Миграция систем в широкополосный доступ

В процессе своего развития системы RadioEthemet и WLL постоянно модифицировались, «двигались» навстречу друг другу и по функциям, и по используемым диапазонам частот.

Так, например, системы RadioEthernet со временем стали приобретать свойства, присущие операторским системам WLL, - качество обслуживания (QoS), наличие телефонных портов, гибкое управление сетью, большую дальность обслуживания с одной базовой станции. Системы WLL, в свою очередь, начали использоваться для передачи ограниченных потоков данных, а не только телефонии.

В частотной области системы, вышедшие из RadioEthernet, стали использоваться не только в «RadioEthernet-диапазонах» 2,4 и 5 ГГц, но и в традиционных WLL-диапазонах 3,4...3,6 ГГц и др. То же самое произошло и с системами WLL, которые стали «обживать» некоторые «RadioEthernet-диапазоны».

Очень скоро стало понятно, что и те, и другие системы обладают существенными недостатками: во-первых, они работают только в условиях прямой видимости от абонента до базовой станции, что сильно сужает область использования. Системы IP-WLL обладают недостаточными характеристиками для качественного обслуживания большого числа телефонных абонентов, а обычные системы WLL не

могут качественно предоставлять большому числу абонентов услугу передачи данных с высокой скоростью. Практически все системы обладали недостаточной частотной эффективностью и, следовательно, невозможностью предоставлять для каждого абонента высокие скорости в условиях ограниченного частотного ресурса.

Отсюда возникла необходимость создания нового класса систем - систем широкополосного беспроводного доступа с интеграцией услуг. Типовая схема системы широкополосного беспроводного доступа.

Для оценки качества и распространения широкополосного доступа обычно используются качественные и количественные показатели, к которым относятся скорость передачи, надежность канала, качественный набор услуг, а также приведенная цена.

Скорости доступа в пересчете на одного абонента за последние несколько лет выросли от 64 до 1024 кбит/с и более. Качественный набор услуг со временем дополняется телефонией, видео и большим спектром информационных и бизнес-приложений. Цены же лавинообразно падают.

Перспективным направлением является разработанный Институтом IEEE стандарт 802.16, который представляет собой рассчитанную на внедрение в городских и сельских беспроводных сетях (WirelessMAN) технологию широкополосной связи, а точнее беспроводного широкополосного доступа операторского класса. В этом его основное отличие от группы стандартов ШЕЕ 802.11.

Успехи в области электроники позволяют создавать радиотехническое оборудование с такими характеристиками качества и надежности, которые ранее обеспечивались только средствами проводной связи.

 

 

Использование частотного спектра

 

Для реализации радиочастотного варианта доступа в телекоммуникационные сети (Wireless Local Loop, WLL) используются следующие диапазоны: 300...500 МГц; 800...960 МГц; 1400...1500 МГц; 1850...1910 МГц; 2100...2700 МГц; 3400...3600 МГц.

 

Частотные диапазоны

 

300 МГц:

· 300...308 МГц и 336...344 МГц - для радиосредств сухопутной подвижной и фиксированной службы гражданского применения;

· 307,5...308 и 343,5...344 МГц - для оборудования беспроводного доступа и радио-удлинителей, предназначенных для обеспечения связи со стационарными и подвижными абонентами.

800 МГц:

· для работы радио-локационных станции. РЭС систем ближней радионавигации и посадки, земными станциями спутниковой связи и другими средствами специального назначения;

· 864...868,2 МГц - для бесшнуровых телефонных аппаратов офисного типа, радиотелефонных систем, использующих техно­логию стандарта СТ-2.

 

900 МГц:

Сети сотовой подвижной связи стандарта GSM.

1427…1525 МГц.

Радиоэлектронные средства правительственного назначения.

1,427…1,429 ГГц и 1,525...1,529 ГГц - могут использоваться службой космической эксплуатации.

1800…1900 МГц.

 

Сети GSM (DCS), возможно использование систем абонентского доступа стандарта DECT.

2,100…2,700 ГГц:

· отводится под фиксированную и радиолокационную и спутниковую службы, службу космических исследований и имеет категорию правительственного назначения в национальном распределении;

· 2,170...2,200 ГГц - для использования средствами подвижной спутниковой радиосвязи;

· 2,5...2,7 ГГц - для используется системами MMDS и телевидения;

· 2,4...2,4835 ГГц - для сетей с использованием технологии RadioEthernet различных производителей.

3,4…3,8 ГГц.

РЭС военного назначения и магистральные радиорелейные линии

5,15…5,850 ГГц:

· 5,15...5,725 ГГц - относится к категории правительственного назначения;

· 5,725...5,850 ГГц отнесен к категории «совместного использования»;

· 5,15...5,25 ГГц - для оборудования, используемого военными.

10,0…10,700 ГГц.

Отводится под радиолокацию.

24,50....29.50 ГГц:

· данная полоса частот используется PPJ1C и средствами подвижной связи;

· 25,500...27,500 ГГц отводится под фиксированную, подвижную радиосвязь и также имеет категорию «совместного использования»;

· 22,25...29,5 ГГц в РФ практически не используется;

· 27,5...29,5 ГГц - для систем LMDS, предназначается (исключительно) для организации сетей сотового телевидения.

40,5…42,5 ГГц.

В России диапазон остается практически свободным.

 

Разнос частот передатчика и приемника в сетях радио-доступа как правило составляет от 10 до 100 МГц. Скорость передачи данных может составлять 9,6 кбит/с; 14,4 кбит/с; 19,2 кбит/с; 28,8 кбит/с; 64 кбит/с; 144 кбит/с и больше. Ширина полосы частот радиодиапазона может быть для каждого канала от 0,013 МГц до 3,5 МГц и более.

 

Технология WiMAX

Серия стандартов IЕЕЕ 802.16 представляет собой рассчитанную на внедрение в городских и сельских беспроводных сетях (WirelessMAN) технологию широкополосной связи, а точнее беспроводного широкополосного доступа операторского класса. В этом его основное отличие от группы стандартов IEEE 802.11.

Технические характеристики предыдущей версии стандарта - IЕЕЕ 802.16а, утвержденные в январе 2003 г. и предусматривающие работу оборудования в диапазоне от 2 до 11 ГГц, позже вошли в стандарт IEЕЕ 802.16-2004.

Широкий диапазон частот (от 2 до 66 ГГц), предусматриваемый стандартом IEЕЕ 802.16-2004, позволяет развертывать каналы передачи данных с высокой пропускной способностью с использованием передатчиков, устанавливаемых на мачтах сетей сотовой связи и высотных зданиях.

Принимающее и передающее оборудование, работающее по этому стандарту, может находиться не только в зоне прямой видимости. Следует отмстить, что Европейский эквивалент стандарта ШЕЕ 802.16а называется ETS1 HIPERMAN.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access» - это коммерческое «имя» стандарта беспроводной связи 802.16 поддержанного промышленной группой, в состав которой входят, известные компании.

WiMAX Forum - организация, в которую входит ряд ведущих коммуникационных компаний (Airspan Networks, Aivarion Ltd, Aperto Networks, Fujitsu Microelectronics America, Intel, OFDM Forum Proxim Corporation, Wi-LAN Inc и др.). Ее целью является содействие разработке беспроводного оборудования для доступа к широкополосным сетям, скорейшее развертывание сетей во всем мире, сертификация оборудования 802.16, а также подготовка спецификаций, призванных обеспечить совместимость оборудования разных производителей.

По данным WiMAX, базовая станция (БС) стандарта 802.16 способна обслуживать абонентов на удалении до 50 км, при этом последним не потребуется обеспечивать прямой видимости между антеннами БС и абонентского устройства. Скорость передачи данных в разделяемом канале будет достигать 70 Мбит/с на один сектор, что вполне достаточно для предоставления доступа на скорости 1,5 Мбит/с для более чем 60 корпоративных клиентов или обслуживания нескольких сотен домашних пользователей. Обычно БС будут обслуживать до 6 секторов.

В основе системы кодирования, применяемой в этой технологии лежит, так называемая, ступенчатая конструкция, суть которой состоит в следующем: после ортогонального преобразования параллельные каналы разбиваются на подгруппы с близкими друг к другу отношениями сигнал/шум. Сигналы внутри одной и той же подгруппы модулируются квадратурной амплитудной модуляцией (QAM) одной и той же кратности. Так, например, может оказаться N1 сигналов с модуляцией QAM2, N2 сигналов с модуляцией QAM4, N3 сигналов с модуляцией QAM16, N4 сигналов с модуляцией QAM64. Естественно N1 + N2 + N3 + N4 + защитный интервал + некоторый запас = N.

Далее единая конструкция из N параллельных каналов кодируется единым корректирующим кодом, исправляющим ошибки. Если N достаточно велико, корректирующий код и его алгоритм декодирования оптимальны, канал измеряется точно и его изменения быстро отслеживаются, то реализуется оптимальная схема с отличием от пропускной способности Шеннона на доли децибелл.

Для WiMAX-совместимого оборудования на физическом уровне в качестве размера блока FFT выбрано N = 256, из которых 192 несущие информационные, 8 — для измерения характеристик канала, остальные могут тратиться на защитные интервалы от 1/4 до 1/32. В стандарте выбраны параметры QAM от 2 до 256: мощная каскадная кодовая конструкция с внутренним сверточным кодом с декодированием по алгоритму Витерби и внешним кодом Рида - Соломона. Опционально может использоваться другая кодовая конструкция на основе турбо-кодов.

Предусмотрен специальный режим векторной OFDM - OFDMA, когда сигналы 16 абонентов могут объединяться в общий OFDM-кадр. Это обеспечивает взаимную ортогональность абонентов в эфире, минимизирует их мощности и может приводить к дополнительному системному энергетическому выигрышу до 12 дБ.

Заложенная в стандарт сигнально-кодовая конструкция в принципе адаптивна - система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени, «перекачивая» скорость в помехоустойчивость и наоборот (рис. 1.35). Так, например, в идеальном по энергетике канале все поднесущие OFDM будут работать с модуляцией QAM64 с минимальной избыточностью сверточного кода 3/4, обеспечивая частотную эффективность 4,5 (бит/с)/Гц при от­ношении сигнал/шум 24 дБ. В условиях наихудшей энергетики модуляция для всех поднесущих будет QAM2, сверточный код - со скоростью 1/2, частотная эффективность - 1 (бит/с)/Гц, а отношение сигнал/шум - 6 дБ. Все это обеспечивает дополнительный системный выигрыш 18 дБ.

Также в стандарт заложены возможности использования технологии «интеллектуальных» антенн, что может обеспечивать дополнительный энергетический выигрыш в канале с замираниями не менее 30 дБ. Эти технологии могут использоваться в различных комбинациях - от простого пространственного разнесения на передающей или приемной стороне - до сложной «интеллектуальной» системы, практически означающей организацию нового вида множественного доступа - пространственного.

На МАС-уровне используются следующие основные идеи. Линии «вверх» и «вниз» управляются базовой станцией, абоненты «не слышат» друг друга, в протоколе учитывается задержка распространения сигнала. Поддерживается качество обслуживания абонента (QoS). Предусмотрена оптимизация размера передаваемого блока для минимизации потерь - маленькие блоки объединяются при передаче, а большие наоборот дробятся. Поддерживается также внешнее обнаружение ошибок. Предусмотрено временное и частотное дуплексирование, различные диапазоны частот и разные полосы сигнала в эфире от 1,75 до 10 МГц. Также в стандарте IEЕЕ 803.16е предусмотрена поддержка мобильности абонентов.

В табл.1.9 приведены сравнительные характеристики разных версий стандарта IEЕЕ 802.16.

 

Таблица 1.9

Сравнительные характеристики разных версий стандарта IEEE 802.16

 

Характеристики	Стандарт WiMAX
802.16	802.16а	802.16е
Дальность действия	До 8 км	До 40 км	Не ограничена
Средний радиус соты 1,5...5 км	Средний радиус соты 6...10 км	Средний радиус соты 1,5...5 км
Условия связи	В пределах прямой видимости	Вне пределов прямой видимости Вне пределов прямой видимости	Вне пределов прямой видимости
Диапазон частот	10...66 ГГц (лицензируе мый)	2...11ГГц (лицензируемый/ открытый) 2...11ГГц (лицензируе­мый/открытый)	2...6 ГГц (лицензируемый /открытый)
Модуляция	QPSK, Q16AM, QAM64	OFDM 256, OFDMA, QAM64, QAM16, QPSK	OFDM 256, OFDMA, QAM64, QAM16, QPSK
Поддержка мобильности	Стационарный	Стационарный	Региональный роуминг - мобильность при передвижении пешком
Спектральная эффективность	До 4,8 (бит/с)/Гц	До 3,75 (бит/с)/Гц	До 3 (бит/с)/Гц
Скорость передачи данных	До 134Мбит/с (полоса 28 МГц)	До 75 Мбит/с (полоса 20 МГц)	До 15 Мбит/с (полоса 5 МГц)

 

Контрольные вопросы

 

1. На какие два класса можно разделить технологии радиосвязи?

2. К разновидностям каких технологий относится лазерная связь?

3. Какова скорость передачи данных широкополосных услуг связи?

4. Чем характеризуется мобильная связь первого поколения?

5. Чем характеризуется мобильная связь второго поколения?

6. Какие стандарты можно отнести к мобильным сетям связи третьего поколения?

7. Какое общее название имеет серия стандартов IEEE 802.11?

8. Каков радиус действия точки доступа WiFi?

9. К какому классу относится технология WiMAX?

10. Какие виды модуляции может использовать технология WiMAX?

11. Что понимается под адаптивной модуляцией?

12. В чем отличие технологии WiMAX различных версий?

13. Что понимается под межсетевым роумингом?

14. Каков радиус соты в сетях WiMAX?

 

 

Литература:

 

1.Бакланов И.Г

NGN: принципы построения и организации / под ред. Ю.Н Чернышов – М.: Эко-Трендз, 2008г

2.Фокин В.Г

Оптические системы передачи и транспортные сети. Учебное пособие-М.: Эко-Трендз,2008г

3.Росяков А.В

Сети доступа. Учебное пособие для вузов. М.:2008г

4.Шмалько А.В

Цифровые сети связи: основы планирования и построения.-М.:Эко-Трандз,2001Г

5.Васин Н.Н

Сети и системы передачи информации на базе коммутаторов и маршрутизаторов CISCO. 2008г

6.Катунин Г.П. Мамчев Г.В., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П.

Телекоммуникационные системы и сети