Waldemar Grabiec Instytut Systemów Łączności Wojskowa Akademia Techniczna Radiowe sieci dostępowe w realizacji usług multimedialnych STRESZCZENIE W artykule omówiono metody realizacji bezprzewodowych sieci dostępowych dla zapewnienia interaktywnych usług multimedialnych. Sieci takie - realizowane głównie w oparciu o radiowe (mikrofalowe) łącza dostępowe, wykorzystywane są przez wielu operatorów telekomunikacyjnych (w tym operatorów telewizji kablowej CATV). W związku z powyższym, w artykule dokonano charakterystyki oraz porównania najczęściej stosowanych technik realizacji radiowych sieci dostępowych. Omówiono następujące techniki: MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service), LMDS (Local Multipoint Distribution System), MVDS (Microwave Video Distribution System). WSTĘP Dynamiczne zmiany zachodzące w telekomunikacji obserwowane w ostatnich latach wymuszane są przede wszystkim przez użytkowników (abonentów), którzy oczekują wciąż nowych usług oraz doskonalszych technologii informacyjnych. Rozwój szerokopasmowych (publicznych) sieci telekomunikacyjnych spowodował więc powstanie i rozwój nowej formy oferowanych usług - usług multimedialnych. Usługi te określane są najczęściej jako łączne przetwarzanie i przesyłanie informacji związanych z wykorzystywaniem różnych form przekazu (dźwięk, obraz ruchomy i nieruchomy, grafika itp.). Występuje tutaj swoista integracja różnych rodzajów mediów, które w pojedynczym strumieniu informacyjnym przekazywane są do jednego punktu odbiorczego. Komunikacja multimedialna wymaga więc elastycznych i inteligentnych sieci telekomunikacyjnych oraz nowoczesnych systemów przesyłania i przetwarzania informacji. W obecnym okresie stosunkowo duża grupa użytkowników zainteresowana jest możliwością korzystania z usług multimedialnych. Liczba ta ciągle rośnie, w związku z czym wyraźniejszy staje się problem związany z dostępem do usług multimedialnych. SYSTEMY DOSTĘPOWE DO USŁUG MULTIMEDIALNYCH Świadczenie usług multimedialnych wiąże się z szeregiem wymagań którym musi sprostać sieć telekomunikacyjna. Wymagania te związane są przede wszystkim z różnorodnością i charakterem przesyłanych informacji. Transmisja multimedialna bowiem jest połączeniem (w dowolnej kombinacji) transmisji dźwięku, obrazów, danych itp. Zapewnia ona realizację wielu atrakcyjnych - z punktu użytkownika usług, jak np. wideokonferencje, telekonferencje itp. Dodatkowo, system multimedialny powinien zapewnić pełny i jednoczesny dostęp do oferowanych usług wielu odbiorcom. Współczesne systemy telekomunikacyjne zapewniające świadczenie usług multimedialnych składają się z czterech podstawowych elementów [2]. Są to: terminal użytkownika, sieć dostępowa, sieć szkieletowa, usługi (źródła usług).
ZRÓDLO USLUG SZKIELETOWA DOSTEPOWA ODBIORCA USLUGI (UZYTKOWNIK) ZRÓDLO USLUG DOSTEPOWA TRANSMISYJNA Rys.1. Świadczenie usług multimedialnych przez sieć telekomunikacyjną. Struktura sieci multimedialnej w obecnym okresie jest silnie uzależniona od typu i architektury stosowanej sieci dostepowej. Lokalne łącze abonenckie, które jest ważnym elementem sieci teletransmisyjnej obejmuje wszystkie elementy pomiędzy węzłem publicznej sieci telekomunikacyjnej i abonentem. Poniższy rysunek [1] definiuje pętlę abonencką. Składa się ona z dwóch podstawowych elementów (części). Są to: część transmisyjna (łączy centralę z koncentratorem), część dostępowa (łączy koncentrator z użytkownikami).
1 2 3 1 2 3 Lacze satelitarne CENTRALA PSTN Lacze mikrofalowe Para przewodów miedzianych Kabel wspólosiowy Swiatlowód KONCENTRATOR Lacze radiowe Para przewodów miedzianych Kabel wspólosiowy Swiatlowód TRANSMISYJNA DOSTEPOWA PETLA ABONENCKA Rys.2. Architektura pętli abonenckiej. Pokazane na rysunku odcinki pętli abonenckie mogą wykorzystywać różne media transmisyjne. Wykorzystywane mogą być tory kablowe (symetryczne lub współosiowe), łącza światłowodowe lub łącza radiowe (satelitarne). Istnieje szereg technik dostępowych (xdsl, HFC, FITL itp.) opartych o linie przewodowe, z których każda cechuje się pewnymi zaletami i wadami. W artykule ograniczono się jedynie do podania najważniejszych właściwości wybranych przewodowych technik dostępowych (tabela 1). Rodzaj medium transmisyjnego Pasmo przenoszenia 0... ok.1,1mhz Szybkość transmisji Tabela.1 ADSL HFC FITL Para przewodów miedzianycmod. Światłowód jedno- Światłowód jednosiownek i kabel współomod., końcowy odci- jako para prze- Od 1,5... 8 Mbit/s (w dół) Od 16... 600 kbit/s (w górę) 5MHz... do ok.900mhz Do 100Mbit/s wodów miedzianych Zależne od technologii oraz od oferowanej usługi Zależne od technologii oraz od oferowanej usługi Pojemność systemu Ok.30 kanałów TV (analog.), 188 kanałów TV (cyfr.) Uzyskiwany zasięg Do 6 km Kilkadziesiąt km Zależny od technologii W niniejszym artykule przedstawiona zostanie charakterystyka podstawowych technik bezprzewodowych wykorzystywanych do zapewnienia dostępu użytkownikom usług multimedialnych.
BEZPRZEWODOWE I DOSTĘPOWE Sieci dostępowe oparte o łącza przewodowe oprócz szeregu zalet mają też wady. Do podstawowej z nich zalicza się znaczny koszt związany z budową linii kablowych i instalacji okablowania w pętli abonenckiej. Sporo nakładów wymaga również utrzymanie sieci dostępowej. Te czynniki zadecydowały głównie o tym, że operatorzy telekomunikacyjni (w tym świadczący usługi multimedialne, np. operatorzy telewizji kablowej) zdecydowali się na wykorzystywanie szerokopasmowych łączy abonenckich BWA (Broadband Wireless Acces), które wśród radiowych systemów dostępowych zyskują sobie coraz większą popularność. W realizacji bezprzewodowych sieci dostępowych dla zapewnienia usług multimedialnych wykorzystywane są trzy podstawowe techniki szerokopasmowe. Są to: MMDS (Multichannel Multiplex Distribution System) wielopunktowa dystrybucja kanałów TV, LMDS (Local Multipoint Distribution Service) lokalna usługa dystrybucji wielopunktowej, MVDS (Microwave Video Distribution System) mikrofalowy system dystrybucji sygnałów video. Powyższe systemy zaliczane są do szerokopasmowych dostępowych systemów mikrofalowych. Są one szczególnie dobrze przystosowane do transmisji sygnałów TV wszędzie tam, gdzie istnieją trudności z modernizacją istniejących już sieci kablowych, lub gdy budowa takich sieci staje się nieopłacalna (np. zbyt wysokie koszty). W dalszej części artykułu przedstawiona zostanie charakterystyka (ze względu na przeglądowy charakter artykułu ogólna) w/w systemów dostępowych. System MMDS jest szczególnie predestynowany dla terenów o małej gęstości zaludnienia (a więc dla małej liczby rozproszonych abonentów). Założenia systemu opierają się na specyfikacji cyfrowej telewizji kablowej (Digital CATV). Sieć MMDS oparta jest na mikrofalowej technologii operującej w pasmach: 2,5... 2,7 GHz lub 3,6... 3,8 GHz. Pasmo pierwsze przydzielone zostało dla takich krajów jak: USA, Kanada, Rosja, Irlandia, Islandia oraz państwa Ameryki Południowej i Środkowej: Argentyna, Brazylia, Meksyk, Urugwaj, Chile. Drugie z pasm przydzielone zostało Francji. System MMDS umożliwia dystrybucję 33 kanałów telewizyjnych na obszarze o średnicy ok. 45 km. W systemie tym możliwe jest uzyskanie zasięgu do 50 km przy stosunkowo małej mocy nadajników (mniejszej od 100 W). Zawdzięcza się to warunkom propagacyjnym sygnałów panującym w tym zakresie częstotliwości. Dla pasma poniżej 10 GHz można pominąć zjawisko tłumienia wywołane czynnikami atmosferycznymi (deszcz, śnieg). Standard DVB - MC który specyfikuje system MMDS przewidując wykorzystanie 64- wartościowej, kwadraturowej modulacji amplitudy 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Zakłada on również kompresję obrazu według systemu MPEG-2 oraz korekcje błędów taką samą jaka stosowana jest w systemach telewizji kablowej. Rysunek 3 przedstawia architekturę systemu MMDS.
1 2 3 Modem Bank Antena abonencka TV TV wideo fonia NADAJNIK Tuner Kabel wspólosiowy Set-top-box Telefon PC Pasmo zwrotne-symetryczne lacze kablowe TALK / DATA TALK RS CS TR RD TD CD Modem Rys.3. Architektura systemu MMDS. i systemu pracują z antenami dookólnymi lub z antenami o charakterystyce kardioidalnej. Jako anteny odbiorcze stosuje się małośrednicowe anteny paraboliczne (średnica mniejsza niż 45 cm) lub anteny typu YAGI. Bardzo istotnym wymogiem w systemie MMDS jest istnienie bezpośredniej widoczności anten nadajnika i odbiornika. Widoczność ta nie może być przesłaniana przez przeszkody (drzewa, wysokie budynki itp.). Wynika z tego wniosek, iż rozwijanie systemów szerokopasmowych MMDS zalecane jest przede wszystkim tam, gdzie istnieje możliwość zamontowanie stacji nadawczych wysoko w celu zapewnienia bezpośredniej widoczności. Dodatkowo, aby zapewnić wzrokową widoczność anten zaleca się stosowanie lokalnych stacji przekaźnikowych. System MMDS cechuje się szeregiem zalet. Zalety te odróżniają go od konwencjonalnych kablowych sieci naziemnych, jak również od systemów satelitarnych. Najważniejsze zalety systemu to: niższe (w przeliczeniu na jednego abonenta) koszty utrzymania sieci, możliwość rozsyłania (dystrybucji) większej ilości programów telewizyjnych, dokładniejsze niż w przypadku satelity sterowanie systemem przy zapewnieniu pokrycia danego obszaru, dokładniejsze zachowanie granic narodowych dla rozsyłanych programów. System LMDS jest elastycznym szerokopasmowym systemem bezprzewodowego dostępu typu PMP (Point-to-Multipoint). Dedykowany jest on przede wszystkim dla usług wymagających dużych szybkości transmisji. Dzięki systemom LMDS dostawcy usług multimedialnych mogą skierować swoją ofertę do małych i średnich użytkowników instytucjonalnych, na rynek SOHO (Small- Office Home-Office) jak również dla użytkowników prywatnych. Systemy technologii LMDS wykorzystywane są przede wszystkim do transmisji cyfrowych sygnałów video oraz realizacji usług interaktywnych. Możliwe jest rozsyłanie kanałów telewizji satelitarnej jak również programów lokalnych stacji telewizyjnych. Zakres częstotliwości pracy systemów LMDS w zasadzie nie został precyzyjnie zdefiniowany. Spotykane najczęściej rozwiązania pracują w paśmie 24... 31 GHz. Systemy technologii LMDS umożliwiają transmisje sygnałów multimedialnych (głos, obraz, dane) z szybkością sięgającą 1Gbit/s. Systemy LMDS wykorzystują generalnie modulacje PSK (Phase Shift Keying) i kwadraturową modulację amplitudy QAM (4, 16 lub 64-wartościowa).W ramach korekcji błędów wykorzystywane są przede wszystkim algorytmy Reeda-Solomona i Viterbiego. Charakterystykę funkcjonalną systemu LMDS można w pewnym sensie porównać do interaktywnej telewizji kablowej (CATV). Podstawową jednak różnicą występującą między tymi syste-
1 2 3 1 2 3 Modem Bank Modem Bank mami jest to, iż w technologii LMDS ostatnie ogniwo dystrybucyjne (tzw. ostatnia mila ) wykonane jest w postaci łącza mikrofalowego małego zasięgu. W systemach LMDS, które pracują na platformie cyfrowej telewizji rozsiewczej (DVB), pomiędzy użytkownikiem a dostawcą usług istnieją dwa kanały transmisyjne: kanał rozsiewczy BC (Broadcast Channel), kanał interakcyjny IC (Interaction Channel). Kanał rozsiewczy jest jednokierunkowym kanałem szerokopasmowym, przenoszącym sygnały foniczne, wizyjne, dane i tworzony jest dla użytkownika przez dostawcę usług. Kanał interaktywny z kolei jest dwukierunkowym kanałem utworzonym pomiędzy dostawcą usług i ich odbiorcą (użytkownikiem). Kanał ten składa się z [4]: łącza zwrotnego zestawionego od użytkownika do dostawcy usług, stosowanego przede wszystkim do przesyłania zapytań/odpowiedzi do/od dostawcy usług, łącza podstawowego (do użytkownika) stosowanego do przesyłania informacji przez dostawcę usług do użytkownika. Rysunek 4 przedstawia uproszczony schemat struktury systemu LMDS [1]. TV Komutator szerokopasmowy Komutator waskopasmowy wideo fonia Transceiver (28 GHz) Antena sektorowa TV Set-top-box Set-top-box Rys.4. Architektura systemu LMDS. Praktycznie, systemy LMDS wykorzystują koncepcję telefonii komórkowej, zapewniając usługi użytkownikom końcowym za pośrednictwem stacji bazowej tworzącej komórkę. W przeciwieństwie jednak do klasycznych mobilnych systemów telefonii komórkowej, gdzie występują mobilne terminale (aparaty) użytkowników, w systemie LMDS odbiorniki nie przemieszczają się a ich anteny znajdują się w bezpośredniej widoczności. W zakresie pracy systemów LMDS (ok. 40 GHz) znaczny wpływ na warunki propagacyjne ma tłumienie spowodowane opadami atmosferycznymi. To niekorzystne zjawisko jest głównym powodem małego zasięgu osiąganego w systemie. Obszar pokrycia wynosi ok. 5 km. Z drugiej jednak strony, systemy technologii LMDS oferują znacznie większą pojemność kanału niż np. systemy
MMDS. Z tego też względu systemy LMDS wykorzystuje się bardzo często do połączenia z Internetem. Kończąc opis systemu LMDS można wymienić kilka najważniejszych jego cech. Są to [1]: możliwość szybkiego udostępniania użytkownikom usług multimedialnych (w tym również interaktywnych), niezależnie od rodzaju obszaru (tak w mieście jak i na terenach wiejskich), brak połączeń kablowych, niewielkie koszty początkowe, ograniczenie Sieci MVDS w swej architekturze są bardzo zbliżone do sieci MMDS. Różnica występuje przede wszystkim w paśmie częstotliwości pracy. System wykorzystuje pasmo częstotliwości pracy: 40,5... 42,5 GHz (Europa) i 27,5... 28,5 GHz (USA, Kanada). Wykorzystywana jest modulacja częstotliwości. Rysunek 5 ilustruje typową architekturę sieci MVDS [1]. Ograniczenia propagacyjne jakie występują w zakresie częstotliwości pracy systemu powodują, że w celu pokrycia większego obszaru realizowana jest struktura wielokomórkowa. Pojedyncza komórka ma małe rozmiary (strefa wynosi ok. 4 km). Każda komórka połączona jest ze stacją czołową systemu. Połączenie to może być zrealizowane przy pomocy łącza światłowodowego lub drogą radiową poprzez nadajniki naziemne. W celu porównania systemów MVDS i omówionych wcześniej systemów LMDS w tabeli 2 zestawiono najważniejsze parametry. TAB.2 CECHY CHARAKTERYSTYCZNE MMDS MVDS Pasmo pracy [GHz] 2,5 29 i 42 Rodzaj modulacji Modulacja amplitudy (AM) Ilość kanałów 20-24 128-200 Zasięg [km] 2,5-50 5-15 Modulacja częstotliwości (FM) użytkownika Komórka nadrzędna Kom. 1 SAS/SMS Koder Master Head End Dwupunktowe łącze mikrofalowe lub kablowe (kabel współosiowy lub światłowód) Komórka podrzędna Kom. 2 użytkownika Komórka oddalona Kom. 4 Kom. 3 użytkownika Przekaźnik użytkownika Rys.5. Architektura systemu MVDS. System MVDS umożliwia transmisję sygnałów wizyjnych (standard PAL lub SECAM) w 32 kanałach. Możliwe jest to, gdyż każdy nadajnik zawiera cztery moduły transmisyjne, każdy z nich
obsługuje osiem kanałów. Dodatkowo, transmituje się sygnały foniczne w dwóch lub trzech kanałach (istnieje możliwość transmisji stereofonicznej). WNIOSKI Sieci multimedialne pozawalają użytkownikowi na korzystanie z wielu niezwykle interesujących usług. Jednakże sieci te silnie zależą od typu zastosowanego systemu dostępowego. Jako że w chwili obecnej nie ma ściśle określonych standardów na sieci dostępowe dla systemów multimedialnych, dlatego też dostęp użytkownika może być organizowany na różne sposoby. Najczęściej sieci dostępowe do usług multimedialnych realizowane są w oparciu o: linie miedziane, linie światłowodowe, radiowe sieci dostępowe. Pomimo dynamicznego rozwoju przewodowych systemów dostępowych, na uwagę również zasługują radiowe sieci dostępowe. Są one bardzo efektywnym rozwiązaniem szczególnie dla obszarów słabo zaludnionych (system MMDS). Systemy dostępu radiowego wymagają również mniejszych w porównaniu z innymi systemami tzw. nakładów początkowych, co czyni je szczególnie interesującymi z ekonomicznego punktu widzenia. W celu pokrycia sygnałem radiowym obszarów o dużej gęstości zaludnienia wykorzystywane są mikrofalowe systemy dostępowe (LMDS, MVDS). Tworzą one swoiste sieci komórkowe. Małe gabarytowo anteny umieszczone na dachach budynków mieszkalnych pozwalają użytkownikowi na stosunkowo tani dostęp do wielu usług multimedialnych (w tym również interaktywnych). Jednak, aby radiowe systemy dostępowe mogły funkcjonować wśród innych systemów, muszą być spełnione warunki kompatybilności elektromagnetycznej. Wymaga to jednak od operatorów starannego i przemyślanego przydziału częstotliwości. Szerokopasmowe radiowe systemy dostępowe, które w sposób bardzo ogólny przedstawiono w artykule z całą pewnością stanowią atrakcyjną propozycję tak dla operatorów jak i użytkowników. BIBLIOGRAFIA [1] Z.Hulicki, Systemy komunikacji multimedialnej, WFPT, Kraków 1998 [2] D.J.Bem, T.W.Więckowski, R.J.Zieliński, Dostęp do usług multimedialnych, NetWorld, luty 1999 [3] B.Zimiński, Cyfrowe mikrofalowe systemy rozsiewcze, Przegląd techniki. Radio i Telewizja. Zeszyt 103. [4] T.W.Więckowski, Systemy LMDS - dostęp do usług szerokopasmowych, KKRRiT, Poznań 2001.