Проектирование сети беспроводного доступа Wimax

Для изучения возможности  использования этих диапазонов необходимо проанализировать их загрузку по регионам. Некоторым  представляется целесообразным разработать процедуру переноса систем радиорелейной связи, работающих в диапазоне частот 5,725—5,850 ГГц, в другой диапазон, например 11 ГГц, или цифровизации аналоговых систем радиорелейной связи с уплотнением используемого диапазона частот и высвобождением частотного ресурса под системы WiMAX. Возможно, стоит принять общее решение ГКРЧ по применению систем WiMAX в диапазоне 5,725—5,850 ГГц. Использование рекомендованных WiMAX-форумом диапазонов частот позволит эксплуатировать в сетях БШД абонентские устройства зарубежных производителей. Внедрение систем WiMAX ускорит развитие современных услуг связи в России, особенно в местах с плохо развитой телекоммуникационной инфраструктурой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Техническая характеристика стандарта  IEEE802.16

Из всего многообразия стандартов семейства IEEE 802.16  мы  остановимся на двух: IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16е .

Первый стандарт описывает  физический уровень и МАС- (Media Access Control- управление доступом к среде передачи) уровень для фиксированных сетей  высокоскоростного беспроводного доступа FBWA (Fixed Broadband Wireless Access). Второй стандарт является  дополнением к первому для обеспечения мобильности.

Физический уровень

Основными узлами сети по стандарту IEEE 802.16 являются базовая станция (Base Station) и пользовательская станция (Subscriber Station).

Предусмотрено две топологии  взаимодействия между узлами сети : «точка-многоточка» РМР (Point-to-MultiPoint), при которой каждая пользовательская станция взаимодействует со своей базовой станцией и ячеистая (Mesh), при которой пользовательские станции могут взаимодействовать между собой.Первая топология подразумевает сотовую структуру организации зоны покрытия сети. При этом не исключен более простой способ организации связи- "точка-точка".

Стандарт IEEE 802.16 описывает четыре физических уровня:

• Single Carrier (WirelessMAN-SC)- символы модуляции передаются на несущей частоте- ориентирован на работу в условиях прямого распространения сигнала на частоте несущей в диапазоне 10-66 ГГц;
• Single Carriera (WirelessMAN-SCa)- модификация WirelessMAN-SC- для работы в условиях непрямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц;
• Orthogonal Frequency Division Multiplexing (WirelessMAN-OFDM) – символы модуляции передаются на множестве поднесущих с использованием  технологии OFDM – предназначен для работы в условиях непрямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц;
• Orthogonal Frequency Division Multiple Access (WirelessMAN-OFDMA)- множественный доступ с частотно-временным разделением с использованием технологии OFDM- предназначен для работы в условиях непрямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц.

Таблица 1.1 – Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Где - ARQ (automatic repeat request) – автоматический запрос повторной передачи;

          - AAS (adaptive antenna system) – работа с адаптивными антенными системами;

          - STC (space time coding) – пространственно-временное кодирование;

          - MESH – режим взаимодействия АС друг с другом;

          - DFS (dynamic frequency selection ) – режим динамического распределения частот.

    WirelessMAN-SC

    Физический уровень WirelessMAN-SC предназначен для работы в условиях прямого распространения сигнала на частоте несущей в диапазоне 10-66 ГГц.

Стандарт IEEE 802.16 жестко не регламентирует полосу частот для WirelessMAN-SC. Вместо этого приведено три наиболее типичных значения- 20, 25 и 28 МГц.

Физический уровень WirelessMAN-SC поддерживает два вида дуплекса: частотный FDD (Frequency Division Duplex) и временной TDD (Time Division Duplex). В случае частотного дуплекса стандарт поддерживает как полнодуплексные пользовательские станции:  которые могут принимать и передавать одновременно, так и полудуплексные пользовательские станции, которые  одновременно могут либо передавать, либо принимать.Передача данных в прямом канале (от базовой станции к пользовательской ) и в обратном направлении имеет кадровую структуру. Стандарт регламентирует три размера кадра: 0.5, 1 и 2 мс.

Рассмотрим подробнее  структуру кадра. Он содержит  кадр прямого канала, и кадр обратного канала. В случае частотного дуплекса кадры прямого и обратного каналов передаются одновременно на различных частотах (рисунок.1.1).

Рисунок 1.1 - Кадры прямого и обратного каналов в случае частотного                                                                                                                                                 

              дуплекса

 При использовании  временного дуплекса в кадре сначала  передают  кадр прямого канала, а за ним кадр обратного канала (рисунок 1.2). При этом кадр имеет фиксированный размер, а доли кадра, занимаемые  кадрами  прямого и обратного каналов, могут адаптивно меняться  от кадра к кадру.

Рисунок 1.2 - Кадры прямого и обратного каналов в случае временного

                    дуплекса

В случае частотного дуплекса кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рисунке 1.3

Кадр прямого канала при использовании частотного дуплекса включает следующие основные элементы: преамбулу кадра прямого канала; DL-MAP (Dowlink Map)- расписание кадра прямого канала; UL-MAP (Uplink Map)- расписание кадра обратного канала; TDM-часть; TDM-пакеты с пользовательскими данными; TDMA-часть; TDMA –пакеты с пользовательскими данными, перед каждым из которых передаётся преамбула.

Рисунок 1.3 - Структура кадра прямого канала в случае частотного

                    дуплекса

   Данные разных  пользовательских станций в прямом канале разделяются по времени. При этом предусмотрено два подхода: TDM (Time Division Multiplexing) - временное мультиплексирование; TDMA (Time Division Multiple Access) - множественный доступ с временным разделением. Последний подход предусмотрен для поддержки полудуплексных станций.

Сообщение DL-MAP задаёт расписание пакетов разных пользователей внутри кадра прямого канала, а сообщение UL-MAP- внутри кадра обратного канала.

Преамбулы служат для  измерений, частотно-временной  синхронизации  и оценки канала.

    В случае  временного дуплекса кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рисунке… Она проще , так как отсутствует TDMA-часть. Добавлен временной интервал TTG (Transmit/Receive Transition Gap)- защитный интервал , предназначенный для перестройки от передачи к приёму (на базовой станции) и от приёма к передаче (на пользовательской станции).

 

            

Рисунок 1.4 - Структура кадра прямого канала в случае временного дуплекса

    

Структура кадра обратного  канала показана на рисунке.. Она практически одинакова  для частотного  и временного дуплекса. Отличие заключается в наличии временного интервала RTG (Receive/Transmit Transition Gap)- защитного интервала , предназначенного для перестройки от приёма к передаче (на базовой станции) и от  передачи к приёму (на пользовательской станции).

 

Рисунок 1.5 - Структура  кадра обратного канала

  

  Кадр обратного  канала включает следующие основные  элементы: канал начального доступа;  канал запроса частотно-временного  ресурса;  пакеты с пользовательскими данными . Последние состоят из  SSTG (Subscriber Station Transition Gap)- защитного временного интервала между пакетами разных пользовательских станций; преамбулы; пользовательских данных; временного интервала RTG (только в случае временного дуплекса ).

Длительности канала начального доступа м канала запроса  частотно-временного ресурса , а так  же расписание пакетов с пользовательскими  данными задаёт сообщение UL-MAP текущего или одного из предыдущих кадров прямого канала.

Физический уровень WirelessMAN-SC стандарта IEEE 802.16 определяет четыре схемы кодирования: код Рида-Соломона (Reed-Solomon Code);код Рида-Соломона и блочный свёрточный код (Block Convolutional Code ); код Рида-Соломона и проверка чётности (Parity Check); блочный турбокод (Block Turbo Code). Предусмотрено три вида модуляции: QPSK; 16-QAM; 64-QAM. Несколько схем кодирования и видов модуляции позволяют осуществлять адаптивное кодирование  и модуляцию.

Канальные скорости передачи  для размера кадра 1мс и трёх рекомендованных полос частот для физического уровня WirelessMAN-SC приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Канальные скорости передачи для WirelessMAN-SC

Полоса частот, МГц	Скорость передачи, QPSK, Мбит/с	Скорость передачи, 16-QAM, Мбит/с	Скорость передачи,64-QAM, Мбит/с
20	32	64	96
25	40	80	120
28	44.8	89.6	134.4

 

Для работы стандарт предусматривает  начальную и периодическую частотно-временную  синхронизацию. Предполагается, что  она осуществляется по сигналу базовой  станции.

Также предусмотрена  регулировка мощности пользовательской станции .

Для адаптивного кодирования  и модуляции, а также для регулировки  мощности стандарт IEEE 802.16 предусматривает периодические измерения уровня принимаемого сигнала , а также отношения сигнал/(шум+помехи).

 

 

WIrelessMAN-SCA

Физический уровень WirelessMAN-SСa предназначен для работы в условиях  не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц.

Предусмотрены следующие  схемы кодирования : код Рида-Соломона+перемежитель+совместное кодирование и модуляция с  переменной скоростью на  основе  свёрточного кода (rate-compatible TCM from K=7, R=1/2 CC); кодирование отсутствует; блочный турбокод; свёрточный код.

Предусмотрены следующие виды модуляции: BPSK с расширением спектра; BPSK;QPSK; 16-QAM; 64-QAM; 256-QAM.

В  структуру кадра добавлены пилотные символы для оценки канала; есть возможность повторной передачи (ARQ); предусмотрена разнесённая передача на основе пространственно-временных кодов; существует поддержка адаптивных антенных систем.

WirelessMAN-OFDM

Физический уровень WirelessMAN-OFDM предназначен для работы  в условиях не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц и основан на технологии OFDM.

OFDM-символ содержит 256 поднесущих,из которых используется 200 поднесущих. Из них на 8 поднесущих передают пилот-сигналы, а остальные используют для передачи данных.

Стандарт IEEE 802.16  жестко не регламентирует  полосу частот для WirelessMAN-OFDM. Вместо этого приведены значения , одному из которых должна быть кратна полоса частот: 1,25; 1,5; 1,75; 2 и 2,75 МГц.

Физический уровень WirelessMAN-OFDM поддерживает два вида дуплекса: частотный и временной. В случае частотного дуплекса стандарт  поддерживает как полнодуплексные пользовательские станции, так и полудуплексные пользовательские станции.

Стандарт регламентирует следующие размеры кадра для WirelessMAN-OFDM: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс.

Рассмотрим подробнее структуру  кадров прямого и обратного каналов  для режима «точка-многоточка».

Кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рисунке 1.6

Рисунок 1.6 - Структура  кадра прямого канала

    

 Кадр прямого канала  включает следующие основные  элементы: преамбулу кадра прямого  канала; FCH(Frame Control Header)- заголовок кадра, указывающий на местоположение и вид кодирования и модуляции сообщений DL-MAP и UL-MAP; DL burst #1- первый пакет прямого канала. Последний содержит DL-MAP-расписание кадра прямого канала; UL-MAP-расписание кадра обратного канала. DL burst #n-остальные пакеты прямого канала.

Вид кодирования и  модуляции- одинаковый внутри пакеты прямого канала и может меняться от пакеты к пакету. Пакет может содержать данные, предназначенные как для одного, так и для разных пользователей.

Сообщение DL-MAP задаёт расписание пакетов разных пользователей внутри кадра прямого канала, а сообщение UL-MAP- внутри кадра обратного канала.

Преамбула служит для  измерений , частотно-временной синхронизации  и оценки канала.

Кадр обратного канала имеет структуру, показанную на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7- Структура  кадра прямого канала

 

       Кадр  обратного канала включает следующие  основные элементы: канал начального  доступа; канал запроса частотно-временного  ресурса; пакеты с пользовательскими  данными. Последние включают: преамбулу,  пользовательские данные.

Как и в предыдущих физических уровнях, предусмотрены  защитные интервалы для разделения кадров прямого и обратного каналов  при использовании временного дуплекса и для разделения  пакетов обратного  канала разных пользовательских станций.

      Длительность канала начального доступа и канала запроса частотно-временного ресурса, а так же расписание пакетов с пользовательскими данными задаёт сообщение UL-MAP текущего или одного из предыдущих кадров прямого канала.

      Физический уровень  стандарта IEEE 802.16 определяет три схемы кодирования: код Рида Соломона и блочный свёрточный код; блочный турбокод; свёрточный турбокод (Convolutional Turbo Code).Предусмотрено четыре вида модуляции: BPSK; QPSK; 16-QAM; 64-QAM. Несколько схем кодирования и видов модуляции позволяют осуществлять адаптивное кодирование и модуляцию.