Знакомство с концепцией построения физического уровня системы Wimax. Виды радиоинтерфейса, блок-схемы физ. тракта формирования и приема сигналов 802.16.
Ещё одна самостоятельная работа, на тему WiMAX (модель системы 802.16). Итак, поехали!)
- Понятия и принцип
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для различного вида устройств. Основана на стандарте IEEE 802.16.
Название «WiMAX» (Worldwide Interoperability for Microwave Access, www.wimaxforum.org) создано WiMAX Forum - организацией, которая была основана в июне 2001 года корпорацией Intel. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям и DSL» со скоростью - до 1 Гбит/сек.
Сети 802.16 похожи на традиционные сети мобильной связи: есть базовые станции, действующие в радиусе нескольких километров (до 50 км), их не обязательно устанавливать на вышках - для этого вполне подходят крыши домов. Пользовательское оборудование аналогично обычному набору для спутникового телевидения, с его помощью осуществляется соединение с базовой станцией. Связь по стандарту 802.16 может реализоваться и через совместимое оборудование.
По технологии 802.16 базовая станция обслуживает тысячи пользователей и предоставлять им услуги разного уровня (Рисунок 1). Например, ее достаточно для одновременной работы 60 бизнес-пользователей с возможностями Т1 (скорость передачи до 2 Мбит/с) и сотен домашних пользователей. В отличие от Wi-Fi, действующего в пределах сотни метров, оборудование 802.16 обеспечивает связь в 30-50 км и даже больше с полосой пропускания до 70 Мбит/с.
Рисунок 1. Стандарт IEEE 802.16 предоставляет удобные решения для самых разных потребителей
Стандарт IEEE 802.16 регламентирует работу на физическом и канальном уровнях. Весь поток данных в сетях IEEE 802.16 – это поток пакетов. На основном подуровне MAC формируются пакеты данных (MAС PDU –MAC Protocol Data Unit, блоки данных МАС-уровня), которые передаются на физический уровень, где преобразуются в пакеты и транслируются через канал связи.
Первый вариант стандарта 802.16 работал в полосе частот 10-66 ГГц и обеспечивал соединение только в пределах прямой видимости. Расширение стандарта, 802.16a, принятое в январе 2003 г., работает на более низких частотах - от 2 до 11 ГГц, что позволяет организовывать связь вне пределов видимости.
WiMAX использует механизм на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS ( Quality of Service - набор показателей качества работы сетевого устройства) для каждого соединения.
Стандарт 802,16 распространяется широкой полосой в спектре РФ и WiMAX функционирует на частотах ниже 66 ГГц (более высокие частоты привели бы к уменьшению диапазона действия базовой станции до нескольких сот метров в городской среде).
2. Стандарт 802.16 (стек протоколов)
Прежде чем говорить о главных разделах, с которыми должен познакомиться читатель, следует привести всю схему передачи информации.
Стек - структура данных с методом доступа к элементам LIFO (Last In - First Out, «последним пришёл - первым вышел»). Набор протоколов, используемый стандартом 802.16 (Рисунок 2).
Рисунок 2. Стандарт 802.16: стек протоколов
Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Используется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами модуляции сигнала. Над физическим уровнем находится подуровень сведения, скрывающий от уровня передачи данных различия технологий.
Уровень передачи данных состоит из трех подуровней. Нижний из них относится к защите информации, где передача данных осуществляется в эфире, физически не защищенном от прослушивания. На этом подуровне производится цифрация, дешифрация, а также управления ключами доступа. Затем следует общая часть подуровня МАС (канального уровня разработки сетевых протоколов). На этом уровне иерархии располагаются основные протоколы и протоколы управления каналом. Здесь станция контролируют всю систему. Она распределяет очередность передачи входящего трафика абонентам и в управлении исходящим трафиком. От всех стандартов 802.x МАС подуровень стандарта 802.16 отличается тем, что он полностью ориентирован на установку соединения. Таким образом, гарантировано определенное качество обслуживания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа.
Рисунок 3. Применение различных видов модуляции сигнала.
3. Концепция построения физического уровня
Раздел статьи связан с планом исследований самостоятельной работы.
Широкополосным беспроводным сетям необходим широкий частотный спектр, который можно найти в диапазоне от 10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают интересным свойством: они распространяются не во всех направлениях (как звук), а по прямым линиям (как свет). На базовой станции должно быть установлено множество антенн, покрывающих различные секторы окружающей территории. В каждом секторе свои пользователи. Поскольку мощность сигнала передаваемых миллиметровых волн сильно уменьшается с увеличением расстояния от передатчика, то и соотношение сигнал/шум понижается. По этой причине 802.16 использует три различных схемы модуляции в зависимости от удаления абонентской станции.
Применяются две схемы модуляции: FDD (дуплексная связь с частотным разделением) и ТDD (дуплексная связь с временным разделением) (Рисунок 4). Базовая станция периодически передает кадры, разделенные на временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится под входящий трафик. Затем следует разделитель, позволяющий станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним - интервалы исходящего трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет подстроить пропускную способность под трафик каждого из направлений.
Рисунок 4. Дуплексная связь с временным разделением
Как и в работе Минаева Ильи у меня так же присутствует понятие защитного интервала, всё тот же разделитель режима работы станции)
Интересным свойством физического уровня является его способность упаковывать несколько соседних кадров МАС в одну физическую передачу - возможность повысить эффективность распределения спектра.
Для непосредственного исправления ошибок на физическом уровне используется код Хэмминга (из группы блочных кодов, предусматривает ввод в сообщение проверочных бит). Все сетевые технологии просто полагаются на контрольные суммы и обнаруживают ошибки с их помощью, запрашивая повторную передачу испорченных фрагментов. Но при широкополосной беспроводной связи на больших расстояниях возникает много ошибок, так что их обработкой приходится заниматься физическому уровню.
4. Радио-интерфейс системы WIMAX
Поиск данных по радио-интерфейсу оказался самым трудным. Исходил из определения интерфейса - совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы.
Технология Мобильного WiMAX базируется на двух стандартах: на стандарте IEEE 802.16-2004 радио-интерфейс (Air Interface Standard) и на принятом 7 декабря 2005 года стандарте IEEE 802.16e-2005 (играет ключевую роль при построении фиксированной широкополосной радиосети города). На физическом уровне в стандарте IEEE 802.16-2004 определены три метода передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC), метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и метод множественного доступа на основе такого мультиплексирования (OFDMA).
Существует такое понятие как «система на кристалле» - под этим классом понимают устройства, на едином кристалле которых интегрированы один или несколько процессов, некоторый объём памяти, ряд интерфейсов, - то есть максимум того, что необходимо для решения поставленных перед системой задач. Разработка «систем» предполагает оптимитизацию разрабатываемой схемотехники. Мировые производители сосредоточились на разработке «систем», в которых интегрированы основные функции физического и МАС уровней стандарта WiMAX. Например, можно сделать так, чтобы на физическом уровне использовалась модуляция OFDM с 256 поднесущими и в тоже время была основная схема кодирования, в которой для внутреннего кода применялось бы сверточное кодирование и декодирование по заданному алгоритму, а для внешнего коды Рида-Соломона. Радио-интерфейс «системы на кристалле» содержит блоки АЦП/ЦАП для прямого аналогового соединения с внешним приемопередатчиком (Рисунок 5).
Рисунок 5. Блок-схема радиочастотного трансивера
Центральная частота и уровень выходной мощности, могут быть изменены через программное обеспечение.
На передатчике цифровой сигнал в форме синфазных (I) и квадратурных (Q) составляющих отправляется на широкополосный цифровой повышающий (понижающий) преобразователь (DUC) / (DDC). На стадии DUC сигнал отфильтрован и интерполирован. Результирующий передаваемый сигнал посылается в процессор уменьшения коэффициента гребня (CFR), где отношение пиковой мощности к средней (PAPR) в сигнале подстраивается. Затем передается на (ЦАП), чтобы преобразовать цифровой сигнал в аналоговую форму.
Центральная частота полосы сигнала на первой промежуточной частоте (IF) определяется ЦАП, так как он включает цифровые грубые и точные смесители. Аналоговый сигнал преобразуется вверх во вторую промежуточную частоту и далее - в радиочастоту (RF) при помощи двух ступеней аналогового повышающего преобразования (UC). Для того чтобы обеспечить большое покрытие, сигнал RF усиливается в двухкаскадном усилителе мощности (PA). Усиленный сигнал поступает в антенну через дуплексор (радиочастотный переключатель передача/прием (T/R) для осуществления временного дуплекса (TDD)).
На приемнике полученный сигнал усиливается малошумящим усилителем (LNA). С выхода LNA преобразуется вниз к оконечным каскадам IF при помощи двух ступеней понижающих преобразователей (DC). Затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, а составляющие I/Q генерируются на выходе аналого-цифрового преобразователя (ADC). Далее составляющие I/Q фильтруются и подвергаются децимации, а затем направляются в PHY-радио-интерфейс для последующей обработки.
По первому блогу моего товарища, надо сказать, что литературу искать достаточно трудно, а Интернет выдаёт кучу мусора) в список используемой литературы попала только одна книга: «Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G» В.Вишневский, С.Портной, издательство «Техносфера», Москва 2009 г. Скачивал её 30 минут, но там трудно искать точные формулировки, поэтому пока что оставляю ссылки в библиотеке своей темы для более полного ознакомления.
Список основных ссылок используемых статей:
1) http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=6677 (введение в исследование моделей системы 802.16)
2) http://www.intuit.ru/department/network/cellcomsys/8/ (основные технические характеристки)
3) http://www.rasu.ru/new_site/docs/statia01.pdf (стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16)
4) http://www.wireless-e.ru/articles/wifi/2006_3_14.php (разработка WiMAX на базе "систем на кристалле")
5) http://www.roks.com.ua/ru/info/our/13 (передача IPTV по сетям WiMAX: проблемы и решения, радиоинтерфейс)
6) http://sspof.atott.ru/viewtopic.php?f=16&t=75 (документ "Широкополосный мобильный доступ IEEE 802.16")