечения максимально возможного коэффициента повторного использования каналов и минимизации интерференции между сотами;
  • сложность масштабирования системы: в случае добавления или удаления пикосоты вся система подлежит реконфигурированию;
  • возможные проблемы с хендовером: при обеспечении покрытия больших площадей возникают сложности с организацией трафика между пикосотами, поскольку список соседних пикосот ограничен;
  • ограниченная плотность обслуживания: в местах с большим трафиком приходится устанавливать дополнительные пикосоты, что ведет удорожанию системы;
  • общая неэффективность использования пикосот: их приходится конфигурировать с учетом обеспечения наиболее интенсивного трафика, поэтому остальную часть дня они хронически недогружены. Другими словами, оператору приходится тратиться на установку оборудования, которое будет бездействовать 80% времени;
  • невозможность поддержки нескольких операторов: если владельцу здания требуется поддержка нескольких операторов, каждый оператор будет устанавливать свои БС.

Организация покрытия с помощью DAS

Распределенная антенная система, в зависимости от площади покрытия, может быть активной или пассивной. Основным преимуществом DAS перед системами на базе микро/пикосот является возможность передачи широкополосных сигналов (работа в диапазоне частот от 300 МГц до 2,5 ГГц), что позволяет использовать DAS для обслуживания нескольких операторов, работающих в разных стандартах и частотных диапазонах (многодиапазонный мультиоператорский режим, обеспечивающий работу в стандартах GSM900/1800, 3G, Wi-Fi, WLAN), и избежать необходимости параллельного развертывания каждым оператором своих собственных DAS.

Преимущества пассивных DAS

  • Отсутствие необходимости в техническом обслуживании и регулировке компонентов сети.
  • Отсутствие дополнительных шумов или интермодуляционных помех в системе позволяет реализовывать многоканальный режим работы без какой-либо деградации услуг за счет возможной интерференции. Таким образом, пассивные DAS можно с успехом использовать и в сетях 3G.

Недостатки пассивных DAS

  • Существенные затраты на прокладку коаксиальных кабелей большого диаметра.
  • Небольшие размеры обеспечиваемого покрытия вследствие затухания в коаксиальных кабелях. Максимальное удаление антенны от источника сигнала не может превышать нескольких сотен метров.
  • Проблемы с масштабированием системы, обусловленные зависимостью качества покрытия от длины кабельных линий связи. При больших длинах кабелей затухание сигнала ведет к возникновению зон неуверенного приема.
  • Отсутствие средств мониторинга работы: если какая-либо антенна начинает работать неправильно, оператор узнает об этом только после жалоб абонентов.

Преимущества активных DAS

  •  большая реализуемая площадь indo-покрытия за счет большей протяженности волоконно-оптических диний связи.
  • гарантированный уровень сигнала на выходе каждой антенны независимо от ее удаления от точки входа.
  • возможность дистанционного мониторинга и управления каждой конкретной антенной позволяет локализовать возникающие проблемы с качеством связи.
  • отсутвие интерференции между антеннами.
  • простое масштабирование - легкость увеличения площади покрытия и его емкости.
  • отсутсвие ограничений по количеству устанавливаемых антенн - поскольку каждая антенна является расширением только одного источника сигналов, нет необходимости в конфигурации каждой антенны под конкретное место инсталляции.

Следует отметить, что активные DAS, с использованием ретрансляторов в ряде случаев оказывается предпочтительнее DAS с использованием БС, даже при необходимости обеспечения дополнительной емкости.

Рассмотрим, например, два варианта организации покрытия торгового комплекса, состоящего из офиса и собственного торгового комплекса, - с использованием БС и рестрансляторов.

В первом случае проектировщик может установить 3 БС - в офисе, в торговом комплексе и на улице. При этом реализуется так называемое indo-решение на базе распределенных БС, когда емкость сети распределяется по всем БС, независимо от изменения нагрузки в течении суток.

Второй вариант - установка всего одной БС с необходимым набором трансиверов, обеспечивающих требуемый объем трафика, и трех ретрансляторов, устанавливаемых в торговом комлексе, в офисном здании и на улице. при таком решении вся емкость сети может полностью использоваться на любой из трех площадок, в зависимости от реальной нагрузки - в разные моменты времени ее могут получить сотрудники офиса, посетители торгового комплекса или абоненты, находящиеся на улице. Таким образом, решение с использованием ретрансляторов обеспечивает не только больший общий коэффициент усиления но и возможность динамического распределения пиковой нагрузки между тремя площадками.

Комплексная система управления таким indo-покрытием обеспечивает возможность его интеграции в общую систему управления сетью. Встроенные функции передачи внешних аварийных сигналов и учет статистики трафика обеспечивают высокую надежность в функционировании всей системы.

Еще одним примером эффективного использования ретрансляторов является организация indo-покрытия в местрополитене. Развертывание сетей сотовой связи в подземке - дело достаточно сложное и дорогостоящее. Техничесские проблемы, возникающие при покрытии станции метрополитена, обусловлены достаточно сложной архитектурой подземных станций с их разноуровневыми переходами и эскалаторами.
Не менее сложной проблемой является обеспечение клиентов непрерывной связью при движении поездов в протяженных и не всегда прямых тоннелях. На сегодня наметились два основных подхода к организации покрытия в метро.

Согласно первому, на каждой станции устанавливается компактная базовая станция, обеспечивающая с помощью антенн необходимую площадь и емкость покрытия.

Второй подход предполагает использование под землей ретрансляторов. При этом базовая станция располагается на поверхности, а в самом метро устанавливаются оптические ретрансляторы, соединенные между собой и с базовой станцией волоконнооптическим кабелем.

Возможна также схема организации покрытия в метро, когда все ретрансляторы подключаются к одной базовой станции. Так, например, система, развернутая в метрополитене Сантьяго (Чили), обеспечивает покрытие на всех 24 станциях метро и вдоль тоннелей общей протяженностью 18 км. Ретрансляторы соединены между собой и с БС волоконно-оптическим кабелем. Сигналы от БС передаются к оптическим ретрансляторам через специальный блок управления BMU, преобразуются в радиосигналы и излучаются направленными антеннами, обеспечивающими покрытие нужной формы.

Автономное подключение каждого ретранслятора к БС через собственный фидер в сочетании с резервным питанием от аккумулятора позволяет достичь максимально возможной надежности работы системы. Дополнительным преимуществом использования в качестве транспортной среды волоконно-оптических кабелей является простота изменения топологии системы. При этом не требуется дополнительного согласования мощности излучения передатчиков, чувствительности приемников.

Специальная система управления, как и в первом случае, обеспечивает оптимальное динамическое распределение емкости сети между станциями метро в зависимости от нагрузки и дает возможность виртуального управления значительным числом ретрансляторов с мониторингом их работы и статистическим анализом трафика.

В метрополитене с большим количеством станций могут применяться более сложные топологии, когда компактные базовые станции устанавливаются на пересадочных станциях, а на соседних станциях – ретрансляторы. В результате образуется распределенная антенная система с динамическим перераспределением трафика между БС и ретрансляторами в зависимости от его объема на той или иной станции. По такому принципу, в частности, реализованы сети российских операторов в московском метро.

Покрытие тоннелей обеспечивается двумя способами. Наиболее простой применяется в коротких и прямых перегонах – это установка с двух сторон тоннеля узконаправленных антенн типа Yagi с высоким коэффициентом усиления. При наличии длинных прямых тоннелей используется вариант вынесенного в середину тоннеля ретранслятора с двунаправленными антеннами, имеющими высокий коэффициент усиления. В очень длинном извилистом тоннеле используются несколько ретрансляторов, а при слабом уровне сигнала – малошумящие усилители, то есть фактически организуется распределенная антенная система.

Более эффективным способом организации покрытия в тоннелях является использование излучающих кабелей (ИК), в которых излучающим элементом являются щели, прорезанные в определенном порядке в экранирующей оболочке кабеля и обеспечивающие непрерывное излучение по всей длине кабеля вне зависимости от кривизны тоннеля. К сожалению, излучающий кабель, несмотря на его преимущества, еще достаточно дорогостоящее и сложное для монтажа решение.

Как было сказано выше, очень важным преимуществом DAS является возможность использования их несколькими операторами. Примером такой indoor-системы является решение, реализованное в Швеции для организации покрытия на 5-километровом участке трассы между Стокгольмом и международным аэропортом "Арланда", проходящем в тоннелях.

Мультиоператорная система состоит из головного интерфейсного блока, в котором установлены БС трех шведских операторов, работающие с одним общим блоком управления BMU. Радиосигналы от БС конвертируются в оптические сигналы и передаются к канальным ретрансляторам, установленным вдоль тоннелей на удалении 1,1 км друг от друга. Оптические сигналы преобразуются ретрансляторами в радиосигналы, излучаемые антеннами, установленными в вестибюлях станций и на платформах, и излучающими кабелями, проложенными в тоннелях. Наличие у оператора собственного ретранслятора на каждой станции позволяет ему сохранять полный контроль за работой своего фрагмента сети.

Использование канальных ретрансляторов позволяет легко добавлять новые каналы GSM-900, а также новые частотные диапазоны для GSM1800 и UMTS. Точно так же можно подключить к системе и дополнительные базовые станции.

Выгоды, получаемые от использования общего оборудования

  • Возможность уменьшения общей стоимости развертывания системы для нескольких операторов за счет использования общей волоконнооптической транспортной системы.
  • Эффективная система проектирования позволяет операторам использовать при развертывании подземных сетей только два фидера: один для канала "вверх", а другой для канала "вниз".
  • Возможность динамического изменения емкости и конфигурации каждой станции в зависимости от нагрузки.
  • Наличие одной централизованной БС упрощает обслуживание системы и повышает ее эффективность.

Как видно из приведенных выше примеров, использование indoor-решений на базе ретрансляторов - очень экономический способ , имеющий широкие перспективы дальнейшего применения.

Преимущества indoor-решения с ретрансляторами

Снижение затрат на организацию каналов связи.

Динамическое распределение емкости сети.

Возможность работы с более высокими пиковыми нагрузками.

Оптимальное использование каналов связи.

Простота установки и обслуживания.

Возможность использования широкополосных ретрансляторов на территории, обслуживаемой несколькими сотовыми операторами.

Перспективы DSA следующего поколения

Новейшие разработки в области indoor-систем направлены на создание единых платформ для беспроводных сетей любых стандартов, включая сети 2G/3G/EDGE/EVDO, WLAN, Wi-Fi. Практически операторам и владельцам зданий предлагают широкополосные решения для реализации комплексного indoor-покрытия любого уровня сложности с помощью любых беспроводных технологий. При этом гарантируется высокое качество покрытия. Такие решения позволяют создавать конвергентные сети для мобильного предприятия, обеспечивая масштабируемость сетей и их адаптацию под будущие приложения. При этом достигается существенная экономия капитальных вложений.

Новейшие indoor-системы реализуются на основе гибкой архитектуры, использующие принцип активной DAS/ Отличием от стандартных решений является использование в таких системах в составе удаленных блоков универсальных модулей, позволяющих осуществить масштабируемую интеграцию всех существующих беспроводных сервисов.

Базовый набор состоит из главного блока, являющегося модулем радиоинтерфейса с входными сервисами и оптическим преобразователем радиосигналов в оптические сигналы, оптической линии связи, удаленного блока, осуществляющего обратное преобразование оптических сигналов в радиосигналы, и широкополосных антенн, обеспечивающих требуемое покрытие.

При необходимости добавления к распределенной сети, например, сервиса WLAN в удаленный блок просто встраивается соответствующий модуль. Если нужно внедрить сервис Wi-Fi, в систему добавляется модуль Wi-Fi. Использование последнего расширения исключительно выгодно для владельцев зданий, поскольку позволяет организовать Wi-Fi-покрытие зданий на базе распределенной антенной системы. В результате отпадает необходимость в установке десятков дополнительных Wi-Fi-точек доступа. При использование таких универсальных модулей Wi-Fi-точки доступа размещаются только в вместе с удаленным блоком в специальных стойках, устанавливаемых в подсобных помещениях.

Для управления столь сложными сетями используются специальные системы управления, обеспечивающие удаленный мониторинг, диагностику и управление сетью в режиме реального времени. Параллельно проводится мониторинг внешнего окружения (уровни сигналов от базовых станций и ретрансляторов), что позволяет оперативно локализовать возникающие проблемы в сети еще до того, как они начинают оказывать влияние на предоставляемые услуги. Системы управления работают под Unix или Windows.

Выводы

Современные indoor-системы - это эффективный способ улучшения покрытия внутри зданий и сооружений, позволяющий генерировать новый трафик и увеличивать прибыль.

Indoor-системы помогают разгрузить внешний БС, а также привлечь новых абонентов за счет улучшения качества связи и возможности предложения новых услуг передачи данных, одновременно уменьшается отток абонентов.

Наиболее перспективными видами indoor-систем являются активные распределенные антенные системы, позволяющие организовать единую широкополосную среду для реализации любых видов беспроводного доступа, включая GSM/UMTS/WLAN/Wi-Fi. Таким образом, удается избежать необходимости организации каждым оператором своей собственной инфраструктуры.

Наиболее перспективным способом организации мульти-операторских indoor-систем,получившим широкое распространение в мире, является привлечение для этих целей специализированных интеграторов, обеспечивающих их приобретение, развертывание и последующие обслуживание.

Соответствующие многосторонние соглашения между операторами, владельцами зданий и сооружений и интеграторами позволяют обеспечить получение прибыли всеми заинтересованными сторонами.

Подписка: