LMDS

Bezprzewodowa technologia LMDS (Local Multipoint Distribution Service) należy do obszaru łączności radiowej, umożliwiającej użytkownikom biznesowym szerokopasmowy dostęp do przekazów głosowych i obrazowych z przepływnością do 1 Gb/s. Tak szeroki zakres przenoszenia sygnałów radiowych, uzyskiwany w pasmie od 27,5 GHz do 31 GHz, stanowi alternatywę dla kablowych sieci LAN (wykonanych na przewodach miedzianych lub światłowodowych), oszczędzając przy tym koszty ponoszone przy tworzeniu infrastruktury kablowej. Działanie systemu LMDS, zbliżone do charakterystyk systemów kablowych CATV, odróżnia się przede wszystkim ostatnim ogniwem łączności, zrealizowanym za pomocą łącza mikrofalowego niewielkiego zasiągu. Kanały częstotliwości pośrednich w kierunku telewidza są umieszczane w pasmie o częstotliwościach 950–2150 MHz; kanały zwrotne są realizowane w dwojaki sposób: wewnątrzpasmowo IB (In-Band Signalling) bądź poza zakresem użytecznym jako OOB (Out-Band Signalling). Pierwsze instalacje (USA, 1999 r.) potwierdziły, że łączny koszt eksploatacji sieci tego typu może być ponad dwukrotnie niższy od tradycyjnych szerokopasmowych sieci LAN.

Architektura lokalnego systemów do dystrybucji usług mutltimedialnych (LMDS)

Systemy lokalnej szerokopasmowej dystrybucji danych (LMDS – Local Multipoint Distribution Systems) stanowią podklasę szerszej klasy systemów radiokomunikacyjnych typu punkt–wiele punktów (PMP – Point to MultiPoint), wyróżniającą się asymetrią łącza (rys. po lewej). Z analizy systemów PMP i standardów związanych z tymi systemami wynika, że w początkowym okresie były one dostosowane pod względem właściwości transmisyjnych do świadczenia tzw. wąskopasmowych usług (dzisiaj do 2 Mb/s), wykorzystując z reguły kanały symetryczne z gradacją szybkości transmisji równą 64 kb/s. Stosowano je w celu zastąpienia zespołu linii radiowych typu punkt–punkt (PP – Point-to-Point). Systemy LMDS używane dzisiaj głównie do transmisji multimedialnych danych wymagają tak szerokiego pasma przenoszenia,że są traktowane jako szerokopasmowe. Podobną drogę przeszły systemy satelitarne, które w początkowym okresie rozwoju służyły jedynie do tworzenia długodystansowych linii radiowych typu PP w celu przenoszenia ruchu telefonicznego, w tym międzykontynentalnego.

Architektura

Interfejsy w systemie LMDS

Systemy LMDS z asymetrycznym wąskopasmowym kanałem zwrotnym, dostosowane do świadczenia usług rozsiewczych, składają się z następujących warstw:

• fizycznej, w której określono wszys­tkie parametry transmisyjne;
• transportowej, w której określono odpowiednie struktury danych i protokoły komunikacyjne, np… Kontener danych itp…;
• aplikacji, stanowiącej interaktywne oprogramowanie.

Transmisja od użytkownika do sieci odbywa się przy zastosowaniu czasowego zwielokrotnienia dostępu do kanału TDMA. Szczeliny czasowe mogą być wykorzystane przez różnych użytkowników. Jeden kanał do użytkownika może być użyty do synchronizacji do ośmiu kanałów od użytkowników, z których każdy jest podzielony na szczeliny czasowe. Informacja o stanie licznika adaptera sieciowego kanału interaktywnego INA jest przesyłana periodycznie do interfejsów sieciowych użytkowników NIU. Dzięki temu są one w stanie pracować synchronicznie, opierając się na tym samym zegarze, a szczeliny czasowe mogą być udostępniane różnym użytkownikom. W tym systemie stosuje się trzy podstawowe typy protokołów dostępu. Pierwszy z nich jest protokołem losowym. Użytkownik może przesłać wiadomość w dowolnym czasie. Może ona jednak wejść w kolizję z wiadomością wysłaną przez innego użytkownika. W pozostałych dwóch typach protokołów stosuje się rezerwację albo określonej skończonej liczby szczelin dla określonego NIU, albo określonej przepustowości wymaganej przez dany NIU. Typy protokołów są dobierane w sposób dynamiczny. Interfejsy sieciowe użytkownika NIU uzyskują informację, czy w danym momencie mogą stosować protokół losowy, czy też jeden z protokołów rezerwacyjnych.

Struktura systemu PMP

Adapter sieciowy kanału interaktywnego INA okresowo wskazuje nowym użytkownikom możliwość przejścia przez wstępną procedurę w celu synchronizacji ich interfejsów sieciowych do zegara sieci bez ponoszenia ryzyka kolizji z już aktywnymi użytkownikami. INA udostępnia nowym użytkownikom szerszy przedział czasowy do przesyłania wiadomości. Uwzględniane są czasy propagacji sygnału od INA do wielu NIU i z powrotem. Kanały interaktywne w łączu od użytkownika mogą być umieszczone w pasmie kanału rozsiewczego (IB – In Band) lub poza jego pasmem (OOB – Out Of Band), natomiast urządzenia abonenckie nie muszą być dostosowane do obu typów kanałów interaktywnych (sterujących). W systemach ze sterowaniem OOB musi występować podstawowy kanał interaktywny zarezerwowany dla danych interaktywnych i sterujących. Można również przesyłać większe strumienie danych stosując kanał DVB-MS. Częstotliwość tego kanału jest przesyłana w podstawowym kanale interaktywnym. Systemy z interaktywnym kanałem do użytkownika w pasmie kanału rozsiewczego (IB) i poza nim (OOB) zapewniają taką samą jakość usług.

W systemach LMDS współpracujących z cyfrową platformę DVB, było niezbędne utworzenie dwukierunkowego łącza pomiędzy dostawcą usług i użytkownikiem. Zasadą dobrze działającej usługi jest bowiem transport sygnału synchronizującego w łączu interaktywnego kanału, od interfejsu adaptera sieciowego (INA – Interactive Network Adapter) do interfejsu sieciowego użytkownika NIU. Oznacza to, że interfejsy NIU mogą dostosować się do sieci i odesłać informację o synchronizacji do INA. Urządzenie odbiorcze stanowi terminal użytkownika, który składa się z interfejsu do sieci (NIU – Network Interface Unit) obejmującego moduł interfejsu rozsiewczego (BIM – Broadcast Interface Module), także moduł interfejsu interaktywnego (IIM – Interactive Interface Module) oraz urządzenie końcowe (STU – Set Top Unit). Terminal użytkownika jest wyposażony w interfejsy do kanału rozsiewczego i do kanału interakcyjnego, a kontaktuje się z siecią przez moduł IIM.

W systemach LMDS stosujących do transmisji platformę DVB wyróżnia się dwa kanały pomiędzy dostawcą usług i użytkownikiem:

• rozsiewczy (BC – Broadcast Channel) – jednokierunkowy szerokopasmowy kanał rozsiewczy przenoszący sygnały wizyjne, foniczne i danych; kanał ten jest tworzony dla użytkownika przez dostawcę usług; może on zawierać łącze zapewniające przenoszenie usług interaktywnych w relacji dostawca usług – użytkownik;
• interakcyjny (IC – Interaction Channel) – jako dwukierunkowy kanał interakcyjny utworzony pomiędzy dostawcą usług i użytkownikiem, składający się z:

- łącza zwrotnego od użytkownika do dostawcy usług, stosowanego głównie do przesyłania zapytań do dostawcy lub do przesyłania odpowiedzi do dostawcy,

- łącza podstawowego (do użytkownika), stosowanego do przesyłania informacji przez dostawcę usług do użytkownika; kanał ten może być zintegrowany z kanałem rozsiewczym, może również nie być wymagany przy świadczeniu niektórych prostych usług przez kanał rozsiewczy.

Model odniesienia ETSI

Nie ma ekonomicznie uzasadnionych wskazań, które skłaniałyby do pełnej realizacji wszystkich funkcji LMDS w ramach jednego systemu. Szerokopasmowe naziemne systemy dostępowe można więc podzielić na dwie kategorie:

• spełniające wymagania klasycznych operatorów telefonicznych
• spełniające wymagania operatorów telewizji kablowej z aspiracjami do świadczenia dodatkowo usług telekomunikacyjnych.

Ze względu na zapotrzebowanie i uwarunkowania techniczne w naziemnych systemach obserwuje się szybki rozwój pierwszej grupy szerokopasmowych systemów do dystrybucji danych. Drugą grupę systemów wygodniej jest realizować wykorzystując systemy satelitarne.

Schemat blokowy modułów radiowych systemu PMP

Systemy typu punkt–wiele punktów (PMP) są zazwyczaj systemami ze statycznym przypisaniem zasobów (FA – Fixed Assignment) lub z przypisaniem zasobów na żądanie (DAMA – Demand Assigned Multiple Access). Systemy te, chcąc konkurować z rozwiązaniami przewodowymi, winny charakteryzować się efektywnym wykorzystaniem widma elektromagnetycznego, możliwością koncentracji ruchu telekomunikacyjnego oraz przezroczystością. Koncentracja ruchu polega na możliwości korzystania przez N abonentów z n kanałów (przy czym N>n), co umożliwia oszczędne gospodarowanie częstotliwościami i obniżenie kosztów wyposażenia,natomiast przezroczystość jest rozumiana jako możliwość nawiązania połączenia pomiędzy centralą i terminalem abonenckim bez potrzeby ingerencji w pracę łącza radiowego.

Rozmieszczenie kanałów systemu LMDS w pasmie 26 GHz

Zgodnie z dokumentami ETSI w skład systemu PMP mogą wchodzić następujące elementy:

• stacja centralna (CS – Central Station), w skład której wchodzą:
  • sterownik stacji centralnej (CCS – Central Controller Station), realizujący m. in. Połączenie z siecią poprzez interfejs do sieci;
  • sterownik węzła usługowego (SNI – Service Node Interface), np… Do miejscowej centrali; jeden sterownik może obsługiwać wiele CRS;
  • zespół radiowy stacji centralnej (CRS – Central Radio Station);
• terminal systemu (TS – Terminal Station), wyposażony w interfejsy abonenckie (UNI – User Network Interface);
• stacja przekaśnikowa (RS – Repeater Station), która również może być wyposażona w interfejs UNI oraz może obsługiwać więcej terminali systemowych (TS).

Rozmieszczenie kanałów systemu LMDS w pasmie 28 GHz

Do terminali systemowych TS są dołączone przez interfejs SNI terminale abonenckie (TE – Terminal Equipment), natomiast stacja centralna jest dołączona do sieci przez interfejs SNI i realizuje funkcję koncentracji ruchu poprzez zarządzanie wszystkimi dostępnymi kanałami w systemie. Typowe właściwości systemu PMP można przedstawić, uwzględniając:

• aspekty systemowe,
• aspekty radiowe,
• typy świadczonych usług i stosowanych interfejsów od strony centrali i abonenta,
• aspekty związane z zasilaniem i charakterystykami środowiska.

Preferowane zakresy częstotliwości pośredniej dla systemów LMDS z zewnętrznym kanałem sygnalizacyjnym do użytkownika (OOB)

Pojemność transmisyjna łącza w systemie PMP powinna wynosić n*2 Mb/s. Właściwości transmisyjne łącza winny spełniać Zalecenie G.821 ITU-T. Opóźnienie w obie strony (round trip delay) dla strumieni danych o przepływności 64 kb/s, przenoszących informację głosową, nie może przekraczać 20 ms. System musi spełniać warunek pełnej przezroczystości. Transmisja danych poprzez system nie może wymagać od centrali i urządzeń abonenckich żadnych dodatkowych akcji. Jeśli system wyposażono w interfejs do systemu zarządzania TMN, to musi on spełniać wymagania Zalecenia G.773 ITU-T. W systemach PMP ograniczono maksymalną moc wyjściową mierzoną w punkcie C' do wartości 35 dBm. W systemach, w których jest wymagana mniejsza moc nadawania ze względu na uzyskanie właściwych warunków odbioru lub spełnienie innych uwarunkowań prawnych, należy zapewnić regulację tej mocy. Moc wyjściowa musi być utrzymywana z dokładnością ±1 dBm.

Preferowane zakresy częstotliwości pośredniej dla systemów LMDS z wewnętrznym kanałem sterującym od użytkownika

Zgodnie z zaleceniami ERC (European Radiocommunication Committee) systemy PMP (kategoria ta obejmuje również systemy LMDS) powinny korzystać z pasm częstotliwościowych podanych w tabeli. Grupa Robocza ITU-FM (Frequency Management) ściśle ustaliła, a komitet ERC (European Radiocommunications Committee) zaakceptował rozkład kanałów dla systemów pracujących w pasmach 26 i 28 GHz.

Rozmieszczenie kanałów dla pasm 26 GHz i 28 GHz. W zależności od szerokości pasma kanału użytecznego, wykorzystywanego w systemie LMDS, kanał transmisyjny powinien być dopasowany do odpowiedniej organizacji kanału. Dla systemów przenoszących w kanale rozsiewczym sygnały telewizyjne dokonano modyfikacji dotyczących częstotliwości pośrednich, ułatwiających współpracę z istniejącymi sieciami telewizji kablowej. Ustalenia te nie są jednak obowiązujące. Kanał sterowania do użytkownika może korzystać z pasma częstotliwości od 950 do 2150 MHz.

Kanał sterowania od użytkownika można zorganizować w dwojaki sposób:

• dla sterowania OOB w celu zapewnienia kompatybilności z istniejącymi sieciami telewizji kablowej (ETS 300 800) stosuje się pasma od 70 do 130 MHz w kierunku do użytkownika i od 5 do 65 MHz w kierunku od użytkownika;
• dla sterowania IB, uwzględniając kompatybilność z sieciami kablowymi oraz dążąc do zapewnienia maksymalnej pojemności dla usług multimedialnych, stosuje się pasma od 400 do 700 MHz lub od 5 do 305 MHz.

W interaktywnym kanale do użytkownika należy stosować szybkość transmisji danych 3,088 MB/s, a jedynym wymaganiem jest, by szybkość transmisji była wielokrotnością 8 kb/s. Kanał interaktywny do użytkownika (OOB) nadaje w sposób ciągły ramki zgodne ze strukturą łącza typu T1. Część transmitowanych danych zawiera informacje do synchronizacji strumienia danych od użytkownika. Kanał ten transmituje pakiety MPEG-2 TS ze specyficznymi identyfikatorami PID służącymi do synchronizacji danych od użytkownika. Adapter sieciowy kanału interaktywnego INA wybiera dla użytkownika jedną z prędkości transmisji: 6,176 lub 3,088 Mb/s. Ramka interaktywnego kanału (od użytkownika) zawiera 512 bitów (256 symboli) ijest wysyłana przez różnych aktywnych użytkowników w odpowiednich szczelinach czasowych. Dla szybkości transmisji 6,176 Mb/s mamy szybkość nadawania ramek równą 12 000 ramek na sekundę, a dla szybkości 3,088 Mb/s 6000 ramek na sekundę.

Systemy LMDS dla telekomów

Wielu producentów wprowadziło na rynek interaktywne platformy telekomunikacyjne klasy LMDS, umożliwiające transmisje szerokopasmowe (głównie mikrofalowe), za pomocą których zestawiają oni łącza długodystansowe o przepustowości do 34 Mb/s. Natomiast w celu powierzchniowego pokrycia sygnałem radiowym obszarów o dużej gęstości abonentów (np… dużych miast) buduje się sieci o strukturze komórkowej z wykorzystaniem technologii LMDS. Tworzą je przylegające do siebie obszary o promieniu kilku kilometrów, w których centralnym punktem każdej komórki jest stacja bazowa LMDS, zapewniająca łączność z zainstalowanymi w jej obszarze stacjami odbiorczymi. Anteny stacji abonenckich są umiejscowione na dachach lub fasadach budynków, w których znajdują się odbiorcy usług. Zwykle są one dostosowane do przenoszenia ruchu przeznaczonego do obsługi różnego rodzaju treści zaawansowanych usług multimedialnych i szerokopasmowych, na które dzisiaj istnieje duże zapotrzebowanie.