Wi-MAX технологиясы

Оборудование должно производиться специализированной компанией, имеющий опыт разработки и производства беспроводного оборудования, что является некоторой гарантией  качества.

Технические характеристики оборудования, предоставляемые производителем, должны быть достаточно полными, для  того чтобы по ним можно было сделать  вывод о его возможностях. Представление  таких характеристик говорит  о профессионализме сотрудников  и в определенной мере гарантирует, что речь идет об оригинальном продукте, а не о перепродаже малоизвестного бренда под торговой маркой продавца.

Желательно, чтобы  базовая станция имела возможность  секторирования и поэтапного наращивания производительности, для чего она должна иметь возможность подключения внешней антенны. Тогда на первом этапе достаточно одной базовой станции с всенаправленной антенной, на следующем — двух, с антеннами с шириной диаграммы 180°, и так далее.

Оборудование должно быть сертифицировано.

Должна быть возможность  получения разрешения на использование  частот в диапазонах, используемых оборудованием.

Система должна обладать приемлемой стоимостью, причем в первую очередь важна минимальная стоимость  абонентского оборудования.

Принцип действия Mobile WiMAX идентичен сетям сотовой связи: несколько рядом расположенных базовых станций Mobile WiMAX образуют соту, соты объеденяются между собой и обеспечивают непрерывное покрытие целого города. Оборудование Mobile WiMAX обеспечивает большую скорость передачи данных, по сравнению с сотовыми сетями, и сравнима со скоростью доступа в проводных сетях. Основные характеристики WiMAX устройства:

Технические характеристики WiMax:

·           Дальность действия: до 50 км;

·           Максимальная скорость передачи данных: до 70 Мбит/с на сектор одной базовой станции;

·           Рабочая частота: 2-11 ГГц;

·           Спектральная эффективность: до 5 бит/сек/Гц;

·           Покрытие: расширенные возможности работы вне прямой видимости значительно улучшают качество покрытия обслуживаемой зоны;

·           Скорость доступа в интернет в пределах сектора базовой станции на клиентских устройствах – до 10 Мбит/c;

·           Зона действия одного сектора базовой станции в условиях плотной застройки – от 800 до 1500 метров;

·           Мобильность: мгновенное переключение клиентского Mobile WiMAX оборудования между базовыми станциями на скорости движения до 120 км/ч.

5.2 Расчет частотных  каналов

Общее число частотных  каналов, выделенных для развертки  сотовой сети связи в данном месте, определяется по формуле

,  (10)

где int(x) – целая часть числа х;

F_k – полоса частот, занятая одним частотным каналом системы (частотный разнос между каналами).

5.3 Определения размерности  кластера

Для определения  необходимой размерности кластера С при заданных значениях p₀ и p_t используют соотношение

 

, (11)

где p(C) – процент времени, в течение которого соотношения мощность сигнала/ мощность помехи на входе приемника MS будет находиться ниже защитного отношения  .

Интеграл представляет собой табулированную Q-функцию:

.  (12)

Нижний придел этого  интервала имеет вид:

, (13)

где   и   выражены в дБ;

 – определяется соотношением 

. (14)

В свою очередь значения   и   определяются по формулам 

, (15) 

,  (17)

 – параметр, который определяет диапазон случайных флуктуаций уровня сигнала  в точке приема:

. (18)

Коэффициент   в (17) представляет собой медианное значение затухания радиоволн на i-му направлении увеличении помехи. Эти коэффициенты обратно пропорциональны четверти ступени расстояния до источника помехи. Величина М обозначает число базовых станций, которые «мешают», расположенных в соседних кластерах.

Сначала рассмотрим случай, для всенаправленной антенны, где  

,  ,   и  ,  ,  ;

где   - число секторов.

Выберем значение С=3.

, (19)

Определим 

Вычислив квадратный корень, из получившегося значение получаем

Отсюда следует

Теперь вычислим нижнюю границу Q-функции:

Этому значению в  таблице соответствует величина, равная  , это значение приблизительно равно единице. Считая по формуле (3.2), получаем

 

Получившееся значение явно больше  , которое из задания равно 10. Отсюда следует, что данный тип антенны и выбранное значение кластера не подходит для указанного стандарта.

Теперь рассмотрим случай для направленной антенны, у  которой угол диаграммы направленности  ,  , М=2 и  ,  .

Выберем значение С=4.

Определим 

Вычислив квадратный корень из получившегося значение получаем

Отсюда следует:

 

Теперь вычислим нижнюю границу Q-функции:

Этому значению в  таблице соответствует величина, равная 0,0838. Считая по формуле (3.2), получаем

Получившееся значение немного меньше  , отсюда вытекает, что данный тип антенны является наиболее оптимальным.

5.4 Расчет частотных  каналов, которые используются  для обслуживания абонентов БС

Число частотных  каналов, которые используются для  обслуживания абонентов в одном  секторе, определяется по формуле: 

 (20)

где   - число секторов.

5.5 Расчет допустимой  нагрузки БС

Величина допустимой нагрузки в одном секторе определяется соотношением:

 (21)

при условии, что

,  (22)

где  ;

 - число абонентов, которые могут  одновременно использовать один  частотный радиоканал. В данном  случае величина  =1, т.к. используется аналоговый стандарт.

Подкоренное выражение  больше, чем величина  , т.к.  .

5.6 Расчет числа  абонентов, обслуживающихся одной  БС

При заданной активности одного абонента в час наибольшей нагрузки можно рассчитать число  абонентов, которые обслуживаются  одной БС по формуле

 (23)

5.7 Расчет количества  БС

Необходимое число  базовых станций на заданной территории обслуживания определяется соотношением:

,  (24)

где   - заданное число абонентов, которых обслуживает сотовая сеть связи.

5.8 Расчет радиуса  зоны обслуживания БС

Величину радиуса  можно определить, используя выражение

 (25)

км

 

6. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ  ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ  РАБОТЫ СЕТИ

6.1 Расчет величины  защитного расстояния

Величина защитного  расстояния между BTS с одинаковыми  частотными каналами определяется соотношением

(26)

6.2 Расчет уровня  сигнала на входе приемника

Необходимую мощность на входе приемника   при   и   определяют, пользуясь так называемым первым уравнением передачи. 

 (27)

где   - коэффициент усиления антенны базовой станции, дБ;

f – средняя частота выделенного диапазона частот;

 - мощность передатчика BTS, дБВт;

 - потери в фидере BTS, дБ;

 - длинна фидера, которая может  быть равной или больше высоты  подвеса антенны BTS;

 - погонное ослабление фидера, дБ/м.

6.3 Расчет вероятности  ошибки

Для определения  вероятности ошибки, когда MS находится  на границе зоны обслуживания BTS, необходимо использовать соотношение

 (28)

 

6.4 Расчет эффективности  использования радиоспектра

Важным параметром сотовой сети связи является эффективность  использования радиоспектра  , обусловленная числом активных абонентов на 1 МГц полосы частот на передачу (или прием) BTS, то есть

(29)

где полоса частот на передачу (или прием)  , число активных абонентов  .

(30)

 

где   - радиус территории, которая обслуживается,  .

Отсюда

(31)

.

 

7. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ  БАЗОВЫХ АБОНЕНТСКИХ СТАНЦИЙ

Функционально оборудование WiMAX разделяется на базовое и абонентское. Первое поколение чипов для базовых станций обладает меньшим уровнем интеграции, чем для абонентских станций. Для реализации MAC-протокола базовой станции требуется увеличение производительности этих решений. Для этой цели используются внешние процессоры, служащие для выполнения верхнего уровня MAC-протокола. Таким образом, чипсеты WiMAX реализуют функции физического уровня и функции нижнего уровня MAC-протокола.

7.1 Выбор оборудования  абонентских станций

Для разработчиков  абонентского оборудования WiMAX наиболее перспективными являются «системы на кристалле» от четырех производителей: Fujitsu, Intel, Sequans и Wavesat.

Компания Intel первой предложила разработчикам «систему на кристалле» PRO/Wireless 5116 для абонентских станций WiMAX, в которой были интегрированы функции как физического, так и MAC уровней. Чип MB87M3400 компании Fujitsu предназначен для более широкого диапазона приложений и позволяет разрабатывать как базовое, так и абонентское оборудование. Компания Sequans разработала отдельные чипы SQN1010 и SQN2010 — для базового и абонентского оборудования соответственно.

«Системы на кристалле» от Fujitsu, Intel и Sequans полностью реализуют функции MAC-протокола для абонентских станций WiMAX. Другой подход к разработке предложила компания Wavesat, выпустив две микросхемы: OFDM-модем DM256 (реализует функции физического уровня) и MC336 (представляет собой вычислительное ядро, реализующее нижний уровень MAC-протокола). Для разработки абонентского модема на базе «системы на кристалле» от Fujitsu, Intel и Sequans не требуется дополнительного внешнего процессора.

Характеристики  рассматриваемых чипов, определяемые типом дуплекса, шириной канала и  другими параметрами, сильно отличаются. Для организации полнодуплексной  работы на базе решения Fujitsu MB87M3400 требуется использование двух чипов. Микросхема Sequans SQN1010 является первой «системой на кристалле», которая поддерживает полнодуплексный режим работы. Решение компании Wavesat DM256/MC336 также позволяет организовывать полнодуплексный режим работы на основе одной микросхемы OFDM-модема DM256.

Микросхемы компаний Fujitsu и Sequans позволяют организовывать каналы шириной до 20 и 28 МГц соответственно, тогда как максимальная ширина канала для чипов Intel и Wavesat составляет 10 МГц с промежуточными значениями 3,5 и 7 МГц.

Радиоинтерфейс рассмотренных «систем на кристалле» содержит блоки АЦП/ЦАП для прямого аналогового соединения с внешним приемопередатчиком. В табл. 2 представлены основные параметры решений для разработки абонентского оборудования WiMAX [6].

Таблица 6. Основные параметры решений для разработки абонентского оборудования WiMAX.

Параметр	Fujitsu MB87	Intel PRO/Wireless 5116	Sequans SQN1010	Wavesat DM256/MC336
Функции	PHY/MAC	PHY/MAC	PHY/MAC	PHY/MAC
Максимальная ширина канала	20 МГц	10 МГц	28 МГц	10 МГц
Режим дуплекса	H-FDD, TDD, FDD (2 чипа)	H-FDD, TDD	H-FDD, TDD, FDD	H-FDD, TDD, FDD
Системный интерфейс	Mill, 32-bit generic	Mll	RMLL, PCI	PCI

 

7.2 Выбор оборудования  базовых станций

Рассмотрим варианты разработки базовых станций WiMAX на основе известных чипов. Компания Fujitsu разработала чип MB87M3400 как для базовых, так и для абонентских станций. Однако, в отличие от решения Intel, чип Fujitsu имеет интерфейс для внешнего процессора. Для реализации полнодуплексного режима требуется использовать два чипа, один из которых выполняет функции физического уровня и нижнего уровня MAC-протокола, а второй представляет собой внешний процессор (сторонней фирмы) для реализации верхнего уровня MAC-протокола. Для разработки базовых станций компания Fujitsu предоставляет отладочный комплект, реализующий полнодуплексный режим работы, с процессором Freescale MPC8560, но не поставляет программное обеспечение, обеспечивающее функции верхнего уровня MAC-протокола.

Компания PicoChip предлагает решение PC102/PC8520, построенное на двух своих параллельных процессорах PC102. Компания предоставляет программное обеспечение, реализующее физический уровень и функции нижнего уровня MAC-протокола на чипах PC102. Так же как и Fujitsu, компания PicoChip использует процессор Freescale MPC8565 для реализации верхнего уровня MAC-протокола в своем отладочном комплекте. Однако в отличие от Fujitsu, PicoChip лицензировала свое программное обеспечение для верхнего уровня MAC-протокола. Так как в решение PC102/PC8520 не заложены функции шифрования-дешифрования, для их выполнения должен быть использован внешний процессор.

Чип для разработки базовых станций SQN2010 компании Sequans является первой «системой на кристалле», имеющей полнодуплексный режим. SQN2010 реализует все функции физического и MAC уровней, необходимые для полнодуплексной работы базовой станции. Чип SQN2010 отличается от SQN1010 наличием второго центрального процессора, реализующего верхний уровень MAC-протокола. На чипе SQN1010 предусмотрен интерфейс PCI для обеспечения возможности подключения внешнего процессора.

Решение DM256/MC336 компании Wavesat может быть использовано и для разработки базовых станций. Это решение поддерживает полнодуплексный режим работы, но следует отметить, что для реализации функций шифрования-дешифрования оно требует подключения внешнего процессора. Так же как и Fujitsu, Wavesat не предоставляет программное обеспечение для верхнего уровня MAC-протокола, необходимое для разработки базовых станций.

Из четырех описанных  решений только чипы PicoChip PC102 не интегрируют в себе функций АЦП/ЦАП. Поэтому для разработок, в которых используется аналоговый радиоинтерфейс, дополнительно потребуются устройства АЦП/ЦАП. Основные параметры рассмотренных решений для разработки базовых станций представлены в табл. 3 [6].

Таблица 7. Основные параметры рассмотренных решений  для разработки базовых станций  WiMAX.

Параметр	Fujitsu MB87	PicoChip PC102/PC8520	Sequans SQN2010	Wavesat DM256/MC336
Функции	PHY/MAC	PHY/MAC	PHY/MAC	PHY/MAC
Максимальная ширина канала	20 МГц	10 МГц	28 МГц	10 МГц
Колличество чипов TDD FDD	1 чип 1 чип	2 чипа 2 чипа	1 чип 1 чип	1 чип 1 чип
Системный интерфейс	Mill, 32-bit generic	Mll	RMLL, PCI	PCI
Радиоинтерфейс	Аналоговый и цифровой	цифровой	Аналоговый и цифровой	Аналоговый и цифровой

Выбор производителя  чипов для разработки систем WiMAX является важным стратегическим решением. Для быстрой и эффективной разработки системы требуется максимально полная программная и аппаратная поддержка и средства для разработки и отладки. Наличие отладочных комплектов позволяет значительно увеличить скорость и уменьшить стоимость разработки оборудования WiMAX, что является одним из главных критериев при выборе того или иного продукта.