Методы повышения эффективности использования частотного ресурса в беспроводных широкополосных системах связи

Методы повышения эффективности использования частотного ресурса в беспроводных широкополосных системах связи

В последние годы в связи с бурньм развитием услуг беспроводных широкополосных сетей передачи донных (БШПД) операторы данных сетей столкнулись с проблемой ограниченности спектральных ресурсов. Количество пользователей услугами БШПД быстро увеличивается, растет потребность в предоставлении приложений, требующих больших частотных ресурсов. Однако, регулирующие органы в силу ограниченности частотного ресурса предоставляют лишь небольшие ограниченные диапазоны частот для коммерческого использования. В результате среди операторов связи существует жестокая конкуренция в борьбе буквально за каждый кГц частотного ресурса.

Зайцева Ю.М.

В Европе аукционы по продаже лицензий на частотные диапазоны для сотовых сетей связи третьего поколения (30) начались в 1999 г. В Великобритании лицензия на полосу частот диапазоном 90 МГц была продана за 22,5 млрд. фунт. стер. В Германии результат был сходный — полоса в 100 МГц была продана за 46 млрд. долл. Таким образом, нетрудно посчитать, что средняя цена 1 МГц составляет порядка 450 млн. долл. [3].

Поэтому для операторов связи актуальна проблема максимального увеличения показателя эффективности использования доступного спектра, так как это является главным ограничением в предоставлении высокоскоростных сервисов по более низким ценам.

Вследствие этого при проектировании системы БШПД для операторов связи является очень важным учитывать многие аспекты в свете достижения наиболее высокого показателя эффективности.

Существуют следующие способы увеличения эффективности использования частотного спектра:

• территориальное уплотнение;

• адаптивная модуляция и кодирование (АМС);

• методы множественного доступа;

• антенные технологии.

Базовым способом достижения высоких показателей эффективности использования спектра является сотовая архитектура системы связи, когда вместо одного мощного передатчика, способного покрыть всю территорию, используется набор менее мощных, каждый из которых покрывает лишь свою небольшую тер-

риторию — соту. Сота разделяется на сектора, что становится возможным за счет использования направленных антенн. Как правило, соты или сектора объединяются в кластеры, и доступные для данной системы связи частоты назначаются секторам или сотам в кластере. Затем такая же процедура повторяется для всех кластеров системы при соблюдении политик минимизации помех между кластерами, покрывающих нужную территорию, таким образом, достигается повторное использование частотного ресурса, что в значительной степени повышает показатель спектральной эффективности всей системы в целом.

Для увеличения эффективности повторного использования частот можно использовать метод территориального уплотнения. Идея этого метода заключается в том, чтобы увеличить количество сот, уменьшив при этом радиус, то есть поставить большее число БС на покрываемой территории. Такой подход обеспечивает увеличение спектральной эффективности системы связи, однако, если неограниченно увеличивать количество БС на покрываемой территории, то вместе с возрастанием показателя спектральной эффективности системы увеличится также и ее стоимость, причем во много раз. Естественно, такой подход не является оптимальным для операторов, так как для них важен баланс между эффективностью системы и ее экономической выгодностью.

В настоящее время в рамках данного подхода активно внедряется концепция фемтосот. Идея этой концепции состоит в следующем: БС фемтосоты является низкомощностной беспроводной точкой доступа, которая действует в лицензионном спектре, обеспечивая соединение мобильных устройств пользователя с сетью оператора посредством кабельных или хРБ!.

широкополосных соединений. Применение фемтосот позволяет операторам увеличить внутреннее покрытие, особенно в тех местах, где действие беспроводной сети ограничено или невозможно.

Увеличения показателя эффективности использования спектра можно также достигнуть с помощью использования передовых методов модуляции и кодирования. В системах WiMAX, например, используется метод адаптивной модуляции и кодирования (АМС). Базовый принцип этого метода состоит в том, что данные должны передаваться с наиболее высокой скоростью при благоприятных условиях в канале передачи, и с низкой скоростью — когда условия неблагоприятные и возможны большие потери пакетов. Низкие скорости передачи данных достигаются за счёт использования сигнальных созвездий более низкого порядка, как например ОРБК, и низкоскоростных кодов исправления ошибок, например, сверточные со скоростью 1/2. Высокие скорости передачи достигаются за счет использования созвездий высокого порядка, как например 640АМ и более эффективных корректирующих кодов, например, ЮРС коды со скоростью 3/4, которые, однако, являются менее помехоустойчивыми. Например, в стандарте 802.16е в общей сложности возможны 52 комбинации использования сигнальных созвездий и разных типов помехоустойчивых кодов. Однако, в стандарте предусмотрено использование лишь некоторых из них.

В таблице 1 представлены значения спектральной эффективности, которые достигаются при использовании сверточных кодов с различными видами модуляции и скорости кодирования стандарта 802.16е.

Для улучшения качества передачи радио-

56

Т-Сотт #2-2012

Таблица 1

Спектральная эффективность в зависимости от типа модуляции и кодовой скорости

Тип модуляции и кодовая скорость Спектральная эффективность

QPSK ’/* 1,0

QPSK 3Л 1,5

16 QAM Уг 2,0

16 QAM Уд 3,0

64 QAM Vi 3,0

64 QAM 2/3 4,0

64 QAM % 4,5

сигнала в стандарте 802.16е также используются "передовые антенные технологии" (advanced antenna technologies — AAT): пространственно-временное разнесение (transmit diversity), формирование диаграммы направленности (beamforming) и пространственное мультиплексирование (spatial multiplexing), которые также позволяют улучшить показатели спектральной эффективности.

Одним из наиболее перспективных способов увеличения скорости передачи данных в сетях БШПД является применение пространственного мультиплексирования с применением многоэлементньх антенньх решеток (MIMO), когда высокоскоростной поток данных разбивается на N независимых потоков. Такая техника позволяет повысить скорость передачи данных в N раз, а, следовательно, и показатель спектральной эффективности без дополнительного увеличения частотной полосы.

В таблице 2 представлены значения показателя спектральной эффективности системы WiMAX в зависимости от используемого типа MIMO.

Поддержка адаптивных антенных систем (AAS) или формирование диаграммы направленности (beamforming) является неотъемлемой частью стандарта 802.16е-2009, позволяя увеличивать показатель спектральной эффективности системы за счет того, что становится возможным работать на одних и тех же частотах в различных секторах БС.

В качестве метода пространственно-временного разнесения (space time coding — STC) в стандарте 802.16е-2009 используется схема, предложенная Аламоути. Суть данного метода состоит в том, что выходной поток символов разбивается на два (например, четные и нечетные символы), формируемые параллельно. За счет чего увеличивается суммарная скорость передачи, а, следовательно, и спектральная эффективность системы.

В качестве методов оптимального исполь-

зования спектра можно ещё упомянуть о методах доступа к среде. В существующих БШПД наиболее широко используются два базовых метода доступа: временной (TDD) и частотный (FDD) дуплекс. В настоящее время наибольшее распространение получил метод TDD. Отличие TDD от FDD заключается в том, что FDD действует по принципу парных частот (paired spectrum) восходящего (UL) и нисходящего (DL) каналов. Сам по себе такой подход требует в два раза большую полосу частот, чем при использовании временного дуплекса. Более того, чтобы восходящий и нисходящий каналы не создавали помехи друг другу, выделяют защитную полосу частот (guard band). В различных системах связи такой защитный интервал может составлять до 7% общей полосы частот, что приводит к потере спектрального ресурса и увеличению общих затрат на систему [2].

В противоположность FDD в системах, использующих TDD, для разделения восходящих и нисходящих каналов используется временной интервал (guard time), что приводит к необходимости использовать системы синхронизации. В современных системах связи режим TDD получил большее распространение. Так, например, в стандарте 802.16е обязательным методом доступа к среде является TDD, применение FDD предусмотрено лишь в одном диапазоне частот в качестве опционального режима.

В качестве методов эффективного использования спектра можно также рассматривать методы множественного доступа к несущей среде. Например, в ходе эволюционного развития метод доступа OFDM, который можно рассматривать, как частный случай FDD, появился метод множественного доступа OFDMA. В стандарте 802.16е существует две основных разновидности физического уровня: OFDM-PHY и OFDMA-PHY Отличие второго типа физического уровня заключается в том, что данные пользователя передаются не только

в отдельном выделенном наборе частот, но и в отдельных меняющихся интервалах времени.

Все вышеперечисленные методы и технологии затрагивают лишь физический уровень (PHY) системы связи, улучшая способы передачи сигнала в физической среде, использование доступных спектральных ресурсов и т д. Однако, на проблему использования ограниченного и дорогостоящего ресурса спектра можно посмотреть с другой стороны.

Современные сети БШПД в основном используются абонентами для доступа и пользования услугами Internet сервисов, таких как онлайн игры, видео-телефония, он-лайн просмотры видео, передача большого количества данных и т п. Если учесть тот факт, что вся передача данных происходит согласно семиуровневой модели OSI, то нетрудно представить, что с данными пользователей передается огромное количество служебной информации, объем которой увеличивается от уровня к уровню и зачастую составляет большую часть суммарного пакета данных

Таким образом, даже если на физическом уровне БШПД применены все новейшие технологии, позволяющие наиболее эффективно использовать спектр, то на сетевом, транспортном и прикладном уровнях значительная часты выделенного для данной системы связи спектра используется неэффективно. Поэтому для наиболее эффективного использования спектра необходимо также оптимизировать логическую передачу данных

Так как в современных сетях БШПД для передачи пользовательских данных используется стек протоколов TCP/IP, то минимальную избыточность современного трафика можно определить следующим образом, как сумму заголовков, используемых протоколов:

IP+TCP/UDP

Максимальный размер пакета (MTU) согласно рекомендациям WiMAX Forum для про-

Таблица 2

Спектральная эффективность при использовании разных режимов MIMO

Параметр Тип MIMO

Спектральная эффективность (бит/сек/Г ц) Тип пользовательского устройства Тип соеди нения 2*2 (open -loop) MIMO 2x4 (open -loop) MIMO 4x2 (open •loop) MIMO 4x2 (closed •loop) MIMO

Фиксированное 802.16d DL 2.17 3.63 3.10 4.68

UL 1.05 1.00 1.50 2.26

Мобильное 802.16e DL 1.95 3.51 2.97 4.55

UL 0.94 0.94 1.43 2.19

T-Comm #2-2012

57

токолов IPv4 и IPv6 составляет 1400 байт. Длина служебных заголовков TCP+IP для одного пакета составляет 40 байт. Таким образом, несложно посчитать, что при максимальном размере пакета избыточность служебной информации составляет порядка 3%, а в случае использования протокола UDP — 2,1%, так как заголовок UDP имеет меньший размер. При уменьшении размера пакета избыточность, возникающая из-за заголовков канального и сетевого уровней, возрастает.

В настоящее время существуют алгоритмы оптимизации заголовков IP/TCP/UDP, которые позволяют бороться с избыточностью TCP/IP при передаче информации. Например, RFC 3095. Однако, данные алгоритмы учитывают лишь избыточность заголовков TCP/IF, не касаясь протоколов 7 уровня модели OSI.

Если же при расчете избыточности учитывать также и протоколы прикладного уровня, то в зависимости от того, какие приложения используются абонентом, избыточность можно определить уже следующим образом: IP+TCP[UDP]+HTTP[SMTP+POP3+IMAP и т]

Таким образом, нетрудно представить, что если оптимизировать количество и состав служебной информации, то можно улучшить коэффициент полезного использования спектрального ресурса, увеличение которого даже на несколько процентов представляет огромную экономическую выгоду для операторов связи, ко-

торые борются за каждый кГц спектра.

В существующих сетях БШПД рекомендованные алгоритмы сжатия (ROHC) используются достаточно мало. Однако, даже при использовании данных алгоритмов остается достаточно большой объем заголовков прикладного уровня модели OSI, которые не учитываются при сжатии.

Подводя итог всему выше сказанному, можно сделать вывод, что оптимизация структуры ПД в сетях БЩПД даст большую экономическую выгоду для эффективности использования частотного ресурса.

Литература

1. J.G. Andrews, A. Ghosh, R. Muhamed,

Fundamentals of WiMAX: understanding broadband wireless networking, Prentice hall, 2007

2. The Advantages of TDD over FDD in Wireless Data Applications, Raze technologies, 2001 http://www.razetechnologies.com/text_only/TDDvsF DD.htm

3. Phi lip G. Lawrey, Thesis "Adaptive Techniques for Multiuser OFDM", 2001

4. V. Chandrasekhar, J.G. Andrews, AGatherer,

"Femtocell networks: a servey", unpublished. [online].

Новые сервисы в навигации БЫигтапп: для тех, кто ищет легких путей

Компания Контент Мастер, производитель навигационного ПО, контент-сервисов и навигаторов торговой марки БЬ|Югтапп, продолжает расширять сферу применения и использования своих навигационных продуктов. У пользователей навигации БЬ|Югтапп появилась возможность работать с треками передвижения.

На сайте my.shturmann.com стал доступен раздел "Треки", где пользователи навигации БЫигтапп могут работать с собственными треками передвижения, а также с треками передвижения друзей. Основные возможности раздела включают в себя функции сохранения, отображения и редактирования треков.

• История позволяет отобразить треки, построенные в течение определённого интервала времени: 1 день, 7 дней или 30 дней.

• Функция перенесения треков в раздел Избранное поможет сохранить собственные маршруты. Вы можете хранить треки в ограниченном доступе (для себя) или показать их своим друзьям: вместо того чтобы долго рассказывать другу о хитростях дороги к вам на дачу, достаточно просто поделиться своим треком.

• Необходимо удалить ненужные элементы с иллюстрации пройденного пути или, наоборот, добавить к треку дополнительный отрезок? Для этого предусмотрена возможность разделять и склеивать различные треки передвижения.

Сайт my.shturmann.com интегрирован с самыми популярными социальными сетями, что значительно упрощает процедуру регистрации и авторизации. My.shturmann.com предоставляет доступ к базе объектов Р01 навигации Shturmann, количество которых превышает 3 млн. точек. Зарегистрированные и авторизованные пользователи могут добавлять и редактировать собственные объекты, отправлять координаты интересных Р01 прямо на карту навигатора друга, просматривать сохранённые точки друзей, присваивать рейтинг объектам и прокладывать маршруты к указанным точкам.

Сервис Друзья — прекрасная возможность обмениваться полезной информацией с друзьями из списка добавленных, делиться с ними интересными объектами, отображать местоположение друзей на карте и показывать, где находитесь вы.

Methods to improve the efficiency of frequency resources in a wireless broadband communication systems

Zaitseva Yu.M.

Abstract

In recent years, operators of data networks faced the problem of limited spectrum resources. Number of service users BSHPD is rising rapidly increases the need to provide applications that require high frequency resources. However, regulators due to the limited frequency resources represent only a small limited range of frequencies for commercial use. As a result, carriers are competing savagely for each kHz of frequency resources.

Referances

1. J.G. Andrews, A. Ghosh, R. Muhamed, Fundamentals of WiMAX: understanding broadband wireless networking, Prentice hall, 2007

2. The Advantages of TDD over FDD in Wireless Data Applications, Raze technologies, 2001 http://www.razetechnologies.com/text_only/TDDvsFDD.htm

3. Philip G. Lawrey, Thesis "Adaptive Techniques for Multiuser OFDM", 2001

4. V Chandrasekhar, J.G. Andrews, AGatherer, "Femtocell networks: a servey", unpublished. [online].

58

T-Comm #2-2012