Аналіз можливості побудови радіо мережі спеціального призначення з використанням технології WiMAX

2. Яскраво демонструється  адаптивний характер OFDM систем. Система  плавно "деградує" з погіршенням  якості траси, але для будь  траси досягається максимум пропускної  здатності без порушення зв'язку.

3. Досягаються оптимальні  обмінні співвідношення "дальність  – швидкість передачі". Досягнуті не тільки рекордні співвідношення по швидкості для систем даного класу, але і рекордні результати по дальності при даній швидкості. Особливо слід відзначити результати досягнення дальності 19 км від базової станції при сумарній швидкості для одного абонента – 17,8 Мбіт/с для секторної антени і 9 Мбіт/с для кругової антени. Це означає, що радіус дії базової станції для даного обладнання може досягати 20 км не тільки при багатосекторній конфігурації, але і при односекторній.

4. Система практично не "деградує" в пропускній здатності при збільшенні числа працюючих абонентів. Так, якщо порівняти сумарні швидкості при роботі одного і двох абонентів, то видно, що для двох абонентів швидкість практично дорівнює середньому арифметичному швидкостей абонентів окремо.

5. Закладені в систему  BreezeACCESS VL принципи і технічні рішення дозволяють сподіватися на швидку, і може бути програмну міграцію в бік WiMax сумісних систем.

6. Система BreezeACCESS VL володіє рекордними економічними і ціновими показниками для обладнання даного класу як для базових станцій, так і для абонентських пристроїв.

7. Незначний рівень спектральної  щільності потужності обладнання  WiMAX є позитивним фактором з погляду безпеки для здоров'я людини, забезпечення електромагнітної сумісності радіоелектронних засобів. Крім цього, звідси випливає і вищий рівень прихованості передачі інформації, ніж, наприклад у стандарті GSM, що, безперечно, є дуже важливим для мереж спеціального призначення.

 

3.2. Аналіз завадозахищеності  технології WiMAX

 

На фізичному рівні  приймально-передавального обладнання WiMAXвикористовується технологія ортогонального частотного розділення з мультиплексуванням – OFDM,до основних переваг якої слід віднести стійкість до завмирань сигналу за умов багатопроменевості та частотно-селективних завмирань, а також високу спектральну ефективність. Крім того, багаточастотна структура групового сигналу зменшує чутливість системи передачі до імпульсних завад і дозволяє ефективно боротися із зосередженими за спектром завадами. За рахунок цього перспективним є застосування технології OFDMв телекомунікаційних системах спеціального призначення.

Однією з головних вимог  до системи зв’язку спеціального призначення є забезпечення високої  завадозахищеності, тобто здатності  функціонувати з необхідною якістю в умовах складної радіоелектронної обстановки, в тому числі при створенні  організованих завад. В висвітлені питання, що стосуються боротьби з навмисними завадами в системах радіозв’язку з прямим розширенням спектра та з використанням псевдовипадкового перестроювання робочих частот (ППРЧ). Однак, задачі дослідження впливу організованих завад на системи радіозв’язку з використанням модуляції ортогональними гармонійними несучими не розглядаються.

Очевидно, що модуляція OFDM не має такого високого рівня завадозахищеності, як режим ППРЧ та шумоподібні сигнали. Проте зважаючи на численні переваги технології ортогонального частотного мультиплексування та позитивну практику її впровадження в телекомунікаційну інфраструктуру, доцільно проаналізувати можливість використання технології OFDM в системах зв’язку спеціального призначення в умовах складної електромагнітної обстановки.

Тому необхідно провести кількісну оцінку негативного впливу організованих завад на якість зв’язку радіоліній з OFDM та визначити загальний підхід до підвищення завадозахищеності таких радіоліній. В загальному випадку завадозахищеність визначається завадостійкістю та прихованістю її функціонування.

Фізичний зміст процесу  функціонування системи радіозв’язку в умовах організованих завад являє собою радіоелектронний конфлікт, в якому приймають участь з одного боку СРЗ, а з іншого – система РЕП, до складу якої, в загальному випадку, входять станція радіотехнічної розвідки (РТР) та, безпосередньо, станція завад (СЗ). В якості загального показника ефективності конфліктуючих сторін доцільно обрати середню ймовірність помилкового приймання на біт, як основну міру кількісної завадостійкості СРЗ.

Розглянемо радіолінію з ортогональною частотною модуляцією n несучих та використанням в кожному підканалі чотирьохпозиційної фазової модуляції (ФМ-4) з когерентною демодуляцією.

Найбільш універсальною  та стійкою до різних способів підвищення завадостійкості сигналів при прийманні  є шумова загороджувальна завада, модель якої може бути подана обмеженим  у смузі частот адитивним білим  гаусівським шумом (АБГШ) з нульовим середнім та рівномірним розподілом спектральної щільності потужності. На рис. 3.1 зображено OFDM-сигнал та шумову загороджувальну заваду; якщо потужність сигналу P на приймальному боці постійна, спектральна щільність потужності сигналу завади ( – ширина спектру завади, яка співпадає з шириною спектра сигналу); E_бi– енергія сигналу в і-му підканалі.

 

 

 

 

Рис. 3.1. Шумова загороджувальна завада в спектрі OFDM-сигналу

 

Загальним показником завадостійкості  системи радіозв’язку (СРЗ) оберемо  середню ймовірність помилкового приймання на біт.

Ймовірність помилки Р_б для сигналу OFDM знайдемо як суму ймовірностей помилкового приймання по всіх піднесучих, враховуючи те, що швидкість передачі у кожному підканалі в n разів менша від загальної швидкості групового сигналу:

                                                   (3.1)

Ймовірність помилкового  приймання в окремому підканалі OFDM можна визначити за виразом:

                                           (3.2)

де E_бi– енергія сигналу, G_0i– спектральна щільність потужності шуму, Ф(х) – функція Крампа.

При наявності завад, повна  спектральна щільність потужності шуму в загальній смузі частот зростає з  до і вираз (3.1) з урахуванням виразу (3.2) та широкосмугової завади можна записати:

                                     (3.3)

Для спрощення розрахунків  прийнято, що значення G_0i  однакове для усіх піднесучих. Зрозуміло, що і значення E_бi також однакові для усіх піднесучих. Вони можуть відрізнятися лише за умов використання перерозподілу потужності випромінювання по піднесучих. Якщо позначити (відношення сигнал/завада), то формула (3.3) перетворюється до вигляду:

                                                 (3.4)

Очевидно, що при наявності  в діапазоні частот радіолінії достатньо  потужної широкосмугової загороджувальної завади, яка перекриває весь спектр системи з багатьма несучими та створює спектральну щільність потужності завади G_з, яка збільшує ймовірність помилкового приймання до недопустимого значення ( ),єдиним виходом для радіолінії є перехід на іншу робочу частоту. Тобто у такому випадку СРЗ повинна діяти за алгоритмом роботи частотно-адаптивної радіолінії, тобто „втікати” від завади використовуючи перестройку робочої частоти у відповідності до псевдовипадкового алгоритму.

Розглянемо вплив на завадостійкість  радіолінії з OFDMшумової завади в частині смуги (рис. 3.2). Введемо параметр , що показує, в якій частині спектра сигналу присутня завада. На рис. 3.2 , деf₂ – f₁– ширина спектра сигналу, f₂' – f₁' – ширина спектра завади; . Очевидно, що перекриваючи меншу смугу діапазону, постановник організованих завадможе збільшувати потужність завад у цій смузі до рівня .

 

 

 

 

Рис. 3.2. Шумова завада в частині смуги в спектрі OFDM сигналу

 

Для спрощення аналітичного виразу зробимо припущення, що ширина спектра завади є такою, що перекриває ціле число несучих. Отже, параметр можна виразити так: , де m – кількість несучих, в спектри яких потрапляє завада. Тоді, загальну ймовірність помилкового приймання в даній системі можна виразити наступним чином:

                       (3.5)

Враховуючи те, що для  модуляції всіх несучих використовується ФМ-4, і прийнявши, що значення G_0i  однакове для усіх піднесучих, вираз (3.5) можна спростити до вигляду:

,

або

                  (3.6)

Очевидно, що для постійної  потужності завади існує таке значення , при якому значення Р_б буде максимальним. Таку шумову заваду в частині смуги сигналу з OFDM, яка при фіксованому значенні потужності завади максимізує ймовірність помилкового приймання радіолінії, будемо називати оптимальною.

У більшості випадків присутності  в каналі організованих завад  справедливим є припущення . Тому, за наявності навмисних завад значенням G_0i можна знехтувати. Тоді вираз (3.6) спрощується до вигляду:

.                         (3.7)

Графіки залежності , побудовані за виразом (3.7) для різних значень представлено на рис. 3.3. В табл. 3.2 наведено відповідні значення .

 

Таблиця 3.2

Вибір оптимальної  шумової завади в частині смуги

γ1	γ2	γ3	γ4	γ5	γ6	γ7	γ8	γ9	γ10
0,0001	0,0005	0,001	0,005	0,01	0,05	0,1	0,3	0,5	1

 

Рис. 3.3. Завадостійкість приймання OFDM-сигналу

при впливі шумової завади в частині смуги

 

Очевидно, що зі збільшенням  значення , при якому максимізується ймовірність помилкового приймання , зменшується. Якщо продиференціювати рівняння (3.7), отримуємо:

Відповідно, максимальна  ймовірність помилкового приймання  на біт дорівнює:

Таким чином, у випадку  наявності в каналі зв’язку організованих  завад, найгірше значення завадостійкості  радіолінії буде спостерігатися у випадку  концентрації потужності завади для  спотворення певної частини піднесучих (тобто певної частини переданих символів).

В літературі доведено, що застосування в OFDM-системі радіозв’язку адаптивного відключення піднесучих з подальшим вибором схеми модуляції та кодування (СМК), може дозволити досягнути підвищення швидкості передачі даних при ймовірності помилки, що не перевищує заданої величини, та запропоновано практичний алгоритм адаптивного вибору СМК з відключенням піднесучих (АВСМК-ВП), що передбачає адаптивне відключення піднесучих.

Відомо, що завадостійкість  OFDM залежить від точності оцінювання передаточної характеристики каналу зв’язку, яка реалізується за допомогою пілотних піднесучих. Якщо постановнику завад (ПЗ) відоме їх частотне розташування і він буде подавлювати тільки пілотні піднесучі, то ефективність РЕП значно підвищиться.

В літературі зустрічається  ще один випадок подавлення, коли завада випромінюється лише протягом тривалості захисного інтервалу. В ряді випадків таке подавлення також виявляється більш ефективним, ніж використання шумової завади в частині смуги.

Для зменшення шкідливого впливу організованих завад доцільно застосовувати такі заходи:

завадостійке кодування  у поєднанні з перемежуванням;

цифрове діаграмоутворення – формування нулів діаграми направленості антени (ДНА) в напрямку дії завади;

рознесене приймання та додавання  отриманих копій сигналу;

застосування алгоритму АВСМК-ВП;

зміна позицій пілот-несучих  за псевдовипадковим законом (для протидії їх прицільному подавленню);

частотна адаптація –  перехід на іншу (найбільш придатну для ведення зв’язку) частоту.

Блок-схема алгоритму  компенсації впливу організованих завад на OFDM-систему радіозв’язку, що включає визначені вище заходи, зображена на рис. 3.4.

 

 

3.3. Можливості  щодо забезпечення безпеки інформації

 

Введення станції  користувачів в систему і ініціалізація. WіMах передбачає процедуру введення в мережу нових станцій користувачів (або вузлів користувачів) і їх ініціалізацію при першому підключенні до мережі. Нижче розглянута процедура введення в мережі по схемі "точка-багатоточка". У стандарті приведений спрощений алгоритм введення в мережу нової станції при сприятливому закінченні процедури. Схема алгоритму з успішним завершенням процедури введення та ініціалізації приведена на рис. 3.5.

 

Рис. 3.5. Алгоритм ініціалізації станції користувача

 

Процедура введення нової  станції в мережу передбачає проходження наступних ступенів:

1) сканування приймачем низхідного каналу і встановлення синхронізації з системним часом базової станції;

2) отримання параметрів на передачу (для повідомлення UCD);

3) постановка в чергу отримання доступу;

4) ведення переговорів по встановленню базових можливостей;

5) авторизація і обмін ключами шифрування;

6) виконання реєстрації;