Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы передачи дискретных сообщений. Учебное пособие
.pdf
a б
Рис. 2.8. Виды технологий MIMO:
a ‒ SU-MUMO; б ‒ MU-MIMO
В сети Wi-Fi стандарта IEEE 802.11n используется технология
SU-MIMO. Стандартом предусмотрены минимальная конфигурация
MIMO 2 × 1 (две антенны на ТД и одна на АТ) и максимальная конфи-
гурация MIMO 4 × 4 (по четыре антенны на ТД и АТ), а также допускаются все промежуточные конфигурации (например, MIMO 2 × 2,
MIMO 4 × 2). Пропускная способность канала MIMO
сумме пропускных способностей каналов SISO
()C
SISO
()C
[4]:
MIMO
равна
MIMO SISO 2
где
min{ , }kNM
tx rx
– меньшее из двух значений
количество передающих антенн;
BW log (1 / )CkCk SN
– количество приемных ан-
2M
rx
,
,NM
tx rx
;
–
2N
tx
тенн; BW – полоса пропускания канала.
В сети Wi-Fi стандарта IEEE 802.11ас возможно использование как
технологии SU-MIMO, так и MU-MIMO [1]. В случае применения технологии SU-MIMO стандартом предусмотрена максимальная конфигурация MIMO 8 × 8. Технология MU-MIMO в IEEE 802.11ас используется только в нисходящем DL-канале с возможной максимальной конфигурацией MU-MIMO 8 × 8, при этом накладывается ограничение на
количество одновременно обслуживаемых DL-каналом
абонентов –
не более четырех пользователей. Общее число пространственных потоков, которое может быть организовано в нисходящем DL-канале, ограничено доступной максимальной конфигурацией:
ssDL
.
8N
41
Электромагнитное излучение антенн Wi-Fi-роутера
R
Поскольку Wi-Fi-роутер (hot-spot) размещается внутри административных (офисных) или жилых помещений и в непосредственной близости
от людей, возникает задача определения такого расстояния от места расположения излучающей антенны, при котором воздействие электромагнитного поля (ЭМП) на организм человека можно считать безопасным
(основные проявления отрицательного воздействия внешнего переменного ЭМП на организм человека кратко
были описаны в разделе 1.2). Количественная оценка опасности электромагнитных излучений с частотами от 300 до 3000 МГц проводится по интенсивности излучения, выра-
жаемой величиной плотности потока мощности
определено СанПиН 2.2.4/2.1.8.055–96:
П 10 мкВт/см . Если изме-
П , значение которой
ПДУ
ПДУ
2
ренное (или вычисленное) значение плотности потока мощности П
на расстоянии
от излучающей антенны БС меньше значения
П ,
ПДУ
то считается, что на данном расстоянии отрицательное воздействие на
организм человека от ЭМП отсутствует. На практике при вычислении
значения плотности потока мощности П Wi-Fi-роутера следует учитывать, что в зависимости от модели роутера может быть от двух до
восьми одновременно излучающих антенн. Типичная конструкция антенны Wi-Fi-роутера (рис. 2.9) представляет собой
по сути решетку
из двух и более вертикальных вибраторов, которые разделены индуктивными катушками.
Рис. 2.9. Коллинеарная
антенна
Рис. 2.10. Типичные ДН
антенны Wi-Fi
42
Электрическая длина катушек выбирается таким образом, чтобы
P
ток, текущий в них, имел противоположное направление относительно
тока, текущего в вибраторах длиной
l . Питание антенны осуществля-
ется с помощью коаксиального кабеля через разъем, подключаемый
к нижнему вибратору. Для защиты от климатических и механических
воздействий антенна помещается в диэлектрический (обычно стеклопластиковый) корпус. Типичные нормированные амплитудные ДН антенны Wi-Fi показаны на рис. 2.10.
2.3. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЕТИ Wi-Fi
Энергетический бюджет линии
Планирование радиопокрытия в сети Wi-Fi начинается с расчета
энергетического бюджета линии связи, который определяется отдельно
для нисходящего DL (от ТД до АТ) и восходящего UL (от АТ до ТД)
направления. Энергетический бюджет линии связи определяется как
разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью
(ЭИИМ) передатчика и минимально необходимой мощностью сигнала
на входе приемника сопряженной
стороны, при которой с учетом всех
потерь в канале связи обеспечивается устойчивая демодуляция сигнала
в приемнике. Поскольку технические характеристики ТД и АТ разные,
энергетический бюджет линии определяется отдельно для нисходящего DL (от ТД до АТ) и восходящего UL (от АТ до ТД) направления.
Энергетический бюджет линии для нисходящего DL направления
(ТД
АТ) рассчитывается по формуле
BL , дБPP G M F ,
DL TD rs min AT MIMO SYS
где
передатчика ТД,
принять равными 1,5
PL G
TD txTD fidTD TD
дБм;
дБ);
ТД и АТ соответственно,
– это ЭИИМ ТД,
– потери в фидере ТД, дБ (при расчетах
L
fidTD
TD AT
дБ ;i
– коэффициенты усиления антенн
,GG
P – минимальный уровень мощно-
rs min
сти принимаемого АТ сигнала, дБм. Конкретное значение
дБм;
P
txTD
– мощность
P зави-
rs min
сит от ширины полосы канала, вида модуляции, скорости кодирования
43
и определяется в соответствии с табл. 2.2;
P
применения технологии MIMO,
дБ
3
);
– запас радиосигнала по мощности, который учитывает
F
SYS
дБ
(при расчетах принять равным
M
– выигрыш за счет
MIMO
возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи,
дБ
(при расчетах принять равным 8
Минимальные значения мощности принимаемого сигнала [1]
Модуляция
BPSK 1/2 ‒82 ‒79 ‒76 ‒73
QPSK 1/2 ‒79 ‒76 ‒73 ‒70
QPSK 3/4 ‒77 ‒74 ‒71 ‒68
16-QAM 1/2 ‒74 ‒71 ‒68 ‒65
16-QAM 3/4 ‒70 ‒67 ‒64 ‒61
64-QAM 2/3 ‒66 ‒63 ‒60 ‒57
64-QAM 3/4 ‒65 ‒62 ‒59 ‒56
64-QAM 5/6 ‒64 ‒61 ‒58 ‒55
256-QAM 3/4 ‒59 ‒56 ‒53 ‒50
256-QAM 5/6 ‒57 ‒54 ‒51 ‒48
Скорость
кодирования
20 МГц 40 МГц 80 МГц 160 МГц
).
Таблица 2.2
Минимальный уровень мощности
принимаемого сигнала
rs min
,P
дБм
дБ
Для восходящего UL направления (АТ ТД) энергетический бюд-
жет линии имеет вид
BL , дБPP G M F ,
UL AT rs min TD MIMO SYS
где
чика АТ,
PG
AT txAT AT
дБм;
ТД сигнала,
– это ЭИИМ АТ,
дБм,
– минимальный уровень мощности принимаемого
P
minrs
который зависит от ширины полосы канала, вида мо-
дБм;
– мощность передат-
P
txAT
дуляции, скорости кодирования и определяется в соответствии с табл. 2.2.
В общем случае из-за различия параметров устройств ТД и АТ бюд-
жеты мощности в линиях DL и UL будут разными
44
(BL BL ).
DL UL
Для того чтобы достичь их примерного равенства, необходимо выбрать
f
N
N
f
N
соответствующую схему модуляции и скорость кодирования в восходящей линии UL и заново пересчитать значение
BL .
UL
Затухание сигнала при распространении
в беспроводном канале
Для расчета зоны радиопокрытия ТД, в пределах которой потери
сигнала не превышают бюджет линии как в направлении DL, так
и в направлении UL, необходимо определить уровень затухания сигнала
при распространении в среде. Применительно к IEEE 802.11. Международным союзом электросвязи (ITU) для расчета потерь сигнала внутри
зданий и помещений рекомендуется использовать эмпирическую модель ITU-R P.1238.8:
() ( ) lg() (),дБ
LdLd NdLn ,
ITU 0
f
где
( ) 20lg( ) 28Ld f
00
янии
МГц;
0
d – дистанция между ТД и АТ, м; () 15 4( 1)
дБ;
,
1 м,d
сигнала при прохождении через стену (или пол), дБ;
стен (или этажей) между ТД и АТ;
– потери в свободном пространстве на рассто-
– центральная частота канала c шириной BW,
0
Ln n – потери
f
n
– количество
– дистанционный коэффициент
потерь мощности сигнала внутри помещения, дБ. Конкретное значение
зависит от частоты передачи
и типа здания, внутри которого раз-
0
мещается ТД (бизнес-центр, промышленное здание, жилой дом, супермаркет, логистический центр, образовательное учреждение и т. д.).
Поэтому согласно рекомендациям МСЭ-R P.1238-5 [2] значение параметра
ведении расчетов сети Wi-Fi следует принять
2,4 ГГц и
может лежать в широких пределах: от 20 до 33 дБ. При про-
26 дБN
, для диапазона
27 дБN
для диапазона 5 ГГц.
Практика показывает, что если количество стен между ТД и АТ более трех, то уровень сигнала на приеме недостаточен для уверенной демодуляции в приемнике. Поэтому при проведении вычислений можно
принять количество стен
Значение расстояния
n
не более двух.
при котором выполняется равенство
,dd
DL
()BLLdd
ITU DL DL
45
,
соответствует радиусу зоны покрытия ТД в направлении DL, тогда как
значение расстояния
при котором выполняется равенство
,dd
UL
()BLLdd
ITU UL UL
,
соответствует радиусу зоны покрытия ТД в направлении UL. Для соблюдения энергетического баланса необходимо, чтобы
BL UL
Найденное значение радиуса зоны покрытия соответствует только
условию соответствия потерь сигнала бюджету линии. При известном радиусе зоны покрытия несложно определить площадь зоны покрытия одной ТД:
22
, мSd
TD DL
.
Скорость передачи данных
в каналах DL и UL
Скорость передачи данных по направлению DL (или емкость ТД) зависит от количества поднесущих передачи полезной информации
в OFDM-сигнале, используемой схемы модуляции и кодирования, количества пространственных потоков, а также длительности OFDM-символа и защитного интервала. Для расчета скорости передачи данных по
направлению DL используется выражение
log ( )
NmRN
R
DL
data 2 modDL codDL ssDL
TT
sg
, бит/с
,
.dd
где
– число поднесущих данных OFDM-сигнала, которое зависит
N
data
от ширины полосы канала, для стандартов IEEE 802.11n и 802.11ac
и определяется в соответствии с табл. 2.1;
в направлении DL;
– количество пространственных потоков в направлении DL;
N
ssDL
R
длительность OFDM-символа;
– скорость кодирования в направлении DL;
codDL
T – длительность защитного интервала
g
m
(для стандартов IEEE 802.11n и 802.11ас составляет
возможно значение
/8).T
s
46
– индекс модуляции
modDL
опционально
/4,T
s
–
T
s
Длительность OFDM-символа определяется по формуле
Z
Z
N
allOFDM
T .
s
BW
, с
Скорость передачи данных по направлению UL определяется как
log ( )
NmR
R
UL
data 2 modUL codUL
TT
sg
, бит/с
,
где
m
modUL
– индекс модуляции в направлении UL;
R
codUL
– скорость
кодирования в направлении UL.
Определение необходимого количества ТД
и числа активных абонентов
Рассчитанное количество ТД, которые следует разместить на заданной площади внутри здания, должно одновременно удовлетворять двум
условиям:
1) в пределах зоны покрытия каждой ТД обеспечивается соответ-
ствие потерь сигнала энергетическому бюджету линии;
2) в пределах всей заданной географической области обеспечивается
минимально необходимая скорость передачи данных от ТД к каждому
абоненту АТ.
Необходимое количество ТД, которое удовлетворяет первому условию, определяется по выражению
S
,
S
TD
2
.
м
где
S
зданий,
N
TD_area
– требуемая площадь покрытия сетью Wi-Fi помещений внутри
2
;
м
– площадь зоны покрытия одной ТД,
S
TD
Необходимое количество ТД, которое удовлетворяет второму условию, определяется по выражению
A
N
TD_speed
47
netDL
,
R
DL
где
R
R
DL, бит/с;
– требуемая емкость беспроводной сети Wi-Fi в направлении
A
netDL
– скорость передачи данных на сектор в направлении
DL
DL, бит/с.
Требуемая емкость беспроводной сети Wi-Fi прямо пропорциональна количеству абонентских терминалов (АТ), которых необходимо
обслужить на площади
и с учетом необходимости передачи слу-
,ZS
жебного трафика может быть определена как
netDL ab_act abDL
N – количество активных абонентов в сети;
где
ab_act
1,25 бит/сANA ,
A
abDL
– мини-
мально необходимая скорость передачи данных от ТД до каждого АТ,
бит/с.
Из условия
NN N несложно определить макси-
TD TD_area TD_speed
мальное количество активных абонентов, которым может быть обеспечена требуемая скорость передачи данных от ТД до АТ:
NR
N
ab_act
1,25
TD DL
A
abDL
.
Поскольку емкость сети в направлениях DL и UL разная, то разным
будет и минимально возможная скорость передачи данных к (от) одновременно работающим (активным) абонентам. При вычисленном количестве абонентов
N и
ab_act
емкость беспроводной сети Wi-Fi
N
TD
в направлении UL составит
netUL ab_act abUL TD UL
где
– минимально возможная скорость передачи данных от
A
abUL
абонента до БС, кбит/с;
1, 2 5 , бит/сANANR,
– скорость передачи данных на сектор
UL
в направлении UL, кбит/с.
Отсюда
NR
1, 2 5
48
TD UL
N
A
abUL
ab_act
, бит/с
,
Максимальный радиус опасной зоны излучения антенн Wi-Fi
При прогнозировании электромагнитных излучений действующее
значение напряженности электрического поля
Е от излучающей ан-
тенны Wi-Fi в точке наблюдения М (см. рис. 2.10) можно определить по
формуле
30
ER D D
() ( ) ( ),В/ м
P – мощность передатчика БС, Вт; G – коэффициент усиления ан-
где
PG
н.вер М н.гор М
R
,
тенны Wi-Fi относительно изотропного излучателя, определяемый
в направлении максимального излучения;
ческого центра антенны до точки наблюдения М, м;
()D – нормированные диаграммы направленности (ДН) антенны
н.гор М
Wi-Fi в вертикальной и горизонтальной плоскости соответственно;
– углы, отсчитываемые по направлению к точке наблюдения М
М
R – расстояние от геометри-
(),D
н.вер М
М
в вертикальной и горизонтальной плоскости соответственно (рис. 2.11).
,
Рис. 2.11. Пояснение к расчету зоны
излучения
49
Поскольку количество одновременно излучающих антенн в зависи-
E
мости от модели роутера может составлять от двух до восьми, то суммарная напряженность электрического поля, создаваемая ими, будет
равна
() () () ... () ... ()
RERERERER,
где
( ), ( ), ..., ( )
ER E R E R
12
22 2 2
12
– напряженность полей излучения антенны
n
in
Wi-Fi-роутера с порядковым номером i .
Плотность потока мощности, создаваемой антеннами Wi-Fi-роутера
в точке наблюдения М, определяется как
()
Значение
R
ER
1, 2
П() ,мкВт/см .
,R
при котором выполняется равенство
2
П() П ,R бу-
ПДУ
дет соответствовать радиусу зоны вокруг Wi-Fi-роутера с опасным для
здоровья человека уровнем излучения. Максимальный радиус опасной
зоны излучения (наихудший вариант) получается в случае, если по
направлению к точке наблюдения нормированные диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскости равны единице,
т. е.
() ()1DD
ММ
при любом расстоянии R.
2.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называют режимом Ad-hoc в сетях Wi-Fi? В чем его основное
достоинство?
2. Перечислите основные различия при использовании в беспровод-
ных сетях связи технологий множественного доступа FDMA и OFDM.
3. За счет чего физически удается улучшить качество связи и за счет
чего физически удается увеличить скорость передачи данных к (от) абоненту в случае использования технологии SU-MIMO?
4. Назовите основной фактор, который обусловливает выбор необходимого значения длительности защитного интервала в Wi-Fi:
или
.
/8T
s
/4T
s
5. Перечислите основные отличия стандартов сети Wi-Fi: IEEE 802.11n
и IEEE 802.11ас. Данные стандарты совместимы?
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]