Отчет о полевом тесте на частотную совместимость WiMAX и земных станций службы спутниковой связи

Ames R. (SUIRG, Inc.), Edwards A. (SES-NewSkies/SUIRG), Carrigan K. (US Navy NSWC, Dahlgren)

Перевод с английского: Шаповалов С.А.

Источник: SUIRG, February 2008

www.suirg.org/pdf/SUIRG_WiMaxFieldTestReport.pdf

 

Краткий обзор

В нескольких странах мира государственная администрация выделила определенные части частотного диапазона 3.4 – 4.2 ГГц для использования наземными беспроводными сетями, такими как WiMAX и мобильными услугами будущего (“IMT advanced,” 3G, 4G и выше). Однако, этот диапазон, известный всем под названием диапазон C, уже используется для услуг спутниковой связи, радиолокационных систем и внутренних линий микроволновой связи. Сервисы, работающие в диапазоне C, покрывают большие площади, облегчают межконтинентальные и глобальные коммуникации и предоставляют широкий ассортимент услуг в развивающихся странах. Диапазон С является надежной, устойчивой платформой для таких важных приложений как дистанционное обучение, оказание медицинской помощи на расстоянии, всеобщий доступ к услугам, ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций, и телевещание во многих отдаленных и тропических регионах.

Чувствительность приемных систем спутников, работающих в диапазоне С, делает их особенно восприимчивыми к помехам со стороны мобильных наземных станций, работающих в смежных диапазонах частот. Согласно результатам полевых испытаний, которые провел Гонконгский филиал Управления телекоммуникаций, использование частот для наземных беспроводных сервисов в расширенном диапазоне С и стандартном диапазоне С не целесообразно.

В начале 2007 глобальный форум VSAT (малая наземная станция спутниковой связи) провел срочный саммит по вопросам, связанным с диапазоном С, в Вашингтоне, округ Колумбия, в ходе которого было предпринято исследование для подтверждения того, что системы WiMAX могут сильно влиять на спутниковые системы, работающие в смежном диапазоне частот. Участники последующих обсуждений на форумах WiMAX, GVF и Группы ослабления помех пользователей спутников (SUIRG) сошлись на том, что в преддверии Всемирной конференции по вопросам радиосвязи, намеченной на ноябрь 2007 года (WRC 07), необходимо провести испытание, при котором эти две системы использовались бы совместно. Представители этих собраний надеялись, что результаты испытаний повлияют на процесс принятия решений правительствами стран по вопросу совместного использования частот системами WiMAX и наземными станциями спутниковой связи. Процесс разработки плана испытаний был достаточно прозрачным, открытым для форума WiMAX и проходил под руководством многих спутниковых организаций и представительских групп.

Основной задачей испытаний было измерение уровня помех, вызванных воздействием фиксированной передачи сигналов WiMAX на приемные станции спутниковой связи. Методика испытания включала измерение параметров C/N (сигнал/шум), I/N (интерференция/шум), BER (частота битовых ошибок), и спектральные диаграммы нисходящего видеоканала. Испытание проводилось в 2 этапа:

  • Этап 1: Антенна спутниковой связи фиксировалась в определенном месте, а базовая станция WiMAX перемещалась в различные позиции, передавала сигнал под разными углами и с разных расстояний от антенны спутниковой связи, чтобы смоделировать форму колебания сигнала для пользователя. В испытании моделировалось влияние на приемную станцию спутника пользователей WiMAX, меняющих свое местоположение. Испытания, проведенные в непосредственной близости от станции (до 1 км), показали, что принятый цифровой был не пригоден для использования.
  • Этап 2: Антенна базовой станции WiMAX была зафиксирована на высоте около 50 метров в верхней части колонны водонапорной башни. Антенна спутниковой станции размещалась в разным местах и под разными углами на гораздо большем расстоянии от антенны WiMAX (вплоть до 12 км), чем на Этапе 1. Это позволяло смоделировать базовые станции WiMAX, установленные на вышках сотовой связи.

 

Результаты испытания показали, что сигнал WiMAX может вызвать серьезные помехи для цифрового сигнала на расстоянии более 12 км. На максимальном расстоянии видео программа работала в полном объеме, когда центр излучения WiMAX был направлен на источник видеосигнала. Однако частота битовых ошибок возросла с номинальных 10-8 до 10-4. В отрасли цифровых коммуникаций такое качество услуг не считается приемлемым.

Последующие вычисления, проведенных на основании измерений, и масштабирование по критерию МТС для мощности исходящего сигнала WiMAX с учетом дополнительных потерь на трассе привели к выводу, что для снижения уровня помех до требуемого уровня -10 дБ расстояние между спутниковой станцией и антенной WiMAX должно составлять 278 км. При проведении этого анализа предполагалось, что нет никакой блокировки траектории интерференции зданиями или другими радиопомехами от местных объектов вблизи антенны WiMAX или наземной станции спутниковой связи. Дальнейший анализ проводился на основании измерений, учитывающих фактическое размещение и окружающую местность, и показал, что для выполнения требования об уровне интерференция/шум в -10 дБ требуется территория около 50 км.

В результате объединения этих двух методов анализа – от равнинной местности без блокирующих объектов до холмистой местности, покрытой лесом, – выяснили, что наземные антенных спутниковой связи не могут сосуществовать с системами WiMAX на расстоянии 50 – 200 км и более в зависимости от местности и уровнях исходящего сигнала WiMAX.

Проблема

Пересечение с сервисами широкополосного беспроводного доступа (BWA) было отмечено во многих частях света, где правительства открыли части диапазона С для использования системами WiMAX, в том числе в Австралии, Боливии, Фиджи, Гонконге, Индонезии, Пакистане, Казахстане и странах Африки южнее Сахары. В других странах правительства могут и должны избежать повторения этой дорогостоящей ошибки. Существуют альтернативные подходы к распределению спектра диапазона С между спутниковыми системами и WiMAX: использование разных частот или новых техник защиты, которые начала разрабатывать SUIRG и другие собрания после WRC-07.

Важность диапазона С

Диапазон С используется для спутниковых коммуникаций по всему миру. Этот диапазон особенно важен для развивающихся стран, таких как Южная и Центральная Америка, Азия и экваториальная Африка, так как его можно использовать даже в условиях ливневых дождей. Наземные станции диапазона С также широко применяются во многих развитых странах. Частоты диапазона С («Стандартный диапазон C» и «Расширенный диапазон С») были выделены для нисходящих каналов спутников еще в те времена, когда отрасль только возникла, более 40 лет назад.

Услуги в диапазоне С покрывают обширные территории. Они облегчают межконтинентальное и глобальное сообщение и обеспечивают широкий ряд услуг в развивающихся странах, в том числе такие важные приложения как дистанционное обучение, оказание медицинской помощи на расстоянии, всеобщий доступ к услугам, ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций, и телевещание во многих тропических регионах.

Техническое обоснование

Антенны, которые принимают нисходящие сигналы спутника в диапазоне частот С, должны быть очень чувствительными. Они рассчитаны на прием слабых сигналов, посланных небольшими передатчиками, расположенными на орбите в 36,000 километрах над экватором. В диапазоне С услуги спутниковой связи много лет сосуществуют с внутренними линиями микроволновой связи и линиями передачи радиолокационных данных. Это связано с тем, что указанные системы работают через точно сфокусированные лучи сигналов, излучаемых из фиксированных точек, и в случае необходимости можно устранить конфликты.

В отличие от них наземные беспроводные приложения по определению используют широкое излучение, им свойственна мобильность и частая смена местоположения. Мобильные и базовые станции наземных беспроводных приложений излучают сигналы из многих точек, во всех направлениях, одновременно. Эти сигналы достаточно мощные для создания помех в чувствительных приемных системах спутника в диапазоне С и могут вызвать полное отключение услуги в диапазоне С. Последний опыт эксплуатации в Австралии, Фиджи и Индонезии, а также полевые испытания в Гонконге подтвердили наличие интерференции. (В ходе экспериментов в Гонконге, по неосторожности были прекращены сигналы телевидения, обеспечивающие телевещание 300 000 домохозяйств по всей Азии.)

Чувствительность приемных систем спутников, работающих в диапазоне С, также означает, что в них могут возникать помехи из-за использования наземными мобильными операторами частот смежных диапазонов. Согласно результатам полевых испытаний, которые провел Гонконгский филиал Управления телекоммуникаций, использование частот Расширенного и Стандартного диапазона С для наземных беспроводных услуг не является целесообразным.

Проблема особенно актуальна для развивающихся стран

Услуги в диапазоне С особенно важны для развивающихся стран, так как вспомогательное оборудование для них стоит относительно мало, а сигналы легко покрывают большие площади. Такие услуги прекрасно подходят для передачи голоса, данных и связи Интернет в отдаленных районах, которые почти не обслуживаются другими средствами связи. Они являются важным компонентом системы телекоммуникаций, который помогает сократить разрыв между развитыми и развивающимися странами.

Так как диапазон С покрывает большие территории при минимальной восприимчивости к замиранию сигнала при дожде, он исключительно полезен при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций в тропических регионах. Например, услуги в диапазоне С сыграли очень важную роль при ликвидации последствий и восстановлении после цунами в Азии в 2004 году. Другие развивающиеся приложения в развивающихся странах – дистанционное обучение и дистанционная медицинская помощь.

История

Правительства, которые выделили частоты для широкополосных беспроводных систем в расширенном диапазоне С, считали, что проблему можно локализовать за счет сегментации частот. Однако на практике это оказалось неэффективным. В нескольких странах наблюдались серьезные перебои в работе услуг, использующих непересекающиеся диапазоны частот, в результате чего правительства, экологические организации и спутниковая индустрия - особенно в Азии, которая больше других зависит от этих частот – начали признавать угрозу, таящуюся в непродуманном распределении частот расширенного и стандартного диапазона С для наземных беспроводных частот.

  • Даже в случае, когда BWA (что включает системы WiMAX) и наземные станции спутниковой связи работают на разных частотах в одной части диапазона С, необходимо значительное географическое расстояние, которое разделяло бы их. Рабочая группа гонконгского управления связи провела большое количество полевых испытаний и пришла к следующему выводу: «Оборудование BWA, расположенное в радиусе нескольких километров вокруг существующих лицензированных наземных станций, работающих на тех же частотах, может вызвать интерференцию с ними … защита станций разделяющим пространством работает только в случае фиксированного, но не мобильного доступа … Согласно этой работе, проблемы интерференции вызваны предлагаемым выделением под BWA частот в диапазоне 3.4 – 3.6 ГГц и частот для приема спутниковых сигналов наземными станциями в диапазоне 3.4 – 4.2 ГГц. Чтобы эти две услуги могли сосуществовать на одной территории, нужно соблюдать некоторые технические ограничения. Для выполнения таких технических условий потребуются значительные затраты как со стороны операторов BWA, так и со стороны пользователей спутниковой связи, и они могут помешать широкому и дешевому использованию систем BWA в густонаселенной городской местности.»
  • В Южной Африке, Боливийское управление телекоммуникаций (SITTEL) утвердило использование диапазона 3.4 – 3.8 ГГц для использования в индустрии WiFi. В течение короткого испытательного периода перед запуском в широкое использование, запланированным в мае 2006, спутниковые сигналы каналов телевещания подвергались сильным помехам, и наблюдалась сильная интерференция. Как раз в это время проходили игры Кубка мира, а в стране много футбольных болельщиков, которые были крайне возмущены нарушением телевещания. SITTEL выпустила административное решение, приостановившее использование диапазона 3.7 – 3.8 ГГц системами беспроводной связи на всей территории Боливии в течение 90 дней, чтобы SITTEL могла принять меры для решения этой проблемы. Согласно этому решению отдел планирования спектра SITTEL должен был предложить новые нормы для каналов в диапазоне 3.4 – 3.8 ГГц. Позднее SITTEL заявила, что она выделит для операторов BWA частоты в диапазоне 3.4 – 3.5 ГГц, и начала внедрение процедур, необходимых для реализации такого решения.
  • Азиатско -Тихоокеанское общество телекоммуникаций (APT – региональная межправительственная организация) в отчете о Форуме APT, посвященном беспроводным технологиям (AWF), предупреждала: «… установку систем BWA в нескольких километрах от наземных станций спутниковой связи, работающих в том же диапазоне частот, но не в формате совмещенного канала, нужно тщательно планировать в каждом отдельном случае. Более того, чтобы избежать интерференции в непересекающихся диапазонах частот … нужно оставлять разделяющее расстояние не менее 2 км. ото всех приемников спутниковой связи, даже если беспроводные системы и наземные станции спутниковой связи работают на разные непересекающихся частота. Это расстояние можно сократить до 0,5 км, если на всех приемниках спутниковой связи установлены малошумящие полосные фильтры, а на базовой станции беспроводных систем установлены дополнительные фильтры побочного излучения, и запрещено использование внешних пользовательских терминалов. Эффективность любых методов защиты зависит от особенностей местности, на которой они применяются, они могут использоваться только если наземные станции спутниковой связи привязаны к ограниченном числу известных мест.”
  • В Европе CEPT подготовил новый отчет ECC, посвященный исследованию совместимости систем широкополосного беспроводного доступа и других сервисов в диапазоне 3400 – 3800 МГц (отчет ECC 100). Исследования показали, что максимальное расстояние, на котором нужно размещать центральные станции BWA для выполнения соответствующего критерия интерференции для наземных станций спутниковой связи, составляет от 270 до 320 км. В отчете эти расстояния называются «защитным расстоянием», чтобы указать на то, для каждой центральной станции BWA можно подобрать меньшее расстояние. Однако даже при тщательном планировании размещения каждой станции, необходимо оставлять разделяющие расстояния не менее нескольких десятков километров, а может и сотни километров. Целесообразность использования защитных методов на системах BWA для сокращения расстояния не исследовалась.
  • Азиатско-Тихоокеанский вещательный союз (ABU) (региональная организация, объединяющая правительственные и неправительственные учреждения), предупреждал, что «BWA – перспективная технология. Однако при применении этой технологии в тех же частотных диапазонах, в которых работают спутниковые нисходящие линии, она окажет негативное влияние и … и может лишить возможности использовать спутниковую связь во всем диапазоне С. В Азии эти частоты имеют наибольшую важность для спутниковой связи.»
  • Исследования совместного использования частот, проведенные Рабочей группой ITU-R 8F, показали, что минимальное разделяющее расстояние между передатчиком IMT (международной мобильной связи – мобильной системы 4G) и приемником спутниковой связи должно быть не менее 35-75 километров. Невозможно оставлять такие большие расстояния между этими двумя системами. Более того, существует много приемных станций, ведущих прием на частотах 3.4 – 4.2 ГГц, маловероятно, что необходимое разделяющее расстояние будет соблюдаться для всех этих станций.

Важно понимать, что спутниковые сигналы в диапазоне 3.4 – 4.2 ГГц принимаются большим количеством наземных станций по всему миру. Многие из этих станций рассчитаны только на прием сигнала, а потому не зарегистрированы в международном союзе телекоммуникации (и даже в местных администрациях), так как закон не требует такой регистрации. Использование систем BWA на тех же частотах сильно помешает приему спутниковых сигналов.

План испытаний и процедуры

Чтобы организовать верное, измеримое, повторяемое, количественное и реалистичное полевое испытание для измерения влияния установок WiMAX на прием спутниковых сигналов, попытка симуляции фактического размещения мобильного пользователя WiMAX и вышки базовой станции была проведена в два этапа. Эти испытания проводились также и для того, чтобы подтвердить и продемонстрировать, что результаты многих исследований, переданные ITU и посвященные влиянию BWA на приемники спутниковой связи, являются достоверными.

Методология

Испытание проводилось в два этапа:

Этап 1 проходил в Пунта Горда, штат Флорида: передатчик WiMAX был размещен на мобильной платформе в немного приподнятом состоянии – на высоте около 4 метров, а спутниковая антенна оставалась на одном месте.

Этап 2 проходил в Южном Мериленде и Северной Виргинии: антенна WiMAX была поднята на водонапорную башню на уровень 50 метров, а антенна спутниковой связи была закреплена на мобильной платформе и перемещалась в различные места и наклонялась под различными углами по отношению к антенне WiMAX.

У SES NewSkies был спутник NSS 806, расположенный на 319.5° восточной долготы. Он использовался для обоих этапов испытания. Основной видеосигнал посылала наземная станция SES TT&C в Манассасе, Виргиния.

План испытания и процедуры WiMAX, в том числе используемые частоты, описаны в отдельном документе под названием SUIRG WiMAX Test Plan & Procedures, который можно найти на сайте SUIRG по адресу http://www.suirg.org. Сигнал/шум, частота битовых ошибок и дискретная мощность канала видео программы измерялись прямо на выходе из малошумящего усилителя, а уровень показателя интерференция/шум считывался по спектральным диаграммам, когда сигнал WiMAX уходил в сторону от частоты видео центра.

Результаты полевых испытаний

В испытании на этапе 1 моделировалась одна мобильная абонентская установка WiMAX путем перемещения передатчика WiMAX на различные расстояния под разными углами к антенне спутниковой связи. Максимальное расстояние составляло 1 км, при этом уровень параметра интерференция/шум намного превосходил -10 дБ, установленные Форумом WiMAX. Стандартная сеть мобильных абонентов включает в себя множество передатчиков, что усугубляет интерференцию с местной системой спутниковой связи.

На этапе 2 моделировались более распространенные варианты использования WiMAX, при которых базовая станция поднимается на высоту 50 метров, и «мобильная» 2.4-метровая спутниковая антенна, измерялись эффекты при разных углах наклона и расстояниях от антенны WiMAX. Результаты показали, что существенная интерференция наблюдалась на расстоянии в 3 километра и на низких, и на высоких уровнях передачи. На расстоянии 12 километров частота битовых ошибок снизилась до 10-5, параметр интерференция/шум был равен +7 дБ, притом что отраслевые ТУ требуют, чтобы при длительно работе уровень параметра интерференция/шум не превышал -10 дБ.

Исходные расчеты, при которых использовались только потери на траектории, показали, что для сокращения уровня интерференции до требуемых -10 дБ необходимо расстояние 278 км. При проведении этого анализа предполагалось, что траектория интерференции не блокируется зданиями и другими объектами, создающими помехи и расположенным вблизи антенны WiMAX или спутниковой антенны. Достаточно точная оценка потерь на траектории выше линии прямой видимости может быть получена с помощью алгоритмов Rec. ITU-R P.452 и их рекомендации.

В результате объединения этих двух методов анализа – от равнинной местности без блокирующих объектов до холмистой местности, покрытой лесом, – выяснили, что наземные антенных спутниковой связи не могут сосуществовать с системами WiMAX на расстоянии менее 50 – 200 км в зависимости от особенностей местности.

© ДонНТУ, Шаповалов С.А.