Ерошкина Д.А. Исследование методов обеспечения достоверности передачи информации в сетях по технологии WiMAX

RUS

Ерошкина Дарья Алексеевна

Факультет: Компьютерных информационных технологий и автоматики
Специальность: Телекоммуникационные системы и сети
Тема выпускной работы: Исследование методов обеспечения достоверности передачи информации в сетях по технологии WiMAX
Научный руководитель: Хорхордин Александр Владимирович

Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Исследование методов обеспечения достоверности передачи информации в сетях по технологии WiMAX

Введение

Тенденции развития телекоммуникаций в мире связанны с появлением новых услуг и сервисов, поэтому к существующим сетям предъявляются все большие требования. На сегодняшний день часть провайдеров не может обеспечить высокую скорость передачи информации и ее надежность. Также существует проблема прокладки кабельных линий, поскольку построение таких сетей в некоторых районах осуществить невозможно. В последнее время для решения этих проблем стала применяться технология WiMAX, которая предоставляет беспроводную связь на значительных расстояниях.

Актуальность

Развитие научно-технического прогресса в современном обществе настолько стремительно, что технологии, актуальные сегодня, могут отойти на второй план завтра. При проектировании сетей передачи информации многие операторы отдают предпочтение беспроводным технологиям, поскольку с их помощью можно справиться с проблемами, решение которых не под силу проводным стандартам. Технология беспроводного широкополосного доступа WiMAX позволяет обеспечить передачу данных на больших расстояниях. Ее особенностью является работа в условиях отсутствия прямой видимости, что особенно актуально в городах с плотной застройкой и наличием высотных зданий.

Средой для распространения сигнала в сети WiMAX является воздушное пространство. В нем могут создаваться помехи, которые будут вносить искажения в информационный сигнал, поэтому в беспроводных сетях проблема защиты сигналов от вредных воздействий является актуальной.

Цели и задачи работы

Цель работы: исследование методов обеспечения достоверности информации в сетях WiMAX, а также применение выбранного метода для достижения заданного уровня достоверности передачи информации.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

Проанализировать причины возникновения помех в беспроводных сетях WiMAX
Разработать модель взаимодействия полезного сигнала с помехами и оценить вероятность возникновения битовой ошибки при разных настройках параметров модели
Выбрать и обосновать метод обеспечения достоверности передачи информации
Примененить выбранный метод для достижения заданного уровня достоверности. Сделать вывод о полученных результатах.

Предполагаемая научная новизна

Магистерская работа направлена на построение и изучение характеристик модели канала связи сети WiMAX, учитывающей негативные воздействия, вызванные влиянием помех в среде распространения сигнала. Также необходимо выбрать и применить метод, который в наибольшей степени уменьшит влияние помех на достоверность передаваемой информации.

Обзор исследований по теме

Среди магистров ДонНТУ исследованием проблем, связанных с технологией WiMAX, занималась Шаповалова Л.В. в работе "Исследование и разработка модели передачи данных в сети радиодоступа по технологии WiMAX с учетом качества и безопасности" и Кусов Р.С. в работе "Исследование и разработка тракта передачи радиоканального доступа современных телекоммуникационных сетей на основе широкополосной беспроводной технологии WiMAX".

Данная тема представлена в работах мировых ученых, таких как Нуэйми Л., Шепард С., Ортман Ф., Смит К., Пэрик Д.

Среди ученых Украины и стран ближнего зарубежья изучением вопросов, связанных с беспроводным широкополосным доступом WiMAX, занимаются Вишневский В., Шахнович И., Портной С., Васильев В.

Краткое изложение работы

Поскольку технология WiMAX является беспроводной, то передача информации осуществляется по радиоканалам, образованным между антеннами устройств. При передаче радиосигнала за счет влияния среды изменяются те или иные параметры сигнала, в результате чего принятый сигнал отличается от переданного.

Представляют интерес два вида распространения сигналов: в условиях прямой видимости и в условиях ее отсутствия.

В пределах прямой видимости на качество принимаемого сигнала влияют такие факторы, как:

Потери в свободном пространстве
Потери, обусловленные состоянием атмосферы
Наличие отражающих объектов
Эффект Доплера
Воздействие шумов

Потери в свободном пространстве вызваны тем, что с ростом расстояния от передающей антенны до приемной излученная энергия распределяется по все большей площади и на приемную антенну приходит малая часть излученной энергии. С помощью направленных антенн удается сконцентрировать излучаемую энергию в заданном направлении.

На уровне сигнала в точке приема заметно отражается состояние атмосферы. Разные состояния атмосферы могут искривлять путь прохождения сигнала, что может приводить к уменьшению его энергии в точке приема.

Наличие отражающих объектов, находящихся в стороне от прямой, соединяющей передающую и приемную антенны, может привести к тому, что на приемную антенну придет несколько копий исходного сигнала, отличающихся фазами. При этом амплитуда сигнала может и суммироваться, и вычитаться. Такие явления называются замиранием сигнала.

Эффект Доплера проявляется для мобильного приемника в том, что при его движении в сторону передатчика частота принимаемых колебаний будет увеличиваться и наоборот. Учитывая неравномерный характер движения и неровный характер местности, происходит дополнительное изменение амплитуды и фазы принимаемого сигнала по случайному закону. В результате в точке приема происходят селективные замирания.

В любой системе передачи всегда присутствуют шумы разной природы, которые накладываются на передаваемый сигнал, поэтому принятый сигнал всегда отличается от переданного.

Одной из главных особенностей стандарта 802.16 WiMAX является то, что он обеспечивает высокоскоростные соединения на больших расстояниях даже при отсутствии прямой видимости объекта. Отражение сигнала дает возможность работать в условиях плотной городской застройки, но при этом может иметь место явление многолучевой интерференции сигналов.

Рисунок 1 - Многолучевая интерференция сигнала. Gif-анимация: 121кб, 6 кадров, 6 циклов повторения

Многолучевое распространение сигналов является неоднородным, поскольку они отражаются разное количество раз, проходят разный по длине путь, поэтому ослабление сигнала также будет неодинаковым. В силу интерференции сигналов, приходящих в точку приема с различными амплитудами и фазами, возникает искажение пространственно-временной структуры полезного сигнала. Это сказывается на качестве, скорости и надежности передачи информации. Влияние интерференционных помех удобно учитывать в виде отношения мощности полезного сигнала к суммарной мощности интерференционных помех РС/РП.

Для борьбы с помехами часто применяется избыточное кодирование, разнесенный прием, применение антенн с адаптивной диаграммой направленности, адаптивное выравнивание и технология ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием OFDM.

При избыточном кодировании введение дополнительных битов в цикл передачи данных позволяет при приеме обнаруживать ошибки. При введении избыточных символов нужно увеличить скорость передачи, поскольку возникает необходимость передачи проверочных символов. Передача информационного трафика за счет этих символов снижается, а надежность доставки достигается при снижении скорости и увеличении длительности битовых посылок. Таким образом, влияние помехи снижается, поскольку пораженной может оказаться лишь часть времени битового символа.

Также для борьбы с помехами, возникающими при прохождении сигнала по радиоканалу, используется разнесенный прием. Суть данного метода заключается в использовании нескольких антенн (обычно двух), расположенных на расстоянии друг от друга, поэтому получатель имеет не одну, а сразу две копии сигнала, пришедшего разными путями. Это дает возможность собрать больше энергии сигналов, поскольку волны, принятые одной антенной, могут быть не приняты другой. Для организации принципа Multiple Input Multiple Output (MIMO) необходимо установить несколько антенн и на передающей, и на принимающей стороне.

Для повышения помехоустойчивости используется применение адаптивной диаграммы направленности антенны. В диаграмме направленности в направлении источников помех происходит формирование нулевых составляющих, что способствует практически полному подавлению воздействия вредных факторов с данных направлений. Данная концепция работает в обоих направлениях: от базовой станции к абоненту и от абонента к базовой станции. При этом сигналы, принимаемые от абонентов, могут использоваться для определения их местоположения, и эта информация применяется при формировании диаграммы направленности в нисходящем направлении.

Для уменьшения влияния на сигнал межсимвольной интерференции применяется адаптивное выравнивание. Его суть заключается в увеличении мощности принимаемых символов, что достигается при выравнивании времени задержки нескольких копий отраженных сигналов. Через равные промежутки времени из каждого символа производят несколько выборок, которые перемножаются с вычисленным коэффициентом, который вычисляется динамически при адаптации к данному потоку. Далее образуется выходной сигнал приемника путем суммирования выборок. Недостатком данного метода борьбы с интерференцией является необходимость значительных вычислительных затрат.

Одним из методов борьбы с помехами, который наиболее часто применяется в сетях WiMAX, является использование технологии ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием OFDM. Применение стандарта OFDM позволяет добиться повышения плотности передачи цифровой информации и уменьшить значение частотного разноса за счет сильного перекрытия спектров соседних поднесущих. Для применения частотного разделения ширина каналов должна быть достаточно узкой, чтобы минимизировать искажения исходного сигнала в пределах отдельного канала, а также достаточно широкой, чтобы обеспечить требуемую скорость передачи. При большом количестве ортогональных поднесущих в одном канале передачи увеличивается длительность информационного символа,который передается на каждой поднесущей, при сохранении общей скорости передачи данных. Это позволяет уменьшить межсимвольную интерференцию, которая возникает из-за многолучевого распространения радиосигнала, и приводит к увеличению коэффициента ошибок.

Цифровой поток данных при формировании OFDM-сигнала делится на несколько подпотоков, и каждая поднесущая связывается со своим подпотоком данных. Фаза и амплитуда поднесущей вычисляются в зависимости от выбора схемы модуляции. Согласно стандарта,модуляция отдельных поднесущих может осуществляться с использованием бинарной фазовой манипуляции (BPSK), квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) или квадратурной амплитудной манипуляции (QAM) порядка 16 или 64.

Для определения вероятности битовой ошибки для каждого вида модуляции используются следующие формулы:

При фазовой модуляции BPSK и квадратурной фазовой манипуляции QPSK вероятность битовой ошибки равна:

Для квадратурной амплитудной манипуляции QAM с произвольным числом позиций (m-QAM) формула выглядит

Для исследования зависимости вида модуляции и величины битовой ошибки от соотношения сигнал/шум в беспроводных сетях WiMAX была использована модель системы передачи данных стандарта IEEE 802.16-2004. Данная модель учитывает лишь шум, который относится к помехам, возникающим при передаче в условиях прямой видимости. Моделирование проводилось с помощью пакета приложений Matlab. Исходными данными для моделирования является соотношение сигнал/шум (Signal/Noise Ratio , dB), которое задается в параметрах блока AWGN Channel, а на выходе получаем значение битовой ошибки (Bit Error Rate) и Rate ID, который соответствует типу модуляции, определенному в параметрах модели. Данные, полученные в результате моделирования, сведем в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты моделирования

Полученные в результате моделирования данные свидетельствуют о том, что при изменении соотношения сигнал/шум изменяется не только вероятность побитовой ошибки, но и вид модуляции. Выбор текущей рабочей модуляции система WiMAX проводит путем перебора всех возможных типов модуляций, начиная с самой низшей с измерением показателя эффективности сигнала и его сравнением с требуемым уровнем соотношения сигнал/шум для текущей проверяемой модуляции. Наивысшая модуляция, при которой значение показателя эффективности сигнала будет выше значения сигнал/шум, устанавливается системой в качестве рабочей модуляции.

Следовательно, в стандарт заложена адаптивно-кодовая конструкция, которая позволяет подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени. В соответствии со стандартом, в зависимости от отношения сигнал/шум система выбирает метод модуляции, при котором обеспечивается достижение необходимого качества передачи информации и устойчивая работа системы связи WiMAX.

Заключение

В дальнейшем планируется создать модель канала связи сети WiMAX, позволяющую учитывать негативные воздействия при распространении сигналов в условиях отсутствия прямой видимости. При помощи полученной модели будут проведены исследования и выбран метод для уменьшения влияния помех на систему связи и повышения достоверности информации.

Важное замечание

К моменту написания данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательные результаты будут получены к декабрю 2011 года. Полный текст работы можно получить у автора или научного руководителя после указанной даты.

ВВЕРХ