Реферат Шаповалова ЛВ Исследование и разработка модели передачи данных в сети радиодоступа по технологии WiMAX с учетом качества и безопасности

«Исследование и разработка модели передачи данных в сети радиодоступа по технологии WiMAX с учетом качества и безопасности»

Актуальность темы

Постиндустриальное устройство экономики, при котором знание, информация и их передача становятся нужнейшим товаром и наивыгоднейшим бизнесом, утверждается и в Украине. Капитализация наших ведущих мобильных операторов уже сопоставима со стоимостью наибольших отечественных финансово-промышленных групп, которые владеют активами в металлургии, химии и машиностроении. Сравнились чаши весов, на одной из которых - огромные заводы, перемещения по планете миллионов тонн руды и железа, сжигание миллиардов кубометров газа и выброс несчислимого количества вредных веществ в атмосферу, а на другой - предоставление телекоммуникационных услуг желающим.

Но наибольшим бонусом, который страна получила от развития областей информационно-коммуникационной экономики, стало значительное усиление конкуренции, которая стимулирует компании к внедрению новых технологий и маркетинговых решений. Кроме того, эта конкуренция приводит к заметному снижению цен на их услуги и продукцию.

Современные тенденции развития телекоммуникаций связанны с появлением новых услуг и сервисов, что есть более требовательными к существующим сетям. С каждым днем эти услуги становятся более актуальными среди пользователей. Построение, современной мультисервисной беспроволочной сети есть очень удобным решением для существующих провайдеров, как результат - привлечение еще большего количества абонентов, а значит и увеличение прибылей. За последние годы развитие сетевых технологий привело к значительному расширению списка и возможных способов объединения персональных компьютеров в сети, и видов подключений к глобальной сети Интернет.

На сегодняшний день Украина располагает внешними каналами связи с достаточной пропускной способностью, практически в каждом населенном пункте есть провайдеры услуг доступа во внешнюю сеть, однако соединение между ними и конечным потребителем до сих пор осуществляется в основном либо по коммутируемым, либо по выделенным линиям. Как результат - низкая скорость обмена информацией, ненадежность соединения, ограниченные возможности подключения. Немало важной проблемой является прокладка кабельных линий, порой она невозможна, неудобна и экономически нецелесообразна, особенно в крупных городах. Важностью и актуальностью данной темы, является вопрос о исследовании и внедрении новых технологий в современные телекоммуникационные сети. Основным требованием для проектирования современной телекоммуникационной сети, есть выбор наиболее выгодной и качественной технологии передачи данных. В последнее время, в сфере телекоммуникаций, широко стало рассматриваться поколение беспроводных технологий WiMAX, стандарт IEEE 802.16. То есть очень актуальным и важным стоит вопрос об исследовании самой технологии WiMAX и разработки модели, с помощью которой можно получить удобный математический аппарат для расчета покрытия в зависимости от параметров системы.

Связь работы с научными программами, планами, концепциями

В рамках реализации стратегии развития города Донецка по созданию благоприятных условий в сфере электронных средств обработки, передачи и распространения информации, предоставления услуг всем категориям потребителей, создания единой мультисервисной сети города, создания и развития современной инфраструктуры в разных сферах, исполкомом Донецкого городского совета было принято решение № 235 от 17.05.09 г. о согласовании концепции «Цифровой город». Данная концепция направлена на социально-экономическое развитие города Донецка, в частности, на развитие инфраструктуры связи, повышение инвестиционной привлекательности отраслей информатизации, существенное совершенствование городской сети телекоммуникаций на базе новейших технологий, их интеграция в глобальные информационные ресурсы, создание для доступа широких слоев населения к современным телекоммуникационным услугам и информационным ресурсам. В рамках проекта «Цифровой город», весьма актуальным и выгодным является рассмотрение технологии WiMAX.

Так же моя магистерская работа связана с разработками, проектами, производимыми на кафедре АТ.

Цели и задачи работы

Основной целью данной магистерской работы является исследование и разработка модели передачи данных в сети радиодоступа по технологии WiMAX с учетом качества и безопасности. А так же изучение технологии на физическом, канальном и транспортном уровнях. Изучение зависимости параметров среды передачи и самой технологии при расчете проектирования покрытия WiMAX. А главное построение математической модели WiMAX и получение удобного математического аппарата для расчета сети в зависимости от параметров качества и безопасности системы.

Методология и методы исследований

В ходе написания магистерской работы будут использоваться основные исследовательский приемы и разработки:

• методология оценки параметров системы WiMax на основе математической модели,

• методика передачи данных,

• методика расчета покрытия сети WIMAX,

• многокритериальный анализ существующих математических моделей для беспроводных систем связи,

• методы разработки технических предложений,

• методы экономического анализа.

Научная новизна

1. Дальнейшее развитие методов оценки параметров системы WiMax на основе разработанной математической модели;

2. Дальнейшее развитие методик расчета покрытия сети WIMAX.

Обзор разработок и исследований по теме

При переходе к созданию систем широкополосного радиодоступа с интеграцией услуг стало понятно, что основные принципы, заложенные в беспроводные системы на предыдущих этапах, нуждаются в значительной коррекции. На сигнальном уровне первоочередное значение достало оптимальное использование спектрального ресурса радиоканала при любых соотношениях "скорость - помехозащищенность". На уровне протоколов стало необходимым обеспечивать заданный уровень качества обслуживания(QoS) любому абоненту сети. С этой целью в 2004 году был разработанный стандарт IEEE 802.16-2004, что представляет собой рассчитанную на введение в городских беспроволочных сетях (WirelessMAN) технологию без ведущего широкополосного доступа операторского класса.[13] Используется коммерческое название стандарта WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), что происходит от названия международной организации WiMax Forum, в которую входят ряд передовых коммуникационных и полупроводниковых компаний.

Основное назначение данных сетей - это предоставление услуг абонентам по высокоскоростной и высококачественный безведущей передаче данных, голоса и видео на расстоянии в несколько десятков километров. В октябре 2007 года International Telecommunication Union ( ITU-R) включил технологию WIMAX стандарта IEEE 802.16 в семейство стандартов мобильной связи 3G. В сетях WIMAX реализованны самые последние достижения науки и техники в области радиосвязи, телекоммуникаций и компьютерных сетей. Стандарт IEEE 802.16 определяет применение:

• на физическом уровне широкополосного радиосигнала OFDM с множеством поднесущих;

• на канальном уровне используется современный протокол множественного (многостанционного) доступа Time Divion Multiply Access (TDMA) и Scalable OFDM Access (SOFDMA);

• на сетевом (транспортном) уровне в сетях WIMAX применяется IP-протокол передачи данных, который широко используется в большинстве современных сетях передачи данных, в частности, в сети Интернет.

На физическом уровне стандарта IEEE 802.16 предусмотрено три принципиально разных метода передачи данных - метод модуляции одной несущей (SC, в диапазоне ниже 11 Ггц - SCa), метод модуляции с помощью несущих OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) и метод мультиплексування (множественного доступа) с помощью ортогональных несущих OFDMA (orthogonal frequency division access)[2].

Режим OFDM - это метод модуляции потока данных в одном частотном канале (шириной 1-2Мгц и больше) с центральной частотой fc. Деление на каналы - частотное. При модуляции данных под действием ортогональных несущих в частотном канале выделяется N поднесущих так, чтобы fk=fc+k*^f, где k - целое число из диапазона [-N/2,N/2]. Расстояние между ортогональными несущими ^f=1/Tb, где Tb - продолжительность передачи данных. Кроме данных в OFDM-символе передается защитный интервал, который является копией конечного фрагмента символа. Его продолжительность может быть 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от Tb.

Модуляция OFDM основана на двух основных принципах: разбивка одного канала со сменными параметрами на параллельные гаусовские каналы с разными соотношениями сигнал-шум и точное измерение характеристик канала. В соответствии с первым принципом OFDM каждая несущая модулируется независимо под действием квадратурной амплитудной модуляции. Общий сигнал высчитывается под действием обратного быстрого преобразования Фурье как

[1]

где Ck - комплексное представление символа квадратурной модуляции. Комплексное представление удобное, поскольку генерация радиосигнала проходит согласно выражению

Sk(t) = Ik*cos(2?fc)-Qksin(2?fc) [2],

где Ik и Qk - синфазная и квадратурная составная комплексного символа.

Для работы алгоритмов ШПФ/ОШПФ удобно, чтобы количество точек отвечало 2m. Поэтому число несущих выбирают равными минимальному числу Nfff = 2m. В режиме OFDM стандарта IEEE 802.16 N=200, соответственно Nfff=256. Из них 55 создают защитный интервал на границе частотного интервала канала. Другие 200 - информационные[8].

В соответствии со вторым принципом OFDM для точного определения параметров канала необходимые так называемые пилотные несущие частоты, метод модуляции и передаючий сигнал, который точно известный всем станциям в сети. В OFDM предусмотрено использование 8 пилотных частот (с индексами 88, 63, 38 и 13). Другие 192 несущие разбиты на 16 подканалов по 12 несущим в каждом. Деление на подканали необходимое, поскольку в режиме WirelessMAN-OFDM предусмотренна возможность работы не во всех 16, а в 1, 2, 4 или 8 подканалах - т.е. заложенные предпосылки OFDMA. Для этого каждый подканал и каждая группа имеет свой индекс (от 0 до 31).

Продолжительность полезной части Tb OFDM-символа зависит от ширины полосы канала BW и системной тактовой частоты (частоты дискретизации) Fs. Fs=Nfff/Tb. Соотношение Fs/BW=n нормируется и в зависимости от ширины полосы канала принимает значение 86/75(BW кратное 1.5Мгц), 144/125(BW кратное 1.25Мгц), 316/275(BW кратное 2,75Мгц), 57/50(BW кратное 2Мгц) и 7/8(BW кратное 1,75Мгц и во всех других случаях).

Так же на физичеcком уровне решается вопрос выбора модуляции. Важным является то, что технология WIMAX имеет высочайшие в классе BWA (Broadband Wireless Access) энергетические параметры канала связи, что обеспечивает заданную высокую скорость передачи данных (пропускную способность) на наибольшей дальности и, наоборот, - на заданной дальности сеть WIMAX имеет высочайшую пропускную способность. Тем самым, системы WIMAX обеспечивают высочайшую плотность потока данных, измеренную пропускной способностью в Mbps в перерасчете на один километр квадратный территории, которые покрывается. Высокая пропускная способность систем WIMAX достигается за счет возможности поддержки на больших дальностях высокой символьной скорости вследствие высокой энергетики системы. Символьная скорость, или по другому скорость модуляции (или кодовая скорость), характеризует скорость передачи информации (данных) на физическом (радио) уровне сети. А так же является скоростью передачи последовательности символов, которая реализовывается модуляцией сигнала. Символьная скорость передачи полностью определяется используемым типом модуляции, т.е. каждый тип модуляции обеспечивает определенную символьную скорость. Тем самым высокая плотность потока данных в сетях WIMAX достигается за счет возможности поддержки на больших в сравнении с другими системами дальностях высокоскоростных типов модуляций.

В системах WIMAX применяется квадратурная амплитудно-фазовая модуляции QAM, а также фазовая модуляция QPSK и BPSK. На сегодняшний день QAM является одной из наиболее эффективных методов модуляции, которая разрешает достигать максимально возможные скорости передачи данных[7].

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying — квадратурная фазовая манипуляция) представляет собой метод, в котором генерируется сложная последовательность двоичных цифр, соответствующая символам более высокого порядка. На первом этапе преобразуются символы более высокого порядка модуляции, и генерируется выходной сигнал QPSK-модуляции, соответствующий первым точкам созвездия. На втором этапе модуляции происходит преобразование символов более высокого порядка во вторые точки созвездия, и генерируется выходной сигнал, соответствующий вторым точкам созвездия. Точки созвездия более высокого порядка модуляции получаются путем сложения выходных сигналов первого и второго этапов модуляции. В QPSK-модуляции оценка качества связи проводится с помощью пороговых значений. Оценочный блок выдает пороговые значения компонентов QPSK-модуляции. В этом методе осуществляется последовательный прием сигналов, и рассчитывается псевдобитовый коэффициент ошибок при передаче шестнадцатеричных QAM-сигналов.

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) является многопользовательской версией схемы цифровой OFDM-модуляции. Подмножества поднесущих назначаются отдельным абонентам, чтобы обеспечить одновременную низкоскоростную передачу данных от нескольких пользователей. БС получает пакеты с более высокого уровня, транслирует их на несколько мобильных станций (МС) и выполняет кодирование каналов отдельно для каждого пакета, который будет передаваться на разные МС. БС самостоятельно чередует и модулирует закодированные пакеты широковещательной службы. По завершении модуляции БС сегментирует каждый из пакетов широковещательной службы на некоторое количество блоков передаваемых данных, причем число этих блоков перераспределяется внутри пакета, чтобы изменить содержание. После сегментации БС выполняет мультиплексирование, благодаря которому сегментированный сигнал передается последовательно или через заранее установленные интервалы времени. При передаче сигнала с временным разделением МС избирательно получает только единичный кадр передачи. После этого МС объединяет весь сигнал для формирования требуемого пакета. Для распознания пакетов МС использует метод назначения уникальных идентификаторов соединения (CID) широковещательным службам. БС записывает информацию с соответствующим идентификатором CID в информационную часть физического уровня (DL-MAP), присутствующую в каждом кадре передачи. МС (приняв специальный кадр) получает информацию о передаче на физическом уровне соответствующего кадра и определяет CID, соответствующий заданным службам. МС может получить требуемый символ широковещательной службы.

При реализации QAM каждая несущая OFDM сигнала моделируется полезным сигналом одновременно по амплитуде и по фазе, образовывая сигнал, положение которого в пространстве координат фазы и амплитуды называется диаграммой созвездия (constellation diagramm) и несет информацию о закодированном в нем символе. На рисунке 1 представленная диаграмма созвездия модуляции 16QAM.

Рисунок 1 - Диаграмма созвездия модуляции 16 QAM

Вектор сигнала 16 QAM имеет 16 возможных позиций в пространстве координат амплитуды и фазы, которые кодирует 16 значений символа от 0000 до 1111. Вектор сигнала 64 QAM имеет 64 позиции, которые кодирует 64 значение символа. Модуляции BPSK и QPSK кодируют 2 и 4 значение символа с помощью, соответственно, двух и четырех возможных значений фазы. Амплитуда сигнала в модуляциях BPSK и QPSK не меняется. Тем самым эти два типа модуляции можно рассматривать как частный случай амплитудно-фазовой модуляции QAM. Таким образом, модуляция 64qam является самой скоростной, поскольку разрешает передавать 64 возможных значений в одном символе данных, который обеспечивает высшую символьную скорость и, в результате, высшую скорость передачи данных в сравнении с низшими модуляциями.

На рисунке 2 представленны зоны обслуживания разными модуляциями фиксированных абонентов сети WIMAX в диапазоне частот 5 Ггц. Так обслуживание абонентов, оснащенных внешней направленной антенной на модуляции 64QAM3/4, что поддерживает максимальную символьную скорость и соответствующую скорость передачи данных, обеспечивается на дальности до 25 км., 16QAM1/2 - на дальности до 40-45 км. Тем самым, дальность обслуживания на скоростных модуляциях 64 QAM и 16 QAM в сети WIMAX в четыре и больше раз больше соответствующих дальностей обслуживание на аналогичных модуляциях систем preWiMax.

Способность поддержки той или другой модуляции зависит от многих параметров связи, и прежде всего, от энергетических параметров системы.

Рисунок 2 - Зоны обслуживания сети WIMAX

Как видно из диаграммы созвездия модуляции QAM, чем выше тип модуляции, тем меньше по амплитуде и фазе отличаются векторы соседних значений символа, который передается. Тем самым, для безошибочного приема символа (приема с некоторым допустимым уровнем ошибок) нужен мощнейший сигнал, а точнее, высшее отношение мощности сигнала к шуму.

Каждый тип модуляции для передачи символа с уровнем ошибок, который не превышает определенного максимального значения, требует определенного минимального значения отношения уровня сигнала к шуму Signal/noise Ratio (SNR или S/n). Кроме отношения SNR часто используется практически идентичное понятие Сnr Carrier/noise Ratio или C/n.

Каждый тип модуляции характеризуется необходимым уровнем отношения сигнала к шуму SNR, необходимого для передачи бит информации с ошибками Bit Error Rate (BER) не выше за некоторый допустимый уровень. На рисунке 3 представлены зависимости отношения SNR от битовых ошибок для каждого типа модуляции.

Рисунок 3 - Зависимость отношения сигнал/шум от битовой ошибки

Стандарт IEEE 802.16-2004 определяет для поддержки модуляции 64 QAM на уровне ошибок не выше Ber=10e-6 с учетом коррекции ошибок Fec=3/4 значение отношения сигнал/шум для каждой несущей OFDM сигнала SNR равное 24.4 db. Более поздний стандарт IEEE 802.16e-2005 задает для фиксированных и мобильных сетей WIMAX более жесткое значение Snr=21 db для 64QAM3/4 с Ber=10e-6.

Расчет радиуса соты для разных видов модуляции является несколько идеализированным. Для достижения таких результатов при практическом построении необходимо оценить дополнительные энергетические характеристики системы, такие как чувствительность приемника и коэффициент системного усиления.

Так, для получения необходимого уровня SNR(а значит и соответствующего BER) мощность сигнала на входе приемника системы должны быть выше соответствующего порогового ровня чувствительности.

Модуляцию 64QAM.

Пороговий уровень чувствительности Rx приемника для систем OFDM для модуляции 64QAM3/4 определяется как:

Rx 64QAM3/4 = No + Snr64qam3/4 + 10 Log (Bwef) + Nf + Implementation Loss, dbw; [3]

где Snr64qam 3/4 - необходимый уровень отношения SNR для модуляции 64QAM3/4=21 db;

No = 10 log (kto) = -144 db (W/mhz) - Receiver Noise Floor спектральная плотность мощности теплового шума приемника, kto - закон равномерного распределения;

Nf - значение собственного шума приемника (noise figure) равное - 8 db (IEEE 802.16e-2005).

Implementation loss равное 5 db. Эта величина отображает так называемые потери реализации, которые учитывают неидеальность приемника, фазовый шум и др.

Bwef - эффективная ширина спектра группового сигнала OFDM. Эта величина пропорциональна количеству піднесучих в спектре группового сигнала. За счет наличия защитного интервала между под несущими эффективная ширина спектру OFDM сигнала несколько меньше полосы пропуска приемника (ширина канала). Для канала шириной 10 Мгц без subchannelisation (используются все поднесущие) Bwef = 9.15 Мгц, 10 Log (Bwef) = 9.6 Мгц.

Ведь

Rx 64QAM3/4 = -101 + Snr64qam3/4 +10 Log (Bwef), dbm; [4]

Тем самым, необходимый пороговий уровень чувствительности системы WIMAX стандарта IEEE 802.16e-2005 при implementation loss 5 db с шириной канала 10 Мгц составляет 70.4 dbm. По стандарту IEEE 802.16-2004 эта величина раньше составляла 68 dbm. Отметим, что стандарт IEEE 802.16e-2005 описывает требования не только к мобильным OFDMA сетей WIMAX, а также содержит новые более жесткие требования (так называемый Rev Cor1) к фиксированным OFDM сетей WIMAX.

Для поддержки некоторой модуляции уровень OFDM сигнала на входе приемника Receive Strength Signal Level (RSSL) в полосе пропуска канала BW должен на величину SNR отношение сигнал/шум превышать уровень теплового шума с учетом внутреннего шума приемника и потерь реализации.

Таким образом, для поддержки модуляции 64QAM3/4 уровень OFDM сигнала на входе приемника Receive Strength Signal Level (RSSL) должны быть для систем WIMAX согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 не ниже за уровень чувствительности 70.4 db (Snr=21 db) в полосе ширины канала Bw=10 Мгц. Реальные системы WIMAX по обыкновению имеют высший в сравнении с требованиями стандарта уровень чувствительности, поскольку значение потерь реализации implementation loss 5 db в стандарте кое-что завышено. Например, чувствительность системы Airspan MICROMAX SOC 5 Ghz (стандарт IEEE 802.16e-2005) в канале шириной 10 Мгц для 64QAM3/4 составляет -77 dbm (при Snr=21 dbm), что отвечает практически идеальному приемнику (Implementation loss близко к нулю) с низким уровнем собственных шумов noise figure меньше 6 db. Чувствительность системы Axxcelera AB-MAX 5 Ghz (стандарт IEEE 802.16-2004) в канале шириной 10 Мгц для 64QAM3/4 составляет 72.7 dbm (при Snr=21 dbm). Чувствительность системы UNIDATA Maxbridge CPE 5 Ghz (стандарт IEEE 802.16e-2005) составляет 70.5 dbm (при Snr=20 dbm и для значительно низшего уровня ошибок Ber=10-11, что отвечает чувствительности для Ber=10-6 порядка -74 dbm)[5].

В принципе, система может поддерживать модуляцию 64QAM3/4 и при значительно (на несколько db) низших значениях сигнала, но при этом уровень битовой ошибки будет худшее значение Ber=10е-6. Соответственно, рассчитав чувствительность приемника, можно оценить определенный коэффициент ухудшения или улучшение качества в канале связи, а значит - провести изменения размера соты.

В реальных системах кроме теплового шума и внутреннего шума приемника присутствующая интерференция. Поэтому SNR оценивается как С/N+I, где C - мощность сигнала, N - мощность теплового шума, I - мощность сигнала интерференции. Влияние интерференции приводит к деградации уровня чувствительности приемника. Чем выше уровень интерференции, тем на значнішу величину сигнал на входе приемника RSSL должен превышать уровень чувствительности для поддержки соответствующей модуляции.

Значение показателя Snr=с/n+i (по обыкновению обозначается коротко как C/i) постоянно измеряется в процессе работы как на базовой станции, так и на каждом абонентском терминале WIMAX, с целью динамического назначения наиболее соответствующей модуляции для каждого передаваного пакету данных. Этот измеренный показатель обозначается SINR (Signal to interference plus noise ratio) или CINR (Carrier to interference plus noise ratio).

Экспериментально установлено, что если уровень интерференции находится низшим за уровень теплового шума Receiver Noise Floor на величину в 6 db, то эта интерференция не делает влияния на приемник системы. Точнее, при I = No - 6 dbm уровень снижения (деградации) ровня чувствительности приемника не превышает 1 db.

Уровень теплового шума с учетом внутреннего шума приемника составляет N = 10log(kto)+ Nf = -136 db (W/mhz). Тому рівень интерференции I в канале шириной 10 Мгц, чувствительности приемника, который не приводит к важной деградации, равный

I = -136 + 30 + 10 Log(10) - 6 = -102 dbm

В канале шириной 5 Мгц уровень интерференции, которая не приводит к важной деградации чувствительности приемника, равный -105 dbm.

При превышении уровня мощности интерференции порогових величин деградация уровня чувствительности увеличивается более чем на 1 db и интерференции может влиять на работу системы. Степень отрицательного влияния зависит от типа сигнала интерференции (препятствия). При оценке чувствительности приемника как шум рассматривается шум Гауса или "белый шум". Реальный сигнал препятствия по своей структуре, естественно, может отличаться от "белого шума" и его влияние на работу системы может быть как более сильный, так и слабее за влияние белого шума. Так например, вузькосмугова препятствие может вообще не влиять на широкосмуговий сигнал OFDM. Точная теоретическая оценка влияния разных типов препятствий на работу приемника системы есть достаточно сложной задачам. Более менее точно оценить взаимное влияние интерференции возможно для однотипного оборудования при анализе электромагнитной совместимости. На практике для оценки возможности работы систем в условиях интерференции разного типа по обыкновению оперируют предельными значение CINR[1].

WIMAX является системой с автоматическим регулированием мощности Aтpc. На базовых станциях задается максимально возможный уровень входного сигнала RSSL. Для 5 Ггц систем с шириной канала 5 или 10 Мгц данный уровень по обыкновению устанавливается равным 65-70 dbm. При минимально достаточном уровне сигнала на входе приемника RSSL в 65-70 dbm (близкому к уровню чувствительности с учетом fade margin) и при отношении сигнал/шум + интерференция С/n+i >= 21 + 6 = 27 db на модуляции 64QAM3/4 достигается деградация уровня чувствительности приемника не выше 1 db для BER = 10E-6. Таким образом, измеренное в процессе работы WIMAX значение CINR >= 27 db при минимально достаточному равные RSSL гарантирует, что интерференции находится низшим за уровень теплового шума приемника на величину не меньше 6 db и независимо от типа сигнала интерференции практически не делает влияния на работу системы.

При работе в условиях сильной интерференции или по другим причинам максимальный уровень входного сигнала на базовой станции может быть повышен до 65-60 dbm. В этом случае, при повышении уровня сигнала на входе приемника, требования к уровню CINR для поддержки модуляции 64QAM3/4 несколько снижаются вплоть до минимально необходимого уровня 21 db.

Тем самым, в условиях присутствия интерференции для поддержки, например, модуляции 64QAM3/4 абсолютно недостаточно иметь уровень сигнала RSSL, что превышает уровень чувствительности приемника для 64QAM3/4 на величину fade margin[3]. Т.е., только по значению уровня сигнала RSSL при наличии интерференции невозможно определить какой тип модуляции может поддерживаться системой. Например, уровень входного сигнала RSSL может быть равным - 65 dbm, что в условиях отсутствия интерференции более чем достаточно для поддержки модуляции 64QAM3/4 при любой ширине канала. Тем не менее при наличии интерференции реально получаемый CINR может быть меньше величины 20 db, что не разрешает поддерживать модуляцию 64QAM3/4 с уровнем ошибок Ber=10e-6.

Если измеренное системой значение CINR превышает значение 21 db, то это означает, что сигнал RSSL превышает уровень пороговой чувствительности для 64QAM3/4. Если измеренное системой значение CINR превышает значение 27db, то по бывшему сигнал RSSL превышает уровень порогової чувствительности для 64QAM3/4, но при этом уровень интерференции не превышает допустимого уровня и не влияет на приемник системы.

Таким образом, для поддержки системой WIMAX высочайшей символьной скорости на модуляции 64QAM3/4 необходимо и достаточно, чтобы отношение сигнал/шум + интерференция CINR превышала значение 21-27 db на величину fade margin.

Тем самым, объективным показателем возможности поддержки той или другой модуляции есть измеренное системой WIMAX отношение CINR. Именно по значениям CINR система WIMAX устанавливает рабочую модуляцию сигнала, который обеспечивает стойкую работу канала связи с уровнем битовой ошибки не выше Ber=10e-6.

Оценка влияния зон Френеля на качество сигнала в пределах трассы WiMax

Рисунок 4 - Построение 1 зоны Френеля

Радиоволна в процессе распространения в просторные занимает объем в виде эллипсоида обращения с максимальным радиусом в середине пролета, который называют зоной Френеля. Естественные (земля, горбы, деревья) и искусственные (здания, столбы) препятствия, которые попадаются в это пространство ослабляют сигнал.

Это чрезвычайно важно особенно для стандартов 802.16 и 802.16а, что работают лишь при наличии прямой видимости между передаючою и принимающей антенной[9].

Радиус 1-ой зоны Френеля быть рассчитан с помощью следующей формулы:

Здесь n=1 – номер зоны Френеля, R1 и R2 – расстояние от передаючої и принимающей антенн к месту вычислений радиуса r и r - радиус зоны Френеля в метрах.

Обычное блокирование 20% зоны Френеля вносит незначительное затухание в канал. Свыше 40% - затухание сигнала будет уже значительным, поэтому нужно избегать попадания препятствий на пути распространения.

Для стандартов WiMax, что работают и в условиях отсутствия прямой видимости максимальная дальность работы базовой станции на частоте 2,5Ггц в закрытой зоне Френеля не превышает 3км.

Не смотря на актуальность и востребованность данной технологии при проектировании сетей, некоторые вопросы и проблемы остаются очень важными и неразрешенными. В большинстве случаев проектирование сетей WiMax является довольно сложным и неоднозначным процессом. Расчет покрытия происходит на основе измерений уровня помех на местности. Данный процесс зависит от большого количества параметров среды передачи, и параметров, свойств и характеристик самой технологии WiMax. Среди основных факторов, которые влияют на дальность передачи информации, следует выделить такие как влияние вида модуляции, чувствительность приемника, коэффициент системного усиления, влияние интерференции, а так же ряд других факторов и параметров. Различают две стратегии построения мережевої инфраструктуры WIMAX[12].

Первая стратегия ориентирована на получение максимальной плотности потока данных на заданной территории. Данная стратегия применяется в больших городах с высокой плотностью населения с развитой проводовою мережевою инфраструктурой. Основной целью являются обеспечения конкурентності с проводовим широкосмуговим доступом DSL и предоставление мультимедійних услуг.

Вторая стратегия, применимая в условиях отсутствия или низкого уровня конкуренции со стороны проволочных систем, припускает такое размещение базовых станций, которое обеспечивает получение максимальной зоны покрытия с обеспечением заданной плотности потока данных. Данная стратегия применима в сельских районах, а также в городах и областных центрах с низким развитием проволочной инфраструктуры, что характерный для большинства регионов Украины. Реализация данной стратегии разрешает получать плотность потока данных 1-6 Mbps/кв.км. Цель реализации данной стратегии заключается в обеспечении нужной для услуг скорости, которые предоставляются оператором, передачи на максимальных территориях.

Реализация стратегии максимизации плотности потока данных на разрешает при ограниченном частотном ресурсе получить конкурентную с DSL плотность потока данных (20-40 Mbps/ кв.км) при высокой плотности размещения базовых станций (БС) Base Spacing,что равная 1-2 км.[4] При этом TDD БС имеют возможность повторного использования частот на одной БС и возможности collocation БС - синхронизации работы БС с целью исключения взаимных препятствий. В условиях ограниченности частотного ресурса это разрешает TDD БС достигать больших значений плотности потока данных в сравнении с продуктивнішим оборудованием FDD, что требует для своей работы значительного частотного ресурса.

Реализация стратегии максимизации площади территорий, которые покрываются услугой, усложняется относительно высокими потерями мощности радиосигнала при распространении радиоволн в диапазоне порядка частот 5 Ггц. Эти потери на частоте 5 Ггц несколько выше за аналогичные потери на низших частотах 2.5 Ггц и 3.5 Ггц. Тем не менее, применение стратегии максимизации территории, которая покрывается, на частоте 5 Ггц для фиксированного безведущего доступа достаточно эффективно. Вещь в потому, что фиксированный доступ припускает оснащение абонентских терминалов внешними антеннами. В сетях WIMAX это могут быть антенны для использования внутри помещений, которыми оснащиваются (self-installable) абонентские терминалы, которые инсталлируются абонентами самостоятельно, и внешние антенны, которые устанавливаются вне помещений, требуют профессиональной инсталляции оператором связи. По оценкам специалистов, большинство абонентских терминалов, которые работают в сетях WIMAX фиксированного доступа в диапазоне частот 5 Ггц, будут оснащенные внешними антеннами. При этом внешние антенны 5 Ггц имеют в среднем на 5-7 dbi больше усиление в сравнении с антеннами аналогичных размеров диапазона 2.5 и 3.5 Ггц. Высшее усиление внешних абонентских антенн в самый раз и компенсирует повышенные потери при распространении радиосигнала.

Таким образом, применение оборудования стандарта IEEE 802.16-2004 разрешает покрывать услугой широкосмугового доступа обширні территории с минимумом затрат, т.е. эффективно реализовывать стратегию максимизации территории, которая покрывается. При этом важной особенностью WIMAX сетей есть относительно небольшой радиус обслуживания self-installable абонентских терминалов. Потери мощности при распространении радиосигнала в условиях городской застройки вне прямой видимости в диапазоне 5 Ггц намного более значительные чем, например, в диапазоне частот 2.5 Ггц. Эти повышенные потери невозможно компенсировать применением в self-installable абонентских терминалах мощных антенн. Поэтому максимальная дальность обслуживания таких абонентов вне прямой видимости базовой станции значительно меньшая, чем на низших частотах, и не превышает 1 км[6]. Таким образом, в сетях WIMAX диапазона частот 5 Ггц self-installable абонентские терминалы практически применяться не будут. Установка абонентских outdoor терминалов с внешними направленными антеннами (в частности с интегрированными в корпус терминалу антеннами) требует профессиональных навыков и по обыкновению проводится силами оператора связи. Установка абонентского терминалу не требует наличия прямой видимости на базовую станцию при условии соблюдения двух условий:

1) наличие нужного для используемой модуляции отношения SNR сигнал/шум; 2) необходимого превышения (fade margin 6-12 db) уровнем полезного сигнала соответствующего используемой модуляции порогу чувствительности. По обыкновению данные условия выполняются для абонентских терминалов, оснащенных внешней антенной или интегрированной антенной с высоким усилением, на дальности не больше 3-5 км. от базовой станции. На высших дальностях при установке абонентских терминалов нужно обеспечить прямую видимость (без ограничений на степень закрытия зоны Френеля).

Основной задачей, решаемой оператором сети WiMAX в ходе обеспечения качества услуг, является задача эффективного управления радиоресурсами сети. Это управление направлено на то, чтобы емкость сети была распределена в соответствующих пропорциях между абонентами и услугами в нужное время в нужном месте за счет использование эффективных алгоритмов планирования трафика, обеспечивающих баланс между требуемым QoS для каждого вида услуг и пользователя в соответствии с доступными ресурсами и потребностями абонентов.

Структурная схема сети WIMAX

Рисунок 5 – Структурная схема сети WiMAX

(Анимация: объем - 91 KБ; размер - 1000х633; количество кадров - 11; задержка между кадрами - 300 мс; задержка между последним и первым кадрами - 300 мс; количество циклов повторения - бесконечное)

Результат магистерской работы

В данной магистерской работе будет разработана математическая модель WIMAX. А ключевым элементом даной модели является возможность построения сетей WIMAX с помощью полученного удобного математического аппарата, с учетом параметров системы.

Выводы

Таким образом на данный момент обоснована необходимость исследования и разработка модели передачи данных в сети радиодоступа по технологии WiMAX. Изучены зависимости параметров среды передачи и самой технологии при расчете проектирования покрытия WiMAX. И рассмотрены методики предачи данных и расчета покрытия сети WIMAX. Разработана структурная схема сети, определены основные задачи, что выполняются ее компонентами.

Литература

1. Прокис Джон. Цифровая связь. - М.: Радио и связь. 2000.-800 с.: ил.
Доступ к эл. ресурсу: [http://mirknig.com/2006/02/19/prokis_dzhon_cifrovaja_svjaz.html]

2. Вишневский В.М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. -М:. Техносфера, 2005.-592 с.
Доступ к эл. ресурсу: [http://www.bookshunt.ru/b10699_shirokopolosnie_besprovodnie_seti_peredachi_informacii]

3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Спб.: Питер, 2003.-608 с. Доступ к эл. ресурсу:
[http://www.rphf.spbstu.ru/dsp/dsp_bas_l.html]

4. Стекольщик Б. Цифровая связь. - Москва, Санкт-Петербург, Киев, 2003.-450 с.

5. Васильев В.Г. Технология широкополосного беспроводного доступа WiMAX стандарта IEEE802.16/Васильев В.Г.//
Киев - "UNIDATA" – 2007. Доступ к эл. ресурсу: [http://unidata.com.ua]

6. Журнал «МОБИЛЬНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ» // Москва – [8'2009].

7. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г Олифер, Н.А Олифер – СПб: Питер, 2000 – 672с.

8. WiMAX System Evalution Methodology, V2.1. Created on July, 2008

9. «Технології й засоби зв'язку», №1 лютий-березень, 2008

10. Glore, N. & Mishra, A., Chapter 11 «Privacy and Security in WiMax Networks» in «WiMAX Standards and Security»
(Edited by M. Ilyas & S. Ahson), CRC Press, June 2007

11. Журнал «Вісник зв'язку»// Киев, [3'2008].

12. Исправления к стандарту IEEE 802.16e-2005.

13. "WiMAX Forum" Доступ к эл. ресурсу: [http://www.wimaxforum.org/ ]

14. Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Бобков А.В., Чирков Д.Н., Платонов В.А. Беспроводные сети Wi-Fi// Москва
- 2007.-178 с. Доступ к эл. ресурсу: [http://avaxsearch.com/]

Примечание

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение - 10 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть полученны у автора или его руководителя после указанной даты.