1

Лекция 3

Применяемые технологии разделения сигналов, модуляция и кодирование

в WiMAX: ФМ-2,4,8, 16-QAM, OFDM, FDMA, TDMA, CDMA.

Технология WiMAX имеет наивысшие в классе Broadband Wireless Access

(BWA) энергетические параметры канала связи, что обеспечивает заданную высокую

скорость передачи данных (пропускную способность) на самой большой дальности и

наоборот, на заданной дальности сеть WiMAX имеет самую высокую пропускную

способность. Тем самым, системы WiMAX обеспечивают самую высокую плотность

потока данных, измеряемую пропускной способностью в Mbps в пересчете на один

км2 покрываемой территории. Высокая пропускная способность систем WiMAX

достигается за счет возможности поддержки на больших дальностях высокой

символьной скорости вследствие высокой энергетики системы. Символьная скорость,

часто называемая также скоростью модуляции (или кодовая скорость), характеризует

скорость передачи информации (данных) на физическом (радио) уровне сети и

представляет собой скорость передачи последовательности символов, реализуемая

модуляцией сигнала. Так, например, скорости модуляции в 11 и 54 Mbps в системах

Wi-Fi стандарта IEEE 802.11a/g - это символьные скорости. Реальные скорости

передачи данных, измеряемые на канальном и транспортном уровнях сети,

значительно меньше символьных скоростей. Энергетика системы определяется

величиной параметра системного усиления (System Gain).

Символьная скорость передачи полностью определяется используемым типом

модуляции, то есть каждый тип модуляции обеспечивает определенную символьную

скорость. Тем самым, высокая плотность потока данных в сетях WiMAX достигается

за счет возможности поддержки на больших по сравнению с другими системами

дальностях высокоскоростных типов модуляций.

В системах WiMAX применяется квадратурная амплитудно-фазовая модуляции

QAM, а также фазовая модуляция QPSK и BPSK. На сегодняшний день QAM

является одной из самых эффективных методов модуляции, позволяющий достигать

максимально возможные скорости передачи данных.

Фа зовая манипуля ция (ФМн, англ. phase-shift keying (PSK)) — один из видов

фазовой модуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно.

Фазоманипулированный сигнал имеет следующий вид:

sm(t) = g(t)cos[2πfct + φm(t)],

где g(t) определяет огибающую сигнала; φm(t) является модулирующим

сигналом. φm(t) может принимать M дискретных значений.

Если M=2, то фазовая манипуляция называется двоичной фазовой

манипуляцией (BPSK, B-Binary — 1 бит на 1 смену фазы); если M=4 — квадратурной

фазовой манипуляцией (QPSK, Q-Quadro — 2 бита на 1 смену фазы); M=8 (8-psk -3

бита на 1 смену фазы) и т. д. Таким образом, количество бит n, передаваемых одним

скачком фазы, является степенью, в которую возводится двойка при определении

числа фаз, требующихся для передачи n-порядкового двоичного числа.

2

Фазоманипулированный сигнал si(t) можно рассматривать как линейную

комбинацию двух ортонормированных сигналов y1 и y2:

Sm(t) = S1Y1 + S2Y2, где

Таким образом, сигнал Sm(t) можно считать двухмерным вектором [S1(m,M)

S2(m,M)]. Если значения S1(m / M) отложить по горизонтальной оси, а значения

S2(m,M) - по вертикальной, то точки с координатами S1(m,M) и S2(m,M) будут

образовывать пространственные диаграммы, показанные на рис.3.1.

а) б) в)

Рис. 3.1. Пространственные диаграммы для двоичной фазовой манипуляции

(BPSK)(а), квадратурной фазовой манипуляции (QPSK)(б), восьмиричной фазовой

манипуляции (8-PSK)(в).

BPSK — самая простая форма фазовой манипуляции (ФМн). Работа схемы

двоичной ФМн заключается в смещении фазы несущего колебания на одно из двух

значений, нуль или π (180°).

Эта модуляция является самой помехоустойчивой из всех видов ФМн, то есть

при использовании бинарной ФМн вероятность ошибки при приѐме данных

наименьшая. Однако каждый символ несет только 1 бит информации, что

обуславливает наименьшую в этом методе модуляции скорость передачи

информации.

Вероятность ошибки на бит (англ. BER — Bit Error Rate) при бинарной ФМн в

канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) может быть вычислена по

формуле:

,

где

Так как на символ приходится 1 бит, то по этой же формуле вычисляется и

вероятность ошибки на символ.

3

В присутствии произвольного изменения фазы, введенного каналом связи,

демодулятор не способен определить, какая точка созвездия соответствует 1 и 0. В

результате данные часто дифференциально кодируются до модуляции.

В случае некогерентного детектирования используется дифференциальная

двоичная фазовая манипуляция. Двоичные данные часто передаются со следующими

сигналами:

для двоичного «0»

для двоичной «1» где fc — частота несущего колебания.

QPSK – (Quadrature Phase Shift Keying или 4-PSK) используется созвездие из

четырѐх точек, размещѐнных на равных расстояниях на окружности. Используя 4

фазы, в QPSK на символ приходится два бита, как показано на рис.3.1. Анализ

показывает, что скорость может быть увеличена в два раза относительно BPSK при

той же полосе сигнала, либо оставить скорость прежней, но уменьшить полосу вдвое.

Хотя QPSK может рассматриваться как квадратурную манипуляцию, еѐ проще

рассматривать в виде двух независимых модулированных несущих, сдвинутых на 90°.

При таком подходе чѐтные (нечѐтные) биты используются для модуляции синфазной

составляющей I, а нечѐтные (чѐтные) — квадратурной составляющей несущей Q. Так

как BPSK используется для обеих составляющих несущей, то они могут быть

демодулированы независимо.

При когерентном детектировании вероятность ошибки на бит для QPSK такая

же, как и для BPSK:

Однако, так как в символе два бита, то значение символьной ошибки

возрастает:

При высоком отношении отношении сигнал/шум (это необходимо для

реальных QPSK систем) вероятность символьной ошибки может быть оценена

приблизительно по следующей формуле:

Как и при BPSK, существует проблема неопределѐнности начальной фазы в

приѐмнике. Поэтому при некогерентном детектировании QPSK с дифференциальным

кодированием на практике используется чаще.

Отличие QPSK от первых видов модуляции (АМн,ЧМн) в том, что плотность

передаваемой информации в расчѐте на частотную ширину канала (на символ, на

герц) выше единицы.

4

Рис. 3.2. Фазовое созвездие для квадратурной π/4 ФМн.

Здесь изображены два отдельных созвездия использующие кодирование Грея,

которые повѐрнуты на 45° относительно друг друга. Обычно, чѐтные и нечѐтные биты

используются для определения точек соответствующего созвездия. Это приводит к

уменьшению максимального скачка фазы с 180° до 135°. С другой стороны,

использование π/4-QPSK приводит к простой демодуляции и вследствие этого она

используется в системах сотовой связи с временным разделением каналов.

При реализации QAM каждая поднесущая OFDM сигнала моделируется

полезным сигналом одновременно по амплитуде и по фазе, образуя сигнал,

положение которого в пространстве координат фазы и амплитуды, называемого также

диаграммой созвездия (constellation diagramm), несет информацию о закодированном

в нем символе. На рис. 3.3. представлена диаграмма созвездия модуляции 16QAM.

Рис. 3.3. Диаграмма созвездия модуляции 16QAM

Вектор сигнала 16QAM имеет 16 возможных позиции в пространстве

координат амплитуды и фазы, что кодирует 16 значений символа от 0000 до 1111.

Вектор сигнала 64QAM имеет 64 позиции, что кодирует 64 значения символа.

Модуляции BPSK и QPSK кодируют 2 и 4 значения символа с помощью,

соответственно, двух и четырех возможных значений фазы. Амплитуда сигнала в

модуляциях BPSK и QPSK не меняется. Тем самым эти два типа модуляции можно

рассматривать как частный случай амплитудно-фазовой модуляции QAM. Таким

образом, модуляция 64QAM является самой скоростной, поскольку позволяет

передавать 64 возможных значения в одном символе данных, что обеспечивает более

5

высокую символьную скорость и, в результате, более высокую скорость передачи

данных по сравнению с более низкими модуляциями.

Квадратурная амплитудно-фазовая модуляция QAM применяется практически

повсеместно, в том числе в Wi-Fi и preWiMAX системах с чипсетом стандарта IEEE

802.11a/g. При этом применяемая в системах WiMAX высокоскоростная модуляция

64QAM и 16QAM может поддерживаться на значительно более высоких дальностях

по сравнению с Wi-Fi и preWiMAX системами с аналогичном типом модуляции

64QAM и 16QAM при условии использования OFDM сигналов одинаковой

мощности.

Технология широкополосных радиосигналов (ШПС) была разработана в

середине прошлого века и первоначально применялась военными с целью повышения

скрытности и помехоустойчивости связи. Важнейшим достоинством

широкополосных систем является высокая скорость передачи данных. При этом

понятие широкополосности (broadband) трактуется не только как использование

радиосигнала с широким частотным спектром, но и как способность системы

обеспечить высокую скорость передачи данных, необходимую для мультисервисного

обслуживания (доступ в Интернет, передача данных, голоса, видео и др.).

В системах WiMAX применяется широкополосный Orthogonal Frequency

Division Multiplexing (OFDM) сигнал, образованный из множества разнесенных по

частотному спектру узкополосных сигналов. Применение OFDM сигнала

обеспечивает системе WiMAX наивысшую в классе BWA спектральную

эффективность (скорость передачи данных в одном Герце полосы частотного

спектра), возможность работы вне прямой видимости, наивысшие энергетические

параметры связи обеспечивающие высокую дальность связи, возможность

эффективного обслуживания мобильных абонентов.

Спектральная эффективность системы оценивается максимальной возможной

скоростью передачи данных (количество передаваемых бит/c) системы в единице

полосы занимаемых частот в один Герц. Высокая спектральная эффективность

системы WiMAX достигается за счет распределения передачи информации по

параллельным подканалам поднесущих сигнала OFDM.

OFDM представляет собой множество узкополосных разнесенных по частоте

сигналов-поднесущих (subcarrier) (рис.3.4).

Рис.3.4. Спектр радиосигнала с одной несущей (а) и OFDM (б)

OFDM сигнал формируется следующим образом. Некоторая высокоскоростная

последовательность импульсов первоначально делится на множество параллельных

цифровых потоков с импульсами большой длительности (рис3.5).

6

Рис.3.5. Формирование OFDM сигнала

Каждая вновь образованная последовательность импульсов модулирует по

амплитуде и по фазе QAM гармонику (FFT-1), несущим информацию о передаваемых

данных. Далее сигнал с множеством поднесущих преобразуется с помощью Digital

Analog Converter (DAC) в высокочастотный аналоговый радио сигнал и передается по

беспроводному каналу связи.

Операция ортогонального частотного мультиплексирования с математической

точки зрения представляет собой операцию FFT-1

- дискретного обратного быстрого

преобразования Фурье. С физической точки зрения мультиплексирование переводит

временные импульсы time domain в частотное распределение frequency domain. На

приемной стороне происходит обратная операция преобразования в промежуточную

частоту, демультиплексирования и демодуляции широкополосного сигнала.

Важнейшим отличием OFDM технологии от простого разделения радиосигнала

по нескольким параллельным частотным каналам является ортогональность

поднесущих в групповом спектре OFDM сигнала. Физический смысл

ортогональности заключается в подмешивании в структуру каждой поднесущей

специальной метки - определенного уникального количества синусоидальных

колебаний сигнала, различающихся по фазе на 90 град. (ортогональных функций),

позволяющего демультиплексору на основе анализа данных меток разделять

поднесущие сигналы даже в случае частичного перекрытия их частотных спектров.

Выделение несущих в общем спектре обычного многоканального сигнала вследствие

ограниченных технологических возможностей современных полосовых частотных

фильтров требует достаточно большого частотного разноса несущих, что

ограничивает увеличение их количества в заданной полосе частот. Выделение

несущих в групповом спектре OFDM сигнала при демультиплексировании

производится с помощью ортогональных преобразований сигналов. Это допускает

возможность перекрытия спектров соседних поднесущих, что позволяет значительно

увеличить частотную плотность их размещения в спектре сигнала и повысить

спектральную эффективность.

Использование OFDM, в принципе, не является специфичной особенностью

технологии WiMAX. Модуляция OFDM также применяется, например, в системах

Wi-Fi стандарта IEEE 802.11a/g. Однако OFDM в технологии WiMAX стандарта IEEE

802.16 имеет значительно большее число поднесущих, определяющих более высокую

спектральную эффективность систем WiMAX по сравнению с системами стандарта

IEEE 802.11a/g.

7

OFDM сигнал в WiMAX сетях фиксированного доступа стандарта IEEE 802.16-

2004 имеет до 256 поднесущих, в сетях мобильного WiMAX стандарта IEEE 802.16e -

до 2048 поднесущих, а в системах Wi-Fi стандарта IEEE 802.11a/g - всего лишь 64

поднесущих. Следует отметить, что большинство систем широкополосного

беспроводного доступа BWA предыдущего поколения (так называемые preWiMAX

системы) базируются на чипсете стандарта IEEE 802.11a. Все модификации и

усовершенствования систем Wi-Fi, позволяющие их использовать для целей BWA,

выполняются на программном уровне. Тем самым, сигналы preWiMAX, также как и

Wi-Fi, имеют всего 64 поднесущих. Это означает, что WiMAX сети имеют

приблизительно в три и более раз большую спектральную эффективность по

сравнению с Wi-Fi и preWIMAX системами. Тем самым, предел скорости передачи

данных на физическом уровне сети при использовании канала связи одинаковой

ширины в системах WiMAX более чем в три раза выше, чем в системах preWiMAX и

Wi-Fi. Так теоретический предел скорости передачи канала WiMAX стандарта IEEE

802.16-2004 шириной 10 МГц (128 поднесущих) составляет около 36 Mbps. Предел

скорости передачи данных системы на базе чипсета Atheros стандарта IEEE 802.11a,

используемого в Wi-Fi и pre-WiMAX в канале связи 20 МГц (64 поднесущих)

составляет примерно 30 Mbps, и, соответственно, в канале связи шириной 10 МГц (32

поднесущих ) - менее 15 Mbps.

На рис. 3.6 представлены зоны обслуживания различными модуляциями

фиксированных абонентов сети WiMAX в диапазоне частот 5 ГГц. Так обслуживание

абонентов, оснащенных внешней направленной антенной на самой скоростной

модуляции 64QAM3/4, поддерживающей максимальную символьную скорость и

соответвующую скорость передачи данных, обеспечивается на дальности до 25 км,

16QAM1/2 - на дальности до 40-45 км. Тем самым, дальность обслуживания на

скоростных модуляциях 64QAM и 16QAM в сети WiMAX в четыре и более раз

больше соответствующих дальностей обслуживания на аналогичных модуляциях

систем preWiMAX.

Рис. 3.6. Зоны обслуживания сети WiMAX

8

Способность поддержки той или иной модуляции зависит от многих

параметров связи, и, в первую очередь, от энергетических параметров системы.

Как видно из диаграммы созвездия модуляции QAM, чем выше тип модуляции,

тем меньше по амплитуде и фазе отличаются векторы соседних значений

передаваемого символа. Тем самым, для безошибочного приема символа (приема с

некоторым допустимым уровнем ошибок) требуется более мощный сигнал, а точнее,

более высокое отношение мощности сигнала к шуму.

Каждый тип модуляции для передачи символа с уровнем ошибок, не

превышающего определенного максимального значения, требует определенного

минимального значения отношения уровня сигнала к шуму Signal/Noise Ratio (SNR

или S/N). Помимо SNR часто используется практически идентичное обозначение

данного отношения - СNR Carrier/Noise Ratio или C/N.

Каждый тип модуляции характеризуется требуемым уровнем отношения

сигнала к шуму SNR, необходимому для передачи бит информации с ошибками Bit

Error Rate (BER) не выше некоторого допустимого уровня. На рис. 3.7 представлены

зависимости отношения SNR от битовых ошибок для каждого типа модуляции /1/.

Рис. 3.7. Зависимость отношения сигнал/шум от битовой ошибки

Для систем WiMAX стандарт IEEE 802.16 определяет максимально

допустимый уровень битовой ошибки равный BER=10-6

(процент приема ошибочных

бит информации не более 0,005%).

Стандарт IEEE 802.16-2004 определяет для поддержки модуляции 64QAM3/4

на уровне ошибок не выше BER=10-6

c учетом коррекции ошибок FEC=3/4 значение

отношения сигнал/шум для OFDM сигнала SNR равное 24.4 dB. Для поддержки

остальных более низких типов модуляции требуются, соответственно, более низкие

значения SNR. Более поздний стандарт IEEE 802.16e-2005 задает для фиксированных

WiMAX OFDM более низкое значение SNR=21 dB для 64QAM3/4 с BER=10-6, и

SNR=20 dB для 64QAM3/4 для мобильных сетей WiMAX OFDMA. Для поддержки

самой низкой модуляции BPSK1/2 стандарт IEEE 802.16e-2005 определяет требуемый

SNR равный 3 dB.

9

Отметим, что стандарт IEEE 802.16e-2005 описывает требования не только к

мобильным OFDMA сетям WiMAX, а также содержит новые требования к

фиксированным OFDM сетям WiMAX.

Для получения требуемого уровня SNR мощность сигнала на входе приемника

системы должна быть выше соответствующего для того или иного типа модуляции

порогового уровня чувствительности.

Пороговый уровень чувствительности Rx приемника для систем OFDM для

модуляции, например, 64QAM3/4 определяется как/2/:

Rx 64QAM3/4 = No + SNR64QAM3/4 + 10 log (BWef) + Nf + Implementation Loss, dBW;

(1)

где SNR64QAM3/4 требуемый уровень отношения SNR для модуляции

64QAM3/4=21 dB;

No = 10 log (kTo) = -144 dB (W/MHz) - Receiver Noise Floor спектральная

плотность мощности теплового шума приемника, kTo - закон равномерного

распределения;

Nf - значение собственного шума приемника (noise figure) равное -8 dB (IEEE

802.16e-2005). Ранее считалось, что Nf = -6 dB, в также Nf = -7 dB по стандарту IEEE

802.16-2004.

Значение Implementation loss равно 5 dB. Эта величина отражает так

называемые потери реализации, учитывающие неидеальность приемника, ошибки

квантования, фазовый шум и др.

BWef - 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. Для канала

шириной 10 МГц без subchannelization (используются все поднесущие) BWef = 11.52

МГц, 10 log (BWef) = 10.61dB.

Итак,

Rx 64QAM3/4 = -101 + SNR64QAM3/4 + 10 log (BWef), dBm; (2)

Тем самым требуемый для поддержки модуляции 64QAM3/4 пороговый

уровень чувствительности системы WiMAX OFDM стандарта IEEE 802.16e-2005 при

implementation loss 5 dB c шириной канала 10 МГц составляет 69.4 dBm, при

SNR64QAM3/4 = 21 dB. Для мобильного WiMAX OFDMA по стандарту IEEE 802.16e-

2005 требуемое отношение SNR64QAM3/4 = 20 dB и, соответственно, Rx64QAM3/4 = -70.4

dBm. По стандарту IEEE 802.16-2004 эта величина ранее составляла 68 dBm и

SNR64QAM3/4 = 24.4 dB. Отметим, что приведенные выше значения чувствительности

справедливы для приемника мобильного WiMAX, не использующего технологию

разнесенного приема MIMO.

Таким образом, для поддержки некоторой модуляции уровень OFDM сигнала

на входе приемника Receive Strength Signal Level (RSSL) в полосе пропускания канала

BW должен превышать соответствующий этой модуляции уровень чувствительности.

Что равносильно тому, что входной сигнал на величину SNR отношения сигнал/шум

превышает уровень теплового шума с учетом внутреннего шума приемника и потерь

реализации.

10

Таким образом, для поддержки модуляции 64QAM3/4 уровень OFDM сигнала

на входе приемника Receive Strength Signal Level (RSSL) должен быть для систем

WiMAX согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 не ниже уровня чувствительности

69.4 dB (SNR64QAM3/4=21 dB) в полосе ширины канала BW=10 МГц.

Реальные системы WiMAX обычно имеют более высокий по сравнению с

требованиями стандарта уровень чувствительности, поскольку значение потерь

реализации implementation loss 5 dB в стандарте несколько завышено. Например,

чувствительность базовой станции системы Airspan MicroMAX SOC 5 GHz в канале

шириной 10 МГц для 64QAM3/4 составляет -76 dBm (при SNR64QAM3/4 = 21 dBm), что

соответствует практически идеальному приемнику (Implementation loss близко к

нулю) при уровне собственных шумов noise figure равном -5 dB. Чувствительность

системы Axxcelera AB-MAX 5 GHz в канале шириной 10 МГц для 64QAM3/4

составляет 72.7 dBm. Чувствительность системы (абонентского терминала) UNIDATA

MAXBridge CPE 5 GHz (стандарт IEEE 802.16e-2005) составляет 70.5 dBm.

В принципе, система может поддерживать модуляцию 64QAM3/4 и при

значительно (на несколько dB) более низких значениях сигнала, но при этом уровень

битовой ошибки будет хуже значения BER=10-6

.

Каждая система характеризуется параметром, называемым системным

усилением System Gain, определяющим максимальную дальность связи. Системное

усиление определяется как:

System Gain = Tx - Rx;

где Tx - выходная мощность передатчика системы; Rx - чувствительность

приемника системы.

Тем самым, системы WiMAX имеют на 5-10 dB выше системное усиление (при

равенстве значений Tx выходной мощности передатчика).

Для расчета дальности связи используют уравнение бюджета канала связи Link

Budget. Данное уравнение связывает уровни мощности на входе приемника RSSLRX и

выходной мощности передатчика Tx, находящихся друг от друга на расстоянии D:

RSSLRX = TX + GTX + GRX - LRX –LTX – LD, dBm; (3)

где TX - выходная мощность передатчика, dBm;

GTX - коэффициент усиления антенны передатчика, dBi;

GRX - коэффициент усиления антенны приемника, dBi;

LRX, LTX - СВЧ потери мощности сигнала, соответственно, в приемнике и

передатчике, в кабеле, разъемах и др.;

LD - потери в dB на пути распространения радиоволн на дальность D км.

Например, в условиях Line Of Sight (LOS) потери мощности сигнала в

свободном пространстве рассчитываются как,

LD = 20 log (4πD / λ), dB;

где λ - длина волны.

В условиях Non Line Of Sight (NLOS) потери рассчитываются по более

сложным формулам.

11

Поскольку система поддерживает связь на модуляции 64QAM3/4, если уровень

сигнала на входе приемника RSSLRX будет выше уровня чувствительности RX, то

согласно выражению Link Budget (3) для этого необходимо, чтобы

RSSLRX - FM = TX + GTX + GRX - LRX - LTX - LD - FM ≥ RX, dBm;

LD ≤ TX - RX + GTX + GRX - LRX - LTX - FM;

где FM - запас по замираниям fade margin.

В реальных системах вследствие замирания сигнала из-за многолучевого

распространения радиоволн обычно требуется, чтобы уровень сигнала RSSL

превышал уровень чувствительности сигнала на некоторую величину, называемую

запасом по замираниям Fade Margin (FM). В системах WiMAX для поддержки

модуляции 64QAM3/4 сигнала OFDM достаточно запаса fade margin равное 1 dB.

Таким образом, для работы на дальности D км, потери распространения

радиоволн должны быть меньше величины:

LD ≤ System Gain + Усиление антенн - СВЧ потери - Fade Margin

Таким образом, чем выше System Gain системное усиление и меньше

требуемый запас по замираниям Fade Margin, тем больший бюджет линка имеет

система и соответственно, тем больше дальность связи.

Системы WiMAX имеют бюджет линка Link Budget на 10-20 dB больше,

нежели системы preWiMAX. Как известно, увеличение Link Budget на 6 и 12 dB

увеличивает дальность связи, соответственно, LOS и NLOS в два раза.

На канальном (MAC) уровне сети WiMAX используется частотный FDD

(Frequency Division Duplex) или временной TDD (Time Division Dupleх) метод

разделения сеансов приема-передачи данных и протокол множественного

(многостанционного) доступа Time Division Multiply Access (TDMA).

Оборудование FDD для дуплексного приема и передачи радиосигнала

использует различные полосы частот, разнесенные в системах WiMAX, как правило,

на 100 МГц. В оборудовании TDD для приема и передачи используется один и тот же

частотный канал с разделением сеанса приема передачи по фиксированным

временным интервалам. Временной метод реализации дуплекса получил большее

распространение в системах WiMAX . В оборудовании стандарта IEEE 802.16

диапазона частот 5 ГГц также реализуется временный TDD метод поддержки

дуплекса. Далее мы будем рассматривать системы TDD WiMAX.

Протокол множественного доступа применяется для обеспечения работы

сиcтемы в топологии точка-много точка (multi point). Протокол определяет процедуру

распределения канала связи между множеством абонентов при их доступе к ресурсам

базовой станции. Различают временное разделение Time Division Multiply Access

(TDMA), частотное разделение Frequency Division Multiply Access (FDMA), кодовое

разделение Code Division Multiply Access (CDMA), случайный коллизионный метод

доступа Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) и

маркерный протокол доступа (polling).

Протокол CSMA/CA достаточно хорошо работает в локальных беспроводных

сетях Wireless LAN. В сетях Metropolitan Access Network (MAN) использование

12

данного протокола неэффективно и при увеличении количества абонентов (свыше 20)

и высоком трафике приводит к деградации сети.

В сетях WiMAX применяется протокол TDMA. Принцип работы данного

протокола прост и эффективен. Каждому абонентскому терминалу для работы с

базовой станцией (устройством доступа) выделяется фиксированный квант времени.

Длительность квантов времени, период и моменты их следования (тайминг) в

системах WiMAX фиксированы. Параметры тайминга для каждого абонентского

терминала определяются в процессе процедуры RANGING подключения терминала к

базовой станции. Тайминг и большая часть задач диспетчеризации обслуживания

абонентов, наиболее чувствительных к задержкам, реализуется аппаратно на

канальном уровне непосредственно чипсетом IEEE 802.16. Высокоуровневые задачи

диспетчеризации, в частности, при реализации QoS, решаются на программном

уровне в system board устройства доступа.

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. 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.

В системах WiMAX все фреймы данных c различной модуляцией имеют

одинаковую длину, определяемую величиной frame size. При этом все абоненты и все

фреймы при отсутствии приоритезации и QoS, независимо от поддерживаемой

модуляции, имеют равные возможности доступа к системе. Тем самым, в

множественном доступе TDMA WiMAX все абоненты получают одинаковое

количество фреймов одинаковой длины независимо от типа модуляции. Различия в

скорости передачи данных достигается не за счет большего количества

обрабатываемых в единицу времени фреймов данных с тем или иным типом

модуляции, как это по большей части имеет место в сиcтемах на базе IEEE 802.11, а

за счет более высокой символьной скорости или большего количества информации,

переносимой идентичными по размеру фреймами (пакетами данных) в единицу

времени. Таким образом, обслуживание системой WiMAX (без приоритезации)

находящихся на больших дальностях с низкоскоростной модуляцией абонентов не

приводит к деградации обслуживания более высокоскоростных абонентов, как это

имеет место в BWA системах, работающих в диапазоне частот 2.4 ГГц (IEEE 802.11

b/g).

Следующим важным преимуществом реализации протокола множественного

доступа TDMA WiMAХ по сравнению с системами preWiMAX является

использование агрегации фреймов – bursting. Агрегация фреймов заключается в

объединении нескольких фреймов в один пакет – burst. Это сокращает межфреймовые

интервалы и увеличивает общую скорость передачи данных.

Таким образом, реализация канального MAC уровня систем WiMAХ

ориентирована на эффективное применение в сетях MAN.

13

Исторически разработка систем BWA на базе Wi-Fi чипсета в конце 1990-х

годов была вызвана желанием производителей уменьшить стоимость оборудования

для применения в сетях MAN. Оборудование Wi-Fi было уже стандартизовано и

поэтому было значительно дешевле оборудования с более эффективными для целей

BWA протоколами множественного доступа, в частности, TDMA оборудования.

Сегодня оборудование BWA c протоколом TDMA, получившее название WiMAX,

стандартизовано (IEEE 802.16). Очень скоро стоимость чипсета и аппаратной

платформы оборудования IEEE 802.16 вследствие массового производства и, в

первую очередь это касается абонентских терминалов, станет сопоставимым со

стоимостью устройств Wi-Fi. Когда это произойдет, системы preWiMAX на базе

аппаратной платформы Wi-Fi будут вытеснены с рынка BWA системами WiMAX во

всех диапазонах частот. Системы Wi-Fi будут продолжать работать в сегменте

локальных сетей Wireless LAN офисного, домашнего или мобильного в пределах

здания (сети Hot Spot) применения, для которого они собственно изначально и были

предназначены.

Таким образом, в сегменте фиксированного беспроводного широкополосного

доступа BWA системы WiMAX стандарта IEEE 802.16-2004 (802.16e-2005) имеют

неоспоримые технологические преимущества в реализации протоколов физического и

канального уровня по сравнению с системами предыдущего поколения.

Лидирующие позиции WiMAX в сегменте фиксированного BWA не вызывают

сомнений с технологической точки зрения, и имеющийся опыт эксплуатации

подтверждает это. На сегодняшний день актуальным остается только вопрос

снижения стоимости оборудования, в первую очередь, абонентских терминалов.

Помимо фиксированного доступа системы мобильногоWiMAX стандарта IEEE

802.16e претендуют также на роль технологического лидера в мобильной связи,

составляя конкуренцию системам 3G.

В системах мобильной связи на канальном уровне используется протокол

TDMA, FDMA, а также CDMA. В методе доступа FDMA каждый абонент работает на

своем отдельном частотном канале, не конфликтуя с другими абонентами. Метод

кодового разделения абонентских каналов CDMA применяется в мобильной связи, а

также в некоторых системах фиксированного доступа BWA. Принцип разделения

каналов связи не по времени, не по частоте, а по различиям в кодах, заложенных в

структуру широкополосных сигналов при их формировании, является достаточно

необычным для традиционной радиосвязи. Различные методы множественного

доступа можно представить как разговор множества людей, находящихся в одной

комнате. При реализации временного метода люди в одной комнате говорят

поочередно. Кодовое разделение можно представить как одновременный разговор

многих людей на разных языках, что позволяет всем людям слышать и понимать

своего собеседника. Частотное разделение можно представить как выделение для

каждой пары собеседников отдельной комнаты. Метод FDMA хотя и позволяет

обеспечить наивысшее качество связи, но требует высоких затрат частотного ресурса,

что для большинства современных приложений неприемлемо.

Следует отметить, что долгое время более эффективным, нежели протокол

TDMA, считался протокол CDMA. Действительно, с математической точки зрения

разделение абонентских каналов по их коду более эффективная операция, нежели по

любым другим параметрам радиосигнала. Однако в данном случае подвела физика.

Оказалось, что реализация данного протокола доступа сопровождается сильной

14

взаимной интерференцией между абонентскими каналами связи, которая может

привести к деградации системы при увеличении количества обслуживаемых

абонентов. То есть, возвращаясь к нашему сравнению, одновременный разговор

людей в одной комнате на разных языках при увеличении количества

разговаривающих людей рано или поздно приводит к росту общего шума, при

котором никому ничего не слышно.

Вообще проблема высокой взаимной межканальной 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, так называемым

―бутылочным горлом‖ технологии 3G.

Сети мобильного WiMAX стандарта IEEE 802.16e-2005 помимо традиционного

протокола мультиплексирования TDMA дополнительно используют возможности

OFDM и механизма работы с неполным составом поднесущих, когда разные группы

абонентов используют разные подканалы со своим набором поднесущих OFDM

радиосигнала. При этом, различные поднесущие независимо друг от друга несут

полезную информацию для разных абонентских терминалов не только для UL канала,

но и для DL канала. Данный способ множественного доступа и мультиплексирования

каналов получил название OFDM Access (OFDMA). Тем самым, при OFDMA доступе

одновременно используется протоколы временного и частотного разделения

множественного доступа (мультиплексирования абонентских каналов). При этом, в

отличие от классического протокола FDMA частотного мультиплексирования,

протокол доступа OFDMA, также как и OFDM сигнал с множеством поднесущих,

использует ортогональное частотное мультиплексирование, что значительно снижает

требования к частотному разносу поднесущих и абонентских подканалов.

В системах мобильного WiMAX количество поднесущих OFDM сигнала,

используемых при OFDM доступе увеличено до величины 1024 и 2048. Тем самым

применение протокола доступа OFDMA значительно увеличивает количество

одновременно обслуживаемых абонентских устройств по сравнению с обычными

системами с TDMA доступом. Кроме того, использование части поднесущих

уменьшает ширину канала связи, что увеличивает чувствительность приемника

системы и энергетику канала связи.

Реализация протокола OFDMA позволяет системам WiMAX реально

претендовать на роль системы мобильной связи нового поколения. При невысоких

требованиях к скорости передачи, например, только для поддержки голосового

трафика, система WiMAX может обслуживать абонентов на всего лишь нескольких

поднесущих с шириной канала связи, а следовательно и чувствительностью

приемника и дальностью связи, сопоставимой с узкополосными GSM системами

мобильной связи. Тем самым, система мобильного WiMAX при предоставлении

исключительно голосовых услуг может работать, как минимум, не хуже систем GSM

предыдущего поколения, если проводить оценку по такому параметру как дальность

15

и качество связи. При этом система мобильного WiMAX является масштабируемой

Scalable OFDMA, то есть если энергетика линка (link budget) с некоторыми

абонентами позволяет увеличить количество используемых поднесущих, то это

происходит динамически по мере сокращения дальности между абонентскими

терминалами и базовой станцией. В свою очередь повышение количества

используемых поднесущих увеличивает пропускную способность абонентского

канала связи, что позволяет помимо телефонии также предоставлять и другие типы

сервиса, например, высокоскоростную передачу данных, мультимедийные сервисы.

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 пакета burst). 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, снижает уровень

межканальной интерференции.

Таким образом, высокая эффективность сетей WiMAX достигается за счет

использования OFDM радиосигнала с множеством поднесущих с наиболее

скоростной модуляцией QAM на физическом уровне и применения протокола

множественного доступа TDMA/OFDMA на канальном 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.

16

Заключение

4.1 Особенности мобильного WiMAX

4.1.1 Замирания от переотражений

4.1.2 Доплеровский эффект

4.1.3 Хендовер

4.2 Перспективы применения технологии WiMAX в 4G

4. Особенности мобильного WiMAX:

4.1.1. Замирания от переотражения;

Одним из ключевых преимуществ технологии WiMAX, обеспечиваемое

применением OFDM сигнала, является возможность эффективной работы канала

связи в условиях отсутствия прямой видимости Non Line Of Sight (NLOS) между

базовой станцией Base Station (BS) и абонентским терминалом Subscriber Station (SS).

Возможность сетей WiMAХ работать в условиях NLOS обусловлена

устойчивостью сигнала OFDM c множеством поднесущих к многолучевому

распространению радиоволн, имеющему место вследствие переотражений сигнала от

препятствий между BS и SS.

Многолучевое распространение приводит к так называемым замираниям

(―федингам‖ fade), когда радиосигнал многократно переотражаясь от препятствий

приходит в точку приема с различной амплитудой, временной и фазовой задержкой.

Переотраженные сигналы, складываясь в противофазе, приводят к снижению уровня

(замиранию) амплитуды результирующего сигнала.

Для борьбы с замираниями используются различные методы. Так в системах

Wi-Fi стандарта IEEE 802.11b (сигнал с одной несущей) иcпользуется метод

разнесенного приема (antenna diversity), когда прямой и отраженные сигналы

принимаются на две антенны, разнесенные на половину длины волны. В GSM и

CDMA системах (с одной несущей) применяются сложные эквалайзеры и фильтры.

Наиболее эффективным способом борьбы с замираниям является использование

OFDM сигнала с множеством поднесущих.

Временные задержки импульсов поднесущих и их сложение с различными

фазами на приемной стороне приводит к снижению (замираниям) в течении

некоторого времени амплитуды поднесущих (bust time fading), которые в результате

ортогональных преобразований трансформируются (рис. 4.1) в замирания (burst

frequency fading) поднесущих в некоторой полосе частотного спектра (рис. 4.2).

Искажения поднесущих, получаемые вследствие замираний данного типа, получили

название межсимвольной интерференцией Inter-Symbol Interference (ISI).

Рис. 4.1. Преобразование временных замираний в частотные в приѐмнике

OFDM сигнала

17

Рис. 4.2. Частотные и временные замирания сигналов

Эффективная селекция переотраженных сигналов (эхоподавление),

поступающих с некоторой временной задержкой, может быть выполнена при наличии

достаточного защитного временного интервала между моментами прихода импульсов

сигналов. Длительность такого интервала должна превышать максимальное (или

среднее) время задержки времени (delay spread) прихода переотраженных сигналов.

Для условий офиса в локальных беспроводных сетях типичное время задержки

составляет 20-200 нс, в системах BWA в условиях городской застройки - 5-10

микросек, 0.2 мс в сельской местности.

Защитный временной интервал в системах OFDM WiMAХ стандарта IEEE

802.16 регулируется величиной Cyclic Prefics (CP), определяющей отношение между

длительностью импульса поднесущей и защитным интервалом. Максимальное

возможное значение CP=1/4 соответствует максимально возможной в системах

WiMAX величине защитного интервала, превышающего среднюю временную

задержку импульсов поднесущих и обеспечивающего эффективное подавление

межсимвольной интерференции ISI в условиях плотной городской застройки.

Минимальный CP=1/32 - соответствует минимально возможному защитному

интервалу, обеспечивающему эхоподавление при отсутствии множественных

препятствий между передатчиком и приемником на расстояниях в несколько

километров.

Защитный интервал в системах Wi-Fi и preWiMAX, использующих Wi-Fi радио

стандарта IEEE 802.16a/g с сигналом OFDM, выбирается на основе типовых задержек

переотражений сигналов в условиях офисного применения. Тем самым параметры

OFDM сигнала в системах WiFi и preWiMAX c Wi-Fi радио не позволяют эффективно

бороться с типовыми для городской застройки задержками сигналов и,

соответственно, обеспечивать эффективную работу в отсутствии прямой видимости в

городских условиях.

Следует отметить, что увеличить такой защитный интервал, например,

производителем Wi-Fi чипсета, для получения возможности эффективной работы в

городских условиях, технологически невозможно. Дело в том, что достаточно

длительный защитный интервал в системах WiMAX может быть установлен

благодаря большой длительности импульсов OFDM поднесущих стандарта IEEE

802.16, в сотни и тысячи раз больший, нежели в системах стандарта IEEE 802.11a/g.

Большая длительность имеет место вследствие более низкой скорости следования

импульсов поднесущих, что, в свою очередь, получено вследствие разделения

исходной высокоскоростной последовательности на большее количество (256 и

более) параллельных поднесущих OFDM WiMAX по сравнению с 64 поднесущими

OFDM Wi-Fi. Тем самым, 64 поднесущие сигнала OFDM Wi-Fi представляют собой

18

очень короткие импульсы, следующие с высокой скоростью, что не позволяет

увеличивать их длительность и период их следования до требуемой величины для

отличных от офиса применений. Вместе с тем в отдельных случаях, в сельской

местности с низкой плотностью застройки, параметры ISI, определяемые величинами

задержек от переотражений, могут соответствовать офисному применению, и Wi-Fi и

preWiMAX системы могут таки работать в условиях NLOS.

Как бы эффективно не работала система подавления межсимвольной

интерференции, ошибки замираний все равно возникают. Для устранения этих и

других ошибок применяется метод коррекции FEC (forward error correction),

основанный на использовании избыточных кодов. Однако коррекция может быть

применена для устранения только одиночных ошибок. В случае замираний обычно

имеет место групповая ошибка, когда одновременно искажаются нескольких

последовательно следующих друг за другом импульсов (burst) поднесущих (рис. 4.2).

Для решения этой проблемы применяется метод устранения ошибок interleaving,

когда в передатчике поднесущие OFDM перемешиваются в случайной порядке

(рандомизация), а в приемнике их исходная последовательность восстанавливается.

При этом групповые искажения на приемной стороне разносятся по частотному

спектру поднесущих, приобретая одиночный характер, и могут быть устранены

применением корректирующих кодов FEC. Метод interleaving тем более эффективен,

чем большее количество поднесущих включено в процесс рандомизации. Тем самым

OFDM сигнал WiMAX вследствие большого количества поднесущих гораздо более

устойчив к ошибкам вообще и ошибкам замирания сигналов в частности, по

сравнению с OFDM системами Wi-Fi и preWIMAX.

4.1.2. Доплеровский эффект;

Важнейшим источником межсимвольной интерференции OFDM сигналов

являются частотные искажения поднесущих от сигналов передатчиков движущихся

объектов вследствие эффекта доплеровского смещения частоты.

Эффект Доплера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых

приѐмником, вызванное движением их источника и/или движением приѐмника. Его

легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с

включѐнной сиреной. Предположим, сирена выдаѐт какой-то определѐнный тон, и он

не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит

именно тот тон, который издаѐт сирена. Но если машина будет приближаться к

наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и

наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаѐт сирена. В тот

момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, тот услышит тот самый

тон, который на самом деле издаѐт сирена. А когда машина проедет дальше и будет

уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон,

вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно

принимать во внимание движение как источника так и приѐмника волн относительно

этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения

которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение

источника и приѐмника.

19

В случае электромагнитных волн формулу для частоты выводят из уравнений

специальной теории относительности. Так как для распространения

электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать

только относительную скорость источника и наблюдателя.

где с — скорость света, v — относительная скорость приѐмника и источника

(положительная в случае их удаления друг от друга).

В системах WiMAX данная проблема решается методом, аналогичным

подавлению замираний, путем увеличения количества поднесущих до 1024. Это

позволяет эффективно обслуживать движущие объекты, то есть мобильных

абонентов.

Таким образом, использование OFDM сигнала с большим количеством

поднесущих, позволяет системам WiMAX эффективно обслуживать пользователей в

условиях отсутствия прямой видимости, а также движущихся (мобильных)

абонентов.

4.1.3. Хэндовер.

Хэндовер (эстафетная передача, переход МС от одной БС к другой) необходим в

ряде ситуаций. Наиболее типичные – при движении МС условия в радиоканале с

текущей БС стали ниже допустимых и/или хуже, чем с соседней БС.

Либо текущая БС не обеспечивает заданные параметры QoS и ее необходимо

сменить на соседнюю. Однако прежде чем МС сможет переключиться от одной БС к

другой, ей нужно найти и выбрать новую базовую станцию. Чтобы упростить МС

поиск соседних БС, каждая базовая станция, поддерживающая мобильность,

периодически рассылает специальное сообщение – анонс соседей (Neighbor

Advertisement). В этом сообщении перечислены все соседние БС и их профили,

включая режимы работы (например, OFDM или OFDMA, размер БПФ, ширина

полосы, номер канала, частотная литера, эквивалентная мощность в антенне и т.п.),

особенности процедуры хэндовера для каждой БС, вид поддерживаемых классов

сервиса и т.д.

Сервисная БС по запросу от МС назначает ей специальные временные

интервалы, в течение которых МС анализирует обстановку на предмет поиска

соседних БС для хэндовера. Такие интервалы называют интервалами сканирования.

Интервалы сканирования могут перемежаться с интервалами нормальной

работы. При запросе интервалов сканирования МС может перечислить базовые

станции (например, из списка, сообщенного сервисной БС), условия связи с которыми

она будет анализировать.

При сканировании возможна процедура ассоциирования. Это опциональная

функция, которая позволяет МС получить и сохранить физические параметры и

свойства QoS опрашиваемых БС. Сохранение этих параметров упрощает и ускоряет

хэндовер. Причем сервисная БС в сообщении о предоставлении интервалов

сканирования сама может указать базовые станции, с которыми МС должна

ассоциироваться (так называемое прямое ассоциирование).

Стандарт определяет три уровня ассоциирования.

20

Уровень 0 – это обычное (некоординированное) ранжирование. МС во время

интервалов сканирования выполняет процедуру ранжирования соседних БС

(указанных в запросе на интервал сканирования). При ранжировании МС посылает

специальное тестовое сообщение, на которое БС отвечает своим сообщением. При

этом МС определяет отношение сигнал/шум в канале, мощность принятого сигнала,

время задержки и т.п. Запросы базовым станциям посылаются в заданные интервалы

опроса, но на конкурентной основе (как при начальном ранжировании при

установлении соединения). Поэтому нет гарантии, что такой запрос дойдет до

конкретной БС с первого раза.

Координированное ассоциирование (уровень 1) подразумевает участие в

сканировании сервисной базовой станции. Этот уровень может быть реализован как

по запросу от МС, так и назначен самой БС. Сервисная БС запрашивает соседние БС

об удобном для них времени проведения ранжирования. В ответ соседние БС

передают сервисной БС уникальный CDMA-код для запроса ранжирования (для

режима OFDMA) и условия передачи запроса (фактически, номер фрейма, в котором

конкретная БС передаст карту восходящего канала UL-MAP, где указан нужный

момент начала запроса). Эти условия и CDMA-коды сервисная БС сообщает МС, и та

уже сама в заданное время общается с соседними БС.

Ассоциирование с уведомлением по сети (уровень 2) похоже на

координированное ассоциирование. Но в отличие от уровня 1, МС при ранжировании

достаточно передать только CDMA-код и не нужно дожидаться ответа от соседней

БС. Все соседние БС, получив запрос, передают информацию о физических

параметрах (таких как параметры для коррекции времени отправки сообщения,

частоты, уровня мощности передатчика МС, доступные уровни QoS и др.) сервисной

БС по магистральной межстанционной сети. Сервисная БС собирает эти данные и

передает их МС в одном сообщении.

Сканирование и ассоциирование – это процедуры, предшествующие хэндоверу.

Они позволяют сформировать список соседних БС и выбрать из них одну для

предстоящего переключения. Собственно процедура хэндовера включает несколько

стадий:

выбор ячейки (на основе непосредственного сканирования или

ассоциирования);

решение о начале хэндовера и инициация этой процедуры;

синхронизация с выбранной БС;

установление соединения (регистрация);

разрыв соединения с предыдущей сервисной БС.

Завершение хэндовера МС подтверждает специальным сообщением. МС может

прервать процедуру хэндовера в любой момент до отправки финального сообщения.

Важно отметить, что решение о начале процедуры хэндовера способна принять

МС, серсвисная БС или система управления сетью. Базовая станция может

инициировать хэндовер на основе оценки необходимых МС канальных ресурсов и

QoS. Эти требования МС соотносятся с возможностями сервисной и соседних БС.

Если собственных ресурсов не хватает, а у соседней БС они есть, сервисная БС

заставляет МС переключиться на соседнюю БС. Сервисная БС знает о возможностях

своих соседей благодаря информационному обмену по магистарльной

межстанционной сети. Причем БС может предоставить МС такую информацию в

ответ на ее запрос о хэндовере.

21

При установлении соединения с выбранной БС выполняется либо процедура

начальной регистрации в сети, либо сокращенная процедура регистрации при

хэндовере.

Упростить регистрацию можно благодаря тому, что сервисная БС по

магистральной сети передает выбранной БС информацию о МС, устанавливающей с

ней соединение. При этом удается опустить такие этапы начальной регистарции, как

аутентификация, определение ключа для криптозащиты трафика, сам запрос на

регистрацию и др.

Выше была описана базовая процедура хэндовера. Однако стандарт

предусматривает две опциональные функции – так называемый макро-

диверсифицированный хэндовер (Macro diversity handover – MDHO) и быстрое

переключение между базовыми станциями (Fast Base Station Switching – FBSS).

Все БС, поддерживающие режимы MDHO и FBSS, должны синхронизироваться

на основе единого опорного источника и работать в одном частотном диапазоне.

В режиме MDHO МС может одновременно работать с несколькими БС

(диверсификация). Каждая из них должна передавать МС одинаковые пакеты. Для

этого формируется список БС, способных поддерживать такой обмен с заданной МС,

– лист диверсификации (Diversity Set). У каждой БС из одного списка есть вся

информация о МС, которую БС получает при начальной регистрации МС (включая

аутентификацию). То есть, если МС зарегистрирована на одной БС, она

автоматически регистрируется на всех БС, включенных в список диверсификации.

Среди БС из списка диверсификации одна станция назначается анкерной. Для

обмена с несколькими БС мобильная станция должна постоянно принимать

управляющую информацию (как минимум, карты нисходящего/восходящего каналов

и управляющие заголовки). В режиме MDHO это возможно двумя способами. Первый

метод – МС следит только за управляющей информацией анкерной БС. В этом случае

сообщения DL- и UL-MAP анкерной БС должны содержать данные о расположении

пакетов, адресованных данной МС от всех БС из листа диверсификации.

Второй метод подразумевает, что МС контролирует управляющую информацию

всех активных БС из листа диверсификации. Но тогда в картах DL/UL-МАР каждой

из них должна быть информация о расположении пакетов других БС. Базовые

станции, поддерживающие режим MDHO и входящие в один лист диверсификации,

должны работать с общим набором идентификаторов соединений CID.

Отметим, что описанный базовый хэндовер – это частный случай MDHO, когда

в лист диверсификации входит всего одна БС.

Режим FBSS отличается от MDHO тем, что МС может работать одновременно

только с одной БС из списка диверсификации – с анкерной БС. Анкерной станцией

может быть любая БС из списка диверсификации. Смена анкерных станций в режиме

FBSS (переключение) происходит очень быстро, поскольку для этого не требуется

каких-либо процедур синхронизации и регистрации. Для смены анкерной БС

мобильная станция использует либо специальное управляющее сообщение, либо

короткое информационное сообщение по специальному каналу быстрой обратной

связи.

22

4.2. Перспективы применения технологии WiMAX в 4G.

В сотовой связи смена поколений выражена намного более ярко, чем, скажем, в

индустрии персональных компьютеров или другой подобной техники. В мобильном

мире все четко: 1G (первое поколение) — это аналоговая связь (стандарт NMT). 2G —

поколение цифровой связи с коммутацией каналов (стандарты GSM и CDMA). Третье

поколение — 3G (стандарт UMTS) — предусматривает наряду с коммутацией

каналов и пакетную передачу данных. К семейству 4G, как правило, относят

технологии, которые позволяют передавать данные в сотовых сетях со скоростью

выше 100 Мбит/сек. В широком понимании 4G — это еще и технологии

беспроводной передачи интернет-данных Wi-Fi (скоростные варианты этого

стандарта) и WiMAX (в теории скорость может превышать 1 Гбит/сек). В наиболее

распространенном сейчас в мире стандарте сотовой связи GSM/EDGE (2G) предел

скорости передачи данных составляет всего 240 Кбит/сек. В сетях третьего поколения

(3G), развернутых сейчас только в Европе, США и некоторых странах Азии (Япония,

Тайвань, Сингапур), скорость составляет до 7-14 Мбит/сек.

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. 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. Для

обеспечения необходимой скорости используются частоты 40 и 60 GHz. Создатели

приемопередающего оборудования для 4G применили испытанный в цифровом

вещании прием — технологию мультиплексирования с ортогональным разделением

частот OFDM. Такая методика манипулирования сигналом позволяет значительно

«уплотнить» данные без взаимных помех и искажений. При этом происходит

разбиение по частотам с соблюдением ортогональности: максимум каждой несущей

волны приходится на тот момент, когда соседние имеют нулевое значение. Этим

исключается их взаимодействие, а также более эффективно используется частотный

спектр — не нужны защитные «противоинтерференционные» полосы. Для передачи

сигнала применяется модуляция со сдвигом фазы (PSK и ее разновидности), при

которой пересылается больше информации за отрезок времени, или квадратно

амплитудная (QAM), более современная и позволяющая выжать максимум из

пропускной способности канала. Конкретный тип выбирается в зависимости от

требуемой скорости и условий приема. Сигнал разбивается на определенное

количество параллельных потоков при передаче и собирается при приеме.

Для уверенного приема и передачи на сверхвысоких частотах планируют

применять так называемые адаптивные антенны, которые смогут подстраиваться под

конкретную базовую станцию. Но в условиях города таким антеннам в определении

правильного направления могут помешать замирания сигнала — его искажения,

возникающие в процессе распространения. Здесь выручает еще одна особенность

OFDM — стойкость к замираниям (для разных типов модуляции есть свой запас на

замирания). Возможна и работа в условиях отсутствия прямой видимости, что так

23

мешает телефонам стандарта GSM. Недостатки OFDM — чувствительность к

доплеровским искажениям и требовательность к качеству электронных компонентов.

Наиболее технически развитые страны сейчас активно переходят на

использование 3G, а во многих сетях уже применяется технология, получившая

обозначение 3,5G. В коммерческой эксплуатации уже более 90 соответствующих

сетей. 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.

Эксперты отмечают, что на пути введения в эксплуатацию сетей 4G есть ряд

препятствий. Во-первых, на рынке мало абонентских устройств. Такие телефоны,

если бы существовали, потребляли бы слишком много энергии и не могли бы долго

работать на аккумуляторах (сейчас подобные проблемы есть и у 3G-устройств). Во-

вторых, скоростной доступ в Интернет и видеосервисы потребуют больших по

размеру и более качественных дисплеев, чем те, которые устанавливаются в

телефоны сейчас. Но главная проблема все же носит принципиально иной характер.

Дело в том, что капиталовложения в развертывание сетей четвертого поколения

должны быть намного солиднее, чем в 2G и даже в 3G. Между тем, инвесторы, в том

числе и венчурные, пока осторожничают — они не уверены в должной

экономической отдаче от 4G-проектов. К тому же, некоторые производители

предлагают «скрестить» 4G и беспроводные широкополосные сети. В разных

ситуациях пользователь будет иметь возможность выбирать наиболее подходящие

способы подключения. Но в любом случае в основном варианте использования 4G

технология Wi-Fi получит грозного конкурента.

Новые возможности в передаче огромных объемов данных, которые

предоставляются технологиями группы 4G, уже сейчас заставляют поставщиков

мобильного контента задуматься о расширении своего бизнеса. Если сегодня

основным товаром на этом рынке являются мелодии и простенькие игры, то

появление 4G сделает намного более актуальным мобильное телевидение, video-on-

demand (VOD — «видео по запросу»), «продвинутые» игры и т.п. Кроме того,

благодаря 4G станут возможны мобильные видеоконференции (видеочаты) и

мобильные peer-to-peer-сети. По прогнозам исследовательской компании Screen

Digest, к 2011 году во всем мире будет насчитываться по меньшей мере 140 млн

подписчиков сервисов мобильного телевидения. Ежегодный совокупный доход этого

рынка через пять лет достигнет показателя в 4,7 млрд евро. Аналитики полагают, что

потенциально сервисы мобильного ТВ могут приносить гораздо большую прибыль,

чем игры и музыка для сотовых аппаратов.