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 ак cos kcot + bk 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.
Дата добавления: 2016-07-22; просмотров: 3583;