Проектування мережі рухомого зв’язку стандарту WiMAX

Розглянемо топологію мережі SkyMAN. Мережа ШБД SkyMAN може включати одну або кілька базових станцій (БС), об'єднаних бездротовими магістралями SkyMAN або іншими каналами зв'язку. Кожна БС містить від одного до шести секторів. До складу мережі включені ретрансляційні станції (РС), що забезпечують збільшення дальності й дозволяють обходити великі перешкоди, що закривають БС від окремих АС. АС підключаються по радіо до БС або РС. АС, що перебуває в зоні радіовидимості більш ніж однієї БС, може бути зареєстрована на кожній з них, при цьому підтримується адаптивний вибір БС, що забезпечує кращу якість обслуговування. Така властивість системи дозволяє забезпечити гаряче резервування каналу АС-БС, підвищуючи надійність мережі в цілому.

Рисунок 1.2 – Топологія мережі SkyMAN

Базова станція (БС). БС системи SkyMAN Access призначена для бездротового підключення абонентів до Інтернет і ТФОП, а також об'єднання територіально – рознесених корпоративних мереж у єдину мережу.

БС будується  по модульному принципі і може включати від одного до 6 модулів, залежно  від вимог до пропускної здатності, дальності передачі, використовуваного  частотного діапазону й наявності  вільних частот. Кожний з модулів (або радіоінтерфейсів у двомодульних моделях) забезпечує обслуговування одного просторового сектора в межах діаграми спрямованості використовуваної антени. Типові значення зони охоплення кожного сектора 360° (один сектор), 120° (три сектори), і 60° (шість секторів). Устаткування БС не накладає певних вимог до ширини сектора, що у конкретних випадках може бути довільною, обумовленою конкретною топологією мережі, наявністю частотного ресурсу й розміщенням абонентів.

До складу БС входять:

– Бездротові маршрутизатори R5000 – від 1 до 6, по одному на сектор. Для малопотужних БС можуть використатися двомодульні бездротові маршрутизатори – по одному на два сектори. Односекторні БС забезпечують швидкість передачі до 54 Мбіт/с. Багатосекторні БС які забезпечують роботу зі швидкістю до 48 Мбіт/з на сектор.

– Антенно-фідерні пристрої – по кількості секторів базової станції.

– Ліцензії для підключення спеціалізованих абонентських станцій, на кожен сектор базової станції.

– Програмне забезпечення для керування мережею SkyMAN

– Комутатор Ethernet (опціонально).

– Шафа для монтажу встаткування (опціонально).

– Джерела безперебійного живлення (опціонально).

Рисунок 1.3 – Типова схема односекторної БС

 

 

Рисунок 1.4 – Типова схема 6-секторной БС

 

Рекомендації  з побудови БС. Рекомендації з побудови БС випливають із аналізу умов роботи систем фіксованого бездротового доступу:

– Звичайно потік від БС до АС (прямий) значно перевищує зворотній потік.

– Ширина діаграми спрямованості секторної антени БС приблизно в 10 разів більша ширини діаграми спрямованості антени АС.

– Багатосекторна БС працює одночасно з АС різних секторів.

– БС розміщаються на високих будовах або антенних опорах, на яких установлюють й інші радіосистеми, що приводить до підвищення загального рівня перешкод. Крім того, високе розташування антен БС саме по собі приводить до збільшення рівня й кількості перешкод. Як наслідок, відношення сигнал/шум на БС істотно гірше ніж на АС.

– Підвищення швидкості передачі практично не погіршує умов роботи сусідніх систем.

– Підвищення швидкості прийому приводить до істотного зниження завадостійкості.

Облік специфіки  роботи систем фіксованого бездротового доступу дозволив виробити наступні рекомендації:

– На багатосекторних БС швидкість у напрямку БС-АС не повинна перевищувати 48 Мбіт/с, у зворотному напрямку – 24 Мбіт/с.

– Необхідно обмежувати діапазон регулювання швидкості передачі АС знизу, або відслідковувати деградацію швидкості кожного клієнта.

– Використати механізм автоматичного вибору швидкості.

– У холодних регіонах все устаткування БС і всі пристрої з опцією Р300 повинні вибиратися модифікації ВІД, тобто з розширеним температурним діапазоном.

Ретрансляційна  станція (РС). РС призначена для підвищення дальності дії БС, обходу великих  перешкод, а також для створення  протяжних магістральних каналів  точка-точка. Кількість підключень послідовно РС не обмежена. До кожної РС може бути підключена одна або кілька РС й/або АС

До складу РС входять:

– Двухмодульний бездротовий маршрутизатор R5000.

– Спрямована антена для зв'язку із БС (у випадку РС без інтегрованої антени).

– Всеспрямована, секторна або спрямована антена для підключення АС й/або РС.

– Кабелі для підключення антен.

– Ліцензія для підключення спеціалізованих АС до РС.

Для бездротового об'єднання мереж діапазонів 2,4 й 5/6 ГГЦ випускаються двомодульні двох діапазонні бездротові маршрутизатори.

Рисунок 1.5 – Типова схема ретрансляційної станції

Абонентська станція (АС) АС призначена для бездротового підключення абонентів до БС або  РС, а також для створення магістральних  каналів «точка-точка».

Склад АС:

– Абонентський бездротовий маршрутизатор з інтегрованою антеною або роз’ємом для підключення зовнішньої антени.

– Спрямована антена й антенний кабель для моделей без інтегрованої антени.

 

Рисунок 1.6 – Типові схеми АС

Система керування мережею. Система керування  мережею (Network Monіtorіng/Management System – NMS) призначена для моніторингу мережі в реальному часі з метою оперативного керування. Система базується на програмних засобах керування й моніторингу мереж типу HP OpenVіew, WhatsUp і т. п. і забезпечує графічне подання карти мережі й параметрів БС, АС і РС. Крім цього NMS дозволяє вести системний журнал і планувати події за допомогою планувальника. До складу системи також включений ІWR Manager для настроювання встаткування, що реалізує в простій й інтуїтивно зрозумілій формі основні настроювання активних пристроїв мережі. Для тонкого настроювання використається командна мова системи SkyMAN. Основа серії – нова апаратна платформа, заснована на потужному процесорі ІBM PowerPC з тактовою частотою 200–400 Мгц.

Рисунок 1.7 – Діалогове вікно системи керування мережею

 

1.2 Опис ефірного інтерфейсу стандарту WiMAX

При розробці пристроїв, призначених для широкосмугових бездротових мереж, в діапазонах частот, що перебувають у смузі  від 10ГГц до 66ГГц, необхідно враховувати, що практичний сенс має тільки режим  розповсюдження "line-of-sight" («пряма видимість»). Тому в таких системах зазвичай вибирається режим з однією несучою (НЕ OFDM) і ефірний інтерфейс типу "Wireless MAN"

На відміну  від діапазону 10-66ГГц, в діапазоні 2-11ГГц необхідно враховувати  наслідки впливу режиму "non-line-of-sight" (NLOS). У зв'язку з цим можуть використовуватися більш складні антенні системи (для реалізації, наприклад, принципу "Antenna Diversity") і метод модуляції OFDM.

WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) — бездротові мережі масштабу міста. Надають широкосмуговий доступ до мережі через радіоканал.

Стандарт  IEEE 802.16, опублікований у квітні 2002 року, описує wireless MAN Air Interface. 802.16 — це так звана технологія «останньої милі», яка використовує діапазон частот від 10 до 66 GHz. Оскільки це сантиметровий та міліметровий діапазон, то необхідна умова «прямої видимості». Стандарт підтримує топологію point-to-multipoint, технології frequency-division duplex (FDD) і time-division duplex (TDD), з підтримкою quality of service (QoS). Можлива передача звуку і відео. Стандарт визначає пропускну здатність 120 Мбіт/с на кожен канал в 25 MHz.

Стандарт 802.16a з'явився після стандарту 802.16. Опублікований в квітні 2003 і використовує діапазон частот від 2 до 11 GHz. Стандарт підтримує сіткову топологію (mesh networking). Стандарт не потребує умови «прямої видимості»

 

1.3 Функціонування системи стандарту WiMAX

Фізичний  рівень базового стандарту ІEEE 802.16

Стандарт  ІEEE 802.16 описує роботу в діапазоні 10–66 ГГЦ систем з архітектурою «точка – багато точка». Це – двонаправлена система, тобто передбачені прямий і зворотній потоки. При цьому канали широкосмугові, а швидкості передачі – високі. Тракт обробки даних і формування вихідного сигналу для передачі через радіоканал у стандарті ІEEE 802.16 досить звичайний для сучасних телекомунікаційних протоколів і практично однаковий для висхідних і спадних з'єднань. Вхідний потік даних скремблюється – піддається рандомізації, тобто на нього накладається псевдовипадкова послідовність, вироблювана за допомогою лінійного регістра зрушення довжини 15 з характеристичним багаточленом і початковим заповненням. Далі скрембльовані дані кодують за допомогою завадостійких кодів. При цьому використається одна із чотирьох схем: код Ріда-Соломона, код Ріда-Соломона з додатковим надточним кодом (швидкість), код Ріда-Соломона з додатковим контролем парності і блоковий турбокод. Розмір кодованого інформаційного блоку й число надлишкових біт не фіксовані – ці параметри можна задавати залежно від умов середовища й вимог до якості надання послуг. Перші дві схеми кодування обов'язкові для всіх пристроїв стандарту, інші два алгоритми – додаткові.

Рисунок 1.8 – Тракт формування вихідного сигналу в стандарті ІEEE 802.16

Рисунок 1.9 – Схема кодування надточним кодом

У діапазоні 10–66 ГГЦ стандарт ІEEE 802.16 передбачає схему з модуляцією однієї несучої (у кожному частотному каналі). Стандарт допускає три типи квадратурної амплітудної  модуляції: чотирьохпозиційну QPSK й 16-позиційну 16-QAM (обов'язкові для всіх пристроїв), а також 64-QAM. Кодовані блоки перетворяться  в модуляційні символи (кожні 2/4/6 біт визначають один символ QPSK/16-QAM/64-QAM) відповідно до наведеного в стандарті  таблицями – кожній групі з 2/4/6 біт ставиться у відповідність  синфазна і квадратурна координати. Далі послідовність дискретних значень  у каналах перетвориться за допомогою  так званого синус-квадратного фільтра (square-root raіsed cosіne fіlter) у безперервні (згладжені) сигнали. Фільтровані потоки надходять безпосередньо у квадратурний модулятор, де формується вихідний сигнал як функція – несуча частота. Далі сигнал підсилюється й передається в ефір. На прийомній стороні все відбувається у зворотному порядку.

Дані на фізичному  рівні передаються у вигляді  безперервної послідовності кадрів. Кожен кадр має фіксовану тривалість – 0,5; 1 й 2 мс, тому його інформаційна ємність залежить від символьної швидкості й методу модуляції. Кадр складається із преамбули (синхропослідовності довжиною 32 QPSK-символу), що управляє секціями й послідовностями пакетів з даними. Оскільки обумовлена стандартом ІEEE 802.16 система двонаправлена, необхідний дуплексний механізм. Він передбачає як частотний (FDD), так і тимчасовий (TDD) поділ прямого й зворотного каналів.

При тимчасовому  дуплексуванні каналів кадр ділиться на прямий і зворотній субкадри (їхнє співвідношення в кадрі може гнучко мінятися в процесі роботи, залежно від потрібної смуги пропускання для прямих і зворотних каналів), розділені спеціальним інтервалом. При частотному дуплексуванні зворотній і прямий канали транслюються кожний на своїй несучій.

 

Рисунок 1.10 – Структура кадру в стандарті ІEEE 802.16 для систем з тимчасовим (а) і частотним (б) дуплексуванням каналів

У зворотному каналі інформація від базової станції передається у вигляді послідовності пакетів (метод тимчасового мультиплексування – TDM) (Рисунок 1.11). Для кожного пакета можна задавати метод модуляції й схему кодування даних – тобто вибирати між швидкістю й надійністю передачі. TDM-пакети передаються одночасно для всіх абонентських станцій, кожна з них приймає весь інформаційний потік і вибирає «свої» пакети (декодуючи заголовки пакетів і визначаючи адресу призначення). У зворотному субкадрі пакети вибудовуються в чергу так, що найбільш перешкодозахищені передаються першими (керуюча секція завжди передається за допомогою QPSK-модуляції). Якщо цього не зробити, абонентські станції з поганими умовами прийому, яким призначаються найбільш захищені пакети, можуть втратити синхронізацію чекаючи своєї порції інформації.

Пакети в  спадному субкадрі випливають один за одним без інтервалів й їхніх заголовків, що випереджають. Щоб абонентські станції могли відрізнити один пакет від іншого, у керуючій секції передаються карти зворотного (DL-MAP) і прямого (UL-MAP) каналів. У карті зворотного каналу зазначена тривалість кадру, номер кадру, число пакетів у зворотному субкадрі, а також точка початку й тип профілю кожного пакета. Точка початку відраховує в так званих фізичних слотах, кожен фізичний слот дорівнює чотирьом модуляційним символам.

Профіль пакета – це список його параметрів, включаючи  метод модуляції, тип FEC-кодування (з  параметрами схем кодування), а також  діапазон значення відношення сигнал/шум у прийомному каналі конкретної станції, при якому даний профіль може застосовуватися. Список профілів у вигляді спеціальних керуючих повідомлень (дескрипторів зворотного й прямого каналів, DCD/UCD) транслюється базовою станцією з періодом в 10 мс, кожному профілю привласнюється номер, що і використається в карті спадного каналу.