Nº 10 2013 > Академические организации — Инновации в интересах общества

Применение технологии LTE 450 МГц для оказания услуг широкополосной связи в сельских и отдаленных районах
Исследование конкретной ситуации в Бразилии

Андре Роша, Жулиано Жуан Баззо, Луис Клаудио Перейра,Жуан Паулу Миранда и Фабрисио Лира Фигейредо, Бразильский центр исследований и развития электросвязи (Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações — CPqD)

Инженер проверяет оборудование системы беспроводной связи программы долгосрочного развития (LTE)Андре РошаЖулиано Жуан БаззоЛуис Клаудио ПерейраЖуан Паулу МирандаФабрисио Лира Фигейредо
Инженер проверяет оборудование системы беспроводной связи программы долгосрочного развития (LTE)
Андре Роша
Жулиано Жуан Баззо
Луис Клаудио Перейра
Жуан Паулу Миранда
Фабрисио Лира Фигейредо

В настоящей статье мы рассказываем о бразильском варианте использования систем долгосрочного развития (LTE) в полосе частот 450 МГц в качестве примера экономически целесообразной модели максимально эффективного развертывания услуг широкополосной связи в сельских и малонаселенных районах.

Нормативно-правовая база в Бразилии

Исторически сложилось так, что в Бразилии спектр частот ниже 1 ГГц распределен для услуг голосовой связи из пункта в пункт и из пункта в несколько пунктов, широковещательной трансляции аудио- и видеопрограмм, а также других специализированных услуг, например пейджинга. Сдвиг парадигмы в политике регулирования использования спектра начался в мае 2010 года, когда в рамках Национального плана в области развития широкополосной связи полоса частот 225–470 МГц была назначена в качестве альтернативной полосы для широкополосных услуг и приложений. Основной целью Национального плана в области развития широкополосной связи является использование исключительных характеристик распространения радиочастотных сигналов в полосах нижних частот для увеличения зоны покрытия сот – важнейшего аспекта при оказании услуг в сельских и малонаселенных районах.

Позже в том же году Национальное агентство электросвязи Бразилии (ANATEL) стало инициатором создания регламента развертывания услуг широкополосной связи в диапазоне УВЧ. В резолюции 558/2010 ANATEL определяет технические требования к использованию полосы частот 450–470 МГц в соответствии с рекомендациями МСЭ для региона Северной и Южной Америки. В рамках выполнения задачи по обеспечению сельских районов широкополосными услугами, включенной в Национальный план в области развития широкополосной связи, ANATEL выделило два поддиапазона по 7 МГц в диапазонах частот 451–458 МГц и 461–468 МГц для служб фиксированной и подвижной радиосвязи, работающих в режиме дуплексной передачи с разделением по частоте. В резолюции 558/2010 были также определены значения эффективной излучаемой мощности базовых станций и оконечных устройств и правила агрегирования каналов.

Вслед за этим в июне 2012 года ANATEL провело аукцион по продаже лицензий на использование полос частот 450 МГц и 2,6 ГГц для систем четвертого поколения (4G). Прямым следствием проведенного аукциона для 4G стало разделение полосы частот 450 МГц между четырьмя географическими зонами, каждая из которых была передана одному из основных операторов, работающих на рынке Бразилии. Компании, выигравшие аукцион, взяли на себя обязательства соответствовать требованиям по продвижению услуг и скорости передачи данных согласно графику, приведенному в таблице.

Правительство Бразилии надеется, что данная инициатива создаст условия для расширения доступа к услугам широкополосной связи на всей территории Бразилии, в особенности для 30 млн. жителей сельских и отдаленных регионов. Хотя ANATEL и не заявляет о том, что покрытие этих территорий должно быть обеспечено при помощи полосы частот 450 МГц, вполне вероятно, что держатели лицензий будут использовать именно эту полосу, чтобы воспользоваться ее сравнительными преимуществами в отношении распространения радиочастотных сигналов.

Долгосрочное развитие

Стандарт LTE разрабатывается в рамках Проекта партнерства третьего поколения (3GPP) и является попыткой формирования пути перехода к системам сотовой связи последующих поколений. Инициатива Бразилии по интенсивному развертыванию систем LTE в диапазоне 450 МГц преследует двойную цель.

Во-первых, требования Национального плана в области развития широкополосной связи стимулируют развертывание систем и технологий доступа, способных обеспечить высокую пропускную способность и низкий уровень задержек в малонаселенных районах. Из имеющихся в настоящее время технологий беспроводного доступа LTE предоставляет самую высокую эффективность использования спектра – его радиоинтерфейс передает наибольшее количество битов в пределах заданной полосы пропускания канала. Это свойство является ключевым для каждой из систем, работающих в среде с ограниченным спектром и жесткими требованиями к полосе пропускания. Еще одним преимуществом технологии LTE  450 МГц является потенциал поддержки внедрения услуг межмашинного взаимодействия в сельских районах. В число таких услуг входят видеонаблюдение, телеметрия и системы слежения.

Во-вторых, обслуживание целевых территорий, обозначенных в Национальном плане в области развития широкополосной связи, представляет собой сложную задачу, поскольку экономическая целесообразность инвестиций в инфраструктуру и эксплуатационных расходов предполагает их совместную оптимизацию. На практике для этого необходимо развертывание крупных сот с радиусом покрытия не менее 30 километров. Еще одной проблемой, характерной для Бразилии, является отсутствие транзитной инфраструктуры для транспортировки трафика от сот к базовой сети в сельских и отдаленных районах.

Стандартизация 3GPP

Для преобразования диапазона частот 450–470 МГц в стандартную полосу частот в сентябре 2012 года 3GPP сформировал рабочий вопрос. Целью данного рабочего вопроса является формирование мирового стандарта, предусматривающего зону покрытия около 30 километров, и определение соответствующих технических характеристик для развертывания систем 4G в малонаселенных регионах. Как и бразильская сельская местность, такие территории, как правило, характеризуются отсутствием инфраструктуры транзитных соединений и электропитания. В столь сложных условиях эксплуатации рекомендуется использовать новый профиль LTE, предназначенный для работы в полосе частот 450–470 МГц. Условия распространения радиочастотного сигнала данного профиля превосходят условия существующих профилей, уже прошедших стандартизацию 3GPP.

В рамках данного рабочего вопроса Бразильский центр исследования и развития электросвязи (CPqD) оказал 3GPP поддержку в решении таких задач, как размещение каналов (распределение полос частот), сосуществование со смежными службами, а также оптимизация параметров радиосигналов для приема и передачи. Это лишь некоторые из основных задач, которые были рассмотрены в ходе процесса стандартизации. Данная работа была проведена с учетом соответствующих бразильских нормативно-правовых аспектов, в частности тех, которые определены в резолюции 558/2010 ANATEL.

В сентябре 2013 года 3GPP завершил процесс стандартизации полосы частот 450  МГц. Соответствующие спецификации для этой принципиально новой полосы частот, которой присвоено обозначение "полоса 31", войдут в состав выпуска 12 спецификаций LTE и будут обратно совместимы со всеми предыдущими выпусками LTE.

Технические проблемы

Определение характеристик и развертывание технологии LTE в диапазоне 450 МГц представляет определенные трудности, большинство из которых связано с устранением помех и системными требованиями по обеспечению расширенного покрытия сот.

Во время работы CPqD, связанной с участием в процессе стандартизации 3GPP, а также с исследованиями и разработкой прототипов LTE для полосы частот 450 МГц, был выявлен ряд конкретных проблем, часть из которых описывается далее.

Дуплексный разнос: В полосе 31 оптимальная схема размещения каналов, обеспечивающая максимальную пропускную способность соты (и тем самым максимальное количество пользователей, которым доступна высокая скорость передачи данных), строится на основе каналов шириной 5 МГц. Более узкие каналы – 1,4 или 3 МГц  – не используются. Однако следует заметить, что эксплуатация систем в поддиапазонах, выделенных ANATEL, приводит к разносу частот между линией вверх (на 452–457 МГц) и линией вниз (на 462–467 МГц) всего лишь в 5 МГц. Столь сжатый дуплексный разнос создает эффект, известный как самозащита, заключающийся в том, что побочные сигналы от передатчика попадают в приемник, ухудшая таким образом функциональные характеристики системы. Этот дуплексный разнос – наименьший из анализируемых в 3GPP, в связи с чем полоса частот 450 МГц является самой сложной из когда-либо рассматривавшихся. Способы решения данной проблемы существуют, однако требуют повышения сложности оконечных устройств. Пользовательские устройства представляют собой наиболее критичную составную часть оборудования сотовой сети, поскольку по сравнению с базовыми станциями имеют более жесткие ограничения по стоимости, размеру и весу.

Борьба с помехами: Единая схема размещения каналов шириной 5 МГц подразумевает, что один и тот же канал используется во всех секторах соты и во всех сотах системы. Для снижения отрицательного влияния помех в совмещенном канале в приемниках необходимы более совершенные методы. Еще одна ситуация, связанная с помехами, возникает вследствие передачи узкополосных сигналов высокой мощности в каналах, смежных с теми, которые используются системой LTE. Иллюстрацией данного сценария может служить телевизионное радиовещание, эффективная излучаемая мощность которого составляет несколько киловатт и которое может оказывать значительное влияние на функциональные характеристики приемников LTE, работающих поблизости. На характеристики системы LTE влияет также импульсный шум, возникающий в результате деятельности человека. Как правило, этот шум создается транспортными средствами, машинами и заводами. Чем ниже рабочая частота, тем выше уровень шума. Это означает, что системы, работающие в полосе частот 450 МГц, более восприимчивы к воздействию шума, чем системы, работающие на частотах 1 ГГц и выше. Тем не менее в сельских районах эта проблема выражена менее ярко, так как там уровень шума, возникающего в результате деятельности человека, значительно ниже уровня шума, наблюдаемого в крупных городах. Хотя средства, повышающие шумо- и помехозащищенность систем, в принципе существуют, их применение часто связано с увеличением сложности и стоимости систем.

Расширенное покрытие соты: Введение в эксплуатацию сот с радиусом порядка десятков километров создает дополнительную нагрузку при разработке сетевого оборудования LTE. Более крупные соты требуют более высокой мощности передачи, что напрямую вызывает потребность в более сложных усилителях мощности. Больший радиус действия, обеспечиваемый полосой частот 450  МГц, способен частично компенсировать эту потребность, особенно при использовании антенны с высоким коэффициентом усиления. Что касается антенн, разработчикам следует принимать во внимание такие аспекты, как коэффициент усиления, диаграмма направленности излучения, стандарты сертификации, простота установки и, что наиболее важно, физические размеры (помня о том, что чем ниже рабочая частота, тем больше система излучения).

Аспекты рынка

В 2013 году две компании представили комплекты оборудования LTE (базовые станции и оконечные устройства как для внутреннего, так и для наружного применения), способные работать в диапазоне 450 МГц. Компании-производители совместно с бразильскими сетевыми операторами провели испытания на функциональную совместимость, и к 2014 году должны быть созданы и запущены в эксплуатацию первые коммерческие сети LTE 450 МГц, соответствующие требованиям аукциона  4G, проведенного ANATEL. Кроме того, в стандартизации 3GPP признается, что использование технологии LTE 450 МГц является адекватным решением для обслуживания сельских и малонаселенных районов, и одобряется ее применение на рынках других стран (наряду с Бразилией), при условии что эти страны характеризуются похожими размерами территорий и плотностью населения. Страны, в которых полоса частот 450 МГц уже используется для размещения сетей многостанционного доступа с кодовым разделением (CDMA), в частности Российская Федерация, Норвегия и Аргентина, являются потенциальными рынками для внедрения технологии LTE. Полоса частот 450 МГц используется более чем 20 млн. человек во всем мире, которые также могут воспользоваться преимуществами расширенных услуг на основе технологии LTE.

Технология LTE 450 МГц потенциально может стать важным инструментом для обеспечения доступа к широкополосной связи в сельских и отдаленных районах. Это в свою очередь может внести вклад в социально-экономическое развитие, а также содействовать внедрению цифровых технологий в развивающихся странах.

About the authors

Андре Роша получил степени бакалавра и магистра наук в области электротехники в государственном университете Кампинас, Бразилия, в 1994 году и в университете Сан-Паулу в 2002 году соответственно. В 2010 году он получил степень магистра делового администрирования (MBA) в Fundação Instituto de Administração. С 2013 года работает в Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações в должности специалиста по маркетингу. Круг его обязанностей простирается от маркетинга продукции до работы над инновациями в беспроводных сетях.

Жулиано Жуан Баззо получил степени бакалавра и магистра наук в области электротехники в Федеральном университете Парана, Бразилия, в 2001 и 2003 годах соответственно. В настоящее время работает над получением степени кандидата наук в области электротехники в Государственном университете Кампинас, Бразилия. С 2010 года работает в Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações, где является руководителем отдела исследований и развития, а также техническим координатором проектов LTE 450 МГц и когнитивного радио.

Луис Клаудио Перейра получил степень кандидата наук в области электротехники в Католическом универститете Рио-де-Жанейро, Бразилия, в 1988 году. Работал приглашенным исследователем в математическом департаменте Саутгемптонского университета, Соединенное Королевство, в 1995 году. С 1984 года работает в Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações в составе технического персонала. Основные области его исследований: конструкции антенн, системы широкополосной радиосвязи, эффективные методы использования спектра и модели распространения.

Жуан Паулу Миранда получил степень кандидата наук в области электротехники в Ганноверском университете, Германия, в 2012 году. Затем он провел один год в колледже Тринити, Дублин, Ирландия, в качестве исследователя после получения докторской степени. С 2013  года работает в Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações в должности специалиста-исследователя. Основные области его исследований: сосуществование в совместно используемых областях спектра, обнаружение и классификация сигналов и распознавание образцов.

Фабрицио Лира Фигейредо получил степень кандидата наук в области электротехники в Государственном университете Кампинас, Бразилия, в 2008 году. С 2007 года возглавляет программу исследований и развития в области беспроводной связи в Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações. В настоящее время является зональным управляющим департамента беспроводной связи этого Центра. Основные области его исследований: широкополосные и гибридные сети, сетевое планирование, когнитивное радио и радиочастотное оборудование.



 

Распределение спектра для изменяющегося мира

Всемирная конференция радиосвязи 2015 года

В этом номере
No.5 Сентябрь | Октябрь 2015 года

Встречи с Генеральным секретарем:

Официальные визиты

Встречи с Генеральным секретарем|1