Фазалық модулятордың сигналдары

2. Стандарт байланыс  операторының технологиясы деңгейлерін  біріктіреді (кішкене желілерді  біріктіріп, оларға Интернетке қатынас құруға мүмкіндік беру үшін), сондай-ақ, «соңғы миля» технологиясын да біріктіреді («соңғы миля» технологиясы – провайдер желісіне кіру нүктесі мен тұтынушы компьтер арасындағы бөлік). Ол біріктіру универсалдық пен сенімділікті арттырады;

3. Сымсыз технологиялар  пайдалану, оны эксплуатациялау  және орнату кезінде өте қарапайым.  Оған жаңа тұтынушыларды қосу  оңайырақ және қосымша қаражатты,  қосымша жұмыс күштерін қажет  етпейді. Себебі: ол керек кезде  масштабталу қасиетіне ие;

4. Дамушы және алыс, қиындықтар туғызатын аймақтарда  сымсыз технологияны орнату қарапайымдылығы;

5. Қызмет көрсету қашықтығы  радиобайланыстың негізгі параметрлері  болып саналады. Қазіргі уақытта  кең жолақты сымсыз технологиялар желі объектілері арасындағы тікелей көрінушілікті қажет етеді. Wi-MAX OFDM технологиясының арқасында тікелей көрінушілік жоқ объектілер арасында арасында байланысты қамтамасыз етуге қабілетті және бұл кездегі арақашықтық километрлермен өлшенеді;

6. Wi-MAX технологиясы алғашқыдан IP протоколын иеленген және соған байланысты жергілікті желілерді оңай интеграциялауға мүмкіндік береді;

7. Wi-MAX технологиясы бір орында орналасатын (фиксирленген), орын ауыстыратын, үнемі қозғалыста болатын объектілерге бір инфраструктурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

1.5 802.16 стандартын суреттеу

 

Стандарт екі деңгейде іске асады – орта мүмкіндігі деңгейі (Media Access Control, MAC) және физикалық деңгей (PHY) – негіздік стансаларға және абоненттік кешендерге қолданылады.

 

1.3-сурет – 802.16 стандартының негізгі техникалық мәліметтері

 

 

Кесте 1.1 – 802.16 және оның кеңейтілген 802.16 а стандартының негізгі техникалық мәліметтері

	802.16	802.16 а
Диапазон	10 - 66 ГГц	2 - 11 ГГц
Жұмыс шарттары	Тек қана түзу көрінуі	Жұмыс мүмкіншілігі жақын  аймақ абоненттеріне түзу емес көрінуі
Жылдамдық	32,0 – 134,4 Мбит/с	1,0 – 75,0 Мбит/с
Модуляция	QPSK. 16 QAM, 64 QAM. Бір асты тасушы	QPSK. 16 QAM, 64 QAM (256 QAM) бір  асты тасушы OFDM 256 асты тасушы OFDMA 2048 асты тасушы
Дуплексті тәртіп	TDD/FDD	TDD/FDD
Жолақ жиіліктердің	20, 25 және 28 МГц	1,25 тен 20 ГГц дейін
Радиус кәріздер	Типтік 2 - 5 км	Типтік 4 – 6 км

 

Стандартқа ерекше назар  аударатын мәселелердің бірі (Service Flow) пайдаланушы топтарын жоспарлауында, яғни негізгі станса мен абоненттік қондырғылардың хабар алмасымы, қолдану мәліметтерін қорғау құралдары (privacy sub layer) және байланыс қауіпсіздігінен тұрады.

Радиотолқындарды тарату ерекшеліктерінің бірі 10 66 ГГц жиілік диапазонының тура көру мүмкіншілігінің  жұмыс істеуіне шек келтіруі. Қалалық ортада негізгі стансасынан қашық жатқан абоненттердің жартысына қосылу мүмкіндігі бар. Қалған 50 % тура көру мүмкіндігі ереже бойынша берілмеген. IEEE институты 802.16 стандартына толықтырулар өңдеп шықты, яғни 2 – 11 ГГЦ жиілігі, бір жиілікті берілуі (Singel Carrier, SC) басқа, ортогональды жиілік мультиплексациялау (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) мультиплексациялау негізінде көптеген мүмкіншілік (OFD Multiplex Access, OFDMA).

OFDMA тәртібінде бір уақытта 256 берілу мүмкіндігі бар. Кеңею есебімен (осы сан негізінде) қарапайым белгілердің созылымдылығын тура қабылдауға болады.

Негізгі стансаға абоненттік құрылғыдан трафитік берілуі (дәл осылай аталатын бағыт өрлеу uplink) көп стансалы пайдаланудың екі негізгі әдісіне негізделеді: DAMA (сұраныс мүмкіндігі) және TDMA (каналдарды уақытша бөлуге мүмкіндік). Физикалық деңгейдегі пакеттердің құрылымы МАС деңгейіндегі пакет ұзындығын қолдайды. Хабарлағыш рандомизация, кодтау және модуляцияны QPSK. 16 QAM жүзеге асырады (модуляцияның соңғы екі әдісі опция негізінде қаралған).

Абонеттік құрылғыларда негізгі стансаның трафик тапсыруы (дәл осылай аталатын бағыт төмен  түсіп, downlink) уақытша дуплекс тәртібінде басқарылатындықтан, (TDD) бір сектордағы барлық абоненттік құрылғыларға арналған біріңғай болып табылады. Хабарлағыш алгоритмдары рандомизация, бөгетті тұрақты кодтау және QPSK. 16 QAM және 64 QAM алгоритмі бойынша сәйкес жүзеге асырады (модуляцияның соңғы екі әдісі опция негізінде қаралған).

1.6 Квадратты амплитудалық модуляция

 

Квадратты амплитудалық модуляцияда (QAM – Quadrature Amplitude Modulation) фаза секілді өзгереді, дәл осылай амплитуда белгісі кодталған бит санын үлкейтуге береді, дегенмен бөгетке тұрақтылық жоғарлауы мүмкін. Қазіргі уақытта модуляцияның тәсілдері қолданыста, яғни ақпарат бит аралығанда кодталғандықтан, 8....9 дейін жетуі мүмкін, ал сигналдық кеңістікте сигнал позицияларының саны -256…512.

Сигналдардың квадратурды  ұсынысы суреттеуге ыңғайлы және жеткілікті құрал болып табылады. Квадратты ұсыныс екі ортогональды құрастырушы тербеліс сызығының – синусоидалды және косунисоиды болып табылады.

S(t)=x(t)sin(wt+(p)+y(t)cos(wt+(p),

x(t) және y(t) – биполярлық дискреттік мөлшер. Бұндай дискреттік модуляция (манипуляция) бір біріне 90⁰ жылжыйтын квадратурада орын алған екі каналмен жүзеге асады.

Квадратуралық үлгі (1.4 сурет) төрт фазды ФМ сигналдарын құру үлгісіндегі (ФМ-4) жұмысты түсіндіреміз.

Екі символдың Т негізіндегі  ұзақтығы жылжу көмегімен жұпсыз тақ импульсына у бөлінеді, квадратурды  каналға берілетін (coswt), және жұп – x, синфазалық канал (sinwt). Екі импульсте сәйкес келетін манипуляция жасаушы күштерге түседі, х биполярлық күштері жүйеліліктерді құрған (t) және y(t). Импульс x(t) және y(t) екі фазды (0,л) ФМ тербелісін құрайды. ФМ белгісін жасау әдісі ФМ квадратурды белгісі болып аталады. Символдардың бір уақытта алмасуында модулятор каналдарында ( 10-нан 01-ге, немесе 00-ден 11) ДОФМ белгісі бойынша фаза секірімі болуы мүмкін 180⁰.

1.4 сурет – Квадратуралық модулятор үлгісі

1.5 сурет – OQPSK белгілерін құру

 

Бұндай фазаларлың секірісі екі фазалы модуляция жанынан (ФМ-2) орын ала отырып, паразитті амплитудалық модуляцияны тудырады. Белгінің пайда болу нәтижесінде фильтр нөлге дейін қисаяды. Белгілердің бұндай өзгерістері энергияның артуына және байланыс каналдарында бөгеттерге алып келеді.

Төртфазды ФМ жылжымасы (OQPSK – Offset QPSK) (1.5 сурет) 180⁰-ге фазаның секіруінен сақтайды. Дәл осындай квадратуралық үлгілерде ФМ-4 модулятор секілді, манипуляциялық элементтер x(t), y(t) Т ақпараттық ұзақтығына сүйенеді. Бұндай ағымдағы фазадағы өзгерістер ФМ-4 анықталады. Фаза серітестерінің нәтижесінде 180⁰ кез келген элемент модуляторды синфазалық немесе квадратуралық каналдарда фазаларды 0⁰, +90⁰ немесе -90⁰ өзгерістер енгізеді.

Бастапқы бөлімдерде берілген белгілердің өзара қатынасы көп деңгейлі манипуляциялық импульстердің x(t), y(t) түрлерінде берілген, ал бір каналда жеке деңгейдегі жеке немесе нөлдік деңгейдегі басқа талаптарға сай келеді. Квадратуралық үлгінің шығыс белгісі нәтижесінде тек фаза да ғана емес, сонымен қатар амплитуда да өзгеріске енеді. Сондықтан әрбір каналда амплитудалық манипуляция яғни, амплитуда өзгерісімен квадратуралық манипуляция деп атайды (QASK — Quadrature Amplitude Shift Keying) немесе қарапайым квадратуралық модуляция – КАМ.

Геометриялық түсіндірілмеге сүйене отырып, кез келген белгі  КАМ әрбір кеңістікте векторды бейнелеуі  әбден мүмкін. Векторлардың соңын  ескере отырып, КАМ белгісіне белгі  нүктесі ретінде бейне алуға  болады, x(t) және y(t) белгісімен анықталады. Белгі нүктелері белгі шоқжұлдыздары түзеді (signal constellation).

1.6 суретте көрсетілгендей модулятордың құрылымдық үлгісі және белгі шокжұлдызы ( 0 және y(t) ±1, ±3) мағынасын қабылдайды (4 деңгейлі КАМ).

1.6 сурет – Модулятор үлгісі және КАМ-4 белгі диаграммасы

 

±1, ±3 көлемі мөлшерлерді модуляция деңгейінде анықтайды және салыстырмалы сипаттамаға ие. 16 шоқжұлдызды белгілерді қамти отырып, әр қайсысы берілген ақпараттың төрт талабына сай келіп отырады.

Деңгейлердің қиысуы 36 белгілі нүктелерден ±1, ±3, ±5 шокжұлдызды түзе алады. Бірақ олардың 16 тек қана ITU хаттамаларында қолданылады, біркелкі нүктелердің белгілік кеңістігінде таратылған.

Тәжірибені орындай  барынсында КАМ деңгейінің бірнеше  тәсілі кездеседі, ең көп таралғанмен  әр қайсысының модуляция демеушісі  тәсілі ұштасып жатады (SPM — Supersposed Modulation). Берілген үлгіде тап осы тәсілді іске асырушы бірдей деңгейлердің 4 фазаларында модулятор қолданылады (6 сурет). Модулятор құрылысты үлгі және диаграмма

Байланыс теориясынан  белгілі немесе сигналдық шоқжұлдызды нүктелердің бірдей саны жанында КАМ сигналдарының спектрі ФМ белгілерінің спектріне ұқсаса болып келгенімен әр түрлі болып та кездесе береді. Нүктелердің үлкен саны жанында сигналдар КАМ жүйелері мен ФМ жүйелері негізгі себептері мына топтарды түзеді, ФМ жүйесінде сигналдық нүктелер арқылы ара қашықтық КАМ жүйесінде белгілі нүктелер аралық ара қашықтық аз болып келеді.

1.7 – суретте көрсетілгендей, 16 КАМ жүйелерінің сигналдық шоқжұлдыздары берілген және ФМ -16 сигнал бірдей қуаттылықтары да сипатталады. КАМ жүйесінде сигналдық шоқжұлдыз көршілес нүктелері аралық d ара қашықтығы модуляция деңгейлері берілуімен анықталады:

d=2sin(n/M),

мұнда М — фазалар саны.

1.7 сурет – КАМ 16 модуляторының үлгісі

 

М мағыналары арту жанында  бірдей және ФМ-ға қою жүйелерінің мысалмен берілген, М=16 (Ј=4) </КАМ=0.47 және </ ФМ =0,396, ал М=32 (L=6) </ КАМ =0,28, </ФМ=0,174

1.8 сурет – 66 белгілік шоқжұлдыздары

1.7 OFDM технологиясы

 

OFDM технологиясы тек қана Ресей жазықтарында орнатылып қана қоймай, сонымен қатар жақсы нәтижелер көрсетеді. Мысалы, кең жолақты сымсыз жүйелері, Барнаулда, Екатеринбургте және Пермь қалаларында қолданылып, табысты инсталляцияланған және жақсы жұмыс істейді. Жаңа технологиялардың тартымдылығы олардың қалалық тығыз салынған ғимараттарында қолдануға есептелген. Яғни мегаполистердің ішінде Қарағанды сияқты, Алматы, Ақтау, Астана және де басқа мыңдаған халықпен қалаларда пайдалану ықтималды шешім болып табылады.

КС жүйелерінде сандық арнаның негізгі қиратушы факторы  болып көп сәулелі қабылдаудың бөгеттері болып саналады. Ғимараттардың көп қабаттылығынан радиосигналдар тойтарыстарға ұшырап, бөгеттердің осындай түрі эфирлі қабылдау үшін өте сипаттамалы болып келеді. Мына проблеманың радикальді шешімі ортогональды жиілікті мультиплексациялау технология қолданылады, көп сәулелі қабылдау бөгеттермен күрес үшін арнайы өңделген. Технологиялардың бір түрі – COFDM әдісі – бұл әдіс жақсы белгілі және (DAB) сандық радиоқұрылғылар жүйелерінде кең қолданылуда, мысалға Еуропада, Канадада және Жапонияда. OFDM әдісінде тізбекті сандық ағым көп санды параллельді ағымға түрлендіріледі, әр қайсысы бөлек тасушыға берілед(1.9 сурет).

1.9 сурет – Радиосигнал спектрі бір тасушымен (а) және OFDM (б)

 

Жиіліктік тарау Δf көршілестер тарау аралығында f₁, f₂ ... f_n топталған дара тасушы демодуляторында OFDM бөліс мүмкіншіліктері шарты шығады. Жиіліктік бөліну екі әдіс қолданылады ( тасушының демультиплекстеуі). Біріншісі, жолақты сүзгілер арқасында және екіншісі, сигналдың ортогональды түрленуінің көмегімен.

Біріншісінде жиілікті тарату модуляцияланған тасушылар арасынан таңдалу үшін, оларды жанындағы көршіліес жолақтары өзара жабылмауы керек. Бұл шарт орындалады, егер жиілікті таратудың мөлшерін мынадай етіп таңдап алсақ Δf > 2/T_U , мұнда T_U – ақпараттық жұмысшы аралық символы. Бірақ радиоспектрді қолдану нәтижелілігі бәрі-бір шамалы болады.

OFDM стандарты қарама-қарсы асты тасушымен көршілес спектрлердің күшті жабуымен сипатталады, жиіліктін тарауын екі есе азайтады және соншаға ақпараттың сандық таралу тығыздығын жоғарылатады (бит/с)/Гц. Спектрлі топтық астытасушының ортогональді демодуляция әдісінің арқасында көрінер жиіліктің бөгеттері компенсацияланады, оған қарамастан олардың жанындағы жолақтары өзара жабылады.

Ортогональдық шарттарының  орындалуы үшін, тасуыштардың арасында жиіліктік таралуы тұрақты және мынау мағынаға ие болуы қажет Δf = 1/T_U, яғни T_U  аралығында f₂ - f₁ жиіліктің әр түрлілік периодының ішіне бүтін сан кіру керек. Бұл шарт орындалу үшін OFDM модемінде синхронизацияның екі түрін енгізу керек: топталған спектрлердің тасуыш жиіліктерінің синхронизациялану сигналы және демодулятордың функционал блоктарының ырғақты жиіліктердің синхронизациясын арналған сигналдар. Жиіліктердің тасушы тобы дәл қазіргі уақытта параллельді сандық ағынымен биттерді тасымалдаса, онда ол «OFDM символы» деп аталады.

1.8 Wi-MAX технологиясы аясындағы қатынас құру түрлері

 

Wi-MAX Forum Wi-MAX -қа қатынас  құрудың төрт түрін анықтады.

Фиксирленген қатынас  құру (fixed access). Бұл қатынас құру кезінде  тұтынушылық құрылғы қызмет көрсету  контракты бойынша келісілген уақыт бойы, яғни, контракт біткенше орын ауыстырмауы тиіс. Қызмет көрсету кезінде тұтынушы қалаған уақытында желіге кіре немесе одан шыға алады, сондай-ақ, өзінің қалауы бойынша «ең жақсы» деген базалық станцияны таңдауына мүмкіндігі бар. Ал, қарапайым жағдайда тұтынушылық құрылғы тек бір ғана базалық станцияның секторымен немесе ұясымен қатынас жасайды. Ол істен шыққан немесе онымен байланысу қиыншылығы туындаған кезде басқа базалық станцияға ауысу процесі автоматты түрде орындалады.

Әр түрлі орындардан қатынас құру (nomadic access). Бұл қатынас  құру түрінде тұтынушылық құрылғы  бір сеанс біткенше бір жерде  тұрақтауы тиіс. Ал, егер де ол сол сымсыз желінің басқа жеріне орын ауыстырса, онда желі оның жазылуының атрибуттарын анықтайды және өзге сессия орнатылады. Бірақ, бұл кезде алдынғы пунктте айтылған мүмкіндіктер сақталады.