Исследование аппаратных средств радиопередатчиков стандарта WiMAX

Размещено на http://www.allbest.ru/

• ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И
• ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Исследование аппаратных средств радиопередатчиков стандарта WiMAX

5А311103- Радиотехнические устройства и средства связи

Диссертация на соискание академической степени магистра

ЕЩАНОВ ГАБИТ БАХТИЁРОВИЧ

Научный руководитель: К.т.н. Ж.Ш. Максудов

Ташкент 2013



Аннотация

сеть беспроводный связь wimax

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.



Summary

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

1. Основные характеристики стандарта WiMAX

1.1 Краткий обзор сетей беспроводного широкополосного доступа

1.2 Особенности стандарта IEEE 802.16

1.3 Частотные диапазоны стандарта IEEE 802.16

1.4 Физический уровень

1.5 Архитектура построения сети Wi-Max

1.5.1 Базовая модель сети

1.5.2 Стеки и интерфейсы

Выводы по главе I

2. Методы планирования сетей WiMAX

2.1 Принципы построение сети WiMAX в в посёлке городского типа

2.2 Методы ослабления соканальных помех

2.2.1 Увеличение количества сот в кластере

2.2.2 Использование секторных антенн

2.2.3 Комбинированное планирование сот

2.3 Характеристика канала связи

2.4 Модель COST-231 Hata

Выводы по главе II

3. Исследование аппаратуры и планирование сети

3.1 Выбор аппаратуры и расчет сети

3.2 Расчёт трассы сети WiMAX

3.3 Расчёт пропускной способности сети WiMAX

Выводы по главе III

Заключение

Список литературы



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.



1. Основные характеристики стандарта WIMAX

1.1 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 непосредствен ной 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 сетей
Региональные беспроводные сети	В пределах города	Высокие	Патентован-ные, IEEE 802.16, WiMax	Фиксированная беспроводная связь между зданиями и предприятиями и Internet
Тип	Сфера действия	Характеристики	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



1.2 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

Таблица 1.2

Режимы работы стандарта IEEE 802.16-2004

Режим	Частотный диапазон	Опции	Метод дуплексирования
WirelessMAN-SC	10 - 66 GHz		TDD/FDD
WirelessMAN-SCa	< 11 GHz	AAS/ARQ/STC/ 256QAM	TDD/FDD
WirelessMAN-OFDM	< 11 GHz	AAS/ARQ/STC/ Mesh	TDD/FDD
WirelessMAN-OFDMA	< 11 GHz	AAS/ARQ/STC	TDD/FDD
WirelessHUMAN	< 11 GHz	DFS/AAS/ARQ/Mesh/STC	TDD

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.



1.3 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	нет	Одна несущая	32 - 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 - 75	1,25; 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.

1.4 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 Ѕ. 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 (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.



Таблица 1.4

Параметр	Характеристики OFDMA
Полоса 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	10,94	10,94	10,94
Активная длина символа, µs	91,4	91,4	91,4	91,4
Защитный промежуток, µs, при Tg/Tb = 1/8	11,4	11,4	11,4	11,4
Длина OFDMA символа, µs	102,9	102,9	102,9	102,9

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, Nдан	96	384	768	1536
Постоянные пилотные поднесущие	1	6	11	24
Переменные пилотные поднесущие	9	36	71	142
Защитные поднесущие (слева/справа)	11/10	43/42	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

Полоса частотного канала, MHz	1,25	5	10	20
Число поднесущих	128	512	1024	2048
Число поднесущих в кластере	14	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

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.



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

Общий MAC-заголовок	Поле данных	Контрольная сумма CRC

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.

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.

1.5 Архитектура построения сети WiMAX

1.5.1 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 Acc...