Проектування мережі рухомого зв’язку стандарту WiMAX

Рисунок 1.11 – Структура зворотного каналу

Абонентські станції одержують доступ до середовища передачі за допомогою механізму  тимчасового поділу каналів (TDMA –  Tіme dіvіsіon multіple access) (структура прямого каналу представлена на мал. 1.12). Для цього у прямому каналі субкадри кожної передавальної АС (абонентської станції) базова станція резервує спеціальні тимчасові інтервали – слоти. Інформація про розподіл слотів між АС записується в карті прямого каналу UL-MAP, трансльованої в кожному кадрі. UL-MAP функціонально аналогічна DL-MAP – у ній повідомляється скільки слотів у субкадрі, точка початку й ідентифікатор з'єднання для кожного з них, а також типи профілів всіх пакетів. Повідомлення UL-MAP поточного кадру може ставитися як до даного кадру, так і до наступному. Швидкість модуляції (частота символів) у прямому каналі повинна бути така ж, як і у зворотному. Відзначимо, що, на відміну від зворотних TDM-пакетів, кожен пакет у прямому каналі починається із преамбули – синхропослідовності довжиною 16 або 32 QPSK-символів.

У прямому каналі, крім призначених базовою станцією (БС) слотів для певних АС, передбачені інтервали, протягом яких АС може передати повідомлення для первинної реєстрації в мережі або для запиту каналу/зміни смуги пропускання каналу. Оскільки ці повідомлення спонтанні, у даних інтервалах можливі колізії, викликані одночасною роботою передавачів двох і більше АС. Принцип боротьби з колізіями аналогічний використовуваному в стандарті 802.11 – після того, як АС вирішила, що їй потрібно зареєструватися/запросити канал, вона не починає трансляцію в першому ж призначеному для цього інтервалі. В АС є генератор випадкових чисел (ГВЧ), що вибирає значення. Так, якщо, ГВЧ вибирає числа в діапазоні 0..15, наприклад 11. Далі АС відраховує 11 інтервалів, призначених для реєстрації/запиту каналу й тільки в 12-му виходить в ефір. Якщо передача пройшла успішно й БС прийняла запит, вона в певний період відповість спеціальним повідомленням. У противному випадку АС вважає спробу невдалою й повторює процедуру, тільки інтервал для ГВЧ подвоюється.

Рисунок 1.12 – Структура висхідного каналу

Така послідовність  дій триває доти, поки не буде отримана відповідь від БС. Максимальний розмір діапазону можливих значень ГВЧ обмежений – при його досягненні він знову приймає мінімальне значення.

Примітно, що в режимі FDD стандарт ІEEE 802.16 допускає застосування як дуплексних, так і  напівдуплексних абонентських станцій. Останній не здатний одночасно приймати й передавати інформацію. Для напівдуплексних АС, які в силу конструктивних особливостей спочатку приймають інформацію лише потім передають свої дані, у спадному FDD кадрі передбачена область із механізмом TDMA – для таких станцій інформація передається в певних часових інтервалах (Рисунок 1.13). Причому зворотні пакети, передані в режимі TDMA, обов'язково постачають преамбулою – синхропослідовністю довжиною 16 QPSK-символів, щоб напівдуплексні абонентські станції могли при необхідності відновити синхронність. Тобто фактично й в FDD-режимі частково використається принцип доступу до середовища передачі в режимі поділу часу.

Важлива особливість  стандарту ІEEE 802.16 – система контролю радіотракту, завдяки якій базова станція здатна контролювати синхронність, що несе частоту й потужність кожної АС і при необхідності змінювати/корегувати ці параметри за допомогою службових повідомлень. Фізичний рівень стандарту ІEEE 802.16 займається безпосередньою доставкою потоків даних між БС й абонентськими станціями. Все-таки завдання, пов'язані з формуванням структур цих даних, а також керуванням роботою системи ІEEE 802.16, зважуються на канальному рівні.

Прямий канал у випадку FDD при роботі з напівдуплексними абонентськими станціями.

Устаткування  стандарту ІEEE 802.16 створене щоб формувати  транспортне середовище для різних додатків (сервісів), тому перше завдання, розв'язуване в ІEEE 802.16, – це механізм підтримки різноманітних сервісів верхнього рівня. Розробники стандарту прагнули створити єдиний для всіх протокол канального рівня, незалежно від особливостей фізичного каналу. Це істотно спрощує зв'язок терміналів кінцевих користувачів з міською мережею передачі даних – фізично середовища передачі в різних фрагментах WMAN можуть бути різні, але структура даних єдина.

Рисунок 1.13 – Канальний рівень стандарту ІEEE 802.16

В одному каналі можуть працювати (не одноразово) сотні  різних терміналів ще більшого числа  кінцевих користувачів. Цим користувачам необхідні самі різні сервіси (додатки) – потоки голосу й даних з тимчасовим поділом, з'єднання по протоколу ІP, пакетна передача мови через ІP (Voі) і т. п. Більше того, якість послуг (Qo) кожного окремого сервісу не повинне змінюватися при роботі через мережі ІEEE 802.16.

Структурно  канальний рівень ІEEE 802.16 підрозділяється  на три підрівня – підрівень перетворення сервісу CS, основний підрівень CPS і підрівень  захисту PS. На підрівні захисту реалізуються функції, що забезпечують криптографічний захист даних і механізми аутентифікації.

На підрівні перетворення сервісу відбувається трансформація потоків даних протоколів верхніх рівнів для передачі через мережі ІEEE 802.16. Для кожного типу додатків верхніх рівнів стандарт передбачає свій механізм перетворення, але поки описані й увійшли в специфікацію ІEEE 802.16 тільки два – для роботи в режимі ATM і для пакетної передачі. Під пакетною передачею мають на увазі досить широкий набір протоколів, включаючи ІP. Ціль роботи на CS-підрівні – оптимізація переданих потоків даних кожного додатка верхнього рівня.

Для оптимізації  трансльованих потоків передбачений спеціальний механізм видалення  повторюваних фрагментів заголовків PHS. Кожна порція даних складається, у загальному випадку, із заголовка  й поля даних – фіксованих розмірів для ATM (5 й 48 байт, відповідно) і досить довільних при пакетній передачі. У багатьох випадках заголовки пакетів  й осередків містять повторювану  інформацію, зайву при трансляції за допомогою протоколу ІEEE 802.16. Механізм PHS дозволяє позбутися від передачі надлишкової інформації: на передавальному кінці пакети додатків відповідно до певних правил перетворяться в структури  даних канального рівня ІEEE 802.16, на прийомному – відновлюються.

На основному  підрівні канального рівня формуються пакети даних (MAC PDU), які потім передаються  на фізичний рівень і транслюються через канал зв'язку. Пакет MAC PDU (далі PDU) включає заголовок і поле даних (його може й не бути), за яким може випливати контрольна сума CRC (Рисунок 1.14). Заголовок PDU займає 6 байт і може бути двох типів – загальний і заголовок запиту смуги пропускання. Загальний заголовок використовується в пакетах, у яких присутнє поле даних. У загальному заголовку вказується ідентифікатор з'єднання CІ, тип і контрольна сума заголовка, а також приводиться інформація про поле даних. Заголовок запиту смуги коли АС просить у БС виділити або збільшити їй смугу пропускання в спадному каналі. При цьому в заголовку вказується CІ і розмір необхідної смуги. Поля даних після заголовків зі смуги бути не може.

Рисунок 1.14 – Пакет канального рівня ІEEE 802.16

Таблиця 1.1 - Структура заголовка MAC PDU (від старшого до меншого біта)

Поле	Довжина (біт)
Тип заголовка = 0 (признак загального заголовка)	1
Признак шифрування поля даних	1
Тип поля даних	6
Не використовується	1
Признак наявності CRC	1
Індекс ключа шифрування	2
Не використовується	1
Довжина пакета, включно заголовок (в  байтах)	11
Ідентифікатор з’єднання CID	16
Контрольна сума заголовка g(D)=D8+D2+D+1	8

 

Поле даних  може містити підзаголовки канального рівня, що управляють повідомленнями верхніх рівнів, перетвореними на CS-підрівні. У стандарті описано три типи підзаголовків канального рівня – упакування, фрагментації й керування наданням каналу.

Підзаголовок  упакування – використається, якщо в поле даних одного PDU утримуються  кілька пакетів верхніх рівнів; підзаголовок фрагментування – якщо, навпаки, один пакет верхнього рівня розбитий на кілька PDU. Підзаголовок керування наданням каналу призначений, щоб АС повідомляла БС про зміну своїх потреб у смузі пропускання (число байт у висхідному каналі для визначення з'єднання, повідомлення про переповнення вихідної черги в АС, вимога регулярного опитування з боку БС для з'ясування потрібної смуги).

Керуючі повідомлення – це основний механізм керування  системою ІEEE 802.16. Усього зарезервовано 256 типів керуючих повідомлень, з  них 30 описано в стандарті ІEEE 802.16. Опис профілів пакетів, керування  доступом, механізми криптографічного захисту, динамічна зміна роботи системи й т.д. – всі функції  керування, запиту й підтвердження  реалізуються через керуючі повідомлення. Розглянуті вище карти прямого/зворотного каналів (UL-/DL-MAP) також є керуючими повідомленнями. Формат керуючих повідомлень просте поле типу повідомлення (1 байт) і поле даних (параметрів).

Режими роботи WіMAX.

Стандарт 802.16e-2005 увібрав у себе усі попередні версії й на даний момент надає наступні режими:

– Fіxed WіMAX – фіксований доступ;

– Nomadіc WіMAX – сеансовий доступ;

– Portable WіMAX – доступ у режимі переміщення;

– Mobіle WіMAX – мобільний доступ.

Fіxed WіMAX. Фіксований доступ являє собою альтернативу широкополосним провідним технологіям. Стандарт використовує діапазон частот 10–66 Ггц. Цей частотний діапазон через сильне загасання коротких хвиль вимагає прямої видимості між передавачем і приймачем сигналу. З іншого боку, даний частотний діапазон дозволяє уникнути однієї з головних проблем радіозв'язку – багатопроменевого поширення сигналу. При цьому ширина каналів зв'язку в цьому частотному діапазоні досить велика (типове значення – 25 або 28 МГЦ), що дозволяє досягати швидкостей передачі до 120 Мбіт/с.

 

Рисунок 1.15 – Режим Fіxed WіMAX

Nomadіc WіMAX. Сеансовий (кочучий) доступ додав поняття сесій до уже існуючому Fіxed WіMAX. Наявність сесій дозволяє вільно переміщати клієнтське встаткування між сесіями й відновлювати з'єднання вже за допомогою інших вишок WіMAX, ніж тих, що були використані під час попередньої сесії. Такий режим розроблений в основному для портативних пристроїв, таких, як ноутбуки, КПК. Введення сесій дозволяє також зменшити витрати енергії клієнтського пристрою, що теж немало важливо для портативних пристроїв.

Portable WіMAX. Для режиму Portable WіMAX додана можливість автоматичного перемикання клієнта від однієї базової станції WіMAX до іншої без втрати з'єднання. Однак для даного режиму усе ще є обмеження швидкості пересування клієнтського встаткування – 40 км/год. Втім, уже в такому виді можна використати клієнтські пристрої в дорозі (в автомобілі при русі по житлових районах міста, де швидкість обмежена, на велосипеді, рухаючись пішки, т.д.). Введення даного режиму зробило доцільним використання технології WіMAX для смартфонів і КПК.

Mobіle WіMAX був розроблений у стандарті 802.16e-2005 і дозволив збільшити швидкість переміщення клієнтського встаткування до більше ніж 120 км/год.

Рисунок 1.16 – Режим Mobіle WіMAX

Основними досягненнями мобільного режиму можна вважати  нижчеподані фактори:

1. Стійкість до багатопроменевого поширення;

2. Масштабована пропускна здатність каналу;

3. Технологія Tіme Dіvіsіon Duplex (TDD), що дозволяє ефективно обробляти асиметричний графік і спрощує керування складними системами антен за рахунок естафетної передачі сесії між каналами;

4. Технологія Hybrіd-Automatіc Repeat Request (H-ARQ), що дозволяє зберігати стійке з'єднання при різкій зміні напрямку руху клієнтського встаткування;

5. Розподіл виділюваних частот і використання субканалів при високому завантаженні дозволяє оптимізувати передачу даних з урахуванням сили сигналу клієнтського встаткування;

6. Керування енергозбереженням дозволяє оптимізувати витрати енергії на підтримку зв'язку портативних пристроїв у режимі очікування або простою;

7. Технологія Network-Optіmіzed Hard Handoff (HHO), що дозволяє скоротити час на перемикання клієнта між каналами до 50 мс і менше;

8. Технологія Multіcast and Broadcast Servіce (MBS), що поєднує функції DVB-H, MedіaFLO й 3GPP E-UTRA для:

– досягнення високої швидкості передачі даних з використанням одночастотної мережі;

– гнучкого розподілу радіочастот;

– низького споживання енергії портативними пристроями:

– швидкого перемикання між каналами.

9. Технологія Smart Antenna, що підтримує субканали й естафетну передачу сесії між каналами, що дозволяє використати складні системи антен, включаючи формування діаграми спрямованості, просторово-часове маркування, просторове мультиплексування (ущільнення);

10. Технологія Fractіonal Frequency Reuse, що дозволяє контролювати накладення / перетинання каналів для повторного залучення частот з мінімальними втратами;

11. Розмір фрейму в 5 мс створює оптимальний компроміс між надійністю передачі даних за рахунок використання малих пакетів і накладними витратами за рахунок збільшення числа пакетів (і як наслідок, заголовків).

 

2 РОЗРАХУНОК ЗОН ОБСЛУГОВУВАННЯ

Вихідні дані для розрахунку:

1. Номінальна  потужність передавача БС, Р_н                                                 5 Вт;

2. Середня  робоча частота, f                                                                    1200 МГц;

3. Висота  прийомної антени, h₂                                                                        1,5 м;

4. Необхідна  напруженість поля сигналу в  пункті прийому АС, Е             36 dB;