Принципы построения интеллектуальных антенн

Технологии интеллектуальной антенны включают в себя сложные алгоритмы управления множеством антенн, функционирующих по век­торному или матричному принципу (антенны с переключением, решет­чатые антенны и т. п.). OFDMA очень подходит для поддержания такой технологии. Фактически система со многими антеннами (MIMO) и FDMA являются основой для следующего поколения широкополосных систем связи.

В целях улучшения системных рабочих характеристик мобильный WiMAX поддерживает весь диапазон технологий интеллектуальной ан­тенны.

Для этого применяются следующие процедуры.

Формирование диаграммы направленности. Формируя диаграмму на­правленности, система использует множество антенн для передачи сигна­лов, улучающих охват и емкость системы, и уменынених вероятности на­рушения связи.

Коды пространство-время (STC — Space-Time Code). Используются для того, чтобы обеспечить пространственное разнесение и оптимальный запас на замирание.

Пространственное мультиплексирование (SM — Spatial Multiplexing). Применяется для повышения скоростей и увеличения пропускной спо­собности. При пространственном мультиплексировании множество по­токов передаются по множеству антенн. Если приемник также имеет множество антенн и может отделить различные потоки, становится воз­можно достигнуть высокой производительности по сравнению с отдель­ной одиночной антенной. Использование системы 2x2 MIMO с прост­ранственным мультиплексированием увеличивает пиковую скорость данных вдвое благодаря передаче двух потоков данных. В направлении «вверх» (UL) каждый пользователь имеет только одну передающую ан­тенну. Два пользователя могут передавать совместно в том же самом слоте, как будто два потока пространственно мультиплексированы от двух антенн одного пользователя. Это называется «совместное пространствен­ное мультиплексирование «вверх».

Мобильный ШМАХ позволяет адаптивный выбор между этими ва­риантами, чтобы максимизировать преимущества технологий интеллек­туальной антенны при различных состояниях канала. Адаптивный пере­ключатель интеллектуальной антенны показан на рис. 9.1. Последова­тельность символов, поступающая на кодер, преобразуется символьным преобразователем в пространственную форму либо мультиплексируется для передачи по подканалам. В соответствии с программой, заложенной в адаптивном преобразователе (например, отражение информации подка­налов в пространственный код в соответствии с заданной матрицей), в за­висимости от текущего состояния каналов сигналы передаются по раз­ным подканалам. Они могут также использоваться для преобразования подканалов (например, изменять диаграмму направленности элементов адаптивной антенны), что позволяет изменять параметры среды передачи с целью улучшения качества в соответствии с текущим состоянием кана­лов. Далее полученные сигналы распространяются по определенному за­кону (последовательно или в соответствии с заданной матрицей) в уст­ройства обратного преобразования Фурье для пространственно раздель­ной передачи по радиоинтефейсу. На приемном конце пространственные сигналы объединяются, и происходит обратное преобразование и декоди­рование.

Пространственное мультиплексирование улучшает пиковую (при наилучших условиях состояния канала) пропускную способность.

Когда канал находится в плохом состоянии, величина коэффициен­та ошибок пакетов (PER — Packet Error Rate) высокая, и поэтому ограни­чена зона покрытия, где может быть выдержано расчетное значение PER. Пространственная модуляция (SM) и коды «пространство-время» (STC) обеспечивают большой охват независимо от состояния канала, но не повышают пиковую скорость данных.

Мобильный WiMAX позволяет адаптивное переключение между множеством режимов с несколькими антеннами (MIMO) для того, чтобы максимизировать спектральную эффективность без сокращения зоны покрытия.

Технологии мобильного WiMAX включают в себя применение сложных антенн — антенны с переключением, решёчатые антены.

• При управлении сложными антеннами применяются процедуры: формирования диаграмм направленности, коды пространство-время, пространственное мультиплексирование.

• Пространственное мультиплексирование улучшает пиковую про­пускную способность радиоканала.

• Использование адаптивных антенн позволяет на физическом уровне применять многочисленные варинаты разнесения с помо­щью организации нескольких каналов для передачи одной и той же информации.

• Для управления адаптивной системы антенн организуется массив распределения, в котором указываются данные необходимые для управления каждой антенной.

Чтобы максимально использовать спектр, мобильный WLMAX поз­воляет частичное повторное использование частоты, то есть работу не­скольких сот на одной и той же частоте. Однако следует отметить, что та­кой режим может привести к большой межканальной интерференции, особенно на краях сот.

Пользователи мобильного WiMAX могут работать по подканалам, которые занимают только небольшую долю всей полосы пропускания ка­нала. Базовая станция соты, у которой возникают проблемы пограничной межканальной интерференции, может реконфигурировать подканал. По­этому при проектировании сот можно не применять традиционное пла­нирование частоты.

В мобильном WiMAX гибкое повторное использование подканала облегчается принципом образования подканала — сегментацией и пере­становкой поднесущих, рассмотренными раннее.

Кадры «вниз» или «вверх» внутри соты могут содержать больше чем один тип зоны переключения, как показано на рис. 9.3, и работа происходит со всеми доступными по заданной структуре подканалами, в то время как пользователи на краю соты работают только с частью доступных подканалов.

Рис.9.4. Частичное повторное использование частот.

На рис. 9.4 Fl, F2 и F3 представляют собой различные наборы под­каналов в одном и том же диапазоне частоты. При такой конфигурации обеспечивается полное использование спектра для пользователей, нахо­дящихся в центре соты, и частичное использование спектра для пользова­телей, находящихся на краю соты. Повторное использование подканалов может планироваться и динамически оптимизироваться по всей соте или по секторам в соответствии с нагрузкой или интерференцией.

Групповая рассылка и широковещательное обслуживание (MBS — Multicast and Broadcast Service), предоставляемые мобильным WiMAX, удовлетворяют следующим требованиям:

• высокая скорость передачи данных,

• широкая зона покрытия, осуществляемая на одной частоте (SFN —
Single Frequency Network);

• гибкое распределение радиоресурсов;

• низкое потребление мощности;

• рассьика данных в дополнение к видео- и аудиоинформации;

• малое время переключения каналов.

Профиль WiMAX определяет способы начальной установки служб MBS. Они могут быть организованы в рамках служб, предназначенных для однонаправленных соединений, и включаться в кадры по направлению «вниз», или могут быть созданы специализированные кадры для этих служб.

9.4 Параметры мобильного WiMAX. Архитектура мобильного WiMAX.

Поскольку мобильный WiMAX основан на наращиваемом OFDMA, он может гибко создавать конфигурации, которые приспособленные для работы с системами, имеющими различные пропускные способности, благодаря настройке системных параметров. Приводимые ниже характе­ристики можно рассматривать как некоторый пример для оценки рабо­чих характеристик. Приведенные ниже таблицы содержат следующие сведения: табл. 9.3 — рабочие характеристики системы, табл. 9.4 является итогом рассмотрения параметров OFDMA и табл. 9.5 показывает модель распространения, применяемую для оценки параметров мобильноого WiMAX.

Таблица 9.3.Параметры системы мобильного WiMAX

Параметры______________________________ Значения____ .

Число 3-секторных сот_______________________ 19__________

Рабочая частота__________________________ 2500 МГц ___

Дуплекс__________________________________ TDD________

Ширина полосы канала____________________ 10 МГц_______

Расстояние «базовая станция — базовая

станция»_________________________________ 28 км________

Минимальное расстояние от мобильной

станции к базовой________________________ 36 метров______

Модель антенны 70° (-3 дБ) с отношением

____________________________________ «вперед-назад» 20 дБ

Высота антенны базовой станции___________ 32 метра_______

Высота антенны терминала

мобильной станции_______________________ 1,5 метра_______

Коэффициент усиления антенны

базовой станции_____________________ '_____ 15 дБ________

Коэффициент усиления антенны

мобильной станции________________________ -1 дБ_________

Максимальная мощность усилителя

базовой станции___________________________ 43 дБ________

Максимальная мощность усилителя

терминала мобильной станции_______________ 23 дБ _______

Приемные и передающие антенны 2 или 4 приемных

базовой станции антенны

2 или 4 передающих

________________________________________ антенны______

Приемные и передающие антенны 1 передающая антенна

мобильной станции________________ 2 принимающие антенны

Коэффициент шума базовой станции__________ 4 дБ_________

Коэффициент шума мобильной станции_______ 7 дБ______ __

Таблица 9.4.Параметры OFDMA

Параметры________________________________ Значения_____

Системная полоса канала_____________________ 10 МГц_____

Частота дискретизации (Fcp в МГц)____________ 11,2________

Размер преобразования Фурье (N_FFT) 1024_______

Разнос частот поднесущих___________________ 10,94 кГц____

Полезное время символа (Tb=l/f))_____ 91,4 микросекунды

Защитное время (Т₈=Т_ь/8)________________ 11,4 микросекунды

Продолжительность OFDMA-символа

(T_s= T_b+ Т_й)_____________________________ 102,9 микросекунд

Длительность кадра_______________________ 5 миллисекунд

Число символов в кадре________________________ 48________

Частичное Нулевые поднесущих___________ 184________

использование Поднесущие пилот-сигнала_____ 120________

поднесущих. Поднесущие данных__________ 720_______

Направление Подканалы___________________ 30________

«вниз»_________________________________________________

Частичное Нулевые поднесущих____________ 184________

использование Поднесущие пилот-сигнала_____ 280_______

поднесущих. Поднесущие данных___________ 560_______

Направление Подканалы___________________ 35________

«вверх»

Архитектура мобильного WiMAX построена на платформе «Все — IP» (All-IP).

Принятая технология основана на передаче и коммутации пакетов без использования каналов традиционной телефонии. Такой подход предполагает, что будут уменьшены затраты на всех «этапах жизненного цикла» (проектирование, развертывание и эксплуатация) сети. Использо­вание принципа «Все — IP» означает, что общее ядро сети может не под­держивать обе известные технологии — коммутацию пакетов и сетей — со всеми задачами, которые влечет поддержка обеих технологий. Дальней­шие преимущества принципа «Все — IP» основаны на прогнозах роста се­ти. Их часто называют законом Мура («Moore's Law»). Он утверждает, что развитие обработки информации на основе компьютерных технологий происходит быстрее, чем средств телекоммуникации. Причина в том, что обработка информации не ограничена установкой и модернизацией ап­паратуры, как это происходит в сетях с коммутацией каналов.

Выбор принципа базовой технологии пакетной коммутации предпо­лагает низкую стоимость, высокую степень наращиваемости, быстрое развитие функциональных возможностей, т. е. все преимущества систем, основанных на использовании программного обеспечения.

Основные принципы архитектуры:

1. Архитектура базируется на структуре, принятой в пакетной ком­мутации и процедурах, которые основаны на стандарте IEEE 802.16 и поправках к нему в соответствии со стандартами IETF (Internet Engineering Task Force).

2. Архитектура позволяет отделить архитектуру системы доступа от услуг IP-связи.

3. Архитектура обеспечивает модульность и гибкость, для создания множества вариантов сети, таких как:

• с изменением шага наращивания от маленького до очень большо­го (от редкого до самого плотного радиопокрытия) сетей WiMAX;

• использование радиосред распространения, которые работают в лицензированных или освобождаемых диапазонах в город­ских, пригородных и сельских районов

• применяющие различного вида топологии (иерархические , без узлов и с узлами);

• поддерживающими все виды доступа.

Поддержка услуг и приложений.Архитектура включает поддержку: а) речи, услуг мультимедиа или других принятых официально услуг, таких как экстренная помощь и законный перехват информации (система оперативно-розыскных мероприятий);

б) доступ к различным прикладным услугам поставщика, например Интернету;

в) мобильная телефонная связь с использованием VoIP;

г) поддержка взаимодействия и шлюзов, позволяющих доставку об­щепринятых (традиционных) услуг, передаваемых через IP (служ­бы коротких сообщений SMS, службы доступа к приложениям беспроводной связи — WAP), к сети WiMAX;

д) поддержка групповой и широковещательной доставки информа­ции IP через сеть WiMAX.

Взаимодействие и роуминг.Это также ключевые моменты архитекту­ры сети мобильного WiMAX, от которых зависит множество сценариев. В частности, будут поддерживаться:

а) произвольная архитектура взаимодействия с существующими бес­проводными сетями, такими как 3GPP, DSL и MSO (мультисервисный оператор, имеющий возможность совмещать услуги теле­фонии, мультимедиа, кабельного телевидения и т. п.), системами,
базирующимися на наборе протоколов Интернета;

б) глобальный роуминг между операторами WiMAX, включая обеспе­чение повторного использования частот, последовательное исполь­зование системы опознавания установление подлинности и веде­ние учета (ААА — Authentication, Authorization and Accounting), со­ставление индивидуальных и общих счетов и урегулирование
претензий;

в) использование различных платежных механизмов, таких как со­общение имени и пароля пользователя, цифровая подпись, мо­дуль абонентской идентификации (SIM — Subscriber Identity Module), универсальный модуль SIM (USIM — Universal SIM) и
сменный модуль идентификации пользователя (RUIM —Removable User Identity Module).

Безопасность

Архитектура сети WiMAX базирует свою безопасность на учете типа оператора и топологии сети и выполняет различные сценарии. В частно­сти, она поддерживает:

а) в части безопасности; строгое соответствие процедур аутентифи­кации оборудования между мобильной станцией и сетью WiMAX базируясь на стандарте IEEE 802.16

б) все механизмы аутентификации в домашней и визитной сети, ко­торые базируются на последовательных и расширяемых процеду­рах аутентификации;

г) механизмы безопасности, которые обеспечивают сохранение це­лостности данных, защиту откликов, конфиденциальность, обна­ружение несогласованности используемых ключей;

д) использование мобильной станцией таких механизмов, как ини­циирование или закрепление за терминалами дополнительных возможностей, например, виртуальной частной сети (VPN );

е) механизм управления IP-адресами между мобильной станцией (станцией услуги) и визитной или домашней сетью поставщика услуг.