Єрошкіна Д.О. Досліждення методів забезпечення достовірності передачі інформації в мережах за технологією WiMAX

UKR

Єрошкіна Дар'я Олексіївна

Факультет: Комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики
Спеціальність: Телекомунікаційні системи та мережі
Тема випускної роботы: Досліждення методів забезпечення достовірності передачі інформації в мережах за технологією WiMAX
Науковий керівник: Хорхордін Олександр Володимирович

Автобіографія

Резюме

Реферат з теми випускної роботи

Дослідження методів запезпечення достовірності передачі інформації в мережах за технологією WiMAX

Вступ

Тенденції розвитку телекомунікацій у світі пов'язані з появою нових послуг і сервісів, тому до існуючих мереж ставляться все більші вимоги. На сьогоднішній день частина провайдерів не може забезпечити високу швидкість передачі інформації та її надійність. Також існує проблема прокладки кабельних ліній, оскільки побудову таких мереж в деяких районах здійснити неможливо. Останнім часом для вирішення цих проблем стала застосовуватися технологія WiMAX, яка надає бездротовий зв'язок на великих відстанях.

Актуальність

Розвиток науково-технічного прогресу в сучасному суспільстві є настільки стрімким, що технології, актуальні сьогодні, можуть відійти на другий план завтра. При проектуванні мереж передачі інформації багато операторів віддають перевагу бездротовим технологіям, оскільки з їх допомогою можна впоратися з проблемами, вирішення яких не під силу провідним стандартам. Технологія бездротового широкосмугового доступу WiMAX дозволяє забезпечити передачу даних на великих відстанях. Її особливістю є робота в умовах відсутності прямої видимості, що особливо актуально в містах із щільною забудовою і наявністю висотних будівель.

Середовищем для поширення сигналу в мережі WiMAX є повітряний простір. У ньому можуть створюватися завади, які будуть вносити спотворення в інформаційний сигнал, тому в бездротових мережах проблема захисту сигналів від шкідливих впливів є актуальною.

Цілі та задачі роботи

Ціль роботи: дослідження методів забезпечення достовірності інформації в мережах WiMAX, а також застосування обраного методу для досягнення заданого рівня достовірності передачі інформації.

Для досягнення поставленої мети необхідно виконати наступні задачі:

Проаналізувати причини виникнення завад в бездротових мережах WiMAX
Розробити модель взаємодії корисного сигналу з завадами і оцінити ймовірність виникнення бітової помилки при різних настройках параметрів моделі
Вибрати й обгрунтувати метод забезпечення достовірності передачі інформації
Застосувати обраний спосіб для досягнення заданого рівня достовірності. Зробити висновок про отримані результати.

Передбачувана наукова новизна

Магістерська робота спрямована на побудову та вивчення характеристик моделі каналу зв'язку мережі WiMAX, що враховує негативні впливи, викликані впливом завад в середовищі поширення сигналу. Також необхідно вибрати і застосувати метод, який найбільшою мірою зменшить вплив завад на достовірність переданої інформації.

Огляд досліджень з теми

Серед магістрів ДонНТУ дослідженням проблем, пов'язаних з технологією WiMAX, займалася Шаповалова Л.В. в роботі "Дослідження та розробка моделі передачі даних у мережі радіодоступу за технологією WiMAX з урахуванням якості і безпеки" та Кусов Р.С. в роботі "Дослідження і розробка тракту передачі радіоканальної доступу сучасних телекомунікаційних мереж на основі широкосмугової бездротової технології WiMAX".

Дана тема представлена в роботах світових вчених, таких як Нуеймі Л. , Шепард С., Ортман Ф.,Сміт К.,Перік Д.

Серед вчених України та країн ближнього зарубіжжя вивченням питань, пов'язаних з бездротовим широкосмуговим доступом WiMAX, займаються Вишневський В., Шахнович І., Кравець С., Васильєв В.

Коротктй переказ роботи

Оскільки технологія WiMAX є бездротовою, то передача інформації здійснюється по радіоканалах, утвореним між антенами пристроїв. При передачі радіосигналу за рахунок впливу середовища змінюються ті або інші параметри сигналу, в результаті чого прийнятий сигнал відрізняється від переданого.

Представляють інтерес два види поширення сигналів: в умовах прямої видимості і в умовах її відсутності.

В пределах прямой видимости на якість сигналу, впливають такі фактори, як:

Втрати у вільному просторі
Втрати, зумовлені станом атмосфери
Наявність відображаючих об'єктів
Эфект Доплера
Вплив шумів

Втрати у вільному просторі викликані тим, що зі зростанням відстані від передавальної антени до приймальної випроменена енергія розподіляється по все більшій площі і на прийомну антену приходить мала частина випромінюваної енергії. За допомогою спрямованих антен вдається сконцентрувати випромінювану енергію в заданому напрямку.

На рівні сигналу в точці прийому помітно відбивається стан атмосфери. Різні стану атмосфери можуть викривляти шлях проходження сигналу, що може приводити до зменшення його енергії в точці прийому.

Наявність відображаючих об'єктів, що знаходяться в стороні від прямої, що з'єднує передавальну і приймальну антени, може призвести до того, що на прийомну антену прийде кілька копій вихідного сигналу, що відрізняються фазами. При цьому амплітуда сигналу може і підсумовуватися, і відніматися. Такі явища називаються завмиранням сигналу.

Эфект Доплера проявляється для мобільного приймача в тому, що при його русі у бік передавача частота прийнятих коливань буде збільшуватися і навпаки. Враховуючи нерівномірний характер руху і нерівний характер місцевості, відбувається додаткова зміна амплітуди і фази прийнятого сигналу за випадковим законом. У результаті в точці прийому відбуваються селективні завмирання.

У будь-якій системі передачі завжди присутні шуми різної природи, які накладаються на переданий сигнал, тому прийнятий сигнал завжди відрізняється від переданого..

Однією з головних особливостей стандарту 802.16 WiMAX є те, що він забезпечує високошвидкісне з'єднання на великих відстанях навіть при відсутності прямої видимості об'єкта. Відображення сигналу дає можливість працювати в умовах щільної міської забудови, але при цьому може мати місце явище багатопроменевої інтерференції сигналів.

Рисунок 1 - Багатопроменева інтерференція сигналу. Gif-анімація: 121кб, 6 кадрів, 6 циклів повторення

Багатопроменеві поширення сигналів є неоднорідним, оскільки вони відображаються різну кількість разів, проходять різний по довжині шлях, тому послаблення сигналу також буде неоднаковим. У силу інтерференції сигналів, що приходять в точку прийому з різними амплітудами і фазами, виникає спотворення просторово-часової структури корисного сигналу. Це позначається на якості, швидкості та надійності передачі інформації. Вплив інтерференційних перешкод зручно враховувати у вигляді відношення потужності корисного сигналу до сумарної потужності інтерференційних завад РС / РП.

Для боротьби з перешкодами часто застосовується надлишкове кодування, рознесений прийом, застосування антен з адаптивною діаграмою спрямованості, адаптивне вирівнювання та технологія ортогонального частотного розділення каналів з мультиплексуванням OFDM.

При надлишковому кодуванні введення додаткових бітів в цикл передачі даних дозволяє при прийомі виявляти помилки. При введенні надлишкових символів потрібно збільшити швидкість передачі, оскільки виникає необхідність передачі перевірочних символів. Передача інформаційного трафіку за рахунок цих символів знижується, а надійність доставки досягається при зниженні швидкості і збільшенні тривалості бітових посилок. Таким чином, вплив завади знижується, оскільки ураженої може виявитися лише частина часу бітового символу.

Також для боротьби з завадами, що виникають при проходженні сигналу по радіоканалу, використовується рознесений прийом . Суть даного методу полягає в використанні декількох антен (зазвичай двох), розташованих на відстані одна від одної, тому отримувач має не одну, а відразу дві копії сигналу, який прийшов різними шляхами. Це дає можливість зібрати більше енергії сигналів, оскільки хвилі, прийняті однією антеною, можуть бути не прийняті іншою. Для організації принципу Multiple Input Multiple Output (MIMO) необхідно встановити кілька антен і на передавальній, і на приймаючій стороні.

Для підвищення завадостійкості використовується застосування адаптивної діаграми спрямованості антени . У діаграмі спрямованості в напрямку джерел завад відбувається формування нульових складових, що сприяє практично повного придушення впливу шкідливих чинників з даних напрямів. Дана концепція працює в обох напрямках: від базової станції до абонента і від абонента до базової станції. При цьому сигнали, що приймаються від абонентів, можуть використовуватися для визначення їх місця розташування, і ця інформація застосовується при формуванні діаграми спрямованості у низхідному напрямку.

Для зменшення впливу на сигнал межсимвольной інтерференції застосовується адаптивне вирівнювання . Його суть полягає у збільшенні потужності прийнятих символів, що досягається при вирівнюванні часу затримки декількох копій відбитих сигналів. Через рівні проміжки часу з кожного символу виробляють кілька вибірок, які перемножуються з обчисленими коефіцієнтом, який обчислюється динамічно при адаптації до даного потоку. Далі утворюється вихідний сигнал приймача шляхом підсумовування вибірок. Недоліком даного методу боротьби з інтерференцією є необхідність значних обчислювальних витрат.

Одним з методів боротьби з завадами, який найбільш часто застосовується в мережах WiMAX, є використання технології ортогонального частотного поділу каналів з мультиплексуванням OFDM . Застосування стандарту OFDM дозволяє домогтися підвищення щільності передачі цифрової інформації та зменшити значення частотного розносу за рахунок сильного перекриття спектрів сусідніх піднесущих. Для застосування частотного розділення ширина каналів повинна бути досить вузької, щоб мінімізувати спотворення вихідного сигналу в межах окремого каналу, а також досить широкою, щоб забезпечити необхідну швидкість передачі. При великій кількості ортогональних піднесущих в одному каналі передачі збільшується тривалість інформаційного символу, який передається на кожній піднесущій, при збереженні загальної швидкості передачі даних. Це дозволяє зменшити міжсимвольну інтерференцію, яка виникає через багатопроменеве розповсюдження сигналу, і призводить до збільшення коефіцієнта помилок.

Цифровий потік даних при формуванні OFDM-сигналу ділиться на кілька підпотоків, і кожна піднесуща зв'язується зі своїм підпотоком даних. Фаза і амплітуда піднесущої обчислюються залежно від вибору схеми модуляції. Згідно стандарту, модуляція окремих піднесущих може здійснюватися з використанням бінарної фазової маніпуляції (BPSK), квадратурної фазової маніпуляції (QPSK) або квадратурної амплітудної маніпуляції (QAM) порядку 16 або 64.

Для визначення ймовірності бітової помилки для кожного виду модуляції використовуються наступні формули:

при фазовій модуляції BPSK і квадратурній фазовій маніпуляції QPSK ймовірність бітової помилки дорівнює:

Для квадратурної амплітудної маніпуляції QAM з довільним числом позицій (m-QAM) формула виглядає

Для дослідження залежності виду модуляції і величини бітової помилки від співвідношення сигнал/шум в бездротових мережах WiMAX була використана модель системи передачі даних стандарту IEEE 802.16-2004. Дана модель враховує лише шум, який відноситься до перешкод, що виникають при передачі в умовах прямої видимості. Моделювання проводилося за допомогою пакету програм Matlab. Вихідними даними для моделювання є співвідношення сигнал/шум (Signal / Noise Ratio, dB), що задається в параметрах блоку AWGN Channel, а на виході отримуємо значення бітової помилки (Bit Error Rate) і Rate ID, який відповідає типу модуляції, визначеному в параметрах моделі. Дані, отримані в результаті моделювання, зведемо в таблицю 1.

Таблиця 1 - Результати моделювання

Отримані в результаті моделювання дані свідчать про те, що при зміні співвідношення сигнал/шум змінюється не тільки ймовірність побітової помилки, але і вид модуляції. Вибір поточної робочої модуляції система WiMAX проводить шляхом перебору всіх можливих типів модуляцій, починаючи з найнижчої з вимірюванням показника ефективності сигналу і його порівнянням з необхідним рівнем співвідношення сигнал/шум для поточної перевіряється модуляції. Найвища модуляція, при якій значення показника ефективності сигналу буде вище значення сигнал / шум, встановлюється системою в якості робочої модуляції.

Отже, в стандарт закладена адаптивно-кодова конструкція, яка дозволяє підлаштовуватися до характеристик каналу в кожен момент часу. У відповідності до стандарту, в залежності від відношення сигнал/шум система обирає метод модуляції, при якому забезпечується досягнення необхідного якості передачі інформації і стійка робота системи зв'язку WiMAX.

Висновок

Надалі планується створити модель каналу зв'язку мережі WiMAX, яка дає можливість враховувати негативні впливи при поширенні сигналів у умовах відсутності прямої видимості. За допомогою отриманої моделі будуть проведені дослідження та обрано метод для зменшення впливу перешкод на систему зв'язку та підвищення достовірності інформації.

Важливе зауваження

До моменту написання даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточні результати будуть отримані у грудні 2011 року. Повний текст роботи можна отримати у автора або наукового керівника після зазначеної дати

ВГОРУ