ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ГОУВПО «ВГТУ»

Кафедра радиотехники

УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ

по дисциплине

"Телекоммуникационные информационные системы"

(Часть 2)

Воронеж 2012

Содержание

1 Современные технологии беспроводной связи 5

2 Факторы, снижающие скорость в сетях широкополосной беспроводной связи 12

3 Методы увеличения пропускной способности беспроводного канала связи 17

4 Основные технологические решения обработки сигналов в сетях широкополосной беспроводной связи 22

4.1 Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием OFDM 24

4.2 Разнесенный прием 27

4.3 Канальное кодирование 30

4.4 Управление мощностью излучения 36

4.5 Прием/передача множеством антенн 39

4.6 Частотно-селективная диспетчеризация 43

4.7 Механизм диспетчеризации и повторные передачи 44

Выводы 46

5 Моделирование распространения радиосигналов в условиях плотной городской застройки 47

5.1 Методы моделирования влияния городских сооружений на распространение радиоволн 47

5.2 Модель свободного пространства 49

5.3 Модель Ли 50

5.4   Модель Хата 50

5.5 Модели программных средств проектирования широкополосных сетей доступа 53

6 Технологии мультисервисных сетей связи 57

6.1 Плезиосинхронная цифровая иерархия PDH 57

6.2 Синхронная цифровая иерархия SDH 58

6.2.1 Иерархия скоростей сети SDH 66

6.2.2 Уровни SONET и эталонная модель OSI 66

6.3 Топология сети SDH 68

6.3.1 Топология "точка-точка" 68

6.3.2 Топология "последовательная линейная цепь". 69

6.3.3 Топология "звезда", реализующая функцию концентратора 69

6.3.4 Топология "кольцо" 70

6.4 Процедуры мультиплексирования внутри иерархии SDH. 71

6.5 Оборудование сети SDH 71

6.6 Процессы загрузки/выгрузки цифрового потока 73

7 Спектральное уплотнение каналов xWDM 75

7.1 Оптические волокна 75

7.1.1 Модовость оптического волокна 75

7.1.2 Технологии соединения оптических волокон 76

7.1.3 Окна прозрачности оптического волокна 77

7.2 Спектральное уплотнение каналов WDM 78

7.3 Виды WDM систем 79

7.4 DWDM технология 81

7.4.1 Принцип плотного мультиплексирования 81

7.4.2 Основные узлы DWDM-оборудования 83

8 Стандарт беспроводной связи LTE 86

8.1 Эволюция системной архитектуры 86

8.2 Распределение интеллекта в SAE 88

8.3 Многостанционный доступ 90

8.4 Организация канальных ресурсов 90

8.5 Диспетчеризация частотных ресурсов 91

8.6 Гибридная процедура повторной передачи по запросу 92

8.7 Адаптация системы к характеристикам канала 93

8.8 Управление мощностью 93

8.9 Коэффициент переиспользования частот 94

8.10 Схемы MIMO 96

8.11 Абонентские устройства 100

8.12 Внедрение в мире 101

1Современные технологии беспроводной связи

Беспроводные цифровые коммуникации, бурно стартовав, продолжают развиваться чрезвычайно быстро. Этому способствует неуклонный прогресс в микроэлектронике, позволяющий выпускать все более сложные и при этом – все более дешевые – средства беспроводной связи. Бум сотовой связи, сравнимый лишь с ростом производства персональных компьютеров и развитием Интернета, не замедляется уже четверть века. Мобильных телефонов во всем мире уже значительно больше, чем обычных проводных телефонных аппаратов. Быстрыми темпами развиваются персональные и локальные сети, широко внедряются беспроводные сети регионального масштаба. Низкая стоимость, быстрота развертывания, широкие функциональные возможности по передаче данных, телефонии, видеопотоков делают беспроводные сети одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии.

В рамках ВКР интерес представляют системы «дальнего действия», покрывающие километры пространства, которая обычно используют лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка - провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению).

Развитие беспроводной связи сопровождается непрерывной сменой технологий, в основе которых лежат стандарты сотовой связи GSM и CDMA, а также стандарты систем передачи данных IEEE 802 (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Развитие беспроводной связи

Исторически технологии беспроводной связи развивались по двум независимым направлениям – системы телефонной связи (сотовая связь) и системы передачи данных (Wi-Fi, WiMAX). Но в последнее время наблюдается явная тенденция к слиянию этих функций. Более того, объем пакетных данных в сетях сотовой связи третьего поколения (3G) уже превышает объем голосового трафика, что связано с внедрением технологий HSPA. В свою очередь, современные сети передачи информации обязательно обеспечивают заданный уровень качества услуг (QoS) для различных видов трафика. Реализуется поддержка приоритезации отдельных потоков информации, причем как на сетевом/транспортном уровнях (на уровне TCP/IP), так и на МАС-уровне (стандарты IEEE 802.16). Это позволяет использовать их для оказания услуг голосовой связи, передачи мультимедийной информации и т.п.

В связи с этим само понятие сетей следующего, четвертого, поколения (4G) неразрывно связано с созданием универсальных мобильных мультимедийных сетей передачи информации. Сегодня две группы технологий явно нацелены на оказание универсальных услуг связи. Это WiMAX (как развитие линии IEEE 802) и технологии сотовой связи поколений "cупер 3G". Причем каждая из них занимает свою нишу на обширном рынке беспроводной связи.

Технология фиксированного WiMAX (IEEE 802.16-2004) не оправдала возлагавшихся на нее надежд по быстродейс­твию, объему зоны покрытия и ценовым характеристикам. Но операторы справедливо ожидают качественного прорыва от мобильного WiMAX (IEEE 802.1 6e), который уже начал активно внедряться в странах мира, в том числе и в России.

Технологии 3G уже широко используются операторами со­товой связи во всем мире. Они развиваются по двум направ­лениям - линия UMTS (WCDMA) и линия CDMA (cdma2000). На­пример, российский сотовый оператор "МегаФон" в 2008 го­ду в Санкт-Петербурге начал коммерческую эксплуатацию се­ти из 45 базовых станций на основе технологии UMTS/HSPA. МТС предоставляет услуги широкополосного мобильного до­ступа в Интернет на базе технологии 3G во многих крупных го­родах России. Еще раньше ОАО "Московская Сотовая Связь" под торговой маркой "Скай Линк" развернуло сети по техно­логии CDMA2000 1X EV-DO в диапазоне 450 МГц на террито­рии 31 субъектa РФ.

Однако требования конечных пользователей к предостав­ляемым услугам постоянно повышаются (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Широкополосные услуги и новые приложения, стимулирующие эволюцию систем 4G

Мобильные сети должны использоваться не только для сотовой связи, но и для передачи видео, мобильного ТВ, музыки и работы с Интернетом с высокими скоростями и качеством переда­чи.

Именно с этой целью в рамках проекта сотрудничества в создании сетей третьего поколения 3GPP (3G Partnership Project) была начата разработка технологии LTE. Следует отметить, что поддержку 3GPP осуществляют многие ведущие компании-производители телекоммуникационного оборудования мира, среди которых: Alcatel-Lucent, Alcatel-Lucent Shanghai Bell, AT&T, Cisco, Intel, InterDigital, ITRI, KDDI, Rogers, Telecom Italia, Verizon Wireless, ZTE, China Mobile, NEC. Предшествующие технологии, на которые опиралась разработка LTE, а так же этапы развития LTE отражены на рис. 1.3.

Разработка технологии LTE как стандарта официально нача­лась в конце 2004 года. Основной целью исследований на начальном этапе был выбор технологии физического уров­ня, которая смогла бы обеспечить высокую скорость передачи данных.

Рисунок 1.3 – Базовые технологии и этапы развития LTE

В качестве основных были предложены два вариан­та: развитие существующего радиоинтерфейса W-CDMA (ис­пользуемого в HSPA) и создание нового на основе технологии OFDM. В результате проведенных исследований единственной подходящей технологией оказалась OFDM.

В мае 2006 года в 3GPP была создана первая спецификация на радиоинтерфейс Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (рис. 1.4). Первые, пред­варительные спецификации LTE создавались в рамках так на­зываемого 3GPP Release 7. А в декабре 2008 года утверждена версия стандартов 3GPP (Release 8), фиксирующая архитектур­ные и функциональные требования к системам LTE. В 2009 году апробированы опытные системы на основе LTE, а с 2010 начато построение первых коммерческих сетей.

Рисунок 1.4 - Основные этапы развития и внедрения технологии LTE

По сравнению с ранее разработанными системами 3G, ра­диоинтерфейс LTE обеспечивает лучшие технические харак­теристики. В частности, в LTE ширина полосы пропускания может варьироваться от 1,4 до 20 МГц, что позволит удовлетворить потреб­ностям разных операторов связи, обладающих различными полосами пропускания. При этом оборудование LTE должно одновременно поддерживать не менее 200 активных соеди­нений (т.е. 200 телефонных звонков) на каждую 5-МГц ячейку. Также LTE позволит более эффективно использо­вать радиочастотный спектр, т.е. возрастет объем данных, передаваемых в заданном диапазоне частот. LTE предполагает достичь внушительных агрегатных скоростей передачи дан­ных - до 50 Мбит/с для восходящего соединения (от абонен­та до базовой станции) и до 100 Мбит/с для нисходящего со­единения (от базовой станции к абоненту) в полосе 20 МГц. При этом должна обеспечиваться поддержка соединений для абонентов, движущихся со скоростью до 350 км/ч. Зона пок­рытия одной БС - до 30 км в штатном режиме, но возможна работа с ячейками радиусом более 100 км. Поддерживаются многоантенные системы MIMO.

Несмотря на то, что обе технологии (LTE и WiMax) базируются на одном и том же радиоинтерфейсе MIMO-OFDM, некоторые технологические решения в обработке сигналов вывели LTE на более высокие скорости.

Следует отметить, что на текущий момент в рабочем состоянии в мире находятся 17 сетей стандарта LTE. Существует и российская разработка, очень близкая по своим параметрам к стандарту LTE – разработанный производственным объединением «Радиозавод им. А.С. Попова» стандарт HPIP (Hybrid Public Intellectual Product) превышает покрытие одной базовой станции, сохраняя при этом пропускную способность около 10 Мб/с.

Что же касается дальнейшего развития технологий подвижной связи – на сегодня консорциумом 3GPP сформулированы основные требования к LTE Advanced (Release 10), являющиеся, по сути, требованиями к стандарту мобильных сетей четвертого поколения (4G); в них определена максимальная скорость передачи данных в нисходящем радиоканале до 1 Гбит/с, в восходящем – до 500 Мбит/с, а максимальная эффективность использования спектра в нисходящем радиоканале – 30 бит/c/Гц, в восходящем – 15 бит/c/Гц, что втрое выше, чем в LTE.

Компанией YOTA по состоянию на май 2011 г. в Самаре завершен основной этап строительства сети LTE, установлено 150 базовых станций. Этого количества достаточно, чтобы обеспечить покрытие Самары и части пригорода, включая Новокуйбышевск. Скорость доступа - до 20 Мбит/с. Интернет для всех пользователей YOTA - безлимитный. Сеть работает в диапазоне 2,5-2,7 ГГц. Это значит, что устройства, выпущенные для российского и европейского рынка, смогут подключиться к LTE в Самаре.