Беспроводные локальные сети. Семейство стандартов для широкополосного доступа. Системы мобильной связи стандарта 802.16е.

9.1 Основные понятия локальных беспроводных сетей. Стандарты и типы беспроводных сетей. Сравнительная оценка по основным характеристикам.

Мобильный WiMAX может обеспе­чить скорость десятки мегабит в секунду для основных конфигураций ба­зовых станций, реализованных согласно системе стандартов (системному профилю) IEEE 802.16, известной также под общим названием WiMAX.

Ниже будут рассмотрены основные новые технические решения, на­пример, адаптивные антенные системы (AAS — Adaptive Antenna System), которые значительно улучшают рабочие характеристики (но без подроб­ного анализа последних).

Сервисные службы, которые могут поддержать такие системы, включают широкополосные услуги, которые требуют высоких скоростей передачи данных, в том числе потоки видео и VoIP с высоким качеством обслуживания.

Характеристики мобильного WiMAX предполагают взаимодействие-между мобильным WiMAX и широкополосными проводными услугами, например, по кабельным и цифровым абонентским линиям типа DSL. Важным требованием для успеха проекта является обеспечение услуг мо­бильного Интернета.

Наращиваемая архитектура, высокая производительность при пере­даче данных и низкая стоимость установки на сети делают мобильный WiMAX лидером беспроводных широкополосных услуг. Другие преиму­щества WiMAX включают открытый подход структуры стандартов, «дру­жественные» интерфейсы и обеспечение здоровой экосистемы.

Множество компаний внесли вклад в развитие технологии, и много компаний объявили о своих планах в этом направлении.

Такая растущая конкуренция гарантирует удовлетворение другого важного требования для успеха технологии — низкую стоимость мобиль­ного Интернета.

9.2 Мобильный WiMAX.Основные характеристики и свойства. Основы ортогонального многостанционного доступа с частотным разделением каналов – OFDMA. Структура и формирование OFDMA-подканалов.

Технология Мобильного WiMAX базируется на двух стандартах: на стандарте IEEE 802.16-2004 радиоинтерфейс (Air Interface Standard) и на принятом 7 декабря 2005 года стандарте IEEE 802.16e-2005 (он бу­дет играть ключевую роль при построении фиксированной широкопо­лосной радиосети города). Первая лаборатория для сертификации си­стем этого стандарта развернута в лаборатории Cetecom Labs (Малага, Испания).

7 декабря 2005 IEEE ратифицировал поправки, названные IEEE 802.1бе, к стандартам 802.16. Эти поправки добавляют требования и ха­рактеристики, необходимые для обеспечения работы мобильных абонен­тов WiMAX [53]. WiMAX Forum, базируясь на поправках IEEE 802.1 бе, ка­сающихся мобильности, определил основные характеристики и профиль сертификации (рис. 8.1). Для наземной сети он определил архитектуру се­ти, необходимую, чтобы осуществлять мобильные соединения WiMAX «из конца в конец».

Мобильный WiMAX — это система беспроводной связи, которая позволяет конвергенцию (постепенное сближение) мобильной широко­полосной и стационарной сетей на основе технологии радиодоступа и гибкой архитектуры сети.

В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортого­нальный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обес­печивает хорошие характеристики в условиях многолучевости и при отсут­ствии прямой видимости. Этот метод доступа заключается в том, что последовательный поток информации из N символов разбивается на п бло­ков по N/n символов в каждом, причем символы разных блоков передают­ся «параллельно», каждый на своей поднесущей. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет снизить до минимума или полно­стью исключить межсимвольные искажения, возникающие в радиоканале. Чтобы дать возможность наращивать пропускную способность канала от 1,25 к 20 МГц, поправками ШЕЕ 802.16е был введен метод «наращиваемый OFDMA» (SOFDMA - Scalable OFDMA) [109]. Группа WiMAX-Форума, занимающаяся обеспечением мобильности, разработала системные про­фили, которые оговаривают обязательные и дополнительные характерис­тики, необходимые для построения гибкого радиоинтерфейса. Системный профиль мобильного WiMAX позволяет создавать мобильные системы на основании общей базы и общего набора характеристик, которые гаранти­руют полностью совместимые основные функциональные возможности для терминалов и базовых станций.

Некоторые из существенных характеристик мобильного WiMAX приведены ниже.

Высокая скорость передачи данныхза счет применения системы ан­тенн MIMO¹ (Multi Input — Multi Output) антенны в сочетании с гибкими схемами каналообразования, усовершенствованным кодированием и мо­дуляцией. Все это позволяет технологии мобильного WiMAX поддержать пиковую скорость данных по направлению «вниз» до 63 Мбит/с и в на­правлении «вверх» — до 28 Мбит/с.

Качество обслуживания (QoS)является фундаментальным условием архитектуры протоколов доступа к среде (IEEE 802.16 MAC — Media Access Control). Оно определяется применением метода DiffiServ — диф­ференцированного обслуживания. Это стандартизированный метод для поддержки служб с различными уровнями качества. При этом трафик разделяется с помощью меток на несколько групп в зависимости от QoS.

Мобильный WiMAX предусматривает применение многопротокольной коммутации с использованием меток (MPLS — Multiprotocol Label Switching). Эта технология работает с метками в пакетах данных и позволяет создавать выделенные коммутируемые потоки. Применение этих методов позволяет осуществлять IP-соединения с учетом QoS. Оптимальное исполь­зование времени, пространства и частоты обеспечивается механизмом обра­зования подгрупп каналов на заданное время (subcanalization) и сигнализа­цией по отдельным каналам связи (ОКС), применяющей специальные сиг­нальные протоколы прикладного уровня (MAP — Mobile Application Part).

Наращиваемость.Технология WiMAX разработана так, что она спо­собна наращивать каналы и работать при различных методах формирова­ния каналов от 1,25 до 20 МГц, чтобы удовлетворить различные требова­ния к использованию диапазона.

Все это позволяет достичь выгодных экономических решений в кон­кретной географической зоне, например, обеспечить доступный беспро­водной Интернет в сельской местности, предоставлять мобильную связь в пригородах с малой плотностью абонентов и т. п.

Безопасность.Применяемые средства безопасности являются лучши­ми в классе расширяемых протоколов аутентификации (ЕАР — Extensible Authentication Protocol). Эти методы основаны на применении дополни­тельных средств помимо SIM-карты (одноразовые маркеры, цифровые под­писи и пр.). Схемы шифрования основаны на усовершенствованном стан­дарте шифрования AES (Advanced Encryption Standard) и коде аутентифика­ции сообщений на основе хеширования² (НМАС — Hash based Message Authentication Code). Эти методы поддерживают различные средства аутен­тификации: SIM- или USIM-карты, интеллектуальные карты (Smart Card), цифровые подписи, схемы «пользователь — пароль».

Мобильность. Мобильный ШМАХ поддерживает оптимальные схе­мы передачи соединения (хэндовера) со временем задержки меньше чем 50 миллисекунд, чтобы гарантировать работу приложений, таких как VoIP, в реальном масштабе времени. Они выполняются без ухудшения об­служивания. Гибкие схемы управления ключами гарантируют безопас­ность в процессе передачи соединения.

Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделени­ем каналов (OFDMA) базируется на системе мультиплексирования OFDM.

Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — методика мультиплексирования, кото­рая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот, как показано на рис. 9.1.

В системе OFDM входной поток данных разделен на несколько парал­лельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увели­чением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте. Протокольная единица, передаваемая с помощью од­ной несущей, называется символом. Увеличенная продолжительность сим­вола улучшает устойчивость OFDM, уменьшая их максимальный разброс между символами, предаваемыми с помощью разных несущих.

Основные устройства, обеспечивающие модуляцию с несколькими несущими по принципу OFDM, показаны на рис. 9.1. Каждый подканал работает на своей несущей частоте. Если обозначить частоту первой несу­щей ω, то вторая несущая будет иметь частоту 2ω и т. д.; для n-го канала эта частота будет равна nω.

Если для каждого из n подпотоков применить квадратурную моду­ляцию, то получим n квадратурных (ортогональных) функций типа а_к cos kcot + b_k sin kcot. Если функции всех подканалов просуммировать, то получим функцию, аналогичную функции, которая называется ря­дом Фурье:

.

Функция, полученная в результате модуляции, отличается от ряда Фурье тем, что она конечна. Для увеличения точности обработки и ис­ключения взаимного влияния каналов реальная функция дополняется «префиксом», содержащим несколько значений ряда Фурье (псевдокана­лов). Он устанавливается перед последовательностью квадратурных сиг­налов. Это увеличивает точность получения функции x(t) и позволяет бо­лее четко отделять подканалы друг от друга.

Рис. 9.1. Модуляция с несколькими несущими

Сумма функций, полученных в результате модуляции, «свертывает­ся» с помощью обратного преобразования Фурье в одну функцию x(t), ко­торая преобразуется в цифровую форму и передается в линию.

На приемном конце происходит переход из цифровой в аналоговую форму, производится прямое преобразование Фурье, квадратурные функ­ции каждого канала демодулируются и собираются в одну последователь­ность. Для устранения межсимвольной интерфе­ренции вводится циклический префикс (СР).

Циклический префикс добавляется в начало каждого OFDM-сим­вола (рис. 9.2) и представляет собой циклическое повторение оконча­ния символа. Наличие циклического префикса создает временные пау­зы между отдельными символами, и если длительность защитного ин­тервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольная интерференция не возникает.

Структура подканала OFDMA содержит три типа поднесущих частот, как показано на рис. 9.3:

• поднесущие информационные частоты для передачи данных;

• поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для целей из­мерений и синхронизации);

• нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных ин­тервалов частот.

Активные поднесущие частоты (информационные и пилот-сигнал) сгруппированы в поднаборы поднесущих частот, называемые подканала­ми. Поднесущие частоты, формирующие один подканал, могут быть, но не должны быть, смежными. Основная нагрузка и сигналы управления передаются в подканалах.

Рис.9.3. Распределение поднесущих частот

Пилот-сигналы распределяются в зависимости от способа распреде­ления поднесущих и направления потока.

При формировании подканалов в направлении «вниз» применяют­ся следующие способы:

• каналообразование с полным использованием поднесущих час­тот (FUSC — Fully Used Sub canalization);

• каналообразование с частичным использованием поднесущих ча­стот (PUSC — Partly Used Sub canalization);

• смежные перестановки АМС (Adoption Modulation and Coding).

Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего набора несущих частот выбирается только часть. Устройства (например, подвижные станции) работают, занимая только часть по­лосы. Поскольку в этом случае вся излучаемая мощность концентри­руется в используемой полосе, это приводит к увеличению мощности на каждую поднесущую. Для передачи информации в направлении «вверх» в городских условиях это дает дополнительный запас на зами­рания.

При направлении «вверх» применяется только два способа: с пол­ным использованием поднесущих частот (UL PUSC) и дополнительные перестановки.

Подканалы в направлении «вниз» могут работать с различным при­емниками, подканалы в направлении «вверх» могут работать с различны­ми передатчиками.

Существует два типа формирования подканалов из поднесущих частот:

• смежные;

• с разнесением.

В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.

Формирование подканала с разнесением выбирает номиналы под­несущих частот для каждого канала в соответствии с псевдослучайной по­следовательностью. Этим обеспечивается разнесение по частоте и усред­нение межсотовой интерференции.

9.3 Технологии интеллектуальной антенны. Частичное повторное использование частоты. Групповая доставка и широковещательное обслуживание.