Глава 4

 

СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА 802.1 бе. МОБИЛЬНЫЙ WiMAX

 

В настоящем разделе дан краткий обзор систем мобильной связи — мобиль­ный WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access — Всемирный доступ для взаимодействия микроволновых сетей) — на основе стандарта ШЕЕ 802.16е, приводятся рабочие характеристики минимальной основной конфигурации на основе этого стандарта [62, 103, 127]. Мобильный WiMAX может обеспечить скорость в десятки мегабит в секунду для основных кон­фигураций базовых станций, реализованных согласно системе стандартов (системному профилю) беспроводной связи ШЕЕ 802.16, известной также под общим названием WiMAX. Высокая скорость позволяет эффективно мультиплексировать данные и уменьшить задержки по времени при передаче данных.

Ниже будут рассмотрены основные новые технические решения, напри­мер, адаптивные антенные системы (AAS — Adaptive Antenna System), кото­рые значительно улучшают рабочие характеристики, но без подробного ана­лиза последних.

Сервисные службы, которые могут поддерживать системы на основе WiMAX, включают широкополосные услуги, требующие высоких скоростей передачи данных, включая потоки видео и VoIP, с высоким качеством об­служивания.

Характеристики мобильного WiMAX предполагают взаимодействие меж­ду ним и широкополосными проводными системами, включая цифровые або­нентские линии, использующие технологии xDSL. Важным требованием для успеха проекта является обеспечение услуг мобильного Интернета.

Наращиваемая архитектура, высокая производительность при передаче данных и низкая, по сравнению с другими системами, стоимость услуг, ис­пользующих широкополосные системы, делают мобильный WiMAX лидером беспроводных широкополосных услуг. Другие преимущества WiMAX за­ключаются в открытой структуре стандартов, «дружественных» интерфейсах и обеспечении здоровой экосистемы.

Множество компаний внесли свой вклад в развитие технологии и часть из них объявили планы развития этой технологии, что гарантирует удовлетво­рение другого важного требования для успеха использования технологии — низкую стоимость мобильного Интернета.

 

4.1.  Основные характеристики и свойства

 

Для общего представления ниже приведены основные характеристики мобильного WiMAX, после чего они будут рассмотрены более детально.

Технология мобильного WiMAX базируется на двух стандартах — на стандарте ШЕЕ 802.16-2004 (Air Interface Standard) и принятом 7 декабря 2005 года стандарте IEEE 802.16e-2005, который будет играть ключевую роль при построении широкополосной радиосети города. Первый центр по серти­фикации систем этого стандарта развернут в лаборатории Cetecom Labs (Ма­лага, Испания).

7 декабря 2005 IEEE ратифицировал поправки к стандарту IEEE 802.16, на­званные IEEE 802.16е. Эти поправки расширяют требования и перечень харак­теристик, необходимые для обеспечения работы мобильных абонентов Wi­MAX [53]. Базируясь на поправках IEEE 802.16е, касающихся мобильности, WiMAX Forum определил основные характеристики и профиль сертификации (рис. 4.1). Для наземной сети он определил архитектуру, необходимую для то­го, чтобы осуществить мобильные соединения WiMAX «из конца в конец».

Мобильный WiMAX — это система беспроводной связи, которая допус­кает и обеспечивает конвергенцию (постепенное сближение) мобильной ши­рокополосной и стационарной сетей на основе технологии радиодоступа и гибкой архитектуры сети.

В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортогональ­ный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обеспечивает хоро­шие характеристики в условиях многолучевости и отсутствия прямой види­мости. Этот метод доступа [3, 22] заключается в том, что последовательный поток информации из N символов разбивается на п блоков по N/n символов в каждом, причем символы разных блоков передаются параллельно, каждый на своей поднесушей. Преимущество данного метода состоит в том, что он по­зволяет снизить до минимума или полностью исключить межсимвольные ис­кажения, возникающие в радиоканале.

Для того, чтобы дать возможность наращивать пропускную способность канала от 1,25 до 20 МГц поправками IEEE 802.16e был введен метод под на­званием «наращиваемый OFDMA» (S-OFDMA — Scalable OFDMA). Группа WiMAX Forum, которая занимается обеспечением мобильности, раз­работала системные профили, оговаривающие обязательные и дополнитель­ные характеристики, необходимые для построения гибкого радиоинтерфейса. Системный профиль мобильного WiMAX позволяет создавать мобильные системы на основании общей базы и общего набора характеристик, которые гарантируют полностью совместимые основные функциональные возможно­сти для терминалов и базовых станций.

Некоторые из характеристик системных профилей необязательны, они обеспечивают гибкость при создании сетей и устройств на базе различных сценариев и оптимизируют их характеристики в конкретных условиях.

Группа NWG (Network Working Group), входящая в WiMAX Forum и за­нимающаяся сетевыми вопросами, определила спецификации высшего уров­ня, помимо тех, которые определены в стандартах IEEE 802.16 для радиоин­терфейса. Объединение усилий разработчиков IEEE 802.16 и WiMAX Forum помогло найти решения для установления WiMAX-соединения «из конца в конец» для мобильных объектов.

Мобильные системы WiMAX предлагают технологии и архитектуру, обеспечивающие наращиваемость радиодоступа и сетевых услуг, поддержи­вая таким образом большую гибкость сетей.

Некоторые из существенных характеристик, которые обеспечиваются мобильным WiMAX, приведены ниже.

Высокая скорость передачи данных обеспечивается применением: MIMO (Multi Input — Multi Output) антенны в сочетании с гибкими схемами каналообразования, усовершенствованным кодированием и модуляцией. Все это позволяет технологии мобильного WiMAX поддерживать пиковую ско­рость данных до 63 Мбит/с по направлению «вниз» и пиковую скорость дан­ных до 28 Мбит/с в направлении «вверх».

Качество обслуживания (QoS) является фундаментальным условием ар­хитектуры протоколов доступа к среде (ШЕЕ 802.16 MAC — Media Access Control). Качество обслуживания в системе WiMAX определяется примене­нием метода DiffServ — дифференцированного обслуживания, который явля­ется стандартизированным методом для поддержки служб с различными уровнями качества. При этом трафик разделяется с помощью меток на не­сколько групп в зависимости от QoS.

Мобильный WiMAX предусматривает применение многопротокольной коммутации с использованием меток (MPLS — Multiprotocol Label Switch­ing). Эта технология использует метки в пакетах данных и позволяет созда­вать выделенные коммутируемые потоки. Ее применение позволяет осущест­влять IP-соединения с учетом QoS. Оптимальное использование времени, пространства и частоты обеспечивается механизмом образования подгрупп каналов на заданное время (subcanalization) и сигнализацией по ОКС, исполь­зующей специальные сигнальные протоколы прикладного уровня MAP (Mo­bile Application Part).

Наращиваемость. Технология WiMAX разработана таким образом, что она способна наращивать число каналов и работать при различных методах формирования каналов в спектре от 1,25 до 20 МГц, чтобы удовлетворить различным требованиям к использованию диапазона.

Все это позволяет достичь выгодных экономических решений в конкрет­ной географической зоне, например, обеспечить доступный беспроводной Интернет в сельской местности, предоставить мобильную связь в пригородах с малой плотностью абонентов и т.п.

Безопасность. Применяемые средства безопасности являются лучшими в классе расширяемых протоколов аутентификации (ЕАР — Extensible Authen­tication Protocol). Эти методы основаны на применении дополнительных средств кроме SIM-карты (одноразовые маркеры, цифровые подписи и пр.). Схемы шифрования основаны на усовершенствованном стандарте шифрова­ния AES (Advanced Encryption Standard) и коде аутентификации сообщений на основе хеширования (НМАС — Hash based Message Authentication Code). Эти методы поддерживают различные средства аутентификации: SIM- или USIM-карты, интеллектуальные карты (Smart Card), цифровые подписи, схе­мы «пользователь-пароль».

Мобильность. Мобильный WiMAX поддерживает оптимальные схемы передачи соединения (хэндовера) с временами задержки менее 50 миллисе­кунд, что гарантирует работу приложений реального масштаба времени, та­ких как VoIP. Они выполняются без ухудшения качества обслуживания. Гиб­кие схемы управления ключами гарантируют безопасность в процессе пере­дачи соединения.

 

4.2.         Основы ортогонального многостанционного доступа с частотным разделением каналов — OFDMA

 

Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов базируется на системе мультиплексирования OFDM.

Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM — Orthogonal Fre­quency Division Multiplexing) — методика мультиплексирования, которая раз­деляет полосу канала на множество поднесущих частот [3, 5]. как показано на рис. 4.2.

В системе OFDM входной поток данных разделен на несколько парал­лельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличе­нием продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте. Протокольная единица, передаваемая с помощью одной несущей, называется символом. Увеличенная продолжительность символа улучшает устойчивость OFDM, уменьшая максимальный разброс между дли­тельностью символов, предаваемых с помощью разных несущих.

Основные устройства, обеспечивающие модуляцию с несколькими несу­щими по принципу OFDM, показаны на рис. 4.2. Каждый подканал работает на своей несущей частоте. Если обозначить частоту первой несущей ω, то, вторая несущая будет иметь частоту 2ω, и т.д. для п-го канала эта частота бу­дет равна п ω.

Если для каждого из п подпотоков применить квадратурную модуляцию, то получим п квадратурных (ортогональных) функций типа akcos kωt + + bkSin kωt. Если функции всех подканалов просуммировать, то получим функцию, сходную с функцией, называемой рядом Фурье:

Функция, полученная в результате модуляции, отличается от ряда Фурье тем, что она конечна. Для увеличения точности обработки и исключения вза­имного влияния каналов реальная функция дополняется «префиксом», со­держащим несколько значений ряда Фурье (псевдоканалов). Он устанавлива­ется перед последовательностью квадратурных сигналов. Это увеличивает точность получения функции x(t) и позволяет более четко отделять подкана­лы друг от друга.

Сумма функций, полученных в результате модуляции, «свертывается» с помощью обратного преобразования Фурье в одну функцию x(t), которая преобразуется в цифровую форму и передается в линию.

На приемном конце происходит преобразование из цифровой формы в аналоговую, выполняется прямое преобразование Фурье, квадратурные функции каждого канала демодулируются и собираются в одну последова­тельность, Как было сказано, для устранения межсимвольной интерференции вводится циклический префикс (СР). Он добавляется в начало каждого OFDM-символа (рис. 4.3) и представляет собой циклическое повторение окончания символа. Наличие циклического префикса создает временные пау­зы между отдельными символами, и, если длительность «охранного» интер­вала превышает максимальное время задержки сигнала в результате много­лучевого распространения, межсимвольной интерференции не возникает.

Циклический префикс является избыточной информацией и в этом смыс­ле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указан­ная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в пере­датчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.

 

 

4.3.         Структура и формирование OFDMA-подканалов

 

Структура подканала OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) [51, 52] содержит три типа поднесущих частот, как показано на рис. 4.4:

- поднесущие информационные частоты для передачи данных;

- поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для измерений и це­лей синхронизации);

- нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот.

Активные поднесущие частоты (информационные и пилот-с и гнала) сгруппированы в поднаборы поднесущих частот, называемые подканалами. Поднесущие частоты, формирующие один подканал, могут, но не должны, быть смежными. Основная нагрузка и сигналы управления передаются в под­каналах.

 

Пилот-сигналы распределяются в зависимости от способа распределения поднесущих и направления потока.

При формировании подканалов в направлении «вниз» применяются сле­дующие способы:

- каналообразование   с   полным   использованием   поднесущих   частот (FUSC — Fully Used Subcanalization);

- каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC — Partly Used Subcanalization);

- смежные перестановки поднесущих адаптивной модуляции и кодирова­ния (АМС — Adoptive Modulation and Coding).

Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего набо­ра несущих частот выбирается только часть. Устройства (например подвиж­ные станции) работают, занимая только часть полосы. В этом случае вся из­лучаемая мощность концентрируется только в используемой полосе, что при­водит к увеличению излучаемой мощности на каждую поднесущую. Для пе­редачи информации в направлении «вверх» в городских условиях это дает дополнительный запас на замирания.

Подканалы в направлении «вниз» могут работать с различным приемни­ками, подканалы в направлении «вверх» могут работать с различными пере­датчиками.

Существуют два типа подканалов, формируемых из поднесутцих частот:

- смежные;

- с разнесением.

В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые нахо­дятся в диапазоне частот рядом. При формировании подканала с разнесением выбираются номиналы поднесущих частот для каждого канала в соответст­вии с псевдослучайной последовательностью. Это обеспечивает разнесение по частоте и усредняет межсотовую интерференцию.

 

 

 

4.3.1.  Наращиваемый OFDMA

 

Режим передачи информации согласно стандарту ШЕЕ 802.16е-2005 основан на концепции наращиваемого (масштабируемого) OFDMA — S-OFDMA (Scalable OFDMA) [109]. Он поддерживает широкий диапазон пропускной способности и гибко приспосабливается к потребностям в различных диапа­зонах спектра.

Наращивание пропускной способности (числа передаваемых единиц ин­формации) поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразо­вания Фурье (БПФ — FFT — Fast Fourier Transform). Параметры S-OFDMA приведены в табл. 4.1. Техническая рабочая группа WiMAX Forum первона­чально запланировала разработку документов (профилей) для значений ши­рины каналов 5 и 10 МГц (выделены в табл. 4.1 серым цветом).

 

 

4.3.2.  Формирование подканала с полным использованием поднесущих частот в направлении «вниз»

 

Минимальной частотно-временной единицей формирования канала является один слот, который содержит 48 поднесущих. Это единица поддерживается физическим уровнем в обоих направлениях. В табл. 4.2 приводится пример [109] распределения поднесущих частот при их полном использовании для формирования подканала в направлении «вниз».

Для каждой полосы частот каналов выбирается количество частот, ис­пользуемых в преобразовании Фурье.

Число защитных поднесущих определяется величиной максимальной за­держки сигнала (см. рис. 4.3, 4.4). Для табл. 4.2 это время соответствует око­ло 17% от числа, указанного в строке «размер преобразования Фурье». Эти поднесущие распределяются на два примерно равных поднабора — один в начале, другой в конце. Например, для размера преобразования Фурье 2048 в табл. 4.2 выбрано число защитных поднесущих 345. Число используемых поднесущих частот получается вычитанием числа защитных поднесущих из их общего числа. В данном примере остается 1703 поднесущих.

Для подканалов с полным использованием поднесущих частот и направ­лением «вниз» сначала распределяются пилот-сигналы, а затем оставшиеся сигналы распределяются на подканалы данных. Число пилот-сигналов указы­вается в стандарте. В данном примере это число равно166.

Число поднесущих частот данных определяется кратным 48.

Число подканалов определяется числом поднесущих частот данных и длиной слота (48 поднесущих). В данном примере оно равно 32 (1536/48 = 32).

 

4.3.3.                  Распределение поднесущих с частичным  спользованием в направлении «вниз»

 

При использовании способа DL PUSC для каждой пары символов OFDM, доступных или используемых, поднесущие частоты сгруппированы в кла­стеры, содержащие  14 непрерывных поднесущих частот на один период символа. Пилот-сигналы и данные распределены в каждом кластере с учетом четных и нечетных символов как показано на рис. 4.5.

Результат распределения поднесущих частот приведен в табл. 4.3. В ней выделены поднесущие защитного интервала. Зная число несущих в каждом кластере, можно определить максимальное число кластеров (минимальное число показано через черту). По величине поднесущих кластера определяется число поднесущих для передачи данных и пилот-сигналов.

 

4.3.4.   Распределение поднесущих в направлении «вверх»

 

В данном случае для организации подканалов используется элемент, называе­мый «фрагмент» (tile ). Фрагмент компонуется из 4-х поднесущих. Для переда­чи 3-х символов OFDM используются приведенные на рис. 4.6 компоновки. Каждый символ отображается фрагментом, состоящим из четырех несущих.

Каждый подканал содержит 6 фрагментов по 4 поднесущих в каждом, ис­пользуемых в соответствии с рис. 4.6. Таким образом, для одного подканала используется 24 поднесущих. Для 3-х символов используется 24x3 = 72 под­несущих. Из этих поднесущих образуется слот, содержащий 48 поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот-сигнала.

При распределении поднесущих в направлении «вверх» возможно ис­пользование фрагментов, показанных на рис. 4.6, б, которые содержат 3 под­несущих на фрагмент, что немного увеличивает число подканалов.

 

4.3.5         Распределение поднесущих с помощью смежных перестановок

 

Смежная перестановка группирует блок смежных поднесущих частот, чтобы сформировать подканал. Блоки представляют собой наборы кодовых комбина­ций системы адаптивной модуляции и кодирования (АМС — Adaptive Modula­tion and Coding — адаптивная модуляция и кодирование) для направлений «вниз» (DL) и «вверх» (UL), которые имеют одну и ту же структуру, и содер­жат контейнеры, включающие в себя передаваемые символы. Контейнер со­стоит из 9 смежных поднесущих частот в символе. Из этих символов восемь предназначены для передачи данных и один для передачи пилота-сигнала.

Слот в АМС определен как совокупность контейнеров типа (NxM= 6), где N — число смежных контейнеров и М — число смежных символов. Та­ким образом, возможны следующие комбинации: 6 контейнеров, 1 символ; 3 контейнера, 2 символа; 2 контейнера, 3 символа; 1 контейнер, 6 символов.

Вообще, частичное или полное распределения поднесущей частоты дают хорошие результаты в мобильных приложениях, в то время как смежные пе­рестановки поднесущей частоты хорошо удовлетворяют приложениям с фик­сированным местоположением или с низкой подвижностью.

Чтобы подытожить рассмотрение вопроса о разделении поднесущих, за­метим, что после распределения проводится их нумерация [51, 52, 109]. Ну­мерация позволяет разместить логические поднесущие по физическим, при этом проводится перемежение. Поскольку мобильный WiMAX предусматри­вает работу с несколькими антеннами (этот метод будет рассмотрен ниже), нумерация допускает распределение поднесущих антеннам с применением пространственного кодирования.

 

4.3.6.       Зоны переключения

 

Гибкость использования мобильного WiMAX обеспечивается сегментирова­нием и созданием зон переключения.

Сегмент — это объединение части доступных OFDMA-n од каналов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы). Один сег­мент используется для установления единственного экземпляра процесса управления доступом к среде (MAC).

Зона переключения — множество смежных OFDMA-символов «вниз» или «вверх». В каждом из них использованы одни и те же методы разделения ка­налов.

Физический уровень ODFMA в пределах одного кадра обеспечивает ра­боту с зонами, которые используют различные методы разделения поднесу-щих, предоставляя возможность работы с терминалами различных станций.

Рис. 4.7 иллюстрирует структуру зоны памяти, которая обеспечивает на­бор поднесущих, используемых в сотах. Соты идентифицируются с помощью идентификатора соты (ID Cell X, ID Cell Y, ID Cell Z). Идентификаторы этих сот размещаются в преамбуле. Идентификатор с номером ID Cell 0 закреплен за широковещательными соединениями. В данном случае в начале области каждой соты размещены адреса поднесущих, соответствующих принципу частичного использвания, а потом адреса поднесущих, соответствующих принципу полного использования. Эти области памяти могут быть использо­ваны в зависимости от разработанной программы.

 

 

4.3.7.   Структура кадра TDD

 

Документы рассматриваемого стандарта для физического уровня IEEE 802.16е PHY предусматривают дуплексную передачу с временным разделе­нием (TDD — Time Division Duplex) и полудуплексную передачу по принци­пу «полудуплекс в частотным разделением» (HDFDD — Half-Duplex Fre­quency Division Duplex).

Однако в первую очередь разработан профиль, относящийся к TDD. Про­фили для принципа FDD будут предназначены только для тех стран, где TDD запрещен или где считается, что частотные методы работы предпочтительны для данной местности.

Для того, чтобы обеспечить устойчивую работу, метод TDD требует ши­роко развитой системы синхронизации. Однако он все же предпочтителен по следующим соображениям:

- предоставляет возможность регулировки отношения скоростей «вверх» и «вниз» и тем самым эффективного обслуживания асимметричного трафика; принцип FDD обеспечивает передачу в каждом направлении с фиксированной скоростью, и в общем случае скорость по направлению «вниз» равна скорости по направлению «вверх»;

- обеспечивает взаимодействие с системой антенн MIMO и другими про­грессивными технологиями антенн;

- в отличие от FDD, который требует парных каналов, принцип TDD тре­бует только одного канала по направлениям «вверх» и «вниз», что обес­печивает лучшую адаптацию в выделяемом спектре;

- реализация приемопередатчиков для TDD менее сложна, поэтому уст­ройства, реализующие этот принцип, дешевле.

Рис. 4.8 отображает структуру кадра для дуплекса с временным разделе­нием. Каждый кадр включает два подкадра — «вниз» и «вверх», разделенных промежутком передача/прием (TRG — Transmit/Receive Guard period) и при­ем/передача (RTG — Receive/Transmit Guard period) для предупреждения конфликтов.

Для нормальной работы в кадре содержится следующая информация.

Преамбула: используется для синхронизации, является первым OFDM-символом кадра. Преамбула содержит адреса отправителя и получателя, а также данные, необходимые для синхронизации.

Заголовок управления кадром (FCH — Frame Control Header); следует за преамбулой, содержит информацию о конфигурации кадра подсистемы мо­бильной связи, включая длину сообщения, схему кодирования, используемые подканалы.

Карты распределения информации для направлений DL-MAP и UL-MAP: содержат информацию о закреплении каналов и другую управляющую ин­формацию для направлений «вниз» и «вверх».

Порядок расположения информации UL (ranging): данные о подканале, передаваемые по направлению «вверх», время распространения по замкнутой петле, информация для настройки частоты, управления мощностью и запросы на дополнительное расширение полосы пропускания.

UL-индикатор качества канала {CQI— Channel Quality Indicator) предна­значен для регистрации информации о состоянии канала (обратной связи). Канал, по которому передается CQI называют CQICH.

Подтверждение UL АСК: информация подтверждения сообщений, кото­рые поступили по направлению «вниз».

 

4.4.   Основные процедуры WiMAX

4.4.1.   Процедуры физического уровня

 

Система мобильного WiMAX для того, чтобы увеличить объем и область применения мобильной связи, первая внедрила такие современные решения, как адаптивная модуляция и кодирование (АМС — Adaptive Modulation and Coding), гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — Hybrid Automatic Repeat Request) и индикатор качества канала (CQI), о которых бу­дет сказано ниже.

Мобильный WiMAX поддерживает различные виды модуляции. Для на­правления «вниз» обязательной является поддержка QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying — квадратурная фазовая манипуляция), 16QAM и 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation — квадратурная амплитудная модуляция). В направлении «вверх» может применяться 64QAM.

Для кодирования применяются:

- сверточное кодирование (СС — Convolution Coding);

- сверточное турбо-кодирование (СТС — Convolution Turbo Coding) с пе­ременной скоростью кода и повторным кодированием;

- блочное турбо-кодирование (ВТС — Block Turbo Coding);

- кодирование низкой плотности с проверкой на четность (LDPC — Low Density Parity Check Coding).

Табл. 4.5 содержит информацию о применяемых схемах кодирования и видах модуляции, реализуемых в мобильном WiMAX.

Комбинации различных модуляций и кодовых скоростей обеспечивают очень удобную настройку пропускной способности системы для передачи данных. Программа-планировщик базовой станции определяет соответст­вующую скорость данных (или параметры пакета). Это определяется для ка­ждого подмножества пакетов на основе размера буфера, состояния канала по оценке в приемнике и т.д.

Канал индикации качества канала (CQICH) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе-планировщику базовой станции. Информация о со­стоянии, передаваемая по этому каналу (CQI), может включать в себя: оценку интерференции и отношения сигнал/шум, выбор частоты и способа работы антенн (MIMO) для отдельного канала. При дуплексном режиме с временным разделением для адаптации каналов может использоваться процедура более точного измерения состояния каналов (периодическое зондирование состоя­ния каналов.).

Для улучшения пропускной способности системы применяется гибрид­ный автоматический запрос на повторную передачу (HARQ — Hybrid Auto-matic Repeat reQest). Он позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением. При использовании этого метода после отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное — АСК или отрицательное — NAK) источник передает следующий кадр или повторяет предыдущий. Многоканальный стартстопный режим с небольшим числом каналов — эффективный, простой протокол, который минимизирует память.

WiMAX обеспечивает сигнализацию, допускающую работу в асинхрон­ном режиме, что обеспечивает устойчивость работы в условиях переменной задержки При ретрансляции сигналов это дает больше гибкости программе-планировщику, но требует размещения избыточной информации в заголовке при каждой ретрансляции.

Гибридный автоматический повторный запрос совместно с каналом ин­дикации качества канала (CQICH), адаптивной модуляцией и кодированием обеспечивает помехоустойчивую линию связи. Эта линия с большим энерге­тическим запасом обеспечивает мобильную связь в различной окружающей среде при скорости передвижения свыше 120 км/час.

В табл. 4.6 приведены скорости передачи данных для каналов 5 и 10 МГц с PUSC-подканалами. Продолжительность кадра — 5 миллисекунд. Каждый кадр имеет 48 OFDM-символов. Из них 44 OFDM-символа предна­значены для передачи данных. Выделенные в таблице значения — это ско­рости данных для необязательного способа модуляции 64QAM в направле­нии «вверх».

 

 

4.4.2.   Управление доступом к среде

 

Стандарты IEEE 802.16 были разработаны для предоставления широкополос­ных услуг, включая речь, данные и видео.

Уровень управления доступом к среде MAC основан на испытанном вре­менем стандарте DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification — спецификации, интерфейса передачи данных по ТВ кабелю) [68] и может обеспечить передачу пульсирующего трафика данных с высоким пиковым запросом ресурсов. Пульсирующий трафик включает в себя передачу через один и тот же канал непрерывного потока видеоинформации и чувствительно­го ко времени задержки речевого трафика.

Ресурс, предоставляемый одному терминалу планировщиком MAC, мо­жет изменяться от единственного временного слота до полного кадра. Таким образом обеспечивается значительный динамический диапазон изменения ресурса пользовательского терминала в любой момент времени. Кроме того, распределение ресурса может изменяться на основании сообщений, переда­ваемых в начале каждого кадра, тем самым приспосабливая ресурсы к трафи­ку, имеющему внезапные пики нагрузки.

 

4.4.3.   Обеспечение качества обслуживания

 

Используя скоростные радиолинии, асимметричное соотношение между про­пускной способностью «вниз» и «вверх», тонкую настройку ресурса и гибкий механизм распределения ресурса, мобильный WiMAX может выполнить требования по качеству обслуживания (QoS) для широкого диапазона услуг пе­редачи данных и различных приложений.

На уровне управления доступом к среде качество обслуживания обеспе­чивается посредством сервисных потоков, как это показано на рис. 4.9. Они представляют собой однонаправленные потоки пакетов, которые обеспечи­вают конкретный набор параметров QoS.

Перед началом обслуживания некоторого типа данных базовая станция и пользовательский терминал устанавливают однонаправленное логическое со­единение между MAC с одинаковыми характеристиками (peer-to-peer). Далее MAC доставляет информацию по этому логическому соединению. Парамет­ры QoS, связанные с этим сервисным потоком, определяют порядок и плани­рование передачи по радиоинтерфейсу. В соответствии с параметрами этого потока могут динамически управляться характеристики сервиса. Такое управление должно обеспечивать качество обслуживания в обоих направле­ниях. Для потока с другим QoS устанавливается другой логический канал.

В табл. 4.7 показаны характеристики качества сервиса для различных приложений.

 

4.4.4.   Служба планирования управления доступом к среде

 

Служба MAC мобильного WiMAX разработана для эффективного предостав­ления широкополосных услуг, включая речь, данные, видео, по изменяюще­муся во времени каналу. Служба планирования MAC имеет следующие со­ставляющие:

Быстрый планировщик. Планировщик MAC должен эффективно распре­делить доступные ресурсы в ответ на изменение трафика и изменяющееся во времени состояние канала. Пакеты данных, связанные с обслуживанием по­тока, для которого точно определены параметры QoS на МАС-уровне, об­служиваются планировщиком так, чтобы порядок передачи пакетов через ра­диоинтерфейс был определен корректно.

Канач индикации качества канала при этом обеспечивает передатчику бы­струю обратную связь информации канала, что дает возможность планиров­щику выбрать соответствующее кодирование и модуляцию для каждого рас­пределения ресурсов.

Адаптивная модуляция/кодирование, объединенная с автоматическим за­просом повторной передачи, обеспечивает устойчивую передачу по изме­няющемуся во времени каналу.

 

4.4.5.   Управление мощностью

 

Мобильный WiMAX имеет два режима для управления мощностью — «спя­щий» режим и свободный режим.

«Спящий» режим — это состояние перед началом обмена с обслуживаю­щей базовой станцией по радиоинтерфейсу. Этот период характерен тем, что мобильная станция не готова к приему или передаче информации «вниз» или «вверх». «Спящий» режим предназначен для экономии мощности мобильной станции и ресурсов радиосети. Он предоставляет возможность MS сканиро­вать другие базовые станции, чтобы подготовить хэндовер в этом режиме.

Свободный режим — это механизм, позволяющий MS быть периодически доступной для связи «вниз» и приема широковещательных сообщений без регистрации в заданной базовой станции, когда MS пересекает зоны многих базовых станций. Достоинство свободного режима в том, что он устраняет лишние запросы на хэндовер и освобождает базовые станции и сеть от лиш­них работ по передаче вызова. В то же время он имеет возможность принять сигнал о необходимости приема трафика, направленного «вниз».

 

4.4.6.  Инициализация вызова и запрос полосы

 

Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радиополосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициали­зации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и перио­дически при работе подвижной станции для регулировки параметров, напри­мер, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.

В случае инициативы абонентской станции к базовой передается специ­альный запрос на инициализацию. (При входящей связи сигнал запроса на инициализацию не требуется). Приняв сигнал запроса, базовая станция начи­нает процесс инициализации. Вначале формируется псевдослучайная после­довательность. Эта последовательность формируется генератором псевдо­случайного кода с помощью циклического полинома. Всего для запроса пре­дусмотрен набор из 256 кодов. Код — последовательность бинарных симво­лов длиной 144 бита. Символы модулированы методом двоичной фазовой манипуляции (BPSK — Binary Phase Shift Keying). Для передачи этой после­довательности используется 6 смежных подканалов с 24 поднесущими каж­дый. В качестве исходных данных для формирования псевдослучайного кода используется идентификатор соты ID Cell. Значение самого кода зависит от момента обращения к генератору псевдослучайных чисел и числа тактов формирования последовательности.

Базовая станция формирует три последовательности кодов:

N — код процесса инициализации;

М — код процесса периодической подстройки;

L — код запроса полосы.

При начальной инициализации необходимы все три последовательности.

Получив наборы псевдослучайных кодов в соответствии с номером (иден­тификатором) базовой станции и картой распределения информации (UL-MAP), абонентская станция определяет местоположение различной ин­формации в сообщении. Абонентская станция случайным образом выбирает один код из предложенного множества и передает его обратно к базовой станции.

Различные абонентские станции могут конкурировать за пропускную поло­су, и их запросы могут прийти на базовую станцию одновременно. Базовая станция выбирает одну из них и посылает ей в ответ информацию. В ответном сообщении размещается следующая информация: полученный псевдокод, под­канал и номер того OFDM-сим вола, в котором был передан этот код. Абонент­ская станция, приняв это подтверждение, подготавливается к принятию ин­формации о выделяемом ресурсе. В следующем широковещательном сообще­нии передается информация: идентификатор соединения (CID -— Connection ID), идентификатор сервиса (SID), необходимые для контроля параметры. Да­лее абонентская станция начинает процедуру аутентификации и регистрации.

С учетом возможности поступления одновременных вызовов, код, вы­бранный абонентской станцией, транслируется в двух последовательных символах. Это обеспечивает интервал времени, достаточный для разрешения конфликта. В случае значительной вероятности одновременного поступления многих вызовов на базовую станцию указанный интервал увеличивают за счет посылки четырех последовательных сообщений.

Если передается сообщение периодической подстройки параметров, то оно передается в одном символе. Сообщение запроса полосы указывает но­мер полосы.

 

4.4.7.   Передача вызова (хэндовер)

 

Существует три метода передачи вызова, реализуемые стандартом IEEE 802.16e — жесткий хэндовер ННО (Hard Handover), быстрое переключение базовой станции FBSS (Fast Base Station Switching) и хэндовер с макроразнесением MDHO (Macro Diversity Handover). Из них, ННО — обязательный, a FBSS и MDHO — два необязательных (опциональных) режима.

В рамках стандарта IEEE 802.16е WiMAX Forum разработал несколько методов для того, чтобы оптимизировать жесткий хэндовер. Эти усовершен­ствования были введены с целью обеспечить время процедуры передачи вы­зова не более чем 50 мс.

Когда реализуется метод быстрого переключения базовой станции FBSS, мобильная и базовая станции обслуживают список станций, на которые мо­жет переключиться данная мобильная станция (MS). Набор, включенный в этот список, называется активным набором. MS непрерывно контролирует базовые станции в активном наборе. Среди базовых станций активного набо­ра есть станция, через которую мобильная станция может получить доступ к сети связи—- базовая станция привязки (ABS — Anchor Base Station). Когда мобильная станция работает по методу FBSS, она соединяется только с ABS для обмена сообщениями «вниз» и «вверх», включая сообщения технического обслуживания и сообщения трафика. Переход от одной ABS к другой BS (то есть, коммутация BS) выполняется без явного обмена сообщениями хэндовера.

Процедуры модификации ABS позволяют передать сообщение об интен­сивности сигнала обслуживающей BS через канал индикации качества канала CQICH.

Хэндовер по методу FBSS начинается с решения MS получить или транс­лировать данные от ABS, которые могут изменить активный набор. MS ска­нирует соседние базовые станции и выбирает те, которые могут быть вклю­чены в активный набор. Анализ списка выбранных станций (отчет) и проце­дура модификации активного набора выполняются совместно базовой и мо­бильной станциями. Мобильная станция постоянно контролирует интенсив­ность сигналов базовых станций, которые находятся в активном наборе, и выбирает одну из этого набора для того, чтобы она использовалась как ABS.

Мобильная станция сообщает о выборе ABS по каналу индикации качест­ва или мобильной станции, передавшей запрос о хэндовере. Важнейшее тре­бование FBSS состоит в том, чтобы данные передавались одновременно всем членам активного набора базовых станций, которые могут обслужить данную мобильную станцию.

Когда реализуется хэндовер с макроразнесением (MDHO), мобильная стан­ция может получить доступ к сети связи через станцию привязки. В этом ре­жиме мобильная станция обменивается в направлениях «вниз» и «вверх» од­нонаправленными и двунаправленными сообщениями, переносящими инфор­мацию, с единственной станцией, записанной в активный набор.

Хэндовер с макроразнесением начинается тогда, когда мобильная станция решает проводить обмен с несколькими станциями в одно и тоже время. Для направления «вниз» MDHO обеспечивает обмен сообщениями мобильной станции с двумя или более базовыми станциями, а объединение этих сообще­ний происходит на одной базовой станции. Для направления «вверх» сооб­щение от мобильной станции получается многими базовыми станциями, где выполняется определение ее новой ABS.

 

4.4.8.   Безопасность

 

Мобильный WiMAX обладает высоким классом безопасности, что реализует­ся лучшими из доступных на сегодняшний день технологиями. Реализованы следующие из них:

- взаимная аутентификация устройство/пользователь;

- протокол гибкого изменения ключей шифрования;

- глубокое шифрование трафика;

- управление и администрирование защиты сообщений;

- оптимальный протокол защиты для быстрого хэндовера. Основные средства и действия обеспечения безопасности следующие: Протокол управления ключами. Как определено в стандарте IEЕЕ 802.16е,

протокол конфиденциальности и управления ключами версии 2 (PKM.v2 — Privacy and Key Management protocol. Version 2) является основой безопасно­сти мобильного WiMAX. Этот протокол управляет безопасностью среды дос­тупа, используя сообщения запрос/ответ для процедур аутентификации РКМ. На этом протоколе основываются процедуры управления шифрованием тра­фика, изменения ключей при хэндовере и безопасность при групповой и ши­роковещательной рассылке.

Аутентификация устройство!пользователь. Мобильный WiMAX под­держивает протокол аутентификации устройств и пользователя, используя расширяемый протокол аутентификации ЕАР (Extensible Authentication Proto­col). Этот протокол обеспечивает работу с SIM- и USIM-картами, цифровыми подписями и системой «имя пользователя-пароль». Этот метод поддержива­ет обновление ключей.

Шифрование трафика. Для шифрования всех пользовательских данных используется усовершенствованный стандарт шифрования AES (Advanced En­cryption Standard). Ключ шифрования генерируется при процедуре аутентифи­кации и обновляется периодически, что улучшает защиту от перехвата ключей.

Защита управляющих сообщений осуществляется с помощью процедур шифрования, аналогичных процедурам шифрования трафика.

Поддержка быстрого хэндовера. Обеспечивается последовательностью проведения хэндовера, оптимальной схемой повторной аутентификации при хэндовере.

 

4.5.  Современные технологии мобильного WiMAX

4.5.1.   Технологии интеллектуальной антенны

 

Характеристики и принципы построения интеллектуальных антенн

 

Технологии интеллектуальной антенны включают в себя сложные алго­ритмы управления множеством антенн, функционирующих по векторному или матричному принципу (антенны с переключением, решетчатые антенны и т.п.). 0FDMA очень подходит для поддержания таких технологий. Факти­чески система со многими антеннами MIM0 и OFDMA являются основой для следующего поколения широкополосных систем связи.

В целях улучшения системных рабочих характеристик мобильный WiMAX поддерживает весь диапазон технологий интеллектуальной антенны. Для поддержания технологии интеллектуальной антенны применяются следую­щие процедуры:

Формирование диаграммы направленности. Путем формирования диа­граммы направленности система использует множество антенн для передачи сигналов, улучшающих охват и емкость системы и уменьшающих вероят­ность нарушения связи.

Коды пространство-время STC (Space-Time Code). Используются для того, чтобы обеспечить пространственное разнесение и оптимальный запас на замирания.

Пространственное мультиплексирование SM (Spatial Multiplexing). При­меняется для повышения скоростей и увеличения пропускной способности. При пространственном мультиплексировании множество потоков передается по множеству антенн. Если приемник также имеет множество антенн и может отделить различные потоки, это позволяет достигнуть высокой пропускной способности по сравнению с одиночной антенной. Использование системы MIMO 2x2 с пространственным мультиплексированием увеличивает пиковую скорость передачи данных вдвое, благодаря передаче двух потоков данных. В направлении «вверх» каждый пользователь имеет только одну передающую антенну. Два пользователя могут передавать совместно в одном и том же слоте, как будто два потока пространственно мультиплексированы от двух антенн того же самого пользователя. Такой способ называется совместным пространственным мультиплексированием «вверх».

Рабочие характеристики интеллектуальных антенн, используемых в мо­бильном WiMAX, приведены в табл. 4.8.

Мобильный WiMAX допускает адаптивный выбор (переключение) между этими вариантами для того, чтобы максимизировать преимущества техноло­гий с применением интеллектуальной антенны при различных состояниях канала. Адаптивный переключатель интеллектуальной антенны показан на рис. 4.10. Последовательность символов, поступающая на кодер, преобразу­ется символьным преобразователем в пространственную форму либо муль­типлексируется для передачи по подканалам. В соответствии с программой, заложенной в адаптивный преобразователь (например, согласно заданной матрице, отражающей пространственное разнесение подканалов), и в зависи­мости от текущего состояния каналов сигналы передаются по разным подка­налам. Они могут также использоваться для преобразования подканалов (на­пример, изменять диаграмму направленности элементов адаптивной антен­ны), что позволяет изменять параметры среды передачи с целью улучшения качества в соответствии с текущим положением каналов. Далее полученные сигналы распространяются по определенному закону (последовательно или в соответствии с заданной матрицей) в устройства обратного преобразования Фурье для пространственно-раздельной передачи по радиоинтерфейсу. На приемном конце пространственные сигналы объединяются, и происходит об­ратное преобразование и декодирование.

Пространственное мультиплексирование улучшает пиковую (при наи­лучших условиях состояния канала) пропускную способность.

Когда канал находится в плохом состоянии, вероятность ошибки на пакет (PER — Packet Error Rate) высока, и поэтому ограничена зона покрытия, где может быть выдержано расчетное значение PER. Пространственное мульти­плексирование (SM) и коды «пространство-время» (STC) [55] обеспечивают значительный охват независимо от состояния канала, но не улучшают пико­вую скорость данных.

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

Табл. 4.9 показывает теоретические пиковые скорости данных для раз­личных соотношений скоростей между направлениями «вниз» и «вверх» в предположении, что канал имеет полосу 10 МГц, 5-миллисекундные кадры содержат 44 символа (из общего количества 48 OFDMA-символов). В верхней строке таблицы показаны отношения распределения ресурсов «вниз» и «вверх» (DL/UL). Например, соотношение 1:0 показывает случай, когда сообщение направлено только «вниз» (от базовой станции к мобильной).

Образование каналов проводится по принципу частичного использования поднесущих PUSC. При использовании режима с несколькими антеннами 2x2 MIM0 в направлении «вниз» пиковая скорость теоретически удваивается. Максимальная пиковая скорость данных по направлению «вниз» 63,36 Мбит/с. При совместном пространственном мультиплексировании по направлению «вверх» пиковая общая скорость от объединенного устройства (секторная скорость) удваивается, в то время как скорость передачи от каж­дого пользователя остается неизменной. Пользовательская пиковая скорость передачи данных и секторная пиковая скорость по направлению «вверх» рав­ны соответственно 14,11 Мбит/с и 28,22 Мбит/с. Применяя различные соот­ношения скоростей DL/UL по направлениям, можно адаптировать пропуск­ную способность канала.

Можно отметить крайние случаи использования канала только по направ­лению «вверх» или только по направлению «вниз», но они редки.

Профиль WiMAX определяет отношение DL/UL в пределах от 3:1 до 1:1 для различных типов трафика. Применяемые пиковые скорости передачи данных вероятнее всего будут находиться между этими двумя крайними слу­чаями. Пиковая скорость часто используется для описания емкости канала и хороша для сравнительных целей. Однако нужно отметить, что практически достижимые пиковые скорости данных могут быть ниже. Это зависит от за­данного типа трафика, условий распространения и интерференции.

 

Варианты разнесения

 

Для борьбы с замираниями физический уровень OFDMA с помощью адаптивного набора антенн обеспечивает различные варианты разнесения по различным путям следования (второго и четвертого порядка), т.е. организа­цию нескольких каналов (двух, четырех и т. д.) для передачи и приема одной и той же информации.

Передача информации по нескольким антеннам позволяет увеличить зону покрытия и пропускную способность системы. При этом она сводит к мини­муму перерывы в работе системы связи, благодаря формированию диаграм­мы направленности лучей и нулевому перекрытию передаваемых сигналов.

Варианты разнесения включают набор методов, основанных на разнесе­нии второго и четвертого порядков в направлении «вниз», разнесении второ­го порядка в направлении «вверх», которые могут гибко варьироваться в за­висимости от требуемой емкости и зоны покрытия. Набор методов может включать в себя алгоритмы с применением и без применения обратной связи. Физический уровень OFDMA осуществляет также пространственное мульти­плексирование, обеспечивающее максимальное использование спектра.

 

Усовершенствованная система антенн

 

Физический уровень OFDMA обеспечивает варианты алгоритмов управ­ления адаптивной антенной системой: сканирование массива распределения (diversity-map scan) и метод прямой сигнализации (direct signaling method). Сканирование массива распределения поддерживает все методы распределе­ния поднесущих (с полным использованием поднесущих — FUSC, с частич­ным использованием поднесущих — PUSC, смежную перестановку подне­сущих частот). Метод прямой сигнализации обеспечивает регулировку разде­ления несущих на поднесущие с помощью сигналов управления.

Рассмотрим метод сканирования массива распределения при применении разделения поднесущих путем смежных перестановок. На рис. 4.11 показана зона массива распределения адаптивной антенной системы (AAS) для под-кадра, передаваемого в направлении «вниз». В этом подкадре образуются секции для обмена без использования AAS (non-AAS) и для обмена с исполь­зованием AAS. В первых трех подканалах содержится служебная информация, характеризующая всю данную зону антенной системы. В подканалах с номе­рами 4 и N-4 (где N — последний логический канал предыдущего пакета) раз­мещается массив распределения адаптивной антенной системы. Для передачи этой информации выделяются специальные подканалы. Для метода распреде­ления поднесущих PUSC/FUSC выделяются старшие каналы. Для методов смежной перестановки — четвертый канал от начала и четвертый от конца.

На рис. 4.11 показана конфигурация с четырьмя антеннами. Каждый из показанных форматов передается в сообщениях, которые содержат преамбу­лу зоны антенной системы и карту распределения, повторенную четыре раза для того, чтобы обеспечить четыре группы распределения поднесущих (че­тыре антенны).

 

В части формата, которая передает информацию зоны адаптивной антен­ной системы (префикс), содержится местоположение базовой станции, ис­пользуемое при выделении полосы для абонентской станции. В режиме дуп­лексной передачи с временным разделением (TDD) базовая станция может извлечь информацию, которая обеспечивает формирование диаграммы на­правленности луча антенны для ответного сообщения на запрос абонентской станции об инициализации вызова и выделении полосы. В режиме дуплекс­ной связи с частотным разделением (FDD) это осуществляется с помощью сообщений обратного запроса абонентской станции и ответа на запрос. От­ветное сообщение содержит: индикатор напряженности поля полученного сигнала, данные об интерференции вместе со значением отношения сиг­нал/шум. Эта информация передается от абонентской станции к базовой.

При использовании метода прямой сигнализации по специально выделен­ным подканалам доступа и распределения полосы частот BWAA (Bandwidth Allocation/Access) передается информация, содержащаяся в UL- и DL-картах. В этом методе предусмотрены четыре специальных кодовых сообщения: про­верка (тренировка) обратного соединения RLT (Reverse Link Training), доступ при обратном соединении RLA (Reverse Link Access), проверка (тренировка) прямого соединения FLT (Forward Link Training) и инициирование прямого соединения FLI (Forward Link Initiation). Первые два сообщения использует абонентская станция (MS), вторые два — базовая станция (BS). Для началь­ной инициализации или запроса полосы первая посылает сообщение RLA в канал BWAA. Оно предшествует сообщениям запроса полосы или начально­го доступа и используется базовой станцией для точной настройки своей ан­тенной системы на данную абонентскую станцию. В ответ BS передает со­общение FLI — уникальный код для каждой MS (BS может сама иницииро­вать соединение, послав FLI). Последнее сообщение транслируется в подка­нале, выделенном для данной MS. Каждая абонентская станция сканирует все подканалы и, обнаружив по кодовой последовательности адресованное ей со­общение начальной инициализации, отправляет в ответ в том же самом кана­ле (в отведенном для нее временном интервале) последовательность RLT, предназначенную для точной настройки антенн BS на MS в данном подкана­ле. В результате, выполнив все необходимые подстройки, BS и MS устанав­ливают соединение, в течение которого происходит обмен данными. Причем пакетам данных предшествуют тренировочные последовательности: FLT — со стороны BS и RLT — со стороны MS.

 

Передача информации с разнесением

 

OFDMA обеспечивает разнесение четвертого порядка по направлению «вниз» и второго порядка (по двум антеннам) по направлению «вверх». В основу разнесения положен принцип пространственно-временного кодирования STC (Space Time Coding) и код со скачкообразной перестройкой частоты FHDC (Frequency Hopping Diversity Cording).

Стандарт не определяет число используемых антенн, поэтому не устанав­ливает методы указанного выше кодирования. Однако пространственное коди­рование в настоящее время основано на алгоритме Аламоути (S.M. AJamouti) [55]. Этот алгоритм предназначен для передачи потоков сигналов по двум ан­теннам. Он исходит из того, что потоки передаются попеременно по каждой из антенн. Порядок передачи определяется двумерной матрицей (i, Д где i — номер антенны, j — номер потока сигналов. Для того, чтобы не было интер­ференции между этими потоками, каждый из них преобразуется следующим образом — на приемном конце одноименные потоки, полученные по разным антеннам, складываются с применением весовых коэффициентов, соответст­вующих текущему качеству каждой составляющей. Для преобразований бо­лее четвертого порядка аналогично применяются матрицы и преобразования соответствующего порядка.

Механизм кода со скачкообразной перестройкой частоты заключается в том, что при переходе к другой антенне поток может быть передан по друго­му пути со сменой набора поднесущих. При этом используется информация, заложенная в матрицу.

 

4.5.2.   Частичное повторное использование частоты

 

Для того, чтобы максимально использовать спектр, мобильный WiMAX до­пускает повторное использование частоты, то есть работу нескольких сот на одной и той же частоте. Однако, следует отметить, что такой режим может привести к большой межканальной интерференции, особенно на краях сот.

Пользователи мобильного WiMAX могут работать по подканалам, кото­рые занимают небольшую долю всей полосы пропускания канала. Базовая станция соты, у которой возникают проблемы пограничной межканальной интерференции, может реконфигурировать подканал. Поэтому при проекти­ровании сот можно не применять традиционное планирование частоты.

В мобильном WiMAX гибкое повторное использование подканала облег­чается принципами образования подканала — сегментацией и перестановкой поднесущих, рассмотренными раннее.

Кадры «вниз» или «вверх» внутри соты могут применяться более чем в одном типе зоны переключения, как показано на рис. 4.12, и работа происхо­дит со всеми доступными подканалами, в то время как пользователи на краю соты работают только с частью доступных подканалов.

На рис. 4.12 Fl, F2, и F3 представляют собой различные наборы подкана­лов в одном и том же диапазоне частот. При такой конфигурации обеспечи­вается полное использование спектра для пользователей, находящихся в центре соты (центры указаны темным цветом), и частичное использование спектра — для пользователей, находящихся на краю соты (более светлый цвет). Повторное использование подканалов может планироваться и динами­чески оптимизироваться по всей соте или по секторам в соответствии с на­грузкой или интерференцией.

 

4.5.3.   Групповая доставка и широковещательное обслуживание

 

Групповая доставка и широковещательное обслуживание MBS (Multicast and Broadcast Service), предоставляемые мобильным WiMAX, удовлетворяют следующим требованиям:

- высокая скорость передачи данных, обширная зона покрытия, реали­зуемые в сети с одной несущей частотой (SFN — Single-Frequency Net­work);

- гибкое распределение радиоресурсов;

- низкое потребление мощности;

- доставка данных в дополнение к видео- и аудиоинформации;

- малое время переключения каналов.

Профиль WiMAX определяет способы начальной установки служб MBS. Последние могут быть организованы в рамках служб, предназначенных для однонаправленных соединений, и включаться в кадры по направлению «вниз», или могут быть организованы специализированные кадры для этих служб. Рис. 4.13 показывает кадр зон MBS, который поддерживает однона­правленную широковещательную и групповые службы по обоим направле­ниям (DL/UL).

Информационная зона MBS предназначена для поддержки однонаправ­ленных широковещательных и групповых служб нескольких базовых стан­ций с использованием единственной частоты SFN (Single Frequency Network). Эта структура обеспечивает гибкий размер зон MBS-кадра, позволяя таким образом наращивать радиоресурсы для MBS в соответствии с трафиком. От­метим, что возможно создание нескольких зон MBS.

Имеется один дескриптор (описатель) размещения информационных эле­ментов (IE) в зоне MBS — это преамбула. Мобильная станция получает дос­туп к протоколу доступа для того, чтобы определить зоны MBS и местопо­ложение связанных списков объектов в каждой зоне, согласно протоколу доступа. Эта мобильная станция может затем последовательно читать списки и устанавливать соединения. Информационный элемент зоны определяет фи­зическую конфигурацию и местоположение каждой зоны, указывая парамет­ры поднесущих OFDMA.

Область гибридного автоматического запроса на повторную передачу (HARQ — Hybrid Automatic Repeat reQest) обеспечивает функционирование, когда блоки данных передаются по нескольким каналам. В этом случае при искажении информации, передаваемой по первому каналу, она передается по другому каналу. Смена каналов осуществляется планировщиком.

 

4.6.   Параметры мобильного WiMAX

 

Поскольку мобильный WiMAX основан на наращиваемом OFDMA, он может гибко создавать конфигурации, приспособленные для работы с системами, имеющими различные пропускные способности, благодаря настройке сис­темных параметров. Приводимые ниже данные можно рассматривать как не­который пример для оценки рабочих характеристик. Приведенные ниже таб­лицы содержат следующие сведения: табл. 4.10 — рабочие характеристики системы, табл. 4.11 — параметры OFDMA, табл. 4.12 отражает данные, ка­сающиеся модели распространения радиосигналов, применяемой для оценки параметров мобильного WiMAX [103].

 

4.7.  Архитектура мобильного WiMAX

 

В стандарте ШЕЕ 802.16е определены два уровня: физический и доступа к среде (МАС-уровень). Такой подход удовлетворял технологии беспроводных сетей Ethernet, которые использовали протоколы Рабочей группы по инжени-рингу Интернета (IETF — Internet Engineering Task Force), в частности, про­токолы TCP/IP, SIP, VoIP. В части беспроводной связи используются другие протоколы, например, набор протоколов 3GPP, поддерживающий широкий перечень интерфейсов и протоколов. Последние касаются не только радио­тракта, но также взаимодействия сетей, оборудования различных производи­телей для осуществления роуминга и взаимных расчетов между компаниями, предоставляющими услуги беспроводной связи. Производители, осознав эти потребности, сформировали дополнительные рабочие группы для разработки стандартов сети и эталонных моделей для открытых межсетевых интерфей­сов. Две из них сосредоточились на исследовании вопросов создания специ­фикаций для разработки сетей, использующих различные виды доступа:

- фиксированный (fixed access);

- сеансовый (nomadic access);

- в режиме транспортировки (portable access);

- упрощенный мобильный (simple mobile access);

- полнофункциональный (full mobile access).

Как указывалось, первые два вида доступа подразумевают, что пользова­тель находится в фиксированной и ограниченной зоне. В первом случае он связывается с одной и той же базовой станцией. Во втором случае подразу­мевается, что пользователь может связываться с различными базовыми стан­циями, но оставаться в этой зоне на время сеанса.

Доступ во время транспортировки допускает перемещение с ограничен­ной скоростью в пределах ограниченного числа зон перемещения в каждом местоположении. При этом возможно ограничение видов сервиса, предостав­ляемых непрерывно при перемещении.

При упрощенном и полнофункциональном мобильном видах доступа пользователь может перемещаться по всем сотам сети с высокой скоростью. Упрощенный мобильный доступ при этом гарантирует непрерывность для некоторого набора услуг, а полнофункциональный мобильный доступ обес­печивает это для всех видов услуг.

Рабочие группы WiMAX Forum — Network Working Group (Сетевая рабо­чая группа) и Service Provider Working Group (Рабочая группа поставщиков услуг), определили требования и расставили приоритеты по разработке стан­дартов сети.

Архитектура мобильного WiMAX основана на платформе All-IP (Bce-IP). Принятая технология основана на передаче и коммутации пакетов без ис­пользования каналов традиционной телефонии. Такой подход предполагает, что будут уменьшены затраты на всех этапах «жизненного цикла» (проекти­рование, развертывание и эксплуатация) сети. Использование принципа All-IP означает, что общее ядро сети может не поддерживать обе известные технологии коммутации. Дальнейшие преимущества принципа All-IP основа­ны на прогнозах роста сети по закону Мура, согласно которому развитие технологии обработки информации на основе компьютерных систем идет быст­рее, чем средств телекоммуникаций, что происходит из-за того, что обработ­ка информации не ограничена установкой и модернизацией аппаратуры, как это имеет место в сетях с коммутацией каналов. Выбор принципа пакетной коммутации предполагает низкую стоимость, высокую степень наращивае­мости, быстрое развитие функциональных возможностей, т.е. все преимуще­ства систем, основанных на использовании программного обеспечения.

Для того, чтобы успешно развивать коммерческие системы, были разра­ботаны спецификации физического уровня и уровня доступа к среде (IEEE 802.16 — PHY/MAC) для радиоинтерфейса. Они обеспечивают поддержку базовой сетью набора необходимых функций за счет системной архитектуры. Прежде чем вдаваться в детали архитектуры мобильного WiMAX рассмот­рим несколько основных принципов:

а) архитектура базируется на структуре, принятой в пакетной коммута­ции, и процедурах, основанных на стандарте IEEE 802.16 и его поправках в соответствии с документами IEFT и спецификациями Ethernet;

б) архитектура позволяет отделить систему доступа от услуг IP-связи;

в) модульность и гибкость архитектуры должна обеспечивать:

-создание сетей WiMAX различного масштаба с различным шагом их

наращивания;

-использование радиосред распространения, которые работают в ли­цензированных или освобождаемых частотных диапазонах, для го­родских, пригородных и сельских районов;

-иерархические топологии с дополнительными узлами или без таковых;

-все пять видов доступа, упомянутых ранее. Поддержка услуг и приложений. Архитектура обеспечивает поддержку:

а) речи, мультимедийных услуг и других принятых официальных услуг, таких, например, как экстренная помощь и законный перехват информации (система оперативно-розыскных мероприятий);

б) доступа к различным прикладным услугам поставщика, например к Интернету;

в) мобильной телефонной связи с использованием VoIP;

г) взаимодействия шлюзов, обеспечивающих доставку общепринятых ус­луг, передаваемых через IP (службы коротких сообщений SMS, службы дос-гупа к приложениям беспроводной связи WAP) к сети WiMAX;

д) групповой и широковещательной доставки пакетной информации по [Р-протоколу через сеть WiMAX.

Взаимодействие и роуминг. Это также ключевые моменты архитектуры ;ети мобильного WiMAX, поддерживающего множество сценариев. В част-тости будут поддерживаться:

а) произвольная архитектура взаимодействия с существующими беспро­водными сетями, такими как 3GPP, а также такими как DSL и MSO (мульти-сервисный оператор, имеющий возможность совмещать услуги телефонии, мультимедиа, кабельного телевидения и т.п.), системами, базирующимися на наборе протоколов Интернет;

б) глобальный роуминг между операторами WiMAX, включая обеспече­ние повторного использования частот, последовательного использования сис­темы аутентификации, установления подлинности и ведения учета (ААА — Authentication, Authorization and Accounting), составления индивидуальных и общих счетов и урегулирования претензий;

в) использование различных платежных механизмов, таких как сообще­ние имени и пароля пользователя, цифровая подпись, модуль абонентской идентификации (SIM), универсальный модуль SIM (USIM) и сменный модуль идентификации пользователя (RUIM — Removable User Identify Module).

Участники WiMAX Forum определили эталонную модель сети WiMAX — NRM (Network Reference Model), которая представляет собой логическую ар­хитектуру сети. NRM определяет функциональные объекты и эталонные точ­ки, через которые взаимодействуют между собой эти функциональные объек­ты. Архитектура разработана с целью унификации поддержки, необходимой для всего периода развития сети (например, от фиксированной сети к сеансо­вой — транспортирующей — простой мобильной и далее к полнофункцио­нальной мобильной сети).

Рис. 4.14 иллюстрирует NRM, состоящую из следующих логических объ­ектов: мобильная станция (MS), сеть доступа к услугам (ASN — Access Ser­vice Network), сеть взаимодействия с услугой (CSN — Connectivity Service Network) и выделенные эталонные точки для взаимодействия между логиче­скими объектами. Рис. 4.14 дает ключевые нормативные точки R1...R5. Каж­дый объект представляет собой группу других функциональных объектов, которые могут быть реализованы отдельным физическим устройством или распределены по многим физическим устройствам.

Группирование и распределение функций по физическим устройствам функциональных объектов (таких как ASN) упрощает выбор способа их реа­лизации. Изготовитель может выбрать любую физическую реализацию функ­ций: индивидуальную, комбинированную, удовлетворяющую функциональ­ным требованиям и требованиям по взаимодействию.

Цель эталонной модели NRM состоит в том, чтобы обеспечить множество путей реализации функциональных объектов и достичь взаимодействия между их различными реализациями. Взаимодействие основано на определении про­токолов связи и реализации процессов обмена между функциональными объ­ектами таким образом, чтобы достичь выполнения функций в полном объеме, например, обеспечения безопасности или управления и администрирования.

Таким образом, эталонная модель является набором функций управления и средств их выполнения.

Логический объект «сеть доступа к услугам (ASN)» определяет логиче­скую границу и предоставляет удобный способ описания совокупности функциональных объектов, объединенных единой задачей, и соответствую­щих потоков сообщений, связанных с выполнением услуг доступа.

ASN представляет собой границу функционального взаимодействия WiMAX с клиентом, она поддерживает возможности взаимодействия WiMAX по вы­полнению функций сервиса и объединения функций, реализованных разными производителями. Отображение функциональных объектов в логические сети доступа к услугам (ASN) может быть выполнено различными способами.

WiMAX Forum в процессе разработки спецификаций заложил принципы, которые предоставляют возможность производителям использовать самые разнообразные пути по их выполнению.

Сеть взаимодействия с услугой CSN определена как набор функций, ко­торые обеспечивают взаимодействие абонента (ов) WiMAX с услугой через IP. Она может содержать такие сетевые элементы, как маршрутизаторы, средства опознавания, аутентификации и учета стоимости, базы пользова­тельских данных и шлюзы взаимодействия. Она может быть реализована как часть сети поставщика прикладных услуг (NSP — Network Service Provider).

Сетевые спецификации для систем, основанных на WiMAX, базируются на принципах архитектуры, перечисленных ниже:

а) логическое разделение между процедурами с адресацией IP и процеду­рами маршрутизации, управления и взаимодействия, а также соответствую­щими протоколами, что позволяет использовать примитивы (программных модулей), как автономно, так и во взаимодействии с окружением;

б) поддержка совместного использования ASN-сети одним поставщиком услуг доступа NAP (Network Access Provider) для множества поставщиков услуг NSP;

в) поддержка одной сети взаимодействия с услугами CSN для управления многими сетями доступа к услугам ASN;

г) поддержка средств обнаружения и выбора мобильной станцией или станцией обслуживания одного из доступных поставщиков услуг;

д) поддержка доступа к назначенному сервису с помощью функций взаи­модействия;

е) спецификация определенных эталонных точек, расположенных между различными группами сетевых функциональных объектов (между ASN, между ASN и CSN, между CSN и, в особенности, между MS, ASN и CSN), для того, чтобы обеспечить взаимодействие аппаратуры различных производителей;

ж) поддержка взаимодействия между различными моделями использова­ния, обеспечивающая разумные технические ограничения;

з) предоставление различным производителям возможности реализации аппаратуры с использованием сочетания различных программных и аппарат­ных средств;

и) поддержка некоторых частных сценариев отдельных операторов, раз­работанных для сети доступа с ограниченными услугами базовой сети, на­пример, основные услуги Интернета без роуминга.

Рис. 4.15 отражает несколько объектов в пределах сети доступа к услугам и их функциональную группировку, места протоколов и эталонных точек, как это определено в спецификациях.

Архитектура WIMAX позволяет обеспечить IP- и Ethernet-услуги в мо­бильном варианте. Для того, чтобы гибко и согласовано поддерживать работу операторов, использующих аппаратуру разных изготовителей, WiMAX-сети имеют свойства, рассмотренные ниже.

 

Безопасность

 

Архитектура сети WiMAX базируется в части безопасности на учете сле­дующих параметров: типа оператора, топологии сети. Она реализует различ­ные сценарии, в частности, поддерживает:

а) строгое соответствие процедур аутентификации оборудования между мобильной станцией и сетью WiMAX, базируясь на стандарте ШЕЕ 802.16е в части безопасности;

б) все механизмы аутентификации в домашней и визитной сетях, которые базируются на последовательных и расширяемых процедурах аутентификации;

г) механизмы  безопасности,   обеспечивающие  сохранение  целостности данных,  конфиденциальность,  обнаружение несогласованности  используе­мых ключей;

д) использование мобильной станцией таких механизмов, как иницииро­вание или закрепление за терминалами дополнительных возможностей путем организации, например, виртуальной частной сети (VPN);

е) стандарт, обеспечивающий механизм управления IP-адресами между мобильной станцией (станцией услуги) и визитной или домашней сетью по­ставщика услуг.

 

Мобильность и передача вызова (хэндовер)

 

Архитектура сети WiMAX реализует множество возможностей мобиль­ности и хэндовера. Она предполагает поддержку:

а) передачи вызова сетям с различными технологиями — WiFi, 3GPP, xDSL или MSO (Multi Service Operator), если мобильная станция допускает работу в нескольких режимах;

б) различных версий протокола IP (IPv4 или IPv6), связанных с беспро­водным доступом; в пределах такой архитектуры должна быть встроена сис­тема, снабжающая мобильную станцию IP-адресами для обеих версий прото­кола (IPv4 и IPv6);

в) роуминга при передачи соединения между сетями поставщиков услуг;

г) использования механизмов плавного хэндовера для быстро передви­гающихся средств и во время пользования некоторыми услугами;

д) следующих услуг:

- возможности динамического изменения конфигурации домашнего адре­са абонента;

-динамического назначения домашнего агента (промежуточного устрой­ства с адресом и возможностью реализации некоторых услуг, не пре­доставляемых центральными средствами); это назначение обеспечивает оптимизацию маршрутизации и регулирования нагрузки;

- назначения домашнего агента по административным соображениям (на­пример, по совместным или лимитированным расчетам).

Расширение и наращиваемость, выбор зоны покрытия и оператора

Архитектура мобильного WiMAX имеет широкие возможности для рас­ширения и наращивания, а также обеспечивает гибкость в выборе оператора, В частности предполагается:

а) простое изменение параметров при проектировании сетей доступа к ус­лугам и основной сети, как в сторону увеличения, так и уменьшения; это ка­сается зоны покрытия и емкости системы;

б) возможность  приспособления  к  любой  топологии:   индивидуальной («сними трубку и говори»), иерархической и/или соединений со многим про­межуточными узлами;

в) обеспечение работы с различными ретрансляционными линиями, про­водными и беспроводными, имеющими различные временные задержки и пропускную способность;

г) поддержка развития инфраструктуры;

д) поддержка поэтапного внедрения IP-услуг, которые должны наращи­ваться в соответствии с возрастанием числа активных пользователей и числа услуг, используемых каждым абонентом;

е) поддержка наращивания числа базовых станций и их ввода в сетях раз­личной емкости и зоны покрытия, например, пико- и макросотовых.

ж) поддержка декомпозиции и интеграции функций доступа сети взаимо­действия с услугой CSN при разработке и по заявкам пользователей для соз дания схем баланса нагрузки и эффективности использования спектра и сете­вых ресурсов.

 

Способность к взаимодействию оборудования различных производителей

 

Другой важный аспект архитектуры сети мобильного WiMAX — под­держка взаимодействия оборудования различных изготовителей при реализа­ции функций сети доступа. Такое взаимодействие должно включать:

а) транзит через BS к оборудованию другого поставщика, выполняющему функции доступа к сети;

б) применение различных элементов для реализации функций сети досту­па (возможно различных изготовителей) и основной сети с минимальным ухудшением или без него, как в части выполняемых функций, так и по про­пускной способности.

Стандарт ШЕЕ 802.16е определяет несколько подуровней конвергенции. Архитектура сети мобильного WiMAX поддерживает различные типы сетей и версии протоколов (Ethernet, IPv4 и IPv6).

 

Качество обслуживания

 

Мобильный WiMAX включает средства для поддержки различных меха­низмов обеспечения качества обслуживания. В частности, предоставляется возможность гибкой поддержки (с изменением соотношения объема трафика и предоставляемых услуг) одновременной работы, различные наборы 1Р-услуг.

Архитектура поддерживает:

а) дифференцированные уровни качества обслуживания — грубую на­стройку на заданное качество работы для пользователя и тонкую настройку для потока услуг пользователя;

б) управление доступом;

в) управление полосой пропускания;

г) реализацию политики операторов, основанной на их соглашении о га­рантированном уровне обслуживания (SLA — Service Level Agreement); она включает политику по отношению к отдельным пользователям, группам поль­зователей, а также учет таких факторов, как местоположение, время дня и т.п.

Для управления политикой взаимодействия между операторами широко используются стандарты, действующие в отношении Интернета. Конфигура­ции сети доступа к услугам определены профилями, включающими распре­деленную и централизованную архитектуру. Кроме того, WiMAX Forum оп­ределяет взаимодействие как внутри сетей доступа, так и между сетями дос­тупа, выполненными на оборудовании различных производителей.

 

ОБ АВТОРЕ

 

Берлин Александр Наумович, профессор, доктор технических наук.

После окончания в 1959 году ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-Бруевича работал в Научно-производст­венном объединении «Красная Заря». Занимался созданием координатных, квазиэлектронных, элек­тронных и цифровых систем коммутации. В 1965 го­ду защитил кандидатскую, в 1984 — докторскую диссертации, посвященные синтезу устройств и про­грамм в коммутационных системах.

С 1991 года работал в С.-Петербургском государ­ственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. С 1993 по 2001 год заведовал кафедрой систем распределения информации.

Имеет большой опыт научных исследований, разработки и эксплуатации систем коммутации. Опубликовал более 50 работ, посвященных теорети­ческим вопросам разработки средств телекоммуни­каций, в том числе книги «Алгоритмическое обеспе­чение АТС», «Синтез логических устройств в комму­тационной технике», «Универсальная программа и принципы ее применения», «Коммутация в системах и сетях связи», под его редакцией (совместно с Ю.Н. Чернышевым) вышла на русском языке клас­сическая монография Д. Беллами «Цифровая теле­фония».

В настоящее время работает над серией учебни­ков и учебных пособий, посвященных широкому кругу проблем телекоммуникаций.