McWiLL: Разбираем базовую станцию

Когда вспоминают беспроводной широкополосный доступ середины 2000-х, обычно говорят о WiMAX. Почти одновременно в Китае появился McWiLL — технология компании Beijing Xinwei Telecom, которая в отличие от WiMAX дожила до наших дней. В полосе 5 МГц одна базовая станция McWiLL выдаёт до 15 Мбит/с и работает на расстоянии больше 20 км.

При изучении этой технологии мне понравилась относительная простота реализации базовой станции на универсальных цифровых сигнальных процессорах (DSP) Texas Instruments. К тому же документация на станцию открыта, и в ней хорошо описана её структура — от плат до программных модулей. Предлагаю вместе поглубже окунуться в эту историю.

Коротко о McWiLL

McWiLL (Multi-Carrier Wireless Information Local Loop) — технология мобильного широкополосного доступа для современных корпоративных сетей связи. По сути это широкополосное продолжение SCDMA, на котором Xinwei строила голосовые беспроводные абонентские линии в диапазоне 400 МГц. В 2005 году компания показывала его на семинаре МСЭ как дешёвый способ подключить китайские сёла. В 2007-м EE Times писала о тестах в Гуанчжоу и Циндао и планах на Олимпиаду 2008 года.

В России радиоинтерфейс McWiLL закреплён национальным стандартом ГОСТ Р 58166-2018 «Технические требования к радиоинтерфейсу широкополосной подвижной радиосвязи (ШПР)». Его разработало ООО «НИРИТ СИНВЭЙ Телеком Технолоджи» (НСТТ), российский партнёр Xinwei, а Росстандарт утвердил приказом от 5 июля 2018 года № 392-ст. Стандарт описывает физический и канальный уровни и соответствует рекомендации МСЭ ITU-R M.1801-2 (2013) в части приложения 8 «Радиоинтерфейс для систем широкополосного беспроводного доступа стандарта SCDMA». Иными словами, McWiLL — не только фирменная технология: его радиоинтерфейс входит в рекомендацию МСЭ рядом с WiMAX и другими системами широкополосного доступа. В России систему знают также как МАКВИЛ и McWiLL (NG-1).

Чтобы читать статью дальше, достаточно пяти фактов о технологии:

• диапазоны по руководству — 1785–1805 МГц и 400–430 МГц, а в России сети работают ещё и в районе 340 МГц (полосы 301–306, 337–342 и 417–422 МГц разрешены Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) в 2014 году), полоса станции — от 1 до 5 МГц с шагом 1 МГц;

• временной дуплекс (TDD, Time Division Duplex): кадр 10 мс из восьми слотов по 1,1 мс, соотношение слотов вверх и вниз настраивается от 2:6 до 6:2;

• CS-OFDMA (Code Spread OFDMA): каждый символ перед OFDM-модуляцией расширяется ортогональным кодом, например в 8 раз, и раскладывается на столько же поднесущих;

• умная антенна (по сути это адаптивная антенная решётка: как в фазированной решётке, луч задают фаза и амплитуда сигнала на каждом элементе, но фазовращателей нет — веса для каждого абонента считает DSP в цифре; далее для краткости — умная антенна) из восьми элементов: станция вычисляет пространственную сигнатуру абонента на приёме и применяет те же веса на передаче — в TDD канал в обе стороны одинаков;

• адаптивная модуляция от QPSK до 64QAM, до 15 Мбит/с и 100 одновременных абонентов на станцию, радиус — от 0,5–3 км в городе до 8–30 км в сельской местности.

Возможности стандарта

По руководству и ГОСТ Р 58166-2018 McWiLL умеет всё, что нужно корпоративной сети связи:

• Данные и голос в одной сети. Пакетная передача IPv4 с переспросами ARQ и голос пакетами через вокодер (на станции — кодек G.729). Для речи и данных в стандарте есть отдельные подуровни со своими соединениями.

• SMS и дополнительные услуги. Обязательны определитель номера, три вида переадресации (безусловная, при занятости, при неответе) и ожидание вызова. По желанию — конференция, «не беспокоить», быстрый набор, запрет исходящих, голосовая почта.

• Групповая (транковая) связь и факс.

• Хэндовер и роуминг. Решение о переходе на другую базовую станцию принимает терминал. Сначала он «зондирует» целевую станцию запросом через канал доступа и переключается только после её ответа и настройки радиоканала. Между станциями строятся каналы для роуминга, поддержан переход на ретрансляторы; скорость абонента — до 120 км/ч.

• Энергосбережение. У абонентского терминала два пассивных режима. В первый он уходит, если не нашёл ни одной станции, и периодически просыпается просканировать диапазон. Во второй — если после регистрации долго нет активности: терминал сам просит станцию о режиме ожидания, а дозваниваются до него через вещательный канал.

• Безопасность. Регистрация и аутентификация терминала, шифрование данных и речи в радиоканале. Запустить шифрование может и станция, и терминал.

• Качество обслуживания. Поле типа потока SFID различает до 8 классов — сейчас это управляющие сообщения, трафик высокого и низкого приоритета. Полосу станция перераспределяет на лету по периодическим запросам ресурса — между терминалами и между сервисами одного терминала.

• Ethernet и сетевые функции. Радиоканал переносит Ethernet-кадры, станция поддерживает VLAN, мост между терминалами, прокси ARP и NAT, а терминал может работать беспроводным мостом для целого сегмента сети.

Структура сигнала

Руководство описывает сигнал крупно, а подробности приводят Олег Шорин и Роман Аверьянов в статье «Сравнение канального ресурса стандартов LTE и McWiLL (NG-1)»:

• в каждой группе 1 МГц 128 поднесущих с шагом 7,8125 кГц;

• поднесущие разбиты на 8 подгрупп по 16; канал собирается из 8 поднесущих, по одной из каждой подгруппы, так что в группе 16 каналов;

• OFDM-символ длится 137,5 мкс: 128 мкс сам символ, 6 мкс префикс и 3,5 мкс суффикс;

• каждый символ данных расширяется восемью кодами Уолша — Адамара и раскладывается на 8 поднесущих канала, то есть по всей полосе 1 МГц;

• минимальный ресурс абонента — один слот на 8 поднесущих, или 80 бит за 10 мс при QPSK.

Из-за мелкого минимального ресурса станция выдаёт абоненту ровно ту полосу, которая нужна: от 8 кбит/с до 15 Мбит/с. Это удобно и для датчиков M2M с маленьким трафиком, и для голоса, который идёт пакетами в том же канале, что и данные. По словам авторов, расширение кодом ещё и снижает пик-фактор передатчика терминала, что особенно важно для TDD.

ГОСТ Р 58166-2018 добавляет к этой картине точные параметры:

608 поднесущих — это пять групп по 128 минус по 16 «пустых» в двух крайних группах, которые служат защитными полосами. Подканал — базовая единица ресурса — в каждом тайм-слоте занимает массив 8 × 8 ячеек: 8 поднесущих на 8 OFDM-символов.

Кадров в стандарте два вида: 10 мс с восемью тайм-слотами и 5 мс с четырьмя. Слоты можно делить между направлениями от 7:1 до 1:7, хотя основным считается симметричное 4:4 (руководство на станцию упоминает лишь варианты от 2:6 до 6:2). Кадр 10 мс устроен так: преамбула 160 мкс, защитный интервал 16 мкс, нисходящий трафик 4739 мкс, защитный интервал 218 мкс, служебный интервал 128 мкс для восходящей линии, восходящий трафик 4739 мкс и финальный защитный интервал 40 мкс. Перед модуляцией данные скремблируются и кодируются, в том числе укороченным кодом Рида — Соломона (26, 24).

Ресурс станции — сетка из групп поднесущих и тайм-слотов. Группа поднесущих (SCG, SubCarrier Group) ещё встретится нам в программе DSP.

Оператор может оставить включёнными от одной до пяти строк сетки и сдвинуть границу между слотами вверх и вниз. Это нужно для того, что бы распределить пропускную способность между upload/download.

McWiLL в России

В России McWiLL разрешён, хотя путь к этому занял почти два десятилетия. Вот ключевые решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ):

• 2006 год. Полоса 1797,5–1802,5 МГц выделена компаниям «Белитон», «КватроПлюс», «Лардекс» и «Юнисел» до 1 октября 2016 года. Позже их купила российско-китайская НСТТ (группа БИТ и Xinwei), чтобы строить на этих частотах сети McWiLL.

• 22 июля 2014 года, решение № 14-26-05-2. Полосы 301,125–305,825 МГц, 337,125–341,825 МГц и 417–422 МГц разрешены для средств широкополосного беспроводного доступа на CS-OFDMA. McWiLL в решении не назван, но CS-OFDMA — это его радиоинтерфейс. Пользоваться полосами могут операторы фиксированной и сухопутной подвижной связи гражданского назначения, а 417–422 МГц — только дальше 350 км от центра Москвы.

• 1 июля 2016 года. ГКРЧ отказалась продлевать частоты 1800 МГц и досрочно прекратила решение 2006 года. НСТТ оспорила это в суде и проиграла.

• 11 сентября 2018 года, решение № 18-46-02. Вся полоса 1785–1805 МГц отдана владельцам железнодорожной инфраструктуры общего пользования под технологические сети.

• Ноябрь 2019 года. «КватроПлюс» из группы НСТТ получила полосу 1785–1805 МГц на год — для исследований электромагнитной совместимости McWiLL (NG-1) в Челябинской области. Заявки по Москве и на всю страну комиссия отклонила.

• 23 декабря 2022 года, протокол № 22-65. Полоса 1790–1800 МГц выделена для сетей мобильного широкополосного доступа. Получить её может любой оператор, в том числе НСТТ, с территориальными ограничениями рядом с железнодорожными и сотовыми сетями.

Итог: вариант McWiLL на 400 МГц разрешён с 2014 года, а для варианта на 1800 МГц открыта полоса 1790–1800 МГц. Это половина диапазона, на который рассчитана станция, но несущая шириной 5 МГц в неё помещается.

Общая схема базовой станции McWiLL

Оптическая выносная станция McWiLL собирается из шести частей:

1. Антенная решётка — восемь всенаправленных антенн, расставленных по кругу.

2. Фидеры: для 1800 МГц их девять — восемь радиочастотных и один калибровочный (CAL), для 400 МГц — восемь.

3. WRRU (Wideband Remote Radio Unit) — выносной радиоблок в ребристом литом корпусе. Внутри плата цифровой обработки DSB, синтезатор SYN и восемь радиоплат RFB.

4. Антенна GPS.

5. Оптическое волокно и кабель питания.

6. WBBU (Wideband BaseBand Unit) — блок обработки основной полосы, корпус 19″ высотой 1U с единственной платой BPB и модулем GPS.

Зачем делить станцию на две части? Если радиочасть стоит внизу, к антеннам приходится тянуть девять длинных коаксиальных фидеров. Когда радиоблок висит на мачте, фидеры короткие, а вниз уходят только оптоволокно и кабель питания. Волокно — одномодовое G652.D длиной до 10 км, так что WBBU можно поставить хоть в соседнем здании.

Радиоблок только переносит сигнал между эфиром и цифрой. Всю обработку — от БПФ до IP-пакетов — делает WBBU в аппаратной.

Чем блоки отличаются и что входит в комплект:

Антенно-фидерная система идёт отдельным комплектом: четыре двухэлементные антенны, набор фидеров и ящик с принадлежностями.

Виды RRU: поколение XW6400

Радиоблоки отличаются диапазоном, на каждый диапазон свой радиоблок:

Общие характеристики XWR6408: выходная мощность 8 × 10 Вт, чувствительность −108 дБм на подканал, размеры 550 × 320 × 135 мм, масса 23 кг, питание −48 В. Потребление зависит от деления слотов: до 320 Вт при 4:4 и до 400 Вт при 6:2 — чем больше слотов на передачу, тем дольше работают усилители. При +70 °C блок может работать до пяти часов. На корпусе восемь антенных портов ANT0–ANT7, калибровочный CAL0 и два оптических CPRI0/CPRI1.

Станция работает в одном из двух режимов:

• 5 МГц — к одному BBU подключается до трёх RRU, то есть одно-, двух- или трёхсекторная станция;

• 15 МГц — к одному BBU подключается только один RRU, зато с тройной полосой для сервисов с большим трафиком.

Как устроен WRRU

Конструктивно WRRU - фрезерованный литой алюминиевый корпус, состоящий из двух половинок. Платы установленные внутри закрыты экранами, для снижения ЭМИ.

В радиоблоке три функциональных блока: DSB, SYN и RFB.

DSB — Digital Signal Board

SYN — Synthesizer

RFB — RF Board

Радиоблок построен по супергетеродинной схеме с двумя промежуточными частотами, и основная обработка сигнала производится на ПЧ. Первая ПЧ — 426 МГц для диапазона 1800 МГц или 104 МГц для 400 МГц: на ней сигнал усиливается и проходит ПАВ-фильтр. Вторая, низкая ПЧ — 8 МГц: её оцифровывает АЦП на DSB, а перенос в основную полосу и I/Q-демодуляцию делает ПЛИС уже в цифре. На передаче путь тот же в обратном порядке.

Синтезатор SYN не подключён к радиоплатам напрямую. Он отдаёт гетеродинные сигналы ВЧ и ПЧ на DSB, а та делит их на восемь каналов и раздаёт по RFB вместе с сигналом низкой ПЧ. Гетеродин и полезный сигнал идут по одной линии, поэтому их разделяют фильтрами: верхних частот — для гетеродина, нижних — для сигнала 8 МГц.

Обратная связь тоже есть: DSB даёт синтезатору опорную частоту и сигналы настройки. Свой выход для калибровки SYN отдаёт на девятый, калибровочный фидер.

Путь сигнала вверх, от абонента к сети:

1. RFB усиливает сигнал своей антенны и переносит его на низкую ПЧ 8 МГц.

2. DSB оцифровывает его, переносит в основную полосу и упаковывает отсчёты для передачи по волокну.

3. BPB в WBBU обрабатывает сигнал по протоколу McWiLL и отдаёт данные в опорную сеть IP-пакетами.

Вниз — в обратном порядке: BPB формирует отсчёты, DSB распаковывает их и переносит на низкую ПЧ, RFB поднимает сигнал на несущую и отдаёт в антенну. Тактовую сетку TDD с периодом 10 мс задаёт GPS-приёмник на плате BPB.

RFB: восемь одинаковых радиотрактов

RFB (RF Board) — радиочастотная плата, к которой через фидер подключается антенна. В WRRU восемь одинаковых RFB, по одной на антенну. На каждой половине корпуса под одной плате, на плате 4 канала. Плата делает четыре вещи:

1. Принимает сигнал: малошумящее усиление, понижающее преобразование, обработка на ПЧ, фильтр нижних частот и регулировка усиления.

2. Передаёт: фильтрация, обработка на ПЧ, повышающее преобразование, усиление и регулировка мощности.

3. Пропускает калибровочный сигнал.

4. Переключается между приёмом и передачей по тактам TDD.

Первым на пути от DSB стоит multi-модуль. Руководство его не расшифровывает, но по схеме связей понятно, что именно он разводит пришедшие по одной линии гетеродины, сигнал низкой ПЧ и управление. Модуль питания раздаёт напряжения всем узлам платы.

Приём. Слабый сигнал с антенны усиливает малошумящий усилитель (МШУ), затем смеситель переносит его на ПЧ: 426 МГц для диапазона 1800 МГц или 104 МГц для 400 МГц. На ПЧ сигнал усиливается и проходит фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а второй смеситель опускает его на низкую ПЧ 8 МГц. Дальше сигнал оцифровывает АЦП на плате DSB.

Передача. Сигнал 8 МГц с ЦАП платы DSB фильтруется, ослабляется до нужного уровня и поднимается на ПЧ. После усиления, ПАВ-фильтра и цифрового аттенюатора второй смеситель переносит его на рабочую частоту, а усилитель мощности (УМ) отдаёт его в антенну — до 31 дБм на канал.

Приём и передача идут через одни и те же модули, а направление переключает ВЧ-ключ (PIN-диод). Полный радиотракт WRRU даёт усиление 33 ± 2 дБ на передачу и 60 ± 2 дБ на приём при коэффициенте шума меньше 4 дБ.

К фазовым искажениям тракта система нетребовательна: по данным НСТТ, неравномерность группового времени запаздывания (ГВЗ) допускается до 500 нс в каждой полосе 1 МГц. Самый уязвимый этап — поиск и вход в синхронизацию по преамбуле, когда канал ещё не оценён.

SYN: гетеродины и калибровка

SYN (Synthesizer) делает две работы: вырабатывает гетеродины для всех восьми RFB и автоматически калибрует радиотракты на приём и на передачу.

Гетеродины. Основа — интегральный синтезатор с ФАПЧ и ГУН (PLL + VCO), который опирается на кварцевый генератор с подстройкой частоты (VCXO). Подстройкой управляет DSB через ЦАП. Синтезатор выдаёт два гетеродина, ВЧ и ПЧ: после фильтров верхних и нижних частот они уходят на DSB одной линией, а DSB раздаёт их по радиоплатам.

Калибровка. Умная антенна собирает луч правильно, только если все восемь трактов одинаковы по усилению и фазе. Поэтому в SYN есть собственный тракт: сигнал 8 МГц с DSB переносится на ВЧ теми же гетеродинами и через цифровой аттенюатор и резистивный делитель уходит в девятый порт — на калибровочный фидер. Вторая ветвь делителя идёт на детектор среднеквадратичной мощности (RMS) и АЦП, чтобы измерять уровень сигнала.

Судя по схеме, тракт работает в обе стороны. При калибровке передатчиков сигнал, принятый через калибровочный фидер, опускается до 8 МГц и уходит на DSB — неспроста у АЦП на DSB девять каналов ПЧ, а не восемь.

Руководство формулирует задачу коротко: калибровать мощность передачи и чувствительность приёма антенн. Расчёт поправок делает отдельное ядро DSP на плате BPB, а готовые калибровочные данные можно загрузить из системы управления.

Любопытная деталь: на схеме SYN указаны гетеродины 1645–1665 МГц и 132 МГц. Вместе с низкой ПЧ 8 МГц это даёт промежуточную частоту 140 МГц, тогда как в описании RFB и в таблице характеристик стоит 426 МГц. Вероятно, схема и текст относятся к разным ревизиям оборудования.

DSB: мост между радио и оптикой

DSB (Digital Signal Board) соединяет аналоговую часть радиоблока с волокном. У неё четыре задачи:

1. Упаковывать и распаковывать квадратурные отсчёты (I/Q) и управляющие данные для передачи по волокну.

2. Переносить сигнал между основной полосой и низкой ПЧ — цифровая ПЧ сделана в ПЛИС.

3. Следить за температурой, током и исправностью RFB и SYN и сообщать о них в WBBU.

4. Давать опорную частоту синтезатору и управлять радиоплатами: такты приёма и передачи, гетеродины, низкая ПЧ.

Главная микросхема платы — ПЛИС. На приёме АЦП оцифровывают сигналы ПЧ с центром 8 МГц и полосой 5 МГц (5,5–10,5 МГц) с частотой 32 МГц и разрядностью 12 бит. ПЛИС делает I/Q-демодуляцию и прореживает поток в четыре раза — до 8 млн отсчётов в секунду (DDC, Digital Down Conversion).

На передаче всё наоборот: четырёхкратная интерполяция, I/Q-модуляция (DUC, Digital Up Conversion), ЦАП 32 МГц и 12 бит, сигнал 8 МГц на RFB. Аналоговая часть между ними сведена к LC-фильтрам нижних частот, которые подавляют гетеродин и зеркальный канал.

Микроконтроллер (MCU) при включении сначала загружается сам, потом заливает прошивку в ПЛИС. Дальше он собирает показания датчиков и вместе с версиями железа и софта отдаёт их ПЛИС, а та по волокну отправляет в WBBU. Заодно MCU следит за оптической линией и поднимает аварии.

Арифметика оптического канала

Между блоками работает физический уровень CPRI (Common Public Radio Interface) на скорости 2,4576 Гбит/с. По нему идут отсчёты в обе стороны, калибровочные данные и управление. SerDes кодирует поток 8b/10b, поэтому полезная ёмкость — 80 % от линейной скорости. Поток отсчётов считается так: 8 млн отсчётов в секунду × 14 бит × 2 (I и Q) × 8 антенн.

Из 1,966 Гбит/с полезной ёмкости 1,792 Гбит/с занимают отсчёты антенн. На калибровку, управление и сигнал 10 мс остаётся примерно 174 Мбит/с.

Тактирование

Радиоблок должен работать синхронно с WBBU, но собственного точного генератора у него нет. В WBBU стоит прецизионный тактовый генератор на 30,72 МГц( на самом деле - 10МГц, видимо зависит от версии), а радиоблок (плата DSB) восстанавливает такт из оптического потока. Это классическое решение для интерфейса CPRI.

Джиттер такого такта — около 140 пс, а АЦП требует меньше 150 пс. Запас почти нулевой, поэтому такт пропускают через очиститель джиттера (jitter cleaner), захватывают на частоте 32 МГц и только потом подают на АЦП и ПЛИС. На схеме это цепочка SerDes → jitter cleaner → 32 МГц.

Плата DSB/SYN вживую

Передающий тракт — красный контур

Приёмный тракт — синий контур

Гетеродин и тактирование — фиолетовый контур

Обратная связь и калибровка — оранжевый контур

Питание — жёлтый контур

Цифровая часть — бирюзовый контур

Разъёмы и интерфейсы — розовый контур

Плата RF вживую

Передающий тракт — красный контур

Приёмный тракт — синий контур

Управление и смещение — бирюзовый контур

Питание — жёлтый контур

Разъёмы — розовый контур

Обратная связь (DPD) — фиолетовый контур

Архитектура WBBU

Так выглядит блок WBBU Xinwei в 19-дюймовом корпусе 1U. На передней панели слева направо: выключатель и разъём питания, три разъёма SMA (GPS, 10 мс и 10 МГц), индикаторы, порт FE/GE0 в двух вариантах — SFP и RJ45, консоль UART, восемь разъёмов RJ45 (FE/GE1–2, EXTSYNC-OUT/IN, EXT-ALM0–1, MON0–1) и три оптических порта SFP0–SFP2(СPRI).

BPB (Baseband Processing Board) — единственная плата WBBU и самая сложная в станции. Она обрабатывает все три уровня радиоинтерфейса, задаёт временную сетку станции, через DSB управляет радиоплатами и выставляет синтезатору частоты и уровни калибровки.

На плате четыре группы микросхем.

• FPGA — точка, где плата подключается к радиоблоку. Она принимает поток CPRI от WRRU, перепаковывает его в формат OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative) и отдаёт в DSP1 по двум линиям AIF, а в DSP2 — по одной, на скорости около 3,07 Гбит/с. Из сигнала GPS 10 мс ПЛИС строит сетку TDD: прерывания, переключение приёма и передачи, кадровую синхронизацию FSYNC и таймеры для всех DSP. Через интерфейс SuperBuffer можно снять сырые антенные данные.

• Пять DSP TI TCI6487 по три ядра считают физический и канальный уровни. Между собой они связаны сеткой AIF, у каждого своя память DDR2 и свой стабилизатор питания ядра T240 на 0,9–1,2 В. Примечание - в реальной плате установлено 4 DSP.

• MPC8548 — Процессор отвечает за управление платой. Гигабитный порт RGMII смотрит в опорную сеть, UART выведен на RS-232. BootROM, NvRAM и CF-карта подключены к локальной шине через CPLD, а системная и производственная информация хранится в EEPROM на шине I2C.

• Два коммутатора. Ethernet-коммутатор соединяет MPC8548 с портами SGMII всех DSP: по нему DSP загружаются и обмениваются данными, а второй гигабитный порт выведен для отладки DSP. SRIO-коммутатор даёт каждому DSP по две линии Serial RapidIO в качестве резервного скоростного канала.

Разъём DC подаёт на плату штатное питание −48 В, а заодно землю, −48 В — стандартное напряжение для телекоммуникационного оборудования: от него традиционно питаются АТС, коммутаторы и базовые станции, а буферные аккумуляторы на 48 В держат их при отключении внешнего электропитания.

Плата BPB вживую

Так выглядит внутри WBBU. Сверху — плата питания (наклейка BBBU20MPSM), под ней — сама BPB с маркировкой BBU20M, внизу — четыре вентилятора.

На фото:шесть крупных микросхем под радиаторами. Верхняя левая — процессор MPC8548: рядом с ней четыре микросхемы памяти Micron . В нижнем левом углу Altera Arria V GX 5AGXFB3H4F35I3N. Остальные четыре — сигнальные процессоры TCI6487, каждая со своей памятью;

Ключевые микросхемы платы, которые удалось прочитать:

Модуль GPS

Источник синхронизации всей станции — отдельная плата-мезонин внутри WBBU. На ней стоит модуль u-blox LEA-6T — версия GPS-приёмника u-blox 6 для задач точного времени (буква T в названии — timing). На фото видны маркировка платы DMBTS18_GPSH01.01.04, дата 2013-9-6 и надпись «北京信威公司» (компания Beijing Xinwei). Антенна GPS подключается через коаксиальный разъём SMA с позиционным обозначением J5 внизу платы.

По описанию u-blox, у LEA-6T один или два выхода опорного импульса (timepulse) частотой до 10 МГц, режим неподвижной станции (survey-in) для повышения точности времени, метки времени для внешних событий, интерфейсы UART, USB и I2C, питание 2,7–3,6 В и термокомпенсированный кварцевый генератор (TCXO). Режим survey-in как раз для базовой станции: приёмник один раз уточняет свои координаты, а дальше все спутники работают только на точность времени.

Именно отсюда берутся сигнал 10 мс, по которому ПЛИС строит сетку TDD, и точность синхронизации лучше 3 мкс из руководства. Сегодня LEA-6T снят с производства, вместо него u-blox предлагает модули F9T и F10T.

ПЛИС Lattice MachXO2

На плате BPB стоит ПЛИС Lattice LCMXO2-2000UHC-4FG484C из семейства MachXO2. Маркировка расшифровывается так:

MachXO2 — небольшая флеш-ПЛИС (на схеме обозначена как CPLD): конфигурация хранится внутри кристалла, и микросхема работает сразу после включения питания.

Роль подсказывает сама плата: рядом с микросхемой нанесена маркировка CPLD_PPC_PORESET и стоит разъём CPLD_JTAG. Значит, это тот самый CPLD из руководства: он управляет сбросом процессора MPC8548 (PowerPC) и сидит на его локальной шине, через которую подключены загрузочная флеш, NvRAM и CF-карта. Вплотную к нему стоит NOR-флеш Spansion S29GL256P на 256 Мбит — BootROM процессора.

Что умеет TMS320TCI6487

TCI6487 — коммуникационный DSP Texas Instruments на архитектуре C64x+ (VLIW). TI делала его именно для базовых станций: в даташите упомянуты UMTS, TD-SCDMA, WiMAX и GSM/EDGE. Ключевые характеристики — по даташиту:

Вся периферия и три подсистемы DSP сидят на общей коммутационной матрице SCR (Switched Central Resource). У каждого ядра свои кэши L1 и доля L2, два регистровых файла по 32 регистра и восемь функциональных блоков, работающих параллельно.

Почти каждая строка таблицы находится на схеме BPB. По AIF и OBSAI DSP получают отсчёты от ПЛИС и обмениваются данными друг с другом. Две линии SRIO уходят на SRIO-коммутатор, SGMII — на Ethernet-коммутатор, FSYNC принимает кадровую синхронизацию, а по McBSP с ПЛИС связан DSP с FEP. Диапазон питания ядра 0,9–1,2 В объясняет, зачем у каждого DSP на плате свой стабилизатор T240.

Три ядра на чип определили и раскладку ПО: восемь ядер MCP и core9 занимают ровно три DSP, а FEP с AUX и канальный уровень — по одному. Какая из двух версий чипа стоит в станции и задействованы ли аппаратные декодеры VCP2 и TCP2, руководство не уточняет.

Антенная решётка

Руководство описывает решётку одной фразой: она даёт радиоплатформу, на которой DSP оптимизирует луч умной антенны. Физически это восемь всенаправленных антенн с высоким усилением, расставленных по кругу. Каждая подключена к своей RFB отдельным фидером с разъёмом N-типа и волновым сопротивлением 50 Ом.

Круговая решётка используется для диапазона 300 или 400МГц, когда один WRRU стоит в центре соты и обслуживает все 360°. Если станция работает в диапазоне 1785-1800МГц, то на площадке ставят три WRRU, к каждой ставят панельную антенну на 120°, и получается привычная трёхсекторная станция.

Девятый фидер, калибровочный, тоже идёт к антенне. Через него SYN подаёт и снимает эталонный сигнал, чтобы выравнивать восемь трактов между собой.

Решётка формирует не только лучи на абонентов, но и диаграмму широковещательных каналов — преамбулы и BCH с системной информацией. Именно они определяют, сможет ли терминал вообще подключиться к сети. Управлять этой диаграммой можно только фазами сигналов в антенных каналах.

В 2023 году Олег Шорин и И. Агран подобрали эти фазы машинным обучением под рельеф и застройку. По их данным, это сокращает число базовых станций в 1,5–2 раза: в Новороссийске две станции покрыли 85 % города, есть и пример для здания Лахта-центра в Санкт-Петербурге.

Программная часть

Станция — распределённая встраиваемая система: на каждом процессоре работает своё ПО, а согласованность обеспечивают механизмы связи и синхронизации. Руководство делит его на два класса:

• ПО на DSP — цифровая обработка сигнала: модуляция и демодуляция, умная антенна, калибровка решётки, сигнализация L2 и управление ресурсами;

• ПО на центральном процессоре — сигнализация и логика под управлением ОС реального времени (RTOS).

Как DSP делят работу

ПО сигнальных процессоров состоит из пяти частей:

Алгоритмы MCP перенесли со старой платформы без изменений — поменялся только транспорт. Теперь данные между FEP, MCP, core9 и MAC ходят по интерфейсу AIF процессора TCI6487.

Самая интересная роль у core9. MAC отдаёт ему профили восходящего канала и данные нисходящего для каждого абонента, а core9 раскладывает их по группам поднесущих (SCG) и подканалам, которые обрабатывает каждое ядро MCP. Потом он собирает результаты и упаковывает их обратно для MAC.

Ещё core9 согласует веса нисходящего луча, чтобы у абонента они совпадали во всех его подканалах, и отдаёт их в FEP и MAC. По статистике нескольких кадров он же решает, не пора ли сменить абоненту режим нагрузки и мобильности, и сообщает об этом MAC.

Канальный уровень

В предыдущей базовой станции V5 BTS канальный уровень работал на PowerPC, а в оптической версии — на трёх ядрах одного TI TCI6487. Руководство расписывает работу двух из них. Модули с приставкой DAC отвечают за данные, VAC — за голос (в ГОСТе им соответствуют подуровни обмена пакетами данных и доступа при передаче речи, а рядом с ними — подуровни MAC и формирования трафика), Fsm — автоматы состояний сессий.

Ядро 1 занято приёмом и отправкой в L1. MAC RX разбирает кадры восходящего канала — общие логические каналы и трафик TCH. VAC RX собирает голос по кадрам, DAC RX собирает из ARQ-блоков целые пакеты данных, и оба отдают их в L3. L2_Send отправляет в L1 нисходящие данные, профили и конфигурацию и считает веса нисходящего луча для каналов TCH. Там же работают автомат сессий MAC, управление радиоресурсами (RRM), OAM и трассировка.

Ядро 2 готовит передачу. DAC TX режет пакеты из L3 на блоки и отправляет их через окно ARQ, VAC TX складывает голос в джиттер-буфер. MAC TX по текущему распределению ресурсов собирает нисходящие кадры и профили и отдаёт их в L2_Send на первом ядре. Автоматы DAC Fsm и VAC Fsm устанавливают, держат и закрывают сессии данных и голоса.

Третий уровень на MPC8548

L3 работает под многозадачной ОС реального времени: управление системой, обработка вызовов и данных, связь с консолью и с L2 DSP, таймеры и контроль всех модулей. Именно здесь видно, что станция работает не только с радио:

• данные: DHCP и PPPoE с построением таблицы пересылки, прокси ARP, фильтрация широковещательных пакетов, теги VLAN, мост между терминалами, каналы между станциями для роуминга и тарификация;

• голос: интерфейс Sabis1 к шлюзу услуг, NAT и кодек G.729, плюс транковая связь;

• эксплуатация: связь с системой управления (EMS), аварии, загрузка ПО всех уровней, контроль GPS, диагностика и управление радиоблоком;

• режимы RCPE и WCPE: в первом терминал не фильтрует пакеты и прозрачно пропускает весь трафик, во втором через один CPE идёт восходящий трафик самой станции и её терминалов.

ПО радиоблока

У WRRU своё ПО — на микроконтроллере платы DSB с ядром ARM. Над драйверами лежит слой API, который прячет железо от прикладных модулей:

• Bootloader живёт во внутренней флеш-памяти MCU. Он первым стартует после включения, инициализирует минимум железа — прерывания, таймеры, последовательный порт и Ethernet, — читает из внешней флеш ID раздела с приложением и передаёт туда управление.

• Драйверы инициализируют микросхемы при старте и дают верхним уровням функции для приёма и передачи данных.

• Интерфейс системы управления обрабатывает команды конфигурации и запросы и отправляет аварии.

• Мониторинг следит за температурой и влажностью, а по каждому из восьми радиотрактов — за напряжением, током и мощностью. Если параметр выходит за порог, модуль поднимает аварию.

• Загрузка кода обновляет прошивку удалённо.

• Таймеры управляют программными и аппаратными таймерами.

Обновление кода — интересная часть. Радиоблок висит на мачте или далеко от аппаратной, прошивать его на месте непрактично, поэтому обновление идёт через систему управления. Чтобы сбой не оставил блок без прошивки, флеш с приложением разбита на два раздела.

Если работает первый раздел, новая версия пишется во второй, и только после успешной записи загрузчик переписывает ID. После перезагрузки блок стартует уже со второго раздела. Если загрузка не произошла успешно, то откатывается обратно на первый раздел. Сегодня такую схему называют A/B-обновлением.

Сравнение McWiLL и LTE

Из всех стандартов McWiLL ближе всего к TD-LTE — LTE с временным дуплексом. Почти всё, что отличает TD-LTE от предшественников, в McWiLL уже есть: OFDMA, кадр 10 мс, формирование луча на восьми антеннах и сеть только на IP.

Данные по LTE — из обзора 3GPP, спецификации 3GPP TS 36.211 и статьи Microwave Journal о формировании луча в TD-LTE.

Различия тоже существенные.

• Расширение спектра. В McWiLL каждый символ кодом растягивается на несколько поднесущих ради частотного разнесения и низкого пик-фактора. В LTE нисходящий канал — обычный OFDMA. Ближе всего к идее McWiLL восходящий SC-FDMA: там символы тоже «размазываются» по поднесущим, через ДПФ, и цель та же — низкий пик-фактор передатчика терминала. Разница в шаге поднесущих: 7,8125 кГц у McWiLL против 15 кГц у LTE.

• MIMO. LTE изначально закладывал пространственное мультиплексирование до четырёх антенн на стороне, а TM8 совмещает луч с двумя потоками данных. В руководстве McWiLL описано только формирование луча.

• Масштаб. Требование к LTE — 100 Мбит/с вниз и 50 Мбит/с вверх в полосе 20 МГц. У McWiLL — до 15 Мбит/с на станцию в полосе 5 МГц.

• Мобильность. McWiLL рассчитан на скорость до 120 км/ч. LTE держит связь на скорости до 350 км/ч, а в некоторых диапазонах и до 500 км/ч.

• Стандарт. LTE — открытый стандарт 3GPP: интерфейсы X2 между станциями и S1 к ядру описаны, оборудование выпускают десятки производителей. Радиоинтерфейс McWiLL тоже стандартизован — в рекомендации МСЭ ITU-R M.1801 и в ГОСТ Р 58166-2018, но оборудование делает фактически одна Xinwei с партнёрами, а узлы SAC и SAG — фирменные.

Есть и неочевидное сравнение в пользу McWiLL — первичный доступ. В LTE сигнал случайного доступа PRACH идёт с шагом поднесущих 1,25 кГц, и по оценке Шорина и Аверьянова при частотном сдвиге около 600 Гц синхронизация срывается. На 2,6 ГГц это около 250 км/ч в теории и около 120 км/ч на практике.

У McWiLL первичные запросы идут с тем же шагом 7,8 кГц, и авторы считают его в 5–7 раз устойчивее к доплеровскому сдвигу — до 800 км/ч. Учтите, что это расчётная оценка разработчиков, а не измерение; руководство на станцию обещает мобильность до 120 км/ч.

Аутентификация абонентов

Набор идентификаторов у McWiLL построен по образцу сотовой связи — монография прямо называет аналоги. Главное отличие в том, где хранится секретный ключ: в LTE — на SIM-карте, в McWiLL — в памяти самого терминала.

У подхода McWiLL есть плюс для корпоративной сети: терминал программируют прямо в организации, а ключ SID можно записать по радио из HLR — никаких SIM-карт и логистики их выпуска. Минус в том же: ключ лежит в обычной памяти устройства, а не в защищённом чипе SIM-карты, и абонента нельзя перенести на другой терминал, просто переставив карту. Интересная деталь: SID не обязан быть уникальным, и у двух абонентов он может совпасть.

Ещё одно различие — взаимная аутентификация. В LTE терминал тоже проверяет сеть по параметру AUTN, что защищает от ложных базовых станций. Проверяет ли терминал McWiLL сеть - не понятно.

Итоги

Если коротко, McWiLL — это физика TD-LTE в миниатюре: тот же временной дуплекс и та же умная антенна, но в полосе 5 МГц, без MIMO и без открытой экосистемы.

Видно и то, где у этой архитектуры потолок. Эфир даёт 608 подканалов под трафик, но руководство прямо пишет, что реальную ёмкость — 100 одновременных абонентов и 15 Мбит/с — ограничивают возможности железа и софта. Отсюда и разъём расширения на BPB, оставленный под наращивание вычислительной мощности DSP.

Сегодня о McWiLL вспоминают редко. Но тот, кто откроет руководство на станцию TD-LTE, узнает знакомые идеи: восемь антенн, временной дуплекс и радиоблок на мачте, подключенный к BBU по CPRI.

ТГ @yamironichev , Яков Мироничев, г.Ижевск

Источники

1. Beijing Xinwei Telecom Technology. McWiLL Broadband Wireless Access System. Technical Manual: Optical Fiber Remote BS System, версия 1.00.

2. China firm preps WiMAX rival for Olympics — EE Times, 18 января 2007.

3. SCDMA Wireless Broadband Access Systems and Its Applications in Chinese Rural Markets — Lin Bo, тезисы доклада на семинаре МСЭ, Шэньчжэнь, 2005.

4. Texas Instruments. TMS320TCI6487/8 Communications Infrastructure Digital Signal Processor, даташит SPRS358L, апрель 2011.

5. Решение ГКРЧ от 22 июля 2014 г. № 14-26-05-2 — Гарант.

6. Ущемлённый китайский инвестор поспорит с ГКРЧ — ComNews, 23 января 2020.

7. Конкурент LTE дождался частот — Коммерсантъ, 2019.

8. Власти России дали новый шанс забытой китайской технологии связи — CNews, 2 февраля 2023.

9. McWill — справочник Rusmonitor.

10. UTRA-UTRAN Long Term Evolution (LTE) and 3GPP System Architecture Evolution (SAE) — 3GPP.

11. ETSI TS 136 211 V8.9.0 (3GPP TS 36.211 Release 8): Physical channels and modulation — ETSI, 2010.

12. MIMO Beamforming and Its Impact on Testing TD-LTE — Kang Chen, Microwave Journal, 14 февраля 2012.

13. Шорин О. А., Аверьянов Р. С. Сравнение канального ресурса стандартов LTE и McWiLL (NG-1) // Экономика и качество систем связи. 2016. № 1.

14. Шорин О. А., Аверьянов Р. С. Алгоритмические особенности организации связи и устойчивость к неравномерности ГВЗ системы связи McWiLL // Экономика и качество систем связи. 2019. № 1.

15. Шорин В. О. Режим хэндовера для сети связи МАКВИЛ в г. Москве // Экономика и качество систем связи. 2021. № 4.

16. Шорин О. А., Агран И. Настройка диаграмм направленности антенн для широковещательных каналов управления сети МАКВИЛ на основе машинного обучения // Экономика и качество систем связи. 2023. № 2.

17. ГОСТ Р 58166-2018. Технические требования к радиоинтерфейсу широкополосной подвижной радиосвязи (ШПР). — М.: Стандартинформ, 2018; соответствует ITU-R M.1801-2 (02/2013), приложение 8 (SCDMA).

18. Аверьянов Р. С., Бокк Г. О., Володина Е. Е. и др. Транкинговая система широкополосного доступа МАКВИЛ / Под ред. О. А. Шорина: Монография. — М.: Издательский дом Медиа Паблишер, 2021. — 196 с.