АННОТАЦИЯ

Магистрская диссертация «Исследование аппаратных средств

радиопередатчиков стандарта WiMAX» посвящена актуальной задаче

исследования аппаратных средств стандарта WiMAX и перспектив развития

беспроводной связи с широкополосным доступом. Большое место в

магистерской диссертации уделено на исследование характеристик и

особенностей применения беспроводной связи с широкополосным доступом

на базе технологии WiMAX, рассмотрены вопросы построения сети на

примере отдельно взятого населенного пункта, проведены расчеты зоны

покрытия и пропускной способности этой сети.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ

УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

УДК 621.396.4

ЕЩАНОВ ГАБИТ БАХТИЁРОВИЧ

Исследование аппаратных средств радиопередатчиков стандарта

WiMAX

5А311103- Радиотехнические устройства и средства связи

Диссертация на соискание академической степени магистра

Научный руководитель:

К.т.н. Ж.Ш.Максудов

Ташкент 2013

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ

УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Факультет РРТ

Кафедра РТиРС

Учебный год 2011/2013

Магистрант Ещанов Г.Б

Научный руководитель Максудов Ж.Ш.

Специальность 5А311103 Радиотехнические устройства и средства связи

АННОТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Магистрская диссертация посвящена актуальной задаче исследования аппаратных

средств стандарта WiMAX и перспектив развития беспроводной связи с широкополосным

доступом.

Большое место в магистерской диссертации уделено на исследование характеристик

и особенностей применения беспроводной связи с широкополосным доступом на базе

технологии WiMAX, рассмотрены вопросы построения сети на примере отдельно взятого

населенного пункта, проведены расчеты зоны покрытия и пропускной способности этой

сети.

Структура работы представлена введением, тремя главами, заключением, списком

литературы и приложением.

Во введении определены актуальность темы, цели и задачи, поставленные в

магистерской диссертации, и объект и предмет исследования. В заключение сделаны

выводы о проделанной работе и подведен итог исследованию.

Результаты исследований обсуждались на семинарах кафедры Устройства и системы

радиосвязи, на Республиканских научно-технических конференциях.

Научный руководитель ______________

Магистрант ______________

SUMMARY OF MASTER THESIS

Master's thesis is dedicated to the actual task of researching hardware resource of WiMAX

standard and perspective of development wireless communication broadband access.

Great place in the master's thesis focused on the study of characteristic and features

application broadband access wireless communication of WiMAX standard, study questions

deploy network in along town, made accounts of covering area and capacity network .

The structure of the thesis is presented in introduction, three chapters, conclusion, a list of

literature and the appendix.

The introduction sets out the relevance of the themes, purposes and targets established in

the master's thesis, and the object and subject of investigation. Finally, the conclusions of the

work carried out and summarizes the research.

Results of researches were discussed at seminars “Device and radio communication

system” Departament, at Republican scientific and technical conferences.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………..5

Глава I. Основные характеристики стандарта WiMAX……………………7

1. Краткий обзор сетей беспроводного широкополосного доступа …………7

2. Особенности стандарта IEEE 802.16………………………………………...17

3. Частотные диапазоны стандарта IEEE 802.16……………………………...22

4. Физический уровень………………………………………………………….24

5. Архитектура построения сети Wi-Max………………………………………38

5.1 Базовая модель сети…………………………………………………………38

5.2 Стеки и интерфейсы…………………………………………………………43

Выводы по главе I...……………………………………………………………...46

Глава II. Методы планирования сетей WiMAX……………………………47

1. Принципы построение сети WiMAX в в посёлке городского типа…….…47

2. Методы ослабления соканальных помех……………………………………58

2.1 Увеличение количества сот в кластере………………………………….…58

2.2 Использование секторных антенн………………………………………….58

2.3 Комбинированное планирование сот……………………………………....59

3. Характеристика канала связи………………………………………………...64

4. Модель COST-231 Hata……………………………………………………….66

Выводы по главе II………………………………………………………………67

Глава III. Исследование аппаратуры и планирование сети……………...68

1. Выбор аппаратуры и расчет сети………………………………………….…68

2. Расчёт трассы сети WiMAX………………………………………………….75

3. Расчёт пропускной способности сети WiMAX…………………….……….80

Выводы по главе III……………………………………………………………...84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………..……………………….85

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….86

ВВЕДЕНИЕ

Обоснование темы диссертации и актуальность. В Республике Узбекистан

создана современная и мощная законодательная база в сфере

инфокоммуникационных технологий [1-4]. В республике предусмотрены

проведение модернизации, технического и технологического

перевооружения предприятий, широкое внедрение современных гибких

технологий. Ставится задача ускорения реализации принятых отраслевых

программ модернизации, технического и технологического перевооружения

производства [7]. Одной из важнейшей задач, которое стоит перед нашим

обществом, является обеспечение поступательного и устойчивого развития

страны [8]. В Постановлении Президента Республики Узбекистан «О мерах

по дальнейшему внедрению и развитию современных информационно-

коммуникационных технологий» принята «Программа дальнейшего

внедрения и развития информационно-коммуникационных технологий в

Республике Узбекистан на 2012–2014 годы», в которой большое внимание

уделяется развитию инфраструктуры информационно-коммуникационных

технологий, в частности, разработке и реализации технических проектов [5,

6].

Объект и предмет исследования. Диссертация состоит из 3 глав и

приложения. Проводится исследование аппаратных средств

радиопередачиков стандарта WiMax в части их применения на сетях

беспроводной связи с широкополосным доступам, рассматриваются

особенности их характеристики, а также проводится расчет зон покрытия и

пропускной способности сетей WiMax.

Цель и задача исследования. Целью диссертационной работы является

проведение комплексных исследований характеристик и особенностей

применения беспроводной связи с широкополосным доступом на базе

технологии WiMAX.

В задачи диссертационной работы входит:

- определение методов планирования сетей WiMAX;

- рассмотрение принципов построение сетей WiMAX в части

аппаратных средств радиопередатчиков;

- определение методов ослабления соканальных помех и необходимости

увеличение количества сот в кластере;

- определение эффективности использования секторных антенн,

комбинированного планирования сот и характеристика канала связи;

- выбор аппаратуры для построения сети, расчёт трассы сети WiMAX,

расчёт пропускной способности сети WiMAX.

Гипотеза исследований. При проведении исследований в данной

диссертации предполагается, что результаты исследований могут быть

использованы практически для развития сетей с беспроводным

широкополосным доступом и беспроводной связи в целом.

Краткий литературный обзор по теме диссертации. В настоящее время во

всемирной научной литературе большое внимание уделяется развитию

широкополосного доступа. Вопросами исследования и развития беспроводной

связи занимались ведущие специалисты и ученые в области информационно-

телекоммуникационных технологий всего мира. Результаты исследований широко

освещены в мировой научной и научно- популярной литературе, сети интернет. Методы исследований. В работе были использованы методы анализа,

синтеза, индукции, дедукции полученных результатов исследования систем

беспроводной связи.

Теоретическая и практическая значимость полученных

результатов. Заключается в том, что полученные результаты исследований

могут быть использованы практически при планирования, развертывании и

развитии сетей с широкополосным беспроводным доступом в Республике

Узбекистан, а также использованы для дальнейших научных исследований в

области беспроводной связи.

Научная новизна исследований. На основе проведенных

исследований получены следующие научные результаты: выбрана

эффективная модель построения беспроводной сети WiMAX, выбран

оптимальный метод подавления сокональных помех, для расчета трасы сети

выбрана и применена необходимая модель распространения радиоволн

COST-231 Hata, проведен расчет пропускной способности сети и её

эффективности.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав,

заключения, приложения и списка литературы. Основной текст диссертации

занимает 96 страниц. Работа содержит 41 рисунка, включая графики, 22

таблицы, а также список литературы из 21 наименований.

ГЛАВА I. Основные характеристики стандарта WIMAX

1. Краткий обзор беспроводных сетей широкополосного доступа

Широкополосный доступ занимает исключительно важное место,

представляя собой одну из фундаментальных составляющих концепции

NGN. К нему приковано особое внимание операторов связи и разработчиков

нового оборудования. Деятельность по предоставлению услуг беспроводного

широкополосного доступа занимает значительную долю

телекоммуникационного рынка и уже одно это вызывает повышенный

интерес со стороны различного рода инвесторов, государственных и

коммерческих структур. По данным маркетинговых исследований,

широкополосные беспроводные сети на базе технологий сотовой связи

третьего поколения, а также технологий Wi-Fi и WiMAX обладают сегодня

исключительными преимуществами по оперативности развертывания, охвату

территории, мобильности, предоставляя во многих случаях не только

наиболее эффективное, но иногда и единственно возможное экономически

оправданное решение.

В последние 15-20 лет технологии беспроводной передачи сигналов

развиваются чрезвычайно интенсивно, став одним из основных направлений

развития телекоммуникационной индустрии.

Миграция телекоммуникационных технологий происходит в двух

основных направлениях:

- переход от речевых услуг пользователя к передаче скоростных

потоков данных, которая в свою очередь уже делится на целый комплекс

различных сервисов, включающих и речь, и данные, и видео;

- переход от неподвижных пользователей к мобильным, что может

обеспечить только беспроводная связь.

В настоящей главе рассмотрены основные определения, относящиеся к

беспроводным сетям, и показано, какую пользу они могут принести в том

или ином случае. Беспроводные сети позволяют людям связываться и

получать доступ к приложениям и информации без использования

проводных соединений. Это обеспечивает свободу передвижения и

возможность использования приложений, находящихся в других частях дома,

города или в отдаленном уголке мира. Например, человек, осуществляющий

из своего дома поиск информации в Internet, может делать это вдали от

шумных детей или сидя перед телевизором вместе со всей семьей.

Беспроводные сети позволяют людям получать электронную почту или

просматривать Web страницы там, где им удобно или нравится это делать.

Как и сети, основанные на использовании проводов или оптических волокон

(optical fiber), беспроводные сети передают информацию между

компьютерными устройствами. Эта информация может быть представлена в

виде сообщений электронной почты, Web-страниц, записей базы данных,

потокового видео или голосовых сообщений. В большинстве случаев

беспроводные сети передают данные (data),такие как сообщения электронной

почты и файлы, но по мере улучшения характеристик беспроводных сетей

они способны передавать и видеосигналы, а также обеспечивать телефонную

связь.

Беспроводные сети в качестве средства передачи для обеспечения

взаимодействия между пользователями, серверами и базами данных

используют радиоволны или инфракрасный (ИК) диапазон. Эта среда

передачи невидима для человека. Кроме того, действительная среда передачи

(воздух) прозрачна для пользователя. Сейчас многие производители

интегрируют платы интерфейса сети (network interface card, NIC), так

называемые сетевые адаптеры, и антенны в компьютерные устройства таким

образом, что они не видны пользователю. Это делает беспроводные

устройства мобильными и удобными в применении. В зависимости от

размеров физической зоны, связь в которой они способны обеспечить,

беспроводные сети подразделяются на несколько категорий:

• беспроводная персональная сеть (wireless personal-area network, PAN);

• беспроводная локальная сеть (wireless lokal-area network, LAN);

• беспроводная городская сеть (wireless metropolitan-area network, MAN);

• беспроводная глобальная сеть (wireless wide-area network, WAN).

В табл. 1.1 дана краткая характеристика разновидностей таких сетей.

Каждый тип беспроводной сети имеет дополняющие другие сети

особенности, благодаря чему удовлетворяются различные предъявляемые к

сетям требования.

Разновидности беспроводных сетей

Таблица 1.1.

Тип Сфера действия Характеристики

Стандарты Область применения

Персональная беспроводная

сеть

В непосредственной близости от пользователя

Средние Bluetooth , IEEE 802.15,

IRDA

Замена кабе-лей перифе-

рийных устройств

Локальные беспроводные

сети

В пределах зданий и кампусов

Высокие IEEE 802.15, Wi-Fi,

HiperLAN

Мобильные расширения проводных

сетейРегиональные беспроводные

сети

В пределах города

Высокие Патентован-ные,

IEEE 802.16, WiMax

Фиксированная беспроводная связь между зданиями и

предприятиями и Internet

Тип Сфера действия Характери

стики

Стандарты Область

применения

Глобальные

беспроводные

сети

По всему миру Низкие CDPD и

сотовые

системы связи

поколений 2,

2.5 и 3

Мобильный

доступ к

Internet вне

помещений

Беспроводные персональные сети

Беспроводные персональные сети отличаются небольшими

расстояниями передачи (до 17 m), что делает их идеальными для

развертывания в небольшом помещении или в "персональной зоне" (рис.1.1) .

Характеристики беспроводных персональных сетей средние, скорость их

передачи не превышает обычно 2 Mbit/s. Во многих ситуациях они с успехом

заменяют кабельные сети.

Рис.1.1. Беспроводные персональные сети, обеспечивающие

взаимодействие компьютерных устройств в непосредственной близости от

пользователя.

Беспроводные локальные сети

Беспроводные локальные сети обеспечивают высокие характеристики

при передаче данных внутри и вне офисов, производственных помещений и

зданий (рис. 1.2). Пользователи таких сетей обычно используют ноутбуки,

ПК и PDA с большими экранами и процессорами, способными выполнять

ресурсоемкие приложения. Эти сети вполне удовлетворяют требованиям,

предъявляемым к параметрам соединений компьютерными устройствами

такого типа.

Рис. 1.2. Беспроводные локальные сети обеспечивают взаимодействие

компьютерных устройств в пределах здания.

Преобладающим для беспроводных локальных сетей является стандарт

IEEE 802.ll, различные версии которого регламентируют передачу данных в

диапазонах 2,4 и 5 GHz. Сети стандарта 802.11 (Radio-Ethernet)

организовывают на ограниченной территории беспроводной доступ в режиме

ЛВС. При этом несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему

каналу связи, который, в свою очередь, может быть организован по любой из

следующих технологий:

- световая передача в инфракрасном спектре;

- широкополосный сигнал по методу прямой последовательности

(DSSS);

- широкополосный сигнал по методу частотных скачков (FHSS);

- ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть

может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота

управляется базовой станцией, называемой точкой доступа АР (Access Point).

Последняя вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими

станциями пользователей образует базовую зону обслуживания BSS (Basic

Service Set). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют друг с

другом через распределительную систему DS (Distribution System),

представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС.

Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную

систему, образует расширенную зону обслуживания ESS (Extended Service

Set). Стандартом предусмотрен также "односотовый" вариант беспроводной

сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее

функций выполняется непосредственно рабочими станциями.

Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны

действия одной точки доступа в другую в многосотовых системах

предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и

пассивного прослушивания эфира) и присоединения (Association), однако

строгих спецификаций по реализации роуминга стандарт 802.11 не

предусматривает.

Для того чтобы как-то разрешить проблемы, связанные с применением

устройств стандарта 802.11, организация "Альянс Wi-Fi" свела все его

совместимые функции в единый стандарт, названный Wireless Fidelity (Wi-

Fi). Если какое-то устройство беспроводных локальных сетей соответствует

стандарту Wi-Fi, это практически гарантирует способность его совместной

работы с другими устройствами, соответствующими стандарту Wi-Fi.

Открытость стандарта Wi-Fi позволяет различным пользователям,

применяющим разные платформы, работать в одной и той же беспроводной

локальной сети, что чрезвычайно важно для общедоступных беспроводных

локальных сетей.

Для защиты сети стандартом IEЕЕ 802.11 предусмотрен целый комплекс

мер безопасности передачи данных под общим названием Wired Equivalent

Privacy (WEP). Он включает средства противодействия

несанкционированному доступу к сети (механизмы и процедуры

аутентификации), а также предотвращение перехвата информации

(шифрование).

С увеличением числа мобильных пользователей возникает острая

необходимость в оперативном осуществлении коммуникаций между ними, в

обмене данными, в быстром получении информации. Поэтому естественным

образом происходит интенсивное развитие технологий беспроводных

коммуникаций, рынок которых на данный момент развивается быстрыми

темпами. Особенно это актуально в отношении беспроводных сетей. Или так

называемых WLAN-сетей (Wireless Local Area Network). Сети Wireless LAN –

это беспроводные сети (вместо обычных проводов в них используются

радиоволны). Установка таких сетей рекомендуется там, где развертывание

кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно.

WLAN-сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными

сетями:

− WLAN-сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при

проведении презентаций или в условиях работы вне офиса;

− пользователи мобильных устройств, при подключении к локальным

беспроводным сетям, могут легко перемещаться в рамках действующих зон

сети;

− скорости современных сетей довольно высоки (до 300 Mbit/s), что

позволяет их использовать для решения очень широкого спектра задач;

− WLAN-сеть может оказаться единственным выходом, если

невозможна прокладка кабеля для обычной сети.

WLAN оборудование включает в себя беспроводные станции клиента,

которые используют радиомодемы, чтобы связаться с точкой доступа AP

(Ассess Рoint). Станции клиента обычно оборудуются беспроводной сетевой

картой, которая состоит из радиомодема и логической части, чтобы

обеспечить взаимодействие машины клиента и программного обеспечения.

AP включает в себя радиомодем на одной стороне и мост к магистральной

сети на другой. AP, стационарное устройство, которое является частью

проводной инфраструктуры, является аналогом базовой станции в сотовой

связи. Вся связь между клиентскими станциями и между клиентами и сетью

проходит через AP. Основная топология WLAN изображена на рисунке 1.3.

Рис. 1.3 - Основная топология 802.11 Wireless LAN технологии

Хотя большинство WLAN работает в режиме и архитектуре

"инфраструктуры", описанной выше, возможна также другая топология. Это

вторая топологии, специальная сеть связывает передвижные устройства,

которые находятся в той же самой области (т.е., в той же самой комнате). В

этой архитектуре станции клиента сгруппированы в отдельную

географическую область и могут быть связаны в сеть без доступа к сети

инфраструктуры. Связанные устройства в специальном режиме указываются

как IBSS (Independent Basic Service Set). Специальная топология изображена

на рисунке 1.4.

Рис. 1.4 – Специальная топология WLAN

Специальная конфигурация подобна peer-to-peer сети, в которой не

требуется что бы какой-то узел функционировал как сервер. Как

специальный WLAN, портативные компьютеры, рабочие станции и другие

802.11 устройства могут совместно использовать файлы без использования

точки доступа.

WLAN включает два типа оборудования: беспроводная станция и точки

доступа. Станция или клиент, являются, обычно, портативным компьютером

или карманным компьютером с беспроводной сетевой картой. WLAN клиент

может также быть настольным компьютером, на производственном этаже,

или другой публичной области. Беспроводная сетевая карта обычно

вставляется в PCMCIA или в USB порт. NIC используют радио частоты или

инфракрасные лучи, чтобы установить подключения к WLAN. Точка

доступа, которая действует как мост между беспроволочными и обычными

сетями, обычно включает радио часть, сетевой интерфейс типа 802.3, и

программное обеспечение. Функции AP, как основной станции для

беспроводной сети, соединяют абонентские станции с сетью передачи

данных.

Вместе с тем необходимо помнить об ограничениях беспроводных

сетей. Это, как правило, всё-таки меньшая скорость, подверженность

влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности

передаваемой информации.

Сегмент Wi-Fi сети может использоваться как самостоятельная сеть,

либо в составе более сложной сети, содержащей как беспроводные, так и

обычные проводные сегменты. Wi-Fi сеть может использоваться:

− для беспроводного подключения пользователей к сети;

− для объединения пространственно разнесенных подсетей в одну

общую сеть там, где кабельное соединение подсетей невозможно или

нежелательно;

− для подключения к сетям провайдера интернет-услуги вместо

использования выделенной проводной линии или обычного модемного

соединения.

Технология Wi-Fi пригодна для использования VoIP в корпоративных

сетях или в среде SOHO. Оборудование Wi-Fi производят многие ведущие

компании такие, как Zyxel, UT Starcomm, Samsung, Hitachi, TP-Link, D-Link и

многие другие.

Беспроводная сеть в масштабе города

WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) — беспроводные сети

масштаба города. Предоставляют широкополосный доступ к сети через

радиоканал.

Стандарт IEEE 802.16, опубликованный в апреле 2002 года, описывает

wireless MAN Air Interface. 802.16 — это так называемая технология

«последней мили», которая использует диапазон частот от 10 до 66 GHz. Так

как это сантиметровый и миллиметровый диапазон, то необходимо условие

«прямой видимости». Стандарт поддерживает топологию point-to-multipoint,

технологии frequency-division duplex (FDD) и time-division duplex (TDD), с

поддержкой quality of service (QoS). Возможна передача звука и видео. Схема

взаимодействия радиосетей в случае использования стандарта IEEE 802.16

показана на рисунке 1.5.

Рис. 1.5 - Место стандарта IEEE 802.16 в системе радио коммуникаций

2. Особенности стандарта IEEE 802.16

В 2004 году появился стандарт беспроводного широкополосного

доступа IEEE 802.16-2004 [1]. Стандарт IEEE 802.16-2004 был ориентирован

на фиксированный доступ: местоположения абонента определялось раз и

навсегда.

В настоящее время стандарт предусматривает пять режимов работы и

технологий передачи в соответствии с таблицей 1.2

Режимы работы стандарта IEEE 802.16-2004

Таблица 1.2

РежимЧастотный диапазон

ОпцииМетод

дуплексирования

WirelessMAN-SC 10 – 66 GHz TDD/FDD

WirelessMAN-SCa < 11 GHzAAS/ARQ/STC/

256QAMTDD/FDD

WirelessMAN-OFDM

< 11 GHzAAS/ARQ/STC/

MeshTDD/FDD

WirelessMAN-OFDMA

< 11 GHz AAS/ARQ/STC TDD/FDD

WirelessHUMAN < 11 GHzDFS/AAS/ARQ/Mesh/

STCTDD

В таблице 1.2 введены следующие обозначения:

AAS – adaptive antenna system; адаптивная антенная система

использования более, чем одной антенны на станциях для увеличения

емкости сети и улучшения покрытия,

ARQ – automatic repeat request; технология и используемый в ней

информационный пакет, обеспечивающие повторную передачу непринятых

(потерянных) пакетов,

HARQ – hybrid automatic repeat request; гибридная технология

повторной передачи непринятых пакетов,

STC – space/time coding; пространственно-временное кодирование.

 Режим WirelessMAN-SC ориентирован на магистральные сети (точка-

точка, точка - многоточка), работающие в режимах прямой видимости со

скоростью передачи потока данных до 120 Mbit/s и шириной канала 25 MHz.

Режим WirelessMAN-SCa является низкочастотной вариацией режима

WirelessMAN-SC и обладает рядом дополнительных механизмов.

Режим WirelessHUMAN представляет собой адаптацию остальных

методов для работы в безлицензионных диапазонах. Основным его отличием

является использование только временного дуплексирования, режима

динамического распределения частот (DFS) и механизма сквозной

нумерации частотных каналов.

Режимы WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA ранее входили в

утвержденный в 2003 году стандарт IEEE, но в настоящее время претерпели

ряд изменений.

Все режимы диапазона ниже 11 GHz отличают три характерные детали

– механизмы автоматического запроса (ARQ), поддержка работы с

адаптивными антенными системами (AAS) и пространственно-временное

кодирование (STC). Кроме того, помимо централизованной архитектуры

точка-многоточка предусмотрена поддержка архитектуры Mesh-сети.

Следует отметить, что в Европе Институт стандартизации в области

телекоммуникаций принял континентальный эквивалент стандарта– ETSI

HIPERMAN. HIPERMAN – это подмножество IEEE 802.16, обеспечивающий

работу системы широкополосного беспроводного доступа в диапазоне

2 – 11 GHz только в режиме WirelessMAN-OFDM.

Требования, предъявляемые к стандартам IEEE 802.16, определяются в

терминах услуг-носителей, которые должны поддерживать системы IEEE

802.16. Под услугами-носителями понимаются разновидности трафика,

создаваемые абонентской или базовой сетью. Например, интерфейс 802.16

должен поддерживать скорость передачи данных и качество передачи,

требуемые сетью АТМ или сетью, основанной на протоколе IP, либо

протокол должен поддерживать скорость передачи данных и удовлетворять

требованиям, предъявляемым к задержкам при передаче аудио и видео

сигналов.

Стандарт IEEE 802.16 разработан для поддержки следующих услуг:

- широковещательная (многоадресная) передача аудио и видео

сигналов. Различают одностороннюю и двустороннюю передачу

(видеоконференция);

- цифровая телефония, т.е. поддержка цифровых разделенных потоков,

как альтернатива проводному доступу к общественной телефонной сети;

- АТМ. Предоставление канала связи, который поддерживает передачу

ячеек АТМ, как части общей сети АТМ. Канал связи в стандарте 802.16

должен поддерживать различные услуги QoS, определенные для системы

АТМ;

- протокол Internet. Поддержка передачи дейтаграмм IP. Канал связи

802.16 должен предоставлять эффективные своевременные услуги. Кроме

того, для сетей IP в настоящее время определены различные виды услуг и

стандарт 802.16 должен поддерживать их все.

- сети с соединением через мосты. Услуга подобна предыдущей и

позволяет передавать данные между двумя LAN сетями с коммутацией на

уровне МАС;

- магистрали. Реализуется для сотовых или беспроводных телефонных

сетей. Система 802.16 может быть удобным средством предоставления

беспроводных каналов связи для беспроводных телефонных базовых

станций;

- ретрансляция кадров. Подобна услуге АТМ, но при ретрансляции

кадров используются кадры переменной длины, тогда как ячейки АТМ

имеют фиксированную;

Услуги-носители группируются в три обширных категории:

- основанные на каналах. Эти услуги предоставляют пропускную

способность с возможностью коммутации каналов, в которой соединения с

абонентами устанавливаются через базовую сеть;

- пакеты переменной длины. Примерами услуг, в которых

используются PDU переменной длины, являются передача IP и ретрансляция

кадров. Еще одним примером является видео в формате MPEG, в котором

последовательные блоки цифровой видеоинформации могут иметь разные

размеры;

- ячейки и пакеты фиксированной длины. Эта услуга предоставляется

системам АТМ.

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access)

базируется на стандарте IEEE 802.16. Сеть на базе этой технологии строится

из базовых и абонентских станций и оборудования, связывающего между

собой базовые станции с поставщиком Интернета и других сервисов.

Используемый диапазон частот — от 1,5 до 13,6 GHz

Радиус действия — (6–10) km для "статичных" абонентов и (1–5) km —

для "мобильных", передвигающихся на скорости до 120 km/h. Скорость

передачи данных может достигать (40-75) Mbit/s. Технология WiMAX

создавалась в качестве универсальной беспроводной связи для широкого

спектра устройств (от ПК и ноутбуков до мобильных телефонов и

планшетов), действующей на больших расстояниях.

Под названием WiMAX объединяются два стандарта — 802.16

(фиксированный WiMAX) и 802.16e (мобильный WiMAX). Каждая

спецификация имеет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы

пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы

кодирования и модуляции сигнала и другие характеристики. Поэтому

WiMAX-системы, основанные на различных версиях стандарта IEEE 802.16,

практически несовместимы.

В стандарте 802.16-2004 используются стационарные модемы и

PCMCIA-карты для ноутбуков. Связь возможна только с неподвижными

абонентами. При этом могут достигаться следующие характеристики:

- скорость до 75 Mbit/s;

- дальность связи — (25-80) km;

- используемый диапазон частот — (1,5-11) GHz (чаще применяются 3,5

и 5 GHz).

Стандарт 802.16e (802.16-2005) оптимизирован для работы с

мобильными пользователями. Стандарт имеет следующие характеристики:

- скорость до 40 Mbit/s;

- дальность связи — (1-5) km;

- используемый диапазон частот — (2,3-13,6) GHz (чаще используют—

2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 GHz). Также 802.16e применяется и для обслуживания

фиксированных пользователей. Именно его чаще всего предлагают

пользователям различные провайдеры.

В настоящее время идут работы по разработке единого стандарта

802.16m (WiMAX 2). Оборудование 802.16m (WiMAX 2) будет

производительнее, быстрее (скорость до 100 Mbit/s у мобильного варианта и

до 1 Gbit/s — у фиксированного). Также появится поддержка новейших

коммуникационных технологий.

В новой редакции стандарта значительное внимание уделено

возможности пропорционального уменьшения частотной полосы канала, а

также технологиям многоканальных антенных систем (MIMO). Для

мобильных устройств очень важно снизить энергопотребление, чему

способствуют специальные режимы и процедуры нового стандарта.

Помимо собственно мобильности особое внимание IEEE 802.16е

уделяет проблемам качества предоставляемых услуг (QoS). Стандарт

IEEE 802.16 рассматривается как стандарт для предоставления услуг

операторского класса, в том числе и для мобильных абонентов. Поэтому

вопрос QoS для этой технологии играет первостепенную роль.

В данной диссертационной работе проводятся исследования для

технологии WiMAX базирующейся на стандарте IEEE 802.16e.

3. Частотные диапазоны стандарта IEEE 802.16

В стандарте 802.16 предусмотрена работа в диапазонах от 2 до 11 GHz 

и от 10 до 66 GHz. В диапазоне от 10 до 66 GHz радиосвязь возможна лишь в 

случае   прямой   видимости   между   фиксированными   точками.   Основные 

характеристики стандарта, в зависимости от версии принятия, приведены в 

таблице 1.3.

Таблица 1.3

Стандарт

Дата

принятия

Полосы частот,

GHz

Мобильность

Схема передачи

Скорости

передачи,

Mbit/s

Ширина

канала, MHz

802.16 12.2001 11 - 66 нетОдна

несущая32 – 134,4

20, 25, 28

802.16-2004

06.2004 2 - 11 нет

Одна несущая или

256, или 2048 OFDM

1 – 75

1,75; 3,5; 7;

14; 1,25; 5; 10; 15;

8,75

802.16-е 12.2005

2 – 11

( фикс.)

2 –6 (моб)

есть

Одна несущая

или 256, или

128, 512, 1024, 2048 OFDM

1 – 751,25; 5;

10;

20

Поскольку технология WiMAX относится к беспроводным

технологиям, передачу информации осуществляют по радиоканалам,

образованным между антеннами устройств, являющимися составными

частями сети. При передаче излученного антенной радиосигнала за счет

влияния среды меняются те или иные параметры сигнала. В результате

принятый сигнал всегда отличается от переданного. Земная атмосфера для

передачи электромагнитных волн является не самой лучшей средой.

Радиоволны способны огибать препятствия (явление дифракции), размеры

которых порядка длины волны и меньше. На рабочих частотах систем

WiMAX длина волны менее 15 sm, поэтому явление дифракции

пренебрежимо мало. Представляют интерес два вида распространения

сигнала: в условиях прямой видимости (LOS – Line of Sight) и в условиях

отсутствия прямой видимости (NLOS – Non Line of Sight). В условиях

городской застройки характерно отсутствие прямой видимости.

4. Физический уровень

В основе стандарта мобильного WiMAX IEEE 802.16e лежит

технология ортогонального частотного множественного доступа OFDMA

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), что предоставляет

возможность выделять отдельным базовым и абонентским станциям не весь,

а часть канального ресурса в соответствующей полосе рабочих частот.

Полный канальный ресурс (множество поднесущих частот) может быть

разделен между несколькими соседними базовыми станциями, что позволяет

организовывать мягкий хэндовер при перемещении абонентов от одной

базовой станции к другой. По этой причине стандарт 802.16е часто называют

мобильным WiMAX.

На рис. 1.6 показаны различные процессы и функциональные этапы

обработки информационных сигналов на физическом уровне.

Рис.1.6 - Функциональные этапы обработки сигналов на физическом

уровне.

Тракт обработки данных и формирования выходного сигнала для

передачи через радиоканал в стандарте IEEE 802.16е достаточно обычен для

современных телекоммуникационных протоколов и практически одинаков

для восходящих и нисходящих соединений.

Входной поток данных скремблируется, т.е. умножается на

псевдослучайную последовательность. Далее скремблированные данные

защищают посредством помехоустойчивых кодов (FEC-кодирование). При

этом может использоваться одна из четырех схем кодирования:

- код Рида-Соломона с символами из поля Галуа GF(256);

- каскадный код с внешним кодом Рида-Соломона и внутренним

сверточным кодом с кодовым ограничением 7 (скорость кодирования 2/3) с

декодированием по алгоритму Витерби;

- каскадный код с внешним кодом Рида-Соломона и внутренним кодом

с проверкой на четность (8, 6, 2);

- блоковый турбокод.

Размер кодируемого информационного блока и число избыточных байт

не фиксированы - эти параметры можно задавать в зависимости от среды

передачи и требований QoS.

Допускается три типа квадратурной амплитудной модуляции:

- 4- х позиционная QPSK (обязательная для всех устройств);

- 16QAM (обязательная для всех устройств);

- 64QAM (необязательная).

Кодированные блоки данных преобразуются в модуляционные

символы (каждые 2/4/6 бит определяет QPSK/16QAM/64QAM). Далее сигнал

обрабатывается синусквадратным фильтром и квадратурным модулятором,

усиливается и передается в эфир. На приемной стороне все происходит в

обратном порядке.

Данные на физическом уровне передаются в виде непрерывной

последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длину от 2

(2,5) до 20 ms, поэтому его информационная емкость зависит от символьной

скорости и метода модуляции. Кадр состоит из преамбулы, управляющей

секции и последовательности пакетов с данными. Сети IEEE 802.16е

дуплексные. Возможно как частотное FDD, так и временное TDD разделение

восходящего и нисходящего каналов. При временном дуплексе каналов кадр

делят на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение может гибко

меняться в процессе работы в зависимости от потребностей полосы

пропускания для восходящих и нисходящих каналов), разделенные

специальным защитным интервалом .

Структура OFDMA кадра стандарта IEEE 802.16е приведена на рис.

1.7.

Рис. 1.7 - Структура OFDMA кадра

Кадр OFDMA делится на нисходящий DL-субкадр и восходящий

UL-субкадр.

Поля DL-субкадра:

- преамбула – предназначена для синхронизации и состоит из одного

OFDMА символа;

- поле управляющего заголовка FSH и карты распределения полей

нисходящего канала DL-MAP – передаются одновременно после преамбулы

и состоят из двух OFDMА символов. Заголовок передается посредством

модуляции QPSK со скоростью кодирования ½. FSH должен содержать

префикс нисходящего канала DL_Frame_prefix, указывающий используемые

сегменты и параметры карты DL-MAP нисходящего канала (длина,

используемый метод кодирования и число повторений), транслируемой сразу

за заголовком кадра. Карта DL-MAP содержит: тип сообщения управления

равный двум (8 bit), код длительности кадра (8 bit), номер передаваемого

кадра (24 bit), дескриптор нисходящего канала (8 bit), идентификатор базовой

станции (48 bit), номера OFDMA символов (8 bit), элементы DL-MAP

Номера OFDMA символов

(количество бит переменное для каждого элемента) и заполняющие биты (4

bit);

- поле карты восходящего канала UL-MAP и пакеты данных для АС –

передаются одновременно после управляющего заголовка FSH и карты

распределения полей нисходящего канала DL-MAP. Пакеты данных

предназначены для передачи информационных данных от базовой станции

(БС) к различным абонентским станциям (АС). Размер одного сообщения в

нисходящем субкадре (слоте) должен составлять 1 OFDMA символ в одном

подканале в режиме FUSC и два - в режиме PUSC. Карта UL-MAP содержит:

тип сообщения управления равный трем (8 bit), дескриптор восходящего

канала (8 bit), дескриптор нисходящего канала (32 bit), номера OFDMA

символов (8 bit), элементы UL-MAP (количество бит переменное для каждого

элемента) и заполняющие биты (4 bit);

Поля UL-субкадра:

- интервал конкурентного доступа – предназначен для начальной

инициализации АС и запроса доступа к сети;

- пакеты данных от АС – предназначены для передачи

информационных данных от АС к БС и передаются одновременно с

интервалом конкурентного доступа на различных подканалах. Минимальный

размер одного сообщения в восходящем субкадре (слоте) должен составлять

3 OFDMA символа в одном подканале.

В стандарте 802.16е число поднесущих меняется с изменением рабочей

полосы. Это позволяет сохранить, постоянным разнос частот между

поднесущими и активную длину символа. Согласно спецификациям в

802.16е определены полосы шириной 1,25; 5; 10 и 20 MHz. (таблица 1.4).

Поэтому технологию OFDMA, используемую в 802.16е, называют SOFDMA

(Scalable OFDMA) – масштабируемое OFDMA.

Таблица1.4

Параметр Характеристики OFDMAПолоса частотного канала, MHz 1,25 5 10 20

Число поднесущих 128 512 1024 2048

Отношение Tg/Tb 1/32, 1/16, 1/8, 1/4

Расширение полосы 28/25

Разнос поднесущих, kHz 10,94 10,9410,9

410,94

Активная длина символа, µs 91,4 91,4 91,4 91,4

Защитный промежуток, µs, при

Tg/Tb = 1/811,4 11,4 11,4 11,4

Длина OFDMA символа, µs 102,9 102,9102,

9102,9

Частичное использование канального ресурса может быть

организовано различным образом. В варианте FUSC (Full Usage of

Subcarriers) для создания отдельных подканалов используют весь канальный

ресурс. Один подканал состоит из 48 поднесущих, используемых для

передачи данных, дополнительного числа пилотных поднесущих и защитных

поднесущих, расположенных по краям частотного канала. Варианты

распределения поднесущих для передачи данных и пилотных сигналов

приведены в таблице 1.5 и проиллюстрированы рис. 1.8.

Распределение поднесущих для передачи данных и пилотных

сообщений показано на рис. 1.9. Поднесущие, формирующие один канал,

могут, но необязательно быть смежными.

Таблица 1.5

Число поднесущих 128 512 1024 2048

Число поднесущих в подканале 48 48 48 48

Число подканалов 2 8 16 32

Число поднесущих для передачи

данных, Nдан96 384 768 1536

Постоянные пилотные поднесущие 1 6 11 24

Переменные пилотные поднесущие 9 36 71 142

Защитные поднесущие (слева/справа)11/1

043/42 87/86 173/172

Рис. 1.8 - Схема размещения поднесущих в режиме FUSC.

Рис. 1.9 - Распределение поднесущих частот.

При PUSC (Partial Usage of Subcarriers) минимальной канальной

единицей в направлении вниз является кластер. Каждый кластер образуют

14 расположенных рядом поднесущих. Формально один кластер всегда

составлен из 2-х последовательных OFDM символов, т.е. из 28 поднесущих,

где на 24 передают данные, а на 4 – пилотные сигналы (рисунок 1.10). Как и

при FUSC, слева и справа по краям частотного диапазона находятся

защитные поднесущие. Распределение поднесущих при PUSC поясняет табл.

1.5. Один подканал состоит из двух кластеров (рис. 1.10).

Рис. 1.10 - Структура кластера при PUSC.

Таблица 1.5.

В

направлении вверх при PUSC минимальной единицей канального ресурса

является элемент – тайл (tile). Каждый тайл составлен из 4 поднесущих

длительностью 3 OFDM символа (рисунок 1.11). На 8 поднесущих внутри

элемента передают данные, 4 поднесущие используют для передачи

пилотных сигналов.

Далее производиться разбивка на подканалы; при передаче вверх 6

тайлов образуют один подканал. Профили пакетов (burst) зависят от вида

модуляции и схемы избыточного кодирования.

Полоса частотного канала,

MHz1,25 5 10 20

Число поднесущих 128 512 1024 2048

Число поднесущих в

кластере14 14 14 14

Число кластеров 6 30 60 120

Число подканалов 3 15 30 60

Поднесущие,

используемые для

передачи данных

72 360 720 1440

Пилотные поднесущие 12 60 120 240

Защитные поднесущие

(слева/справа)22/21 46/45 92/91 184/183

Поднесущие

OFDM символ 0

OFDM символ 1

OFDM символ 2

Пилотная поднесущая

Поднесущая данных

Рис. 1.11 - Организация тайлов в направлении вверх.

Физический уровень стандарта IEEE 802.16 обеспечивает

непосредственную доставку потоков данных между БС и АС. Все задачи,

связанные с формированием структур этих данных, а также управлением

работой системы решаются на уровне MAC (Medium Access Control).

Оборудование стандарта IEEE 802.16 формирует транспортную среду

для различных услуг (сервисов).

Первая задача, решаемая в IEEE 802.16, – это механизм поддержки

разнообразных сервисов верхнего уровня. Разработчики стандарта

стремились создать единый для всех приложений протокол MAC-уровня,

независимо от особенностей физического канала (рисунок 1.12). Это

существенно упрощает связь терминалов конечных пользователей с

городской сетью передачи данных.

Физически среды передачи в разных фрагментах сетей с беспроводным

широкополосным доступом масштабов города WMAN могут быть различны,

но структура данных едина. В одном канале могут работать (не

единовременно) сотни различных терминалов большого числа конечных

пользователей.

Этим пользователям необходимы самые разные сервисы (приложения):

передача голоса и данных с временным разделением, соединения по

протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.п. Качество услуг

(QoS) каждого отдельного сервиса не должно изменяться при работе через

сети IEEE 802.16. Алгоритмы и механизмы доступа МАС-уровня должны

решать все эти задачи.

Рис.1.12 - Структура МАС-уровня стандарта IEEE 802.16.

Структурно МАС-уровень IEEE 802.16 разделен на три подуровня

(рисунок 1.12):

- подуровень преобразования сервиса CS (Convergence Sublayer);

- основной подуровень CPS (Common Part Sublayer);

- подуровень защиты PS (Privacy Sublayer)

На подуровне защиты реализуют функции, обеспечивающие

криптозащиту данных и механизмы аутентификации/предотвращения

несанкционированного доступа. Для этого предусмотрены наборы

алгоритмов криптозащиты и протокол управления ключом шифрования.

Ключ каждой АС базовая станция может передавать в процессе авторизации,

используя схему работы «клиент (АС) – сервер (БС)».

На подуровне преобразования сервиса происходит трансформация

потоков данных протоколов верхних уровней для передачи через сети IEEE

802.16. Для каждого типа приложений верхних уровней стандарт

предусматривает свой механизм преобразования. Спецификации стандарта

IEEE 802.16 содержат механизмы работы в режиме АТМ и пакетной

передачи. Под пакетной передачей подразумевают достаточно широкий

набор различных пакетов типа IP, РРР и IEEE Std 802.3 (Ethernet).

Цель работы на CS-подуровне – оптимизация передаваемых потоков

данных каждого приложения верхнего уровня с учетом их специфики.

Различают 4 типа трафика по требованиям к задержкам:

UGS – Unsolicited Grant Service – передача в реальном времени

сигналов и потоков телефонии (Е1) и VoIP. Допустимая задержка менее 5 –

10 ms в одном направлении при BER = от 10-6 до 10-4.

rtPS – Real Time Polling Service – потоки реального времени с пакетами

переменной длины (MPEG видео).

nrtPS – Non-Real-Time Polling Service – поддержка потоков переменной

длины при передаче файлов в широкополосном режиме.

BE – Best Effort – остальной трафик.

Механизм обеспечения QoS состоит в присоединении на уровне

конвергенции в МАС заголовок сведений о типе передаваемого потока. Для

этого используют либо 32–битовый идентификатор потока услуг SFID

(Service Flow Identifier), либо CID (Connection Identifier).

Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен также

специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков

PHS (Payload Header Suppression) АТМ ячеек и пакетов, которые

восстанавливают на приемном конце.

Сформированные пакеты данных MAС PDU (MAC Protocol Data Unit,

блоки данных МАС-уровня) далее передают на физический уровень и

транслируют по каналу связи. Пакет MAC PDU (рисунок 1.14) включает

заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать

контрольная сумма CRC (cyclic redundancy check).

На рисунке 1.13 указаны операции, выполняемые на отдельных

подуровнях уровня МАС.

Подуровень конвергенции

- Упаковка PDU для нижестоящего уровня

- Распаковка PDU для вышестоящего уровня

Общая часть МАС

- Ввод и подавление заголовков

- Режим запроса повторной передачи

- Фрагментация

- Установление соединения/разъединения

- Управление качеством (QoS)

- Многопользовательские услуги

- Соединение/разъединение с сетью

- Управление предоставляемой полосой частот

Подуровень безопасности

- Поддержка режима шифрации (AES-CCM)

- Обмен данными о переходе к шифрации

- Обмен ключом авторизации

- Взаимная аутентификация

Рис.1.13 - Основные операции на уровне МАС.

Рис.1.14 - Пакет МАС – уровня.

Определены два формата заголовка МАС. Первый - основной

заголовок МАС, с которого начинается каждый протокольный блок данных

уровня MAC PDU и содержащий или сообщения управления МАС или

данные CS. Второй – заголовок запроса дополнительной пропускной

способности. Общий заголовок используют в пакетах, у которых

присутствует поле данных. Формат основного заголовка МАС приведена на

рис. 1.15.

Общий MAC-

заголовокПоле данных

Контрольная

сумма CRC

 

Заголовок запроса полосы используют, когда АС обращается к БС с

запросом о выделении или увеличении полосы пропускания в восходящем

канале. При этом в заголовке указывают CID и размер требуемой полосы.

Поле данных после заголовка запроса полосы отсутствует.

Рис. 1.15. Формат основного заголовка МАС.

Поля основного заголовка MAC определены в табл. 1.6.

Поля основного заголовка МАС

Таблица 1.6

Поле Длина, bit Описание

HT 1

Указатель типа заголовка.

HT=0 – заголовок общего типа

HT=1 – заголовок запроса пропускной

способности

EC 1

Признак шифрования поля данных.

EC=0 – содержимое поля данных не шифруется

EC=1 – содержимое поля данных шифруется

Type 6 Тип поля данных.

ESF 1 Указатель наличия расширенного подзаголовка.

CI 1

Признак наличия контрольной суммы CRC.

CI=0 – контрольная сумма отсутствует

CI=1 – контрольная сумма CRC содержится в

пакете

EKS 2 Индекс ключа шифрования

Rsv 1 Rsv=0 – не используется

LEN 11

Длина в байтах пакета MAC PDU, включая МАС

заголовок и контрольную сумму CRC, если она

присутствует.

CID 16 Идентификатор соединения.

HCS 8 Контрольная сумма заголовка.

Поле данных может содержать подзаголовки МАС, управляющие

сообщения и собственно данные приложений верхних уровней,

преобразованные на CS-подуровне. В стандарте описано пять типов МАС -

подзаголовков:

упаковки – используют, если поле данных одного PDU содержит

несколько пакетов верхних уровней;

фрагментации – используют, если, напротив, один пакет верхнего

уровня разбит на несколько PDU;

управления предоставлением канала – используется абонентской

станцией, чтобы сообщить базовой станции о необходимости в управлении

пропускной способностью;

расширенный подзаголовок, с помощью которого внутри одного

пакета МАС PDU может располагаться несколько подзаголовков;

Mesh – используют в Mesh-сетях;

Подзаголовки располагаются сразу за основным заголовком МАС.

Управляющие сообщения – это основной механизм управления

системой IEEE 802.16. Описание профилей пакетов, управление доступом,

механизмы криптозащиты, динамическое изменение работы системы и т.д. –

все функции управления, запроса и подтверждения реализуют через

управляющие сообщения. Запросы полосы могут быть как эпизодическими

для БС, так и планируемыми. В первом случае запросы реализуют

посредством пакетов, состоящих из заголовка запроса, передаваемых на

конкурентной основе абонентскими станциями в специально выделенном для

них интервале восходящего канала. Процедура плановых запросов полосы в

восходящем канале называется опросом (polling). БС опрашивает АС об их

потребностях в увеличении полосы пропускания. Реально это означает, что

базовая станция предоставляет конкретной АС интервал для передачи

запроса о предоставлении/изменении полосы, т.е. при запросе полосы не

используют алгоритм состязаний.

Опрос может быть осуществлен в «реальном времени»: интервалы для

запроса предоставляют АС с тем же периодом, с каким у нее может

возникнуть потребность в изменении условий доступа (например, в каждом

кадре). Другой вариант опроса – вне «реального времени». В этом случае БС

предоставляет АС интервал для запроса также периодически, но период этот

существенно больше.

Для приложений, у которых периодичность и размер пакетов

фиксированы (например, в телефонии по Е1), предусмотрен механизм

доступа к каналу без требования UGS (Unsolicited Grant Service). В этом

случае БС с заданным периодом предоставляет АС для передачи данных

интервалы фиксированного размера, соответствующие скорости потока

данных. Если в ходе работы АС нужно изменить условия доступа, она делает

это посредством специального МАС-подзаголовка управления

предоставлением канала. В этом подзаголовке есть флаг «опроси меня»,

установив который, АС запрашивает у БС интервал для новой полосы.

Существенно, что в упомянутом подзаголовке есть специальный бит

индикации переполнения выходного буфера передатчика АС, что приводит к

потере данных (slip). БС может отреагировать на появление этого сигнала,

например, увеличив полосу для данной АС.

Технологии, используемые в стандарте 802.16, требуют

соответствующего управления радиоканалом, особенно управления

характеристиками физического уровня передачи в зависимости от

индивидуальных особенностей канала конкретного абонента и его

потребностей в пропускной способности. Уровень управления радиоканалом

RLC (Radio Link Control) обеспечивает как эти возможности, так и

традиционные функции управления мощностью излучения.

5. Архитектура построения сети WiMAX

5.1. Базовая модель сети

Спецификации стандарта WiMAX определяют передачу трафика и

сигнальный обмен только на радиоинтерфейсе. Что касается соединения БС с

Интернетом, сетями беспроводного доступа и сетями различных операторов,

решения по архитектуре сети принимает оператор совместно с

производителем. В целях унификации и определенной оптимизации WiMAX

Forum предложена базовая архитектура сети (рисунок 1.16).

На рисунке 1.16 показана базовая модель сети NRM (network reference

model) WiMAX, которая является логическим представлением сетевой

архитектуры. NRM разделяет систему на три логические части:

1) мобильные станции, используемые абонентами для получения

доступа к сети;

2) ASN (access services network) – сеть доступа к услугам, которая

является собственностью оператора доступа к сети (NAP – Network Access

Provider); ASN состоит из одной или нескольких базовых станций, которыми

управляет один или несколько шлюзов ASN (ASN-GW).

3) CSN (connectivity services nerwork) – подсеть оператора,

обеспечивающая выход на IP и другие сети для реализации абонентских

услуг. Эта подсеть обеспечивает необходимые коммутационные функции и

функции безопасности. Абонента может обслуживать оператор домашней

сети NSP (Network Services Provider). Абонент может также находиться в

роуминге. В этом случае его обслуживает оператор визитной сети; при этом

происходит обмен сигнальной информацией CSN визитного и домашнего

оператора.

ASN выполняет следующие функции:

соединение на уровне L2 с АС;

поиск и выбор сети на основе предпочтений абонента о CSN/NSP;

обеспечение безопасности: передача данных об устройствах,

пользователях, и услугах, серверу безопасности, временное хранение

профилей пользователей;

организация сквозных IP-соединений между АС и CSN;

управление радиоресурсом (RRM) в соответствии с классом трафика

и требуемым QoS;

обеспечение мобильности, т.е. выполнение процедур хэндовера,

локализации и пейджинга.

Рис.1.16 - Базовая модель сети.

WiMAX Forum определил различные способы организации ASN,

получившие название профилей. Существуют профили A, B, C. Шлюз ASN

представляет логическое устройство, которое может быть организовано по-

разному. Профиль B ASN представляет простую организацию, которая

включает БС и шлюз ASN. Профили A и C разделяют функции между БС и

шлюзом ASN по-разному, а именно, в управлении мобильностью и

радиоресурсами.

Функционально БС обеспечивает как один сектор с выделенным

частотным диапазоном, поддерживая интерфейс IEEE 802.16e с АС.

Дополнительные функции, выполняемые БС в обоих профилях, включают

распределение для восходящего и нисходящего каналов, классификацию

трафика и SFM (управление сервисным потоком). При этом должны быть

выполнены требования по QoS для различных классов трафика,

передаваемых по радиоинтерфейсу. БС также управляет статусом АС

(активный, неработающий), поддерживает туннельный протокол в

направлении к шлюзу ASN, обеспечивает с помощью сервера DHCP

динамическими адресами. БС также транслирует сигнальный обмен по

протоколам MM, обеспечивая все уровни защиты, предусмотренные

стандартом. БС может быть подключена одновременно к двум шлюзам для

баланса нагрузки.

Шлюз ASN является основным элементом сети. Во время сеансов связи

шлюз организует хэндовер абонентам и пейджинг АС, управляет доступом к

сети. Для каждого подсоединенного абонента в шлюзе открыта база данных,

содержащая профили абонента и ключи шифрования. На шлюз возложены

задачи авторизации потока услуг согласно профилю абонентов и QoS. В

направлении БС шлюз поддерживает туннельное соединение; в направлении

ядра сети (CSN) шлюз организует соединение по стандартному IP протоколу.

В таблице 1.8 показано разделение функций в ASN между БС и

шлюзом ASN в соответствии с профилями ASN, установленными WiMAX

Forum. Профиль B характеризуется интеграцией в одном элементе. Профиль

целесообразно использовать в небольшим по объему сетях. Профили A и C

предусматривают организацию шлюза в виде отдельного функционального

узла. Отличие между профилями А и С незначительны. В профиле A за

хэндовер отвечает шлюз ASN; в профиле C это БС, а шлюз ASN выполняет

функцию переключения при хэндовере. В профиле A управление

радиоресурсами осуществляет шлюз ASN, что позволяет динамически

перераспределять радиоресурс между разными БС. В профиле C радиоресурс

фиксирован для каждой БС и его назначение для конкретных абонентов

производит сама БС.

Таблица 1.8.

Процедура Функция Имя объекта ASN

Профиль A Профиль B Профиль C

Безопасность

Аутентификатор Шлюз ASN ASN Шлюз

ASN

Ретранслятор

аутентификации

БС ASN БС

Распределитель

ключей

Шлюз ASN ASN Шлюз

ASN

Получатель ключей БС ASN БС

Мобильность

Маршрутизация

потока данных

Шлюз ASN

и БС

ASN Шлюз

ASN и БС

Управление

хэндовером

Шлюз ASN ASN БС

Сервер контекста

(буфер)

Шлюз ASN

и БС

ASN Шлюз

ASN и БС

ПО мобильного

интернета

Шлюз ASN ASN Шлюз

ASN

Управление

радиоресурсам

и

Контроллер

радиоресурсов

Шлюз ASN ASN БС

ПО контроллера БС ASN БС

Пейджинг

ПО пейджинга БС ASN БС

Управление

пейджингом

Шлюз ASN ASN Шлюз

ASN

QoS

Авторизация

сервисного потока

Шлюз ASN ASN Шлюз

ASN

Управление

сервисным потоком

БС ASN БС

CSN обеспечивает следующие функции:

выделение адресов IP АС для сеансов связей;

безопасность в сети, для чего в CSN организуют сервер AAA

(authentication, authorization and accounting – аутентификации, авторизации и

учета);

организацию передачи трафика с необходимым QoS в

соответствием уровнем обслуживания абонентов. При нахождении абонента

в роуминге CSN домашнего оператора поддерживает профиль услуг

абонента у обслуживающего оператора;

биллинг предоставленных абоненту услуг;

туннелирование потоков между CSN различных операторов с целью

обеспечения роуминга;

управление мобильностью (хэндовер между БС, управляемыми

различными ASN);

выход на другие сети, прежде всего в Интернет, и обеспечение

таких современных услуг как локализация абонентов, VoIP и передача

мультимедийной информации

5.2 Стеки и интерфейсы

Группа разработки сети NWG (network working group) WiMAX

разработала стыки и интерфейсы RP (reference points), т.е. концептуальные

соединения между различными функциональными элементами: ASN, СSN,

АС, БС. Стыки не всегда являются физическими соединениями, а только в

тех случаях, когда функциональны элементы расположены в разных местах,

т.е. в различных физических устройствах. Следует отметить, что WiMAX

Forum продолжает работу по совместимости разработанных RP на основе

специфицированных нормативных протоколов c целью обеспечения

максимальной пропускной способности сети. В таблице 1.9 представлены

разработанные RP.

Логическое представление архитектуры WiMAX показано на рис. 1.17.

Таблица 1.9.

Сты Конечные Описание

к точки

R1 АС и БС Организует радиоинтерфейс на основе IEEE 802.16e.

R2 АС и CSN

Для аутентификации, авторизации, управления конфигурацией

IP хоста, и управления мобильностью. Это логический

интерфейс АС и CSN

R3 ASN и CSN

Поддержка AAA, перечня услуг, возможность управления

мобильностью. R3 также обеспечивает туннелирование IP

данных между ASN и CSN

R4 ASN и ASN

Набор протоколов управления и организации сквозных

каналов, начинающихся/ заканчивающихся в различных

устройствах внутри ASN, которые координируют мобильность

АС между ASN. В Release 1 интерфейс R4 обеспечивает

взаимодействие между разнотипными ASN

R5 CSN и CSNНабор протоколов управления и организации сквозных каналов

для взаимодействия между домашней и визитной сетями

R6BS и шлюз

ASN

Набор протоколов управления и организации сквозных каналов

взаимодействия между БС и шлюзом ASN. Протоколы

организации сквозных каналов обеспечивают передачу данных

внутри структуры ASN или туннельных соединений между БС

и шлюзом ASN.

R7

ASN-GW-DP

(decis. point)

и ASN-GW

EP (enf.

point)

Опциональный набор протоколов в плоскости управления для

координации между двумя группами функций, определенных в

R6 для сложных разветвленных структур сетей WiMAX.

R8 БС и БС

Набор потоков сообщений плоскости управления и, возможно,

команд для создания сквозных каналов между БС для

организации быстрых и бесшовных хэндоверов. ПО

организации сквозных каналов состоит из протоколов, которые

позволяют передавать данные между БС, вовлеченными в

хэндовер, и определенной АС.

Архитектура сети WiMAX похожа на архитектуру многих IP сетей

доступа, где инфраструктуру уровня L2 (уровня соединений) используют при

концентрации трафика индивидуальных пользователей, где находятся

элементы, которые обеспечивают конечные пользовательские устройства IP

адресами для доступа к приложениям и услугам. В данном случае ASN

представляет собой инфраструктуру канального уровня, обеспечивающую

концентрацию каналов, а CSN предоставляет абонентам адреса IP и

обеспечивает доступ к IP приложениям.

Рис.1.17 - Логическое представление архитектуры WiMAX.

WiMAX Forum предлагает два варианта протокольного обмена в

транспортной сети (рисунки 1.18, 1.19). Различие между решениями состоит

в организации интерфейса R6 в пользовательской плоскости (плоскости

передачи данных). В любом варианте данные между БС и шлюзом ASN

передают на основе туннельного протокола GPE (Generic Routing

Encapsulation). На рисунке 1.18 поверх него следует протокол IP-Ethernet, а

на рисунке 1.19 возможны любые другие технологии передачи IP пакетов.

Отличия состоят в том, что перед передачей пакетов по радиоинтерфейсу

организуют конвергенцию (обработку заголовков) либо на уровне Ethernet,

либо непосредственного на уровне IP. На интерфейсе R3 при передаче

данных используют локальную маршрутизацию на основе IP протоколов,

используя технологию IP-over-IP.

Рис. 1.18 - Стек протоколов передачи информации в транспортной сети

WiMAX, с использованием Ethernet.

Рис.1.19 - Стек протоколов передачи информации в транспортной сети

WiMAX, с использованием IP протоколов.

Выводы по главе I

В данной главе были рассмотрены основные технологии беспроводного

широкополосного доступа, особенности стандарта IEEE 802.16, проведен

анализ основных характеристик стандарта IEEE 802.16, рассмотрена

архитектура построения сети на базе стандарта IEEE 802.16, структура

базовой сети , стеки и протоколы.

Глава II. Методы планирования сетей WiMAX

1. Принципы построение сети WiMAX в посёлке городского типа

Для построения сети WiMAX возьмем типовой средне населенный

поселок городского типа Х с численностью населения 20 000 человек.

Поселок может находиться в любой области Республики Узбекистан.

Возможное число абонентов для подключения к сети WiMAX.

В центральной части посёлка, где будет создаваться сеть WiMAX,

численность населения составляет около 20 000 человек. В каждой семье

проживает около 5 человек это, примерно, 4 000 семей. Предположим, в

семье к сети WiMAX подключается 1 человек. Тогда общее число абонентов

подключаемых к сети составит примерно 4000. Если учитывать, что не все

абоненты, сразу подключатся к сети (а часть вообще не будет подключаться),

то среднее число составит около 2800 абонентов (70% из 4000 абонентов).

Промышленность

В центре посёлка находятся здания административного назначения.

Также в посёлке функционируют шерстомойная, прядильно-ткацкая,

швейная, ковровая, кондитерская и мебельная фабрики,

хлопкоочистительный, кожевенный, пивоваренный и молочный заводы.

Имеющиеся телекоммуникации

В центре поселка в специальных зданиях расположены АТС и

телерадиоцентр. Базовую станцию проектируемой сети WiMAX

предполагается разместить в помещении АТС. Антенна базовой станции

может быть установлена на имеющуюся мачту, принадлежащую АТС.

В сетях стандарта мобильного WiMAX, зона покрытия одной базовой

станции, так же как и в системах сотовой связи, аппроксимируется

шестиугольником. Шестиугольники лучше всего аппроксимируют круговую

форму зоны радио покрытия базовой станции на ровной местности без

препятствий, а края шестиугольников хорошо аппроксимируют границы

между сотами равных размеров. На практике область покрытия базовой

станции не обладает правильной круговой формой, поскольку она зависит от

структуры местности и препятствий – зданий, деревьев и т.д. Разделение

области покрытия системы на соты равного размера невозможно и по

техническим причинам. При размещении базовых станций необходимо

учитывать множество факторов, таких как доступ к подходящим участкам

местности и возможность использования естественных элементов местности

– башни, высокие трубы и строения. Такие элементы нечасто располагаются

в центрах идеально спланированных сот. Поэтому планирование сот

представляет собой сложную задачу, в ходе решения которой в современных

системах проводят полевые измерения при помощи специализированного

оборудования. С определенной точностью соты можно спроектировать на

основе обработки данных цифровой карты местности сложным

специализированным программным обеспечением, которое имитирует

распространение электромагнитных волн на цифровой модели местности.

Один из подходов к моделированию распространения электромагнитных

волн заключается в том, что волны рассматриваются в качестве световых

лучей, которые отражаются и рассеиваются на различных препятствиях

местности с определенными коэффициентами отражения и рассеивания. Этот

подход, который называют методом трассирования лучей (англ. ray tracing

method), требует точных данных об области покрытия и больших

вычислительных ресурсов. Пакеты профессионального программного

обеспечения, применяемые для моделирования распространения волн и

проектирования сот, используют более сложные модели распространения.

По ограниченному количеству результатов измерений можно

калибровать используемые в программном обеспечении модели

распространения сигналов, что позволяет получать более точные результаты

[17].

Ключевой принцип работы сотовой системы заключается в

многократном использовании одних и тех же частотных каналов в различных

сотах, расположенных в зоне покрытия системы соответствующим образом.

Группа из N сот, использующая все доступные частоты несущих, исключая

при этом их повторное использование, называется сотовым кластером (англ.

Се11 cluster).

Рис.2.1 - Построение многоэлементных сотовых кластеров:

а) трехэлементного, б) четырехэлементного, в) семиэлементного,

г) двенадцатиэлементного, д) девятнадцатиэлементного

Для анализа размера и особенностей кластера рассмотрим

геометрические свойства набора шестиугольников, изображенных на рисунке

2.1

Пусть радиус окружности, описанной вокруг каждого шестиугольника,

равен r. Очевидно, что r – это также и расстояние от центра шестиугольника

до его вершины. Если вспомнить свойства равностороннего треугольника со

стороной r, то легко доказать, что расстояние между двумя соседними

шестиугольниками равно. Примем его за единицу длины. В системе

координат с углом между осями координат, равным 60°, расстояние от

центра любого шестиугольника до начала координат составляет:

(2.1)

где i и j – координаты центра рассматриваемого шестиугольника,

выраженные в принятых единицах длины, равных 3r. В таблице 2.1

представлены кластеры, для каждой соответствующая своё значения i и j.

Таблица 2.1

Кластеры, (C) i j

1 0 0

3 1 1

4 2 0

7 2 1

9 3 0

12 2 2

13 3 1

16 4 0

19 3 2

21 4 1

27 3 3

Выражение (2.1) прямо следует из обобщенной теоремы Пифагора,

которая утверждает, что квадрат длины стороны R, лежащей напротив угла

, образованного сторонами с длинами и и v, равен:

В случае, изображенном на рисунке 2.2, u=33r, ν=2√3r и α=120° (2.2)

Таким образом, i = 3 и j = 2.

Рис.2.2 - Разделение зоны радиопокрытия на соты.

Будем считать заштрихованную соту, расположенную в начале

изображенной на рисунке 2.2 системы координат, опорной. Построим вокруг

нее сотовый кластер. Другие кластеры должны быть расположены вокруг

него таким образом, чтобы покрываемые ими области не перекрывались и не

имели разрывов.

Возникает следующий вопрос: какое количество сот в кластере

обеспечивает наиболее компактное покрытие для стандарта WiMAX? Ответ

на этот вопрос вытекает из последующих рассуждений. Пусть центральные

соты соседних кластеров расположены на расстоянии R от центра опорной

соты.

В их распоряжении находится такой же набор частотных каналов, что и

у опорной соты. Каждый кластер может быть представлен одним большим

шестиугольником, площадь которого равна сумме площадей всех

принадлежащих кластеру сот. Это изображено на рисунке 2.3.

Площадь одной гексагональной соты радиуса r равна:

(2.3)

а площадь большого шестиугольника, равного сумме N площадей

шестиугольников радиуса r, центры которых расположены на расстоянии R

друг от друга, составляет:

(2.4)

Необходимо, чтобы выполнялось следующее равенство

(2.5)

При подстановке (2.1) и (2.4) в (2.5) получим выражение, которое

определяет количество N сот в кластере:

(2.6)

Очевидно, что количество сот в кластере не ограничено. Кластер,

образующий регулярную сетевую структуру, может состоять из одной, трех,

четырех, семи, двенадцати и т. д. сот.

На рис. 2.3 изображен кластер с N = 3 сотами, для которых i = 1 и j = 1.

На основании (2.1) и (2.6) можно получить важное соотношение, которое

будет использовано в дальнейших рассуждениях:

(2.7)

Рис.2.3 - Аппроксимация кластеров большими треугольниками.

Если при разработке системы не учитывалось количество сот в

кластере, их топографическое расположение и распределение каналов, то в

такой системе будет наблюдаться существенное влияние друг на друга

каналов в разных сотах, использующих одни и те же несущие частоты.

Эти явления называются соканальными помехами. Они зависят от

параметра Q, определенного в выражении (2.7).

Параметр Q называется коэффициентом ослабления соканальных

помех (англ. со-спаппе1 interference reduction factor).

При увеличении Q соканальные помехи ослабевают, поскольку либо

увеличивается расстояние, разделяющее соты с одинаковыми каналами, либо

уменьшается их размер.

Расстояние R зависит от отношения мощности сигнала Ps к мощности

помехи PI (энергетического параметра связности ν). В свою очередь, это

отношение зависит от количества влияющих друг на друга сот Ko согласно

формуле:

(2.8)

где PIk – средняя мощность помех, генерируемых k-ой сотой.

На рисунке 2.4 изображена типичная конфигурация

взаимодействующих сот. В случае гексагональных сот шесть расположенных

в первом ярусе сот взаимодействуют с центральной сотой, которая считается

опорной. Таким образом, Ko = 6.

Рис.2.4 - Распределение в пространстве интерферирующих сот.

Для регулярной структуры, построенной на основе типовых кластеров

с N=3, 7, 9, 12, 19 количество влияющих друг на друга сот Kо всегда будет

равно 6 (рисунок 2.5.)

Рис.2.5 - Распределение кластеров с регулярной структурой.

Предполагается, что влиянием сот второго яруса на центральную соту

можно пренебречь ввиду большого расстояния между ними. Соканальные

помехи искажают не только сигнал, приходящий на базовую станцию

центральной соты, но и сигналы, приходящие на подвижные станции,

которые в данный момент находятся в этой соте. Предположим, что базовые

станции излучают сигналы с одинаковой мощностью. Тогда отношение

сигнала к соканальным помехам на границе центральной соты равно:

(2.9)

При распространении в свободном пространстве γ=2, в то время как

при двулучевом распространении γ=4. В действительности значение γ лежит

в интервале от 2 до 5,5 в зависимости от условий распространения.

Обратим внимание на то, что в предположении о равной мощности,

излучаемой базовыми станциями, отношение «сигнал/соканальная помеха»

зависит только от геометрических свойств распределения сот, расстояний

между базовыми станциями, использующими одни и те же частотные

каналы, и радиуса зоны радиопокрытия базовой станции.

Простоты ради предложим, что в изображенной на рисунке 2.3 системе

все расстояния Rk равны R. Тогда из (2.9) следует, что

(2.10)

(2.11)

Формула (2.11) определяет взаимосвязь отношения расстояния между

сотами, использующими одни и те же частоты и радиус соты, с отношением

«сигнал/соканальная помеха» и типом окружающей среды.

В традиционных сотовых системах отношение PS/PI выбирается таким,

чтобы обеспечить качество передачи речи, приемлемое, по крайней мере, для

75 % пользователей на 90 % области покрытия системы [17].

Приняв γ=4, из формулы (2.11) получим расчетное Q = 3. В

соответствии с таблицей 2.2 это значение Q = 3. Поскольку значение Q

зависит от количества N сот в кластере по формуле (2.7), то при подстановке

в эту формулу значения Q = 3, получим N = 3.

Коэффициент уменьшения соканальных помех Q в зависимости от

числа элементов в кластере N, представлен в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Количество сот в кластере 3 4 7 12 19

Коэффициент уменьшения стоканальных

помех

3.00 3.46 4.58 6.00 7,55

Как видно из таблицы 2.2, в рассмотренной 3-х сотовой структуре,

отношение сигнал/помеха, которое равно 3.00, как правило, недостаточно для

действующих стандартов.

Рассмотрим наихудший случай, иллюстрируемый рисунками 2.6 и 2.7.

Если обратить внимание на то, что расстояния между подвижной станцией,

расположенной в точке А на границе соты, и всеми влияющими базовыми

станциями приблизительно равны (R–r), (R–r), (R–r/2), R, (R+r/2), (R+r),

получим:

( 2.12)

При Q=3 и γ=4 значение Ps/PI составляет 12,6. В логарифмическом

масштабе эта величина приблизительно равна 11 dB. Если взять точные

расстояния от точки А до центров интерферирующих сот, то получим

несколько лучшее значение Ps/PI, однако оно все же будет меньше

требуемых 18 dB. На практике, вследствие неидеального расположения

базовых станций, многолучевого распространения и искажений,

обусловленных неровностями местности, это отношение будет еще хуже.

Поэтому рассчитанного ранее значения Q = 3 будет недостаточно.

Рис.2.6 - Наихудший случай соканальных помех.

На рис. 2.7 и в формуле (2.12) рассматривается наихудшая ситуация,

поскольку подвижная станция находится на максимально возможном

удалении от базовой станции ее собственной соты. Поэтому приведенная

выше оценка считается очень пессимистической. Тем не менее, именно такой

подход к разработке систем позволяет добиться высокой надежности.

Рис.2.7 - Наихудший случай соканальных помех при N=3.

2. Методы ослабления соканальных помех

При организации сети необходимо найти золотую середину, используя

наибольший частотный диапазон, при сохранении соотношения сигнал/шум

на минимально допустимом уровне.

Существуют несколько основных решений проблемы недостаточной

величины параметра Q для кластера со всенаправленными антеннами.

2.1. Увеличение количества сот в кластере

Первый путь – это увеличение количества сот в кластере. Сотовая

структура позволяет увеличить пропускную способность, всей системы

путём увеличения сот, уменьшения размеров сот и уменьшения мощности

передатчиков. Однако наряду с очевидными преимуществами, уменьшение

радиуса сот имеет и недостатки:

На одной площади приходится размещать большее количество БС и

антенн, что подразумевает дополнительные финансовые расходы

Поскольку стандарт WiMAX относится к частотно временному

разделению каналов, то увеличение в кластере сот приведет к снижению

числа каналов в отдельных сотах, и снижению трафика.

2.2. Использование секторных антенн

Второе решение заключается в ослаблении соканальных помех при

использовании секторных антенн, с шириной диаграммы направленности в

60°. Каждая сота разделяется на шесть секторов.

На рисунке 2.8 изображена группа сот с использованием антенн с

диаграммой направленности 60 °.

Рис. 2.8 - Группа сот с использованием антенн с диаграммой направленности

60 °.

При использовании секторных структур сот, значительно снижается

влияния соканальных помех соседних БС работающих на одних и тех же

частотах. Но, так же имеется и недостаток:

На каждый сектор приходится отдельный антенно-фидерный тракт,

что так же подразумевает дополнительные финансовые затраты.

Рассмотрим третий вариант, который наиболее подходит для

реализации сети WiMAX.

2.3. Комбинированное планирование сот

Для решения проблем связанных с соканальными помехами на краю

сот, в стандарте WiMAX предложен метод, комбинированного повторного

использования частоты (FFR) согласно рисунка 2.10, то есть

комбинированное планирование сот. В FFR пользователи, находящиеся на

краю соты используют часть всех доступных подканалов, в то время как

пользователи внутри, то есть в центре соты пользуются всеми доступными

подканалами. Пользователи же, находящиеся на краю соты, работают с

частотами Reuse-3 (в дальнейшем будет обозначаться как R3), в то время как

пользователи в центре соты работают с частотами Reuse-1 (R1). В процессе

передачи кадра пользователи R3 сгруппированы в зону R3, которая отделена

во времени от зоны R1. Преимущество метода FFR заключается в

предоставлении пользователям на краю сот лучшего качества сигнала, за

счёт физического разделения от источника помех. Улучшенное качество

сигнала также предоставит более высокую пропускную способность для

пользователей на краю соты. Однако, это достигается за счет менее

эффективного спектрального распределения ресурсов. Таким образом, важно

проанализировать, преобладают ли преимущества над недостатками.

Рис.2.9 а) Структура FFR; б) Спектральная диаграмма FFR

Показанная на рисунке 2.9, структура кадра имеет временное и

частотное распределение ресурсов для зон R1 и R3. Заголовок управления

кадрами и протокол доступа к среде (FCH/MAP), предоставляет информацию

о распределении подканалов, которая позволяет пользователям определять

местонахождение своего блока ресурса в пределах кадра. Кроме того,

FCH/MAP осуществляет передачу сигналов, такую как переключение

зональных информационных элементов, которые указывают точки

переключения между зонами R1 и R3.

В стандарте WiMAX, как уже было сказано в главе 1, используют

дуплексное временное разделения каналов (TDD) [9]. В TDD, передачу

информации в восходящем (UL) и нисходящем (DL) канале (рисунок 2.10)

выполняют последовательно через отрезки времени, и отделены друг от

друга защитным интервалом. Таким образом, передаваемый кадр разделен на

два субкадра. Кроме того, в пределах субкадра существуют зоны для частоты

R1 и R3 (так называемые зоны R1 и R3). Они имеют общие границы для всех

сот, работающих в сети, таким образом, межзональные помехи между R1 и

R3 исключены.

Рис.2.10 - Структура кадра в нисходящем (DL) канале.

Однако возможны динамические изменения границ зон, в зависимости

от перемещения пользователей и нагрузок в соте. Один из ключевых

аспектов метода FFR: своевременное переключения из зоны в зону и

назначение абоненту зоне R1 либо R3, которое должно соответствовать

качеству сигнала и изменениям расположения АС. Базовая станция (БС)

должна получать регулярную сигнальную посылку от абонентской станции

(АС), на основе которой БС решает, какую из зон предоставить R1 или R3.

При быстром движении АС обновления обработки сигнальных посылок

должна быть более частыми.

Предоставление зон в БС для конкретного пользователя может быть

основано на нескольких параметрах. Эти параметры должны быть

определены из сигналов посылок от АС до БС [14]. Как следует из

сказанного, принцип FFR существеннее, для решения проблем связанных, с

соканальными помехами пользователей, находящихся на краю соты.

Следовательно, параметры для назначения зон, рассматриваются от БС к АС.

БС работает одновременно с обеими зонами, как с R1, так R3, настраивая

порог перехода с зоны в зону. Однако, главный недостаток принципа

назначения зон состоит в том, что качество сигнала не обязательно

коррелирует с расстоянием от БС из-за эффектов, известных как быстрые

замирание и затенение.

В процессе оценке стандарта WiMAX одним из важнейших параметров

является охват и достаточно хорошее качество сигнала, который описывает

процент пользователей, которые могут быть обслужены.

Компанией Fujitsu Laboratories of Europe Ltd., были проведены

исследования комбинированного планирования сот, и в сравнении с другими

принципами планирование Reuse1 и Reuse3 [18], были получены следующие

результаты.

Пропускная способность FFR, оказалось лучше на 18 % по сравнению с

Reuse3, но хуже на 13 % чем Reuse1. Сравнения пропускной способности

показано на рисунке 2.11.

Рис.2.11 - Пропускная способность для Reuse1, FFR и Reuse3.

Также были исследованы покрытия и качество принимаемого сигнала

на различных участках соты. В центре соты на расстоянии не превышающем

300 метров от БС (рисунок 2.12.) получены следующие результаты: при

Reuse1, число пользователей, которые могут быть обслужены, достигло 76 %.

Однако при FFR, число обслуживаемых пользователей в центре соты

увеличивается до 96 %.

Сравнение с Reuse3 не целесообразно, так как пропускная способность

гораздо ниже чем при Reuse1 и FFR.

Рис.2.12 - Характеристика обслуживаемых пользователей, на

расстоянии до 300 m от БС.

Рассмотрим возможное число пользователей на краю сот. Результаты,

полученные на краях сот таковы, что при Reuse1 число обслуживаемых

пользователей достигает только 25 %, в случае FFR оно достигло 76 %, что

является достаточно высоким показателем. На рисунке 2.13 иллюстрированы

результаты, полученные на краю сот, на расстоянии от 800 до 1000 m.

Результаты достаточно убедительны - FFR является наиболее

оптимальным методом для планирования сетей WiMAX.

Рис.2.13 - Характеристика обслуживаемых пользователей, на

расстоянии от 800 до 1000 m от БС

3. Характеристика канала связи

Определение параметров канала, имеет ключевое значение при

разработке любой системы связи. Свойства канала, вносимые искажения и

помехи, а также допустимая ширина спектра передаваемого сигнала

определяют максимальную скорость передачи при заданном качестве. Таким

образом, перед нами стоит задача определить параметры канала передачи

данных в этой системе.

Рассмотрим основные понятия при распространении радиоволн:

Энергия радиосигнала от точечного излучателя распространяется

сферически (рисунок 2.14). Принимаемый сигнал АС от передающей

антенны БС на расстоянии d обратно пропорционален площади сферы 4πr2.

Рис. 2.14. Распространение радиосигнала от точечного излучателя.

Потери на трассе (path loss) - определяются как любое ухудшение или

ослабление сигнала при его распространении и могут характеризоваться

двумя отдельными параметрами: средние потери на трассе и замирание.

Уровень сигнала на входе приемника при прямолинейном

распространении в открытом пространстве при однолучевой модели:

Pr=Ptλ2Gt Gr

(4 πr )2, (2.14)

где - мощность принимаемого сигнала, - мощность передатчика,

- длина волны. G – коэффициент усиления передающей и принимающей

антенны.

Но в реальных условиях прохождение сигнала обусловлено тем, что на

пути возникают множество препятствий. В результате переотражений от

земли и от других объектов фаза волны может смещаться до 1800.

Нужно учитывать три основных способа распространения радиоволн:

Отражение - имеет место при падении волны на объекты с размерами

намного больше длины волны. Наблюдаются, например, отражения от земли,

стен зданий и т.п.

Дифракция - явление возникновения вторичных волн при падении

радиоволны на препятствие с острыми краями. Дифракцией обусловлено

наличие поля за препятствиями в зоне геометрической тени. На высоких

частотах дифракция, как и отражение, существенно зависит от геометрии

объекта, а также от частоты амплитуды, фазы волны и поляризации поля.

Рассеяние - имеет место при распространении волны в среде с мелкими

объектами (меньше длины волны).

Рис.2.15 - Двухлучевое распространение радиосигнала.

При рассмотрении двухлучевой модели рис. 2.15, (наличие прямого

луча и отраженного):

(2.15)

В данном случае большую роль играет высота подвеса антенны h: чем

выше высота антенны, тем лучше. Длина волны исчезла из формулы.

Зависимость мощности от расстояния становится , поэтому потери

энергии с увеличением расстояния становятся более значительными по

сравнению с однолучевым распространением.

Для того чтобы обобщить все разнообразные параметры окружающей

среды, используют эмпирическую формулу потерь на трассе:

(2.16)

Формула 2.16 обобщает различные эффекты в 2-х параметрах:

экспонента потерь на трассе и измеряемые потери относительно

расстояния , которое обычно равняется 1 метру.

4. Модель COST-231 Hata

Для расчета затухания сигнала на трассе, используют модели

распространения радиоволн. Для систем стандарта WiMAX, более

подходящая модель является COST-231 Hata. Рассмотрим эту модель.

Модель COST-231 Hata исходит из более ранней модели под названием

Hata. Модель Hata была усовершенствована специально для сетей WiMAX

группой European COST (Cooperation in the field of Scientific and Research).

Расширенная модель носит название COST-231 Hata [19]. Модель COST-231

Hata предполагает, что антенны базовых станций расположены выше

окружающих строений, а размер ячеек при формировании макросотовой

структуры сети составляет около 1 км и более. В этом случае потери

распространения определяются главным образом процессом дифракции и

рассеяния радиоволн на высоте крыш зданий, окружающих абонентскую

станцию. Распространение основных лучей от базовой станции происходит

выше крыш строений. Эта модель действительна при следующих

параметрах:

1500 ≤ f ≤ 2000 Mhz

30 m≤ hbs ≤ 200 m

1 m ≤ hms ≤ 10 m

1 km ≤ d ≤ 20 km

Здесь f – частота, d – расстояние между АС и БС в км, hbs и hms - высоты

расположения БС и АС соответственно, в метрах.

Медианное значение ослабления в соответствии с COST-231 Hata:

Lro (dB) = Lu - 4,78*[lg(f)]2 + 18,33·lg(f) - 40,94 . (2.18)

Корректирующий коэффициент в зависимости от высоты антенны АС -

a(hms):

a(hms) = (1,11·lg f – 0,7)hms – (1,56 lg f – 0,8) (2.19)

Для городских и пригородных территорий поправочный коэффициент

C составляет 3 dB и 0 dB соответственно. WiMAX Forum, рекомендует

использовать эту модель при планировании мобильной макросотовой сети.

Для получения реального (требуемого) значения затухания к общей формуле

(2.18) добавляют от 6 dB до 10 dB для учета затухания, вызванного

медленными замираниями. Для корректного использования формул COST-

231 Hata необходимо придерживаться соответствия между типами моделей и

характеристиками местности - плотная сельская застройка – малоэтажная

административная и жилая застройка, индустриальные здания не выше трех

этажей. При этом покрытие сот в значительной мере определяется

дифракцией и рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.

Выводы к главе II

В данной главе были рассмотрены принципы построения сети WiMAХ в населённом пункте на примере отдельно взятого поселка Х c населением 20 тыс. человек, проведен анализ варианта сотового построения сети, рассмотрены методы уменьшения соканальных помех при сотовом построении сети WiMAX, рассмотрены характеристики канала связи и модели затухания сигнала COST-231 Hata, наиболее подходящей для сети WiMAX.

Глава III. Выбор аппаратуры и планирование сети

1. Выбор аппаратуры и расчет сети

Для построения опытной зоны сети WiMAX выбираем базовую

станцию WiMAX Base Station Air4Gs - компактная, оптимизированная по

стоимости микробеспроводная базовая станция [20]

Для планирования сети возьмём оборудование компании Airspan.

Произведем расчет параметров сети с использованием оборудования

одобренного WiMAX Forum.

Станция Air4Gs обладает высокой производительностью, конструкцией

–«все-в-одном», применяется для наружного использования – «все на улице»,

является оборудованием операторского класса. Масса БС составляет 10,5 kg.

Низкое энергопотребление БС - менее 90 W.

Air4Gs является простым и доступным в установке и обслуживании

оборудованием.

Base Station Air4Gs может поддерживать режим работы с шириной

канала 5 MHz и 10 MHz.

БС типа Air4Gs идеально подходит для операторов и операторских

сетей в пригородных и сельских районах, а также расширения

(развертывания) городских сетей. Продукт оптимизирован для вертикальных

приложений, таких как Smart Grid или транспорта, где часто есть

необходимость в мощных, экономически эффективных решениях. БС Air4Gs

это базовая станция мобильного WiMAX (IEEE802.16e), поддерживаемая

стандартные интерфейсы R1 и R6. Внешний вид БС типа Air4Gs приведен на

рис. 3.1

Рис.3.1 - Базовая станция Air4Gs

В табл. 3.1 приведены основные параметры и характеристики БС:

Таблица 3.1.

Поддерживаемые диапазоны частот, GHz 2.3-2.4; 2.5-2.7; 3.3-3.8; 4.9-5.0

Ширина канала, MHz 1.75, 3.5, 5, 10

Число поднесущих 256; 512 и 1024

Метод дуплексилования FDD + TDD

Модуляция 2-ФМ; 4-ФМ; 16-КАМ; 64-КАМ.

Поддерживаемые профили Фиксированный WiMAX

(расширяемый до мобильного

WiMAX)

Стандарт IEEE 802.16e-2005

Мощность передатчика до 40 dBm на сектор

Чувствительность приемника -115 dBm (1/16), -103 dBm (1/1)

Коэффициент усиления антенн (UL/DL) 17 dB

Антенна конфигурация MIMO: круговая 2х2;

Кодирование с коррекцией ошибок Сверточное кодирование;

турбокодирование.

Кабели соединяющие ODU и IDU Полностью внешнее исполнение

Диаграмма направленности антенны одного

сектора

60°, 90°, 120°, 180°, 360°

Mobile WiMAX ASN шлюз решения (AN1 WIMAX ASN-GW)[10]

Оборудование стандарта IEEE 802.16e-2005 совместно с сетью

эталонной модели (NRM) WiMAX Forum обладает способностью управлять

мобильностью абонентов, обеспечивает возможность идентификации, учета

и применения политики в расчете на абонента, а также для выполнения

функций AAA. Данные способности достигаются путем деления WiMAX

сети на две основные части:

• Доступ к службе Network (ASN) ;

• Подключение сетевых служб (ДНС)

ASN состоит из базовых станций WiMAX и ASN Gateway (ASNGW).

ДНС в Центре сети, обеспечивает контроль и управление функций IMS

(спецификация передачи мультимедиа в электросвязи на основе протокола

IP), поддержку протоколов: DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol —

протокол динамической конфигурации узла), FTP (File Transfer Protocol —

протокол передачи файлов) и функции учета, регистрации и авторизации

абонента AAA (Authentication, Authorization, Accounting).

Сеть управляется программным пакетом AS8200 Netspan.

Одним из ключевых элементов ASN является ASNGW, которая

контролирует и управляет трафиком от большого количества базовых

станций WiMAX. Платформа AN1 представляет собой идеальную среду

начального уровня для распределения покрытия WiMAX приложений к

небольшому числу абонентов и удовлетворения требований к пропускной

способности. Создается сеть, архитектура которой обеспечивает

экономическую эффективность на сельских сетях и сетях небольших

населенных пунктов.

Каждый шлюз ASN может сосредоточить трафик от нескольких

базовых станций, что сокращает необходимое количество управляемых

устройств и AAA операций при сведении к минимуму задержки

установления соединения за счет уменьшения числа вызовов в сети. HA:

(Home Agent, часть CSN)- элемент сети, отвечающий за возможность

роуминга

Основные характеристики и преимущества:

Полный ASN шлюз и функциональность HA ( Home Agent, часть

CSN)

Надежная производительность, тарифы, сделки, обработка пакетов

Полный набор возможностей, управление мобильностью, в том

числе и CMIP (Common Management Information Protocol. Протокол общей

управляющей информации) — стандарт управления сетью OSI. PMIP v4/v6

Прочная конструкция, операторский класс соответствует NEBS /

ETSI требованиям, а также возможностью восстановления программного

обеспечения

Netspan –программа управления сетью

Продукты Airspan включают в себя все функции, необходимые для

первоначальной установки и ввода в эксплуатацию продукции, а также их

бесперебойной и эффективной работы. Для этого все продукты включают в

себя широкие возможности управления функциями этих продуктов, а также

централизованное управление и операции (O & M) системы.

Netspan обеспечивает выполнение следующих функций:

• Исправность управления;

• Управление конфигурацией;

• Обработка аварийных сигналов;

• Управление производительностью;

• Управление безопасностью.

Netspan строится в соответствии с архитектурой клиент сервер. Сервер

Netspan работает на платформе ПК, используя базу данных SQL для

хранения конфигурации, статистики и историй аварийной сигнализации по

радиосети. Доступ к серверу Netspan от различных стандартных веб-

браузеров осуществляется с помощью веб-службы сервера Netspan.

Управление сетью с помощью Netspan осуществляется одним

работником - оператором круглосуточно.

Применяемая секторная антенна для базовой станции - типа INT-SEC-

17/5X-H [11]

Описание антенны

Секторная антенны типа INT-SEC-17/5X-H - это профессиональные

антенны, предназначенные для применения базовых станций высокой

ёмкости в сельских районах. Антенны имеют возможность наклона, что

обеспечивает мощный, сфокусированный сигнал в секторе. Благодаря

высокому усилению и широкому углу охвата антенны, в малонаселённых

районах достигается покрытие качественным сигналом большой площади.

Высококачественный корпус позволяет достигать высокого результата даже

в суровых погодных условиях.

Ключевые достоинства антенн:

• излучающая поверхность покрыта лаком, что обеспечивает

надёжность при любых погодных условиях;

• относительно небольшые размеры и лёгкий вес;

• применяется облучатель микрополоскового типа;

• модульная конструкция обеспечивает надёжное функционирование в

самых суровых погодных условиях;

• сегментирование покрытия позволяет обслуживать больше

пользователей одной базовой станцией;

• антенное крепеление имеет возможность наклона, что позволяет

оптимизировать покрытие и уменьшить влияние посторонних сетей;

• крепление с возможностью регулировки в горизонтальной и

вертикальной плоскостях обеспечивает точное нацеливание антенны.

• Мобильные устройства BreezeMAX включают в себя BreezeMAX

USB 200 WiMAX Модем и BreezeMAX PC карту, представляющие

собой компактные, малогабаритные радиомодемы, разработанные

для фиксированного и мобильного функционирования с поддержкой

Plug and Play инсталляции и самостоятельной инициализации.

Оборудованные передовыми handoff алгоритмами, эти мобильные

устройства позволяют пользователям ноутбуков и настольных

компьютеров соединяться с WiMAX сетями в любое время, в любом

месте.

В табл. 3.2 приведены основные технические характеристики антенны:

Таблица 3.2.

Диапазон частот, MHz 2300-3800

усиление 17 dBi

раскрыв лепестка диаграммы направленности в

горизонтальной плоскости (-3dB)60°

раскрыв лепестка диаграммы направленности в

вертикальной плоскости (-3dB)6°

раскрыв лепестка диаграммы направленности в

горизонтальной плоскости (-10dB)134°

раскрыв лепестка диаграммы направленности в

вертикальной плоскости (-10dB)25°

соотношение вперед/ назад более  24dB

кросс поляризации > 27dB

На рис. 3.2. приведена схема подключения основных компонентов

проектируемой сети WiMAX.

Рис. 3.2. Схема подключения компонентов проектируемой сети.

Применяемая абонентская станция – модем BreezeMAX USB 200

Основные технические характеристики модема приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3.

2. Расчёт трассы проектируемой сети WiMAX

Для расчёта выбираем модель COST-231 Hata. Расчёт ведём на

минимальной частоте f = 2300 MHz, высота антенны БС составляет 30 m,

высота AС - 2 m. Расчёт выполним для различных видов модуляций,

используемых в каналах связи: 4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ. Необходимые

расчётные формулы и исходные величины, а так же полученные результаты

занесем в табл. 3.4-3.6.

Расчёт трассы даст результаты, которые определят реальную зону

обслуживания базовой станции. Эти расчёты важны для определения радиуса

соты, что позволяет найти необходимое число базовых станций для покрытия

заданной территории

Расчёт трассы вниз при модуляции 4-ФМ:

Поддерживаемые диапазоны частот,

GHz

2,3-2,4; 2,5-2,7; 3,4-3,6.

Ширина канала, MHz 5; 7; 10.

Число поднесущих 512; 1024.

Метод дуплексилования Временной.

Модуляция 4-ФМ; 16-КАМ; 64-КАМ.

Поддерживаемые профили Мобильный, фиксированный WiMAX

Стандарт 802.16e

Мощность передатчика До 23 dB при 4-ФМ

Чувствительность приёмника -94 dBm при 4-ФМ

Коэффициент усиления антенн

(UL/DL)

3 dB/4,4 dB

Пропускная способность в исходящем канале (DL) 20 Mbit/s;

в восходящем канале (UL) 5 Mbit/s.

Применяемые технологии MIMO; cтандартный ARQ; гибридный

ARQ.

Таблица 3.4.

Энергетические

характеристики, параметры

Значени

еРасчетные формулы

Мощность передатчика PTX , dBm 40

Потери в фидере антенны ПРД, PfidTX,

dB2

Максимальный КУ антенны ПРД, G0TX,

dBi17

Излучаемая мощность Prad , dBm 55Prad =PTX – PfidTX + G0TX

Prad = (40 – 2) + 17

Чувствительность приемникаPRX , dBm -115

Необходимая мощность полезного

сигнала с вероятностью 50 % PWS (50 %) ,

dBm

-119,4

Pws(50%) =PRX – G0RX

Pws(50%) = -115 – 4,4

Необходимая напряженность поля

полезного сигнала с вероятностью 50 %

EWS (50 % ) , dBµV

25

Ews(50%) = 77,2 + 20lg f + Pws(50%)

Ews(50%) = 77,2 + 20lg 2300 –

119,4

Среднеквадратическое отклонение

(СКО) флуктуаций сигнала ,  dB10

Параметр логнормального

распределения уровней сигнала по

местоположению с вероятностью 75%

(75%), раз

0,68

Необходимая мощность полезного

сигнала на границе зоны обслуживания

с вероятностью 75% PWS (75 %) , dBm

-112,6

Pws(75%) = Pws(50%) + η(75%) ∙ σ

Pws(75%) = -119,4 + 0,68 ∙ 10

Необходимая напряженность поля

полезного сигнала на границе зоны

обслуживания с вероятностью 75 %

EWS (75 % ) , dBµV

31,8Ews(75%) = Ews(50%) + η(75%) ∙ σ

Ews(75%) = 25 + 0,68 ∙ 10

Продолжение таблицы 3.4.

Энергетические Значени

е

Расчетные формулы

характеристики, параметры

Допустимые основные потери передачи

с вероятностью 50% Lt

(50 % ) , dB при

нахождении АС на улице

174,4Lt(50%) = Prad – Pws(50%)

Lt(50%) = 55 – (-119,4)

Допустимые основные потери передачи

с вероятностью 75% Lt

(75 % ) , dB при

нахождении АС на улице

167,6Lt(75%) = Lt(50%) – η(75%) ∙ σ

Lt(75%) = 174,4 – 0,68 ∙ 10

Максимальная дальность связи с

вероятностью 75% на границе зоны

обслуживания R0 , km

2R=f ( F ,L , HBS , H MS )L=Lt 75 %

Расчёт трассы вниз при модуляции 16-КАМ:

Таблица 3.5.

Энергетические

характеристики, параметры

Значен

иеРасчетные формулы

Мощность передатчика PTX , dBm 36

Потери в фидере антенны ПРД, PfidTX, dB 2

Максимальный КУ антенны ПРД, G0TX, dBi17

Излучаемая мощность Prad , dBm 51Prad =PTX – PfidTX + G0TX

Prad = (36 – 2) + 17

Чувствительность приемникаPRX , dBm -109

Необходимая мощность полезного сигнала

с вероятностью 50 % PWS (50 %) , dBm-113,4

Pws(50%) =PRX – G0RX

Pws(50%) = -109 – 4,4

Необходимая напряженность поля полез-

ного сигнала с вероятностью 50 % EWS (50 % ) ,

dBµV

31

Ews(50%) = 77,2 + 20lg f + Pws(50%)

Ews(50%) = 77,2 + 20lg 2300 –

113,4

Продолжение таблицы 3.5.

Энергетические

характеристики, параметры

Значен

иеРасчетные формулы

Среднеквадратическое отклонение (СКО) 10

флуктуаций сигнала , dB

Параметр логнормального распределения

уровней сигнала по местоположению

с вероятностью 75% (75%), раз

0,68

Необходимая мощность полезного сигнала

на границе зоны обслуживания с

вероятностью 75% PWS (75 % ) , dBm

-106,6

Pws(75%) = Pws(50%) + η(75%) ∙ σ

Pws(75%) = -113,4 + 0,68 ∙ 10

Необходимая напряженность поля

полезного сигнала на границе зоны

обслуживания с вероятностью 75%

EWS (75 % ) , dBµV

37,8Ews(75%) = Ews(50%) + η(75%) ∙ σ

Ews(75%) = 31 + 0,68 ∙ 10

Допустимые основные потери передачи с

вероятностью 50% Lt

(50 % ) , dB при

нахождении АС на улице

154,4Lt(50%) = Prad – Pws(50%)

Lt(50%) = 51 – (-113.4)

Допустимые основные потери передачи с

вероятностью 75% Lt

(75 % ) , dB при

нахождении АС на улице

161,2Lt(75%) = Lt(50%) – η(75%) ∙ σ

Lt(75%) = 154,4 – 0,68 ∙ 10

Максимальная дальность связи с

вероятностью 75% на границе зоны

обслуживания R0 , km

1,1R=f ( F , L , HBS , H MS )L=Lt 75 %

Расчёт трассы вниз при модуляции 64-КАМ:

Таблица 3.6.

Энергетические

характеристики, параметрыЗначение Расчетные формулы

Мощность передатчика PTX , дБм 32

Потери в фидере антенны ПРД, PfidTX, dB 2

Максимальный КУ антенны ПРД, G0TX,

dBi17

Излучаемая мощность Prad , dBm47

Prad =PTX – PfidTX + G0TX

Prad = 32 – 2 + 17

Чувствительность приемникаPRX , dBm -103

Необходимая мощность полезного

сигнала с вероятностью 50 % PWS (50 % ) ,

dBm

-107,4

Pws(50%) =PRX – G0RX

Pws(50%) = -103 – 4,4

Необходимая напряженность поля

полезного сигнала с вероятностью 50 %

EWS (50 % ) , dBµV37

Ews(50%) = 77,2 + 20lg f +

Pws(50%)

Ews(50%) = 77,2 + 20lg 2300

– 107,4

Среднеквадратическое отклонение

(СКО) флуктуаций сигнала , dB10

Параметр логнормального

распределения уровней сигнала по

местоположению с вероятностью 75%

(75%), раз

0,68

Необходимая мощность полезного

сигнала на границе зоны обслуживания

с вероятностью 75% PWS (75 % ) , dBm

-100,6

Pws(75%) = Pws(50%) + η(75%) ∙ σ

Pws(75%) = -107,4 + 0,68 ∙ 10

Продолжение таблицы 3.6.

Энергетические

характеристики, параметрыЗначение Расчетные формулы

Необходимая напряженность поля

полезного сигнала на границе зоны

43,8 Ews(75%) = Ews(50%) + η(75%) ∙ σ

Ews(75%) = 37 + 0,68 ∙ 10

обслуживания с вероятностью 75%

EWS (75 % ) , dBµV

Допустимые основные потери передачи

с вероятностью 50% Lt

(50 % ) , dB при

нахождении АС на улице

154,4Lt(50%) = Prad – Pws(50%)

Lt(50%) = 47– (-107,4)

Допустимые основные потери передачи

с вероятностью 75% Lt

(75 % ) , dB при

нахождении АС на улице

147,6Lt(75%) = Lt(50%) – η(75%) ∙ σ

Lt(75%) = 154,4 – 0,68 ∙ 10

Максимальная дальность связи с

вероятностью 75% на границе зоны

обслуживания R0 , km

0,58R=f ( F ,L , HBS , H MS )L=Lt 75 %

На рис. 3.3 приведен график зависимости потерь от расстояния при

передаче вниз

Рис. 3.3. Зависимости потерь от расстояния при передаче вниз.

При расчете были учтены изменения мощности передатчика базовой

станции и чувствительности приемника абонентской станции в зависимости

от применяемой схемы модуляции. Использование модуляции 64-КАМ

обеспечивает более высокую скорость передачи, но требует обеспечения

большей величины отношения сигнал/шум. Поэтому такой способ

целесообразно применять для пользователей, находящихся вблизи базовой

станции. На краях сот самым подходящим является применение модуляции

4-ФМ. Расчет, приведенный выше, доказывает верность этого утверждения.

Рис. 3.4. Расчётные данные зон покрытия.

3. Расчёт пропускной способности сети WiMAX

Проведем расчет пропускной способности сети, построенной на

оборудовании стандарта IEEE 802.16e. Рассчитаем полосу пропускания при

ширине канала 10 MHz.

При ширине канала равной 10 MHz, реальная полоса пропускания

составляет: 10∙28/25 = 11,2 MHz;

Разнос поднесущих рассчитывается по формуле: ∆f = 11,2/1024 = 10,94

kHz;

Длительность активной части символа: Tb = 1/∆f = 1/10,94∙10ˉі = 91,4 µs;

Длительность защитного интервала: Tg = δ∙ Tb = 0,125∙91,4 = 11,4 µs;

Длительность OFDM символа: Ts = Tb + Tg = 91,4 + 11,4 = 102,8 µs;

В общем в кадре длительностью 5 ms символов составляет:

5∙10-3/102,8∙10-3·2 = 48 символов.

В табл. 3.7 приведены параметры OFDM, используемых в WiMAX.

Таблица 3.7.

Параметры Значения

Полоса, MHz 10

Количество поднесущих 1024

-для передачи трафика 720

-пилотные несущие 120

Защитный интервал 184

Разнесение поднесущих 10.94

Длительность преобразования импульса, µs 91.4

Длительность защитного интервала, µs 11.4

Длительность OFDM символа, µs 102.9

Всего символов в кадре длительностью5 ms 48

Запас по частоте 28/25

Для расчета суммарной скорости передачи вниз необходимо учесть,

что при направлении вниз из 48 символов используется 36, а при

направлении вверх 12 символов. Также учитываем, что на преамбулу и на

MAP часть в кадре в общей сложности отводится 2 OFDM символа из 36, то

есть останется 34 символа на передачу трафика.

В стандарте WiMAX используется восемь модуляционно –

кодирующих схем. В табл. 3.8 приведены значения скоростей для полосы

10 MHz и вероятности использования модуляционно – кодирующих схем [4].

Необходимо узнать, сколько бит будет передано в одном кадре вниз,

что позволит рассчитать среднюю скорость передачи.

Например, для модуляционно – кодирующей схемы 4-ФМ со

скоростью кодирования 1/2 каждый символ передает данные об одном бите.

Если используют модуляцию 4-ФМ со скоростью кодирования 3/4, то один

символ передает 1,5 бита. Уточним, что речь идет о закодированных битах.

Найдем среднестатистическое число бит на символ. Оно составляет 2,2 бита.

Как следует из табл. 3.7, для передачи трафика используется 720

поднесущих и 30 подканалов. Проще говоря, один OFDM символ состоит из

720 символов. В полукадре вниз имеется 34 символа. Это значит, что в

полукадре будет 720∙34 = 24480 символов. При этом один элементарный

символ передает в среднем 2,2 информационного бита.

Далее рассчитаем, сколько в среднем бит приходится на полукадр, в

направлении вниз: 2,2∙24480 = 53856 бит.

Таблица3.8

Полоса

частот

10 MHz

Модуляционно – кодирующая схема

4-

ФМ,

1/2

4-

ФМ,

3/4

16-

КАМ,

1/2

16-

КАМ,

3/4

64-

КАМ,

1/2

64-

КАМ,

2/3

64-

КАМ

3/4

64-

КАМ,

5/6

Ср.число

инф. бит на

символ

1 1,5 2 3 3 4 4,5 5

Вероятность,

%0,15 0,30 0,26 0,12 0,7 0,5 0,3 0,2

Средняя скорость передачи вниз составит: 53865/5∙10ˉі = 10,7 Mbit/s

Так как (10-12) % канального ресурса выделяют для передачи

сигнализации, общая скорость передачи трафика составит

10,7∙0,9 = 9,6 Mbit/s.

В нашем случае, то есть при комбинированном планировании (рис. 3.5)

нужно рассчитать пропускную способность в центре и на краю сот, так как

пропускная способность будет разной в связи с тем, что в центре соты

используются все доступные поднесущие, а на краю только 1/3. Ещё один

фактор разной пропускной способности в центре и на краю сот, это

использование модуляционно – кодирующих схем. Как видно на рис. 3.5,

темная часть соты - используются 16-КАМ и 64-КАМ модуляционно –

кодирующие схемы, на краю используется 4-ФМ схема.

Рис 3.5. Соты при комбинированном планировании.

Произведем расчет на основании сказанного.

Средняя скорость передачи в направлении вниз в центре соты

Полоса пропускания так же, составляет 10 МГц. Среднестатистическое

число бит на символ в центре соты равно 3,5 бит.

Среднее значение бит на полукадр в направлении вниз: 3,5∙24480 =

85680 бит.

Средняя скорость передачи вниз в центре соты:

85680/5∙10-1 = 17,1 Mbit/s.

Средняя скорость передачи в направлении вниз на краю соты.

Так как на краю сот используются 1/3 из всех доступных поднесущих,

то в этом случае число поднесущих равно 240.

Среднее значение бит на полукадр в направлении вниз: 1,5∙8160 =

12240 бит.

Средняя скорость передачи на краю сот в направлении вниз составит

12240/5∙10-1 = 2,4 Mbit/s.

В табл. 3.9 приведены скорости передачи для модуляционно –

кодирующих схем с шириной полосы 10 MHz.

Таблица 3.9.

Ширина

полосы

10 MHz

Модуляционно – кодирующая схема

4-

Ф

М,

1/2

4-

ФМ,

3/4

16-

КАМ,

1/2

16-

КАМ,

3/4

64-

КАМ,

1/2

64-

КАМ,

2/3

64-

КАМ

3/4

64-

КАМ,

5/6

Скорость

передач

6,3 9,5 12,7 19,0 7.56

19,0

25,3 28,5 31,7

и, Mbit/s

Выводы по главе III

В данной главе был проведен выбор необходимого и наиболее

оптимального оборудования WiMAX для построения сети беспроводного

широкополосного доступа в поселке Х, рассмотрены и проанализированы

основные параметры и характеристики выбранного оборудования, проведен

расчет трассы прохождения радиосигнала проектируемой сети, а также

расчет возможной пропускной способности.

В процессе планирования радиосетей WiMAX имеется ряд отличий от

процесса планирования других технологий беспроводного радиодоступа.

Главное отличие – это использование нового типа многостанционного

доступа на базе технологии OFDM, в связи с чем появляются новые понятия

и изменяются алгоритмы проектирования. Процесс планирования радиосети

состоит из двух этапов:

- формирование максимальной площади покрытия;

- обеспечение требуемой емкости.

Планирование радиосети WiMAX будет производиться в сельской

местности, а это значит, что плотность абонентов будет невысока и базовые

станции должны устанавливаться на максимальном удалении друг от друга с

целью закрыть каждой БС как можно большую территорию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование информационных технологий Mobile WiMAX

позволяют предоставить относительно дешевое покрытие беспроводным

широкополосным доступом в сеть Интернет и развернуть сеть передачи

данных. Как показали расчеты при проектировании, использование данной

технологии будет эффективно при покрытии небольшой территории. При

использовании беспроводного доступа оператор может сэкономить, как на

трудовых резервах (обслуживание сети всего 8 работниками), так и при

развертывании базовых станций (нужен только их монтаж и установка), что

существенно скажется на себестоимости предоставляемых услуг.

В процессе разработки предложено и обосновано использование сети

WiMAX с требуемыми функциями и рабочими характеристиками.

Для достижения более высокого энергетического потенциала линий

связи (link budget), уменьшения затухания сигналов и улучшения покрытия

микро-спотов (micro-spot), использованы различные технологии разнесения.

Прибыльная бизнес-модель WiMAX с более высоким покрытием

пользователей, удовлетворенностью пользователей и улучшающая

энергетические потенциалы линий связи (link budget) WiMAX может быть

достигнута при использовании передовых антенных технологий (MIMO и

AAS): MIMO A/B & STC

Далее была разработана конфигурация сети, которая удовлетворяет

критериям по быстродействию, надежности, стоимости, информационной

безопасности.

Сеть включает следующие устройства:

абонентские станции (модем BreezeMAX USB 200);

базовые станции (Air4Gs);

ASN шлюз;

доступ к службе Network (ASN).

В работе предложена для использования сетевая архитектура ASN,

основанная на простой иерархии со сконфигурированными однородными

(commodity) сетевыми элементами, которая обеспечивает структуру между

базовой сетью CSN и радиосетью WiMAX, а также произведен расчет числа

базовых станций, и показано распределение их в зоне поселка.

В стоимость проекта не входит стоимость абонетских станций, так как

для пользования предоставляемыми услугами абоненты сами будут

вынуждены их покупать.

Основную стоимость создания беспроводной сети WiMAX составляет

стоимость оборудования и программного обеспечения.

Предположительно что до настоящего времени пользование услугами

Интернета в поселке Х было недоступно. Разработанная сеть WiMAX

позволяет обеспечить жителей поселка экономически доступной и

необходимой сетью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

I. Законы Республики Узбекистан

1.Закон Республики Узбекистан «О связи». Ведомости Верховного

Совета Республики Узбекистан, 1992 г., № 3, ст. 159; Ведомости Олий

Мажлиса Республики Узбекистан , 1998 г., № 3, ст. 38; 2000 г., № 5-6, ст. 153;

2003 г., № 5, ст. 67.

2.Закон Республики Узбекистан «О телекоммуникациях». Ведомости

Олий Мажлиса Республики Узбекистан, 1999 г., №9, ст. 219; Собрание

законодательства Республики Узбекистан, 2004 г., №37, ст. 408; 2005 г., №37-

38, ст. 279; 2006 г., №14, ст. 113; 2007 г., №35-36, ст. 353; 2011 г., №52, ст.

557.

3.Закон Республики Узбекистан «О радиочастотном спектре».

Ведомости Олий Мажлиса Республики Узбекистан, 1999 г., №1, ст. 16; 2003

г., №5, ст. 67.

4. Закон Республики Узбекистан «Об информатизации». Ведомости

Олий Мажлиса Республики Узбекистан, 2004 г., №1-2, ст.10.

II. Указы и постановления Президента Республики Узбекистан,

Постановления Кабинета Министров

5. Постановление Президента Республики Узбекистан «О мерах по

дальнейшему внедрению и развитию современных информационно-

коммуникационных технологий». 21 марта 2012 г., №ПП-1730. Собрание

законодательства Республики Узбекистан, 2012 г., №13, ст. 139.

6. Программа дальнейшего внедрения и развития информационно-

коммуникационных технологий в Республике Узбекистан на 2012–2014 годы.

Постановление Президента от 21.03.2012 г., №ПП-1730.

III. Произведения Президента Республики Узбекистан И.А.Каримова

7. Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его

преодолению в условиях Узбекистана / И.А.Каримов. – Т.: Узбекистан, 2009.

– 48 с.

8. Каримов И. А. Обеспечить поступательное и устойчивое развитие

страны – важнейшая наша задача. – Т. 17. – Т. «Узбекистан» - 2009. – 184с.

IV. Основная литература

9. IEEE Std 802.16-2004. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface foe Fixed Broadband Wireless Access Systems. - IEEE, October 2004.

10. IEEE Std 802.16e-2005 and IEEE Std 802.16-2004/Cor 1-2005 Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems. Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands. – IEEE, 28 February 2006.

11. Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX Путь к 4G. – М., 2009г.

12. Jeffrey G. Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed. Fundamentals of WiMAX. Understanding Broadband Wireless Networking. – Prentice hall, 2007.

13. IEEE Std 802.16e-2005. Mobile WiMAX Part1: A Technical Overview and Performance Evaluation. – IEEE, August 2006.

14. IEEE 802.16e-2005: IEEE Standard for Local and Metropolitan Area

Networks, Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless

Systems. October. 2005

V. Дополнительная литература

15. Русско-узбекский толковый словарь терминов по системам

мобильной связи. Центр научно-технических и маркетинговых

исследований. – Ташкент.- 2008.

16. Русско-узбекский толковый словарь терминов по системам

беспроводного доступа. Государственное унитарное предприятие Центр

научно-технических и маркетинговых исследований – «UNICON.UZ». –

Ташкент. - 2010.

VI. Периодические издания, статистические сборники и отчеты

17. Весоловский Кшиштоф. Системы подвижной радиосвязи /Пер. с польского И.Д. Рудинского; под ред. А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006.

18. Luciano Sarperi, Mythri Hunukumbure, Sunil Vadgama. Simulation Study of Fractional Frequency Reuse in WiMAX Networks. – Fujitsu laboratories of Europe Ltd., March, 2008.

19. Mogensen P.E., Eggers P., Jensen C., Andersen J.B. Urban Area

Radio Propagation Measurements at 955 and 1845 MHz for small and Micro Cells.

– GLOBECOM, 1991.

VII. Интернет сайты

20. http://www.acomputer.ru (Интернет журнал по

инфокоммуникационным технологиям)

21. http :// knowledge . allbest . ru (База знаний)22. http://www.powerengineering.ru (Официальный сайт группы

компаний «ПАУЭР ИНЖИНИРИНГ»)

23. http://trendnet.ru (Официальный сайт компании TRENDnet)

24. http://gazeta.uz (Интернет-издание «Газета.uz»)

25. http://stat.uz (Государственный комитет Республики Узбекистан по

статистике)

26. http://ccitt.uz (Государственный комитет связи, информатизации и

телекоммуникационных технологий Республики Узбекистан)