Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

 

 

 

Технология WiMAX и фиксированный  широкополосный беспроводной доступ 

Когда объединяются ведущие производители какого-либо вида оборудования - это означает, что в скором времени появятся новые совместные решения, рекомендации и стандарты, а долгожданное оборудование вот-вот окажется на рынке. Именно так было со стандартами семейства 802.11 (Wi-Fi Alliance), похожая ситуация наблюдается сейчас со стандартами семейства 802.16 WiMAX.

WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) в дословном переводе звучит  как "глобальная совместимость  для микроволнового доступа". Так называется международный отраслевой Консорциум, который намерен способствовать достижению совместимости всего оборудования, применяемого для широкополосного беспроводного доступа (ШБД). Сюда вошли такие известные производители чипсетов, как Intel, Fujitsu и примкнувшая к ним Nokia, а также известные на российском рынке компании Asiros, Airspan, Alvarion, Aperto, Proxim и Wi-LAN. Сегодня Консорциум WiMAX объединяет 96 компаний.

Задачи. IEEE 802.16 - это первый стандарт, предназначенный для создания территориально распределенных сетей широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access) в масштабе города (Wireless MAN). В стандарте описывается интерфейс для систем ШБД типа "точка-многоточка", работающих в диапазонах частот 2-11 ГГц и 10-66 ГГц и осуществляющих связь на расстояниях в десятки километров.

Под WiMAX понимается технология операторского класса, которая практически  не имеет на сегодняшний день альтернативы по предоставлению населению высококачественных услуг мультисервисного ШБД.

Именно мультисервисность и, как следствие, широкополосность характеризуют современные тенденции развития беспроводного доступа. В идеале, современный пользователь не должен испытывать ограничения на любые виды услуг, доступные в настоящее время через кабельные соединения, такие как SDH или Ethernet. Предполагается, что новейшие системы с сертификацией Wi-MAX позволят операторам сетей широкополосного доступа не только предоставить пользователям разнообразные типы сервисов как IP, так и Е1, но и заменить инфраструктуру ADSL-доступа и выделенных линий в целом.

Эволюция стандарта. Исходная версия стандарта, принятая в декабре 2001 г., охватывает диапазон частот 10 - 66 ГГц и предусматривает модуляцию на одной несущей частоте (Single Carrier, SC).

Однако в январе 2003 г. принято дополнение к стандарту 802.16а, рассчитанное на оборудование ШБД для городских сетей в диапазоне 2 - 11 ГГц. Помимо модуляции на одной несущей допускается использование более сложного вида модуляции - ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Предполагается, что оборудование 802.16a сможет успешно конкурировать с ADSL- и кабельными модемами. Развертывание таких систем должно обходиться дешевле, поскольку отпадает надобность в проводах.

Новая версия стандарта 802.16 была принята 24 июня 2004 г. Она вбирает в себя все предыдущие версии и будет опубликована под названием IEEE 802.16 - 2004 г. В процессе разработки находится дополнение - IEEE 802.16e, которое призвано обеспечить оборудование стандарта 802.16 поддержкой мобильных устройств. Сети стандарта 802.16e обещают большие возможности для мобильного широкополосного доступа, в связи с чем ожидается перетекание в них части абонентов сотовых 3G-сетей.

OFDM в России. Технология OFDM уже не только опробована на российских просторах, но и показала хорошие результаты. Например, системы широкополосного беспроводного доступа, использующие OFDM, успешно инсталлированы и работают сегодня в Барнауле, Екатеринбурге и Перми. Привлекательность новых технологий в том и состоит, что они рассчитаны на использование в условиях плотной городской застройки. То есть как раз внутри мегаполисов, таких как Москва, С.-Петербург, Екатеринбург, и других городов с миллионным населением, вокруг которых наиболее быстро развивается рынок ШБД.

Перспективы внедрения. Успех внедрения и коммерческого использования оборудования WiMAX во многом определяется наличием элементной базы - микросхемных наборов или чипсетов. Известные на сегодняшний день поставщики чипсетов для WiMAX - это корпорация Intel и компании Fujitsu и Asiros. Следующее поколение микросхем - так называемые system-on-chip - по сути, представляет собой готовые абонентские устройства стоимостью по 100-200 долл. за штуку. Массовое появление на рынке таких наборов ожидается уже в первой половине следующего, 2005 г. Аналитики из исследовательской фирмы Parks Associates предсказывают активное внедрение WiMAX-оборудования уже в 2006 г., когда во всем мире количество абонентов соответствующих сетей превысит 1 млн. За последующие три года, согласно прогнозам, их число должно увеличиться в 7 раз.

Краткое описание стандарта 802.16

Стандарт регламентирует два уровня - уровень доступа к  среде (Media Access Control, MAC) и физический уровень (PHY) - применительно к базовым  станциям и абонентским комплексам.

В таблице приведены  основные технические данные стандарта 802.16 и его расширения 802.16a:  

 

	802.16	802.16a
Диапазон	10 - 66 ГГц	2 - 11 ГГц
Условия работы	Только прямая видимость	Возможность работы в  непрямой видимости для абонентов ближней зоны
Скорость	32,0 - 134,4 Мбит/с	1,0 - 75,0 Мбит/с
Модуляция	QPSK, 16 QAM, 64 QAM  Одна поднесущая	QPSK, 16 QAM, 64 QAM (256 QAM)  Одна поднесущая  OFDM 256 поднесущих  OFDMA 2048 поднесущих
Дуплексный режим	TDD/FDD	TDD/FDD
Полоса частот	20, 25 и 28 МГц	От 1,25 до 20 МГц
Радиус соты	Типичный: 2 - 5 км	Типичный: 4 - 6 км

 

В стандарте особое внимание уделяется планированию пользовательских потоков данных (Service Flow), на которых  строится весь информационный обмен  между базовой станцией и абонентскими устройствами, а также средствам защиты пользовательских данных (privacy sub layer) и безопасности связи.

Передача трафика от абонентских устройств к базовой станции (так называемое восходящее направление, uplink) основывается на комбинации двух методов многостанционного доступа: DAMA (доступ по запросу) и TDMA (доступ с временным разделением каналов). Структура пакетов физического уровня поддерживает переменную длину пакета MAC-уровня. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию по алгоритмам QPSK, 16 QAM и 64 QAM (два последних метода модуляции предусмотрены в качестве опции).

Передача трафика от базовой станции к абонентским устройствам (так называемое нисходящее направление, downlink) ведется в режиме временного дуплекса (TDD) в едином потоке для всех абонентских устройств одного сектора. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию в соответствии с алгоритмами QPSK, 16 QAM и 64 QAM (последний вариант предусмотрен для базовых станций в качестве опции).

Модуляция. Особенности распространения радиоволн частотного диапазона 10 - 66 ГГц ограничивают возможности работы систем условиями прямой видимости. В типичной городской среде это позволяет подключить примерно половину абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой станции. Для остальных 50% прямой видимости, как правило, нет. В этой связи институт IEEE разработал дополнение к стандарту 802.16, которое относится к частотам 2 - 11 ГГц и, помимо одночастотной передачи (Single Carrier, SC), предусматривает режимы ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) и множественного доступа на основе такого мультиплексирования (OFD Multiple Access, OFDMA).

В режиме OFDM допускается  одновременная передача на 256 поднесущих. За счет увеличения (примерно в такое же число раз) длительности элементарного символа можно одновременно принимать прямой и отраженные от препятствий сигналы, либо вообще работать только на отраженных сигналах вне пределов прямой видимости базовой станции.

Безопасность. В стандарте IEEE 802.16 каждый абонентский комплекс подписан цифровым сертификатом Х.509, который "зашит" производителем оборудования и не может быть изменен даже после окончания срока действия сертификата - 10 лет. На основании цифровой подписи происходит аутентификация абонентского комплекса на базовой станции, при этом базовая и абонентская станции обмениваются зашифрованными ключами и устанавливают безопасное (зашифрованное) соединение. Множество ключей для шифрования и сам алгоритм - 3-DES - обеспечивают сложность расшифровки даже при перехвате. Механизм шифрования трафика работает одновременно с двумя ключами для каждого виртуального соединения, что обеспечивает синхронизацию в среде с возможными потерями пакетов, а перекрывающиеся времена жизни ключей - надежность соединения.

Технология OFDM

В системах ШБД основным разрушающим фактором для цифрового  канала являются помехи от многолучевого  приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая  специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме. Разновидность технологи - метод COFDM (сочетание канального кодирования, аббревиатура C, и OFDM) - хорошо известен и широко используется в цифровых системах радиовещания (DAB) в Европе, Канаде и Японии.

При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей (см. рисунок).

Частотный разнос Δf между  соседними несущими f₁, f₂ ... f_n в групповом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов.

В первом случае частотный разнос между модулированными несущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Δf > 2/T_U , где T_U - рабочий интервал информационного символа. Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой.

Напротив, стандарт OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значение частотного разноса и во столько же раз повысить плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц. Благодаря ортогональному методу демодуляции поднесущих группового спектра происходит компенсация помех от соседних частот, несмотря на то, что их боковые полосы взаимно перекрываются.

Для выполнения условий ортогональности  необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен  и точно равен значению Δf = 1/T_U, то есть на интервале T_U должно укладываться целое число периодов разностной частоты f₂ - f₁. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.

Группа несущих частот, которая  в данный момент времени переносит  биты параллельных цифровых потоков, называется "символом OFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков, длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.

Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока T_S делится на две части - защитный интервал T_G, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа T_U, за время которого принимается решение о значении принятого символа. Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились в начале символов субпотоков, то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом.

Технически метод OFDM реализуется  путем выполнения инверсного дискретного  преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передатчика и прямого  дискретного преобразования Фурье - в демодуляторе приемника приемопередающего устройства.