Сети радиодоступа

Введение Современный этап развития телекоммуникационных технологий для передачи данных на расстоянии предусматривает использование разнородных линий связи. На участке "последней мили" альтернативой проводным линиям связи являются технологии беспроводного доступа, техническое развитие которых достигло столь высокого уровня, что во многих случаях они могут составить достойную конкуренцию проводным решениям. Радиодоступ всегда пользовался и продолжает пользоваться большой популярностью в России, поскольку беспроводные решения особенно актуальны в местах, где отсутствует какая-либо кабельная инфраструктура. По сравнению с кабельными каналами (медными или оптическими), стоимость организации радиоканала и время его введения в эксплуатацию значительно меньше. Безусловно, оптический канал обладает большей пропускной способностью и проще в эксплуатации. Однако трудоемкость прокладки кабеля (особенно в удаленных районах, в регионах с суровым климатом) и время, требуемое для этого, делают радиоканал зачастую единственно возможным вариантом, несмотря даже на сложности прохождения процедуры лицензирования частот. Кроме того, первоначальные "радиоканальные" инвестиции значительно меньше вложений в тот же оптический канал, и начинают они окупаться практически сразу после установки оборудования. Радиоканал интересен и как временное решение: например, его налаживают на то время, пока ведутся работы по прокладке кабеля, а после ввода в эксплуатацию кабельного канала радиооборудование снимается и может использоваться для иных целей. Подобный подход обеспечивает оператору защиту инвестиций, что немаловажно в нынешних условиях высокой конкуренции. Лавинообразный рост числа пользователей широкополосного доступа в Интернет ставит перед операторами связи задачи поиска эффективных технологий для предоставления такого рода услуг. В последнее время все больший интерес у операторов вызывают решения, работающие по топологии "точка – многоточка", когда в центр помещается одна радиоточка, охватывающая сразу целый круговой сегмент (Wi-Fi, WiMAX). Решения ориентированы, в первую очередь, на обеспечение услуг доступа к сети Интернет или организацию локальной сети Ethernet, что наиболее востребовано на рынке. При большом числе пользователей стоимость одного соединения становится весьма низкой, поскольку отсутствует необходимость прокладки кабеля к каждому абоненту. Кроме того, технологии Wi-Fi и WiMAX обеспечивают пользователю некоторую мобильность, он может передвигаться в зоне покрытия без потери связи [1]. Использование технологий радиодоступа рационально и обосновано в тех случаях, когда прокладка кабеля связана со значительными трудностями и не является целесообразной. Реалии развития технологий телекоммуникаций и широкополосного радиодоступа наряду с совершенствованием технологий кодирования и передачи видеоинформации открывают практическую возможность успешного решения задач участка "последней мили" через сети радиодоступа с доведением до пользователей необходимых мультимедийных услуг связи. Согласно имеющимся данным (май 2013 года), более чем в 150 городах России развернуто около 260 сетей радиодоступа. По сути, такие сети имеются в городах и районных центрах с населением от 300 тыс. жителей и больше. Достоверные данные о суммарной клиентской базе сетей отсутствуют, но в некоторых источниках она оценивается на уровне 90-100 тыс. абонентов, подавляющее число которых являются корпоративными пользователями. Известно, что отдельные ведущие компании, специализирующие в области радиодоступа, уже преодолели барьер 1 тыс. клиентов [2]. В настоящее время многие операторы связи получили необходимые разрешения для создания и эксплуатации сети фиксированного беспроводного доступа в различных регионах Российской Федерации (РФ), где ими осуществляется опытное тестирование систем и предоставление услуг связи клиентам. Вместе с тем следует отметить, что уровень проникновения беспроводного доступа весьма незначителен. В особенности это характерно для пригородов и сельской местности. К сожалению, на технологиях радиодоступа сегодня базируется менее 1% услуг операторов "последней мили". В соответствии с решением Государственной комиссии по радиочастотам ФГУП "НИИР" провел анализ международного опыта регулирования использования радиочастотного ресурса системами фиксированного беспроводного доступа, основных типов и технических характеристик радиоэлектронных средств (РЭС), применяемых и планируемых к применению на территории РФ. Исходя из этих исследований и учитывая необходимость повышения эффективности использования радиочастотного спектра, Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) в своем решении от 28.11.2005 г. (протокол № 05-10-01-001) признала возможным использование полос радиочастот 24002483,5 МГц, 3400-3450 МГц, 3500-3550 МГц, 5150-5350 МГц и 5650-6425 МГц для РЭС фиксированного беспроводного доступа и утвердила основные тактико-технические характеристики средств фиксированного беспроводного доступа, использующих данные полосы радиочастот. Технические характеристики РЭС (с точки зрения обеспечения ЭМС и других параметров в указанных полосах частот) должны удовлетворять определенным требованиям по их эксплуатации на территории РФ. При этом заявляемые параметры РЭС должны соответствовать определенным тактикотехническим характеристикам, которые имеют свои значения для различных категорий (I—IV) заявленной территории (по численности населения), где планируется развертывание сети фиксированного беспроводного доступа. Например, в полосе частот 5150-5350 МГц максимальный радиус разрешенной зоны обслуживания одной базовой станции составляет от 3 до 8 км, в полосе частот 5650-6425 МГц - от 3 до 20 км. Кроме того, в своем решении ГКРЧ поставила задачу по определению возможности и условий использования РЭС фиксированного беспроводного доступа для полос радиочастот, отличных от приведенных выше. Выход в свет данного документа ГКРЧ позволяет решить многие возникающие вопросы и определить правовую и практическую основу для успешного развития и функционирования систем фиксированного беспроводного доступа на территории РФ. Варианты построения сети радиодоступа и виды предоставляемых услуг Фиксированная беспроводная сеть передачи данных состоит из РЭС, работающих в определенном (разрешенном) диапазоне частот, и включает в себя базовые и абонентские станции, ретрансляторы, увязанные между собой в единую инфраструктуру и соединенные с базовым оператором связи/сервиспровайдером. Структура сети обеспечивает двунаправленный обмен информацией между абонентами сети и базовым оператором связи. При этом возможны следующие варианты организации доступа и предоставляемых услуг:  радиосеть для объединения по радиоканалу двух точек в условиях прямой видимости или при ее отсутствии;  радиосеть для объединения по радиоканалу трех и более точек при различных условиях видимости;  радиосеть с доступом в Интернет для мест публичного пользования;  радиосеть передачи данных с интеграцией IP-телефонии и доступа в Интернет в масштабе отдельного района, поселка;  радиосеть передачи данных с интеграцией IP-телефонии, передачи данных телематических услуг, включая и видеоинформационные. Построение новых сетей фиксированного беспроводного доступа предусматривает передачу данных для доставки как традиционных, так и новых мультимедийных услуг связи для различных категорий пользователей. Первая целевая группа потенциальных пользователей сети радиодоступа включает в себя корпоративных клиентов, чьи офисы или производственно-складские мощности расположены на городских окраинах, в пригородах или поселках, где сохраняется дефицит проводной инфраструктуры. Вторая категория -частные лица, например владельцы коттеджей как в организованных поселках, так и в зонах новой индивидуальной застройки (в черте населенных пунктов или вне ее). Фиксированная сеть беспроводного доступа позволяет предоставить корпоративным и индивидуальным пользователям следующий спектр услуг:  передачу данных, в том числе новых мультимедийных услуг — видеотелефонии, видеоконференц-связи, видеонаблюдения, дистанционного контроля и управления объектами (услуг "умного дома") и т.п.;  персональные услуги (электронная почта, чаты, обмен сообщениями, игры on-line, "музыка по запросу", IP-телефония, видеосвязь, специальные сообщения и др.);  корпоративные и коммерческие услуги (электронная торговля, автоматизация процессов контроля объектов и управления производством, сбор, передача и обмен данными и др.);  массовые услуги и сервисы, связанные с реализацией общероссийских программ (доступ в Интернет, Федеральная целевая программа "Электронная Россия", дистанционное обучение и образование, телеголосование и др.). 1 Сети радиодоступа стандарты IEEE 802.11 (Wi-Fi) 1.1 Регулирование использования частотного ресурса для радиосетей IEEE 802.11 Документы, без которых невозможно строительство сетей радиодоступа и которые определяют порядок выделения полос частот, порядок и цели их использования, – это решения ГКРЧ (Государственная Комиссия по Радиочастотам). В России использование Wi-Fi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий Решением ГКРЧ № 04-03-04-003 от 6 декабря 2004 г.. Для легального использования внеофисной беспроводной сети Wi-Fi (например, радиоканала между двумя соседними домами) необходимо получение разрешения на использование частот. Действует упрощённый порядок выдачи разрешений на использование радиочастот в полосе 2400— 2483,5 МГц (стандарты 802.11b и 802.11g), для получения такого разрешения не требуется частное решение ГКРЧ. Для использования радиочастот в других диапазонах, в частности 5 ГГц (стандарт 802.11a), необходимо предварительно получить частное решение ГКРЧ. [3] В 2007 году ситуация изменилась с выходом документа: «Постановление от 25 июля 2007 г. № 476 О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539 „О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств“»[4]. Шестнадцатым пунктом постановления из списка оборудования, подлежащего регистрации было исключено[5]: Пользовательское (оконечное) оборудование радиодоступа (беспроводного доступа) в полосе радиочастот 2400—2483,5 МГц с мощностью излучения передающих устройств до 100 мВт включительно. Также во исполнение протокольной записи к решению ГКРЧ от 19 августа 2009 г. № 09-04-09, ГКРЧ решила: - Выделить полосы радиочастот 5150-5350 МГц и 5650-6425 МГц для применения на территории Российской Федерации за исключением городов, указанных в приложении № 2, РЭС фиксированного беспроводного доступа гражданами Российской Федерации и российскими юридическими лицами без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого физического или юридического лица. [6] За нарушение порядка использования радиоэлектронных средств предусматривается ответственность по статьям 13.3 и 13.4 Кодекса Российской Федерации об административных правонарушениях (КоАП РФ)[7]. Так, в июле 2006 года несколько компаний в Ростове-на-Дону были оштрафованы за эксплуатацию открытых сетей Wi-Fi (хот-спотов). 1.2 Особенности диапазона 5 ГГц для построения сети фиксированного радиодоступа Передача данных видеоинформационных услуг связи даже при использовании высокоэффективных алгоритмов сжатия информации все же требует наличия широкополосных каналов связи. Для предоставления клиентам в едином пакете разнообразных мультимедийных услуг связи с использованием технологии радиодоступа, на наш взгляд (в силу большей занятости и загруженности диапазона 2,4 и 3,5 ГГц и ряда других причин), предпочтительнее осваивать и использовать диапазоны частот > 5 ГГц. В этих диапазонах частот можно организовать необходимое число дуплексных радиоканалов и осуществить высокоскоростную передачу данных до 54 Мбит/с и выше. Проведенный анализ с точки зрения эффективности диапазона частот 5 ГГц и выше для организации сети фиксированного беспроводного доступа дает следующую картину. Во-первых, большая часть операторов связи ориентируются на различные частоты в диапазоне 5 ГГц и выше. Диапазон 5,8 ГГц (5725-5850 МГц) входит в список первоочередных профилей, поскольку большинство новых проектов в области беспроводного доступа сосредоточено в соседних диапазонах: 5,3 ГГц; 5,7 ГГц; 5,9 ГГц и выше. Полоса частот 51505670 МГц привлекательна тем, что в этом диапазоне нет сетей фиксированной связи, то есть радиорелейных линий и земных станций. В полосе частот 57255850 МГц назначения частот новым радиорелейным системам не производятся (эту полосу не затрагивают частотные планы спутниковых сетей). Следовательно, она может быть использована для систем беспроводного доступа с учетом действующих РРС. Полоса частот 5850-5925 МГц используется радиорелейными системами и земными станциями фиксированной спутниковой службы. Сейчас эта полоса достаточно свободна и может быть задействована системами беспроводного доступа. При этом последние могли бы использовать данный диапазон в рамках фиксированной службы при выполнении некоторых условий (не создавать помехи и не требовать защиты от непреднамеренных помех со стороны земных станций спутниковой связи). Новые же РРС могут работать в более высоком диапазоне частот, в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р F.383 и Национальной таблицей распределения полос частот. Полоса частот 5925-6425 МГц занята земными станциями спутниковой связи и уже действующими РЭС фиксированной службы, включая системы беспроводного доступа и РРС, которые работают в данной полосе на равной первичной основе. На основании изложенного и других известных по этому вопросу данных следует, что диапазон 5,3 ГГц (полоса частот 5150-5350 МГц) и 5,8 ГГц (полоса частот 5650-5925 МГц) действительно является наиболее привлекательным для использования в сети фиксированного беспроводного доступа. Здесь может быть достигнута большая маневренность в выборе тех или иных фиксированных частот (для дуплексной связи) при получении разрешения на развертывание вновь создаваемой сети радиодоступа с учетом азимута излучений на местности, географических координат на основе частотнотерриториального плана и других условий по назначению (присвоению) конкретных радиочастот. На сегодня известны РЭС, функционирующие на территории РФ, которые, например, применительно к полосе частот 5650-5925 ГГц включают аппаратуру абонентского радиодоступа типа BreezeNET, Breeze Access VL, Pac-ketWave 1000, Canopy, Aironet 1400, Tsunami MP.11a. Планируется к использованию оборудование и других производителей — например, SkyPilot, InfiNet и др., которое удовлетворяет необходимым техническим характеристикам в свете упомянутого решения ГКРЧ и иных нормативных документов. 1.3 Основные принципы формирования сигналов стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi) Итак, Wi-Fi – это современная беспроводная технология соединения компьютера в локальную сеть и подключения их к Интернету. Очень многие современные КПК среднего и высокого уровня оснащают Wi-Fi-адаптерами, редкий ноутбук не имеет встроенной беспроводной сетевой карты. К тому же, существуют Wi-Fi-адаптеры для практически любых устройств и масса другого сетевого оборудования. То есть при некотором желании вы сможете без особого труда стать пользователем беспроводной сети. Под аббревиатурой Wi-Fi (от англ. Wireless Fidelity — «беспроводная точность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Wi-Fi — торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Структура системы предполагает наличие в своем составе точек доступа (ТД) к проводной сети общего пользования и большого количества абонентских станций, между которыми обеспечивается беспроводная связь, и которые могут связываться с абонентами проводной сети через точки доступа (рисунок 1.1). Стандарт определяет спецификации двух уровней модели OSI: физический уровень (PHY) и канальный уровень в части управления средой доступа (MAC). Рисунок 1.1 – Схема организации сети Wi-Fi Точки доступа обеспечивают взаимодействие по радиоканалу с абонентскими станциями через радиоинтерфейс стандарта 802.11 и взаимодействие с сетью передачи данных общего пользования по одному из протоколов. Точка доступа в общем случае может быть представлена как беспроводный мост, который подключается через коммутатор к общей сети. Каждая точка доступа обеспечивает покрытие некоторого пространства, называемого зоной обслуживания. Сеть стандарта 802.11 поддерживает базовые службы для возможности совместимости с проводной локальной сетью. Прежде всего, это службы, обеспечивающие взаимодействие компьютеров, подключенных к беспроводной сети на MAC уровне с локальной сетью, и службы, решающие задачи аутентификации, безопасности и конфиденциальности. Уровень MAC стандарта 802.11 реализует доставку данных, управление доступом к физическому уровню и безопасность передачи данных. Известно, что в радиоканалах из-за воздействия большого количества факторов, таких как помехи, шум, искажения, затухание, отражения и прочее, возможны потери данных. Для исключения потерь данных в стандарте предусмотрены использование помехоустойчивого кодирования и повторная передача по запросу на MAC уровне. Благодаря запросу повторной передачи пакет данных MAC уровня будет обязательно доставлен адресату. Возможности стандарта 802.11 по передаче данных, в частности, такая характеристика как скорость передачи, определяются характеристиками физического уровня оборудования. В таблицах 1.1 и 1.2 приведен физический уровень стандарта 802.11, который может быть реализован в двух вариантах: с использованием сигналов с прямым расширением спектра (DSSS) и сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты (FHSS). [8] Таблица 1.1 - Физический уровень стандарта 802.11 с DSSS Характеристика оборудования Значение Диапазон частот, МГц 2400... 2483,5 Номиналы несущих частот, МГц 2412+5∙N, N = 0,…,12 Количество каналов 13 Мощность излучения, дБм 10...20 Скорость модуляции, Мбод 1 Коэффициент расширения спектра 11 Полоса частот, МГц по уровню -20 дБ 16 -30 дБ 22 -50 дБ 44 Вид модуляции BPSK, DQPSK -5 Отношение сигнал/шум при BER = 10 , 17 дБ Скорость передачи информации в канале, 1 или 2 Мбит/с Избирательность по соседнему каналу, дБ 37 Чувствительность при BER = 10-5, дБм -80 Вид протокола доступа CSMA/CA Таблица 1.2 - Физический уровень стандарта 802.11 с FHSS Характеристика оборудования Значение Диапазон частот, МГц 2400… 2483,5 Номиналы несущих частот, МГц 2402+5∙N, N = 0,…,78 Количество каналов 79 Мощность излучения, дБм 10…20 Скорость модуляции, Мбод 1 Коэффициент расширения спектра 11 Полоса частот, МГц по уровню -20 дБ 1 -30 дБ 1,5 -50 дБ 3 Вид модуляции GFSK-2 BT = 0.5; GFSK-4 -5 Отношение сигнал/шум при BER = 10 , 19 дБ Скорость передачи информации в канале, 1 Мбит/с Нестабильность несущей частоты 2,5∙10-6 Минимальная девиация частоты, кГц Дрожание фазы импульсов тактовой частоты, мкс Количество скачков частоты в секунду Избирательность по соседнему каналу, дБ Чувствительность при BER = 10-5, дБм Вид протокола доступа 160 0,0625 > 2,5 нет -80 CSMA/CA Большинство антенн, используемых в WLAN, являются антеннами с линейной поляризацией, горизонтальной или вертикальной. Первое означает, что вектор электрического поля лежит в вертикальной плоскости, второе — что в горизонтальной. Чаше применяется вертикальная поляризация, хотя в некоторых ситуациях антенны с горизонтальной поляризацией эффективнее. Рассмотрим типы антенн, которые чаще всего применяются в беспроводных LAN. Существует два варианта Wi-Fi антенн: направленные и всенаправленные. Беспроводные сети работают преимущественно со всенаправленными антеннами, обеспечивающими равномерное покрытие в определенном радиусе действия. Это круговые антенны. Достаточно установить всенаправленную антенну на ваш Wi-Fi принтер, и тогда совершать печать можно будет с любого ноутбука, находящегося в приемной, переговорной или даже в столовой, то есть в радиусе действия. Сигнал всенаправленной антенны распространяется в плоскости, перпендикулярной оси антенны. Устанавливают антенны вертикально. Коэффициент усиления в таких антеннах существенно меньше, чем в направленных.[9] Среди Wi-Fi антенн также распространены направленные антенны. Они обеспечивают превосходную организацию сети в случае «точка-точка» или «точка-многоточка». Направленная антенна также прекрасно подходит в случае, когда ПК нужно соединить лишь с другим ПК или же с точкой доступа. В условиях дома или офиса направленная антенна позволяет доводить сигнал от ПК к принтеру, преодолевать стены. Направленные антенны в свою очередь тоже могут быть разными. Они делятся на секторные антенны, параболические WiFi антенны и панельные антенны. Ниже перечислены актуальные на сегодняшний день стандарты беспроводных сетей Wi-Fi (не стоит забывать, что подавляющее большинство современных беспроводных устройств поддерживают 2 или более различных стандарта одновременно) [10]:  IEEE 802.11b – принят в 1999 году, работает в частотном диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивает максимальную скорость передачи данных 11 Мбит/с (при этом доступны также скорости 5,5, 2 и 1 Мбит/с). В рабочем диапазоне предусмотрены три непересекающихся частотных канала, поэтому на одной территории, не влияя друг на друга, могут работать три различные беспроводные сети. Существует также и не сертифицированный IEEE вариант 802.11b+, который может работать на удвоенной максимальной скорости 22 Мбит/с, однако совместимость оборудования разных производителей при этом не гарантируется. Впрочем, спецификация 802.11b/b+ на сегодняшний день является устаревшей;  IEEE 802.11a – принят в 1999 году, работает в частотном диапазоне 5 ГГц (также разделенном на три непересекающихся поддиапазона) и обеспечивает максимальную скорость передачи данных 54 Мбит/с, при этом доступны также скорости 48, 36, 24, 18, 12, 9 и 6 Мбит/с;  IEEE 802. 11g – принят в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b/b+ и полностью совместим с ним. Он работает в том же самом частотном диапазоне 2,4 ГГц, но обеспечивает максимальную скорость передачи данных до 54 Мбит/с. Существует также не сертифицированный IEEE вариант 802.11g+, который может работать на скоростях вплоть до 140 Мбит/с, однако совместимость оборудования разных производителей при этом чаще всего не обеспечивается;  IEEE 802.11n – окончательно принят в 2009 году. Придя на смену 802.11g, свежая версия предоставляет большую надёжность, площадь покрытия и скорость, в том числе благодаря технологии одновременной передачи данных по нескольким независимым каналам связи MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Максимальная скорость передачи данных может достигать 450 Мбит/с. Технология особенно эффективна в помещениях в условиях интерференции, когда существуют различные пути распространения радиосигнала. Режимы функционирования MIMO обозначаются как количество каналов, работающих на передачу и на прием (например, 2x3 MIMO: два канала на передачу и три – на прием). При этом в устройствах используется несколько (чаще всего – 2 или 3) отдельных антенн. Оборудование стандарта 802.11n может работать в частотных диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц и совместимо со стандартным оборудованием 802.11a/b/g. Таблица 1.3 - Характеристики стандартов Wi-Fi Стандарт Рабочая Теоретическая Реальная частота скорость скорость 802.11a 5 ГГц 54 Мбит/сек 802.11b 802.11g 2,4 ГГц 2,4 ГГц 11 Мбит/сек 54 Мбит/сек 802.11n 2,4 / 5 ГГц 600 Мбит/сек 26 Мбит/сек 5 Мбит/сек 22 Мбит/сек 90 Мбит/сек Дальность связи в помещении 35м Дальность связи на открытом пространстве 120м 40м 40м 150м 150м 70м 250м Для решения стоящих перед корпоративными пользователями задач сети Wi-Fi должны удовлетворять следующим требованиям:  мобильность абонента, с организацией "бесшовного" перемещения абонента между точками доступа внутри сети (хэндовер) и межсетевого роуминга;  "мультисервисность" (полный спектр IP-услуг, включая доступ в Интернет, VoIP, видеоконференц-связь и т.д.);  безопасность (защита от нелегальных подключений). Мобильность: В настоящее время в корпоративной среде передачи данных и голоса все более востребованной становится мобильность абонента. В России, с ее недостаточно развитой по сравнению с западными странами инфраструктурой связи (особенно на периферии), возможность организации мобильного офиса зачастую является решающим фактором в успешном ведении бизнеса. В области телефонии перспективными представляются решения, обеспечивающие интеграцию традиционных мобильных стандартов и Wi-Fiдоступа. Технология UMA (Unlicensed Mobile Access), разработанная американской компанией Kineto Wireless, предназначена для использования широкополосного интернет-соединения по беспроводным сетям Wi-Fi (802.11) в качестве канала голосовой связи. Крупнейшие производители мобильных телефонов, например Nokia, Samsung, Sony Ericsson и LG, уже используют UMA в своих устройствах. Это, несомненно, обеспечивает технологии Wi-Fi будущее не только в корпоративных сетях, но и в сетях масштаба города (Wireless MAN), а также служит реальным шагом к "глобальной" мобильности абонентов на основе конвергенции сетей сотовой связи и фиксированных сетей передачи данных. В стандарте 802.11 нет строгих спецификаций по реализации хэндовера в многосотовых сетях. Однако для обеспечения бесшовного перемещения мобильных абонентов из зоны действия одной точки доступа к другой предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и пассивного прослушивания эфира) и присоединения (association). Реализация хэндовера в сетях Wi-Fi может осуществляться различным образом, например на базе протокола Radius (протокол для реализации аутентификации, авторизации и сбора сведений об использованных ресурсах, разработанный для передачи сведений между центральной платформой и оборудованием) или под управлением интеллектуального беспроводного контроллера, организующего "туннель" при переходе клиента в зону обслуживания соседней точки доступа. Объединение сетей Wi-Fi (проблема роуминга) для осуществления корпоративных задач, а в дальнейшем и объединение сетей фиксированной и мобильной связи служит решением основной задачи: возможности предоставлять корпоративным пользователям как можно более широкий ассортимент услуг по как можно более низкой цене. Отсюда встает необходимость решать задачу по организации межсетевого роуминга согласно известному принципу "один человек - один номер". При осуществлении интеграции услуг решающим фактором для выбора оборудования послужит выбор оптимальной стратегии конвергенции. "Мультисервисность": В развитии сетей Wi-Fi, которые поддерживают технологии беспроводной IP-телефонии, произошел новый толчок. Появились IP-телефоны со встроенными адаптерами Wi-Fi. Обеспечивают высококачественную VoIP связь через беспроводную сеть с подключением к высокоскоростному каналу Интернет. Подключившись к домашней или офисной беспроводной сети или публичному хот-споту, можно звонить по низким тарифам своего провайдера Интернет-телефонии. [11] В сентябре 2005 г. был принят стандарт IEEE 802.11e, специально разработанный с целью передачи потоковых видео или аудиоданных с гарантированными качеством и доставкой. Необходимо отметить значительную активность в использовании сетей Wi-Fi для видеоприложений и в первую очередь для систем безопасности. Безопасность: Для успешного применения в корпоративных сетях оборудование Wi-Fi должно обеспечивать защиту от атак и нелегальных подключений. В сети Wi-Fi абонент может быть подвергнут атакам как на беспроводном сегменте сети (IP и MAC spoofing и т.д.), так и на проводном (DHCP и ARP-spoofing и т.д.). Для надежной защиты на беспроводном сегменте сети в настоящее время уже недостаточно использования протокола WPA (802.11x/EAP) аутентификации и кодирования трафика. Стандарт IEEE 802.11i предусматривает использование в продуктах Wi-Fi таких средств, как поддержка алгоритмов шифрования трафика: TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol) и CCMP (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol). Этих алгоритмов достаточно для защиты на уровне абонентского трафика, но на уровне корпоративного пользователя используются дополнительные механизмы, включающие более совершенные способы аутентификации при подключении к сети [12]: более криптостойкие методы шифрования, динамическую замену ключей шифрования, использование персональных межсетевых экранов, мониторинг защищенности беспроводной сети, технологию виртуальных частных сетей VPN и т.д. А безопасно ли излучение от Wi-Fi сетей? Оказывается, на эту тему ведется множество споров! И естественно есть те, кто убежден в безопасности, и те, кто уверен в том, что излучение крайне опасно для здоровья человека. На сегодняшний день мировые стандарты, регламентирующие безопасность радиоустройств, характеризуют уровень излучения параметром SAR (Specific Absorption Rates – удельный коэффициент поглощения), который измеряется в ваттах на килограмм. Эта величина определяет энергию электромагнитного поля, выделяющуюся в тканях за одну секунду. В Европе допустимое значение излучения составляет 2 Вт/кг. В США ограничения более жесткие: федеральная комиссия по связи (FCC) сертифицирует только те устройства, SAR которых не превышает 1,6 Вт/кг. Такой уровень излучения не приводит к существенному нагреванию тканей, утверждают специалисты финского Центра радиационной и ядерной безопасности. Как сообщалось ранее, проведенное в этом научном институте исследование показало, что уровень SAR у 28 протестированных моделей сотовых телефонов находится в пределах от 0,45 до 1,12 Вт/кг. Опасения, что технология беспроводной связи Wi-Fi опасна для человеческого здоровья, не имеют под собой ни малейших оснований, заявили исследователи. Как оказалось, уровень излучения, испускаемый устройствами Wi-Fi, в 600 раз ниже допустимых норм радиомагнитного излучения. Так что Wi-Fi оказывается куда менее вредной для человека технологией, чем, к примеру, мобильная связь. Исследование было инициировано заявлениями Уильяма Стюарта (Sir William Stewart), главы британского Агентства по охране здоровья (Health Protection Agency). Он заявил о существовании свидетельств, что даже слабые источники излучения, такие как мобильные телефоны и устройства Wi-Fi, вызывали изменения здоровья. В частности, по данным Агентства, человек, использующий спот Wi-Fi в течение года, получает примерно такую же долю облучения, как и тот, кто 20 минут разговаривает по мобильному телефону. По словам профессора физиологии Малкольма Сперрина (Malcolm Sperrin), несмотря на то, что излучение, которое испускают Wi-Fi-устройства, имеет ту же длину волны, что и микроволновые печи, мощность обычного источника Wi-Fi в 100 тыс. раз ниже, чем мощность обыкновенной микроволновой печи. Тем не менее, подчеркивает эксперт, ткани человеческого тела, которые расположены в непосредственной близости от источника Wi-Fiизлучения, могут его поглощать, и на этот счет существуют специальные инструкции, которые прилагаются к компьютеру. [11] Преимущества Wi-Fi:  Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.  Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.  Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.  Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на два порядка (в 100 раз) меньше, чем у сотового телефона.  Wi-Fi сети поддерживают роуминг, поэтому клиентская станция может перемещаться в пространстве, переходя от одной точки доступа к другой.  Wi-Fi - это набор глобальных стандартов. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру. Недостатки Wi-Fi:       Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Беларусь и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений. В России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ (эффективной изотропно излучаемой мощностью), превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации. Самый популярный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (изза слабой стойкости алгоритма). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. Высокое, по сравнению с другими стандартами, потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей. Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичная домашняя WiFi точка доступа стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 90 м снаружи. Расстояние зависит также от частоты. Wi-Fi в диапазоне 2.4 ГГц работает дальше, чем Wi-Fi в диапазоне 5 ГГц. Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних каналах может помешать доступу к открытой точке доступа. Эта проблема может возникнуть при большой плотности точек доступа, например, в больших многоквартирных домах, где многие жильцы ставят свои точки доступа Wi-Fi. 1.4 Организация и планирование беспроводной сети Рассмотрим организацию офисной сети на примере технологии Wi-Fi с помощью оборудования компании D-link [13]. Простая беспроводная сеть для небольшого офиса или домашнего использования (Small Office Home Office — SOHO) может быть построена на основе одной точки доступа (рисунок 1.2). Рисунок 1.2 – Офисная сеть Для организации сети адаптеры переводятся в режим инфраструктуры, а точка доступа — в режим точки доступа. При этом создается одна зона обслуживания, в которой находятся все пользователи сети. При размещении точки доступа при организации малой сети следует обеспечить достаточное качество связи на всех рабочих местах, а также удобство в размещении самой точки. Типовое решение — закрепить точку доступа непосредственно на фальш-потолке, при этом провода электропитания и проводной сети будут проходить над фальш-потолком либо в коробах. Необходимо иметь в виду, что при расширении сети и при увеличении количества пользователей скорость связи будет падать (пропорционально числу пользователей). Наибольшее разумное количество пользователей обычно составляет 16-20. Помимо этого, скорость и качество связи зависят и от расстояния между клиентом и точкой. Эти соображения могут потребовать расширения базовой сети. Для расширения сети можно использовать uplink-порт точки доступа. Он может использоваться как для объединения базовых зон обслуживания в сеть, так и для интеграции в имеющуюся проводную или беспроводную инфраструктуру, например, для обеспечения пользователей доступом к разделяемым ресурсам других подразделений или для подключения к сети Интернет. При расширении сети необходимо следить, чтобы частоты соседних точек доступа не перекрывались во избежание взаимных помех и снижения скорости передачи. Это достигается настройкой соседних точек на неперекрывающиеся по частоте каналы 1, 6 и 11. Чередуя каналы таким образом, что соседние точки с каналами 1, 6 и 11 окажутся в вершинах равностороннего треугольника, можно охватить беспроводной связью сколь угодно большую площадь без перекрытия частот (рисунок 1.3). На развертывание беспроводных сетей используемые приложения оказывают влияние по-разному. Наиболее важные факторы — это:  расчетная скорость в пересчете на одного клиента;  типы используемых приложений;  задержки в передаче данных. Рисунок 1.3 – Расширение беспроводной сети Расчетная скорость каждого клиента уменьшается с вводом в зону обслуживания новых клиентов. Следовательно, если дома или в офисе используются требовательные к скорости приложения (например, программа интернет-телефонии Skype), то необходимо увеличить количество точек доступа на единицу площади (рисунок 1.4) Рисунок 1.4 – Расширение беспроводной сети с максимальной скоростью Для определения границы действия точек доступа используется ноутбук с установленной программой Network Stumbler. Она показывает, на какой скорости будет работать адаптер в зависимости от удаления от точки доступа. По мере удаления скорость автоматически падает, и при достижении порогового уровня необходимо ставить новую точку. Объединение всех точек доступа в офисе в локальную сеть можно осуществить несколькими способами. Самым простым и распространённым способом организации является объединение через проводную инфраструктуру (рисунок 1.5) Рисунок 1.5 – Объединение точек доступа через проводную инфраструктуру В таком случае ставиться коммутатор, к которому подключаются точки доступа посредством витой пары через uplink-порт. Также к этому коммутатору можно подвести широкополосный Интернет. Преимуществом такого подключения является простота настройки зоны действия точек доступа на разные каналы, недостатком — прокладка проводов от точек доступа к коммутатору. Вторым способом подключения является подключение с использованием расширенного режима WDS (рисунок 1.6). Рисунок 1.6 – Объединение точек доступа с использованием расширенного режима WDS Одна точка доступа, которая имеет подключение к Интернету переводиться в мостовой режим WDS, остальные точки настраиваются на тот же канал, что и первая, и устанавливается режим WDS with АР. Использование такого способа нежелательно, т.к. все точки работают на одном канале, и при достаточно большом их количестве резко уменьшается скорость. Рекомендуется устанавливать не более 2-3 точек. Третий способ подключения аналогичен предыдущему, но дополнительно к каждой точке доступа через проводной интерфейс подключена ещё одна точка, работающая на другом канале, для организации связи в одной комнате (рисунок 1.7). Рисунок 1.7 – Объединение точек доступа с дополнительными точками Здесь переводятся те точки доступа в режим WDS, которые будут связаны с первой, а остальные — через проводные интерфейсы подключаются к ним. Они должны работать в режиме точки доступа и на других каналах, чтобы не было коллизий. Преимуществом такого способа подключения является полной отсутствие проводной инфраструктуры (за исключением связи между соседними точками), недостатком — большая стоимость, в связи с большим количеством точек доступа и использование одного канала для связи с базовой точкой. Чтобы пользователь мог передвигаться от одной точки доступа к другой без потери доступа к сетевым службам и разрыва соединения во всем оборудовании компании D-Link есть функция роуминга. Роуминг — это возможность радиоустройства перемешаться за пределы действия базовой станции и, находясь в зоне действия «гостевой» станции, иметь доступ к «домашней» сети (рисунок 1.8). Рисунок 1.8 – Роуминг При его организации все точки доступа, обеспечивающие роуминг, конфигурируются на использование одинакового идентификатора зоны обслуживания (SSID). Все точки доступа относятся к одному широковещательному домену, или одному домену роуминга. Механизм определения момента времени, когда необходимо начать процесс роуминга, не определен в стандарте 802.11, и, таким образом, оставлен на усмотрение поставщиков оборудования. Наиболее простой широко распространенный алгоритм переключения заключается в том, что адаптер взаимодействует с одной точкой вплоть до момента, когда уровень сигнала не упадет ниже допустимого уровня. После этого осуществляется поиск точки доступа с одинаковым SSID и максимальным уровнем сигнала, и переподключение к ней. Роуминг включает значительно больше процессов, чем необходимо для поиска точки доступа, с которой можно связаться. Опишем некоторые из задач, которые должны решаться в ходе роуминга на канальном уровне:  предыдущая точка доступа должна определить, что клиент уходит из ее области действия;  предыдущая точка доступа должна буферизовать данные, предназначенные для клиента, осуществляющего роуминг;  новая точка доступа должна показать предыдущей, что клиент успешно переместился в ее зону;  предыдущая точка доступа должна послать буферизованные данные новой точке доступа;  предыдущая точка доступа должна определить, что клиент покинул ее зону действия;  точка доступа должна обновить таблицы MAC-адресов на коммутаторах инфраструктуры, чтобы избежать потери данных перемещающегося клиента. [13] 1.5 Методика расчета зоны обслуживания внутри помещения Проблеме распространения радиоволн внутри зданий и помещений последнее время уделяется большое внимание. Это связано, прежде всего, с созданием локальных информационных сетей, а также с необходимостью обеспечения надежной радиосвязью сотрудников предприятий, учреждений с целью оперативного управления и обеспечения безопасности. Наличие внутри здания стен, перегородок, мебели, радиоэлектронной аппаратуры, людей и других объектов создает сложную среду распространения радиоволн. Условия распространения радиоволн внутри помещений существенно отличаются от условий распространения радиоволн в свободном пространстве. Поэтому при организации беспроводной локальной сети необходимо учитывать особенности окружающей среды. На качество и дальность работы связи влияет множество физических факторов: число стен, перекрытий и других объектов, через которые должен пройти сигнал. Обычно расстояние зависит от типа материалов и радиочастотного шума, от других электроприборов в вашем помещении. Для увеличения проникаемости надо следовать базовым принципам: 1. Сократить число стен и перекрытий между абонентами беспроводной сети – каждая стена и перекрытие отнимает от максимального радиуса от 1м до 25м. Расположить точки доступа и абонентов сети так чтобы количество преград между ними было минимально. 2. Проверить угол между точками доступа и абонентами сети. Стена толщиной 0,5 м, при угле в 45 градусов, для радиоволны становиться как 1 м стена. При угле в 2 градуса стена становиться преградой толщиной в 12 м! Надо стараться расположить абонентов сети так, чтобы сигнал проходил под углом в 90 градусов к перекрытиям или стенам. 3. Строительные материалы влияют на прохождение сигнала по-разному – целиком металлические двери или алюминиевая облицовка негативно сказываются на прохождении радиоволн. Желательно, чтобы между абонентами сети не находились металлические или железобетонные препятствия. Наличие капитальных стен (бетон+арматура), штукатурки на стенах и т.п. также влияет на качество радиосигнала и может значительно ухудшать работу устройств. Внутри помещения причиной помех радиосигнала могут являться и зеркала, и тонированные окна. Ниже представлена таблица потерь энергии сигнала при прохождении через различные среды (таблица 1.4). Таблица 1.4 – Потери энергии сигнала при прохождении через различные среды Препятствие Дополнительные Эффективное расстояние* потери (дБ) Открытое пространство 100% Окно без тонировки 3 70% (отсутствует металлизированное покрытие) Окно с тонировкой 5-8 50% (металлизированное покрытие) Деревянная стена 10 30% Межкомнатная стена (кирпич) 15-20 15% (15 см) Несущая стена (железобетон) 20-25 10% (39 см) Бетонный пол/потолок 15-25 10-15% * Эффективное расстояние - означает, насколько уменьшится радиус действия после прохождения соответствующего препятствия по сравнению с открытым пространством. [14] 4. С помощью программного обеспечения проверки мощности сигнала надо позиционировать антенну на лучший прием. 5. Удалить от абонентов беспроводных сетей, по крайней мере, на 1-2 метра электроприборы, генерирующие радиопомехи, микроволновые печи, мониторы, электромоторы, ИБП. Для уменьшения помех эти приборы должны быть надежно заземлены. 6. Если используются беспроводные телефоны стандарта 2.4 ГГц или оборудование Х-10 (например, системы сигнализации), качество беспроводной связи может заметно ухудшиться или прерваться. Для типичного жилья расстояние связи не представляет особой проблемы. Если обнаружена неуверенная связь в пределах дома, то надо расположить точку доступа между комнатами, которые надо связать беспроводной связью. Для обнаружения точек доступа, попадающих в зону действия беспроводной сети и определения каналов, на которых они работают, можно использовать программу Network Stumbler (http://www.stumbler.net/). С ее помощью можно также оценить соотношение сигнал/шум на выбранных каналах. [13] На частотах свыше 200 МГц можно пренебречь зависимостью затухания от материала препятствия. Большинство моделей, используемых для расчетов радиотрасс, расположенных внутри зданий, основано на формуле, описывающей распространение радиоволн в свободном пространстве: ,дБ (1.1) где Рс.вх - мощность сигнала на входе приемника, дБм; Рпд - мощность сигнала на выходе передатчика, дБм; Gпд, Gnp - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, дБ; апд, апр - потери в антенно-фидерном тракте, дБ; L0 - потери сигнала в свободном пространстве, дБ. (1.2) где R0 – длина трассы прямой видимости, м. Однако наличие стен, пола, мебели, людей и других объектов оказывает существенное влияние на характер распространения радиоволн. Многообразие условий приводит к необходимости использовать некоторые эмпирические модели, основанные на многочисленных экспериментах по исследованию условий распространения радиоволн внутри помещений. В настоящее время существует несколько моделей для описания условий распространения радиоволн внутри помещений, их делят на 3 группы: 1. Статистические модели, не требующие подробной информации о здании кроме общего описания его типа: производственное здание, гостиница, больница, торговый центр, здание старой постройки и т.п.; 2. Эмпирические одно- или многолучевые модели, основанные на анализе одного или нескольких лучей, соединяющих передающую и приемную антенны, для оценки уровня принимаемого сигнала; 3. Лучевые модели, в которых используется квазиоптическое представление процессов распространения сигналов, и учитываются отражения от стен помещения и дифракция на углах. В моделях 1-й группы потери распространения сигнала имеют зависимость от расстояния между передатчиком и приемником R вида: , дБ (1.3) где Lдоп – дополнительные потери с учетом перекрытий, дБ; L0 – потери в свободном пространстве, дБ. , дБ (1.4) Значение n зависит от расстояния: при R≈10 м – n=2, при 1040м – n=12. Увеличение значения n с ростом расстояния, связано с увеличением числа стен, отделяющих приемную антенну от передающей [14]. Зная метод оценки потерь энергии сигнала, можно определить такое расстояние между приемной и передающей антенной, при котором будет выполняться условие: , (1.5) Т.е. мощность сигнала приемника должна быть сравнима с чувствительностью. Некоторые значения этого параметра приведены в таблице 1.1 и 1.2 1.6 Пример расчёта зоны обслуживания точки доступа Wi-Fi в офисном помещении Для оценки возможной зоны обслуживания точки Wi-Fi , рассмотрим конкретное оборудование фирмы D-link, а именно беспроводную точку доступа DAP-1360. Рисунок 1.9 – Беспроводная точка доступа DAP-1360 Подключение беспроводной точки DAP-1360 к широкополосному модему позволяет организовать совместный беспроводной доступ пользователей к Интернет. Устройство работает на основе стандарта 802.11n, обеспечивая скорость в 14 раз большую и в 6 раз увеличенный радиус действия, остается при этом совместимым с устройствами стандарта 802.11g и 802.11b. Использование DAP-1360 позволяет осуществить поиск информации в Интернет, проверять электронную почту, общаться в чатах с семьей и друзьями в режиме онлайн, обеспечивая более высокую скорость беспроводной сети. Для иллюстрации расчётов рассмотрим офисное помещение, план которого приведён на рисунке 1.10. Рисунок 1.10 – План офисного помещения Рисунок 1.11 – Выдержка из экспликации Итак, данная точка доступа имеет следующие характеристики (стандарт 802.11g): - 2 съемные всенаправленные антенны с коэффициентом усиления 2 дБ; - уровень мощности передатчика 15 дБм; - чувствительность приемника -83 дБм (т.к. у нас 7 рабочих мест, считаем, что каждое рабочее место обеспечим скоростью 2 Мбит/с, т.е. необходимая скорость 14 Мбит/с на всех пользователей) Установим точку доступа в кладовой уборочного инвентаря (15) (рисунок 1.10). Посмотрим, выполняется ли соотношение (1.5) для каждого рабочего места. Учтем, что: - потери в антенно-фидерном тракте в помещении будут равны 0 дБ; - коэффициент усиления приемника (т.е. адаптера Wi-Fi) равен 0 дБ; Кабинет №3 Длина трассы прямой видимости, т.е. расстояние от точки доступа до рабочего места без преград, R0=8,25 м. Рассчитаем потери в свободном пространстве по формуле (1.2), для этого сначала найдем длину волны по формуле: ,м (1.6) где с=3·108 м/с – скорость света; f=2,4 ГГц – диапазон частот для работы сетей Wi-Fi. Следовательно: Используя таблицу 1.4, вычислим общие потери с учетом дополнительных потерь. При распространении до места сигнал преодолевает одну несущую стену и две межкомнатные двери (деревянные), значит: Теперь приемника: можно вычислить уровень мощности сигнала на входе Сравнивая полученное значение с допустимым уровнем мощности приемника, т.е. чувствительностью, можно сделать вывод о том, что нормы выполняются. -81,37 дБм > -83 дБм. Расчеты для остальных кабинетов сведем в таблицу 1.5. Исходя из полученных расчетов, вычислим критическое расстояние, при котором выполняется соотношение (3.5): , Тогда максимально допустимые потери должны быть: Найдем расстояние без преград, т.е. когда Lmax=L0. Выразим R0 из формулы (3.2): (1.7) Таким образом, мы получили максимальное расстояние в случае свободного пространства. Теперь рассчитаем расстояние, до которого уменьшится Rmax, учитывая имеющиеся преграды: где R1 – расстояние с учетом перекрытий, м. Выразим R1: (1.8) Найдем данное расстояние для каждого кабинета и занесем в таблицу 1.5. Таблица 1.5 – Расчет параметров связи в офисном помещении при использовании стандарта Wi-Fi Расстояние в свободном пространстве R0, м Потери в свободном пространств е L0, дБ Виды перекрытий Дополните льные потери Lдоп, дБ Уровень мощности сигнала на входе приемника Рс.вх, дБм -81,37 Расстояни е с учетом перекрыти й, если Lmax=100 дБ, R1, м 9,95 Кабинет №3 8,25 58,37 20+2·10= =40 Кабинет №4 8,515 58,65 Кабинет №5 11,27 61,08 Кабинет №11 8,253 58,37 Кабинет №12 Кабинет №14 Кабинет №16 3,144 50 3,013 49,62 0,786 37,95 1 несущая стена и2 межкомнатные двери 1 межкомнатная и 1 несущая стена под углом 1 несущая, 1 межкомнатная стена и 1 межкомнатная дверь 1 несущая и 2 межкомнатные стены 2 межкомнатные стены 1 межкомнатная стена 1 несущая стена 15+20·2= =55 -96,65 1,77 20+15+10= =45 -89,08 5,6 20+2·15= =50 -91,37 3,15 15·2=30 -63 31,47 15 -47,62 177 20 -40,95 99,52 Вывод: 1. В случае свободного пространства максимальное расстояние действия сигнала Rmax≈1 километров. 2. Для помещений подобного типа возможная дальность связи составляет до 177 метров при прохождении 1 межкомнатной стены, до 99,52 метров при прохождении 1 несущей стены, и далее она уменьшается при прохождении большего количества стен. 3. Если есть необходимость реализации связи на большие расстояния (как в случае кабинетов №4,5,11), можно использовать либо направленную антенну с большим коэффициентом усиления, либо установить несколько точек доступа. Контрольные вопросы по разделу Сети радиодоступа стандарты IEEE 802.11 (Wi-Fi): 1. Укажите диапазоны частот, отведённые для использования в стандарте IEEE 802.11. 2. Сформулируйте отличия стандартов IEEE 802.11 a, IEEE 802.11 b, IEEE 802.11 g, IEEE 802.11 n. 3. В чём отличия применения диапазонов частот 2,4 и 5 ГГц применяемых в стандартах IEEE 802.11. 4. Сформулируйте условие качественного приёма сигнала абонентским устройством от точки доступа. 5. Какие материалы/преграды оказывают наибольшее влияние на распространение сигнала внутри помещения. 6. Чем ограничивается число абонентских устройств, которые могут быть обслужены точкой доступа с известными параметрами. 7. Приведите примеры абонентских устройств, которые поддерживают стандарт IEEE 802.11 2 Сети широкополосного радиодоступа стандарта (WiMAX) IEEE 802.16 2.1 Технология широкополосного беспроводного доступа WiMAX Широкополосные радиосигналы активно используется в радиосвязи с начала 1990-х годов. Такие радиосигналы образуются на основе применения традиционной амплитудной или фазовой модуляции полезного сигнала с его одновременной модуляцией высокоскоростной случайной последовательностью импульсов (кодов), приводящей к расширению спектра радиосигнала и снижению его амплитуды до уровня шумов. Устройства, использующие такие радиосигналы, получили название широкополосных или шумоподобных систем. Важнейшим достоинством таких систем является высокая скорость передачи данных. Тем самым понятие широкополосности (broadband), с одной стороны, трактуется, как способность системы обеспечить высокую скорость передачи данных, необходимую для мультисервисного обслуживания (доступ в Интернет, передача данных, голоса, видео и др.). С другой стороны, системы широкополосного доступа используют сигнал с шириной спектра в несколько мегагерц, что и обеспечивает такую высокую скорость передачи данных.[1] В сетях WiMAX реализуются самые современные технологии радиосвязи, телекоммуникаций и компьютерных сетей. На канальном уровне используется современная технология множественного (многостанционного) доступа Time Division Multiple Access (TDMA). На сетевом (транспортном) уровне в сетях WiMAX используется IP протокол передачи данных, который широко используется в большинстве сетей передачи данных, в том числе, в сети Интернет. На физическом (радио) уровне стандарт IEEE 802.16 определяет применение широкополосного шумоподобного радиосигнала со схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM). Основные технические данные стандарта IEEE 802.16 приведены в таблице 2.1. Набор определенных свойств, которые выделяют данный стандарт, присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного применения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не удалось. Каждая из спецификаций WiMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. Таблица 2.1 - Основные технические данные стандартов 802.16 Стандарт Утвержден 802.16 Декабрь 2001 10-66ГГц Только прямая видимость 802.16d - 2004 Январь 2003 802.16e Январь 2006 2-11ГГц Возможность работы в непрямой видимости для абонентов ближней зоны Скорость, Мбит/с Модуляция 32.0-134.4 1.0-75.0 2-11ГГц Мобильные абоненты, непрямая видимость 1.0-75.0 Ширина полосы частот 20, 25, МГц Диапазон Условия работы Одна поднесущая QPSK, 16QAM, 64QAM,OFDMA 2048 (256QAM) поднесущих OFDM 256 поднесущих, OFDMA 2048 поднесущих 28 От 1,25 до 20 МГц От 1,25 до 20 МГц Краткие характеристики каждой из версий приведены ниже. 1. Стандарт 802.16, спецификация утверждена в 2001 году. В данном стандарте используется технология доставки сигнала с одной несущей в пределах условий прямой видимости. Особенность частотного диапазона вынуждает устанавливать на базовой станции несколько антенн, покрывающих различные секторы. Если абонент находится близко от базовой станции, применяется схема QAM-64 (6 бит на бод - 150 Мбит/c). В случае среднего удаления используется QAM-16 (4 бита на бод - 100 Мбит/с). В области предельных удалений применяется QPSK (2бита на бод - 50 Мбит/c). 2. Стандарт 802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX), спецификация утверждена в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL. 3. Стандарт 802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX), спецификация утверждена в 2005 году. Это — новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3; 2,5; 3,4–3,8 ГГц. Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения [15]. Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 200 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей. Представленные варианты одной технологии неизбежно ставят потенциального клиента перед проблемой выбора, который, в свою очередь, зависит от множества факторов и должен осуществляться индивидуально в каждом конкретном случае. WiMAX обеспечивает беспроводный доступ к сети в радиусе 50 километров. Увеличение радиуса действия достигнуто за счет выбора определенного диапазона частот и повышения мощности передатчика. Разумеется, на таких расстояниях при определенных обстоятельствах топография местности, погодные условия и большие дома будут способствовать сокращению максимального радиуса действия, однако система обладает потенциалом для обслуживания больших территорий. В нашей стране с 2006 г. постановлением ГКРЧ (Государственной комиссии по радиочастотам) четко регламентируются требования к РЭС в части радиуса зоны действия и максимальной мощности. Эти данные приводятся в приложениях 1 — 3 решения ГКРЧ от 28.11.05 № 05-10-01-001. В таблице 2.2 даны выдержки из приложений в части ограничения максимального радиуса зоны обслуживания базовых станций при работе в режиме точка-многоточка, актуального для сетей городского фиксированного доступа [16]. Таблица 2.2 - Выдержки из требований ГКРЧ Максимальный радиус зоны обслуживания БС для различной Частотный категории заявленной территории, на которой планируется диапазон, развертывание сети фиксированного беспроводного доступа, МГц км категория I категория II категория категория IV (города с (города с III (города с (территория РФ численность численностью численность за исключением ю населения населения от ю населения городов с более 1 250 тыс.чел. от 100 численностью млн.чел) до 1 млн. чел.) тыс.чел. до населения 250 тыс. более 100 чел.) тыс.чел.) 2400-2483,5 0,5 4 10 20 3400-3450, 3 5 10 20 3500-3550 5725-6425 3 5 10 20 Это означает, что:  для полного радиопокрытия системой WiMAX среднего российского города (категория II) понадобится не менее 4 — 5 базовых станций;  вне городов и в небольших поселках радиус действия систем в 20 км позволит охватить более широкую территорию и обеспечить доставку трафика в удаленные районы. Меньший радиус действия предполагает большее количество операторов беспроводного доступа на единицу площади города. Также следует иметь в виду, что в некоторых регионах нашей страны часть диапазона 3,5 ГГц, выделенного под WiMAX, занята действующими системами РРЛ и спутниковой связи. [8] 2.2 Технологические основы формирования стандартов WiMAX Одним из последних достижений в области широкополосных радиотехнологий, также используемых в сетях WiMAX, является применение квадратурно-амплитудной модуляции QAM c множеством поднесущих и различными скоростями сверточного кодирования (1/2 и 3/4). Для модуляции 64QAM 3/4, таких поднесущих 256. Это означает, что полезная информация передается одновременно 256 узкополосными сигналами, в сумме образующими широкополосный радиосигнал. Применение радиосигнала с множеством поднесущих позволяет обеспечить высокую скорость передачи данных, которая может и в дальнейшем повышаться путем увеличения количества поднесущих. Системы мобильного WiMAX имеют до 2048 поднесущих, что обеспечивает передачу данных с высочайшей недостижимой для другим систем скоростью. Технология широкополосной связи, в том числе с использованием QAM модуляции, в принципе, не является абсолютно новой и широко применяется в системах широкополосного беспроводного доступа Wi-Fi, широкополосного проводного доступа DSL, GPS навигации, цифровом проводном, эфирном и спутниковом телевидении, мобильной связи третьего поколения, и др. Применение данной современной технологии также в сетях WiMAX обеспечивает высокое качество и надежность коммуникаций, устойчивость к помехам и погодным условиям. Кроме того, использование в сетях WiMAX модуляции QAM c множеством поднесущих, обеспечивает способность работать вне прямой (оптической) видимости на отраженном радиосигнале. Данное очень важное для беспроводных сетей свойство имеет место вследствие устойчивости радиосигнала с множеством поднесущих к интерференции от многолучевого распространения. Это позволяет мобильным сетям WiMAX обеспечить высокое качество связи в самых сложных условиях городской застройки, где узкополосные системы мобильной связи, например GSM, испытывают значительные трудности вследствие интерференции от переотраженных радиосигналов. Имеется еще одно очень важное технологическое новшество, связанное с применением радиосигнала с множеством поднесущих, никогда ранее до появления сетей WiMAX не использовавшееся. Речь идет о так называемой технологии sub-channelization, когда абонентские устройства могут использовать для связи не все доступные в канале поднесущие, а только некоторую часть из них. При этом используемая часть поднесущих обеспечивают требуемую для абонента скорость передачи данных, и ширина полосы частот, необходимая для работы абонента, становится значительно меньше ширины канала с полным набором поднесущих. Уменьшение занимаемой полосы частот увеличивает максимальное количество одновременно обслуживаемых абонентов, позволяет усилить энергетические параметры радиосигнала (до 15 dBm на один абонентский подканал), а также повысить чувствительность приемника абонентского устройства. Тем самым сети WiMAX совмещают все достоинства широкополосных систем и имеют положительные свойства узкополосных систем, обеспечивающие большую дальность связи и эффективное использование частотного ресурса. Поддержка sub-channelization стала одним из важных аргументов обоснования возможности применения технологии WiMAX для мобильной связи нового поколения. Использование всего лишь нескольких поднесущих из всего спектра широкополосного сигнала позволяет применять мобильные WiMAX терминалы только для потребностей низкоскоростной телефонной связи. Повысить скорость связи для, например, доступа в Интернет или передачи мультимедийной информации можно увеличением количества обрабатываемых поднесущих путем динамического расширения полосы пропускания абонентского терминала. На канальном (MAC) уровне сети WiMAX используют Time Division Multiply Access (TDMA) протокол мультиплексирования каналов при множественном доступе к среде передачи данных. Данный протокол обеспечивает временное разделение каналов при доступе множества абонентов к ресурсам базовой станции. Поддержка TDMA является принципиальным отличием сетей WiMAX от сетей Wi-Fi, реализующих протокол множественного доступа Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Протокол случайного доcтупа (CSMA/CA) применяется в локальных проводных сетях Ethernet и беспроводных сетях Wireless LAN. Еще в середине 1990-х годов протокол TDMA в рамках европейского стандарта HyperLAN предлагался к использованию в сетях WLAN, однако тогда для применения в Wi-Fi устройствах победил более простой в реализации протокол CSMA/CA американского стандарта IEEE 802.11b. Оказалось, что для беспроводных офисных и домашних сетей малого радиуса действия более эффективно использование протокола случайного доступа этого стандарта. А вот для беспроводных сетей большого радиуса действия класса MAN, к которому относятся сети WiMAX, более эффективно использование протокола TDMA в рамках стандарта IEEE 802.16. Данный протокол обеспечивает эффективный беспроводный доступ к ресурсам базовой станции множества удаленных на большие расстояния абонентов [17]. Протокол TDMA давно и широко используется в системах мобильной связи и в некоторых системах беспроводного широкополосного доступа. Высокая эффективность сетей WiMAX достигается за счет совместного применения протокола TDMA на канальном уровне и модуляции QAM на физическом уровне. Данная комбинация двух эффективных технологий казалось бы, естественна, но до сих пор сдерживалась сложностью реализации и, как следствие, дороговизной оборудования. Именно стандарт IEEE 802.16 открыл дорогу появлению на рынке недорогих и эффективных WiMAX систем, реализующих все лучшие на сегодняшний день технологии беспроводного доступа. Следует отметить, что долгое время более эффективным, нежели протокол TDMA, считался протокол CDMA кодового разделения каналов при множественном доступе. Этот протокол нашел свое применение в одноименных сетях CDMA мобильной связи, а также в некоторых системах BWA. Действительно, с математической точки зрения разделение абонентских каналов по их коду более эффективная операция, нежели по любым другим параметрам радиосигнала. Однако оказалось, что реализация данного протокола доступа сопровождается сильной взаимной интерференцией между абонентскими каналами связи, которая может привести к деградации системы при увеличении количества обслуживаемых абонентов. Вообще проблема высокой взаимной межканальной и межсимвольной интерференции характерна для широкополосных систем. Применение в таких системах протокола доступа TDMA, разделяющего абонентские каналы по интервалам времени их обслуживания, значительно снижает такую интерференцию. Одним из важных свидетельств эффективности протокола TDMA является факт того, что в системах мобильной связи третьего поколения 3G, базирующихся на технологии CDMA, например,1xEVDO и HSPA для повышения энергетики радиосигнала и эффективности работы исходный базисный протокол кодового разделения CDMA для downlink канала заменен на протокол TDMA. При этом uplink канал таких систем по прежнему работает по протоколу кодового разделения CDMA, что является слабым местом технологии 3G. Сети мобильного WiMAX стандарта IEEE 802.16e-2005 помимо традиционного протокола мультиплексирования TDMA дополнительно используют возможности sub-channelization, когда разные группы абонентов используют разные подканалы со своим набором поднесущих OFDM радиосигнала. Данный способ мультиплексирования каналов получил название SOFDMA. Еще одним преимуществом использования протокола временного разделения TDMA является возможность использования так называемых интеллектуальных антенн. Эти антенны фактически представляют собой фазированные антенные решетки, способные синтезировать узкий (игольчатый) луч диаграммы направленности для каждого абонента в момент времени его обслуживания (приема-передачи тайм – слота). Применение данной технологии повышает мощность радиосигнала в downlink канале на 12 dB (uplink на 6 dB), что позволяет увеличивать дальность обслуживания абонентов на несколько километров, увеличивает скорость передачи данных путем повышения уровня модуляции, например с 16QAM на 64 QAM, снижает уровень межканальной интерференции. На сетевом уровне сети WiMAX используют IP протокол передачи данных. Данный протокол повсеместно используется в компьютерных сетях, и в том числе, в сети Интернет. Тем самым сеть WiMAX по своей сути является компьютерной сетью и предназначена для обмена данными между компьютерами. Любая другая информация, такая как голос, видео для передачи по сети WiMAX упаковывается в IP пакеты передачи данных. IP сеть в системах WiMAX является универсальной транспортной инфраструктурой для передачи всех видов информации- данных, голоса, видео и оказания соответствующих услуг. Тем самым системы WiMAX реализуют data centric модель построения сети [17]. Реализация данной модели и является ключевым отличием сетей WiMAX от любых других сетей. Именно реализация данной модели вместе с использованием самых последних технологических достижений и обеспечивает сетям WiMAX основные конкурентные преимущества в области широкополосного беспроводного доступа и мобильной связи. Преимущества data centric модели организации сети заключается в том, что транспортный IP уровень такой сети является своего рода стандартным интерфейсом между уровнем приложений, такими как, например, телефонная связь, телевизионное вещание и канальными и физическими уровнями сети, содержащими специфические особенности ее реализации, например, тип используемого протокола множественного доступа или обеспечения дуплекса, метод модуляции радиосигнала и др. Это означает, что сеть WiMAX принципиально может оказывать любой вид сервиса, реализуемый в компьютерных сетях. Дело только в одном - необходимо обеспечить реализацию этого сервиса, например, телефонную связь или телевидение на базе компьютера и в компьютерной сети. При этом любое изменение в способе реализации сети, например, изменение протокола доступа с целью повышения скорости передачи данных, не приводит к необходимости изменений на уровнях приложений. Данное замечательное свойство выгодно отличает WiMAX от других сетей, построенных по другим принципам. Например, сети мобильной связи 3G несмотря на использование на физическом и канальном уровне схожих с WiMAX радиотехнологий имеют в своей основе voice centric модель своего построения [17]. То есть эти сети изначально проектировались для организации преимущественно телефонной связи в отличие от WiMAX сетей, спроектированных для передачи данных. Известно, что 3G сети имеют более высокие скорости передачи данных по сравнению с сетями GSM за счет использования современной технологии широкополосной связи. Однако ресурсы повышения производительности таких сетей для, например, предоставления скоростного доступа в Интернет и оказания услуг мобильного телевидения ограничены вследствие неприспособленности voice centic модели сети для оказания отличных от передачи голоса сервисов. Приспособленность дата-центричной модели для оказания различных типов сервисов, таких как телефония и передача видео, не вызывает сомнений и подтверждается эффективной работой многих таких систем. Классическим примером является широкое распространение технологии Voice over IP (IP телефонии), реализующей протокол передачи голоса в компьютерных IP сетях. Нет сомнений, что в скором будущем IP телефония будет доминировать в проводной телефонной связи. Мобильная телефонная связь новых поколений, также как и проводная телефония, постепенно будет мигрировать в сторону IP телефонии. Тем самым мобильная связь рано или поздно станет мобильной IP связью. Следует отметить, что на сегодня мобильная связь как технология телефонной связи между мобильными абонентами практически исчерпала потенциал своего роста, поскольку практически все население развитых стран уже охвачено данной услугой и ее стоимость постоянно снижается. Поэтому основной источник дальнейшего развития мобильной связи и увеличения прибыли операторов является предоставление абонентам услуг передачи данных, доступа в Интернет, а также различных интерактивных мультимедийных услуг. Наиболее эффективный способ предоставления данных услуг базируется на использовании дата–центрической модели построения сети и реализации концепции Triple Play - передачи данных, голоса (Voice over IP) и видео (Video over IP) по единой сетевой IP инфраструктуре. Для реализации такого сценария развития мобильной связи как раз и наиболее подходит технология WiMAX. Одной из особенностей стандарта 802.16 является его адаптивность к внешним помеховым условиям. Система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени. Например, в идеальном по энергетике канале все поднесущие OFDM будут работать с модуляцией QAM64 и скоростью сверточного кодирования 3/4, обеспечивая максимальную скорость передачи 74,81 Мбит/с. В наихудших условиях передачи используются QPSK-модуляция для всех поднесущих и сверточное кодирование со скоростью 1/2. При этом скорость передачи составляет 1,04 Мбит/с. Всего протоколом предусмотрено семь различных комбинаций типов модуляции и скорости сверточного кодирования, в результате чего достигается требуемая помехоустойчивость протокола и большое разнообразие возможных скоростей передачи (Таблица 2.3 и Таблица 2.4) [18]. Таблица 2.3 – Способы формирования сигналов WiMAX Тип Скорость Количество Количество модуляции сверточного информационных информационных бит кодирования бит на символ в OFDM-символе. BPSK 1\2 0,5 88 QPSK 1\2 1 184 QPSK 3\4 1,5 280 QAM16 1\2 2 376 QAM16 3\4 3 568 QAM64 2\3 4 760 QAM64 3\4 4,5 856 Таблица 2.4 - Зависимость скорости передачи от ширины канала связи и типа модуляции. Модуляция QPSK QPSK QAM16 QAM16 QAM64 QAM64 Скорость 1\2 3\4 1\2 3\4 2\3 3\4 сверточного кодирования Ширина канала Скорость передачи, Мбит/с 1,75МГц 1,04 2,18 2,91 4,36 5,94 6,55 3,5МГц 2,08 4,37 5,82 8,73 11,88 13,09 7,0МГц 4,15 8,73 11,64 17,45 23,75 26,18 10МГц 8,31 12,47 16,63 24,94 33,25 37,40 20МГц 16,62 24,94 33,25 49,87 66,49 74,81 Так же, для систем WiMAX стандарт IEEE 802.16 определяет максимально допустимый уровень битовой ошибки (BER), равный BER=10 -6. Ниже приведен график зависимости уровня ошибки от отношения сигнал – шум (SNR). График позволяет определить отношение сигнал/шум, требуемое для обеспечения заданной вероятности ошибки [15]. Рисунок 2.1 - График зависимости уровня ошибки от отношения сигнал/шум 2.3 Архитектура сетей WiMAX IEEE 802.16 Базовая станция (BS — Base Station) размещается в здании или на вышке и осуществляет связь с абонентскими станциями (SS — Subscriber Station) по схеме ―точка – мультиточка (Point to Multipoint — PMP). Возможен сеточный режим связи, когда любые клиенты (абонентские станции) могут осуществлять связь между собой непосредственно, а антенные системы, как правило, являются ненаправленными. Базовая станция предоставляет соединение с основной сетью и радиоканалы к другим станциям. Радиус действия базовой станции может достигать 30 км (в случае прямой видимости) при типовом радиусе сети 6–8 км. Абонентская станция может быть радиотерминалом или повторителем, который используется для организации локального трафика. Трафик может проходить через несколько повторителей, прежде чем достигнет клиента. Антенны в этом случае являются направленными. Канал связи предполагает наличие двух направлений передачи: восходящий канал (АС – БС, uplink) и нисходящий (БС – АС, downlink). Эти два канала используют разные неперекрывающиеся частотные диапазоны при частотном дуплексе и различные интервалы времени при временном дуплексе. Простейший способ представления архитектуры сетей WiMAX заключается в их описании как совокупности базовых станций, которые располагаются на крышах высотных зданий или вышках, и клиентских приемопередатчиков (рисунок 2.2). Рисунок 2.2 - Схематичное изображение сети WiMAX Радиосеть обмена данными между базовой и абонентскими станциями работает в СВЧ-диапазоне от 2 до 11 ГГц. Такая сеть в идеальных условиях может обеспечить техническую скорость передачи информации до 75 Мбит/с и не требует того, чтобы базовая станция находилась на расстоянии прямой видимости от пользователя. В настоящее время в РФ выданы разрешения на полосы частот в соответствии с таблицей 2.2. Диапазон частот от 10 до 66 ГГц используется для установления соединения между соседними базовыми станциями при условии, что они располагаются в зоне прямой видимости друг от друга. Так как в городской среде это условие может оказаться невыполнимым, связь между базовыми станциями в большинстве случаев организуют посредством прокладки кабелей. При более детальном рассмотрении сеть WiMAX можно описать как совокупность беспроводного и базового (опорного) сегментов. Первый описывается в стандарте IEEE 802.16, второй определяется спецификациями WiMAX Forum. Базовый сегмент объединяет все аспекты, не относящиеся к абонентской радиосети, т. е. связь базовых станций друг с другом, связь с локальными сетями (в том числе, интернетом) и т. п. Базовый сегмент основывается на IP-протоколе и стандарте IEEE 802.3-2005 (Ethernet). Однако само описание архитектуры в части, не относящейся к беспроводной клиентской сети, содержится в документах WiMAX Forum, объединенных под общим названием ― Network Architecture [17]. Таблица 2.4 - Основные режимы для стандарта IEEE 802.16 в РФ Диапазон Разрешенные Общая ширина Тип частот, ГГц полосы частот, МГц выделенных полос, беспроводного МГц доступа 2500–2530 2560–2570 2,5 2620−2630 70 мобильный 2660−2670 2680−2690 3400−3450 3,5 100 фиксированный 3500−3550 5150−5350 5 5650−5725 975 фиксированный 5725−6425 В этих спецификациях к сетям WiMAX предъявляются такие требования, как независимость архитектуры от функций и структуры транспортной IP-сети. В то же время, должны обеспечиваться услуги, основанные на применении IP-протокола (SMS over IP, MMS, WAP и др.), а также мобильная телефония на основе VoIP и мультимедийные услуги. Обязательным является условие поддержки архитектурой протоколов IPv4 и IPv6. Сети WiMAX должны быть легко масштабируемыми и гибко изменяемыми и основываться на принципе декомпозиции (строиться на основе стандартных логических модулей, объединяемых через стандартные интерфейсы). Свойства масштабируемости и гибкости необходимо обеспечивать по таким эксплуатационным характеристикам, как плотность абонентов, географическая протяженность зоны покрытия, частотные диапазоны, топология сети, мобильность абонентов. Сети WiMAX должны поддерживать взаимодействие с другими беспроводными (3GPP, 3GPP2) или проводными (DSL) сетями. Большое значение имеет способность обеспечивать различные уровни качества обслуживания QoS [17]. На базе сотового принципа разрабатываются также пути построения оптимальной сети, огибающей крупные объекты (например, горные массивы), когда серия последовательных станций передаёт данные по эстафетному принципу. Подобные разработки планируется включить в следующую версию стандарта. Ожидается, что эти изменения позволят существенно поднять скорость. Рассмотрение принципов формирования сигналов в системе WiMAX, показало что возможно множество вариантов комбинаций таких параметров, как модуляция, кодирование, диапазон частот, полоса пропускания радиоканала.ю количество поднесущих и как следствие – скорость передачи. Задачей оператора является выбор оптимального варианта, отвечающего конкретным требованиям к проектируемой сети. Сеть Mobile WIMAX состоит из 2-х основных подсистем: ASN (Access Service Network) – сеть доступа и CSN (Connectivity Service Network) – сеть обеспечения услуг рисунок 2.3. Рисунок 2.3 - Структура сети связи стандарта WIMAX  SS/MS (Subscriber Station/Mobile Station) – абонентский терминал (станция);  ASN (Access Service Network) – сеть доступа;  CSN (Connectivity Service Network) – базовая (опорная) сеть;  ASP (Application Service Provider) Network – провайдер услуг (приложений);  NSP (Network Service Provider) – оператор-поставщик (провайдер) сетевых услуг;  NAP (Network Access Provider) – оператор (провайдер) сети доступа (сеть доступа WiMax). Для большей наглядности можно привести такой вариант (рисунок 2.4): Рисунок 2.4 - Организация стандарта связи WIMAX Согласно спецификациям WIMAX Forum определяется как набор функций, предоставляющих абонентам сети функции соединений. К основным функциям CSN относятся: - Распределение - адресов и параметров между пользователями сети; - Доступ к сети Internet; - Функции AAA; Контроль доступа абонентов в сеть, основанный на профилях пользователей; - Туннелирование между сетями ASN-CSN; - Биллинг и межоператорское взаимодействие; - Туннелирование между CSN и роуминг; - Мобильность между различными ASN, т.е. хэндовер между различными сетями доступа; - Обеспечение сервисов WIMAX, а именно определение местоположение, предоставление соединений типа "точка-точка", резервирование соединений и т.п.; В сеть СSN могут входить такие элементы как роутеры, AAA сервер, базы данных абонентов, устройства преобразования сигнализации. - AAA (Authentication, Authorization, Accounting) сервер – устройство обеспечения авторизации, аутентификации и аудита пользователей сети. Служит для контроля доступа абонентов в сеть, назначения ключей шифрования, регистрации параметров соединений. Кроме того, хранит профили качества обслуживания абонентов; - PF (Policy Function) – база данных содержащая сценарии выполнения приложений для различных услуг, предоставляемых сетью WIMAX; - HA (Home Agent) – элемент сети отвечающий за возможность роуминга; Отвечает за обмен данными между сетями разных операторов. Сеть ASN – это набор сетевых элементов, предназначенных для организации доступа абонентов WIMAX в сеть. ASN выполняет следующие основные функции: - Доступ абонентов в сеть по радиосоединению; - Передача ААА-сообщений между CSN и абонентским оборудованием для обеспечения функций аутентификации, авторизации и аудита соединений; Установление сигнальных соединений между и абонентским оборудованием; - Управление радиоресурсами; - Пейджинг, т.е. поиск абонентов в сети при поступлении входящего соединения; - Мобильность абонентов (управление хэндоверами); - Туннелирование между сетями ASN-CSN; В состав сети ASN входят 2 основных элемента: - BS (Base Station) – базовая станция. Основной задачей является установление, поддержание и разъединение радиосоединений. Кроме того, выполняет обработку сигнализации, распределения ресурсов среди абонентов. В отличии от сетей LTE, UMTS и GSM базовая станция сети WIMAX берет на себя большую часть функций сети абонентского доступа; - ASN Gateway – предназначен для объединения трафика и сообщений сигнализации от базовых станций и дальнейшей их передачи в сеть CSN. В одной ASN может быть несколько ASN Gateway. Причем к разным ASN Gateway могут быть подключены одни и те же BS для распределения нагрузки. ASN Gateway – это агрегатор нагрузки сети доступа; Сеть WiMAX по своей архитектуре строится подобно сотовой сети. По городу устанавливается сеть базовых станций (BS). Каждая базовая станция по схеме "точка-многоточка" может обслуживать с помощью всенаправленных антенн свою группу зданий в радиусе 6—8 км, образуя подобие ячейки сот. 2.4 Оборудование Базовых и Абонентских станций На выбор варианта сети WiMAX влияют бизнес-стратегия оператора, тип целевой аудитории, доступный частотный диапазон, ширина выделенных радиоканалов, особенности лицензирования и регулирования услуг связи. Архитектура создаваемой сети и возможности стандарта, положенного в ее основу, должны соответствовать стратегии бизнеса оператора. Если его целевой аудиторией являются корпоративные или домашние абоненты, которые могут установить внешнюю антенну и не нуждаются в мобильности, то правильный выбор — стандарт 802.16d. Если же значительной части клиентов требуется мобильность, то более подходящим окажется 802.16e. В большинстве случаев операторы широкополосного беспроводного доступа (ШБД) не могут использовать установленный диапазон по своему усмотрению и вынуждены довольствоваться полосами частот, определяемыми регулятором. Для каждого из рассмотренных выше стандартов WiMAX существует свой тип оборудования базовых и абонентских станций. Для детального исследования, рассмотрим оборудование базовых и абонентских станций AirSpan.MAX (AS.MAX), компании Airspan Networks Inc., которая является ведущим мировым производителем систем широкополосного радиодоступа [6]. 2.4.1 Базовые станции AS.MAX Линейка AS.MAX включает три типа базовых станций: HiperMAX и MacroMAX – для максимальной плотности покрытия, в том числе и вне прямой видимости (в помещениях). Позволяют широко использовать портативные абонентские устройства; MicroMAX – Оптимальная зона обслуживания при использовании стационарных абонентских комплектов. Позволяет использовать портативные абонентские устройства, удобна для организации хот-спотов. Основные технические характеристики базовых станций AS.MAX приведены в Таблице 2.5 [7]. Таблица 2.5 – Технические характеристики базовых станций AS.MAX. Характеристика Стандарты Физический уровень Частотные диапазоны Ширина полосы Количество поднесущих Диаграмма направленности антенны одного сектора Модуляция Поддерживаемы е WiMAX профили HiperMAX MacroMAX IEEE 802.16e-2005 IEEE 802.16e2005 OFDM (программно расширяемая до SOFDMA) OFDM (базируется на технологии SDR) OFDM (в будущем будет поддерживать SOFDMA) 3.4-3.6ГГц 3.3-3.8ГГц, 5.8ГГц 1.75МГц, 3.5МГц 1.75МГц, 3.5МГц, 5МГц, 10МГц 256 (в будущих версиях будет поддерживать 512 и 1024) 3.3-3.8ГГц, 2.3-2.7ГГц, 4.9-5.0ГГц 1.75МГц, 3.5МГц, 5МГц, 10МГц MicroMAX IEEE 802.16-2004 (будущие версии будут поддерживать IEEE 802.16e) 256 (программно расширяемая до 512 и 1024) 256 60°, 90°, 120°, 180°, 360° 60°, 90°, 120°, 180°, 360° 60° + другие в зависимости от внешней антенны 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK 64QAM , 16QAM, QPSK, BPSK 64QAM , 16QAM, QPSK, BPSK Фиксированный WiMAX Фиксированный WiMAX (будущие версии будут расширяемыми до мобильного WiMAX) Фиксированный WiMAX (расширяемый до мобильного WiMAX) Подержка мобильности Мощность передатчика Чувствительност ь приемника Расширение до мобильного WiMAX Нет Будущие версии будут расширяемыми до мобильного WiMAX до 40дБм на сектор до 38дБм на антенну 28дБм -115дБм -115 дБм -115 дБм MicroMAX разработана для обслуживания сетей общего доступа с малой плотностью абонентов. MicroMAX состоит из двух основных компонентов: радиочастотных модулей внешнего исполнения (BSR) и внутреннего блока распределения (BSDU). Внутренний модуль имеет исполнение 19" или настольное. MicroMAX может включать до 12 модулей BSR при максимальном использовании частотного спектра. В базовой станции реализованы все IEEE 802.16 классы QoS, а также поддержка 802.1q/p VLAN. Структурная схема работы сети беспроводного доступа на основе базовой станции MicroMAX приведена на рисунке 2.5 Рисунок 2.5 – Структурная схема работы сети беспроводного доступа на основе базовой станции MicroMAX Базовая станция MacroMAX также предназначена для построения крупных сетей радиодоступа. Отличием MacroMAX является внутреннее исполнение радиочастотных модулей, подключаемых с помощью фидеров к внешней антенной системе. Система использует 4 пары радиочастотных каналов и, соответственно, требует установки 8 антенн и 8 кабелей в расчете на одну базовую станцию. На каждый сектор ставится свой модуль в стойку 19". Для объединения нескольких секторов необходимо использовать коммутатор. Также как и HiperMAX, MacroMAX поддерживает передачу как традиционных TDM голосовых приложений, так и VoIP трафика с подключением к телефонной сети общего доступа. Рисунок 2.6 – Структурная схема работы сети беспроводного доступа на основе базовой станции MacroMAX Базовая станция HiperMAX рассчитана на построение крупных сетей радиодоступа. Эта базовая станция обладают высокой масштабируемостью, содержит средства полного резервирования и обеспечивает одновременную поддержку 256 FFT OFDM и SOFDMA PHY технологий по MAC и PHY сетевым уровням. Внутренняя часть имеет исполнение 19” и 14 слотов для установки различных модулей. В HiperMAX все радиочастотные модули имеют внешнее исполнение. При этом линия связи между внутренним и внешним модулями благодаря использованию оптического кабеля может иметь протяженность до 3 км. Рисунок 2.7 – Структурная схема работы сети беспроводного доступа на основе базовой станции HiperMAX 2.4.2 Абонентские станции AS.MAX Основные технические характеристики абонентских станций AS.MAX приведены в Таблице 2.6. Таблица 2.6 – Технические характеристики абонентских станций AS.MAX EasyST Абонентская станция ProST MiMAX USB OFDM OFDM SOFDMA Частотный диапазон 3.3-3.8ГГц, 4.95.0ГГц, 2.3-2.4ГГц + дополнительные диапазоны WiMAX Ширина полосы 1.75МГц, 3.5МГц, 5МГц, 10МГц 3.3-3.8ГГц, 5.25.8ГГц, 4.9-5.0ГГц, 2.3-2.4ГГц + дополнительные диапазоны WiMAX 1.75МГц, 3.5МГц, 5МГц, 10МГц Количество поднесущих 256 256 512/1024 64QAM , 16QAM, QPSK, BPSK Фиксированный WIMAX 64QAM , 16QAM, QPSK, BPSK Фиксированный WIMAX 64QAM , 16QAM, QPSK, BPSK 8,5 дБ 27 дБ 22 дБ +24дБм +23дБм +20дБм -103дБм -103дБм -95дБм Характеристика Физический уровень Внешний вид абонентского терминала Модуляции Поддерживаемый WiMAX профили Коэффициент усиления антенны Мощность передатчика Чувствительност ь приемника 2.3-2.4ГГц, 2.52.7ГГц, 3.3-3.7ГГц, 4.9-5.4ГГц 3.5/5/7/8.75/10МГц конфигурируемая Мобильный WiMAX Абонентский терминал EasyST . EasyST - абонентский блок внутреннего исполнения, устанавливаемый самостоятельно пользователями менее чем за минуту. При размерах CD диска и оригинальном исполнении EasyST может располагаться в офисных помещениях и домашних условиях. Устройство построено на основе процессора Intel 802.16 ProWireless 5116 и рассчитано на передачу голосовых приложений и данных с гарантированным качеством услуг. Дополнительно EasyST может включать точку доступа IEEE 802.11b/g, а также VoIP шлюз с 4 интерфейсами RJ11. Преимущества абонентских терминалов EasyST: полностью Non-LOS – развертывание (256 OFDM (+ 16e SOFDMA в 2006)); встроенная 8dBi, 4 x 90° "всенаправленная" антенна; Пропускная способность радиоканала - до 37.5Mbit/s (Gross); До +24dBm выходной мощности (в 3.5 ГГц) (полная поддержка подканалов (от 1/2 до 1/16)). Абонентский терминал ProST. ProST - абонентский блок комбинированного исполнения (внутреннего и наружного), требующий квалифицированной установки у абонента. Пользователю ProST предоставляются следующие варианты услуг: 1-4 портовый Ethernet коммутатор, 4 порта с VLAN коммутацией, интегрированная точка доступа 802.11b/g, E1/T1 + Ethernet порты. Радиочастотный блок внешнего исполнения содержит встроенную антенну, а также позволяет подключать внешнюю антенну для оптимизации характеристик соединения. Преимущества абонентских терминалов ProST: множество поддерживаемых интерфейсов (простой Ethernet, многопортовые Switch и Hubs, Е1/Т1, VoIP и Wi-Fi), разработан для быстрой уличной установки (увеличенная зона обслуживания), объединенные возможности WiMAX / Wi-Fi. Компания Airspan заняла лидирующие позиции в мире, объявив о создании MiMAX USB - первом Wave 2 Mobile WiMAX USB-устройстве, использующем четыре частотных диапазона (Quadband). MiMAX USB является первым устройством в серии MIMO (система со многими входами-выходами) Mobile WiMAX. Оно подключается к компьютеру через устройство MiMAX Finder, которое имеет встроенный аккумулятор. Позже станут доступны и другие аксессуары - внешние антенные док-станции, шлюзы Wi-Fi и VoIP Home. MiMAX USB отвечает стандарту PnP и может быть использовано с любыми USB 2.0 совместимыми устройствами, включая ноутбуки, ультрамобильные и стационарные ПК. USB интерфейс гарантирует хорошую совместимость с ПК, использующими операционную систему Mac или Windows. MiMAX USB обеспечивает хорошую производительность за счет антенны с коэффициентом усиления 22dBm, в то время как максимальная пропускная способность составляет 33Мбит/с (в канале TDD 10МГц и включенным MIMO Matrix B). Для обеспечения международного и национального роуминга используется четыре частотных диапазона, при этом MiMAX USB отвечает стандартам функционирования для WiMAX индустрии. Дополнительный блок MiMAX Finder с автономным источником питания позволяет определить наличие WiMAX покрытия без включения ПК. Также он выступает в качестве настольного разъема, гарантируя отсутствие помех, сопряженных с работой карт прямого подключения (например, PCMCIA и PC Express). Преимущества абонентских терминалов MiMAX USB: максимальная пропускная способность составляет 33Мбит/с; поддержка международного и национального роуминга благодаря использованию четырех частотных диапазонов; поддержка SOFDMA; 3 TDD канала (5, 7, 8.75 и 10 МГц). Примеры включения в сеть абонентских устройств также представлены на Рисунках 2.3, 2.4 и 2.5. [7] Ключевым достоинством оборудования сетей WiMAX является совместимость оборудования стандарта IEEE 802.16 от разных производителей, подтверждаемая сертификацией WiMAX форума. Разумеется, работа мобильных сетей WiMAX имеет смысл только при наличии совместимости базовых станций мобильной связи с абонентскими терминалами разных производителей. Для сетей WiMAX фиксированного доступа совместимость обеспечивает защиту инвестиций оператора связи в оборудование того или иного производителя. И наконец, важнейшим следствием стандартизации и совместимости является достижение приемлемой (низкой) стоимости абонентских терминалов, что имеет решающее значение в рыночной перспективе как фиксированных та и мобильных сетей WiMAX. 2.4.3 Реальная чувствительность приёмника WiMAX Как видно из таблиц 2.5 и 2.6, производитель даёт одно значение чувствительности приёмника, не оговаривая метод передачи информации, применяемый в каждом конкретном случае (тип модуляции и помехоустойчивого кодирования). Однако, как следует из рисунка 2.1, выбранный метод модуляции и кодирования определяет не только скорость передачи информации в рабочей полосе частот, но и потенциальную и реальную помехоустойчивость системы радиосвязи. Пороговый уровень чувствительности приемника с заданным видом модуляции РПРМ можно определить по формуле: РПРМ = No + SNR +10 lg (BWэф)+ Nf + Implementation Loss, дБм (2.1) где N0 = -144 дБ, – спектральная плотность мощности теплового шума приемника; SNR – требуемый уровень отношения сигнал шум для заданного вида модуляции, определяемое по рисунку 2.1, для коэффициента ошибок 10-6; Nf – значение собственного (внутреннего) шума приемника равное 5 дБ для фиксированного WiMAX и 8дБ для мобильного WiMAX; Implementation loss – эта величина отражает так называемые потери реализации, учитывающие не идеальность приемника, ошибки квантования, фазовый шум и принимается равной 5дБ; BWэф – эффективная ширина спектра группового OFDM сигнала. Эта величина пропорциональна количеству используемых поднесущих в спектре группового сигнала. За счет наличия защитного интервала между поднесущими эффективная ширина спектра OFDM сигнала несколько больше ширины канала BW. Значение BWэф обычно составляет 1,15 от величины BW, которая в свою очередь может быть от 1,75 до 20 МГц (таблица 2.4) Так, для канала шириной 10 МГц величина BWэф= 11.5 МГц, а значение 10lg(BWэфf)=10,61 дБ. Далее приведены примеры расчёта чувствительности приёмника для различных способов формирования радиосигнала в полосе частот 10 МГц. Пороговый уровень чувствительности приемника для модуляции 64QAM3/4: РПРМ = -144+21+10,61+5+5=-102,39 дБВт=-72,39 дБм Пороговый уровень чувствительности приемника для модуляции QPSK3/4: РПРМ = -144+8,5+10,61+5+5=-114,89 дБВт=-84,89 дБм Пороговый уровень чувствительности приемника для модуляции 16QAM3/4: РПРМ = -144+15+10,61+5+5=-108,39 дБВт=-78,39 дБм Именно такие реальные значения и нужно использовать при оценке возможного радиуса зоны обслуживания. 2.5 Методика расчёта зоны обслуживания базовой станции WiMAX Для оценки зоны обслуживания базовой станции WiMAX может быть использована модель COST231-Уолфиш-Икегами, которая даёт достаточно достоверные результаты при распространении сигнала в условиях прямой и частичной прямой видимости. Основным условием считается расположение антенн базовых станций выше крыш в зоне обслуживания, что, как правило, может быть обеспечено на этапе проектирования сети. В рамках этой модели средний уровень потерь при распространении радиоволн над квазиоптимальным городом определяются следующим образом: (2.2) L  42,6  26  lg r  20 lg f , дБ где f – частота излучения, МГц; r – расстояние между БС и АС, км; Размеры зоны покрытия базовой станции будут определяться дальностью связи между базовой и абонентской станциями. Дальность связи будет определяться путем решения первого уравнения связи: PПС  РИЗЛ  L, дБм (2.3) где РПС – уровень мощности полезного сигнала на входе приемной антенны, дБм; РИЗЛ – уровень эффективной изотропно излучаемой мощности передатчика, дБм; L – затухание сигнала при распространении, определяемое по формуле (2.2), дБ; Уровень эффективной изотропной излучаемой мощности передатчика: PИЗЛ  РПРД  ВФПРД  GПРД , дБм (2.4) где РПРД – уровень мощности передатчика в дБм; GПРД – коэффициент усиления антенны передатчика в направлении связи, дБи; ВФПРД – потери в фидере антенны передатчика, дБ. ВФПРД   ПРД  lФПРД , дБ (2.5) где ПРД – затухание в фидере антенны передатчика, дБ/м; lФПРД – длина фидера антенны передатчика, м; Основным условием обеспечения связи будет необходимость превышения уровня мощности полезного сигнала на входе приемной антенны минимально необходимого уровня мощности (РПСмин), определяемого техническими характеристиками приемника: PПСмин  РПРМ  ВФПРМ  GПРМ , дБм (2.6) где РПРМ – чувствительность приемника, дБм; GПРМ – коэффициент усиления антенны приемника в направлении связи, дБи; ВФПРМ – потери в фидере антенны приемника, дБ. ВФПРМ   ПРМ  lФПРМ , дБ (2.7) где ПРМ – погонное затухание в фидере антенны приемника, дБ/м; lФПРМ – длина фидера антенны приемника, м. На расстояниях меньше 10 км значение стандартного отклонения зависит от дальности связи r, и аппроксимируются формулой:  d  4.1lgr   5, дБ (2.8) Стандартное отклонение сигнала по времени t зависит от дальности связи и для точек приема, расположенных на расстоянии менее 100 км от передатчиков определяется выражением:    t  6.5 1  e 0.036 d  , дБ (2.9) Обобщенное значение стандартного отклонения сигнала по месту и по времени:    100,1(2 d  2 t ) раз (2.10) Дополнительный запас уровня сигнала: PПС доп  z    , мВт (2.11) где z – нормированное действующее значение напряженности поля в точке приема, определяется из таблицы 2.7 для заданной вероятности установления соединения S=0.99. Таблица 2.7 – Нормированные действующие значения напряженности поля в точке приема S 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 0.99 Z 0.253 0.524 0.842 1.282 1.645 2.326 Таким образом, для того чтобы мощность сигнала на входе приемной антенны РПС, превышала минимальную мощность сигнала на входе приемной антенны РПСмин исходя из чувствительности приемника, с заданной вероятностью, необходимо, чтобы выполнялось условие: PПС  PПСмин  PПСдоп , дБм (2.12) Исходя из вышеизложенного, методика прогноза зон покрытия будет следующей: 1. Вычисляется уровень эффективной изотропно излучаемой мощности передатчика РИЗЛ; 2. Определяется значение минимально необходимого уровня сигнала на входе приемной антенны РПСМИН; 3. Определяется величина дополнительного запаса уровня мощности сигнала, обеспечивающего требуемую надежность связи РПСДОП согласно формуле (2.11); 4. Вычисляется значение требуемого уровня мощности сигнала на входе приемной антенны, обеспечивающей необходимую надежность связи: PПСтр  Р ПСмин  PПСдоп (2.13) 5. Рассчитываются максимально допустимые потери при распространении сигнала на трассе: L ДОП  Ризл  РПСтр , дБм (2.14) 6. Определяется максимальная дальность связи путем решения уравнения относительно r: L( r )  L ДОП (2.15) и РПС  PПСтр (2.16) 2.6 Пример расчёта зоны обслуживания базовой станции Расчетные параметры оборудования базовой станции: — диапазон рабочих частот 5000 – 5600 МГц; — для расчета возьмем верхнюю частоту – 5600 МГц; — уровень излучаемой мощности передатчика; Рпрд=25 дБм; — коэффициент усиления антенны GБС =15дБи; — длина фидера lФПРД = 1 м; — погонное затухание в фидере ПРД = 1 дБ/м; — высота подвеса антенны hBase= 35 м; Расчетные параметры абонентской станции (терминал наружной установки с направленной антенной): — коэффициент усиления антенны абонентского термнала GАС= 22 дБи; — чувствительность приемника абонентской станции Рпр.АСmax.= – 71 дБм; — мощность передатчика абонентской станции Рпрд= 11 дБм. — коэффициент передачи фидера lФПРМ= 0,9; Расчет для определения максимальной дальности связи в направлении БС –> АС для чувствительности -71 дБм: Потери в фидере антенны передатчика: ВФПРД  1  1  1дБ Уровень эффективной изотропной излучаемой мощности передатчика: РИЗЛ  25  1  15  39дБм Потери в фидере антенны приемника: ВФПРМ  10 lg 0,9  0,5дБ Минимально необходимый уровень мощности сигнала на входе антенны приемника: РПСмин  71  0,5  22  92,5дБм Найдем стандартные отклонения сигнала по месту по формуле (4.7). Они зависят от расстояния от АС до ТД:  d  4.1lg1,5  5  5,7  7,62дБ Найдем стандартные отклонения сигнала по времени исходя из формулы (4.8):  t  6,51  e0.0361,5   0,342  4,66дБ Определим обобщенное значение стандартного отклонения сигнала по месту и по времени согласно выражению (4.9):    10 0,1( 25,7  20,342 )  3,98 раз  5,99дБ Дополнительный запас уровня сигнала (4.10): PПС доп  z    , мВт где z=2,326 РПСдоп  3,98  2,326  9,26  9,66 дБм Определим значение требуемого уровня мощности сигнала на входе приемной антенны, обеспечивающей необходимую надежность связи: РПСтр  92,5  9,26  83,24дБм Рассчитаем максимально допустимые потери при распространении сигнала на трассе БС - АС: LДОП  39  ( 83,24)  122,24дБ Условия 2.15 и 2.16 выполняются при r=1,5, то есть потери энергии сигнала при распространении на трассе БС-АС составят: L  42,6  26  lg 1,55  20  lg 5600  122,178дБ Таким образом, условие порогового значения сигнала для приемника абонентской станций выполняется на расстоянии r=1,5км. Это расстояние и является радиусом зоны обслуживания базовой станции с указанными параметрами. Контрольные вопросы по разделу Сети широкополосного радиодоступа стандарта IEEE 802.16 (WiMAX) 1. Укажите диапазоны частот, отведённые для использования в стандарте IEEE 802.16. 2. В каком диапазоне частот можно реализовать мобильную версию стандарта IEEE 802.16? 3. Какая технология позволяет бороться с многолучевым распространением радиосигнала от базовой станции до абонентского терминала? 4. Какие факторы определяют значение чувствительности абонентского приёмника IEEE 802.16? 5. Какой метод модуляции в стандарте IEEE 802.16 позволяет реализовать наибольшую скорость передачи информации в радиоканале? 6. Приведите примеры абонентских устройств, которые поддерживают стандарт IEEE 802.16. 3 Сети радиодоступа общего пользования 3.1 Этапы развития сетей радиодоступа Понятие «сети радиодоступа» явилось результатом развития систем телефонной радиосвязи. С тех пор, как потребителя перестало удовлетворять наличие исключительно речевого мобильного радиоканала, активно развиваются мобильные мультисервисные сети передачи информации, дающие абоненту независимость от стационарных точек доступа к локальным и мобильным сетям передачи данных. Триумфальное шествие сотовой связи по территории нашей страны заняло всего каких-то пятнадцать лет – если отсчитывать этот период со дня основания первой в России сотовой компании «Вымпелком». Однако сама сотовая связь имеет гораздо более долгую историю. Первая система радиотелефонной связи, предлагавшая услуги всем желающим, начала свое функционирование в 1946 г. в г. Сент-Луис (США). Радиотелефоны, применявшиеся в этой системе, использовали обычные фиксированные каналы. Если канал связи был занят, то абонент вручную переключался на другой - свободный канал. Аппаратура была громоздкой и неудобной в использовании. С развитием техники системы радиотелефонной связи совершенствовались: уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось базовое и коммутационное оборудование. Но при огромной потребности в услугах радиотелефонной связи возникала проблема - ограниченность частотного ресурса. Ученые и инженеры разных стран работали над решением задачи, и вот в середине 40-х годов исследовательский центр Bell Laboratories американской компании AT&T предложил идею разбиения всей обслуживаемой территории на небольшие участки, которые стали называться сотами, (от англ. cell - ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без всяких взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой ячейке. Однако прошло более 30 лет, прежде чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне. Системы первого поколения (1G) были аналоговыми, реализованными на достаточно надежных сетях, но с ограниченной возможностью предложения услуг абонентам. С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи в 1982 г. Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту и начало второго поколения цифровой сотовой связи. Стандарты 2G на протяжении многих лет были основными при построении систем мобильной связи. Однако со временем набор услуг, которые могли предложить стандарты 2G оказался недостаточным. Причем все просто: сама по себе 2G связь ориентирована на голосовую услугу, в то время как 3G поддерживает высокоскоростную передачу данных, которая по меньшей мере составляет 144 кбит/сек. 2G не поддерживает TriplePlay функции, такие как мобильное ТВ и конвергентные услуги связи, которые в последнее время становятся все более популярными. Сети третьего поколения 3G были реализованы к 2002 году. Стандарт 3G был разработан Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и носит название IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Под этой аббревиатурой объединены пять стандартов, и только некоторые из них обеспечивают полное покрытие в различных диапазонах, поэтому фактически только они могут рассматриваться в качестве полноценных 3G-решений. Поэтому в качестве сетей 3G могут быть использованы только следующие варианты: W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access; европейский вариант – UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)), CDMA2000 1X (450, 800, 850, 1700, 1900 МГц) и китайский вариант 3G – TD-CDMA/TD-SCDMA. Сети 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц. В отличие от своих предшественников сети 3G в первую очередь ориентированы на передачу данных, и только потом на голосовую связь. Главной особенностью и бесспорным преимуществом 3G является высокоскоростная передача данных: для абонентов с высокой мобильностью (до 120 км/ч) – не менее 144 кбит/с, для абонентов с низкой мобильностью (до 3 км/ч) – 384 кбит/с, для неподвижных объектов на коротких расстояниях – 2,048 Мбит/с. Основой мобильной связи третьего поколения является технология IP, которая базируется на пакетной передаче данных. Наиболее технически развитые страны сейчас активно переходят на использование 3G, а во многих сетях уже применяется технология, получившая обозначение 3,5G. Но, по мнению аналитиков телекоммуникационной индустрии, ряд стран, где недавно пришли к необходимости внедрять сети третьего поколения, теперь предпочтет "перескочить" на поколение вперед, начав частичную эксплуатацию 4G. С технической точки зрения, основное отличие сетей четвёртого поколения от третьего, заключается в том, что технология 4G полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе как пакетную коммутацию, так и коммутацию каналов. Для передачи голоса в 4G предусмотрена технология VoIP, позволяющая совершать голосовые звонки, применяя пакетную передачу данных. В качестве подлинных технологий 4G выступают технологии "LTE-Advanced" и "WirelessMANAdvanced", которым было присвоено официальное обозначение IMT-Advanced. Международный союз телекоммуникаций определяет технологию 4G как технологию беспроводной коммуникации, которая позволяет достичь скорости передачи данных до 1 Гбит/с в условиях движения источника или приемника и до 100 Мбит/с в условиях обмена данными между двумя мобильными устройствами. Пересылка данных в 4G осуществляется по протоколу IPv6 (IP версии 6). Это заметно облегчает работу сетей, особенно если они различных типов. На рисунке 3.1 показаны этапы развития поколений сотовой связи, смена технологий по мере их совершенствования. Возникает вопрос: успеют ли развиться сети 3G в полную силу, или их место уже в ближайшем будущем займут сети нового четвертого поколения? На данный вопрос сейчас пытаются ответить аналитики и представители крупнейших сотовых компаний. Что произойдет в действительности, покажет только время. Рисунок 3.1 - Поколения мобильной связи В рамках данной дипломной работы будет проведено исследование стандартов третьего и четвёртого поколений с точки зрения эффективности использования спектра и связанных с этим параметров сети. 3.2 Описание технологий систем широкополосного доступа 3G Так что такое «3G» - «это третье поколение», которое включает в себя доступ в сети интернет на высоких скоростях, канал радиосвязи для общения и передачи данных. 3G – это новое направление, которое перевернуло мир, предоставив общение и информацию. Иначе говоря, все устройства, которые ранее использовались только как стационарные, переходят в разряд мобильных. Система открывает новые возможности в общении с людьми. Теперь с помощью телефона, компьютера можно не просто разговаривать с собеседником, но и видеть его у себя на телефоне, исследовать интернет, заниматься заочным обучением и прочее. Все это теперь можно осуществить с помощью мобильного телефона. Для того чтобы интегрировать систему 3G в используемую сейчас сеть, необходимо модернизировать сотовые сети, для возможности широкополосного вещания. Развивая сети, система третьего поколение прежде всего развивает возможность использования IP технологии. Это новая возможность пользователя быть всегда в режиме on-line, а оплачивать только за фактически количество переданных данных. Чтобы привести систему третьего поколении в режим максимально возможных свойств, необходимо разработать рекомендации по усовершенствованию стандартов мобильной связи, улучшение качества связи, обеспечивать полную безопасность. Для организации междугороднего и международного роуминга необходимо поддержание разных видов операторов сотовой связи, качественное и полное использование спектра передаваемых частот, взаимодействие со спутниками связи, использование скорости передачи пакетов данных до 2Мбит/сек. Сеть нового поколения, 3G, работает при частоте около 2ГГц, которая позволяет передавать пакетные данные со скоростью 2Мбит/сек. Это позволяет использовать так называемую «видеоконференцию», просматривать фильмы, клипы в режиме он-лайн, без особых задержек посещать страницы интернета со своего компьютера. На данный момент в мире используют только 2 типа передачи данных 3G: UMTS (второе название W-CDMA) и CDMA2000. Наиболее распространенная система третьего поколения это CDMA2000. По подсчетам Wireless Intelligence в конце 2006 года число пользователе системы UMTS достигло 93,5 млн. пользователей, а CDMA2000 уже 271,1 млн. пользователей. Название 3G описывает сервисы нового, третьего поколения, понимания качества связи, качество общения и скоростной доступ в интернет и мультимедиа. Отличия между сетью третьего поколения и сетями второго поколения (2G), к которым относится система GSM, и система 2,5G – GPRS, значительно высокими показателями уровня качества связи и большей скоростью передачи данных. Понятий слова 3G весьма много, что такое 3G, единственное название является определение оглашенное Международным Институтом Электросвязи (ITU). Этот институт определяет, устанавливает и утверждает стандарты, технические мероприятия и конечно же правила пользования спектра для 3G. В рамках IMT2000 (International Mobile Telecommunications – 2000) были разработаны рекомендации использования частных технических свойств для стандартов третьего поколения. 3.2.1 Концепция IMT – 2000 Одним из наиболее грандиозных проектов конца ХХ века является концепция IMT-2000 (Рисунок 3.2). В ее основе лежит идея создания нового поколения семейства систем беспроводного доступа, сотовой и спутниковой связи. Ключевые требования, предъявляемые к стандартам семейства IMT2000, - дешевые карманные терминалы, обеспечение глобального роуминга и универсальные решения для сетей разного класса (микросотовых, сотовых и спутниковых). Удаленный LAN и Internet: - передача данных; - электронная почта; - корпоративная информация. Приложения Internet: - просмотр WWW; - видеотелефон; - электронная почта; - электронная торговля. Голос/аудио: -высокочастотная речь; - музыка. Специальные приложения: - телемедицина; - удаленный пункт управления. Сеть UMTS/ IMT-2000 ISDN/PSTN Видеотерминал Internet Видеоконференция Электронная бизнесс-карта: - мультимедийная электронная почта Корпоративный LAN Internet провайдеры Серверы приложений Рисунок 3.2 - Концепция IMT - 2000 Существование большого числа разобщенных мобильных сетей на фоне общей тенденции стран к экономической интеграции, требовало создание единого стандарта, способного обеспечить абонентам свободу перемещения и сохранение обслуживания в любой сети вне зависимости от места ее развертывания. Термин "связь всегда и везде" (Anywhere, Anytime) играет основополагающую роль в концепции IMT-2000 и подразумевает, что услуги связи должны быть доступны в любом месте на поверхности Земли и в любое время. Глобализация связи создает предпосылки, при которых пользователь может получить доступ ко всему спектру информационных услуг других сетей, распределенных по всей территории земного шара, т.е. независимо от окружающих условий. Согласно концепции UPT (Universal Personal Telecommunication – Универсальная Персональная Связь) каждому жителю Земли должен быть выдан персональный телефонный номер, по которому он мог бы войти в любую сеть связи, в любое время суток и в любом месте, где бы он не находился. В основе концепции построения IMT-2000 лежит принцип мобильного доступа ко всем ресурсам единого общемирового информационного пространства. На первом этапе мобильные терминалы получат доступ к фиксированным Web-узлам Интернет. На последующих этапах подвижные узлы радиосетей смогут выполнять функции Web-узлов и серверов Интернет, что обеспечит глобальную связность локальных ресурсов сотовых сетей и доступ к ним с любых типов абонентских устройств. В рамках концепции IMT-2000 допустимы две стратегии перехода к 3Gсистемам: постепенное (эволюционное) и моментальное (революционное). Преимущества и недостатки, которые таит каждая из них (таблица 3.1). Таблица 3.1 – Стратегии перехода к системам 3G Определяющий фактор Эволюционный подход Метод использования Работа в старых частотного ресурса диапазонах Постепенно Принцип предоставления расширяемый услуг ассортимент услуг Постепенно Пропускная способность наращиваемая Постепенный переход от Стратегия создания 2G к 3G по мере сетевой инфраструктуры появления спроса на услуги Технологический Новые технологии в уровень отдельных элементах Максимальное использование Архитектура сети существующей инфраструктуры Революционный подход Освоение диапазонов новых Новые услуги с начала развертывания Изначально высокая Создание новых районов («островков») с полным набором услуг Все технологии – новейшие Новая Коммерческий риск Состав операторов Глобальный роуминг Капитальные затраты Низкий Высокий В основном те же, что и Операторы купившие в 2G лицензию на услуги 3G С ограничениями Без ограничений Незначительные Значительные Революционный подход предполагает внедрение всех новейших технологий и новых интерфейсов, однако предусматривает полную замену существующего оборудования и программного обеспечения, что сопряжено с большими капитальными затратами и определенным коммерческим риском. Эволюционное внедрение требует меньших капитальных затрат и предполагает плавную замену оборудования в зависимости от уровня спроса на конкретные виды услуг. Такой подход позволяет максимально использовать существенную инфраструктуру сети связи, внедряя новые сетевые элементы в процессе последовательной модификации. 3.2.2 Стандарт CDMA2000 В отличие от других методов доступа абонентов к сети, где энергия сигнала концентрируется на выбранных частотах или временных интервалах, сигналы CDMA распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Фактически CDMA манипулирует и частотой, и временем, и энергией. CDMA2000 - стандарт 3 поколения мобильной связи, использующий метод разделения эфира CDMA (Code Division Multiple Access) для связи между базовыми станциями между собой и мобильными устройствами. Это усовершенствованная версия стандарта CDMA ONE, который в свою очередь относят к системам второго поколения. Основные технические параметры оборудования сетей CDMA ONE определены в стандарте IS-95 и его модификациях. В основе CDMA2000 лежит принцип эволюционного перехода от существующего стандарта IS-95 и его последующих модификаций к широкополосной CDMA системе. В проекте системы CDMA2000 выполняются все требования, предъявляемые к перспективным системам 3-го поколения, а также обеспечивается обратная совместимость с системой CDMA ONE. Отличительными особенностями CDMA2000 являются: широкий диапазон скоростей передачи информации от 1,2 кбит/с до 2,048 Мбит/с с возможностью гибкого изменения ширины спектра излучаемых сигналов, использование когерентного приема на мобильных и базовых станциях, введение быстродействующей схемы управления мощностью в прямом и обратном каналах, а также работа с переменной длиной кадра 5 мс и 20 мс. В CDMA системах каждый голосовой поток отмечен своим уникальным кодом и передается на одном канале одновременно со многими другими кодированными голосовыми потоками. Принимающая сторона использует тот же код для выделения сигнала из шума. Единственное отличие между множественными голосовыми потоками это уникальный код. Канал, как правило, очень широк, полоса частот системы может изменяться от 1,25 МГц до 15 МГц в зависимости от региона обслуживания и требований по частотной совместимости с другими сетями подвижной связи. Каждый голосовой поток занимает целиком всю ширину диапазона. Эта система использует наборы каналов шириной 1.23МГц. Голос кодируется на скорости 8.55кбит/с, но определение голосовой активности и различные скорости кодирования могут урезать поток данных до 1200бит/с. В системах CDMA могут устанавливаться очень прочные и защищенные соединения, несмотря на экстремально низкую величину мощности сигнала, теоретически - сигнал может быть слабее, чем уровень шума. CDMA2000 3G разрабатывали так, чтобы у каждого беспроводного носителя, независимо от интерфейса, частоты или стандартов базовой сети, была возможность использования спектральной эффективности. В прямом канале CDMA2000 используется QPSK модуляция, что позволяет существенно увеличить скорость передачи, либо сузить полосу передачи. Конечно, все это осуществляется за счет потери помехоустойчивости, правда, в случае QPSK – несущественной. При выборе концепции построения системы CDMA2000 одним из основных условий являлось обеспечение обратной совместимости с существующими сетями 2-го поколения. Это обстоятельство предопределило выбор в качестве чиповой скорости R= 1,2288 Мчип/с и ширины спектра по уровню 3 дБ - 1,25 МГц. Дальнейшее расширение спектра основано на N-кратном увеличении ширины спектра. В CDMA2000 предложены следующие пять значений ширины спектра: 1X, ЗХ, 6Х, 9Х и 12Х, где Х= 1,25 МГц. В проекте CDMA2000 предлагаются два варианта построения системы: с многочастотной несущей MC-CDMA (Multi Carrier CDMA) и с прямым расширением спектра DS-CDMA (Direct Sequence CDMA). В варианте многочастотной CDMA модулированные символы уплотняются на нескольких несущих с шириной спектра 1,25 МГц на каждой поднесущей. Число поднесущих N может изменяться в зависимости от ширины спектра (N=1, 3, 6, 9 и 12). На каждой поднесущей информация передается с чиповой скоростью 1,2288 Мчип/с. Такой принцип построения CDMA2000 позволяет эффективно использовать весь рабочий диапазон с шириной полосы 5, 10, 15 или 20 МГц. В качестве примера на рисунке 3.3 приведены три способа использования полосы частот при различных вариантах построения системы CDMA2000. Например, в полосе 10 МГц можно разместить 7 каналов по 1,25 МГц (вариант MC-CDMA) или 1 канал с шириной спектра 1,25 МГц и 2 канала с шириной спектра 3,75 МГц (вариант DS-CDMA) или 1 канал с шириной спектра 1,25 МГц и 1 канал с шириной спектра 7,5 МГц (вариант DS-CDMA). Для обеспечения совместимости с другими системами по краям спектра введены защитные интервалы шириной 625 кГц. Предлагаемый подход к проектированию широкополосной системы обеспечивает не только совместимость с существующими системами, но и позволяет гибко использовать полосы частот в эфире, реализуя различные стратегии развертывания сети. Рисунок 3.3 - Варианты использования полосы частот 10 МГц при различных вариантах построения системы а) MC-CDMA (N=7) б) DS-CDMA (1Х + ЗХ + ЗХ), где X = 1,25 МГц в) DS-CDMA (1X + 6Х) С использованием рисунка 3.4 можно рассмотреть элементы сети радиодоступа CDMA2000 и процесс их взаимодействия. В сети CDMA2000 мобильная станция (MS - Mobile Station) – это абонентское устройство, не обязательно мобильный телефон. Это может быть какое-либо иное устройство с модулем доступа к услугам сотовой сети и используемое, например, для доступа в сеть Интернет с компьютера. Мобильная станция взаимодействует с RAN –сетью радиодоступа, для получения необходимых ресурсов сети с целью доступа к пакетной сети, и далее следит за состоянием выделенных ресурсов (заняты, свободные, режим ожидания). MS может буферизировать данные пользователя, если в текущей момент требуемые ресурсы сети недоступны. После включения, MS автоматически регистрируется в сети. В HLR (Home Location Register – домашний регистр местоположения) отмечается текущее состояние MS. Эта процедура происходит в следующем порядке: 1. Аутентификация MS. 2. Текущее местоположение MS заносится в HLR. 3. Далее MSC (Mobile Switching Center - коммутатор мобильных сетей связи 1G и 2G, или просто АТС) сообщается набор разрешенных услуг сети. Рисунок 3.4 - Структура сети стандарта CDMA2000 После успешного прохождения указанных процедур мобильная станция может совершать голосовые вызовы и передавать данные. Последняя услуга может быть предоставлена с использованием одной из двух сетей: с коммутацией пакетов или каналов, в зависимости от того факта: поддерживает ли MS стандарт CDMA2000. В случае если мобильное устройство совместимо только со стандартом IS-95 (CDMA One) передача данных возможна лишь через сеть с коммутацией пакетов. При этом скорость передачи не будет превышать 19,2 кбит/сек. Если же терминал совместим с IS-2000 (CDMA2000), то может быть сделан выбор между двумя возможными способами передачи данных через сеть оператора. Скорость передачи пакетных данных для сети CDMA2000 1x может достигать 144 кбит/сек. Сеть радио доступа RAN является входной точкой абонента во всю сеть оператора, независимо от предоставляемой услуги. Из-за добавления в сеть оператора нового домена с коммутацией пакетов на сеть доступа были возложены новые функции: идентификация абонентов в сети, обслуживание соединений к сети с коммутацией пакетов, проверять права доступа абонента к запрашиваемому сервису. Базовая станция (BTS - Base Station Transceiver) контролирует все действия на радио интерфейсе между BTS и MS, а также служит интерфейсом между сетью и мобильными устройствами. Управление радио ресурсами, например, назначение частотных каналов, разделение сот, управление мощностью передачи и т.п. относится к задачам базовой станции. В добавление к этому, BTS организует сквозные соединения для прохождения трафика между MS и BSC (BSC - Base Station Controller - контролер базовых станций) для обеспечения минимальных временных задержек в процессе передачи пользовательских данных и сигнализации. Контроллер базовых станций BSC передает сообщения сигнализации и голосовые данные между сотами и MSC (Mobile Switching Centr). Кроме того, BSC выполняет некоторые процедуры связанные с мобильностью абонентов, например, контролирует процедуру хэндовера между сотами в случае необходимости. Устройство контроля пакетных соединений (PCF - Packet Control Function) – новый элемент сети CDMA2000, которого не было в CDMA ONE. Его главной задачей является маршрутизация пакетов между BTS и PDSN(Packet Data Serving Node- обслуживающий узел пакетной сети). В процессе пакетной сессии PCF будет назначать доступные радио ресурсы для абонентов сети, в соответствии с их потребностями и оплаченным объемом услуг. Главная задача PCF заключается в планировании распределения ресурсов сети доступа, включая радио ресурсы, так чтобы они могли быть максимально эффективно использованы и при этом не допустить снижения качества предоставляемых услуг. В сеть коммутации (NSS -Network Switching System) входят MSC, который отвечает за установление голосовых соединений в системе, а также ряд регистров (HLR, VLR и др.), в которых хранится информация об абонентах. Сеть пакетной коммутации (PCN - Packet Core Network) отвечает за передачу пользовательских пакетов из/в внешние сети (например Интернет), а также за аутентификацию абонентов, назначение IP-адресов и некоторые другие. Обслуживающий узел пакетной сети, объединенный с внешним агентом (PDSN/FA - Packet Data Serving Node / Foreign Agent) – это шлюз между сетью радио доступа и внешними пакетными сетями. Это устройство выполняет следующие функции:  управляет соединениями между системой базовых станций и пакетной сетью, включая установление, поддержание и завершение сессий;  предоставляет IP-адреса абонентам сети;  выполняет маршрутизацию пакетом между сетью оператора и внешними сетями передачи данных;  формирует и передает счета за оказанные услуги в систему биллинга;  управляет абонентскими услугами, в соответствии с профилями абонентов, полученными из AAA-сервера;  проводит аутентификацию самостоятельно. Либо передает запрос на аутентификацию к AAA-сервер. ААА (Authentication, Authorization, and Accounting) - сервер используется для проведения процедур аутентификации и авторизации абонентов, а также для хранения абонентских данных с целью биллинга и выставления счетов. Домашний агент (HA - Home Agent) предоставляет бесшовный роуминг к другим сетям стандарта CDMA2000. HA предоставляет якорный IP-адрес для MS, служащий для передачи любых пользовательских данных через исходную сеть. Кроме того, домашний агент поддерживает регистрацию абонентов, передачу пакетов к PDSN, а также (опционально) создание защищенного соединения. 3.2.3 Стандарт UMTS UMTS (Universal Mobile Telecommunications System - Универсальная система мобильной связи - технология сотовой связи поколения 3G. Технологию UMTS называют официальным преемником GSM. Это подчеркивается и альтернативным названием 3GSM. Однако для абонентских устройств UMTS не имеет ничего общего с GSM: используются другие частоты и другой метод разделения каналов. Иными словами, GSM-терминал с поддержкой UMTS по сути содержит два независимых модуля. UMTS обеспечивают две основные компоненты: радиосеть и несущая сеть. Радиосеть состоит из мобильного оборудования и базовой станции, между которыми коммутируется передача данных. Несущая сеть, в свою очередь, соединяет базовые станции друг с другом, а также создаёт соединения с сетью ISDN и Интернетом. Интересная особенность относительно UMTS заключается не только в том, что UMTS обладает очень высокой передающей способностью, но и в том, что он также поддерживает различные протоколы передачи, такие как TCP/IP, в комбинации с мобильностью. В рамках стандарта UMTS/IMT-2000 предлагаются две системы радиопередачи: широкополосная система W-CDMA, которая будет доминирующей в 3G-радиотехнологиях, и TD-CDMA - дополнительная. Важным новым свойством системы W-CDMA будет исключительная гибкость изменения скоростей передачи в пределах выделенной ширины полосы в зависимости от текущего уровня спроса, требований к уровню безопасности и качеству услуг (QoS), что обеспечит высокую экономичность. Система W-CDMA реализована на основе дуплексной передачи с разделением по частоте (FDD), а система TD-CDMA - на основе дуплексной передачи с разделением по времени (TDD). UMTS выделяет два канала, шириной по 5 МГц (для сравнения CDMA2000 - 1,25 МГц), использует технологию воздушного интерфейса W-CDMA, TDCDMA, или TD-SCDMA, которые внедряются на существующую инфраструктуру GSM. Большинство операторов выбирают в качестве технологии воздушного интерфейса W-CDMA. В системе UMTS, также, как и в CDMA2000, используется модуляция QPSK. Основным отличием UMTS от GSM является построение воздушной среды передачи данных на принципах Сети Общего Радиодоступа GeRAN. Это позволяет осуществлять стыки UMTS с цифровыми сетями интегрированного обслуживания ISDN, сетью интернет, сетями GSM или другими сетями UMTS. Сеть общего доступа радиодоступа GeRAN включает три нижних уровня модели OSI (Open Systems Interconnection Model - Модель взаимодействия открытых систем), верхний из которых (третий, сетевой уровень) составляют протоколы, образующие системный уровень управления радиоресурсами (протокол RRM). Этот уровень ответственен за управление каналами между мобильными терминалами и сетью базовых станций. UMTS и GSM несовместимы между собой. Тем не менее, мобильные терминалы способны работать в сетях обоих стандартов. Касается это современных телефонов, поддержка UMTS требует новых программных и аппаратных решений. UMTS позволяет пользователям проводить сеансы видеоконференций (иначе - совершать видеозвонки), однако опыт работы операторов связи Японии и некоторых других стран показал невысокий интерес абонентов к данной услуге. Гораздо более перспективным представляется развитие сервисов, предлагающих загрузку мультимедиа-контента: высокий спрос на услуги такого рода был продемонстрирован в сетях 2.5G. Рисунок 3.5 - Структура сети стандарта UMTS В первых релизах стандарта UMTS (R99, R4) подсистема коммутации не отличалась по своей структуре от той же подсистемы сетей второго поколения. В нее входили MSC – Mobile Switching Centre, который выполнял функции коммутации, установления соединения, тарификации и др., а также ряд регистров HLR, VLR, AUC, которые предназначены для хранения абонентских данных. В более поздних релизах (R5, R6, R7,R8) функции MSC были разделены между двумя устройствами: MSC-Server и MGW (Media gateway). MSC-Server отвечает за установление соединений, тарификацию, выполняет некоторые функции аутентификации. MGW представляет собой коммутационное поле, подчиненное MSC-Server. В сети UMTS по сравнению с сетью GSM наибольшие изменения претерпела подсистема базовых станций. Отмеченные выше преимущества достигаются в первую очередь за счет новой технологии передачи информации между базовой станцией и телефоном абонента. Итак, рассмотрим основные элементы, входящие в подсистему базовых станций (рисунок 3.5): RNC (Radio Network Controller) – контроллер сети радиодоступа системы UMTS. Он является центральным элементом подсистемы базовых станций и выполняет большую часть функций: контроль радиоресурсов, шифрование, установление соединений через подсистему базовых станций, распределение ресурсов между абонентами и др. В сети UMTS контроллер выполняет гораздо больше функций нежели в системах сотовой связи второго поколения. NodeB – базовая станция системы сотовой связи стандарта UMTS. Основной функцией NodeB является преобразование сигнала, полученного от RNC в широкополосный радиосигнал, передаваемый к телефону. Базовая станция не принимает решений о выделении ресурсов, об изменении скорости к абоненту, а лишь служит мостом между контроллером и оборудованием абонента, и она полностью подчинена RNC. Оборудование абонента получило название UE (User Equipment). Тем самым подчеркивается, что в отличии от предшествующих стандартов в UMTS может быть не только обычный телефон, но и смартфон, ноутбук, стационарный компьютер и т.п. Пакетные данные в сети UMTS передаются от MGW к известному нам по системе GSM элементу SGSN, после чего через GGSN поступают к другим внешним сетям передачи данных, например Internet. Как правило, SGSN и GGSN сети GSM применяются для тех же целей и в сети UMTS. Производится только коррекция программного обеспечения данных элементов. 3.2.4 Стандарт HSDPA / HSUPA (поколение 3.5G) Если GPRS и EDGE позволяют GSM приблизиться к 3G, то HSDPA и HSUPA - UMTS к 4G. HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access - Высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) - стандарт мобильной связи, рассматриваемый специалистами как один из переходных этапов миграции UMTS к технологиям мобильной связи четвёртого поколения. К ключевым техническим решениям, ставшим методологической основой технологии HSPA, относятся:  методы адаптивной модуляции и кодирования (adaptive modulation and coding – АМС);  уменьшение протяженности кадра с 10 мс до 2 мс, быстрая адаптация параметров передачи к состоянию радиоканала (по результатам текущей оценки характеристик последнего) – Fast Link Adaptation; введение т.н. общего нисходящего канала HS-DSCH передачи данных (для HSDPA);  использование мультикодового режима передачи (взамен расширяющих кодов переменной длины) и принципа динамического выделения кодового ресурса; интеллектуализация управления ресурсами сети, передача функций управления от контроллера радиосети (RNC) к базовым станциям (NodeB).  использование т.н. гибридного автоматического запроса на повторную передачу (Fast Hybrid Automatic Retransmission Query, FHARQ). При хороших характеристиках среды передачи (высоком отношении сигнал/шум в канале связи) используется формат модуляции 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), в противном случае – QPSK (Quadrature Phase-Shifting Keying). Параметры корректирующего кода также могут изменяться с каждым новым передаваемым кадром. Идея реализации принципа адаптивной модуляции (кодирования) в HSDPA иллюстрируется рисунке 3.6, на котором показано изменение параметров передачи данных для двух мобильных абонентов в процессе их перемещения в зоне обслуживания базовой станции. Рисунок 3.6 - Место технологии HSDPA в сети UMTS HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access - Высокоскоростная пакетная передача информации от мобильного телефона к базовой станции) - стандарт мобильной связи, аналогичный HSDPA. Позволяет ускорить передачу данных в направлении от мобильных терминалов до базовой станции за счёт применения более совершенных методов модуляции. Важным отличием HSDPA от базовой версии UMTS является использование высокоскоростного общего транспортного нисходящего канала передачи данных – HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel). Используя преимущества статистического мультиплексирования, HSDSCH обеспечивает предоставление услуги по высокоскоростной передаче данных большому числу абонентов. Такая технология почти идеально приспособлена для обработки прерывистого пакетного трафика в многопользовательской среде. Кроме того, по сравнению с базовой версией UMTS, в HSDPA реализованы два канала сигнализации для передачи управляющей информации по нисходящей и восходящей линиям: HS-SCCH (High-Speed Shared Control Channel) и HSDPCCH (High-Speed Dedicated Physical Control Channel). Как упоминалось выше, наряду с новым методом модуляции сигнала HSDPA предусматривает также использование скоростной системы автоматических перезапросов FHARQ (Fast Hybrid automatic repeat request). Этот механизм отвечает за автоматический перезапрос потерянных или испорченных ошибкам пакетов. На практике известно, что наибольшим мешающим воздействиям (помехам, искажениям) информационный сигнал подвержен на интерфейсе между UE и NodeB, а далее до RNC сигнал передается в системах связи (радиорелейная линия связи (РРЛ), волоконнооптическая линия связи (ВОЛС) и т.п.), которая меньше подверженная внешним воздействиям и, как правило, имеет собственные механизмы защиты от помех. В связи с этим оказалось целесообразно перезапрашивать искаженные пакеты в NodeB, что значительно сократит ожидание повторной передачи. Сами пакеты были уменьшены в размерах в 10 раз, что также способствует сокращению времени ожидания. Кроме того, на радиоинтерфейсе были введены специальные каналы, которые обладают специфическими особенностями способствующими увеличению скорости передачи данных. Таким образом, все эти нововведению позволили увеличить скорость передачи данных в направлении downlink более чем в 7 раз. На практике скорости передачи данных могут легко достигать значений около 2 Мбит/сек. Этого вполне достаточно для загрузки файлов больших объемов и просмотра потокового видео высокой четкости (HDTV). 3.3 Описание технологий систем сотовой связи 4G Главное отличие сетей четвертого поколения от предыдущего, третьего, заключается в том, что технология 4G полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе передачу как голосового трафика, так и пакетов данных. Сервис пакетной передачи данных обладает рядом преимуществ по сравнению с режимом коммутации каналов:  канал занимается только в момент передачи данных;  более эффективно используется пропускная способность системы в случае неравномерного трафика;  для организации сетевого уровня соединения и коррекции ошибок используются встроенные механизмы протокола IP;  существует процедура тестирования на совместимость;  поддержка со стороны производителей инфраструктуры и абонентского оборудования. Основным преимуществом сервиса пакетной передачи данных является возможность использования большого количества стандартного программного обеспечения, разработанного для IP сетей (электронная почта, доступ к базам данных и т. п.). Рабочая группа 4G (4G Working Group) так определяет требования к стандартам четвёртого поколения:  скорость передачи данных минимум 100 Мбит/с;  эффективное использование спектра (бит/с/Гц);  территориальная однородность сервиса и глобальный роуминг;  высокая абонентская ёмкость;  качественная поддержка мультимедиа (включая HDTV);  активное использование IP;  технологии, претендующие на роль стандарта 4G: LTE, WiMAX, iBurst, WiBro, HiperMAN, но главное внимание уделяется LTE. 3.3.1 Структура систем LTE Long Term Evolution (LTE) - технология построения сетей беспроводной связи поколения, следующего за 3G, на базе IP-технологий, отличающаяся высокими скоростями передачи данных. Соответствующий стандарт разработан и утвержден международным партнерским объединением 3GPP. LTE - это не улучшение 3G, это более глубокое изменение, знаменующее переход от систем CDMA (WCDMA) к системам OFDMA, а также переход от систем с коммутацией каналов к системе e2e IP (коммутации пакетов). Проблемы перехода на LTE включают необходимость в новом спектре для получения преимуществ от широкого канала. Кроме того, требуются абонентские устройства, способные одновременно работать в сетях LTE и 3G для плавного перехода абонентов от старых к новым сетям. Разработка технологии LTE как стандарта официально началась в конце 2004 года (рисунок 3.7). Основной целью исследований на начальном этапе был выбор технологии физического уровня, которая смогла бы обеспечить высокую скорость передачи данных. В качестве основных были предложены два варианта: развитие существующего радиоинтерфейса W-CDMA (используемого в HSPA) и создание нового на основе технологии OFDM. Первые коммерческ ие HSDPAсистемы 2005 2006 R7 Первые коммерческ ие HSDPAсистемы 2007 E-UTRA Стадия изучения R8 2008 2009 E-UTRA Основной стандарт 2010 E-UTRA Первые опытные системы E-UTRA Первые коммерческ ие системы Рисунок 3.7 – Основные этапы развития технологии LTE В результате проведенных исследований единственной подходящей технологией оказалась OFDM, и в мае 2006 года в 3GPP была создана первая спецификация на радиоинтерфейс Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (EUTRA). Первые, предварительные спецификации LTE создавались в рамках так называемого 3GPP Release 7. А в декабре 2008 года утверждена версия стандартов 3GPP (Release 8), фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE. В конце 2009 года вышли в свет первые опытные системы на основе LTE, а в 2010 – первые коммерческие сети. По сравнению с ранее разработанными системами 3G, радиоинтерфейс LTE обеспечит улучшенные технические характеристики. В частности, в LTE ширина полосы пропускания может варьироваться от 1,4 до 20 МГц (по более ранним источникам – от 1,25 МГц), что позволит удовлетворить потребностям разных операторов связи, обладающих различными полосами пропускания. При этом оборудование LTE должно одновременно поддерживать не менее 200 активных соединений (т.е. 200 телефонных звонков) на каждую 5-МГц ячейку. Также ожидается, что LTE улучшит эффективность использования радиочастотного спектра, т.е. возрастет объем данных, передаваемых в заданном диапазоне частот. LTE позволит достичь внушительных агрегатных скоростей передачи данных – до 50 Мбит/с для восходящего соединения (от абонента до базовой станции) и до 100 Мбит/с для нисходящего соединения (от базовой станции к абоненту) (в полосе 20 МГц). При этом должна обеспечиваться поддержка соединений для абонентов, движущихся со скоростью до 350 км/ч. Зона покрытия одной БС – до 30 км в штатном режиме, но возможна работа с ячейками радиусом более 100 км. Поддерживаются многоантенные системы MIMO. Радиоинтерфейс LTE позиционируется в качестве решения, на которое операторы будут постепенно переходить с нынешних систем стандартов 3GPP и 3GPP2, а его разработка является важным этапом в процессе перехода к сетям четвертого поколения 4G. Из схемы сети LTE, представленной ниже (рисунок 3.8), уже видно, что структура сети сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные изменения претерпела и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации. Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией. Также подверглись изменению и протоколы передачи данных между сетевыми элементами. Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные. Рисунок 3.8 - Структура сети стандарта LTE Можно выделить следующие основные элементы сети стандарта LTE: - Serving SAE Gateway или просто Serving Gateway (SGW) – обслуживающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. По сути, заменяет MSC, MGW и SGSN сети UMTS. SGW имеет прямое соединение с сетями второго и третьего поколений того же оператора, что упрощает передачу соединения в /из них по причинам ухудшения зоны покрытия, перегрузок и т.п.; - Public Data Network (PDN) SAE Gateway или просто PDN Gateway (PGW) – шлюз к/от сетей других операторов. Если информация (голос, данные) передаются из/в сети данного оператора, то они маршрутизируются именно через PGW; - Mobility Management Entity (MME) – узел управления мобильностью. Предназначен для управления мобильностью абонетов сети LTE; - Home Subscriber Server (HSS) – сервер абонентских данных. HSS представляет собой объединение VLR, HLR, AUC выполненных в одном устройстве; - Policy and Charging Rules Function (PCRF) – узел выставления счетов абонентам за оказанные услуги связи; Все перечисленные выше элементы относятся к системе коммутации сети LTE. В системе базовых станций остался лишь один знакомый нам элемент – базовая станция, которая получила название eNodeB. Этот элемент выполняет функции и базовой станции, и контроллера базовых станций сети LTE. За счет этого упрощается расширение сети, т.к. не требуется расширение емкости контроллеров или добавления новых. LTE базируется на трех основных технологиях:  мультиплексирование посредством ортогональных несущих OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing),  многоантенные системы MIMO (Multiple Input Multiple Output)  эволюционная системная архитектура сети (System Architecture Evolution). Принципиально, что дуплексное разделение каналов может быть как частотным (FDD), так и временным (TDD). Это позволяет операторам очень гибко использовать частотный ресурс. Такое решение открывает путь на рынок тем компаниям, которые не обладают спаренными частотами. С другой стороны, поддержка FDD очень удобна для традиционных сотовых операторов, поскольку у них спаренные частоты есть "по определению" – так организованы практически все существующие системы сотовой связи. Сама же по себе система FDD существенно более эффективна в плане использования частотного ресурса, чем TDD, – в ней меньше накладных расходов (служебных полей, интервалов и т.п.). Обмен между базовой станцией (БС) и мобильной станцией (МС) строится по принципу циклически повторяющихся кадров (в терминологии LTE – радиокадр). Длительность радио-кадра – 10 мс. Все временные параметры в спецификации LTE привязаны к минимальному временному кванту Ts = 1 / (2048·∆f), где ∆f – шаг между поднесущими, стандартно – 15 кГц. Таким образом, длительность радиокадра – 307200Ts. Сам же квант времени соответствует тактовой частоте 30,72 МГц, что кратно стандартной в 3G-системах (WCDMA с полосой канала 5 МГц) частоте обработки 3,84 МГц (8×3,84 = 30,72). Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров. Тип 1 предназначен для частотного дуплексирования (рисунок 3.9) – как для полного дуплекса, так и для полудуплекса. Такой кадр состоит из 20 слотов (длительностью 0,5 мс), нумеруемых от 0 до 19. Два смежных слота образуют субкадр. 1 радиокадр, 10 мс 1 слот 0,5 мс #0 #1 #2 #3 #18 #19 1 субкадр, 1 мс Рисунок 3.9 – Структура кадра LTE при частотном разделении дуплексных каналов При полнодуплексном режиме радиокадр в восходящем и нисходящем каналах передаются параллельно, но с оговоренным в стандарте временным сдвигом. Радиокадр типа 2 (рисунок 3.10) предназначен только для временного дуплексирования. Он состоит из двух полукадров длительностью по 5 мс. Каждый полукадр включает 5 субкадров длительностью 1 мс. Стандарт предусматривает два цикла временного дуплексирования – 5 и 10 мс. Радиокадр, 10 мс Полукадр, 5 мс UpPTS GP Субкадр 2 Субкадр 3 Субкадр 4 Субкадр 5 DwPTS UpPTS Субкадр 0 Субкадр, 1 мс DwPTS Слот, 0,5 мс Субкадр 7 Субкадр 8 Субкадр 9 1 мс Защитный интервал GP Рисунок 3.10 – Структура кадра LTE при временном разделении дуплексных каналов В первом случае 1-й и 6-й субкадры идентичны и содержат служебные поля DwPTS, UpPTS и защитный интервал GP. При 10-мс цикле TDD 6-й субкадр используется для передачи данных в нисходящем канале. Субкадры 0 и 5, а также поле DwPTS всегда относятся к нисходящему каналу, а субкадр 2 и поле UpPTS – к восходящему. Как уже отмечалось, в LTE используется модуляция OFDM, хорошо исследованная в системах DVB, Wi-Fi и WiMAX. Технология OFDM предполагает передачу широкополосного сигнала посредством независимой модуляции узкополосных поднесущих вида Sk(t) = ak·sin [2π×(f0 + k∆f)], расположенных с определенным шагом по частоте ∆f. Один OFDM символ содержит набор модулированных поднесущих. Во временной области OFDM-символ включает поле данных (полезная информация) и так называемый циклический префикс CP (Cyclic Prefix) – повторно передаваемый фрагмент конца предыдущего символа. Назначение префикса – борьба с межсимвольной интерференцией в приемнике вследствие многолучевого распространения сигнала. Отраженный сигнал, приходящий с задержкой, попадает в зону префикса и не накладывается на полезный сигнал. В LTE принят стандартный шаг между поднесущими ∆f = 15 кГц, что соответствует длительности OFDM-символа 66,7 мкс. Каждому абонентскому устройству (АУ) в каждом слоте назначается определенный диапазон канальных ресурсов в частотно-временной области рисунок 3.11 – ресурсная сетка. Ячейки ресурсной сетки – так называемые ресурсные элементы, образуют ресурсный блок – минимальную информационную единицу в канале. Ресурсный блок занимает 12 поднесущих (т.е. 180 кГц) и 7 или 6 OFDM-символов, в зависимости от типа циклического префикса – так, чтобы общая длительность слота составляла 0,5 мс. Число ресурсных блоков NRB в ресурсной сетке зависит от ширины полосы канала и составляет от 6 до 110 (ширина частотных полос восходящего/нисходящего каналов в LTE – от 1,4 до 20 МГц). Ресурсный блок – это минимальный ресурсный элемент, выделяемый абонентскому устройству планировщиком базовой станции. О распределении ресурсов в каждом слоте базовая станция сообщает в специальном управляющем канале. Длительность префикса 4,7 мкс позволяет бороться с задержкой отраженного сигнала, прошедшего путь на 1,4 км больше, чем прямо распространяющийся сигнал. Для систем сотовой связи в условиях города этого обычно вполне достаточно. Если же нет – используется расширенный префикс, обеспечивающий подавление межсимвольной интерференции в ячейках радиусом до 120 км. Такие огромные ячейки полезны для разного рода широковещательных серисов (MBMS), таких как мобильное ТВ-вещание. Для этих же режимов (только в нисходящем канале) предусмотрена особая структура слота, с шагом между поднесущими 7,5 кГц и циклическим префиксом 33,4 мкс. В слоте при этом всего три OFDM-символа. Особый случай широковещательного сервиса представляет режим MBSFN (мультимедийный широковещательный сервис для одночастотной сети). В этом режиме несколько БС в определенной MBSFN-зоне одновременно и синхронно транслируют общий широковещательный сигнал. Время Слот 7(6) OFDM символов Ресурсный блок, 12 поднесущих х 7(6) символов Ресурсный блок ●●● 12 поднесущих Nrb х 12 поднесущих (доступная полоса частот) ●●● k = Nrb х 12 - 1 к=0 I=0 I=6 Частота Рисунок 3.11- Ресурсная сетка LTE при стандартном шаге поднесущих Δf = 15кГц Каждая поднесущая модулируется посредством 4-, 16- и 64-позиционной квадратурной фазово-амлитудной модуляции (QPSK, 16-QAM или 64-QAM). Соответственно, один символ на одной поднесущей содержит 2, 4 или 6 бит. При стандартном префиксе символьная скорость составит 14000 символов/с, что соответствует, при FDD-дуплексе, агрегатной скорости от 28 до 84 кбит/с на поднесущую. Сигнал с полосой 20 МГц содержит 100 ресурсных блоков или 1200 поднесущих, что дает общую агрегатную скорость в канале от 33,6 до 100,8 Мбит/с. Спецификации LTE определяют несколько фиксированных значений для ширины восходящего и нисходящего каналов между БС и АС (в сетях E-UTRA). Поскольку в OFDM используется быстрое преобразование Фурье (БПФ), число формальных поднесущих для упрощения процедур цифровой обработки сигнала должно быть кратно N = 2n (т.е. 128, 256, ..., 2048). При этом частота выборок должна составлять Fs = ∆f · N. При заданных в стандарте значениях она оказывается кратной 3,84 МГц – стандартной частоте выборок в технологии WCDMA. Это очень удобно для создания многомодовых устройств, поддерживающих как WCDMA, так и LTE. Разумеется, при формировании сигнала амплитуды "лишних" поднесущих (включая центральную поднесущую канала) считаются равными нулю. Нисходящий канал В нисходящем и восходящем каналах применение технологии OFDM различно. В нисходящем канале эта технология используется не только для передачи сигнала, но и для организации множественного доступа (OFDMA) – т.е. для мультиплексирования абонентских каналов. Помимо описанного физического структурного блока вводится понятие логического структурного блока. По числу ресурсных элементов они эквивалентны, однако возможно два варианта отображения ресурсных элементов физического блока в логический – один в один и распределено. В последнем случае элементы логического ресурсного блока оказываются распределенными по всей доступной ресурсной сетке. В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый ресурсный блок добавляются специальные опорные и синхронизирующие сигналы. Опорные сигналы могут быть трех видов – опорный сигнал, характеризующий ячейку (Cell-specific), сигнал, связанный с конкретным абонентским устройством, и сигнал для специального широковещательного мультимедийного сервиса MBSFN. Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи (поскольку приемнику известно его месторасположение и исходная форма). На основе этих измерений можно определить реакцию канала для остальных поднесущих и с помощью интерполяции восстановить их исходную форму. Опорный сell-specific-сигнал должен присутствовать в каждом субкадре нисходящего канала (кроме случаев MBSFN-передачи). Форма сигнала определяется на основе псевдослучайной последовательности Голда (вариант m-последовательности), при инициализации которой используется идентификационный номер ячейки БС (Cell ID). В LTE принята иерархическая структура идентификации ячейки, как и в предшествующей ей технологии WCDMA. Предполагается, что на физическом уровне доступно 504 Сell ID. Они разбиты на 168 ID-групп, по три идентификатора в каждой. Номер группы N1 (0–167) и номер идентификатора в ней N2 (0–2) однозначно определяют ID ячейки. Используется два синхросигнала – первичный и вторичный. Первичный синхросигнал представляет собой 62-элементную последовательность в частотном плане, задаваемую последовательностью Задова-Чу на основе идентификатора N2. Такая последовательность из 62 поднесущих, распределенных по ресурсной сетке симметрично относительно ее центральной частоты, передается в радиокадре типа 1 в последнем OFDM-символе слотов 0 и 10 (субкадры 0 и 5). Формирование модуляционных символов Скремблирование Канальное кодирование Слои Распределение по слоям (антенным портам) Распределение по ресурсным элементам Распределение по ресурсным элементам Транспортные блки с МАКуровня Антенные порты Синтез OFDMсигнала Синтез OFDMсигнала f0 S0 f1 Модуляционные символы S1 SK-1 N-точечное ОБПФ f K-1 f N-1 Добавление циклического префикса Модулятор Синтез ВЧсигнала Рисунок 3.12 - Схема формирования сигнала в нисходящем канале В радиокадре типа 2 для передачи первичного синхросигнала используется третий OFDM-символ субкадров 1 и 6. Вторичный синхросигнал генерируется на основе номера ID-группы N1. Он передается в слотах 0 и 10 радиокадра типа 1 (пятый OFDM-символ при стандартном СР) и в слотах 1 и 11 радиокадра типа 2 (шестой OFDM-символ при стандартном СР). Формирование сигнала в нисходящем канале достаточно стандартно для современных систем цифровой передачи информации (рисунок 3.12). Оно включает процедуры канального кодирования, скремблирования, формирования модуляционных символов, их распределения по антенным портам и ресурсным элементам и синтеза OFDMсимволов. Канальное кодирование подразумевает вычисление контрольных сумм (CRC-24) для блоков данных, поступающих с МАС-уровня. Затем блоки с контрольными суммами обрабатываются посредством кодера со скоростью кодирования 1/3. В LTE предусмотрено применение либо сверточного кода, либо турбо-кода. Кодированная последовательность после перемежения (интерливинга) поступает в скремблер (для входной последовательности {x(i)} выполняется процедура вида dscr(i) = x(i) + c(i), где c(i) – определенная скремблирующая последовательность). Затем формируются комплексные модуляционные символы (QPSK,16- и 64-QAM) и распределяются по ресурсным элементам. Далее происходит синтез OFDMсимволов, их последовательность поступает в модулятор, формирующий выходной ВЧ-сигнал в заданном частотном диапазоне. На стороне приема все процедуры выполняются в обратном порядке. Восходящий канал Применение OFDM в сочетании с циклическим префиксом делает связь устойчивой к временной дисперсии параметров радиоканала, в результате на приемной стороне становится не нужным сложный эквалайзер. Это очень полезно для организации нисходящего канала, поскольку упрощается обработка сигнала приемником, что снижает стоимость терминального устройства и потребляемую им мощность. В восходящем канале допустимая мощность излучения значительно ниже, чем в нисходящем. Поэтому первичным становится энергетическая эффективность метода передачи информации с целью увеличения зоны покрытия, снижения стоимости терминального устройства и потребляемой им мощности. Основной недостаток технологии OFDMА – высокое соотношение пиковой и средней мощности сигнала (PAR). Это связано с тем, что во временной области спектр OFDM-сигнала становится аналогичным гауссову шуму, характеризующемуся высоким PAR. Кроме того, сама по себе технология OFDMА, с учетом необходимости минимизировать шаг между поднесущими и сокращать относительную длительность СР, предъявляет очень высокие требования к формированию композитного сигнала. Мало того, что частотные рассогласования между передатчиком и приемником и фазовый шум в принимаемом сигнале могут привести к межсимвольной интерференции на отдельных поднесущих (т.е. к интерференции между сигналами различных абонентских каналов). При малом шаге между поднесущими к аналогичным последствиям может привести и эффект Доплера, что очень актуально для систем сотовой связи, предполагающих высокую мобильность абонентов. В связи с этим для восходящего канала LTE была предложена новая технология – SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access). Принципиальное ее отличие: если в OFDMA на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, то в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, в SC-FDMA – последовательно. Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция (существенно снижаются требования к точности частотных параметров передатчиков). Технология множественного доступа SC-FDMA В системах LTE используются два основных метода дуплексной связи: дуплекс с частотным разделением (FDD) и дуплекс с временным разделением (TDD). Применяются и другие варианты, в т.ч. FDD с половинной скоростью. При этом интеграция режимов FDD и TDD в LTE значительно ближе, чем это было в UMTS. Схема передачи в сторону абонента использует множественный доступ с ортогональным делением частот (OFDMA), а для передачи в сторону базовой станции применяется новая схема передачи, получившая название SCFDMA. Эта новая схема объединила черты как традиционной схемы с одной несущей, так и схемы OFDM. Технология OFDM известна с середины 1960-х гг. и в настоящее время применяется во многих беспроводных системах, не относящихся к сотовой связи, таких как цифровое телевещание (DVB), цифровое радиовещание (DAB), асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL) и некоторые разновидности стандартов Wi-Fi 802.11. Применение OFDM в беспроводной мобильной связи сдерживалось по двум основным причинам. Первая заключается в том, что для выполнения необходимых быстрых преобразований Фурье (FFT) требуется достаточно большая вычислительная мощность. Однако непрерывное развитие технологий обработки сигнала привело к тому, что эту причину уже нельзя считать препятствием на пути внедрения OFDM, и теперь эта технология образует основу нисходящего канала LTE. Другим фактором, сдерживающим применение OFDM в мобильных системах, были присущие этой технологии сигналы с высоким отношением пикового значения к среднему (PAR), которые порождаются параллельной передачей нескольких сотен близко расположенных поднесущих. Для мобильных устройств сигналы с большим PAR создают целый ряд проблем, связанных с конструкцией усилителя мощности и потреблением энергии от батарей. Именно поэтому 3GPP остановился на новой схеме передачи SC-FDMA. Множественный доступ в нисходящем канале LTE достигается за счет применения тщательно доработанной версии OFDM, получившей название множественного доступа с ортогональным разделением частот (OFDMA). Данный метод позволяет закреплять отдельные поднесущие за разными пользователями. Это облегчает обслуживание многих абонентов, работающих с низкими скоростями, а также позволяет использовать частотные скачки для смягчения эффектов узкополосного многолучевого распространения. SC-FDMA представляет собой гибридную схему передачи, которая сочетает низкие значения PAR, присущие системам с одной несущей, таким как GSM и CDMA, с большой длительностью символа и гибким распределением частот OFDM. Принципы генерации сигнала SC-FDMA показаны на рисунке 3.13, который является фрагментом одного из рисунков отчета 3GPP TR 25.814 об исследовании физического уровня LTE. N символов Временная область IFFT ●●● DFT ●●● ●●●● Частотная область Распределение поднесущих Временная область Вставка CP +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ ++ Рисунок 3.13 - Генерация сигнала SC-FDMA В левой части рисунка 3.7 символы данных представлены во временной области. Символы преобразуются в частотную область с помощью быстрого преобразования Фурье и затем, в частотной области, они распределяются в нужные места общего спектра несущей. Затем их требуется снова преобразовать во временную область, чтобы перед передачей добавить к ним циклический префикс. Альтернативное название технологии SC-FDMA — распределенная OFDM с дискретным преобразованием Фурье (DFT-SOFDM). Альтернативное описание этой технологии приведено на рисунке 3.14, где в частотной и временной областях показано, как OFDMA и SC-FDMA передают последовательность из восьми символов QPSK. В этом упрощенном примере число поднесущих (M) было сокращено до четырех. Для OFDMA четыре (M) символа обрабатываются параллельно, причем каждый из них модулируется собственной поднесущей с соответствующей фазой QPSK. Каждый символ данных занимает полосу 15 кГц на время передачи одного символа OFDMA, которое равно 66,7 мкс. В начале следующего символа OFDMA вставляется защитный интервал, содержащий циклический префикс (CP). CP представляет собой копию конца символа, добавленную к началу символа. Благодаря параллельной передаче, символы данных имеют ту же длину, что и символы OFDMA. В случае SC-FDMA символы данных передаются последовательно. Поскольку в данном примере используются четыре поднесущих, за один период символа SC-FDMA передаются четыре символа данных. Период символа SC-FDMA имеет ту же длину, что и символ OFDMA, т.е. 66,7 мкс, но благодаря последовательной передаче символы данных получаются короче, т.е. равными 66,7/M мкс. В связи с повышением скорости следования символов для их передачи требуется более широкая полоса. В результате каждый символ занимает в спектре 60 кГц, а не 15 кГц, как было в случае более медленных символов, используемых в OFDMA. После передачи четырех символов данных вставляется CP. Рисунок 3.14 - Сравнение передачи серии символов данных QPSK в OFDMA и SC-FDMA В продолжение графического сравнения OFDMA и SC-FDMA на рисунке 3.15 показан детальный процесс генерации сигнала SC-FDMA. Сначала создается представление последовательности символа данных во временной области. -1, 1 ● 1, 1 Q V(I) ● V(Q) +1 +1 t I ● ● -1, -1 1, -1 t -1 -1 Один период символа SC-FDMA Один период символа SC-FDMA Рисунок 3.15 - Создание символа SC-FDMA во временной области В данном примере с четырьмя поднесущими для генерации одного символа SC-FDMA требуются четыре символа данных. Используя первые четыре цветных символа QPSK (см. рисунок 3.14), процесс создает один символ SC-FDMA во временной области, рассчитывая траекторию, переходящую от одного символа данных QPSK к другому. Это делается со скоростью в M раз выше скорости символов SC-FDMA, так что в результате один символ SCFDMA содержит M последовательных символов данных QPSK. Чтобы не усложнять рассмотрение, мы не будем обсуждать фильтрацию переходов между символами, хотя в любой реальной схеме такая фильтрация обязательно присутствует. После создания IQ-представления одного символа SC-FDMA во временной области следующим шагом является представление его в частотной области с помощью дискретного преобразования Фурье (DFT; см. рисунок 3.13). Частота дискретизации DFT выбирается таким образом, чтобы форма одного символа SC-FDMA во временной области полностью представлялась M бинами (элементами) DFT, отстоящими друг от друга на 15 кГц, причем каждый бин представляет одну поднесущую с постоянной амплитудой и фазой в течение одного периода символа SC-FDMA равного 66,7 мкс. При этом всегда существует однозначное соответствие между числом символов данных, передаваемых за один период символа SC-FDMA, и числом создаваемых бинов DFT, которое, в свою очередь, равно числу занимаемых поднесущих. Это достаточно логично: с ростом числа символов данных, передаваемых за один период SC-FDMA, сигнал во временной области изменяется быстрее, что приводит к расширению полосы и, следовательно, требует большего числа бинов DFT для полного представления сигнала в частотной области. В OFDMA модулирующие символы данных остаются постоянными в течение периода символа OFDMA равного 66,7 мкс, тогда как символ SCFDMA меняется со временем, поскольку содержит M коротких символов данных. Стойкость к многолучевому распространению процесса демодуляции OFDMA обусловлена большой длиной символов данных, которые накладываются непосредственно на отдельные поднесущие. К счастью, стойкость к разбросу задержки обусловлена именно постоянной природой каждой поднесущей, а не постоянством символов данных. Как показано выше, DFT изменяющегося во времени символа SC-FDMA создает набор бинов DFT, постоянных в течение символа SC-FDMA, несмотря на то, что модулирующие символы данных при этом изменяются. В этом и заключается основное свойство процесса DFT, что изменяющийся во времени символ SC-FDMA, состоящий из M последовательных символов данных, представляется в частотной области M не меняющимися во времени поднесущими. Таким образом, даже SC-FDMA с присущими ему короткими символами данных обладает достаточной стойкостью к многолучевому распространению. На рисунке 3.14 все поднесущие SC-FDMA показаны с одной и той же амплитудой, но в реальных условиях каждая поднесущая имеет свою амплитуду и фазу в течение каждого символа SC-FDMA. Контрольные вопросы 1. Перечислите в хронологическом порядке этапы развития систем радиодоступа от второго до четвёртого поколения? 2. Как увеличивалась скорость передачи информации в процессе развития технологий радиодоступа? 3. На каком этапе развития технологий радиодоступа скорость передачи информации стала достаточной для передачи видео информации? 4. Перечислите требования, предъявляемые к стандартам радиодоступа четвёртого поколения 5. В чём отличие методов OFDM и OFDMA? 6. В чём отличие формирования нисходящего и восходящего каналов в стандарте LTE? 7. Какие факторы способны снизить скорость передачи информации в радиоканале по сравнению с теоретически возможной, предусмотренной в стандарте LTE? Список литературы (блок Сети радиодоступа) 1.Е. Ерошкин Широкополосный радиодоступ без помех - [Электронный ресурс]. URL: http://www.tssonline.ru/articles2/multiplay/shirokopolosnyiradiodostup-bez-pomeh#sthash.iPXtAJiZ.dpuf 2. Ю. Сагдулаев. Мультимедиа в сети радиодоступа - [Электронный ресурс]. URL: http://www.broadcasting.ru/articles2/Oborandteh/multimedia_v_seti_radiodostupa 3. Москвин Э. Локальная сеть без проводов. // Беспроводные компьютерные сети Wi-Fi. – 2006 – главы 8-10. [Электронный ресурс]. URL: http://www.vernex.ru/index.php?id=79 4. Фрадков М. Постановление от 25 июля 2007 г. N 476 О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. # 539 "О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств" – 2007. [Электронный ресурс]. URL: http://classicweb.archive.org/web/20080629043405/http://www.government.ru/government/gover nmentactivity/rfgovernmentdecisions/archive/2007/07/28/5913660.htm 5. Правительство РФ запретило использование в России без регистрации мобильных терминалов ряда систем спутниковой связи и мобильных телефонов стандарта CDMA-800. // Сотовик.Ру – информационно-аналитическое агентство. – 2007. [Электронный ресурс]. URL: http://www.sotovik.ru/news/news_28185.html 6. Заседание ГКРЧ от 19.08.2009 (Протокол № 09-04). // МинКомСвязь России. – 2009. [Электронный ресурс]. URL: http://minsvyaz.ru/ru/doc/printable.php?print=1&id_4=291 7. Административные правонарушения в области связи и информации. // Кодекс РФ об административных правонарушениях (КоАП РФ) от 30.12.2001 N 195-ФЗ. – 2001 глава 13. [Электронный ресурс]. URL: http://www.consultant.ru/popular/koap/13_14.html#p3323 8. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. – М.: Изд-во: Эко-Трендз, 2005. – 384 с. 9. Рошан П., Лиэри Дж.. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. – Пер. с англ. – М.: Изд. дом «Вильямс». 2004. – 304 с. 10. Камайкин А.Г., Осипов И.Е., Шумарин О.Е. Корпоративные сети Wi-Fi. // Технологии и средства связи. – 2006 - №1- с. 46-47. 11. Вред Wi-Fi. // Дом Солнца. [Электронный ресурс]. URL: http://www.sunhome.ru/journal/15601 12. Wi-Fi беспроводной IP-телефон Linksys WIP330. // Vo-IP телефония. – 2008. [Электронный ресурс]. URL: http://www.voip-tel.ru/phones/linksys-wip330ip-phone.html 13 Пролетарский А. В., Баскаков И. В., Чирков Д. Н. Беспроводные сети Wi-Fi: Учебное пособие. – М.: Изд-во БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 178 с. 14. Что влияет на работу беспроводных сетей Wi-Fi? // ZyXEL. [Электронный ресурс]. URL: http://zyxel.ru/content/support/knowledgebase/KB2082 15. Васильев В. Г Технология широкополосного беспроводного доступа WiMAX стандарта IEEE 802.16.- Киев :“UNIDATA” , 2007.-91с. 16. Государственная комиссия по радиочастотам, Решения ГКРЧ, «Об использовании полос радиочастот радиоэлектронными средствами фиксированного беспроводного доступа», 28.11.05г, г. Москва http://www.rfcmd.ru/sphider/docs/GKRCh/GKRCh_28_11_2005.htm 17. Вишневский В. М. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G / В. М. Вишневский, С. Л., Портной, И. В. Шахнович. – М. : Техносфера, 2009. – 472 с. 18. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. – М: Техносфера, 2006 г.-298с. 19. Научно Производственный Центр "Дэйтлайн", каталог оборудования базовых и абонентских станций [Электронный ресурс]. URL: http://www.dateline.ru/oborudovanie/ 20. 1G. NMT - Nordic Mobile Telephony [Электронный ресурс]. URL: http://celnet.ru/1G.php 21. 2G. GSM - Global System for Mobile Communications [Электронный ресурс]. URL: http://celnet.ru/2G.php