Мировой рекорд беспроводной передачи данных: 40 Гбит/с на 11 километров

В августе 2019 года в России впервые в мире (Да, это правда) выполнили коммерческий проект по беспроводному резервированию магистрального оптического кабеля емкостью 40 Гбит/с. Оператор «Единство», дочерняя компания Норникеля, с помощью такого канала пробросила 11-километровый беспроводной бэкап через Енисей.

Периодически в прессе, и на Хабре в том числе, появляются заметки о мировых рекордах беспроводной связи. Они интересны с точки зрения прогресса технологий, но это всегда именно исследовательские тесты. А тут реальный коммерческий проект, и не в условиях Силиконовой долины или европейского университета, а прямо в тайге на Полярном круге. Как ни удивительно, но именно огромная страна, сложные географические и климатические условия создают предпосылки для проектов, которые дают фору лучшим исследовательским лабораториям.

Хронология последних рекордов беспроводной связи:

• Май 2013, 40 Гбит/с на 1 км на экспериментальной частоте 240 ГГц как совместный эксперимент ученых Технологического института Карлсруэ, компании Radiometer Physics GmbH и Фраунхоферского института прикладной физики твердого тела. Частота сигнала недоступна для коммерческого использования.
• Май 2016: 6 Гбит/с на 37 км в диапазоне 70/80 ГГц, та же команда, но как новый эксперимент на частотах, выделенных для коммерческих проектов,
• Ноябрь 2016: 20 Гбит/с на 13 км, исследовательский центр Facebook Connectivity Lab,
• Январь 2019, 40 Гбит/с на 1,4 км, полигон Deutsche Telekom на серийном оборудовании Ericsson, в мае 2019 масштабирование тех же самых линков на том же полигоне уже до 8 в ряд дало около 100 Гбит/с,
• Август 2019, 40 Гбит/с на 11 км, Норильский оператор «Единство» на серийном оборудовании ООО «ДОК» (Санкт-Петербург).

Собственно говоря, никакого рекорда беспроводной связи в условиях Полярного круга могло бы и не быть, если бы не ледоход на Енисее. Предыстория проекта такова — в 2017 году, после того, как операторы «большой тройки» отказались развивать связь в направлении Таймыра, корпорация ПАО «ГМК Норильский никель» на собственные средства построила огромную по протяженности (956 км) волоконно-оптическую магистраль (ВОЛС) от Нового Уренгя до Норильска емкостью 40 Гбит/с. Это реально сложная трасса, проходящая по труднопроходимой местности, и ее строители за эту работу получили правительственные награды.

Одна из проблем при эксплуатации — переход 40-гигабитного кабеля ВОЛС через Енисей в отсутствии мостов решено было пустить по дну реки, причем для надежности было уложено несколько кабелей. Но ледоход легко повреждает оптику. Причем, ледоход на Енисее – это мероприятие далеко не на один день, и никакие ремонтные работы на воде все это время не разрешены ввиду высокой опасности для людей.

Кроме дополнительных кабелей на дне Енисея, трасса резервировалась беспроводным радиорелейным каналом 1 Гбит/c c телекоммуникационных вышек по обе стороны реки, в Игарке и поселке Прилуки (этот радиоканал виден на верхнем фото — большая тарелка). Но что такое 1 Гбит/c для обеспечения всего Норильского промышленного района в случае повреждения оптики … — слезы. Поэтому в осенне-зимний период 2018-2019 года Норильский оператор «Единство», входящий в структуру ПАО «ГМК Норильский никель», начал проектные работы по постройке беспроводного канала через Енисей с емкостью, не уступающей магистрали ВОЛС.

К удивлению специалистов «Единства», никто из мировых телекоммуникационных брендов не принял предложения по поставке оборудования для 40-гигабитного беспроводного канала на дальности 11 км. И дело тут именно в сложном сочетании высокой емкости канала и дальности. Современное серийное оборудование на емкость 10 Гбит/c и более для диапазона 70/80 ГГц обладает такой особенностью как весьма ограниченная дальность. Это происходит из-за того, что при сложных схемах кодирования, таких как QAM128 или QAM256, — а только они и могут дать пропускную способность 10 Гбит/c и более, — трудно обеспечить сколь ни будь значительную мощность передатчика. Трассы 3-5 км — это легко, а вот на 11 км затухание сигнала становится излишне велико и никакой связи в стандарте 10GE получить не удается.

Вызов принял отечественный разработчик из Санкт-Петербурга — компания ДОК. У нее уже были разработки радиомостов, которые обеспечивали необходимую дальность. А перед этим проектом они протестировали канал 40 Гбит/c в виде 4-х совместно работающих радиомостов по 10 Гбит/c на своем 4 км — полигоне, и были уверены, что такую емкость получить возможно. Но на практике, никто никогда в телекоммуникационной индустрии не пробовал поставить вместе 4 параллельно работающих радиомоста по 10 Гбит/c на дистанции 11 км.

Получив отказы от мировых брендов, заказчик в лице ООО «Единство» также не был уверен, что отечественное оборудование справится с проектом. Поэтому было решено вначале поставить в качестве пилотного этапа всего один радиомост 10 Гбит/c на 11 км. А если он себя хорошо зарекомендует, то уже масштабировать задачу до 4-х параллельно работающих радиомостов.

С технической точки зрения совершенно необязательно передавать 40 Гбит/c в одном канале, как по воздуху, так и по оптическому кабелю. Гораздо проще передавать данные по нескольким параллельным «ниткам» 10 Гбит/c. Сетевое оборудование стандарта 10GE дешевле и доступнее, чем коммутаторы стандарта 40GE. Кроме того, параллельные «нитки» придают большую надежность для всего канала.

Но существовала проблема в том, что в отличие от оптического кабеля, где сигнал по параллельным волокнам никак не влияет друг на друга, у радиоканалов возникают взаимные помехи вплоть до полного отказа связи. С этим борются, применяя различную поляризацию сигнала и разнося сигналы по частоте. Но это проще сказать, гораздо труднее реализовать «в железе». Питерцы сделали схемотехнику на больших СВЧ-микросхемах (MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit) на основе арсенида галлия и были уверены в своем схемотехническом решении.

«Современные радиомосты стандарта 10GE во всем мире делаются на покупных СВЧ-микросхемах. В этой сфере неэффективно вести вертикально-интегрированную разработку, когда все техпроцессы выполняются в одной фирме — от напыления СВЧ-чипов до сборки компонентов в готовое изделие. Это примерно так же, как множество фирм делают компьютерные платы на основе чипов от Intel и AMD. Однако, в отличие от массовых плат для ПК, для настройки СВЧ-чипов, последующего усиления сигнала и подачи его в антенну требуется особая экспертиза, и это, собственно говоря, и является предметом Ноу-Хау компаний», — прокомментировал Валерий Саломатов, менеджер проектов ООО «ДОК».

Пилотный радиомост 10 Гбит/c модели PPC-10G-E-HP успешно проработал на вышках по берегам Енисея пару месяцев (май-июнь 2019). Летние дожди — самое сложное время для радиосвязи миллиметрового диапазона, т.к. капли дождя соизмеримы с длиной волны (около 4 мм), что порождает ослабление сигнала. Зимой такой проблемы не бывает, т.к. снежинки, также как туман и дым — радиопрозрачны для беспроводной связи диапазона 70/80 ГГц.

Радиомост 10 Гбит/c от ООО «ДОК» справился с погодными условиями и расстоянием, после чего на основании статистики доступности линии связи оператором «Единство» было принято решение о масштабировании в 4 параллельных беспроводных канала емкостью 10GE каждый. Монтаж выполняли специалисты компании «Единство», которые самостоятельно разобрались с тонкостями настройки по инструкциям к оборудованию. В конце июля 2019 года радиомост
40 Гбит/c (4х 10 Гбит/c) через Енисей был принят в промышленную эксплуатацию в присутствии шеф-монтажной команды от компании «ДОК».

Источник: habr.com