492_Nosov_V._I.__Metody_povyshenija_pomekhoustojchivosti_sistem_radiosvjazi_..

мобильным). В Японии ассоциация MMAC, работающая под эгидой ARIB, также начала разработку разнообразных систем высокоскоростного радиодоступа на частоте 5 ГГц для пользователей делового и квартирного секторов. Одна из таких систем для деловых приложений в корпоративных сетях и сетях общего пользования была гармонизирована с HIPERLAN/2.

До начала работы по стандартизации HIPERLAN/2 в ETSI был разработан стандарт HIPERLAN/1 для сетевой поддержки портативных устройств. Основным содержанием этого стандарта было использование асинхронного режима передачи и механизма множественного доступа, взятого от семейства локальных сетей шинного типа со случайным доступом (CSMA – Carrier Sense Multiply Access)

с предотвращением конфликтов (CD – Collision Detection). Посредством использования механизмов CSMA/CA достигалось разделение пропускной способности доступного радиоканала между активными пользователями, которые делают попытки передачи информации в течение одного интервала времени. Хотя в сети HIPERLAN/1 поддерживался транспортный механизм для услуг с разделением времени, все же качество услуги на участке беспроводного звена не контролировалось и не гарантировалось. Такая сеть рассматривалась как система по принципу "лучшее из возможного". Для ETSI это и было главным стимулом к разработке нового поколения стандартов с поддержкой асинхронной передачи данных

иуслуг, критичных к задержкам.

Вто время как в ETSI разрабатывался стандарт HIPERLAN/2, американский Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) начал создание спецификаций для физического уровня нелицензируемого диапазона Национальной информационной инфраструктуры США, чтобы расширить свой стандарт IEEE 802.11 для высокоскоростных приложений. В результате был предложен стандарт IEEE 802.11a, в котором было предусмотрено использование того же протокола доступа к среде (MAC – Medium Access Control), что и для диапазона

ISM (2,4 ГГц). В отличие от HIPERLAN/2, стандарт IEEE 802.11a применяется,

главным образом, для приложений с асинхронной передачей данных в качестве обязательного рабочего режима.

Стандарт HIPERLAN/2 дополняет современные системы беспроводного доступа, предоставляя пользователям с ограниченной мобильностью высокую скорость передачи информации на загруженных участках. Типичная среда применения данного стандарта — офисы, жилые дома, выставочные залы, аэропорты, вокзалы и т.п.

41

Описание стандарта

Стандарт HIPERLAN/2 содержит спецификации сети радиодоступа, которая может быть реализована с различными опорными сетями. Это становится возможным благодаря:

гибкой архитектуре, которая определяет физический уровень и уровень управления звеном данных независимо от типа опорной сети;

набору уровней конвергенции, которые облегчают доступ к различным опорным сетям.

При этом уже разработаны или разрабатываются в настоящее время специальные уровни конвергенции для взаимодействия с:

транспортными сетями, работающими по протоколу IP;

сетями на базе АТМ;

опорными сетями третьего поколения;

сетями, в которых используются протоколы и приложения стандарта

IEEE 1394.

В стандарте HIPERLAN/2 поддерживается мобильность терминалов со скоростью передвижения до 10 м/с. Кроме того, в нем предусмотрены возможности управления в средах с различной помеховой обстановкой за счет:

поддержки звена радиопередачи при малом отношении сигнал-шум;

поддержки качества услуги.

В основе радиоинтерфейса в стандарте HIPERLAN/2 лежат дуплексный режим с временным разделением канала (TDD) и множественный доступ с временным разделением канала (TDMA). Стандарт HIPERLAN/2 представляет собой гибкую платформу, на базе которой разнообразные приложения мультимедиа для офиса и дома могут поддерживаться со скоростью передачи до 54 Мбит/с. Офисный мобильный терминал принимает данные по фиксированной корпоративной сетевой инфраструктуре или сети общего пользования. Кроме качества услуги для мобильных терминалов в сети могут поддерживаться услуги по защищенной передаче и мобильному административному управлению при переходе терминалов от одной сети к другой, например, от локальной к глобальной сети или от корпоративной к сети общего пользования. В домашней обстановке стандартом поддерживается гибкое взаимодействие беспроводных цифровых устройств пользователя при низких расценках.

42

Система HIPERLAN/2 опирается на топологию сети сотовой связи в комбинации со специальными сетевыми функциями. В HIPERLAN/2 предусмотрена поддержка двух базовых режимов функционирования: централизованный и прямой.

Централизованный режим ориентирован на топологию сети сотовой связи, в которой управление каждой сотой осуществляется от общей для определенной географической области точки доступа (AP – Access Point). В этом режиме мобильные терминалы взаимодействуют между собой или с опорной сетью через точку доступа. Централизованный режим используется, в основном, для бизнесприложений внутри и вне помещения в условиях, для которых область покрытия превышает границы соты.

Прямой режим функционирования предназначен для специфической сетевой топологии частного жилого сектора или условий, при которых область обслуживания полностью покрывается одной сотой сети радиопередачи. В данном режиме мобильные терминалы в сети, покрываемой одной сотой, могут обмениваться данными непосредственно друг с другом. Выделением ресурсов радиопередачи для мобильных терминалов управляет точка доступа.

Физический уровень

Блоки данных, передаваемые на физическом уровне HIPERLAN/2, представляют собой пакеты переменной длины. Каждый пакет состоит из преамбулы и поля данных.

Вкачестве технологии для HIPERLAN/2 было выбрано мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM), позволяющее обеспечить хорошую помехоустойчивость для радиоканалов со сложной помеховой обстановкой. В таких радиоканалах и при скорости передачи информации от 25 Мбит/с, технология OFDM в среднем обеспечивает на 2-3 дБ характеристики помехоустойчивости лучше, чем использование одной несущей. Недостатком OFDM является относительно большой пик-фактор, который применительно к стандарту HIPERLAN/2 на 2-3 дБ больше, чем при одной несущей.

Вкачестве стандартного радиоканала был выбран канал с полосой частот 20 МГц. Этот стандартный канал разбивается на 64 поднесущие для возможности использования в модуляторе алгоритма 64-точечного обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT), формирующего OFDM-символ. При этом поднесущие следуют через 20/64=0.3125 МГц. Из 64 возможных поднесущих реально используется лишь 52: 48 для передачи информации и 4 пилот-сигнала.

Ключевой функциональной возможностью физического уровня является поддержка семи режимов физического уровня с различными скоростями кодирования и схемами модуляции, выбираемыми при адаптации звена. Поддерживается двоичная и квадратурная фазовая манипуляция (BPSK, QPSK), 16-квадратурная

43

амплитудная модуляция (16QAM), а также (при необходимости) 64QAM для модуляции поднесущих. В качестве базового канального помехоустойчивого кода (FEC) используется сверточный код со скоростью 1/2 и кодовым расстоянием 7. Скорости кода 9/16 и 3/4 реализуются выкалыванием базового кода.

Каждый пакет протокола физического уровня включает в себя преамбулу, которая может быть одного из трех следующих типов:

канал управления безадресной передачей;

другие каналы входящей связи;

канал исходящей связи и быстрого доступа.

Преамбула пакетов для канала прямого звена идентична преамбуле пакетов "длинного" входящего канала. Преамбула канала управления безадресной передачей позволяет поддерживать кадровую синхронизацию, автоматический контроль усиления, частотную синхронизацию и процедуру оценки параметров канала. Напротив преамбула пакетов исходящего трафика используется исключительно для процедуры оценки параметров радиоканала. Пакеты входящего трафика и пакеты быстрого доступа позволяют поддерживать процедуры оценки параметров радиоканала и частоты. Таким образом, существуют разные преамбулы с различной структурой и длиной. В зависимости от возможностей приемника в точке доступа может осуществляться выбор одного из двух типов преамбул для исходящего трафика. Мобильный терминал должен обязательно поддерживать каждый тип преамбулы.

Терминалы осуществляют тактовую синхронизацию по преамбуле BCH (Broadcast Channel). Результаты моделирования показали, что даже при наихудших значениях отношения сигнал-шум (5 дБм мощности в канале с широкой дисперсией затухания и разбросом задержки в 250 нс), вероятность успешной синхронизации в HIPERLAN/2 составляет 96%. Таким образом, в HIPERLAN/2 поддерживаются средства быстрой, эффективной и надежной синхронизации.

Практические исследования системы

В настоящее время проведено моделирование системы HIPERLAN/2 для офисного пятиэтажного здания с несколькими мобильными терминалами и выставочного зала. В качестве математической модели среды радиосвязи между терминалами и точкой доступа была выбрана расширенная модель Кинана-Мотлима, которая учитывает зависимость затухания сигнала в стенах от расстояния, этажности здания и т.п. Покрытие офисного здания обеспечивалось 8-ю точками доступа. Условия выставочного зала моделировались большим одноэтажным зданием без внутренних стен, а покрытие зала обеспечивалось 16-ю точками доступа, равномерно расположенными на расстоянии 60 м друг от друга по всей площади зала. Для обоих случаев мобильность терминалов (перемещение людей) учитывалась

44

наличием замирания сигнала с дисперсией 2 дБ. Терминалы были размещены в здании случайным образом с равномерным распределением, а каждой точке доступа соответствовал один активный терминал.

При этом использовалась стратегия, при которой каждому терминалу выделялся одинаковый объем радиоресурса, выраженный в числе передаваемых OFDM-символов в единицу времени. Интерференция моделировалась исходя из предположения, что есть второй оператор связи, который использует 11 из 19 рабочих каналов (несущих). Взаимное проникновение соседних каналов было установлено на уровне 25 дБ. Для обеспечения постоянного уровня мощности приема в точке доступа использовалось управление мощностью исходящего трафика. Процедура адаптации звена моделировалась путем изменения положения терминалов каждые 10 кадров MAC. В каждом интервале между изменениями оценивалась пропускная способность для всех режимов физического уровня, и во время следующего интервала использовался режим, при котором была достигнута максимальная пропускная способность на предыдущем интервале. Результатом моделирования явилась оценка средней пропускной способности для всех терминалов.

Исследования подтверждают, что высокая пропускная способность может быть достигнута в различных условиях. Для условий сильной интерференции в стандарте предусмотрены централизованное управление (поддержка QoS), избирательный повтор ARQ, процедуры адаптации звена и динамический выбор частоты. При этом поддерживается взаимодействие с широкополосными опорными сетями различных типов.

1.2.6 Стандарт IEEE 802.11а

Когда IEEE в 1999 г. ратифицировал спецификации беспроводных сетевых коммуникаций IEEE 802.11а и IEEE 802.11b, он преследовал цель создать основанные на стандартах технологии, которые могли бы покрыть широкий класс схем кодирования на физическом уровне, диапазон частот и типов приложений, аналогично тому, как IEEE 802.3 Ethernet предоставляет пропускную способность от 10 до 1000 Mbps, используя разные физические среды. Всего лишь год спустя на рынке появился широкий выбор продуктов IEEE 802.11b от многочисленных производителей, тогда как устройства стандарта IEEE 802.11а были выпущены на год позже. Многие склонны объяснять это тем, что первый получил поддержку таких известных компаний, как Lucent Technologies и Intersil (бывшая Harris Semiconductor).

Стандарт IEEE 802.11а, который обеспечивает скорость передачи данных до 54 Mbps, должен сыграть для IEEE 802.11b ту же роль, какую Fast Ethernet сыграл для стандарта Ethernet 10 Base-T. Подобно обеим версиям Ethernet два беспроводных стандарта используют один и тот же механизм управления досту-

45

пом к среде (MAC – Media Access Control). Однако если в Fast Ethernet применяет-

ся та же схема кодирования, что и в низкоскоростном Ethernet, то в IEEE 802.11а – совершенно отличная от IEEE 802.11b схема, называемая мультиплексированием с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM).

1.2.7 Стандарт WiMAX IEEE 802.16e

В конце 2006 года была завершена работа над созданием мобильного профиля технологии WiMAX IEEE 802.16e (таблица 1.3). На сегодняшний день существует множество различных интерфейсов радиодоступа, однако, именно при разработке стандарта IEEE 802.16e изначально закладывалась возможность по применению таких алгоритмов и устройств, как адаптивные антенные системы (beamforming), и независимая обработка множества переотраженных сигналов в условиях плотной застройки (MIMO) [8, 9].

Адаптивное формирование диаграммы направленности обеспечивает увеличение дальности действия, снижение уровня интерференции и увеличение пропускной способности системы. Это приводит к значительному расширению зоны обслуживания в условиях построения сети по принципу макросот. С другой стороны, технологии MIMO обеспечивают увеличение пропускной способности в микро – пико – и даже наносотах, хорошим примером которых является внутриофисная система. Использование и MIMO и адаптивных антенн в качестве дополняющих друг друга технологий позволит получить преимущества, даваемые и той, и другой технологией.

Табл. 1.3. Краткая характеристика стандарта

Формирование диаграммы направленности

При использовании технологии формирования адаптивной диаграммы направленности, электромагнитное поле антенны базовой станции в дальней зоне формируется в виде узконаправленного главного лепестка, ориентированного в сторону абонентского устройства (CPE – Customer Premises Equipment), с воз-

46

можностью изменения направленных свойств при изменении положения этого оборудования. На практике, при наличии большого количества абонентов в пределах действия одной соты осуществляется формирование многолепестковой диаграммы (лепестки направляются на каждого абонента или на группу абонентов). Это возможно благодаря разделению клиентов по времени и по OFDMподнесущим.

Для формирования такой многолучевой диаграммы, отдельные приемопередатчики в составе базовой станции передают и принимают сигнал через многоэлементную антенную решетку (как правило, это четырехэлементные антенные решетки), причем каждый элемент такой решетки в каждый момент времени имеет определенный фазовый сдвиг относительно остальных. В результате, благодаря комбинированию диаграмм направленности каждого излучателя в составе решетки, формируется суммарная диаграмма, имеющая улучшенные направленные свойства (более узкий главный лепесток с более высоким коэффициентом усиления). В направлении источников помех в диаграмме направленности формируются нулевые составляющие, что позволяет практически полностью подавить интерференцию с нежелательных направлений. Данная концепция работает в обоих направлениях: от базовой станции к абоненту (нисходящая линия связи) и от абонента к базовой станции (восходящая линия связи). При этом сигналы, принимаемые от абонентов, могут использоваться для определения их местоположения, и эта информация применяется при формировании диаграммы направленности в нисходящем направлении.

Идея формирования диаграммы направленности не является новой, и концепция адаптивных антенных систем или «интеллектуальных» антенн уже много лет используются в стандартах других радиосистем.

Данная технология реализуется, в основном, на базовой станции и не требует значительного изменения оборудования конечного пользователя. В соответствии с этим, было принято решение, что всё сертифицированное для WiMAX оборудование CPE обязательно должно поддерживать технологию адаптации диаграммы направленности, чтобы не ограничивать возможности операторского оборудования. Для базовых станций данная возможность является дополнительной, но не обязательной.

Положительные моменты использования данной технологии заключаются в следующем:

Поскольку энергия разных передатчиков концентрируется в более узком луче, то зона действия базовой станции расширяется. Это относится как к нисходящей линии связи (DL – Down Link), так и к восходящей линии связи (UL – Up Link). На представленном далее рис. 1.18 иллюстрируется влияние формирования диаграммы направленности на количество требуемых базовых

47

станций. На диаграмме можно видеть, что при использовании базовой станции WiMAX с одиночной антенной при использовании MIMO или при его отсутствии (используется только пространственное разнесение приемников) для обеспечения одинаковой зоны покрытия требуется в 2,13 раза (1,39 раза) больше станций.

По сравнению с обычной системой, использующей разнесение приемников или только MIMO, технология “beamforming” обеспечивает уменьшение требуемого количества станции, как минимум, на 40%.

Рис. 1.18. Влияние формирования диаграммы направленности на количество базовых станций

Поскольку энергия направляется только к индивидуальным абонентам, то меньшее количество энергии, принимаемое или направляемое к другим абонентам в соседних секторах данной сети уменьшается, благодаря чему значительно улучшается сигнально-помеховая обстановка. Данная концепция также работает как в отношении восходящей линии связи, так и в отношении нисходящей линии связи.

48

Теперь рассмотрим второй аспект и оценим его важность.

Радиосети WiMAX являются сетями связи с секторной архитектурой. В аналогичных зонах действия соседних базовых станций используются одни и те же частотные ресурсы. Для WiMAX наиболее часто применяется схема повторного использования частот 1:3 (рис. 1.19); это значит, что при использовании трехсекторных конфигураций базовой станции, в секторах всех соседних базовых станций повторно используются те же самые частоты.

В связи с тем, что радиоволны распространяются далеко за пределы условных границ сектора, то они создают помехи для зон обслуживания соседних станций. Это является особенно критичным в случаях, когда антенна базовой станции располагается выше уровня крыш зданий и (или) при наличии открытых пространств между базовыми станциями и абонентами (как это имеет место во многих российских городах, где имеются широкие улицы, парки, площади и свободное пространство).

Рис. 1.19. Схема повторного использования частот

Какое же влияние в этом случае оказывает интерференция.

WiMAX обеспечивает адаптивное изменение модуляции и схем кодирования. Помехоустойчивые схемы кодирования (QPSK, 1/2) показывают прекрасные результаты, но при этом приходится жертвовать величиной пропускной способности. Такие схемы позволяют обеспечивать надежную связь при плохих условиях радиосвязи, но не обеспечивают рабочие характеристики, которые можно было бы ожидать от WiMAX.

49

С другой стороны, наиболее высокопроизводительной схемой является 64QAM, 3/4 – она обеспечивает уровень пропускной способности близкий к максимальному, но она же является и самой чувствительной к помехам. Без применения адаптивной антенны эта схема может быть реализована в непосредственной близости к базовой станции или в условиях сигнально – помеховой обстановки, близких к идеальным. Не оказывает положительного эффекта и увеличение мощности передатчика базовой станции, так как в этом случае повышается уровень интерференции в соседних сотах.

На представленном ниже рис. 1.20 система с адаптивной диаграммой направленности сравнивается с аналогичными решением, обеспечивающем только пространственное разнесение антенн с применением технологией MIMO.

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Рис. 1.20. Зависимость процента покрытия территории

График содержит зависимости процента покрываемой территории при различных типах модуляции и различных схем кодирования. Становится очевидным выигрыш технологии «beamforming»: даже самая надежная схема (QPSK, 1/2) способна обеспечить устойчивую работоспособность только на 80% площади, обеспечиваемую системой с формированием диаграммы.

50