Проектирование сети беспроводной связи WiMAX стандарта IEEE 802. 
16e для сельского населенного пункта

• Оглавление

1. Основные характеристики стандарта WiMAX

1.1 Особенности стандарта IEEE 802.16e

1.2 Частотные диапазоны стандарта IEEE 802.16

1.3 Физический уровень

1.4 МАС — уровень

1.5 Архитектура построения сети WiMAX

1.5.1 Базовая модель сети

1.5.2 Стеки и интерфейсы

2. Методы планирования сетей WiMAX

2.1 Принципы построение сетей WiMAX в посёлке городского типа

2.2 Методы ослабления соканальных помех

2.2.1 Увеличение количества сот в кластере

2.2.2 Использование секторных антенн

2.2.3 Комбинированное планирование сот

2.3 Характеристика канала связи

2.4 Модель COST-231 Hata

3. Выбор аппаратуры и планирование сети

3.1 Выбор аппаратуры и расчет сети

3.2 Расчёт трассы сети WiMAX

3.3 Расчёт пропускной способности сети WiMAX

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Расчет капитальных вложений

4.2 Расчет эксплуатационных расходов

4.2.1 Фонд оплаты труда

4.3 Расчет годовых доходов

4.4 Расчет прибыли

4.5 Расчет срока окупаемости

4.6 Анализ технико-экономических показателей

5. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА И ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

5.1 Характеристика объекта проектирования и условий его эксплуатации

5.2 Мероприятия по технике безопасности

5.3 Мероприятия по пожарной профилактике

5.4 Выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА

Темой дипломного проекта является проектирование сети беспроводной связи WiMAX стандарта IEEE 802.16e для сельского населенного пункта.

Системы беспроводной передачи информации существует столько же, сколько и сама человеческая цивилизация. Однако, в последние 15−20 лет развиваются чрезвычайно интенсивно, став одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии.

Миграция телекоммуникационных технологий происходит в двух основных направлениях:

от речевых услуг конечному пользователю к передаче скоростных потоков данных, которая в свою очередь уже делится на целый комплекс различных сервисов, включающих и речь, и данные, и видео.

от неподвижных пользователей к кочующим и мобильным, что может обеспечить только беспроводная связь.

Технология WiMAX, аккумулировала в себя достижения не только более простых технологий беспроводного доступа (Wi-Fi), но и технологии сотовых сетей 3-го поколения. Из Wi-Fi в WiMAX перешла технология ОЧР, позволяющая получить высокие скорости передачи в радиоканале, без заметной межсимвольной интерференции. Как и в стандартах сотовой связи, таких как UMTS, CDMA-2000, в WiMAX используют самые современные методы избыточного кодирования и повторную передачу непринятых пакетов. Вместе с тем, в отличие от сотовых сетей, спецификации WiMAX не описывают структуру сети, что усложняет организацию роуминга и возможности получения услуг в сетях WiMAX других операторов.

Стандарт 802.16d обеспечивает фиксированный беспроводной доступ как в зоне прямой видимости между антеннами базовой и абонентской станций, так и вне ее. В этой версии используется метод модуляции посредством ортогональных несущих (OFDM). В пределах прямой видимости оборудование может работать в диапазонах частот 10−66 ГГц, вне прямой видимости требуются частоты ниже 11 ГГц.

В спецификациях WiMAX Forum, описывающих сертификационные профили для испытаний на совместимость оборудования разных производителей, указаны частотные диапазоны 3,5 и 5,8 ГГц. Первое сертифицированное оборудование WiMAX появилось в конце 2005 г. Сейчас производители активно разрабатывают абонентские устройства в комнатном и уличном исполнении, а также PCMCIA-карты для портативных компьютеров.

Стандарт 802.16e, являющийся, по сути, модернизацией предыдущей версии, нацелен на мобильных пользователей. Он поддерживает функции хэндовера и роуминга и рассчитан на применение в диапазонах частот ниже 6 ГГц, а одно из его главных достоинств — отсутствие требования прямой видимости для связи.

Начиная с 2007;2008 г., сети WiMAX активно развиваются в США, Японии, Европейском континенте и в Юго-Восточной Азии. Между операторами сетей WiMAX и операторами сети 3G идет довольно острая конкурентная борьба, где рынок услуг достаточно насыщен средствами связи, однако в государствах, где инфраструктура кабельной сети и развертывание сотовых сетей 3G требует неоправданно больше затрат, развертывание сетей WiMAX, может создать экономически выгодный высокоскоростной радиодоступ. В этой связи представляется весьма актуальным развертывание в Туркменистане 1-ступени сетей WiMAX в средних населенных пунктах, например — в посёлке Халач. В этой связи требуется определение возможности покрытия зоны, расчёта пропускной способности в отдельных сотах, с тем, чтобы перейти к планированию самой сети. Этим вопросам посвящен данный дипломный проект.

Дипломный проект состоит из 5 глав и приложения. Рассматриваются характеристики и методы планирования сетей стандарта WiMAX, произведены расчеты покрытия зон и пропускной способности сети. Рассмотрены требования к технике безопасности при развертывании сети WiMAX.

Приложение содержит карту поселка Халач, на которой отмечены места расположения базовой станции.

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТА WiMAX

1.1 Особенности стандарта IEEE 802.16e

В 2004 году появился стандарт беспроводного широкополосного доступа IEEE 802.16−2004. Тогда казалось, что мир вот-вот шагнет в новую реальность, где пользователю практически в любой точке Земли будут доступны средства высокоскоростного информационного обмена, от передачи данных до телефонной связи и телевидения. Но вскоре выяснилось, что стандарт — это еще не все. Необходимо выделение частотного ресурса, построение инфраструктуры сетей, немалые усилия по интеграции уже существующих услуг, в конце концов, привлечение к новой технологии создателей контента для конечных пользователей. Однако главная проблема заключалось в том, что стандарт IEEE 802.16−2004 был ориентирован на фиксированный доступ: местоположения абонента определялось раз и навсегда. А в 21 веке это уже воспринимается как анахронизм.

Изменить ситуацию был призван утвержденный в конце 2005 года документ IEEE Std 802.16е-2005 (опубликован 28 февраля 2006 года), который называют «стандартом IEEE 802.16е». Такое наименование не совсем точно, поскольку IEEE 802.16е — это набор исправлений существующего стандарта 802.16−2004 и дополнения «Физический и МАС-уровни для совместной мобильной и фиксированной работы в лицензируемых диапазонах». Именно эти «дополнения» (из-за которых стандарт IEEE 802.16е называют «мобильный WiMAX») и открывают путь стандарту 802.16 в безграничный мир мобильных приложений. В результате он становится серьезным конкурентом технологий сотовой связи третьего и последующих поколений, равно как и других перспективных технологий беспроводного доступа.

Что же предлагает новый стандарт IEEE 802.16е? Понятие «мобильность» относят к двум категориям абонентов — к так называемым номадическим («кочующим») и к собственно подвижным. Номадические абоненты могут перемещаться в пределах действия сети, но в момент сеансов связи они локализованы (находятся в зоне одного и того же сегмента базовой станции) — например, пользователи ноутбуков, которые могут включить их дома, в офисе, на скамейке в парке и т. п. Подвижные абоненты должны иметь доступ к сети непосредственно в процессе движения (тот же пользователь с ноутбуком в движущемся автомобиле). Если для номадических абонентов важна быстрая регистрация в любой точке сети (в идеале — сети любого провайдера), то обеспечить подлинную подвижность гораздо сложнее. Прежде всего, необходимы процедуры передачи абонента от одной базовой станции (БС) к другой (или между различными сегментами одной БС) так, чтобы сам абонент этого не ощущал. Это функции так называемой эстафетной передачи (хэндовера).

Кроме того, мобильность абонентов диктует совершенно иные требования к управлению ресурсами сети и к возможности их оперативного перераспределения. Ужесточаются и требования к вторичному использованию частотного ресурса сети. Именно поэтому в новой редакции стандарта значительное внимание уделено возможности пропорционального уменьшения частотной полосы канала, а также технологиям многоканальных антенных систем (MIMO). Для мобильных устройств очень важно снизить энергопотребление, чему способствуют специальные режимы и процедуры нового стандарта.

Помимо собственно мобильности особое внимание IEEE 802.16е уделяет проблемам качества предоставляемых услуг (QoS). Ведь IEEE 802.16 рассматривается как стандарт для предоставления услуг операторского класса, в том числе и для мобильных абонентов. Поэтому вопрос QoS для этой технологии играет первостепенную роль.

Нужно уточнить, что в данной работе под термином WiMAX будем подразумевать стандарт IEEE 802.16e.

1.2 Частотные диапазоны стандарта IEEE 802.16

В стандарте 802.16 предусмотрена работа в диапазонах 2…11 ГГц и 10−66 ГГц. В диапазоне 10−66 ГГц радиосвязь возможна лишь в случае прямой видимости между фиксированными точками. Характеристики стандарта приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Поскольку технология WiMAX относится к беспроводным технологиям, передачу информации осуществляют по радиоканалам, образованным между антеннами устройств, являющимися составными частями сети. При передаче излученного антенной радиосигнала за счет влияния среды меняются те или иные параметры сигнала. В результате принятый сигнал всегда отличается от переданного. Земная атмосфера для передачи электромагнитных волн является не самой лучшей средой. Радиоволны способны огибать препятствия (явление дифракции), размеры которых порядка длины волны и меньше. На рабочих частотах систем WiMAX длина волны менее 15 см, поэтому явление дифракции пренебрежимо мало. Представляют интерес два вида распространения сигнала: в условиях прямой видимости (LOS — Line of Sight) и в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS — Non Line of Sight). В условиях городской застройки характерно отсутствие прямой видимости.

В стандарте 802.16 используют следующие технологии передачи (табл. 1.2.):

Таблица 1.2.

В табл. 1.2 введены следующие обозначения:

AAS — adaptive antenna system; адаптивная антенная система использования более, чем одной антенны на станциях для увеличения емкости сети и улучшения покрытия,

ARQ — automatic repeat request; технология и используемый в ней информационный пакет, обеспечивающие повторную передачу непринятых пакетов,

HARQ — hybrid automatic repeat request; гибридная технология повторной передачи непринятых пакетов,

STC — space/time coding; пространственно-временное кодирование.

сеть связь беспроводной wimax аппаратура

1.3 Физический уровень

В основе стандарта мобильного WiMAX IEEE 802.16e лежит технология ОЧРД (OFDMA — OFDM Access), что предоставляет возможность выделять отдельным базовым и абонентским станциям не весь, а часть канального ресурса в соответствующей полосе рабочих частот. Полный канальный ресурс (множество поднесущих частот) может быть разделен между несколькими соседними базовыми станциями, что позволяет организовывать мягкий хэндовер при перемещении абонентов от одной базовой станции к другой. По этой причине стандарт 802.16е часто называют мобильным WiMAX.

На рис. 1.1 показаны различные процессы и функциональные этапы обработки информационных сигналов на физическом уровне.

Рис. 1.1. Функциональные этапы обработки сигналов на физическом уровне.

Данные информацию на физическом уровне передают в виде непрерывной последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длину (2 (2,5) … 20 мс), поэтому его информационная емкость зависит от символьной скорости и метода модуляции. Кадр состоит из преамбулы, управляющей секции и последовательности пакетов с данными. Сети IEEE 802.16 дуплексные. Возможно как частотное FDD, так и временное TDD разделение восходящего и нисходящего каналов. При временном дуплексе каналов кадр делят на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение может гибко менять в процессе работы в зависимости от потребностей полосы пропускания для восходящих и нисходящих каналов), разделенные специальным защитным интервалом .

Структура кадра мобильного WiMAX приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Разделение канального ресурса при временном дуплексе.

В стандарте 802.16е число поднесущих меняется с изменением рабочей полосы. Это позволяет сохранить, постоянным разнос частот между поднесущими и активную длину символа. Согласно спецификациям в 802.16е определены полосы в 1,25; 5; 10 и 20 МГц. (табл. 1.3). Поэтому технологию ОЧРД, используемую в 802.16е, называют SOFDMA (Scalable OFDMA) — масштабируемое ОЧРД (МОЧРД).

Таблица1.3.

Частичное использование канального ресурса может быть организовано различным образом. В варианте FUSC (Full Usage of Subcarriers) для создания отдельных подканалов используют весь канальный ресурс. Один подканал состоит из 48 поднесущих, используемых для передачи данных, дополнительного числа пилотных поднесущих и защитных поднесущих, расположенных по краям частотного канала. Варианты распределения поднесущих для передачи данных и пилотных сигналов приведены в табл. 1.4 и проиллюстрированы рис. 1.3.

Распределение поднесущих для передачи данных и пилотных сообщений показано на рис. 1.4. Поднесущие, формирующие один канал, могут, но необязательно быть смежными.

Таблица 1.4.

Рис. 1.3. Схема размещения поднесущих в режиме FUSC.

Рис. 1.4. Распределение поднесущих частот.

При PUSC (Partial Usage of Subcarriers) минимальной канальной единицей в направлении вниз является кластер. Каждый кластер образуют 14 расположенных рядом поднесущих. Формально один кластер всегда составлен из 2-х последовательных ОЧР символов, т. е. из 28 поднесущих, где на 24 передают данные, а на 4 — пилотные сигналы (рис. 1.5). Как и при FUSC, слева и справа по краям частотного находятся защитные поднесущие. Распределение поднесущих при PUSC поясняет табл. 1.5. Один подканал состоит из двух кластеров (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Структура кластера при PUSC.

Таблица 1.5.

В направлении вверх при PUSC минимальной единицей канального ресурса является элемент — тайл (tile). Каждый тайл составлен из 4 поднесущих длительностью 3 ОЧР символа (рис. 1.6). На 8 поднесущих внутри элемента передают данные, 4 поднесущие используют для передачи пилотных сигналов.

Поднесущие

Рис. 1.6. Организация тайлов в направлении вверх.

Далее производиться разбивка на подканалы; при передаче вверх 6 тайлов образуют один подканал. Профили пакетов (burst) зависят от вида модуляции и схемы избыточного кодирования.

1.4 MAC-уровень

Физический уровень стандарта IEEE 802.16 обеспечивает непосредственную доставку потоков данных между БС и АС. Все задачи, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы решаются на MAC (Medium Access Control) — уровне.

Оборудование стандарта IEEE 802.16 формирует транспортную среду для различных услуг (сервисов).

Первая задача, решаемая в IEEE 802.16, — это механизм поддержки разнообразных сервисов верхнего уровня. Разработчики стандарта стремились создать единый для всех приложений протокол MAC-уровня, независимо от особенностей физического канала (рис. 1.7). Это существенно упрощает связь терминалов конечных пользователей с городской сетью передачи данных.

Физически среды передачи в разных фрагментах WMAN могут быть различны, но структура данных едина. В одном канале могут работать (не единовременно) сотни различных терминалов большого числа конечных пользователей.

Этим пользователям необходимы самые разные сервисы (приложения): передача голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т. п. Качество услуг (QoS) каждого отдельного сервиса не должно изменяться при работе через сети IEEE 802.16. Алгоритмы и механизмы доступа МАС-уровня должны решать все эти задачи.

Рис. 1.7. Структура МАС-уровня стандарта IEEE 802.16.

Структурно МАС-уровень IEEE 802.16 разделен на три подуровня (рис. 1.7):

— подуровень преобразования сервиса CS (Convergence Sublayer);

— основной подуровень CPS (Common Part Sublayer);

— подуровень защиты PS (Privacy Sublayer)

На подуровне защиты реализуют функции, обеспечивающие криптозащиту данных и механизмы аутентификации/предотвращения несанкционированного доступа. Для этого предусмотрены наборы алгоритмов криптозащиты и протокол управления ключом шифрования. Ключ каждой АС базовая станция может передавать в процессе авторизации, используя схему работы «клиент (АС) — сервер (БС)».

На подуровне преобразования сервиса происходит трансформация потоков данных протоколов верхних уровней для передачи через сети IEEE 802.16. Для каждого типа приложений верхних уровней стандарт предусматривает свой механизм преобразования. Спецификации стандарта IEEE 802.16 содержат механизмы работы в режиме АТМ и пакетной передачи. Под пакетной передачей подразумевают достаточно широкий набор различных пакетов типа IP, РРР и IEEE Std 802.3 (Ethernet).

Цель работы на CS-подуровне — оптимизация передаваемых потоков данных каждого приложения верхнего уровня с учетом их специфики. Различают 4 типа трафика по требованиям к задержкам:

UGS — Unsolicited Grant Service — передача в реальном времени сигналов и потоков телефонии (Е1) и VoIP. Допустимая задержка менее 5 — 10 мс в одном направлении при BER = 10^-6… 10^-4.

rtPS — Real Time Polling Service — потоки реального времени с пакетами переменной длины (MPEG видео).

nrtPS — Non-Real-Time Polling Service — поддержка потоков переменной длины при передаче файлов в широкополосном режиме.

BE — Best Effort — остальной трафик.

Механизм обеспечения QoS состоит в присоединении на уровне конвергенции в МАС заголовок сведений о типе передаваемого потока. Для этого используют либо 32-битовый идентификатор потока услуг SFID (Service Flow Identifier), либо CID (Connection Identifier).

Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен также специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS (Payload Header Suppression) АТМ ячеек и пакетов, которые восстанавливают на приемном конце.

На рис. 1.8 указаны операции, выполняемые на отдельных подуровнях уровня МАС.

Рис. 1.8. Основные операции на уровне МАС.

Рис. 1.9. Пакет МАС — уровня.

Сформированные пакеты данных MAС PDU (MAC Protocol Data Unit, блоки данных МАС-уровня) далее передают на физический уровень и транслируют по каналу связи. Пакет MAC PDU (рис. 1.9) включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC (cyclic redundancy check).

Определены два формата заголовка МАС. Первый — основной заголовок МАС, с которого начинается каждый протокольный блок данных уровня MAC PDU и содержащий или сообщения управления МАС или данные CS. Второй — заголовок запроса дополнительной пропускной способности. Общий заголовок используют в пакетах, у которых присутствует поле данных. Формат основного заголовка МАС приведена на рис. 1.10.

Заголовок запроса полосы используют, когда АС обращается к БС с запросом о выделении или увеличении полосы пропускания в восходящем канале. При этом в заголовке указывают CID и размер требуемой полосы. Поле данных после заголовка запроса полосы отсутствует.

Рис. 1.10. Формат основного заголовка МАС.

Поля основного заголовка MAC определены в табл. 1.6.

Поля основного заголовка МАС

Таблица 1.6.

Поле данных может содержать подзаголовки МАС, управляющие сообщения и собственно данные приложений верхних уровней, преобразованные на CS-подуровне. В стандарте описано пять типов МАС — подзаголовков:

— упаковки — используют, если поле данных одного PDU содержит несколько пакетов верхних уровней;

— фрагментации — используют, если, напротив, один пакет верхнего уровня разбит на несколько PDU;

— управления предоставлением канала — используется абонентской станцией, чтобы сообщить базовой станции о необходимости в управлении пропускной способностью;

— расширенный подзаголовок, с помощью которого внутри одного пакета МАС PDU может располагаться несколько подзаголовков;

— Mesh — используют в Mesh-сетях;

Подзаголовки располагаются сразу за основным заголовком МАС.

Управляющие сообщения — это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Описание профилей пакетов, управление доступом, механизмы криптозащиты, динамическое изменение работы системы и т. д. — все функции управления, запроса и подтверждения реализуют через управляющие сообщения. Запросы полосы могут быть как эпизодическими для БС, так и планируемыми. В первом случае запросы реализуют посредством пакетов, состоящих из заголовка запроса, передаваемых на конкурентной основе абонентскими станциями в специально выделенном для них интервале восходящего канала. Процедура плановых запросов полосы в восходящем канале называется опросом (polling). БС опрашивает АС об их потребностях в увеличении полосы пропускания. Реально это означает, что базовая станция предоставляет конкретной АС интервал для передачи запроса о предоставлении/изменении полосы, т. е. при запросе полосы не используют алгоритм состязаний.

Опрос может быть осуществлен в «реальном времени»: интервалы для запроса предоставляют АС с тем же периодом, с каким у нее может возникнуть потребность в изменении условий доступа (например, в каждом кадре). Другой вариант опроса — вне «реального времени». В этом случае БС предоставляет АС интервал для запроса также периодически, но период этот существенно больше.

Для приложений, у которых периодичность и размер пакетов фиксированы (например, в телефонии по Е1), предусмотрен механизм доступа к каналу без требования UGS (Unsolicited Grant Service). В этом случае БС с заданным периодом предоставляет АС для передачи данных интервалы фиксированного размера, соответствующие скорости потока данных. Если в ходе работы АС нужно изменить условия доступа, она делает это посредством специального МАС-подзаголовка управления предоставлением канала. В этом подзаголовке есть флаг «опроси меня», установив который, АС запрашивает у БС интервал для новой полосы. Существенно, что в упомянутом подзаголовке есть специальный бит индикации переполнения выходного буфера передатчика АС, что приводит к потере данных (slip). БС может отреагировать на появление этого сигнала, например, увеличив полосу для данной АС.

Технологии, используемые в стандарте 802.16, требуют соответствующего управления радиоканалом, особенно управления характеристиками физического уровня передачи в зависимости от индивидуальных особенностей канала конкретного абонента и его потребностей в пропускной способности. Уровень управления радиоканалом RLC (Radio Link Control) обеспечивает как эти возможности, так и традиционные функции управления мощностью излучения.

1.5 Архитектура построения сети WiMAX

1.5.1 Базовая модель сети

Спецификации стандарта WiMAX определяют передачу трафика и сигнальный обмен только на радиоинтерфейсе. Что касается соединения БС с Интернетом, сетями беспроводного доступа и сетями различных операторов, решения по архитектуре сети принимает оператор совместно с производителем. В целях унификации и определенной оптимизации WiMAX Forum предложена базовая архитектура сети (рис. 1.12).

На рис. 1.12 показана NRM (network reference model — базовая модель сети) WiMAX, которая является логическим представлением сетевой архитектуры. NRM разделяет систему на три логические части:

1. мобильные станции, используемые абонентами для получения доступа к сети;

2. ASN (access services network) — сеть доступа к услугам, которая является собственностью оператора доступа к сети (NAP — Network Access Provider); ASN состоит из одной или нескольких базовых станций, которыми управляет один или несколько шлюзов ASN (ASN-GW).

3. CSN (connectivity services nerwork) — подсеть оператора, обеспечивающая выход на IP и другие сети для реализации абонентских услуг. Эта подсеть обеспечивает необходимые коммутационные функции и функции безопасности. Абонента может обслуживать оператор домашней сети NSP (Network Services Provider). Абонент может также находиться в роуминге. В этом случае его обслуживает оператор визитной сети; при этом происходит обмен сигнальной информацией CSN визитного и домашнего оператора.

Рис. 1.11. Базовая модель сети.

ASN выполняет следующие функции:

· соединение на уровне L2 с АС;

· поиск и выбор сети на основе предпочтений абонента о CSN/NSP;

· обеспечение безопасности: передача данных об устройствах, пользователях, и услугах, серверу безопасности, временное хранение профилей пользователей;

· организация сквозных IP-соединений между АС и CSN;

· управление радиоресурсом (RRM) в соответствии с классом трафика и требуемым QoS;

· обеспечение мобильности, т. е. выполнение процедур хэндовера, локализации и пейджинга.

WiMAX Forum определил различные способы организации ASN, получившие название профилей. Существуют профили A, B, C. Шлюз ASN представляет логическое устройство, которое может быть организовано по-разному. Профиль B ASN представляет простую организацию, которая включает БС и шлюз ASN. Профили A и C разделяют функции между БС и шлюзом ASN по-разному, а именно, в управлении мобильностью и радиоресурсами.

Функционально БС обеспечивает как один сектор с выделенным частотным диапазоном, поддерживая интерфейс IEEE 802.16e с АС. Дополнительные функции, выполняемые БС в обоих профилях, включают распределение для восходящего и нисходящего каналов, классификацию трафика и SFM (управление сервисным потоком). При этом должны быть выполнены требования по QoS для различных классов трафика, передаваемых по радиоинтерфейсу. БС также управляет статусом АС (активный, неработающий), поддерживает туннельный протокол в направлении к шлюзу ASN, обеспечивает с помощью сервера DHCP динамическими адресами. БС также транслирует сигнальный обмен по протоколам MM, обеспечивая все уровни защиты, предусмотренные стандартом. БС может быть подключена одновременно к двум шлюзам для баланса нагрузки.

Шлюз ASN является основным элементом сети. Во время сеансов связи шлюз организует хэндовер абонентам и пейджинг АС, управляет доступом к сети. Для каждого подсоединенного абонента в шлюзе открыта база данных, содержащая профили абонента и ключи шифрования. На шлюз возложены задачи авторизации потока услуг согласно профилю абонентов и QoS. В направлении БС шлюз поддерживает туннельное соединение; в направлении ядра сети (CSN) шлюз организует соединение по стандартному IP протоколу.

В табл. 1.8 показано разделение функций в ASN между БС и шлюз ASN в соответствии с профилями ASN, установленными WiMAX Forum. Профиль B характеризуется интеграцией в одном элементе. Профиль целесообразно использовать в небольшим по объему сетях. Профили A и C предусматривают организацию шлюза в виде отдельного функционального узла. Отличие между профилями, А и С незначительны. В профиле A за хэндовер отвечает шлюз ASN; в профиле C это БС, а шлюз ASN выполняет функцию переключения при хэндовере. В профиле A управление радиоресурсами осуществляет шлюз ASN, что позволяет динамически перераспределять радиоресурс между разными БС. В профиле C радиоресурс фиксирован для каждой БС и его назначение для конкретных абонентов производит сама БС.

Таблица 1.8.

CSN обеспечивает следующие функции:

· выделение адресов IP АС для сеансов связей;

· безопасность в сети, для чего в CSN организуют сервер AAA (authentication, authorization and accounting — аутентификации, авторизации и учета);

· организацию передачи трафика с необходимым QoS в соответствием уровнем обслуживания абонентов. При нахождении абонента в роуминге CSN домашнего оператора поддерживает профиль услуг абонента у обслуживающего оператора;

· биллинг предоставленных абоненту услуг;

· туннелирование потоков между CSN различных операторов с целью обеспечения роуминга;

· управление мобильностью (хэндовер между БС, управляемыми различными ASN);

· выход на другие сети, прежде всего в Интернет, и обеспечение таких современных услуг как локализация абонентов, VoIP и передача мультимедийной информации

1.5.2 Стеки и интерфейсы

WiMAX NWG (network working group — группа разработки сети) разработала RP (reference points — стыки и интерфейсы), т. е. концептуальные соединения между различными функциональными элементами: ASN, СSN, АС, БС. Стыки не всегда являются физическими соединениями, а только в тех случаях, когда функциональны элементы расположены в разных местах, т. е. в различных физических устройствах. Следует отметить, что WiMAX Forum продолжает работу по совместимости разработанных RP на основе специфицированных нормативных протоколов c целью обеспечения максимальной пропускной способности сети. В табл. 1.9 представлены разработанные RP.

Логическое представление архитектуры WiMAX показано на рис. 1.12.

Таблица 1.9.

Архитектура сети WiMAX похожа на архитектуру многих IP сетей доступа, где инфраструктуру уровня L2 (уровня соединений) используют при концентрации трафика индивидуальных пользователей, где находятся элементы, которые обеспечивают конечные пользовательские устройства IP адресами для доступа к приложениям и услугам. В данном случае ASN представляет собой инфраструктуру канального уровня, обеспечивающую концентрацию каналов, а CSN предоставляет абонентам адреса IP и обеспечивает доступ к IP приложениям.

Рис. 1.12. Логическое представление архитектуры WiMAX.

WiMAX Forum предлагает два варианта протокольного обмена в транспортной сети (рис. 1.13, рис. 1.14). Различие между решениями состоит в организации интерфейса R6 в пользовательской плоскости (плоскости передачи данных). В любом варианте данные между БС и шлюзом ASN передают на основе туннельного протокола GPE (Generic Routing Encapsulation). На рис. 1.13 поверх него следует протокол IP-Ethernet, а на рис. 1.14 возможны любые другие технологии передачи IP пакетов. Отличия состоят в том, что перед передачей пакетов по радиоинтерфейсу организуют конвергенцию (обработку заголовков) либо на уровне Ethernet, либо непосредственного на уровне IP. На интерфейсе R3 при передаче данных используют локальную маршрутизацию на основе IP протоколов, используя технологию IP-over-IP.

Рис. 1.13. Стек протоколов передачи информации в транспортной сети WiMAX, с использованием Ethernet.

Рис. 1.14. Стек протоколов передачи информации в транспортной сети WiMAX, с использованием IP протоколов.

2. МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ WiMAX

2.1 Принципы построение сети WiMAX в посёлке городского типа

Халач — посёлок городского типа, центр Халачского района Лебапской области Туркменистана, расположен на левобережье реки Амударьи (в 6 км от реки).

Возможное число абонентов для подключения к сети WiMAX

Халач является вторым по численности населения посёлком городского типа Лебапской области после Сердарабада, в котором проживает 110 906 человек. В центральной части посёлка, где будет создаваться сеть WiMAX, численность населения составляет около 20 000 человек. В каждой семье проживает около 5 человек это, примерно, 4 000 семей. Предположим, в семье к сети WiMAX подключается 1 человек. Тогда общее число абонентов подключаемых к сети составит примерно 4000. Если учитывать, что не все абоненты, сразу подключатся к сети (а часть вообще не будет подключаться), то среднее число составит около 2800 абонентов (70% из 4000 абонентов).

Промышленность

В центре посёлка находятся здания административного назначения. Также в посёлке функционируют шерстомойная, прядильно-ткацкая, швейная, ковровая, кондитерская и мебельная фабрики, хлопкоочистительный, кожевенный, пивоваренный и молочный заводы.

Имеющиеся телекоммуникации

В центре поселка в специальных зданиях расположены АТС и телерадиоцентр. Базовую станцию проектируемой сети WiMAX предполагается разместить в помещении АТС. Антенна базовой станции может быть установлена на имеющуюся мачту, принадлежащую АТС.

В сетях стандарта мобильного WiMAX, зона покрытия одной базовой станции, так же как и в системах сотовой связи, аппроксимируется шестиугольником. Шестиугольники лучше всего аппроксимируют круговую форму зоны радио покрытия базовой станции на ровной местности без препятствий, а края шестиугольников хорошо аппроксимируют границы между сотами равных размеров. На практике область покрытия базовой станции не обладает правильной круговой формой, поскольку она зависит от структуры местности и препятствий — зданий, деревьев и т. д. Разделение области покрытия системы на соты равного размера невозможно и по техническим причинам. При размещении базовых станций необходимо учитывать множество факторов, таких как доступ к подходящим участкам местности и возможность использования естественных элементов местности — башни, высокие трубы и строения. Такие элементы нечасто располагаются в центрах идеально спланированных сот. Поэтому планирование сот представляет собой сложную задачу, в ходе решения которой в современных системах проводят полевые измерения при помощи специализированного оборудования. С определенной точностью соты можно спроектировать на основе обработки данных цифровой карты местности сложным специализированным программным обеспечением, которое имитирует распространение электромагнитных волн на цифровой модели местности. Один из подходов к моделированию распространения электромагнитных волн заключается в том, что волны рассматриваются в качестве световых лучей, которые отражаются и рассеиваются на различных препятствиях местности с определенными коэффициентами отражения и рассеивания. Этот подход, который называют методом трассирования лучей (англ. ray tracing method), требует точных данных об области покрытия и больших вычислительных ресурсов. Пакеты профессионального программного обеспечения, применяемые для моделирования распространения волн и проектирования сот, используют более сложные модели распространения.

По ограниченному количеству результатов измерений можно калибровать используемые в программном обеспечении модели распространения сигналов, что позволяет получать более точные результаты.

Ключевой принцип работы сотовой системы заключается в многократном использовании одних и тех же частотных каналов в различных сотах, расположенных в зоне покрытия системы соответствующим образом. Группа из N сот, использующая все доступные частоты несущих, исключая при этом их повторное использование, называется сотовым кластером (англ. Се11 cluster).

Рис. 2.1. Построение многоэлементных сотовых кластеров:

а) трехэлементного, б) четырехэлементного, в) семиэлементного,

г) двенадцатиэлементного, д) девятнадцатиэлементного

Для анализа размера и особенностей кластера рассмотрим геометрические свойства набора шестиугольников, изображенных на рис. 2.1

Пусть радиус окружности, описанной вокруг каждого шестиугольника, равен r. Очевидно, что r — это также и расстояние от центра шестиугольника до его вершины. Если вспомнить свойства равностороннего треугольника со стороной r, то легко доказать, что расстояние между двумя соседними шестиугольниками равно. Примем его за единицу длины. В системе координат с углом между осями координат, равным 60°, расстояние от центра любого шестиугольника до начала координат составляет:

(2.1)

где i и j — координаты центра рассматриваемого шестиугольника, выраженные в принятых единицах длины, равных 3r. В табл. 2.1 представлены кластеры, для каждой соответствующая своё значения i и j.

Таблица 2.1.

Выражение (2.1) прямо следует из обобщенной теоремы Пифагора, которая утверждает, что квадрат длины стороны R, лежащей напротив угла, образованного сторонами с длинами и и v, равен:

(2.2)

В случае, изображенном на рис. 2.2, u=33r, н=2v3r и б=120°.

Таким образом, i = 3 и j = 2.

Рис. 2.2. Разделение зоны радиопокрытия на соты.

Будем считать заштрихованную соту, расположенную в начале изображенной рис. 2.2 системы координат, опорной. Построим вокруг нее сотовый кластер. Другие кластеры должны быть расположены вокруг него таким образом, чтобы покрываемые ими области не перекрывались и не имели разрывов.

Возникает следующий вопрос: какое количество сот в кластере обеспечивает наиболее компактное покрытие для стандарта WiMAX? Ответ на этот вопрос вытекает из последующих рассуждений. Пусть центральные соты соседних кластеров расположены на расстоянии R от центра опорной соты.

В их распоряжении находится такой же набор частотных каналов, что и у опорной соты. Каждый кластер может быть представлен одним большим шестиугольником, площадь которого равна сумме площадей всех принадлежащих кластеру сот. Это изображено на рис. 2.3.

Площадь одной гексагональной соты радиуса r равна:

(2.3)

а площадь большого шестиугольника, равного сумме N площадей шестиугольников радиуса r, центры которых расположены на расстоянии R друг от друга, составляет:

(2.4)

Необходимо, чтобы выполнялось следующее равенство

(2.5)

При подстановке (2.1) и (2.4) в (2.5) получим выражение, которое определяет количество N сот в кластере:

(2.6)

Очевидно, что количество сот в кластере не ограничено. Кластер, образующий регулярную сетевую структуру, может состоять из одной, трех, четырех, семи, двенадцати и т. д. сот.

На рис. 2.3 изображен кластер с N = 3 сотами, для которых i = 1 и j = 1. На основании (2.1) и (2.6) можно получить важное соотношение, которое будет использовано в дальнейших рассуждениях:

(2.7)

Рис. 2.3. Аппроксимация кластеров большими треугольниками.

Если при разработке системы не учитывалось количество сот в кластере, их топографическое расположение и распределение каналов, то в такой системе будет наблюдаться существенное влияние друг на друга каналов в разных сотах, использующих одни и те же несущие частоты.

Эти явления называются соканальными помехами. Они зависят от параметра Q, определенного в выражении (2.7).

Параметр Q называется коэффициентом ослабления соканальных помех (англ. со-спаппе1 interference reduction factor).

При увеличении Q соканальные помехи ослабевают, поскольку либо увеличивается расстояние, разделяющее соты с одинаковыми каналами, либо уменьшается их размер.

Расстояние R зависит от отношения мощности сигнала Ps к мощности помехи PI (энергетического параметра связности н). В свою очередь, это отношение зависит от количества влияющих друг на друга сот Ko согласно формуле:

(2.8)

где PIk — средняя мощность помех, генерируемых k-ой сотой.

На рис. 2.4 изображена типичная конфигурация взаимодействующих сот. В случае гексагональных сот шесть расположенных в первом ярусе сот взаимодействуют с центральной сотой, которая считается опорной. Таким образом, Ko = 6.

Рис. 2.4. Распределение в пространстве интерферирующих сот.

Для регулярной структуры, построенной на основе типовых кластеров с N=3, 7, 9, 12, 19 количество влияющих друг на друга сот Kо всегда будет равно 6 (рис. 2.5.)

Рис. 2.5. Распределение кластеров с регулярной структурой.

Предполагается, что влиянием сот второго яруса на центральную соту можно пренебречь ввиду большого расстояния между ними. Соканальные помехи искажают не только сигнал, приходящий на базовую станцию центральной соты, но и сигналы, приходящие на подвижные станции, которые в данный момент находятся в этой соте. Предположим, что базовые станции излучают сигналы с одинаковой мощностью. Тогда отношение сигнала к соканальным помехам на границе центральной соты равно:

(2.9)

При распространении в свободном пространстве г=2, в то время как при двулучевом распространении г=4. В действительности значение г лежит в интервале от 2 до 5,5 в зависимости от условий распространения.

Обратим внимание на то, что в предположении о равной мощности, излучаемой базовыми станциями, отношение «сигнал/соканальная помеха» зависит только от геометрических свойств распределения сот, расстояний между базовыми станциями, использующими одни и те же частотные каналы, и радиуса зоны радиопокрытия базовой станции.

Простоты ради предложим, что в изображенной на рис. 2.3 системе все расстояния Rk равны R. Тогда из (2.9) следует, что

(2.10)

(2.11)

Формула (2.11) определяет взаимосвязь отношения расстояния между сотами, использующими одни и те же частоты и радиус соты, с отношением «сигнал/соканальная помеха» и типом окружающей среды.

В традиционных сотовых системах отношение PS/PI выбирается таким, чтобы обеспечить качество передачи речи, приемлемое, по крайней мере, для 75% пользователей на 90% области покрытия системы.

Приняв г=4, из формулы (2.11) получим расчетное Q = 3. В соответствии с табл. 2.2 это значение Q = 3. Поскольку значение Q зависит от количества N сот в кластере по формуле (2.7), то при подстановке в эту формулу значения Q = 3, получим N = 3.

Коэффициент уменьшения соканальных помех Q в зависимости от числа элементов в кластере N, представлен в табл. 2.2.

Таблица 2.2.

Как видно из табл. 2.2, в рассмотренной 3-х сотовой структуре, отношение сигнал/помеха, которое равно 3.00, как правило, недостаточно для действующих стандартов.

Рассмотрим наихудший случай, иллюстрируемый рис. 2.6 и 2.7. Если обратить внимание на то, что расстояния между подвижной станцией, расположенной в точке, А на границе соты, и всеми влияющими базовыми станциями приблизительно равны (R-r), (R-r), (R-r/2), R, (R+r/2), (R+r), получим:

(2.12)

При Q=3 и г=4 значение Ps/PI составляет 12,6. В логарифмическом масштабе эта величина приблизительно равна 11 дБ. Если взять точные расстояния от точки А до центров интерферирующих сот, то получим несколько лучшее значение Ps/PI, однако оно все же будет меньше требуемых 18 дБ. На практике, вследствие неидеального расположения базовых станций, многолучевого распространения и искажений, обусловленных неровностями местности, это отношение будет еще хуже. Поэтому рассчитанного ранее значения Q = 3 будет недостаточно.

Рис. 2.6. Наихудший случай соканальных помех.

На рис. 2.7 и в формуле (2.12) рассматривается наихудшая ситуация, поскольку подвижная станция находится на максимально возможном удалении от базовой станции ее собственной соты. Поэтому приведенная выше оценка считается очень пессимистической. Тем не менее, именно такой подход к разработке систем позволяет добиться высокой надежности.

Рис. 2.7. Наихудший случай соканальных помех при N=3.

Существуют несколько основных решения проблемы недостаточной величины параметра Q для кластера, где антенна базовых станций имеет горизонтальную диаграмму направленности.

2.2 Методы ослабления соканальных помех

При организации сети необходимо найти золотую середину, используя наибольший частотный диапазон, при сохранении соотношения сигнал/шум на минимально допустимом уровне.

Существуют несколько основных решений проблемы недостаточной величины параметра Q для кластера со всенаправленными антеннами.

2.2.1 Увеличение количества сот в кластере

Первый путь — это увеличение количества сот в кластере. Сотовая структура позволяет увеличить пропускную способность, всей системы путём увеличения сот, уменьшения размеров сот и уменьшения мощности передатчиков. Однако наряду с очевидными преимуществами, уменьшение радиуса сот имеет и недостатки:

· На одной площади приходится размещать большее количество БС и антенн, что подразумевает дополнительные финансовые расходы

· Поскольку стандарт WiMAX относится к частотно временному разделению каналов, то увеличение в кластере сот приведет к снижению число каналов в отдельных сотах, и снижению трафика.

2.2.2 Использование секторных антенн

Второе решение заключается в ослаблении соканальных помех при использовании секторных антенн, с шириной диаграммы направленности в 60°. Каждая сота разделяется на шесть сектора.

На рисунке 2.8 изображено группа сот с использованием антенн, диаграмма направленности 60°.

Рис. 2.8. Группа сот с использованием антенн, диаграмма направленности 60°.

При использовании секторных структур сот, значительно понижается влияния соканальных помех соседних БС работающих на одних и тех же частотах. Но, так же имеется и недостаток:

· На каждый сектор приходится отдельный антенно-фидерный тракт, что так же подразумевает дополнительные финансовые затраты.

Рассмотрим третий вариант, который наиболее подходит для реализации сети WiMAX.