Системы и стандарты беспроводного доступа

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 6Следующая ⇒

Системы и стандарты беспроводного доступа

Состояние сетей беспроводного доступа

      Системы беспроводного доступа служат для удлинения действующих телефонных сетей и сетей передачи данных с использованием радиоканалов на "последней миле", т.е. ответвлениях к пользователям. Эти системы не образуют собственных глобальных сетей, как, например, GSM, а являются продолжением существующих информационных сетей, используя их коммутаторы или маршрутизаторы. Укажем на основные преимущества систем беспроводного доступа:

- развертывание сетей не требует больших затрат и большого времени;

- низкие эксплуатационные расходы;

- возможны разнообразные конфигурации сетей.

Традиционный беспроводный доступ ориентирован на передачу по радиоканалам сигналов телефонии и ISDN. Такие системы часто называют беспроводным телефоном. Существует большое число стандартов, обеспечивающих эти услуги: PACS, PHS, Airspan, Airloop, DMS-100 и много других. Но наибольшее распространение в мире получил стандарт DECT (см. п.4.2).

Начало 21 века существенно изменило ситуацию на рынке систем беспроводного доступа. Появились системы беспроводного доступа к компьютерам, прежде всего, ориентированные на обслуживание абонентов с ноутбуками и КПК. Такие системы обеспечивают доступ по радиоканалам к Интернету, обмен файлами между мобильным телефоном и компьютером, управление бытовыми приборами и защиту в “электронном доме” (Smart Home). Хотя первые стандарты этих систем датированы 1998, 1999 гг., уже сложилась их иерархия по назначению и скоростям передачи информации (рис. 4.1).

Внизу иерархического древа расположены самые простые и дешевые системы персонального доступа PAN – Personal Area Network. Их типичным представителем является стандарт IEEE 802.15, более известный как Bluetooth. Этот стандарт поддерживает передачу по радиоканалу со скоростью до 700 кбит/с и ориентирован на самые простые конфигурации сетей в пределах закрытых помещений.

Следующий уровень LAN – Local Area Network, представлен стандартом IEEE 802.11. Чтобы отличать беспроводные LAN от их кабельной конфигурации, эти сети обычно называют WLAN – Wireless LAN, беспроводный локальный доступ. Сейчас эти сети переживают бум своего развития, а их технология известна как Wi-Fi – Wireless Fidelity. WLAN позволяют организовывать беспроводный доступ к Интернету в зданиях, общественных сооружениях (аэропортах, вокзалах, ресторанах, библиотеках) и просто на открытом воздухе в местах скопления людей. На трассах WLAN достигнуты скорости передач до 54 Мбит/с.

    Сети уровня MAN – Metropolitan Area Network, ориентированы на организацию беспроводного доступа в отдельных “пятнах” на местности: в группе зданий, небольшом квартал, “соте”. Такое “пятно” покрывает сигнал одной базовой станции мощностью до нескольких ватт. На рынке связи сети MAN представлены стандартом IEEE 802.16, обеспечивающим скорость передачи данных свыше до 100 Мбит/с и выше.

    Наконец, верхний уровень, WAN – Wide (World) Area Network, распределенная (территориальная, глобальная) сеть. На этом уровне услуги поддерживают сети мобильной связи 3-го поколения.

Рис. 4.1. Иерархия сетей беспроводного доступа.

Следует отметить, что все перечисленные стандарты беспроводного доступа принадлежат к одному семейству IEEE 802.X, что позволяет стандартизировать интерфейсы и существенно упростить межсистемные соединения беспроводных и кабельных (Ethernet, Token Bus, Token Ring) сетей связи.

Рис. 4.4. Связь BTS DECT с двумя MS

В примере на рис. 4.4 показано, что BTS обеспечивает связь с двумя MS: с MS1 на частоте f ₃ и с MS2 на частоте f ₇. Там же указаны и пары ВИ. В процессе передачи трафика MS, работая на выбранном канале, продолжает просмотр других каналов и, если находит канал с меньшим уровнем шума, то запрашивает его у BTS и при получении разрешения производит смену канала, переходя на другую пару ВИ и, возможно, другую частоту. Таким образом, MS всегда работает на лучшем из свободных каналов, меняя их в процессе передачи сообщения несколько раз. Переход с одного канала на другой в DECT мягкий, происходит без нарушений в передаче информации, что обеспечивает высокое качество связи.

Все станции DECT, BTS и MS, излучают при передаче пакета мощность 250 мВт. В диапазоне частот 1880 - 1900 МГц такой уровень мощности обеспечивает связь на трассах прямой видимости в сельской местности до 1...3 км. В городах площадь, покрываемая BTS, обычно ограничена окружающими зданиями и другими препятствиями, так что радиус зоны покрытия обычно составляет 200...300 м. Следовательно, DECT относится к микросотовым (и пикосотовым в зданиях) системам.

DECT, впервые появившись в 1992 г., очень быстро стал самым популярным стандартом беспроводного доступа в мире благодаря простоте развертывания сетей и высокому качеству связи. В соответствии с назначением сетей связи, все устройства DECT, в том числе MS, разделены на несколько профилей. Основной профиль - профиль общего доступа GAP (Generic Access Profile) позволяет передавать сигналы телефонии и данные со скоростью 32 кбит/с. Бóльшая часть носимых MS - это станции профиля GAP. Все остальные профили также обеспечивают передачу телефонии, но сверх того предоставляют высококачественные каналы для передачи данных и сопряжения с сетями ISDN и сотовыми сетями. Так, аппаратуру профиля RAP (Radio Access Profile) широко используют в качестве устройств беспроводного доступа, к каждому из которых можно подключить до 4 телефонных аппаратов. Аппаратура этого профиля, кроме передачи телефонии и данных со скоростью 32 кбит/с, позволяет передавать данные в защищенном режиме со скоростями 16, 40 кбит/с, а в асимметричном режиме повысить скорость передачи. факсов и данных до 552 кбит/с.

Стандарт Bluetooth

Стандарт IEEE 802.15 (Bluetooth) – универсальный радиоинтерфейс, обеспечивающий связь на малых расстояниях нескольких электронных устройств. Используя Bluetooth, легко организовать временное соединение между компьютером и MS, между несколькими компьютерами, включая управляющие и исполнительные устройства.

Аппаратура Bluetooth работает в нелицензируемом диапазоне 2,4….2,483 ГГц, где выделено 79 каналов шириной 1 МГц. Каналы пронумерованы: k = 0….78, центральные частоты каналов определяют по формуле

f_k = 2402 + k (МГц).

Сквозная скорость в радиотракте 1 Мбит/с. При передаче по радиоканалу используют Гауссову ЧММС. По мощности передатчиков устройства Bluetooth делят на 3 класса (табл. 4.1). В устройствах 1-го класса предусмотрена обязательная регулировка уровня мощности от 20 до 4 дБм. Чувствительность приемника не хуже -70 дБм.

                                                                                         Таблица 4.1

Соединения и пикосети Bluetooth построены по иерархическому принципу. В каждой сети есть ведущее устройство – мастер, и одно или несколько ведомых (slave), рис. 4.5

Рис. 4.5. Пикосети с соединением точка-точка (a), точка-многоточие (б) и пример организации распределенной сети (в)

Мастер управляет процессом обмена информацией, устанавливает в сети временную синхронизацию, регулирует мощность передатчиков ведомых устройств. В пикосети к одному мастеру можно подключить до 7 активных ведомых. Вместе с тем, организация соединений в Bluetooth достаточно “демократична”: устройство, инициирующее обмен информацией, становится мастером.

Так как в диапазоне 2,4 ГГц, кроме Bluetooth работают сети стандартов IEEE 802.11b,g, а также разнообразная медицинская, домашняя (СВЧ печи) и другая аппаратура, возникает проблема защиты каналов связи от помех. Для этого в Bluetooth используют передачу с прыгающей частотой, меняющейся по псевдослучайному закону. Информацию в Bluetooth передают пакетами, размещаемыми во временных интервалах (ВИ) длительностью 625 мкс. В каждом активном Bluetooth модуле работает таймер – счетчик ВИ. Полный цикл составляет 2²⁷ ВИ.

Каждый следующий пакет передают на другой частоте в соответствии с часами мастера, под которые подстраиваются все ведомые устройства. Всего за одну секунду происходит 1600 переключений частоты.

Интерфейс Bluetooth поддерживает 2 типа соединений:

- синхронное, ориентированное на соединение, обозначаемое SCO (Synchronous Connection-Oriented),

- асинхронное, не ориентированное на соединение, обозначаемое ACL (Asynchronous Connection-Less).

В синхронном соединении участвуют 2 устройства: мастер и ведомый (рис. 4.5а). Для этого соединения резервируют канальный ресурс. На практике SCO используют для передачи речи, например, между MS и телефонной гарнитурой на голове абонента. На рис. 4.6 приведен пример временных диаграмм при синхронном соединении. Для передачи используют каждый шестой ВИ. Зарезервированный канальный ресурс позволяет организовать дуплексную связь со скоростью 64 кбит/с, что соответствует стандартной скорости передачи телефонии.

       Каждый пакет HV3 на рис. 4.6 содержит 30 информационных байт, что поддерживает скорость передачи 30 · 8 / (6 · 625 · 10^-6) = 64 кбит/с. Для улучшения качества связи можно передавать данные с кодовой защитой с R_кода = 2/3 и 1/3. Тогда в одном направлении передачи на рис. 4.6 будет занят каждый четвертый или каждый второй ВИ соответственно. Пакеты, используемые для передачи стандартного речевого сигнала, относят к типу HV (High Quality Voice). Кроме передачи речи, в синхронном соединении можно вести и обмен данными. Для этого используют пакеты типа EV. Характеристики синхронного соединения в Bluetooth приведены в табл. 4.2.

·

Рис. 4.6. Передача пакетов при синхронном соединении

Таблица 4.2

В асинхронных соединениях процессами обмена информацией управляет мастер. При этом можно реализовать режим точка – многоточие и мастер может работать с разделением во времени с 7 активными ведомыми (рис. 4.5б). Ведомое устройство не может самостоятельно выходить на связь; оно отвечает только в следующем ВИ после получения пакета мастера. В ACL соединениях возможна организация симметричных и асимметричных каналов. При симметричной передаче пакеты мастера и ведомого занимают 1 ВИ (DH1: Data-High Rate 1 или DM1: Data-Medium Rate 1), 3 ВИ (DH3, DM3) или 5 ВИ (DH5, DM5). При организации асимметричных каналов только пакеты мастера могут занимать 3 или 5 ВИ, пакеты ведомых всегда ограничены 1 ВИ (рис. 4.7). Характеристики асинхронных соединений приведены в табл. 4.3.

Рис. 4.7. Передача пакетов при асинхронном соединении

Спецификации Bluetooth 2.0 позволяют увеличить скорость передачи данных в 3 раза за счет перехода в радиоканале от ГЧММС (Гауссовской частотной модуляции с минимальным сдвигом фазы) к 8-ОФМ.

                                                                                                                Таблица 4.3

Развитие стандарта WiMAX

                                                                                                                    Таблица 4.7

В табл. 4.7: SC – Single Carrier (передача на одной несущей), SOFDMA – Scalable OFDM Access (доступ на основе масштабируемой OFDM).

В настоящее время действует основной вариант спецификаций WiMAX от 29.05.2009 “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Broadband Wreless Access Systems”.

Варианты физического уровня и доступные технологии различных версий WiMAX описаны в табл. 4.8.

                                                                                                Таблица 4.8

1) WirelessMAN-SC (Single Carrier) – вариант с передачей на одной несущей, работающий только в пределах прямой видимости на частотах выше 11 ГГц;

2) WirelessMAN-SCa – тоже вариант на одной несущей, работающий в пределах прямой видимости по принципу точка - многоточка в диапазоне 2 – 11 ГГц;

3) Wireless MAN-OFDM – вариант точка - многоточка при отсутствии прямой видимости и многолучевом распространении сигналов с использованием 256 поднесущих в диапазоне 2 – 11 ГГц;

4) Wireless MAN OFDMA (масштабируемая OFDMA) с использованием 128, 512, 1024 или 2048 поднесущих в зависимости от полосы радиоканала; вариант, работающий по схеме точка - многоточка при многолучевом распространении сигналов с возможным хэндовером при обслуживании подвижных абонентов.

5) WirelessHUMAN (2 – 11 ГГц; нелицензионные диапазоны)

В вариантах 3 и 5 предусмотрены возможности организации Mesh-сетей с полновесной топологией для ускорения передачи трафика (возможна передача информации по временно организуемым соединениям, в том числе и межсистемным).

       В ряде случаев аббревиатура OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing заменена на ОЧР (ортогональное частотное разнесение), а OFDMA (OFDM Access) на ОЧРД (доступ с ортогональным частотным разнесением).

       Дополнительные технологии, обеспечивающие увеличение зон покрытия, скоростей передачи и улучшение качества связи:

       AAS – adaptive antenna system; адаптивная антенная система – использование более, чем одной антенны на станциях для увеличения емкости сети и улучшения покрытия,

       ARQ – automatic repeat request; технология и используемый в ней информационный пакет, обеспечивающие повторную передачу непринятых пакетов,

       HARQ – hybrid automatic repeat request; гибридная технология повторной передачи непринятых пакетов,

       STC – space/time coding; пространственно-временное кодирование.

       Связь в сетях WiMAX можно осуществлять как с временным (TDD), так и с частотным (FDD) дуплексом.

Фиксированные WiMAX профили – 3,5 ГГц (FDD): 3,5; 7; (256)

                                                                  3,5 ГГц (TDD): 3,5; 7; (256)

                                                            5,8 ГГц (TDD): 10 (256)

Мобильные WiMAX профили - 2,3 – 2,4 ГГц: 5 (512); 10 (1024); 8.75 (1024);

  все TDD                                  2,305 – 2,320 ГГц: 3,5 (512); 5 (512)

                                                      2,345 – 2,360 ГГц: 10 (1024)                            

                                                      2,496 – 2,69 ГГц: 5 (512); 10 (1024)

                                                      3,3 – 3,4 ГГц: 5 (512); 7 (1024); 10 (1024)

                                                      3,4 – 3,8 ГГц: 5 (512)

                                                      3,4 – 3,6 ГГц: 7 (1024)

                                                      3,6 – 3,8 ГГц: 10 (1024)

       Кроме указанных, возможно выделение каналов в диапазонах 5,7 ГГц, 1,710 – 1,755: 2,110 – 2,155 ГГц.

       Стандарт 802.16-2004. Характеристики физического уровня.

Стандарт IEEE 802.16-2004 поддерживает немобильные варианты технологий WirelessMAN-SC и WirelessMAN-OFDM. Учитывая, что основной контингент абонентов обслуживают вне зоны прямой видимости далее будем заниматься только технологией WirelessMAN-OFDM.

Обратное преобразование Фурье определяет форму сигнала OFDМ. Полезной длительностью символа считается величина Tb. Последнюю часть Tg периода символа, названную защитным интервалом, повторяют в начале символа, чтобы устранить влияние многолучевого распространения ортогональных составляющих сигнала (рис. 4.21).

                   Рис. 4.21. Формат символа на одной частоте

       В частотной области сигнал характеризуют спектральные характеристики (рис.4.22).

                   Рис.4.22. Описание сигнала в частотной области

      Длительность символов в зависимости от ширины полосы канала приведена в табл.4.9.

                                                                                                        Таблица 4.9

       Величины скоростей передачи в зависимости от вида модуляции и кодовой скорости приведены в табл.4.10. Модуляционно-кодирующие схемы в WiMAX называют профилями. На рис.4.23 представлены созвездия сигналов 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ.

                                                                                                          Таблица 4.10

                   Рис. 4.23. Созвездия сигналов, используемых в WiMAX

Пример структуры кадров с TDD приведен на рис.4.24.

В нисходящем канале информацию от базовой станции передают в виде последовательности пакетов (burst). Для каждого пакета можно задавать метод модуляции и схему кодирования данных – т.е. выбирать между скоростью и надежностью передачи. TDM–пакеты передают по очереди для разных абонентских станций, каждая из которых из всего информационного потока выбирает «свои» пакеты. Чтобы абонентские станции знали, как выбрать пакеты, в управляющей секции передают карты нисходящего (DL-MAP), и восходящего (UL-MAP) каналов.

       Рис. 4.24. Пример структуры кадра ОЧР с временным дуплексом

В карте нисходящего канала (DL-MAP) указана длительность кадра, номер кадра, число пакетов в нисходящем субкадре, а также точка начала и тип профиля каждого пакета. Точку начала отсчитывают в так называемых физических слотах, каждый физический слот равен определенному числу модуляционных символов. Отбор пакетов (burst) АС производят по идентификаторам соединений CID (Connection Identifier). Каждое соединение (сигнальное или трафика) имеет свой индивидуальный CID.

Абонентские станции получают доступ к среде передачи посредством механизма временного разделения каналов TDMA (Time Division Multiple Access). Для этого в восходящем субкадре для АС базовая станция резервирует специальные временные интервалы – слоты. Информация о распределении слотов между АС записана в карте восходящего канала UL-MAP, транслируемой в каждом кадре. UL-MAP – функционально аналогична DL-MAP – в ней сообщают, сколько слотов в субкадре, точку начала и идентификатор соединения для каждого из них.

Стандарт LTE

    Новый стандарт сотовой связи Evolved UTRA (E-UTRA) представляет собой эволюцию стандарта 3-го поколения UMTS в направлении повышения скоростей передачи, уменьшения задержек и оптимизации пакетной передачи данных. Стандарт E-UTRA разрабатываемый как технология LTE (Long-Term Evolution), описан в спецификациях 3GPP, начиная с Rel.8. По своим характеристикам LTE является гибридом двух достаточно разных стандартов: сотовой связи UMTS и беспроводного доступа WiMAX. Из WiMAX как основа физического уровня взята технология ОЧР (ортогонального частотного разнесения или OFDM). Поэтому E-UTRA относится к стандартам с частотно-временным разделением каналов, где возможны реализации как с частотным, так и с временным дуплексом. Из UMTS использованы прежде всего протоколы уровня L2: Mobility Management, Session management, в меньшей степени RRC (Radio Resource Control). Структура сети E-UTRA является конечной точкой эволюции структуры сети UMTS при работе с коммутацией пакетов, производимой в рамках модернизации стандарта UMTS в Rel.7 и Rel.8.

В LTE реализованы задачи эволюции системной архитектуры SAE (System Architecture Evolution) при передаче пакетного трафика. Архитектура E-UTRAN представлена на рис.5.1. Она включает в себя ядро пакетной сети EPC (Evolved Packet Core), модернизированные eNB и интерфейсы S1 и X2.

             Рис.5.1. Базовая архитектура сети E - UTRAN

       EPC состоит из шлюзов доступа, которые относительно обслуживаемых абонентских устройств становятся S-GW (Serving Gateway). eNB аккумулируют функции существующих Node B и контроллеров RNC, касающихся обработки пакетного трафика и выделения канального ресурса. В E-UTRAN выдержан принцип логического разделения транспортных сетей передачи данных и сигнализации. Стек протоколов плоскости управления интерфейса S1: S1-MME (Mobility Management Entity) приведен на рис.5.2.а, а стек протоколов в пользовательской плоскости (туннельный протокол на уровне L2) на рис.5.2.б. 

                              a)                                                     б)       

                                          Рис.5.2.. Интерфейс S 1

       Аналогичным образом построен и интерфейс Х2.

Логическая структура сети E-UTRAN изображена на (рис.5.3), где красным обозначены новые элементы и интерфейсы.

Рис.5.3.  Логическая структура сети Rel. 8

       На рис.11 UPE – User Plane Entity, HSS – Home Subscriber Server, ePDG – Evolved Packet Data Gateway, PCRF - Policy and Charging Rules Function.

       На физическом уровне (на радиоинтерфейсе) в технологии LTE используют OFDM при модуляции 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом максимальное число поднесущих частот в рабочей полосе может достигать 2048.

Взаимная синхронизации E-UTRA и UTRA обеспечивается тактированием с длительностью временной единицы T_s = 1/(15000×2048) c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). Структура кадра типа 1 показана на рис.5.4. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360× Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр – всего 10 субкадров, от 0 до 9 (рис.5.5).

              Рис.5.4. Структура кадра при частотном дуплексе

              Рис.5.5. Конфигурация кадра при частотном дуплексе

    Структура кадра при временном дуплексе приведена на рис. 5.6.

Рис.5.6. Структура кадра при временном дуплексе

    Кадр длиной 10 мс также состоит из 10 субкадров длиной 1 мс. Однако в отличие от рис.5.5 в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U); кроме того есть специальные субкадры (S),состоящие из трех полей: UpPTS – поля передачи вверх, DwPTS – поля передачи вниз, и защитного интервала (GP). Возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (табл.5.1).

                                                                                         Таблица 5.1

Конфигурация

Вверх-вниз

Периодичность

Переключения

Вверх-вниз

Номер субкадра