Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы передачи дискретных сообщений. Учебное пособие
.pdf
1.5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев В. Н. Особенности расчета параметров сети Mobile WiMAX /
В. Н. Дмитриев, И. Г. Шалаев // Вестник АГТУ. Серия: Управление, вычислительная техника информатика. – 2010. – № 2. – С. 129–134.
2. WiMAXТМ System Evaluation Methodology. – Vers. 2.1 – July 2008. – URL:
https://www.cse.wustl.edu/~jain/wimax/ftp/wimax_system_evaluation_methodolog
y_v2_1.pdf (дата обращения: 01.12.2023).
3. Mobile WiMAX – Part 1: A Technical Overview and Performance
Evaluation. – August 2006. – URL: https://wimaxforum.org/news/downloads/
Mobile_WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdf (дата обращения:
01.12.2023).
4. Берлин А. Н. Цифровая сотовая связь / А. Н. Берлин. – Москва : ЭкоТрендз, 2007. – 296 с.
5. Рашич А. В. Сети беспроводного доступа WiMAX : учеб. пособие /
А. В. Рашич. – Санкт-Петербург : Изд-во Политехн. ун-та, 2011. – 179 с.
6. Бухарев И. А. Особенности функционирования сетей беспроводного ши-
рокополосного доступа WiMAX с использованием технологии MIMO //
T-Comm – Телекоммуникации и транспорт. – 2010. – № 7. – С. 195–199.
7. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055–96. Электромагнитные излучения радиочастот-
ного диапазона (ЭМИ РЧ): Санитарные правила и нормы. – Москва : Госкомсанэпиднадзор России, 2002. – 28 с. – URL: https://ohranatruda.ru/upload/
iblock/241/4294851561.pdf (дата обращения: 23.11.2023).
8. МУК 4.3.1677–03. Определение уровней электромагнитного поля, созда-
ваемого излучающими техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи : методические указания. – Москва : Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России,
2003. – 44 с. ‒ URL: https://ohranatruda.ru/upload/iblock/e03/4293831117.pdf (дата
обращения: 23.11.2023).
31
2. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ IEEE 802.11 (Wi-Fi)
2.1. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕТИ Wi-Fi
Основная задача проектирования беспроводных сетей Wi-Fi на основе стандартов IEEE 802.11n и/или 802.11ас заключается в определении необходимого числа точек доступа (ТД), или Wi-Fi-роутеров,
для обеспечения заданной минимальной скорости передачи данных
заданному количеству абонентов в закрытых помещениях с заданной
площадью. Кроме того, при проектировании важно обеспечить электромагнитную безопасность от излучающих антенн
тируемой сети для людей, находящихся в помещениях, где размещаются Wi-Fi-роутеры.
Проектирование беспроводных сетей Wi-Fi состоит из нескольких
этапов. Вначале по исходным данным на проектирование о ширине полосы частот, типе модуляции и скорости кодирования в DL-канале рассчитывается необходимая чувствительность приемника абонентского
терминала (АТ) и соответствующий энергетический бюджет
(DL) канале (т. е. в линии ТД
АС). При тех же значениях ширины
полосы частот, типе модуляции и схеме кодирования вычисляют требуемую чувствительность приемника Wi-Fi-роутера и соответствующий
энергетический бюджет в обратном (UL) канале (т. е. в линии АТ
В случае, если энергетические бюджеты в DL-канале и UL-канале различаются более чем на 3 дБ, то необходимо, выбрав вид модуляции
и скорость кодирования данных в UL-канале, обеспечить примерное равенство энергетических бюджетов в UL- и в DL-канале (различие
должно составлять менее 1 дБ). Затем, используя эмпирическую модель
ITU-R P.1238.8, следует рассчитать и построить
личины потерь на трассе распространения радиосигнала от расстояния
между ТД и АТ. Пользуясь данным графиком и известными значениями
Wi-Fi-роутеров проек-
в прямом
ТД).
график зависимости ве-
d
32
Рис. 2.1. Алгоритм проектирования сети Wi-Fi
33
энергетических бюджетов в DL- и UL-канале, далее необходимо определить дальность передачи сигналов в линиях DL
()d
DL
и степень их расхождения. Минимальное из двух значений
и UL
()d
UL
и
d
DL
d
UL
будет определять радиус зоны покрытия одной ТД сети Wi-Fi. При
найденном радиусе зоны покрытия следует вычислить площадь зоны
покрытия одной ТД в предположении, что она аппроксимируется
окружностью. После этого осуществляется расчет максимальной скорости передачи данных (или емкость канала), которая может быть обеспечена в DL- и UL-канале. Исходя из площади покрытия
одной ТД, определяется необходимое количество ТД для построения беспроводной
сети Wi-Fi в помещениях с заданной площадью внутри здания. Затем
проводится расчет максимально возможного количества активных абонентов, которые могут быть обслужены в рассчитанной беспроводной
сети Wi-Fi, и минимально достижимой скорости передачи данных от
абонента до ТД. Завершается проектирование беспроводной сети Wi-Fi
вычислением и
графическим построением максимального размера санитарно-защитной зоны (СЗЗ) излучающих антенн Wi-Fi-роутера с учетом
используемой схемы MIMO.
Алгоритм расчета беспроводной сети передачи данных по техноло-
гии Wi-Fi по рассмотренной методике представлен на рис. 2.1.
По результатам проектирования следует сформировать в рукописном или печатном виде отчет по выполненной работе, в который включить:
процедуру расчетов беспроводных сетей Wi-Fi ;
таблицы результатов;
график зависимости потерь от расстояния;
графическое изображение СЗЗ излучающих антенн Wi-Fi-ро-
утера;
выводы по степени расхождения дальности передачи сигналов в DLи UL-каналах, по скорости передачи данных к (от) АТ и в целом по результатам расчетов.
34
2.2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
ПО ОРГАНИЗАЦИИ
И ФУНКЦИОНИРОВАНИЮ СЕТЕЙ Wi-Fi
Wi-Fi (Wireless Fidelity) – это технология беспроводной передачи
данных в рамках локальной сети устройствами на основе стандарта
IEEE 802.11, которая была создана в 1997 г. В настоящее время имеется почти два десятка стандартов на радиоинтерфейс сети Wi-Fi:
IEEE 802.11 a; b; g; h; i; n; ad; ac; af; ah и т. д. На данный момент наиболее распространены на рынке устройства, поддерживающие стандарты
IEEE 802.11n и 802.11ac, которые рассмотрим более подробно.
Основными элементами сети Wi-Fi являются: Wi-Fi-роутер (также
называемый точкой доступа, или хот-спот) и Wi-Fi-адаптер (рис. 2.2).
Wi-Fi-адаптер ‒ это специальное оборудование, встроенное в устрой-
ство пользователя (смартфон, ноутбук, ТВ-приемник, планшет и т. п.),
обеспечивающее его подключение к беспроводной сети в определенном
диапазоне частот и осуществляющее прием / передачу данных пользователя в пакетном режиме. Следует отметить, что Wi-Fi-адаптер может
не только принимать/передавать данные от (на) Wi-Fi-роутер, но и сам
раздавать сигнал как точка доступа (режим Ad-hoc, рис. 2.2, а).
а б
Рис. 2.2 Типичные схемы организации сети Wi-Fi [1]
Wi-Fi роутер (или маршрутизатор) – это специализированное
устройство для беспроводного подключения Wi-Fi-адаптеров к сети
Internet и (или) к локальной сети Ethernet (инфраструктурный режим,
рис. 2.2, б). Основное назначение роутера – прием/передача пакетов
35
данных между различными Wi-Fi-адаптерами и другими сегментами
сети на основе правил и таблиц маршрутизации.
Канал связи в сети Wi-Fi между точкой доступа (ТД) и абонентским
терминалом (АТ) со встроенным Wi-Fi-адаптером принято разделять на
восходящий UL-канал (от АТ к ТД) и нисходящий DL-канал (от ТД
к АТ). Для реализации дуплексного режима обмена данными по этим
двум направлениям связи в IEEE 802.11n и 802.11ас используется режим
с разделением по времени каналов UL и DL (TDD). При этом важно отметить, что передача данных с нескольких АТ (или с нескольких ТД)
выполняется в полудуплексном режиме, т. е. поочередно, для того
чтобы избежать коллизий между АТ (или ТД).
а
б
Рис. 2.3. Разрешенные в России частотные полосы для сетей Wi-Fi:
а ‒ диапазон 2 ГГц; б ‒ диапазон 5 ГГц
Для построения сетей IEEE 802.11n в России [1] разрешены к использованию следующие диапазоны: 2,4 ГГц (2400,0…2483,5 МГц, каналы 1…13) и/(или) 5 ГГц (5150…5350 и 5650…6425 МГц, каналы
32…68 и 132…284), а для сетей стандарта IEEE 802.11ас – только диапазон 5 ГГц (5150…5350 и 5470…6425 МГц, каналы 32…68 и 96…284).
В частотном диапазоне 2,4 ГГц для IEEE 802.11n из 13 частично
36
накладывающихся друг на друга каналов одновременно можно исполь-
R
R
f
зовать в сети максимум лишь три неперекрывающихся канала (1, 6
и 11-й) шириной 20 МГц или два канала шириной 40 МГц (рис. 2.3, а).
В частотном диапазоне 5 ГГц для IEEE 802.11n возможно выделение
полос каналов шириной 20 и 40 МГЦ, тогда как для 802.11ас – 20, 40, 80
и 160 (опционально) МГц (рис. 2.3, б).
Далее будут рассматриваться основные особенности построения
и функционирования сетей Wi-Fi стандартов IEEE 802.11n и 802.11ас.
Технология OFDM
Сети Wi-Fi стандартов IEEE 802.11n и 802.11ac используют технологию OFDM (многостанционный доступ на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов) для передачи
сигналов различных пользователей на физическом уровне. Принцип получения OFDM-сигнала показан на рис. 2.4 и рис. 2.5.
Рис. 2.4. Принцип технологии OFDM
Исходный последовательный цифровой поток со скоростью
лится на
b
пуляцию своей несущей с частотой (1,2,3,...,)
n параллельных канальных цифровых потоков со скоростями
. Каждый низкоскоростной канальный поток осуществляет мани-
/
n
in в своем каналь-
i
b
де-
ном модуляторе. В стандарте IEEE 802.11n в качестве канального модулятора используется одна из четырех схем модуляции: BPSK, QPSK,
16QAM или 64QAM, тогда как в стандарте IEEE 802.11ас – одна из пяти
схем модуляции: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM или 256QAM. В суммирующем устройстве происходит сложение канальных радиосигналов
с разными несущими частотами (называемые
поднесущими) и образу-
ется высокочастотный OFDM-сигнал.
37
Рис. 2.5. Принцип формирования OFDM-сигнала
Для обеспечения минимума ширины занимаемого поднесущими
спектра частот и одновременно для исключения взаимовлияния каналов
с разными поднесущими необходимо обеспечить ортогональность сигналов на поднесущих частотах. Условием ортогональности поднесущих
является равенство
.
Fff T
SC 1 s
ii
1/
То есть за время продолжительности передаваемого сигнала (модуляционного символа)
колебания разностной частоты
должно укладываться целое число периодов
T
s
, рис. 2.6. Следует отметить, что
F
SC
любые сдвиги частот поднесущих и неточности временной синхронизации приводят к снижению отношения S/N и, соответственно, к ошибкам
в приеме сигнала. Поэтому для синхронизации частот всех поднесущих
в OFDM вводится специальный синхронизирующий сигнал.
Количество поднесущих в OFDM-сигнале определяется величиной
минимального разноса между поднесущими
и полосой пропуска-
F
SC
ния канала BW.
38
Рис. 2.6. Колебания ортогональных
поднесущих
Все поднесущие при формировании OFDM-сигнала разделены на
три типа, как показано на рис. 2.7:
1) поднесущие частоты для передачи данных;
2) поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов;
3) нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных ин-
тервалов частот и центральной поднесущей. Нулевые поднесущие не излучаются, и передача на них не ведется.
Рис. 2.7. Распределение поднесущих частот
Конкретное количество указанных видов поднесущих частот для
стандартов IEEE 802.11n и 802.11ас приведено в табл. 2.1.
Группа поднесущих частот, которая в данный момент переносит
биты параллельных цифровых потоков, называется
OFDM-символом
(см. рис. 2.5). Для того чтобы обеспечить устойчивость OFDM-сигнала
к эффекту многолучевого распространения, вызывающему межсимвольные искажения, перед каждым OFDM-символом вводится защитный интервал, называемый
щитного интервала
T в стандартах IEEE 802.11n и 802.1ас состав-
g
ляет 1/4 или 1/8 от длительности OFDM-символа
циклическим префиксом. Длительность за-
[1].
T
s
39
Таблица 2.1
Количество поднесущих OFDM-сигнала в канале [1]
Характеристика Параметр
Ширина канала BW, МГц 20 40 80 160
Количество поднесущих OFDM сигнала N
Из них:
число поднесущих с данными N
число пилотных поднесущих N
52 108 234 468
data
4 6 8 16
pilot
64 128 256 512
allOFDM
В заключение важно отметить, что структурная схема (см. рис. 2.4),
содержащая
n генераторов низкой частоты и n канальных модуляторов,
лишь иллюстрирует принцип получения OFDM-сигнала и в настоящее
время на практике не используется. В современных OFDM-формирователях генерация многих поднесущих OFDM-сигнала базируется на обратном дискретном преобразовании Фурье (ОДПФ), применяемом
к символам цифрового потока в промежутки времени
.
T
s
Технология SU-MIMO и MU-MIMO
Технология MIMO в семействе стандартов IEEE 802.11 используется начиная с IEEE 802.11n. Говоря о практическом использовании
многоантенных устройств (MIMO) в системах беспроводной связи, следует различать следующие виды (рис. 2.8):
SU-MIMO (Single User MIMO, или просто MIMO) – однопользо-
вательская технология MIMO. В этом случае система связи обслужи-
вает одного абонента в заданной полосе частот и позволяет либо улуч-
шить качество связи, либо увеличить скорость передачи данных к (от)
абоненту;
MU-MIMO (Multi User MIMO) – многопользовательская техноло-
гия MIMO. В этом случае за счет формирования узконаправленных излучений (режим Beamforming) система связи может либо обслуживать од-
новременно несколько абонентов в общей заданной полосе частот, либо
за счет пространственного мультиплексирования нескольких параллельных пространственных потоков данных (режим Spatial multiplexing) уве-
личить скорость передачи данных для одного абонента.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]