Радиооборудование систем широкополосного беспроводного доступа

Бурное развитие беспроводных сетей передачи информации во всем мире связано с такими их достоинствами, как:

– возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени:

– высокая скорость передачи информации;

–быстрота проектирования и развертывания;

–высокая степень защиты от несанкционированного доступа;

–отаз от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или аренды оптоволоконного или медного кабеля.

На железных дорогах нашей страны начали применяться локальные беспроводные сети передачи информации с применением технологий локальных сетей Wi-Fi (стандартов IEEE 802.11a/b/g) и технологии Wi-MAX (стандарт IEEE 802.16). Оборудование этих систем хорошо сочетается с сетями передачи данных различных сигналов автоматики, телеметрии и видеонаблюдения.

Характерными особенностями технологии Wi-Fi являются: обеспечение связи на небольшой территории (в зоне радиусом 100150 м) и внутри помещений, возможность высокоскоростной (до 54 Мбит/с) передачи данных, простота принципов построения и функционирования сети, большое количество производителей, низкая стоимость оборудования. Тем не менее, в технологических процессах железнодорожного транспорта в основном будут ориентироваться на использование технологии Wi-MAX, позволяющей организовать высокоскоростную связь с подвижными объектами.

Стандарт IEEE 802.11a/b ориентирован на работу в диапазоне до 5 ГГц и основан на технологии OFDM (Orthogonal Frequency Livision Multiplexing) – мультиплексирование посредством ортогональных несущих.

Технология OFDM означает, что единовременно информация передается по многим поднесущим частотам, образующим канал. Например, в сетях IEEE 802.11a при ширине канала 20 МГц используется 52 поднесущие, однако их номинальное число определяется из соображений удобства преобразования Фурье и принимается равным 64. Таким образом, интервал между поднесущими Δf=20МГц/64 = 312, 5 кГц. При этом амплитуда центральной поднесущей подавляется, она равна нулю.

Поднесущие модулируются посредством квадратурной амплитудно-фазовой модуляции: 2-,4-, 16-, 64-позиционной BPSK (Binery Phase-Shift Keying – двоичная фазовая манипуляция), QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying – квадратурная фазовая манипуляция), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation – квадратурная амплитудная модуляция) и 64-QAM.

OFDM-символ представляет собой совокупность всех поднесущих на дискретном интервале длительностью Т_F =1/ Δf =3,2 мкС. Информационная емкость OFDM-символов определяется типом модуляции информационных поднесущих и их числом. В стандарте IEEE 802.11a из 52 поднесущих для передачи данных используют 48, а остальные 4 поднесущие – пилотные. Емкость OFDM-символа составляет 48× N_b , где N_b – число бит в одном модуляционном символе (на одной поднесущей), равное двоичному логарифму от числа позиций модуляции. Таким образом, OFDM-символ содержит от 96 до 288 бит.

OFDM-модуляция обладает мощным средством борьбы с межсимвольной интерференцией, проявляющейся в том, что из-за множественных переотражений в приемник одновременно поступают два смежных символа – прямо распространяющийся и «запоздавший». Это ведет к потере символов. В случае OFDM-модуляции, которая допускает небольшую скорость передачи данных на одной поднесущей, в каждый OFDM-символ добавляется защитный интервал. В IEEE 802.11a длительность этого интервала равна 0,8 мкС. Защитный интервал транслируется в начале символа и представляет собой копию его последних 0,8 мкС. В результате отраженный и пришедший с задержкой символ попадает в защитный интервал и не повреждает прямо распространяющийся символ.

Входной поток данных (бит) прежде всего подвергантся скремблированию (в данном случае рандомизации) посредством перемножения на псевдослучайную последовательность (ПСП). Ее формирует генератор с задающим полиномом G(x)= x⁷ +x⁴ +1 и начальным значением 1111111. При передаче конкретного пакета вектор инициализации генератора ПСП может быть произвольным, но должен принадлежать ПСП. Приемник восстанавливает его, поскольку известно, что последние 7 бит поля данных (младшие биты поля заголовка) перед скремблированием всегда равны нулю.

После скремблирования поток данных поступает на сверточный кодер (FEC). Исходя из выбранной скорости передачи данных, скорость кодирования может составлять 1/2, 2/3 и 3/4. Скорость кодирования (r)– это отношение числа бит в пакете до и после кодера: r=1/2 означает, что каждый входной бит после кодирования превращается в два бита. Поскольку у кодера два выхода, каждому входному биту x_i соответствует пара бит (y_i , z_i). Значения скорости кодирования, отличные от 1/2, получаются путем исключения из выходной последовательности отдельных значений y_i или z_i.

Далее поток кодированных бит подвергается перемежению, то есть изменяется порядок битов в последовательности в рамках OFDM-символа. Вся последовательность кодированных бит разбивается на блоки, и производят двухстадийную обработку с целью, чтобы смежные биты кодовой последовательности оказались на несмежных поднесущих.

Различные сочетания скоростей кодирования и методов модуляции поднесущих определяют набор скоростей передачи данных в стандарте IEEE 802.11a (таблица 9).

Таблица 9

Скорость передачи данных Мбит/с	Модуляция	Скорость кодирования
6	BPSK	1/2
9	BPSK	3/4
12	QPSK	1/2
18	QPSK	3/4
24	16-QAM	1/2
36	16-QAM	3/4
48	64-QAM	2/3
54	64-QAM	3/4

Сформированный OFDM-символ подвергается обратному быстрому преобразованию Фурье (ОБПФ), в результате чего формируются выходные синфазный и квадратурный (I, Q) сигналы. К ним добавляется защитный интервал, после чего происходит окончательное формирование аналогового сигнала. Дальнейшая обработка стандартна: квадратурный модулятор, гетеродин для переноса сигнала в заданную область (если это необходимо) и выходные усилители мощности.

Основа технологии Wi-MAX– стандарт IEEE 802.16 изначально был ориентирован на сети фиксированного широкополосного беспроводного доступа (ШБД), но позже была разработана модификация для сетей подвижного ШБД. На сегодня технология Wi-MAX включает в себя стандарты для фиксированногои подвижного доступа. Эти стандарты отличаются друг от друга радиоинтерфейсами. Это означает, что их необходимо рассматривать как две разные техноогии. Кроме радиоинтерфейса, они различаются также размером сот (для фиксированного доступа соты будут значительно больше, чем для подвижного) и скоростью передачи (реально «фиксированный» Wi-MAX обеспечивает скорость до 20–40 Мбит/с).

Основные технические характеристики стандартов Wi-MAX даны в таблице 10.

Таблица 10

Характеристика	Wi-MAX
	Фиксированный доступ	Мобильный доступ
Режим мультиплексирования	OFDM	OFDMА
Порядок БПФ (быстрое преобразование Фурье)	256	512, 1024
Режим дуплекса	TDD,FDD,HFDD	TDD
Модуляция	BPSK,QPSK, 16-QAM,64-QAM	QPSK, 16-QAM, (опционально 64-QAM)
Ширина канала, МГц	1,75; 3; 3,5; 5,5; 10	2,3-2,4; 2,305-2,320; 2,345-2,360; 2,469-2,69; 3,3-3,4

Общим у обеих модификаций Wi-MAX являются поддержка уровня качества (качество обслуживания) для разных видов услуг (передача голоса, видео, данных и др.), возможность работы абонента в условиях отсутствия прямой видимости антенн базовой станции.

Преобразованный в аналоговую форму цифровой сигнал стндарта IEEE 802.16 поступает в радиотракт, имеющий типовую структуру.

Оборудование железнодорожных станций БПД дает возможность периодически передавать с подвижного состава на объекты инфраструктуры и обратно информацию о фактическом техническом состоянии подвижного состава и инфраструктуры по пути следования, о результатах измерений, проверок средств и систем диагностики (путеизмерительных вагонов, дефектоскопных тележек, вагонов-лабораторий и др.).