Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы передачи дискретных сообщений. Учебное пособие
.pdf
соединений между абонентами. Кроме того, БС выполняет обработку
сигнализации, осуществляет распределение ресурсов среди абонентов.
В отличие от сотовых сетей GSM, UMTS и LTE, БС сети WiMAX выполняют бо´льшую часть функций сети абонентского доступа;
ASN Gateway – агрегатор нагрузки (контроллер) сети доступа,
предназначенный для объединения абонентского трафика и сообщений
сигнализации от БС, их обработки и
Рис. 1.2. Структура сети связи стандарта WiMAX
передачи в сеть CSN.
Подсистема СSN предназначена для осуществления доступа абонентов WiMAX к внешним сетям: Интернет, Ethernet, IP-телефония.
В ее состав входят следующие основные элементы:
сервер AAA (Authentication, Authorization, Accounting) – элемент
сети, обеспечивающий авторизацию, аутентификацию и аудит пользователей сети. Служит для контроля доступа абонентов в сеть, назначения ключей шифрования, регистрации параметров соединений и, кроме
того, хранит профили качества обслуживания абонентов;
сервер PF (Policy Function) – база данных, содержащая сценарии
выполнения приложений для различных услуг, предоставляемых сетью
WiMAX;
сервер HA (Home Agent) – элемент сети, отвечающий за возмож-
ность роуминга. Осуществляет обмен данными между сетями разных
операторов.
Для построения сетей WiMAX в России выделены определенные
диапазоны частот (табл. 1.1).
Канал
связи между БС и АС предполагает наличие двух направлений передачи: восходящий канал UL (от АС к БС) и нисходящий канал
DL (от БС к АС). Для реализации дуплексного режима обмена данными
по этим двум каналам связи в стандарте IEEE 802.16е используются две
11
технологии: режим с разделением по времени каналов UL и DL (TDD)
и режим с разделением по частоте этих каналов (FDD).
Таблица 1.1
Диапазоны частот WiMAX в России
Диапазон
частот, ГГц
2,5 2500…2530; 2560…2570; 2620…2630; 2660…2670; 2680…2690
3,5 3400…3450; 3500…3550
5 5150…5350; 5650…5725; 5725…6425
Разрешенные полосы частот, МГц
Рассмотрим основные особенности построения и функционирова-
ния WiMAX стандарта IEEE 802.16е в режиме FDD.
Технология OFDMA
Для передачи данных на физическом уровне в стандарте IEEE 802.16d
используются OFDM-сигналы и технология множественного доступа
S-OFDMA (масштабируемая многопользовательская OFDM), обеспечивающая гибкость распределения ресурсов, поскольку предусматривает
возможность масштабирования полосы пропускания OFDMA канала по
мере необходимости. В стандарте IEEE 802.16е могут быть использо-
следующие полосы OFDMA-канала: BW = 1,25; 5; 10; 20 МГц. Ос-
ваны
новные отличия технологии OFDMA от OFDM заключаются в количестве поднесущих частот (далее – поднесущих)
, используемых для
N
all
формирования OFDM- или OFDMA-сигнала (см. табл. 1.2 и 2.1) и способах выделения этих поднесущих отдельному пользователю. В системах с технологией OFDM только один пользователь может передавать
сигнал на всех поднесущих в любой момент. Для поддержки множества пользователей выделяются разные временны´ е интервалы для различных пользователей, в пределах которых
задействованы все поднесущие для передачи данных. В системах с технологией OFDMA за отдельным пользователем могут закрепляться как все поднесущие для
передачи данных, так и часть из них ‒ подмножество поднесущих
(рис. 1.3). Это существенно облегчает обслуживание большого количества абонентов и позволяет динамически выделять для конкретного
12
пользователя «лучшие» поднесущие частоты, на которых меньше уровень узкополосных помех или существенно меньше эффект от быстрых замираний сигнала.
частоты
поднесушие
Полоса канала BW
Полоса канала BW
поднесушие
а б
Рис. 1.3. Частотно-временное представление сигналов OFDM (а)
и OFDMA (б)
Амплитуда и фаза каждой поднесущей вычисляется на основе той
или иной выбранной схемы модуляции, предусмотренной в стандарте
IEEE 802.16е: QPSK, 16QAM или 64QAM, сигнальные созвездия которых представлены на рис. 1.4. Все поднесущие частоты при формировании OFDMА-сигнала разделены на три типа (рис. 1.5): поднесущие для
передачи данных; поднесущие для передачи пилот-сигналов и нулевые
поднесущие, используемые для защитных интервалов и центральной
поднесущей. Нулевые поднесущие не излучаются, и передача на них не
ведется.
частоты
Рис. 1.4. Сигнальные созвездия схем модуляции в IEEE 802.16е
13
Рис. 1.5. Распределение поднесущих частот
Набор определенного количества поднесущих частот формирует
подканал (или слот) OFDMA. При формировании подканалов применяются следующие основные способы каналообразования:
с полным использованием поднесущих частот (FUSC ‒ Fully Used
Subcanalization);
с частичным использованием поднесущих частот (PUSC ‒ Partly
Used Subcanalization).
Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего
набора несущих частот выбирается только часть. В этом случае вся излучаемая мощность концентрируется только в части используемой полосы, что приводит к увеличению излучаемой мощности на каждую
поднесущую. При распространении сигнала в городских условиях это
дает дополнительный запас на его
замирание, поэтому режим PUSC
чаще всего используется на практике при проектировании сети Mobile
WiMAX. Конкретное количество указанных видов поднесущих частот
для стандарта IEEE 802.16е в режиме PUSC приведено в табл. 1.2.
Каждому пользователю могутт выделяться как все поднесущие частоты, так и часть из их общего количества, указанного в табл. 1.2. Таким образом можно распределять поднесущие
между пользователями
(в IEEE 802.16d) или динамически перераспределять их (в IEEE 802.16е),
обеспечивая необходимые им скорости передачи.
Для того чтобы обеспечить устойчивость OFDM-сигнала к эффекту
многолучевого распространения, вызывающему межсимвольные искажения, перед каждым OFDM-символом вводится защитный интервал,
называемый циклическим префиксом. Длительность защитного интервала
в IEEE 802.16е [2] может составлять 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32
T
g
14
от длительности OFDM-символа
Чем больше
.T
s
тем выше устой-
,T
g
чивость к межсимвольным искажениям, но меньше скорость передачи
данных.
Таблица 1.2
Характеристики OFDM в стандарте IEEE 802.16е для режима PUSC
Характеристика Параметр
Ширина полосы канала BW, МГц 1,25 5 10 20
Количество поднесущих OFDMA-сигнала N
Из них:
число поднесущих с данными N
число пилотных поднесущих N
DL
Канал
число нулевых поднесущих N
pilDL
zeroDL
число поднесущих с данными N
число пилотных поднесущих N
UL
Канал
число нулевых поднесущих N
pilUL
zeroUL
Разнос между поднесущими ΔFSC, кГц 10,9375
Коэффициент расширения полосы
(1)
Параметр, учитывающий увеличение расчетной полосы по отношению к номи-
нальной из-за наличия защитных поднесущих: N
(1)
nfb 28/25
128 512 1024 2048
all
72 360 720 1440
dataDL
12 60 120 240
44 92 184 368
56 280 560 1120
dataUL
28 140 280 560
44 92 184 368
ΔFSC = BW nfb.
all
Помехоустойчивое кодирование
В силу случайного характера интерференционных явлений в условиях многолучевого распространения устранить их полностью, используя только циклический префикс в OFDM-символах, невозможно. Поэтому в системах беспроводной связи применяют помехоустойчивое кодирование с целью обнаружения и коррекции ошибочных символов.
В стандарте IEEE 802.16е предусмотрено несколько методов помехоустойчивого кодирования (FEC – прямое
исправление ошибок), но на
практике чаще всего применяются:
совместно кодер Рида ‒ Соломона и сверточное кодирование (СК)
с переменной скоростью кода;
совместно кодер Рида ‒ Соломона и сверточное турбокодирова-
ние (СТК) с переменной скоростью кода.
15
Таблица 1.3 содержит информацию о применяемых схемах кодирования, переменной скорости кода и видах модуляции, реализуемых
в мобильном варианте WiМAX [4].
Таблица 1.3
Применяемые коды и виды цифровой модуляции в IEEE 802.16е
Вид преобразования Канал DL Канал UL
Модуляция, допустимые виды
Кодирование
СК, допустимые скорости 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 3/4, 5/6
СТК, допустимые скорости 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 3/4, 5/6
QPSK, 16QAM,
64QAM
QPSK, 16QAM,
64QAM
Воздействие глубоких замираний сигнала или сильных помех в канале связи приводит к пакетным ошибкам OFDM-сигналов, поэтому для
избежания ошибочного приема битов в IEEE 802.16е вводится процесс
перемежения данных (интерливинг), суть которого заключается в перестановке символов кодированной последовательности до ее модуляции
и восстановлении исходной последовательности после демодуляции.
Необходимо отметить, что в IEEE 802.16е для повышения производительности кодирования используется рандомизатор – устройство для
исключения длинных последовательностей нулей или единиц в данных
пользователей.
Система планирования доступа к среде
Важной особенностью стандарта IEEE 802.16е является возможность адаптивного выбора комбинации видов модуляций и кодовых скоростей (сигнально-кодовых конструкций) в зависимости от текущего
состояния радиоканала и его помеховой и интермодуляционной загруженности. Это обеспечивает очень удобную настройку пропускной
способности системы для передачи данных в каждый
момент путем
«перекачивания» скорости передачи в канале в помехоустойчивость
и наоборот. В соответствии со стандартом IEEE 802.16е, в зависимости от отношения сигнал/шум (SNR – Signal-to-Noise Ratio) система
выбирает метод модуляции и скорость кодирования, при котором может быть обеспечен безошибочный прием (рис. 1.6). Дополнительным инструментом повышения помехоустойчивости в IEEE 802.16е
16
служит механизм гибридного автоматического запроса (HARQ) на повторную передачу в случае приема ошибочного пакета данных.
Рис. 1.6. Выбор сигнально-кодовой конструкции в зависимости
от SNR
В этом режиме каждый пакет, переданный БС, требует подтверждения от АС по служебному обратному каналу, если АС сообщает об
ошибке. Если подтверждение успешного приема не получено в установленный срок, то БС приступает к повторной передаче.
Поддержка многоантенных систем
Стандарт IEEE 802.16e является первым из стандартов беспроводной связи, в котором описано
применение технологии многоантенных
систем MIMO (Multiple Input Multiple Output). Основные задачи MIMO –
повысить пропускную способность беспроводного канала и качество
связи. На БС Mobile WiMAX возможно использование на передачу
и прием одной, двух и четырех антенн в одном секторе, тогда как на
АС обычно применяется одна антенна MISO (Multiple Input Single
Output), существенно реже ‒ две
антенны. Таким образом, возможны
схемы MISO 4 × 1 или MISO 2 × 1. На практике чаще всего используется схема MISO 2 × 1 – две приемо-передающие антенны на БС и одна
приемо-передающая антенна на АС. Пропускная способность канала
MISO
()C
имеет логарифмическую зависимость от числа переда-
MISO
ющих антенн [6]:
17
MISO 2 tx
BW log (1 / )CNSN
,
где
2N
tx
ния канала;
– количество передающих антенн;
/SN – отношение сигнал/шум.
BW
– полоса пропуска-
Основной схемой MIMO в стандарте IEEE 802.16е в нисходящем канале связи DL является схема пространственно-временного кодирования
сигналов 2 × 1 по методу Аламоути [4, 5]. При использовании схемы Аламоути для приема сигнала достаточно одной антенны и пары временны´ х
отсчетов
и
r
, которые на эту антенну поступают за два последова-
r
1
2
тельных тактовых интервала. Схема Аламоути позволяет в условиях многократных отражений сигнала при его распространении получить существенный выигрыш в отношении сигнал/шум) за счет введения ортогональности по фазе между одновременно передаваемыми сигналами и парами сигналов, последовательно излучаемых каждой антенной.
В восходящем канале связи UL в стандарте IEEE 802.16e применяется схема пространственного уплотнения сигналов от АС. Это означает, что две АС, расположенные на достаточно большом расстоянии
друг от друга, могут осуществлять передачу данных, используя одни
и те же ресурсные блоки OFDMA, не интерферируя друг с другом.
Кроме того, в UL-канале использование технологии MISO позволяет
реализовать пространственное разнесение сигнала от АС при приеме на
БС, получая тем самым независимые (некоррелированные) сигналы от
двух приемных антенн БС. Соответствующая обработка этих приемных
сигналов от АС позволяет существенно снизить влияние быстрых замираний сигнала на уровень мощности принимаемого сигнала.
Электромагнитное излучение антенны БС сети WiMAX
В связи с особенностями размещения БС (как правило, на крышах
жилых зданий в наиболее густонаселенных районах городов) возникает
задача определения такого расстояния от места расположения излучающей антенны, при котором воздействие электромагнитного поля (ЭМП)
на организм человека можно считать безопасным. При прогнозировании электромагнитных излучений от БС учитываются две зоны:
санитарно-защитная зона (СЗЗ) – это площадь, непосредственно
1)
примыкающая к БС, на внешней границе которой уровень электромагнитного поля на высоте 2 м от поверхности земли равен предельно допустимому уровню ЭМП;
18
2) зона ограничения застройки (ЗОЗ) – это территория, где на высоте
более 2 м от поверхности земли превышаются предельно допустимые
нормы. Внешняя граница ЗОЗ определяется по максимальной высоте
верхнего этажа зданий вокруг БС, где уровень ЭМП не превышает предельно допустимого уровня.
Отрицательное воздействие внешнего переменного ЭМП (в частности излучение от БС)
на организм человека может быть сведено к двум
основным проявлениям.
1. Поглощаемая тканями энергия ЭМП превращается в тепловую
энергию, вследствие чего возможно повышение температуры отдельных органов и тела человека в целом. В то же время известно, что недопустимо перегревание на 1 ºС и выше некоторых жизненно важных органов (например, почек, желудка, мозга и т. д.).
2. Проникающее ЭМП вызывает различные изменения в живых тканях организма человека, заключающееся в нарушении химического состава, структуры, функции и электрического равновесия тканей. В результате могут возникать расстройства питания тканей или органов,
нарушаются регуляторные функции, происходят изменения на уровне
клеточных структур и белковых соединений.
Количественная оценка опасности электромагнитных излучений
с частотами от 300 до 3000 МГц производится по интенсивности излучения, выражаемой величиной предельно допустимого уровня (ПДУ)
плотности потока мощности
П
(табл. 1.4), значение которой опре-
ПДУ
делено СанПиН 2.2.4/2.1.8.055–96 [7].
Таблица 1.4
Предельно допустимые уровни излучения в диапазоне
от 300 до 3000 МГц
Категория облучения П
Облучение населения, проживающего на прилегающей к антенне БС территории
Облучение пользователей мобильных телефонов 100
, мкВт/см2
ПДУ
10
Если измеренное (или вычисленное) значение плотности потока
мощности П на расстоянии R от излучающей антенны БС меньше значения
, то считается, что на данном расстоянии отрицательное
П
ПДУ
воздействие на организм человека от ЭМП отсутствует.
19
1.3. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
P
f
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЕТИ WiMAX
Чувствительность приемника
Чувствительность приемного устройства определяется как минимальный уровень его входного сигнала, необходимый для обеспечения
требуемого качества полученного сообщения. Качество обычно оценивают либо заданной битовой вероятностью ошибки (BER – Bit Error
Ratio), либо отношением сигнал / шум (SNR) на входе приемника. Очевидно, что прием сигнала происходит успешно, если отношение сигнал / шум на входе приемника превышает заданное (требуемое) отношение сигнал / шум:
P
c.пр
PP
ш.пр ш
P
c
.
треб
Отсюда допустимая минимальная мощность на входе приемника
, или чувствительность приемника, вычисляется по формуле
0пр
P
PP P
0пр с.пр ш.пр
c
P
ш
треб
, Вт
.
Конкретное значение
(/ )PP
c штреб
зависит от вида модуляции, схемы
и скорости кодирования и определяется в соответствии с табл. 1.5 [1].
Мощность шума на входе приемника зависит от ширины полосы частот и может быть вычислена по формуле
,
, ВтPkTfk
290 КT
0
–
где
1, 38 10 Вт/(Гц К)k
B
23
опорная температура;
ш.пр B0 ш.пр
– постоянная Больцмана;
– коэффициент шума приемника (3…5 дБ
k
ш.пр
для приемника БС и 6…8 дБ для приемника АС, согласно рекоменда-
циям WiMAX Forum [3]);
– используемая полоса частот.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]