Стандарт IEEE 802. 16. - шаг на пути к когнитивным телекоммуникационным системам

His

DESEAR i: Il

Стандарт IEEE 802.16. - шаг на пути к когнитивным телекоммуникационным системам

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - это технология предоставления беспроводного широкополосного доступа в интернет. WiMAX основывается на стандарте IEEE 802.16. Технологию WiMAX развивает международный WiMAX Forum, основанный в 2001 году. На сегодняшний день эта некоммерческая организация объединяет сотни компаний - производителей оборудования и поставщиков услуг мобильной связи и доступа в интернет.

Ключевые слова: антенна, технология, доступ, телекоммуникационные системы, мобильная связь.

Павлов О.В., Нелюбов В.Н.,

Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики

Сети WiMAX могут работать в двух вариантах доступа: фиксированном и мобильном.

Технология Mobile WiMAX сейчас активно развивается во всем мире, проекты по созданию сетей WiMAX существуют во многих странах. Технология уже знакома массовому пользователю, и он воспринимает ее как одну из инноваций, позволяющих получать высококачественные информационные услуги.

Технология передачи данных MIMO

в беспроводных сетях WIFI

Один из подходов к увеличению скорости передачи данных для WiFi стандарта 802.11 и для WiMAX стандарта 802.16 — это использование беспроводных систем с применением нескольких антенн, как для передатчика, так и для приемника. Такой подход называется MIMO (дословный перевод — "множественный вход множественный выход"), или "умная антенная системы" (smart antenna systems). Технология MIMO играет важную роль в реализации WiFi стандарта 802.11n.

В технологии MIMO применяются несколько антенн различного рода, настроенных на одном и том же канале. Каждая антенна передает сигнал с различными пространственными характеристиками. Таким образом, технология MIMO использует спектр радиоволн более эффективно и без ущерба для надежности работы. Каждый WiFi приемник "прислушивается" ко всем сигналам от каждого WiFi передатчика, что позволяет делать пути передачи данных более разнообразными. Таким образом, несколько путей могут быть перекомбинированы, что приведет к усилению требуемых сигналов в беспроводных сетях.

Также необходимо понимать, что для реализации технологии MIMO требуется отдельная радиочастотная цепь и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для каждой антенны.

Реализации, требующие более двух антенн в цепи, должны быть тщательно спроектированы для того, чтобы не увеличивать расходы при сохранении надлежащего уровня эффективности.

Важным инструментом для повышения физической скорости передачи данных в беспроводных сетях, является расширение полосы пропускания спектральных каналов. Благодаря использованию более широкой полосы пропускания канала с ортогональным частотным разделением мультиплексирования (OFDM) передача данных осуществляется с максимальной производительностью. OFDM является цифровой модуляцией, которая отлично себя зарекомендовала в качестве инструмента для осуществления двунаправленной высокоскоростной беспроводной передачи данных в WiMAX/ WiFi сетях. Метод расширения пропускной способности каналов является экономически эффективным и достаточно легко реализуемым с умеренным ростом цифровой обработки сигнала (DSP). При правильном применении, можно удвоить частоту пропускания стандарта WiFi 802.11 с 20 МГц канала на 40 МГц, также можно обеспечить более чем в два раза увеличенную пропускную способность каналов, используемых в настоящее время. Благодаря объединению MIMO архитектуры с более широкой полосой пропускания канала, получается очень мощный и экономически целесообразный подход для повышения физической скорости передачи.

Применение MIMO технологии с 20 МГц каналами требует больших затрат для удовлетворения требований IEEE по WiFi стандарту 802.11n (100 Мбит/с пропускной способности на MAC SAP). Также для удовлетворения этих требований при использовании канала в 20 МГц понадобиться, по меньшей мере, по три антенны, как на передатчике, так и на приемнике. Но в то же время работа на 20 МГц канале

IEEE 802.16 standard — step on a way to cognitive telecommunication systems

Pavlov O.V., Nelyubov V.N.,

North Caucasian branch of the Moscow technical university of communication and informatics

Abstract

The WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) is a technology of provision of broadband wireless access in the Internet. The WIMAX is based on the IEEE 802.16 standard. The WIMAX technology is developed by the international WiMAX Forum founded in 2001. Today this non-profit organization integrates hundreds hardware companies and service providers of mobile communication and Internet access.

Keywords: antenna, technology, access, telecommunication systems, mobile communication.

His

DESEAR i: Il

Таблица 1

Сравнительная характеристика стандартов БШД

WiFi

Фиксированная ширина полосы пропускания канала

Несколько непересекающихся каналов Множество непересекающихся каналов

Максимальная скорость передачи данных - 54Мбиг/с ('зависит от ширины полосы) Максимальная скорость передачи данных -70 Мбит/с при ширине полосы 20 МГц

Беспроводные решения внутри зданий Беспроводные решения вне зданий

Точка - точка (PtP -Point to point) Точка - много точек (PlMp - Point to mullipoinl}

Сети небольшого масштаба

Проблема «скрытого» узла

Простые модуляции

Построение беспроводных мостов на дальние расстояния с применением множества ретрансляторов Дальние беспроводные мосты без применения множества ретрансляторов

INFORMATION SOCIETY TECHNOLOGIES

обеспечивает надежную работу с приложениями, требующими высокую пропускную способность в реальной пользовательской среде.

Совместное применение технологий MIMO и расширения канала отвечает всем требованием пользователя и являет собой достаточно надежный тандем. Это так же верно и при использовании одновременно нескольких ресурсоемких сетевых приложений. Комбинация MIMO и 40 МГц расширения канала позволит отвечать и более сложным требованиям, таким как Закон Мура и выполнение технологии CMOS совершенствования DSP технологии.

При применении расширенного канала 40 МГц в диапазоне 2.4 ГГц, изначально возникли трудности с совместимостью с оборудованием на основе WiFi стандартов 802.11a/b/g, а также с оборудованием, использующим технологию Bluetooth для передачи данных.

Для решения этой проблемы в WiFi стандарте 802.11n предусмотрен целый ряд решений. Одним из таких механизмов, специально предназначенным для защиты сетей, является так называемая невысокая пропускная способность (non-HT) дублированного режима. Перед использованием протокола передачи данных WiFi стандарта 802.11n этот механизм отправляет по одному пакету на каждую из половинок 40 МГц канала для объявления сети распределения вектора (NAV). Следуя non-HT дублированного режима NAV сообщению, протокол передачи данных стандарта 802.11 n может быть использован в течении заявленного в сообщение время, без нарушения наследия (целостности) сети.

Другой механизм является своего рода сигнализацией и не дает беспроводным сетям расширять канал более чем 40 МГ ц. Например, в ноутбуке установлены модули 802.11 n и Bluetooth, данный механизм знает о возможности возникновения потенциальных помех при работе этих двух модулей одновременно и отключает передачу по каналу 40 МГц одного из модулей.

Эти механизмы гарантируют, что WiFi 802.11n будут работать с сетями более ранних стандартов 802.11 без необходимости перевода всей сети на оборудование стандарта 802.11n. Часто сравнивают такие современные технологии передачи данных, как WiMAX и WiFi. Несмотря на то, что обе технологии имеют созвучные названия и WiMAX технология появилась позже, то можно предположить, что

WiMAX это усовершенствованная модель WiFi, но это не так. Эти технологии имеют различные области применения. WiFi является технологией, в основном предназначенной для организации небольших беспроводных сетей внутри помещений и построения беспроводных мостов. Технология WiMAX, в свою очередь, предназначена для организации широкополосной связи вне помещений и для организации крупномасштабных сетей. WiMAX разрабатывался как городская вычислительная сеть (MAN). Рассмотрим некоторые другие различия между этими технологиями. У WiMAX лучше качество связи , чем у WiFi. Когда несколько пользователей подключены к точке доступа WiFi, они буквально "дерутся" за доступ к каналу связи. В свою очередь, технология WiMAX обеспечивает каждому пользователю постоянный доступ. Построенный на технологии WiMAX алгоритм устанавливает ограничение на число пользователей для одной точки доступа. Когда базовая станция WiMAX приближается к максимуму своего потенциала, она автоматически перенаправляет "избыточных" пользователей на другую базовую станцию.

Но WiMax по-прежнему находится в зачаточном состоянии, и потребуются значительные вложения в данную инфраструктуру для получения коммерческой выгоды. WiFi является уже самодостаточной системой и быстрое развертывание сетей WiFi не проблема сейчас.

Предприятия с огромными площадями, возможно, захотят перейти на WiMAX, чтобы избежать покупки большого количества репите-

ров, требуемых при установке WiFi сети. На данный момент, в России такое оборудование отсутствует в широкой продаже.

Как и во многих других областях, в беспроводной передачи данных нет универсальной технологии. Под каждые конкретные задачи больше подходит WiMAX или WiFi (таб.1). Если стоит задача предоставить широкополосный доступ к сети для пользователей — то больше, конечно подходит WiMAX, так как эта технология изначально была разработана именно с этой целью. Однако если стоит задача предоставить широкополосный доступ в ограниченном помещении, то технологии WiFi и WiMAX одинаково хорошо подходят для решения, при условии что низкий уровень помех или помехи вовсе отсутствуют. А для внедрения беспроводных систем безопасности или видеонаблюдения больше подходит WiFi, так как это направление уже достаточно неплохо развито.

Технология WiMAX, в отличие от WiFi, эффективно обеспечивает широкополосное подключение для таких услуг как передача данных, VoIP (передача голосовых потоков через Интернет — Voice over IP), потоковое видео с отличным QoS (качеством обслуживания — quality of service). Мобильный WiMAX является ведущим флагманом четвертого поколения (4G) сотовых технологий.

Чтобы воспользоваться всеми этими преимуществами поставщики телекоммуникационных услуг по всему миру начали активно создавать WiMAX сети. Например, Clerwire в США, Korean Telecom (KT) в Южной Корее,

High technologies in Earth space research № 1-2009

His

В E S E A R >: II

Скартел и Комстар в России, UQ начали запуск WiMAX сетей в Японии в 2009 г. По прогнозам ведущих аналитиков телекоммуникационной сферы, к 2013 г. пользователей технологии WiMAX будет около 100 млн. При активной экспансии технологии WiMAX как на развитых, так и на развивающихся рынках, у технологии WiMAX не будет альтернативы в формате 4G вплоть до 2013 г.

Технология WiMAX является первой технологией поколения 4G на рынке. Производители мобильных устройств стараются интегрировать эту технологию в свои устройства, так как для того чтобы успешно конкурировать, производитель должен идти в ногу со всеми новейшими и перспективными технологиями.

Таким образом, для внедрения модуля WiMAX в мобильные устройства имеются следующие требования: модуль должен быть небольших размеров (примерно 20мм х 20мм), иметь низкое энергопотребление, поддерживать несколько частотных диапазонов, легко интегрироваться в новую продукцию, иметь надлежащие форм-факторы и иметь высокую пропускную способность. Кроме того, этот модуль не должен влиять на работу других беспроводных модулей устройства.

Мобильный WiMAX модуль должен включать основной физический слой устройства WiMAX (PHY), медиаконтрольный чип (MAC), радиочастотные устройства (RF) и усилители мощности (PAs). У хоста процессора мобильного устройства, как правило, интерфейсы стандартов SDIO, SPI и / или USB. Использование унифицированного модуля WiMAX упрощает разработку для производителей портативных устройств и позволяет им сосредоточиться на основном производстве.

Энергопотребление WiMAX устройств

Как правило, технологии, которые поддерживают большую скорость передачи данных, потребляют большее количество энергии. Потребители любят более высокую производительность, но не при уменьшении времени работы аккумулятора или увеличении веса устройства.

Чтобы свести к минимуму потребление энергии, мобильные WiMAX устройства имеют два энергосберегающих режима: спящий и холостой (sleep, idle). Энергосбережение достигается за счет того, что часть модуля отключается в тот момент, когда устройство не принимает и не отдает данные. В спящем режиме, мобиль-

ное устройство отключается на заранее определенные сроки, которые выставляются в настройке базовой станции. Передача данных в таком случае происходит, когда устройство обнаруживает другие базовые станции. В холостом режиме может быть сэкономлено еще больше энергии, чем в режиме сна, благодаря тому, что модуль устройства может быть полностью отключен и не включаться даже при обнаружении другой базовой станции.

В дополнение к этим режимам работы, конструкторы систем на кристалле (SoC) могут снизить энергопотребление, как в активном, так и в спящем/холостом режимах.

Поскольку все эти методы являются взаимосвязанными, и зависят от сроков и требований по пропускной способности данных, то очень сложно делать общие выводы о конкретных потребляемых мощностях. Точный тест производительности происходит при выполнении конкретных задач в реальных условиях.

К сожалению, различные стандарты этих беспроводных технологий не решают проблем взаимного зашумления эфира. Поэтому эта задача остается актуальной для производителей при различных реализациях. Получается, что главным аспектом при выборе производителем WiMAX чипсета является стабильная совместная работа устройства с существующими беспроводными технологиями.

Шаг к когнитивным

телекоммуникационным сетям

Когнитивные телекоммуникационные сети были впервые описаны Джозефом Митоллой III. Он определил их как интеллектуальные сети, которые способны воспринимать и анализировать свои текущие параметры и, на этой основе, определять свои дальнейшие действия. Сети могут обучаться в процессе такой адаптации и использовать результаты в принятии последующих подобных решений. Это особенно важно при сквозном соединении (взаимодействии только между отправителем и получателем сообщения).

К системам сквозной передачи относится большинство протоколов уровня приложений и транспортные протоколы. В сквозной передаче потока данных задействовано множество объектов: подсети, маршрутизаторы, коммутаторы, виртуальные соединения, схемы шифрования, среда передачи, интерфейсы, различные типы сигналов. Благодаря этому свойство ког-нитивности приобретает масштабность, выделяется из других адаптационных подходов, име-

ющих лишь локальный уровень отдельных элементов.

Существуют мощные экономические стимулы для предоставления новых сервисов в существующих телекоммуникационных сетях, при этом требуется расширение спектра частот, и когнитивные сети предоставляют возможности его эффективного использования. Эти сети способны предоставлять такие возможности как управление ресурсами, качество обслуживания (QoS), безопасность, контроль доступа и высокая пропускная способность. Когнитивные сети используют результаты наблюдения за своим функционированием для формирования программных установок, позволяющих изменить состояние радиоканала или приложения соответствующего уровня. При этом такие сети ограничены лишь физической способностью к адаптации элементов, составляющих сеть и гибкостью заложенных в приложения алгоритмов адаптивных процессов.

При принятии решения об использовании интеллектуальных сетей стоит иметь в виду, что затраты на их внедрение в комплексе достаточно велики. Поэтому, если поведение сети достаточно предсказуемо (статические проводные сети), то нет смысла модернизировать ее в когнитивную. Больше всего на роль интеллектуальных сетей подходят беспроводные сети с разнотипным оборудованием.

Так как концепция когнитивного радио представляет большой интерес, разрабатываемые в настоящее время стандарты, содержат много интеллектуальных свойств, таких как, например:

— динамическое распределение частот;

— регулирование мощности передатчика;

— сканирование спектра.

Это можно расценивать как шаг к будущей реализации когнитивных сетей. Нужно отметить, что большинство этих стандартов предполагают OFDM как технологию передачи данных

Одна из технологий вызывающих к себе всеобщий интерес в последнее время, как в научных кругах, так и в промышленности — это WiMAX (рис.1).

Первый WiMAX стандарт IEEE 802.16a предполагал использование полосы частот 10-66 ГГц. В этой полосе частот возможна работа только в зоне прямой видимости (LOS). Следующая редакция стандарта IEEE 802.162004 известна как IEEE 802.16d. Этот стандарт поддерживает операции в полосе частот 2-11 ГГц, дающем возможность работы без

INFORMATION SOCIETY TECHNOLOGIES

His

HERE A It i: II

Рис. 1. Беспроводные технологии, базирующиеся на OFDM

прямой видимости (NLOS). Он предоставляет доступ точка-многоточка фиксированным пользователям.

Стандарт IEEE 802.16e-2005 развил и дополнил предыдущий, предоставляя возможность доступа мобильным пользователям, перемещающимся в транспортных средствах. Масштабируемая версия OFDMA обеспечивает наилучшую производительность.

На физическом уровне OFDMA возможно самый интересный режим, позволяющий базовой станции поддерживать многочисленных фиксированных и мобильных пользователей в одно и то же время. В этом режиме базовая станция использует доступные каналы путем разделения доступных поднесущих по субканалам. Количество субканалов, состоящих из определенного числа OFDMA-символов составляет слот. Понятие "слот" определяет минимальную единицу размещения информации и показывает, что системные ресурсы распределяются между пользователями в двух направлениях. Первое — частотное, определяемое числом субканалов в каждом слоте. Второе — это время, которое определено количеством OFDMA-символов. На рис. 2 показана структура OFDMA-сигналов, используемых WiMAX.

Этот рисунок носит чисто иллюстративный характер и не отражает действительного количества поднесущих и размеров слота, предписанных стандартом.

WiMAX-системы могут быть адаптированы к различным характеристикам передачи и до-

Рис. 2. Структура OFDMA-сигналов, используемых в WiMAX

ступным ресурсам. Физический уровень OFDMA предоставляет варианты выбора количества поднесущих, образуемых с помощью быстрого прямого и обратного преобразования Фурье, длительность циклического префикса и схемы размещения пилотных несущих.

Количество поднесущих может быть выбрано из следующего ряда: 128, 256, 512, 1024, 2048 в соответствии с выделенной шириной полосы передачи.

Подобным образом длительность циклического префикса может быть установлена как1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 длительности OFDM-симво-ла в зависимости от конкретной конфигурации.

Базовая станция WiMAX, измеряя характеристики доступных каналов и параметры передаваемого сигнала, выбирает наиболее подходящие установки для данного соединения (например: максимум пропускной способности, качество обслуживания и др.) и реализует выработанный план. В целях улучшения системных рабочих характеристик мобильный WiMAX поддерживает весь диапазон технологий интеллектуальной антенны.

При этом возможны следующие варианты:

1. Формирование диаграммы направленности: система использует множество антенн для передачи сигналов, улучающих охват и емкость системы, и уменьшения вероятности нарушения связи.

2. Коды пространство-время (STC — SpaceTime Code) используются, чтобы обеспечить пространственное разнесение и оптимальный запас на замирание.

3. Пространственное мультиплексирование (SM — Spatial Multiplexing) применяется для повышения скоростей и увеличения пропускной способности.

Мобильный WiMAX предоставляет адаптивный выбор между этими вариантами (рис.3).

В соответствии с программой, заложенной в адаптивном преобразователе, сигналы передаются по разным подканалам. Они могут также изменять диаграмму направленности элементов адаптивной антенны, что позволяет изменять параметры среды передачи с целью улучшения качества.

Мобильный WiMAX позволяет адаптивное переключение между множеством режимов с несколькими антеннами (MIMO) для того, чтобы максимизировать спектральную эффективность без сокращения зоны покрытия.

Все вышесказанное позволяет расценивать мобильный WiMAX как ступень на пути созда-

High technologies in Earth space research № 1-2009

His

II К К Б А И i: II

Рис. 3. Адаптивный переключатель интеллектуальной антенны

ния когнитивных телекоммуникационных систем. Этот вывод подтверждает и тот факт, что в процессе разработки находится стандарт

802.22, который предположительно закрепит характеристики когни- тивности для радиосреды передачи (Soft Defined Radio).

Литература

1. Joseph Mitola III. Cognitive Radio. An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio // Doctor of Technology Dissertation, Royal Institute of Technology, Sweden, May 2000.

2. Jeffrey G. Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed. Fundamentals of WiMAX. Understanding Broadband Wireless Networking.Prentice Hall, 2007.

3. Легков К.Е., Донченко АА., Кисляков М.А Обзор типовых условий функционирования систем беспроводного широкополосного доступа.// Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. Вып. № 1. Новочеркасск, 2009. С. 51-54.

4. Легков К.Е., Донченко А.А. Беспроводные Mesh-сети специального назначения// T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. №3. 2009. С.36-37.

5. Легков К.Е., Донченко АА Современные требования к показателям качества информационного обмена в сетях беспроводного доступа специального назначения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. №4. 2009. С. 24-28.

6. Легков К.Е., Федоров А.Е. Беспроводные Mesh-сети специального назначения // Инфоком-муникационные технологии. №2. 2009. С. 25-37.