«Дослідження та розробкамоделі передачі даних в мережі радіодоступу по технології WiMAX з позиції якості та безпеки»

Актуальність теми

Постіндустріальний устрій економіки, при якому знання, інформація і їх передача стають найпотрібнішим товаром і найвигіднішим бізнесом, затверджується і в Україні. Капіталізація наших провідних мобільних операторів вже порівняна з вартістю найбільших вітчизняних фінансово-промислових груп, що володіють активами в металургії, хімії і машинобудуванні. Порівнялися чаші вагів, на одній з яких — величезні заводи, переміщення по планеті мільйонів тонн руди і заліза, спалювання мільярдів кубометрів газу і викид незчисленої кількості шкідливих речовин в атмосферу, а на іншій — надання телекомунікаційних послуг бажаючим.

Але найбільшим бонусом, який країна отримала від розвитку галузей інформаційно-комунікаційної економіки, стало значне посилення конкуренції, що стимулює компанії до впровадження нових технологій і маркетингових рішень. Крім того, ця конкуренція призводить до помітного зниження цін на їх послуги і продукцію.

Сучасні тенденції розвитку телекомунікацій пов'язані з появою нових послуг та сервісів, що є більш вимогливими до існуючих мереж. З кожним днем ці послуги стають більш актуальними серед користувачів. Таким чином побудова, сучасної мультисервісної бездротової мережі є дуже вигідним рішенням для існуючих провайдерів, як результат - залучення ще більшої кількості абонентів, а значить й збільшення прибутків. За останні роки розвиток мережних технологій привів до значного розширення списку й можливих способів об'єднання персональних комп'ютерів у мережі, і видів підключень до глобальної мережі Інтернет.

На сьогоднішній день Україна має у своєму розпорядженні зовнішні канали зв'язку з достатньою пропускною здатністю, практично в кожному населеному пункті є провайдери послуг доступу в зовнішню мережу, однак з'єднання між ними й кінцевим споживачем дотепер здійснюється в основному або по що комутуючим, або по виділеним лініям. Як результат - низька швидкість обміну інформацією, ненадійність з'єднання, обмежені можливості підключення. Досить значною проблемою є прокладка кабельних ліній, часом вона неможлива, незручна й економічно недоцільна, особливо у великих містах. Важністю та актуальністю даної теми є питання про впровадження нових технологій у сучасні телекомунікаційні мережі. Основною вимогою для проектування такої мережі є вибір найбільш вигідної і якісної технології передачі даних. Останнім часом у сфері телекомунікацій широко стало розглядатися покоління бездротових технологій WiMAX, стандарт IEEE 802.16. Тобто дуже актуальним і важливим є питання про дослідження самої технології WіMAX і розробки моделі, за допомогою якої можна одержати зручний математичний апарат для розрахунку покриття залежно від параметрів системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, концепціями

У рамках реалізації стратегії розвитку міста Донецька по створенню сприятливих умов у сфері електронних засобів обробки, передачі й поширення інформації, надання послуг всім категоріям споживачів, створення єдиної мультисервисной мережі міста, створення й розвитку сучасної інфраструктури в різних сферах, виконкомом Донецької міської ради було ухвалене рішення № 235 від 17.05.09 р. про узгодження концепції "Цифрове місто". Дана концепція спрямована на соціально-економічний розвиток міста Донецька, зокрема , на розвиток інфраструктури зв'язку, підвищення інвестиційної привабливості галузей інформатизації, істотне вдосконалювання міської мережі телекомунікацій на базі новітніх технологій, їхня інтеграція в глобальні інформаційні ресурси, створення для доступу широких верств населення до сучасних телекомунікаційних послуг й інформаційних ресурсів. У рамках проекту "Цифрове місто", досить актуальним і вигідним є розгляд технології WіMAX.

Так само моя магістерська робота пов'язана з розробками, проектами, які виконуються на кафедрі АТ.

Мета й завдання роботи

Основною метою даної магістерської роботи є дослідження й розробка моделі передачі даних у мережі радіодоступу за технологією WіMAX з урахуванням якості й безпеки. А так само вивчення технології на фізичному, канальному й транспортному рівнях. Вивчення залежності параметрів середовища передачі й самої технології при розрахунку проектування покриття WіMAX. А головне, побудова математичної моделі WіMAX й одержання зручного математичного апарата для розрахунку мережі залежно від параметрів якості й безпеки системи.

Методологія й методи досліджень

У ході написання магістерської роботи будуть використатися основні методи дослідження й розробки:

• методологія оцінки параметрів системи WіMax на основі математичної моделі,

• методика передачі даних,

• методика розрахунку покриття мережі WІMAX,

• багатокритеріальний аналіз існуючих математичних моделей для бездротових систем зв'язку,

• методи розробки технічних пропозицій,

• методи економічного аналізу.

1. Подальший розвиток методів оцінки параметрів системи WіMax на основі розробленої математичної моделі;

2. Подальший розвиток методик розрахунку покриття мережі WІMAX.

При переході до створення систем широкосмугового радіодоступу з інтеграцією послуг стало зрозуміло, що основні принципи, закладені в безпровідникові системи на попередніх етапах, потребують значної корекції. На сигнальному рівні першочергове значення дістало оптимальне використання спектрального ресурсу радіоканалу при будь-яких співвідношеннях "швидкість – завадозахищеність". На рівні протоколів стало необхідним забезпечувати заданий рівень якості обслуговування(QoS) будь-якому абоненту мережі. З цією метою в 2004 році був розроблений стандарт IEEE 802.16-2004[164], що являє собою розраховану на введення в міських бездротових мережах (WirelessMAN) технологію без провідного широкосмугового доступу операторського класу. Часто використовується комерційна назва стандарту WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access), що походить від назви міжнародної організації WiMax Forum, в яку входять ряд передових комунікаційних і напівпровідникових компаній.

Основне призначення даних мереж - це надання послуг абонентам по високошвидкісній і високоякісний безпровідній передачі даних, голосу і відео на відстані в декілька десятків кілометрів. У жовтні 2007 року International Telecommunication Union ( ITU-R) включив технологію WIMAX стандарту IEEE 802.16 в сімейство стандартів мобільного зв'язку 3G. У мережах WIMAX реалізовані найостанніші досягнення науки і техніки в області радіозв'язку, телекомунікацій і комп'ютерних мереж. Стандарт IEEE 802.16 визначає застосування:

• на фізичному рівні широкосмугового радіосигналу OFDM з множиною піднесучих;

• на канальному рівні використовується сучасний протокол множинного (багатостанційного) доступу Time Divion Multiply Access (TDMA) і Scalable OFDM Access (SOFDMA);

• на мережевому (транспортному) рівні в мережах WIMAX застосовується IP-протокол передачі даних, що широко використовуваний в більшості сучасних мережах передачі даних, зокрема, в мережі Інтернет.

На фізичному рівні стандарту IEEE 802.16 передбачено три принципово різні методи передачі даних – метод модуляції одної несучої(SC, в діапазоні нижче 11 ГГц - SCa), метод модуляції за допомогою несучих OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) і метод мультиплексування (множинного доступу) за допомогою ортогональних несучих OFDMA(orthogonal frequency division access)[2] .

Режим OFDM – це метод модуляції потоку даних в одному частотному каналі(шириною 1-2МГц і більше) з центральною частотою fc. Ділення на канали – частотне. При модуляції даних під дією ортогональних несучих в частотному каналі виділяється N піднесучих так, щоб fk=fc+k*?f, де k - ціле число із діапазону [-N/2,N/2]. Відстань між ортогональними несучими ?f=1/Tb, де Tb – тривалість передачі даних. Крім даних в OFDM-символі передається захисний інтервал, що являється копією кінцевого фрагмента символу. Його тривалість може бути 1/4, 1/8, 1/16 та 1/32 від Tb.

Модуляція OFDM основана на двох основних принципах: розбиття одного каналу із змінними параметрами на паралельні гаусівські канали із різними співвідношеннями сигнал-шум і точне вимірювання характеристик каналу. У відповідності із першим принципом OFDM кожна несуча модулюється незалежно під дією квадратурної амплітудної модуляції. Загальний сигнал вираховується під дією зворотного швидкого перетворення Фур'є як

[1]

де Ck – комплексне представлення символу квадратурної модуляції. Комплексне представлення зручне, оскільки генерація радіосигналу проходить відповідно до виразу

Sk(t) = Ik*cos(2Пfc)-Qksin(2Пfc) [2],

де Ik і Qk – синфазна і квадратурна складова комплексного символу.

Для роботи алгоритмів ШПФ/ОШПФ зручно, щоб кількість точок відповідала 2^m. Тому число несучих вибирають рівними мінімальному числу Nfff = 2^m. В режимі OFDM стандарту IEEE 802.16 N=200, відповідно Nfff=256. З них 55 створюють захисний інтервал на границі частотного інтервалу каналу. Інші 200 – інформаційні[8].

У відповідності до другого принципу OFDM для точного визначення параметрів каналу необхідні так звані пілотні несучі частоти, метод модуляції і передаючий сигнал, що точно відомий всім станціям в мережі. В OFDM передбачено використання 8 пілотних частот(з індексами 88, 63, 38 та 13). Інші 192 несучі розбиті на 16 підканалів по 12 несучих в кожному. Ділення на підканали необхідне, оскільки в режимі WirelessMAN-OFDM передбачена можливість роботи не у всіх 16, а в 1, 2, 4 чи 8 підканалах – тобто закладені передумови OFDMA. Для цього кожний підканал і кожна група має свій індекс(від 0 до 31).

Тривалість корисної частини Tb OFDM-символу залежить від ширини смуги каналу BW та системної тактової частоти(частоти дискретизації) Fs. Fs=Nfff/Tb. Співвідношення Fs/BW=n нормується і в залежності від ширини смуги каналу приймає значення 86/75(BW кратне 1.5МГц), 144/125(BW кратне 1.25МГц), 316/275(BW кратне 2,75МГц), 57/50(BW кратне 2МГц) та 7/8(BW кратне 1,75МГц і у всіх інших випадках).

Також на фізичному рівні вирішується питання вибору модуляції. Важливим є те, що технологія WIMAX має найвищі в класі BWA (Broadband Wireless Access) енергетичні параметри каналу зв'язку, що забезпечує задану високу швидкість передачі даних (пропускну здатність) на найбільшій дальності і ,навпаки, - на заданій дальності мережа WIMAX має найвищу пропускну здатність. Тим самим, системи WIMAX забезпечують найвищу щільність потоку даних, вимірювану пропускною здатністю в Mbps в перерахунку на один км2 території, що покривається. Висока пропускна здатність систем WIMAX досягається за рахунок можливості підтримки на великих дальностях високої символьної швидкості унаслідок високої енергетики системи. Символьна швидкість, або по іншому швидкістю модуляції (або кодова швидкість), характеризує швидкість передачі інформації (даних) на фізичному (радіо) рівні мережі і є швидкістю передачі послідовності символів, що реалізовується модуляцією сигналу. Енергетика системи визначається величиною параметра системного підсилення (System Gain). Символьна швидкість передачі повністю визначається використовуваним типом модуляції, тобто кожен тип модуляції забезпечує певну символьну швидкість. Тим самим, висока щільність потоку даних в мережах WIMAX досягається за рахунок можливості підтримки на великих в порівнянні з іншими системами дальностях високошвидкісних типів модуляцій.

У системах WIMAX застосовується квадратурна амплитудно-фазова модуляції QAM, а також фазова модуляція QPSK і BPSK. На сьогоднішній день QAM є одному з найефективніших методів модуляції, що дозволяє досягати максимально можливі швидкості передачі даних[7].

QPSK (Quadrature Phase Shіft Keyіng - квадратурна фазова маніпуляція) являє собою метод, у якому генерується складна послідовність двійкових цифр, що відповідає символам більше високого порядку. На першому етапі перетворяться символи більше високого порядку модуляції, і генерується вихідний сигнал QPSK-модуляції, що відповідає першим крапкам сузір'я. На другому етапі модуляції відбувається перетворення символів більше високого порядку в другі крапки сузір'я, і генерується вихідний сигнал, що відповідає другим крапкам сузір'я. Крапки сузір'я більше високого порядку модуляції виходять шляхом додавання вихідних сигналів першого й другого етапів модуляції. В QPSK-модуляції оцінка якості зв'язку проводитися за допомогою граничних значень. Оцінний блок видає граничні значення компонентів QPSK-модуляції. У цьому методі здійснюється послідовний прийом сигналів, і розраховується псевдобитовый коефіцієнт помилок при передачі шестнадцатеричных QAM-сигналів.

OFDMA (Orthogonal Frequency Dіvіsіon Multіple Access) є багатовикористованою версією схеми цифрової OFDM-модуляції. Підмножини що піднесуть призначаються окремим абонентам, щоб забезпечити одночасну низкоскоростную передачу даних від декількох користувачів. БС одержує пакети з більше високого рівня, транслює їх на кілька мобільних станцій (МС) і виконує кодування каналів окремо для кожного пакета, що буде передаватися на різні МС. БС самостійно чергує й модулює закодовані пакети широкомовної служби. По завершенні модуляції БС сегментирует кожний з пакетів широкомовної служби на деяку кількість блоків переданих даних, причому число цих блоків перерозподіляється усередині пакета, щоб змінити зміст. Після сегментації БС виконує мультиплексування, завдяки якому сегментированный сигнал передається послідовно або через заздалегідь установлені інтервали часу. При передачі сигналу з тимчасовим поділом МС вибірково одержує тільки одиничний кадр передачі. Після цього МС поєднує весь сигнал для формування необхідного пакета. Для розпізнання пакетів МС використає метод призначення унікальних ідентифікаторів з'єднання (CІ) широкомовним службам. БС записує інформацію з відповідним ідентифікатором CІ в інформаційну частину фізичного рівня (DL-MAP), що є у кожному кадрі передачі. МС (прийнявши спеціальний кадр) одержує інформацію про передачу на фізичному рівні відповідного кадру й визначає CІ, що відповідає заданим службам. МС може одержати необхідний символ широкомовної служби.

При реалізації QAM кожна несуча OFDM сигналу моделюється корисним сигналом одночасно по амплітуді і по фазі, утворюючи сигнал, положення якого в просторі координат фази і амплітуди називається діаграмою сузір'я (constellation diagramm) та несе інформацію про закодований в ньому символ. На рисунку 1 представлена діаграма сузір'я модуляції 16QAM.