«А.В. РАШИЧ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА WiMAX Рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Приоритетный национальный проект «Образование»

Национальный исследовательский университет

А.В. РАШИЧ

СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА

WiMAX Рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки Техническая физика Санкт-Петербург Издательство политехнического университета 2011 УДК 004.733(075.8) ББК 32.973.202я Р Рецензенты:

кафедра радиопередающих устройств и средств подвижной связи СанктПетербургского государственного университета телекоммуникаций им. М.А. БончБруевича, заведующий кафедрой д.т.н., проф. М. Сиверс;

кафедра военных телекоммуникационных систем Санкт-Петербургской Военной академии связи им. С.М. Буденного, д.т.н., доц. С. Ясинский.

Рашич А. В. Сети беспроводного доступа WiMAX: учеб. пособие / Рашич А.В.— СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. — 179 с.

ISBN Предлагаемое учебное пособие посвящено изучению основных принципов построения систем беспроводного доступа WiMAX. Рассматриваются физический уровень, подуровень доступа к среде и сетевой уровень систем. Большое внимание уделяется методам формирования сигналов с OFDM, способам их приема, а также структуре кадров в сетях WiMAX.

Учебное пособие рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки Техническая физика. Оно также может быть полезно студентам, обучающимся по направлениям подготовки Радиотехника и Инфокоммуникационные технологии и системы связи.

Работа выполнена в рамках реализации программы развития национального исследовательского университета Модернизация и развитие политехнического университета как университета нового типа, интегрирующего мультидисциплинарные научные исследования и надотраслевые технологии мирового уровня с целью повышения конкурентоспособности национальной экономики Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-петербургского государственного политехнического университета.

© Рашич А.В., © Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, ISBN Оглавление Перечень сокращений

Введение

1. Общие принципы построения сетей WiMAX

1.1. Стандарты IEEE 802.16. Форум WiMAX

1.2. Сетевой уровень систем WiMAX

1.2.1. Архитектура сетей WiMAX IEEE 802.16

1.2.2. Базовая модель сетей WiMAX IEEE 802.16-2009

1.2.3. Поддержка мобильности в сетях WiMAX IEEE 802.16-2009...... 1.2.4. Качество обслуживания в сетях WiMAX IEEE 802.16-2009...... 1.2.5. Специальные службы WiMAX

1.3. Вид сигналов в системах WiMAX. Сигналы с OFDM

1.3.1. Временные характеристики сигналов с OFDM

1.3.2. Спектральные характеристики случайной последовательности сигналов с OFDM

1.3.3. Полоса занимаемых частот и спектральные маски сигналов c OFDM

1.3.4. Формирование сигналов с OFDM

1.3.5. Прием сигналов с OFDM

1.4. Многоантенные системы передачи данных MIMO

1.4.1. Актуальность применения технологии MIMO

1.4.2. Основные понятия. Схемы передачи. Стратегии приема............ 1.4.3. Пространственно-временное кодирование

1.4.4. Пространственно-временное блочное кодирование. Схема Аламоути

1.5. Вопросы для самопроверки

2. Физический уровень сетей WiMAX

2.1. Сигнал физического уровня. Основные параметры

2.2. Структура кадра

2.2.1. Частотно-временные ресурсы, слоты. Уплотнение пользователей на основе OFDMA

2.2.2. Структура кадра в режиме временного дуплекса

2.2.3. Структура преамбулы

2.2.4. Сообщения DLFP и FCH

2.3. Группирование частот в логические подканалы

2.3.1. Зона с PUSC в нисходящем канале

2.3.2. Зона c PUSC в восходящем канале

2.4. Модуляция и кодирование

2.4.1. Скремблирование

2.4.2. Помехоустойчивое кодирование

2.4.3. Перемежение

2.4.4. Манипуляция

2.4.5. Кодирование повторением

2.4.6. Поддержка HARQ

2.4.7. Сводные данные по процедурам модуляции и кодирования.... 2.5. Поддержка многоантенных систем

2.5.1. MISO в нисходящем канале

2.5.2. Пространственное уплотнение сигналов в восходящем канале 2.6. Общие вопросы приема сигналов WiMAX

2.6.1. Тактовая синхронизация

2.6.2. Реализация эквалайзеров

2.6.3. Декодирование сверточного турбокода WiMAX

2.7. Вопросы для самопроверки

3. Уровень доступа к среде сетей WiMAX

3.1. Подуровни стандарта IEEE 802.16

3.2. Общий подуровень доступа к среде

3.2.1. Принципы функционирования общего подуровня MAC........... 3.2.2. Виды сообщений MAC-уровня

3.2.3. Управляющие сообщения подуровня МАС

3.2.4. Формирование и передача пакетов данных подуровня МАС (МАС PDU)

3.2.5. Механизм ARQ

3.3. Подуровень безопасности

3.3.1. Архитектура подуровня безопасности WiMAX

3.3.2. Формирование зашифрованных пакетов данных

3.3.3. Методы криптографической защиты

3.3.4. Аутентификация и авторизация

3.3.5. Управление ключами

3.4. Вопросы для самопроверки

Библиографический список

Приложение. Пример сети WiMAX

3GPP 3rd Generation Partnership Project;

ААА Authentication, Authorisation, Accounting;

AMC advanced modulation and coding;

ASN Access Service Network;

BTC Block Turbo Coding;

CC Convolutional Coding;

Сyclic Delay Diversity;

CDD CID Client Identifier;

CP Cyclic Prefix;

CRC Cyclic Redundancy Check;

CSN Connectivity Service Network;

CTC Convolutional Turbo Coding;

DAMA Demand Assigned Multiple Access;

DL-MAP Downlink Map;

Decision Point (шлюза ASN);

DSL Digital Subscriber Line;

Enforcement Point (шлюза ASN);

FA Foreign Agent;

FCH Frame Control Header;

FDMA Frequency Division Multiple Access;

FUSC Full Usage of the Subchannels;

GH Generic Header;

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request;

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers;

IP Internet Protocol;

LDPC Low Density Parity Check;

LLC Logical Link Control;

MAC Media Access Control;

MAN Metropolitan Area Network;

MAP Maximum A-posteriori Probability;

Multiple Input – Multiple Output;

MIMO MIP Mobile IP;

MM Management Message;

MMS Multimedia Messaging Service;

NAP Network Access Provider;

NSP Network Service Provider;

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing;

OFDMA Orthogonal Frequency Multiple Access;

PHY Physical layer;

PDU Protocol Data Unit;

PMP Point-to-multipoint;

PTP Point-to-point;

PUSC Partial Usage of the Subchannels;

QoS Quality of Service;

SDMA Spatial Division Multiple Access;

Single Input – Single Output;

SISO SM Spatial Multiplexing;

SMS Short Message Service;

SOVA Soft Output Viterbi Algorithm;

SPID Subpacket Identifier;

STC Space-Time Coding;

STH Signaling Type Header;

STTD Space-Time block coding based Transmit Diversity;

TDMA Time Division Multiple Access;

TSM Time-Spreading Mechanism;

TVM Time-Variant Mechanism;

WAN Wide Area Network;

WAP Wireless Application Protocol;

Wi-Fi Wireless Fidelity;

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access;

WLAN Wireless Local Area Network;

WMAN Wireless Metropolitan Area Network;

АБГШ аддитивный белый гауссовский шум;

АС абонентская станция;

БМ базовая модель (сети WiMAX);

БС базовая станция;

ДПФ дискретное преобразование Фурье;

ИС источник сообщений;

КАМ квадратурная амплитудная манипуляция;

МД множественный доступ;

АС мобильная станция;

МСИ межсимвольная интерференция;

МФМ многопозиционная фазовая манипуляция;

ОБПФ обратное быстрое преобразование Фурье;

ППРЧ псевдослучайная перестройка рабочей частоты;

ПСП псевдослучайная последовательность;

РТУ радиотехническое устройство;

ФМ фазовая манипуляция;

ЧВР частотно-временной ресурс;

ШПС шумоподобные сигналы.

Предлагаемое учебное пособие посвящено изучению основных принципов построения систем беспроводного доступа WiMAX. Рассматриваются физический уровень, подуровень доступа к среде и сетевой уровень систем. Большое внимание уделяется методам формирования сигналов с OFDM, способам их приема, а также структуре кадров в сетях WiMAX.

На физическом уровне сетей WiMAX (PHY-уровень) определены вид используемых для передачи данных сигналов, способы манипуляции и помехоустойчивого кодирования, алгоритмы формирования логических каналов и т. п.

На подуровне доступа сетей WiMAX (MAC-подуровень) решаются задачи согласования форматов данных протоколов вышестоящих уровней и данных физического уровня; выполняются основные функции по планированию, обработке и выделению ресурсов, установлению и поддержанию соединений, поддержке QoS, а также осуществляется шифрование данных для обеспечения конфиденциальности работы пользователей.

Сетевой уровень сетей WiMAX определяет способы построения системы связи в целом, методы взаимодействия между собой базовых станций, мобильных терминалов, шлюзов, описываются топология и структура сети. На сетевом уровне вводятся понятия домашних и гостевых провайдеров, домашних агентов и указывается порядок обмена данными между ними.

В настоящем пособии, в отличие от другой аналогичного рода литературы, там, где это возможно, изложение ведется с позиций приемника, а не передатчика. Такой подход позволяет уделять большее внимание вопросам приема сигналов WiMAX, что часто представляет наибольший интерес.

В первом разделе настоящего пособия рассматриваются основные принципы построения сетей WiMAX, описывается семейство стандартов IEEE 802.16. Большое внимание в этом разделе уделяется описанию сигналов с ортогональным частотным уплотнением, составляющих основу физического уровня сетей WiMAX, и систем с MIMO, так как стандарт WiMAX является первым стандартом, поддерживающим режимы передачи с нескольких антенн совместно с пространственно-временным кодированием или пространственным уплотнением.

Второй раздел посвящен физическому уровню сетей IEEE 802.16. Основное внимание здесь уделяется описанию способов формирования логических подканалов в нисходящем и восходящем каналах в зоне PUSC.

Также подробно рассматриваются структура кадра WiMAX в режиме временного дуплекса, способы построения одночастотных сетей, процедуры перемежения, скремблирования и помехоустойчивого кодирования, включая сверточное турбокодирование. Также во втором разделе кратко рассмотрены общие вопросы приема сигналов WiMAX, включая тактовую синхронизацию, эквалайзеры и декодирование сверточного турбокода.

В третьем разделе рассматриваются основные принципы построения подуровня MAC сетей WiMAX, приводится описание формата пакетов данных, различных заголовков и подзаголовков, описываются управляющие сообщения подуровня MAC. Особое внимание в третьем разделе уделяется вопросам обеспечения безопасности передачи данных в сетях WiMAX и описанию подуровня безопасности этих сетей.

К сожалению, вследствие ограниченности объема пособия за рамками рассмотрения остались такие вопросы, как адаптивные антенные системы в сетях WiMAX, блочное турбо- и LDPC-кодирование, описание процедур подключения абонентов к сети и хэндовера, балансирование нагрузки. Тем не менее, настоящее пособие охватывает все основные вопросы функционирования систем WiMAX от физического до сетевого уровней.

Каждый раздел настоящего пособия является относительно изолированным, от других разделов, что позволяет сразу сосредоточиться на освоении учащимся необходимого ему материала. Например, при изучении способов формирования логических подканалов достаточно освоить только материал второго раздела и правильно ответить на соответствующие контрольные вопросы.

Для первичного ознакомления с сетями WiMAX достаточно изучить материал следующих разделов пособия:

1.1. Стандарты IEEE 802.16. Форум WiMAX;

1.2.1. Архитектура сетей WiMAX IEEE 802.16;

2.1. Сигнал физического уровня. Основные параметры;

2.2.2. Структура кадра в режиме временного дуплекса;

2.4.7. Сводные данные по процедурам модуляции и кодирования;

3.1. Подуровни стандарта IEEE 802.16;

3.2.1. Принципы функционирования общего подуровня MAC;

3.3.1. Архитектура подуровня безопасности WiMAX.

Тем не менее, для системного освоения систем WiMAX необходимо последовательное изучение всех разделов пособия.

Материалы предлагаемого пособия прошли апробацию в курсах, читаемых на кафедре радиоэлектронных средств защиты информации радиофизического факультета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

Учебное пособие рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки Техническая физика. Оно также может быть полезно студентам, обучающимся по направлениям подготовки Радиотехника и Инфокоммуникационные технологии и системы связи.

Автор выражает благодарность ассистенту кафедры радиоэлектронных средств защиты информации радиофизического факультета СанктПетербургского государственного университета А. Б. Кислицыну за помощь при подготовке настоящего пособия.

1. Общие принципы построения сетей WiMAX 1.1. Стандарты IEEE 802.16. Форум WiMAX При переходе к созданию систем широкополосного радиодоступа с интеграцией услуг стало понятно, что основополагающие принципы, заложенные в беспроводные системы на предыдущих этапах, нуждаются в существенной корректировке. На сигнальном уровне первостепенное значение приобрело оптимальное использование спектрального ресурса радиоканала при любых соотношениях скорость – помехоустойчивость. На уровне протоколов стало необходимым обеспечивать заданный уровень качества обслуживания каждому абоненту сети.

Беспроводные сети связи городского масштаба WiMAX активно развиваются на протяжении уже 10 лет, развернутые решения создают конкуренцию другим решениям проблемы предоставления широкополосного доступа, эквивалентного технологии xDSL. Основным преимуществом сетей WiMAX по сравнению с другими технологиями, призванными решать аналогичные задачи, является относительно быстрое развертывание систем на достаточно больших территориях без проведения работ по прокладке кабеля и предоставление конечным пользователям каналов связи в единицы Мбит/с, что особенно актуально для мест с неразвитой сетевой инфраструктурой (например, новые загородные районы, исторические центры городов и т. п.). Заметим, что основным конкурентом сетей WiMAX являются системы связи четвертого поколения LTE E UTRA.

На сегодняшний день беспроводные сети городского масштаба представлены следующими стандартами:

IEEE 802.16e-2005, 2009 (WiMAX) (рис. 1.1);

ETSI HiperMAN;

IEEE 802.20 (WBWA).

Рабочая группа IEEE 802.16 была создана в 1999 г. Через два года (в декабре 2001 г.) был принят первый стандарт беспроводных сетей связи городского масштаба IEEE 802.16. Первоначально он был ориентирован на частотный диапазон 10–66 ГГц, что подразумевало прямую видимость между приемником и передатчиком и являлось существенным недостатком в городских условиях. Стандарт IEEE 802.16a (принят в январе 2003 г.) предусматривал использование частотного диапазона 1–10 ГГц и был лишен указанного недостатка.

802.16c (2002) – дополнение для системных профилей, диапазон частот 802.16g – Managment В июле 2004 г. был одобрен стандарт IEEE 802.16REVd, который объединил в себе предыдущие версии IEEE 802.16.

В июле 2005 г. вышел стандарт IEEE 802.16e, являющийся дополнением к стандарту IEEE 802.16-2004. Акцент в стандарте сделан на поддержку мобильности конечного пользователя.

Осенью 2009 г. вышел окончательный на сегодняшний день стандарт беспроводных сетей городского масштаба IEEE 802.16-2009, объединивший в себе предыдущие версии стандартов (рис. 1.1).

Европейский институт телекоммуникационных стандартов ETSI и рабочая группа BRAN (Broadband Radio Access Networks) разработали стандарт HiperMAN. В основу HiperMAN на физическом уровне положен стандарт IEEE 802.16-2004. Некоторые различия наблюдаются на канальном (MAC) и сетевом уровнях. Основное внимание ETSI уделяет типам приложений и качеству услуг.

Рабочая группа IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA), утвержденная в декабре 2002 г., сосредоточена на предоставлении услуг мобильным пользователям, движущимся со скоростью до 250 км/ч.

Спустя два года после создания рабочей группы IEEE 802.16 появился форум WiMAX, образованный фирмами Nokia, Harris Corp., Ensemble и Crosspan. К маю 2005 г. форум объединял уже 230 участников, а на сегодняшний день форум включает в себя более 400 различных производителей, лабораторий и поставщиков телекоммуникационного оборудования.

Необходимо различать стандарты связи серии IEEE 802.16 и форум WiMAX (рис. 1.2). Стандарты серии IEEE 802.16 — это множество стандартов, определяющих беспроводные сети городского масштаба (WMAN — Wireless Metropolitan Area Network). Разработаны для обеспечения беспроводным широкополосным доступом стационарных и мобильных пользователей. Форум WiMAX (WiMAX — Worldwide Interoperability for Microwave Access) является некоммерческой организацией для продвижения и сертификации устройств беспроводного широкополосного доступа, основанных на согласованном стандарте IEEE 802.16/ETSI HiperMAN. Сотрудничает с поставщиками услуг, производителями оборудования, производителями тестового оборудования, сертификационными лабораториями и поставщиками программно-аппаратных ресурсов для обеспечения соответствия ожиданиям заказчика и государственным стандартам.

Стандарты серии IEEE 802.16 определяет радиоинтерфейс для систем широкополосного беспроводного доступа (уровни MAC и PHY, рис. 1.3) с фиксированными и мобильными абонентами в диапазоне частот 1–66 ГГц, рассчитанных на внедрение в городских распределенных беспроводных сетях операторского класса. Сети, построенные на основе этих стандартов, займут промежуточной положение между локальными сетями (IEEE 802.11х) и региональными сетями (WAN), где планируется применение разрабатываемого стандарта IEEE 802.20. Указанные стандарты совместно со стандартом IEEE 802.15 (PAN — Personal Area Network) и IEEE 802. (мосты уровня МАС) образуют иерархию стандартов беспроводной связи.

IEEE 802.16-2004 Системные профили, 1. Системный профиль v.1. IEEE 802.16e-2005 и электромагнитную IEEE 802.16- Рис. 1.2. Стандарты серии IEEE 802.16 и форум WiMAX Для обеспечения работоспособности систем в диапазоне 10–66 ГГц вследствие относительно малой длины волны требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. В таких условиях при анализе канала связи многолучевостью среды можно пренебречь. Данные передаются на одной несущей. Ширина полосы частот одного канала составляет 25 или 28 МГц, скорость передачи данных до 120 Мбит/с.

В диапазоне частот 1–11 ГГц за счет увеличения длины волны возможен сценарий взаимодействия передатчика и приемника в условиях отсутствия прямой видимости. При этом необходимо применять более сложные (по сравнению с системами, функционирующими в диапазоне частот 10–66 ГГц) методы регулировки мощности, различные способы борьбы с межсимвольной интерференцией. Для передачи данных используется одна или множество несущих (сигналы с OFDM).

Структура стандартов IEEE 802.16 представлена на рис. 1.3. Стандарты описывают МАС- и PHY- уровни семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС). При этом уровень МАС делится на подуровни конвергенции, общей части и безопасности.

данных протоколов вышестоящих уровней и данных MACПодуровень подуровня 802.16. Данные преобразовываются в пакеты конвергенции MAC SDU, при этом формируются идентификаторы

МАС SAP

Общая часть ресурсов, установлению и поддержанию соединений, подуровня МАС поддержке QoS.

Подуровень безопасности

PHY SAP

Физический уровень Рис. 1.3. Структура стандартов IEEE 802. Подуровень конвергенции согласовывает форматы данных протоколов вышестоящих уровней и данных MAC-подуровня 802.16. Данные преобразовываются в пакеты MAC SDU, при этом формируются идентификаторы соединений, протоколов и т. п.

Общая часть подуровня МАС выполняет основные функции по планированию, обработке и выделению ресурсов, установлению и поддержанию соединений, поддержке QoS.

На подуровне безопасности осуществляется шифрование данных для обеспечения конфиденциальности работы пользователей.

Физический уровень определяет вид используемых для передачи данных сигналов, способы манипуляции и помехоустойчивого кодирования, алгоритмы формирования логических каналов и т. д.

Физический уровень WiMAX детально рассматривается в раз. 2, а подуровни конвергенции и безопасности и общая часть подуровня МАС — в разд. 3.

В настоящем пособии рассматриваются только сети WiMAX, построенные на основе стандартов IEEE 802.16е-2005, 2009, функционирующие в диапазоне 1–10 ГГц и использующие сигналы с OFDM и технологию OFDMA. Далее по тексту такие системы будут коротко называться сетями IEEE 802.16.

1.2.1. Архитектура сетей WiMAX IEEE 802. Базовая станция (БС, BS — Base Station) размещается в здании или на вышке и осуществляет связь с абонентскими станциями (АС, SS — Subscriber Station) по схеме точка – мультиточка (Point to Multipoint — PMP). Возможен сеточный режим связи (Mesh — сетка связей точка – точка — PTP), когда любые клиенты (АС) могут осуществлять связь между собой непосредственно, а антенные системы, как правило, являются ненаправленными. БС предоставляет соединение с основной сетью и радиоканалы к другим станциям. Радиус действия БС может достигать 30 км (в случае прямой видимости) при типовом радиусе сети 6–8 км. АС может быть радиотерминалом или повторителем, который используется для организации локального трафика. Трафик может проходить через несколько повторителей, прежде чем достигнет клиента. Антенны в этом случае являются направленными.

Канал связи предполагает наличие двух направлений передачи: восходящий канал (АС – БС, uplink) и нисходящий (БС – АС, downlink). Эти два канала используют разные неперекрывающиеся частотные диапазоны при частотном дуплексе и различные интервалы времени при временном дуплексе.

Простейший способ представления архитектуры сетей WiMAX заключается в их описании как совокупности БС, которые располагаются на крышах высотных зданий или вышках, и клиентских приемо-передатчиков (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схематичное изображение сети WiMAX Радиосеть обмена данными между БС и АС работает в СВЧ-диапазоне от 2 до 11 ГГц. Такая сеть в идеальных условиях может обеспечить техническую скорость передачи информации до 75 Мбит/с и не требует того, чтобы БС находилась на расстоянии прямой видимости от пользователя. В настоящее время в РФ выданы разрешения на полосы частот в соответствии с табл. 1.1.

Диапазон частот от 10 до 66 ГГц используется для установления соединения между соседними базовыми станциями при условии, что они располагаются в зоне прямой видимости друг от друга. Так как в городской среде это условие может оказаться невыполнимым, связь между базовыми станциями иногда организуют посредством прокладки кабелей.

При более детальном рассмотрении сеть WiMAX можно описать как совокупность беспроводного и базового (опорного) сегментов. Первый описывается в стандарте IEEE 802.16, второй определяется спецификациями WiMAX Forum. Базовый сегмент объединяет все аспекты, не относящиеся к абонентской радиосети, т. е. связь базовых станций друг с другом, связь с локальными сетями (в том числе, интернетом) и т. п. Базовый сегмент основывается на IP-протоколе и стандарте IEEE 802.3-2005 (Ethernet).

Однако само описание архитектуры в части, не относящейся к беспроводной клиентской сети, содержится в документах WiMAX Forum, объединенных под общим названием Network Architecture.

Основные режимы для стандарта IEEE 802.16 в РФ В этих спецификациях к сетям WiMAX предъявляются такие требования, как независимость архитектуры от функций и структуры транспортной IP-сети. В то же время, должны обеспечиваться услуги, основанные на применении IP-протокола (SMS over IP, MMS, WAP и др.), а также мобильная телефония на основе VoIP и мультимедийные услуги. Обязательным является условие поддержки архитектурой протоколов IPv4 и IPv6.

Сети WiMAX должны быть легко масштабируемыми и гибко изменяемыми и основываться на принципе декомпозиции (строиться на основе стандартных логических модулей, объединяемых через стандартные интерфейсы). Свойства масштабируемости и гибкости необходимо обеспечивать по таким эксплуатационным характеристикам, как плотность абонентов, географическая протяженность зоны покрытия, частотные диапазоны, топология сети, мобильность абонентов. Сети WiMAX должны поддерживать взаимодействие с другими беспроводными (3GPP, 3GPP2) или проводными (DSL) сетями. Большое значение имеет способность обеспечивать различные уровни качества обслуживания QoS.

1.2.2. Базовая модель сетей WiMAX IEEE 802.16- Базовая модель (БМ) сети WiMAX — это логическое представление сетевой архитектуры WiMAX. Термин логическое в данном случае означает, что модель рассматривает набор стандартных логических функциональных модулей и стандартных интерфейсов (точек сопряжения модулей).

БМ включает три основных элемента: множество абонентских (мобильных) станций (АС), совокупность сетей доступа (ASN, Access Service Network) и совокупность сетей подключения (CSN, Connectivity Service Network). Кроме того, в БМ входят так называемые базовые точки (R1…R8), через которые происходит сопряжение функциональных модулей (рис. 1.5).

Сеть (сети) ASN принадлежит провайдеру сети доступа (NAP, Network Access Provider) — организации, предоставляющей доступ к радиосети для одного или нескольких сервис-провайдеров WiMAX (NSP, Network Service Provider). В свою очередь, сервис-провайдер WiMAX — организация, предоставляющая IP-соединения и услуги WiMAX конечным абонентам. В рамках данной модели именно сервис-провайдеры WiMAX заключают соглашения с интернет-провайдерами, операторами других сетей доступа, соглашения о роуминге и т. п. Сервис-провайдеры по отношению к абоненту могут быть домашними и гостевыми, каждый со своей сетью CSN.

Сеть доступа ASN представляет собой множество базовых станций беспроводного доступа по стандарту IEEE 802.16 и шлюзов для связи с транспортной IP-сетью (т. е. с локальной или глобальной сетями передачи информации). Фактически эта сеть связывает радиосети IEEE 802.16 и IP-сети. ASN включает как минимум одну БС и как минимум один ASN-шлюз. Но и базовых станций, и шлюзов в одной ASN может быть несколько, причем одна БС может быть логически связана с несколькими шлюзами. БС в рамках данной модели — это логическое устройство, поддерживающее набор протоколов IEEE 802.16 и функции внешнего сопряжения.

СSN CSN

Сети ASN отвечают за передачу данных АС на втором логическом уровне и передают служебные и информационные сообщения АС, поступающие от сетей CSN. Состояния готовности к подключению и обеспечение целостного включения в сеть WiMAX для каждой АС накладывает следующие функциональные требования к ASN:

обнаружение сети и выбор предпочитаемого абонентом WiMAX NSP;

подключение АС к сети в соответствии с правилами второго логического уровня IEEE 802.16;

реализация транслирующей функции для организации подключений АС на третьем логическом уровне (выделение IP-адресов);

управление радиоресурсами сети;

управление групповыми и широковещательными рассылками;

поддержка мобильности с привязкой к ASN;

поддержка внешних агентов для мобильности с привязкой к ASN;

поддержка туннелей ASN – CSN;

управление персональными вызовами и службами для определения местоположения абонентов;

продвижение данных;

авторизация сервисных потоков;

поддержка уровней QoS;

управление доступом и контроль за соблюдением правил.

Перечисленные функции сетей ASN распределяются между БС и шлюзами ASN в соответствии с профилями, определенными в документе Release 1.0 форума WiMAX. На сегодняшний момент описано три таких профиля: A, B и C. На рис. 1.6 представлена архитектура профиля С. Все профили обеспечивают функциональную совместимость между CSN и другими ASN через специальные опорные точки.

Профиль В подразумевает полную свободу производителя, ему соответствует как концентрация всех функций в одном устройстве, так и их произвольное распределение. Профили А и С чрезвычайно похожи. Различие состоит в том, что в профиле А функции контроллера радиоресурсов и управления хэндовером отнесены к ASN-шлюзу, а в профиле С — к базовой станции. Несмотря на это незначительное различие, профиль А был официально закрыт в 2007 г. на сессии WiMAX Forum, а общепризнанным стандартом стал профиль С.

Шлюз ASN (шлюз радиоподсети) — это логическое устройство, связывающее базовые станции одной ASN с другими сетями доступа и с сетью подключения CSN. Шлюз ASN обеспечивает связность как на уровне каналов передачи данных, так и на уровне управления. Шлюз ASN может быть представлен как совокупность двух групп функциональных элементов: блока решения (DP, Decision Point) и блока исполнения (EP, Enforcement Point).

Блок решения шлюза ASN выполняет функции управления инвариантно к виду используемых радио интерфейсов. Шлюз ASN может содержать модуль, управляющий аутентификацией и распределением ключей, для реализации инфраструктуры AAA (Authentication, Authorisation, Accounting). Инфраструктура AAA проверяет полномочия пользователей в процессе их подключения или переподключения к сети по алгоритму EAP и создает безопасную среду с разделяемыми между АС и БС ключами.

Инфраструктура AAA также отвечает за ведение статистики по абонентам.

Контекстный сервер Модуль управления Модуль управления Контроллер хэндовера Шлюз ASN реализует управление текущим профилем АС и осуществляет контроль за соблюдением правил CSN. Управление профилем АС включает в себя определение и сохранение аутентификационных данных, параметров безопасности, а также настроек АС, необходимых при переключении АС на другую БС.

В процессе хэндовера шлюз ASN осуществляет переключение канала передачи данных к требуемой БС. Шлюз ASN также обеспечивает целостность передаваемых данных для минимизации задержек распространения и снижения количества потерянных пакетов. Шлюз ASN содержит внешний агент для поддержки хэндовера на третьем логическом уровне и взаимодействия с домашним агентом в случае перехода АС от одной сети ASN к другой. Контроллер персональных вызовов и регистр местоположения в шлюзе ASN осуществляют поддержку персональных вызовов и работы АС в режиме ожидания.

Блок исполнения шлюза ASN отвечает за фильтрацию пакетов, организацию туннелей, управлением доступом, контроль за соблюдением правил, поддержку уровней QoS и продвижение данных. Блок исполнения может поддерживать протоколы IPv4/v6 и протоколы групповой и индивидуальной маршрутизации, такие как BGP, OSPFv2, PIM, IGMP и т. д.

Шлюз ASN является центральным элементом сетей ASN, выполняет функции интерфейса к внешним сетям и реализует различные службы IP.

Последним рассматриваемым компонентом ASN является устройство, называемое внешним агентом (FA, Foreign Agent). Это — маршрутизатор, отслеживающий принадлежность АС к той или иной БС в каждый момент времени для распределения информационных потоков (рис. 1.7).

Сеть подключения CSN — это сеть оператора WiMAX, именно в ней реализуются функции управления авторизацией, аутентификацией и доступом, подключение абонентов WiMAX к глобальным IP-сетям, предоставление таких услуг, как IP-телефония, доступ к телефонным сетям общего пользования, доступ в интернет и частные сети и т. д. Базовая модель сети WiMAX допускает, что одной сетью доступа ASN могут пользоваться несколько сервис-провайдеров, каждый со своей CSN. Напротив, одна CSN может подключаться к сетям доступа разных провайдеров доступа (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Модель взаимодействия сетей доступа и сетей подключения Сеть CSN представляет собой набор сетевых функций, которые обеспечивают абонента WiMAX различными службами IP. CSN может выполнять следующие функции:

выделение IP-адресов;

предоставление доступа к интернету;

реализацию сервера или прокси-сервера для инфраструктуры AAA;

управление доступом и контроль за соблюдением правил на основе профилей пользовательской подписки;

поддержка туннелей ASN – CSN;

учет оплаты абонентских услуг;

поддержка туннелей между CSN для роуминга;

поддержка перемещений абонента между различными ASN;

поддержка специальных служб WiMAX таких, как службы, основанные на определении местоположения абонента (LBS — location based services), одноранговые службы, подключение спецслужб, групповые широковещательные рассылки и т. д.

Процедуры аутентификации, авторизации и контроля доступа выполняет устройство, называемое AAA-сервером. При этом под аутентификацией пользователя понимается проверка его подлинности и возможности доступа в сеть, под авторизацией — выделение ему ресурсов сети в соответствии с услугами, на которые он подписан и под контролем доступа — подсчет потребленных пользователем ресурсов (количество времени или размер переданных данных) для формирования счета за пользование сетью. Также каждая CSN содержит домашний агент (HA, Home Agent), который является роутером-шлюзом, расположенным на границе WiMAX сети и внешних сетей.

Опорные точки в рамках базовой модели сети WiMAX — это каналы связи между базовыми модулями. Они определяют собой стандартные интерфейсы, причем не обязательно физические, если соединяемые опорной точкой модули конструктивно находятся в одном устройстве. Назначение опорных точек описано в табл. 1.2. Опорные точки необходимы для того, чтобы улучшить функциональную совместимость устройств, выпускаемых различными производителями.

БС WiMAX является логическим объектом, который реализует радио интерфейс и интерфейс к IP-сетям. БС реализует физический уровень и МАС-подуровень стандарта IEEE 802.16, а также одну или несколько функций ASN для взаимодействия со шлюзом ASN и другими БС. Экземпляр БС стандарта IEEE 802.16 поддерживает один сектор с одной несущей частотой, одна БС может взаимодействовать с несколькими шлюзами ASN для балансировки нагрузки и/или обеспечения избыточности передаваемых данных. Физически БС может включать в себя несколько объектов БС, так как БС определена как логический объект. Основным элементом БС является планировщик задач, осуществляющий управление частотновременными ресурсами сети при организации обмена в нисходящем и восходящем каналах связи.

Назначение опорных точек БМ сети WiMAX IEEE 802. Опорная точка Канал связи между мобильной станцией и сетью доступа ASN, беспроводный интерфейс стандарта IEEE 802.16.

Канал между MC и шлюзом ASN или CSN, включает процеR IP-конфигурирования. Данная точка представляет собой логический интерфейс, который обычно используется для аутентификации, авторизации конфигурирования IP и управления Содержит набор протоколов для взаимодействия ASN и CSN для реализации процедур ААА и контроля за выполнением правил сети. Данная опорная точка применяется, когда АС находится в гостевой сети и обменивается информацией с домашней сетью.

Канал связи между ASN-шлюзами различных ASN-сетей или одной ASN-сети. Данная опорная точка используется при перемещении АС между различными ASN. В отличие от предыдущих точек, между точками R4 могут создаваться защищенные соединения, в том числе, с использованием протоколов Канал связи между сетью домашнего и гостевого сервисR Виртуальный канал между блоками DP и EP в ASN-шлюзах.

Канал связи непосредственно между БС. Данная опорная точR ка применяется для передачи сигнализации в процессе хэндовера и при балансировке нагрузки между несколькими БС.

Так же, как и для точек R4, между точками R8 могут создаваться защищенные соединения, в том числе, с использованием IP-Sec или SSL VPN.

1.2.3. Поддержка мобильности в сетях WiMAX Одно из главных направлений в области описания и стандартизации сетей WiMAX IEEE 802.16 — обеспечение глобальной мобильности абонентов WiMAX, их свободы перемещаться между различными сетями во всем мире, постоянно оставаясь на связи. Особенно актуально это замечание для мобильных сетей WiMAX, абоненты которых являются обладателями небольших пользовательских терминалов, которые чаще всего берутся с собой в командировки, деловые поездки и на отдых.

В связи с поддержкой мобильности в базовой модели сети WiMAX введены понятия домашних и гостевых сервис-провайдеров — соответственно, H-NSP и V-NSP (рис. 1.8). Домашний NSP — это оператор, заключивший договор об обслуживании с абонентом WiMAX. Именно он реализует функции AAA. Для поддержки роуминга домашний сервиспровайдер WiMAX заключает роуминговые соглашения с другими NSP.

Гостевой NSP — это оператор, который предоставляет WiMAX-абоненту услуги роуминга. Прежде всего, V-NSP обеспечивает для такого абонента функции AAA, а также полный или частичный доступ ко всем услугам WiMAX-сети.

В WiMAX-сетях выделяют два вида мобильности: микро- и макромобильность. Метод обеспечения микромобильности применяется в случае движения АС в пределах одной ASN. Все функции выполняет сама ASN с помощью маршрутизатора FA. При этом методе CSN не участвует в процедуре передачи абонента от одной БС к другой (хэндовер) и не осведомлена о ней. IP-адрес АС остается неизменным. Процедура хэндовера на радиоинтерфейсе определена стандартом IEEE 802.16.

Мобильность с привязкой к ASN (микромобильность) В процессе перемещения АС меняет точку привязки. В случае, когда точка привязки (БС) принадлежит той же ASN, АС не меняет свой IPадрес. Такой тип мобильности называется мобильностью с привязкой к ASN. Существует также мобильность с привязкой к CSN, при которой АС перемещается между зонами действия БС, принадлежащих разным ASN.

Управление перемещением АС необходимо для снижения количества потерянных пакетов, уменьшения задержек при хэндовере и сохранении порядка следования пакетов при требуемом уровне безопасности.

Рис. 1.8. Модель взаимодействия операторов сервисных сетей WiMAX Мобильность с привязкой к CSN (макромобильность) В случае, когда АС перемещается в зону покрытия БС, принадлежащей другой ASN, имеет место мобильность на основе IP, что приводит к перепривязке текущего внешнего агента к новому внешнему агенту.

Метод обеспечения макромобильности необходим при перемещении АС между различными ASN. Его суть состоит в переключении пути данных с одного интерфейса R3 на другой. Метод основан на использовании MIP (Mobile IP) — интернет-протокола, обеспечивающего передвижение абонента между сетями без изменения его IP-адреса. Таким образом, устройство, с которым абонент обменивается информацией, не замечает этого передвижения. MIP подразумевает, что у каждого устройства есть два IP-адреса — основной (HoA), присвоенный ему в домашней сети, и дополнительный (CoA).

MIP использует следующие функциональные компоненты: MIPклиент (MIP client), FA, НА. MIP клиент может располагаться в АС (CMIP, Client MIP) — в этом случае АС должен быть присвоен глобальный CoA.

Этот адрес АС сообщает НА домашней сети, который перехватывает все сообщения по HoA и направляет их по CoA (как правило, в режиме туннелирования и инкапсуляции). Также MIP клиент может быть расположен в FA ASN, который будет действовать от имени MS, от которой не требуется поддержки протокола MIP. При этом для всех сетей, лежащих за пределами ASN, в роли CoA мобильной станции выступает IP-адрес внешнего агента. Настоящий CoA АС присваивается FA и используется для маршрутизации пакетов внутри ASN. Основной IP-адрес мобильной станции для этих целей не используется из-за опасности его совпадения с IP-адресом другой АС, работающей внутри этой же ASN. В сетях WiMAX IEEE 802. обязательна поддержка обоих случаев расположения MIP-клиента.

НА содержит таблицу соответствия IP-адреса АС (основного или дополнительного, в зависимости от того, является ли данный NSP домашним по отношению к абоненту) IP-адресу FA, к которому относится эта АС.

Таким образом, HA имеет информацию о том, к какому FA отправлять пакеты, предназначенные данной АС.

1.2.4. Качество обслуживания в сетях WiMAX В связи с тем, что сети WiMAX изначально рассматривались как сети операторского класса, вопрос обеспечения QoS в них первичен. Стандарт IEEE 802.16 вопросы обеспечения требуемого качества обслуживания связывает с конкретным сервисным потоком. Сервисным потоком называется поток данных, связанный с определенным приложением. Каждый поток имеет свой QoS-класс обслуживания, при этом абоненту выделяется необходимая полоса пропускания — соответствующий виртуальный канал, которому присваивается 16-разрядный идентификатор соединения СID (Сonnection Identifier). Класс обслуживания QoS может задаваться для каждого абонентского терминала или назначаться для групп пользователей по MAC-, IP-адресам и др. Существует пять QoS-классов обслуживания:

класс доступа по первому требованию UGS (Unsolicited Grant Service), при котором абонентской станции немедленно предоставляется заранее оговоренная (при подключении к сети) фиксированная скорость передачи. Несмотря на применение коммутации пакетов, этот класс позволяет эмулировать непрерывный канал связи и, как при коммутации каналов, обеспечивает постоянную скорость передачи, что требуется, например, в традиционной телефонии;

класс доступа с переменной скоростью с передачей данных в режиме реального времени RT-VR (Real-Time Variable Rate), при котором абонентская станция передает информацию, чувствительную к задержкам, с переменной скоростью без потери качества. Таким способом может передаваться видеоинформация с переменным сжатием;

класс доступа с переменной скоростью без передачи данных в режиме реального времени NRT-VR (Non-Real-Time Variable Rate) используется для передачи информации нечувствительной к задержкам, но требующей гарантированной скорости. Например, этот класс используется для передачи файлов (протоколы FTP, HTTP);

класс доступа в режиме максимально возможной в данный момент скорости BE (Best Effort) используется для передачи данных, не критичных к скорости передачи и времени задержки. Преимущественно данный класс используется для передачи данных в интернете;

для передачи данных приложений реального времени вводится промежуточный между UGS и RT-VT пятый расширенный класс доступа с переменной скоростью с передачей данных в режиме реального времени ERT-VR (Extended Real-Time Variable Rate), который обеспечивает постоянные скорость и задержку, например, при передаче голоса с подавлением пауз.

Инфраструктура QoS включает в себя следующие элементы:

службы с установлением соединения;

службы доставки: UGS, RT-VR, ERT-VR, NRT-VR;

модули обеспечения требуемых параметров QoS для каждого абонента отдельно;

модули управления доступом на основе политик разрешения;

службы создания статических или динамических сервисных потоков.

AF PF ААА

AF PF РААА

SFM SFA

Рис. 1.9. Поддержка QoS в системах WiMAX Вследствие того, что в стандарте IEEE 802.16 инфраструктура QoS поддерживается и в базовых сетях (а не только в БС и АС), для эффективного обслуживания абонентов с разными требованиями QoS в сети требуются дополнительные функциональные элементы: модули управления стратегиями работы (PF — Policy Function), управления доступом (AC — Admission Control), авторизации сервисных потоков (SFA — Service Flow Authorization). На рис. 1.9 показаны элементы, осуществляющие указанные функции. Модуль управления стратегиями работы вместе с соответствующими базами данных относится к NSP. Инфраструктура AAA функционирует совместно с модулями управления стратегиями работы для определения прав каждого пользователя на работу с определенными уровнями QoS и выстраивания соответствующих стратегий работы абонента. Модуль авторизации сервисных потоков обычно размещается в шлюзе ASN и использует информацию, полученную от модуля управления стратегиями работы в процессе подключения абонентов к сети и для управления сервисными потоками.

После того, как загружены профили QoS модуль авторизации сервисных потоков создает, принимает и приводит в действие заранее подготовленные сервисные потоки. Более того, в случае, когда пользовательский профиль QoS не удалось загрузить, модуль управления стратегиями работы может инициировать создание новых сервисных потоков, которые далее будут использоваться в качестве предварительно подготовленных.

В технологии WiMAX предложено множество новых служб, призванных не только обеспечить простую сетевую интеграцию для поставщиков услуг, но и предложить абонентам услуги связи следующего поколения.

Далее будут кратко описаны некоторые специальные службы WiMAX, предлагаемые форумом WiMAX в релизе 1.5.

Службы групповых широковещательных рассылок Службы групповых широковещательных рассылок (Multicast Broadcast Services — MCBCS) в сетях WiMAX дополняют инфраструктуру аналогичных служб, описанных в стандарте IEEE 802.16. Примером использования службы групповых широковещательных рассылок являются потоковое видео; местные широковещательные уведомления абонентов о различных локальных социальных событиях (концерты, спортивные матчи и т. д.); интерактивные онлайновые игры; услуга Нажми и говори (push-totalk); загрузка файлов; предварительно запланированная загрузка файлов;

загрузка различных руководств, справочников и путеводителей; службы оповещения (уличное движение, прогноз погоды и т. д.); звуковой живой журнал; интерактивное телевидение; контроль в реальном времени; видеоконференции; видео по запросу и т. д.

Службы групповых широковещательных рассылок могут применять в базовой сети стандартные протоколы IP для групповой маршрутизации такие, как PIM-SM, DVMRP и т. п., причем дублирование пакетов осуществляется специальными групповыми маршрутизаторами в направлении ASN и CSN. В каждой зоне групповых широковещательных рассылок может функционировать специальный сервер (рис. 1.10), который содержит информацию о БС, принадлежащих данной зоне вещания и участвующих в групповой широковещательной рассылке. Такой сервер обеспечивает подключение абонентов к службе групповых широковещательных рассылок по протоколу IGMP и передачу необходимого контента абоненту по соединению с заданным CID (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Пример системы групповых широковещательных рассылок Служба групповых широковещательных рассылок может приостановить передачу данных в случае, когда в данной зоне вещания отсутствуют подключенные к службе абоненты.

Службы, основанные на определении местоположения абонента (LBS — location based services) Значительное количество современных приложений для мобильных пользователей использует в процессе работы информацию о местоположении пользователя. Сети WiMAX предусматривают возможность определения местоположения абонентов для функционирования служб LBS, обеспечения экстренных вызовов, подключения спецслужб страны, а также для оптимизации работы сети (например, хэндовер на основе знания местоположения абонента и равномерное распределение трафика между БС). Система со службой LBS содержит сервер расположения (Location Server — LS), контроллер расположения (Location Controller — LC) и агент расположения (Location Agent — LA) (рис. 1.11).

Сервер расположения, размещаемый в CSN, является центральным элементом службы LBS, который собирает из сети доступа информацию о местоположении абонентов и предоставляет ее авторизованным объектам.

Для подключения устройства к службе LBS сервер расположения взаимодействует с ААА для получения специального идентификатора аутентификации.

Контроллер расположения, размещаемый в шлюзе ASN, обеспечивает получение информации о местоположении абонента на основе различных алгоритмов с использованием ресурсов сети или на основе данных непосредственно от абонента (например, информация о координатах абонента, полученная от встроенного GPS-приемника.

Агент расположения размещается в БС и выполняет измерения.

Всего возможны два типа служб LBS: с определением местоположения на основе данных от абонента и с определением местоположения средствами самой сети. В первом случае используется специальные сигналы от БС или информация о координатах от встроенного GPS-приемника.

Абонент подключается к такой службе в процессе входа в сеть и получает навигационные данные в служебном сообщении LBS-ADV. АС использует эту информацию и передает ее к своим приложениям.

Определение местоположения абонента средствами сети может быть инициировано либо АС, либо самой сетью. АС может иметь встроенный GPS-приемник, информация с которого может пересылаться в сеть для повышения точности определения координат. Сети WiMAX могут также передавать абонентам спутниковые эфемериды для уменьшения времени холодного старта GPS-приемника.

Опорные БС передают специальные опорные сигналы и вспомогательную информацию для определения местоположения в нисходящем канале (относительная задержка, круговая задержка, RSSI — Received Signal Strength Indication), в восходящем канале для определения местоположения могут использоваться специальные сигнальные конструкции или служебное сообщение RNG-REG.

LA LA LC LS

При определении местоположения на основе данных от абонента для триангуляции используются опорные сигналы нисходящего канала, при этом опорные БС обмениваются данными для обеспечения взаимной синхронизации высокой степени точности. При определении местоположения под управлением сети выполняется определение координат обслуживающей абонента БС и определение значения параметра CINR (Carrier-toInterference + Noise Ratio). Также в этом случае АС может выполнять расчет для определения местоположения по опорным сигналам нисходящего канала и пересылать результаты обратно в сеть.

Интерфейсы для подключение спецслужб Сети WiMAX предоставляют специальные интерфейсы для подключения спецслужб (Lawful Intercept — LI) в целях перехвата широковещательных пакетных сообщений в соответствии с законодательством некоторых стран.

Инфраструктура, обеспечивающая интерфейсы для подключения спецслужб, включает в себя функцию доступа (Access Function — AF), функцию доставки (Delivery Function — DF), функцию сбора (Collection Function — CF), администрирование поставщика услуг (Service Provider Administration) и управление правоприменением (Law Enforcement Administration).

Функция доступа состоит из одной или нескольких точек перехвата (Intercept Access Points — IAPs), которые расположены в одной или нескольких ASN/CSN. Точки IAP обеспечивают перехват сообщений на основе протокола CALEA8 и предоставляют данные о перехвате серверу перехвата сообщений (Lawful Interception Server — LIS). Существует два типа точек IAP: точки, предоставляющие общую информацию о прослушиваемом соединении и точки, предоставляющие собственно передаваемые по прослушиваемому соединению данные. Точки IAP собирают и передают на LIS данные, полученные в процессе перехвата сообщений.

Функции сбора и доставки обеспечивают возможность подключения к одним и тем же точкам перехвата различных спецслужб.

Универсальный интерфейс Универсальный интерфейс (Universal Services Interface — USI) представляет собой инфраструктуру для подключения к сетям WiMAX различных доверенных сторонних поставщиков услуг интернет (например, Google, E-Bay, Yahoo! и др.). Универсальный интерфейс позволяет динамически подключать различные службы и встраивать их в сеть WiMAX.

1.3. Вид сигналов в системах WiMAX. Сигналы с OFDM На физическом уровне сетей WiMAX для передачи данных в нисходящем и восходящем каналах используются многочастотные сигналы с ортогональным частотным уплотнением — Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Остановимся на них более подробно.

1.3.1. Временные характеристики сигналов с OFDM Идея передачи данных сигналами с OFDM основывается на технике передачи данных с использованием множества несущих и заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов (поднесущих), и передача ведтся на них параллельно.

За счет разделения передаваемого высокоскоростного потока данных на большое (100–1000) количество относительно низкоскоростных подпотоков (каналов), каждый из которых модулируется своей поднесущей, сигналы с OFDM обеспечивают высокую помехоустойчивость приема в условиях межсимвольной интерференции. Сигналы с OFDM формируются с помощью устройства, выполняющего обратное дискретное преобразование Фурье. Полученные на выходе этого устройства временные отсчеты через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и выходные цепи передатчика поступают в непрерывный канал передачи. Сигналы на поднесущих частотах ортогональны.

На рис. 1.12 схематично представлен сигнал с OFDM в частотной и временной области для случая четырех поднесущих и двоичной фазовой манипуляции. По оси частот показаны значения амплитуд А0, …, А3 колебаний сигналов на поднесущих частотах f0, …, f3, а по оси времени — вещественные огибающие сигналов на каждой частоте. Разнос частот между поднесущими составляет 1/Т. Во временной области на интервале времени длительности Т помещается целое число периодов колебаний k-й поднесущей.

Энергетический спектр случайной последовательности сигналов с OFDM определяется суммой энергетических спектров случайных последовательностей сигналов на каждой поднесущей частоте. Например, для сигналов, представленных на рис. 1.12, энергетический спектр будет определяться формой спектра сигналов с прямоугольной огибающей длительностью Т.

Рис. 1.12. Схематичное представление сигналов с OFDM в частотной и Сигналы с OFDM широко применяются в каналах передачи с межсимвольной интерференцией, вызванной отражениями от объектов. Степень мешающего действия межсимвольной интерференции и вероятность ошибочного приема зависят от степени перекрытия передаваемых информационных символов. Поэтому для улучшения качества приема сигналов в таких условиях целесообразно увеличивать длительность символа T.

Это можно сделать за счет снижения информационной скорости передачи, что не всегда приемлемо.

Одним из известных способов борьбы с межсимвольной интерференцией, основанных на увеличение длительности символа T, является применение методов многопозиционной модуляции, при которых длительность Tc символа на выходе модулятора увеличивается в log2 M по сравнению с длительностью Tb информационного символа: Tc = Tblog2M, где М — число возможных элементарных сигналов (сигнальных точек). При формировании таких сигналов с OFDM используются методы фазовой манипуляции ФМ-2, ФМ-4, КАМ-16 и КАМ-64.

Для борьбы с межсимвольной интерференцией применяется защитный интервал, который добавляется к передаваемому сигналу с OFDM, пилотсигналы и помехоустойчивое кодирование в сочетании с перемежением.

Вставляя защитный интервал достаточной длительности в начале каждого блока символов, можно практически полностью исключить влияние межсимвольной интерференции. Защитный интервал представляет собой часть временного интервала, отведенного для передачи блока символов, который вставляется перед началом символа.

В сигналах с OFDM применяются ортогональные несущие, частоты которых выбираются из условия:

где T — длительность символа, fk, fl — несущие частоты каналов k и l. При выполнении условия ортогональности межканальная интерференция отсутствует. За счет более плотного расположения подканалов по частоте спектральная эффективность сигналов с OFDM по сравнению со спектральной эффективностью классических сигналов c частотной манипуляцией значительно выше.

На интервале времени от 0 до Т сигналы с OFDM на несущей частоте fн имеют вид:

где 1 = 2/T, n — n-ая поднесущая частота, N — количество поднесущих частот, yn — комплексный символ канального алфавита, предназначенный для манипуляции n-й поднесущей частоты.

На рис. 2.1 в качестве примера приведена форма последовательности сигналов с OFDM в основной полосе частот для значения числа поднесущих частот N = 1024 и полосе занимаемых частот сигналом с OFDM Fз = 10 МГц. На каждой поднесущей частоте используется манипуляция ФМ-4. Скорость передачи данных на каждой поднесущей частоте составляет 10,9 кбит/с.

Во временной области сигнал с OFDM представляет собой суперпозицию большого количества отрезков гармонических колебаний различной частоты (рис. 2.1). Как видно из этого рисунка, пик-фактор такого сигнала может принимать относительно высокие значения.

Пик-фактор сигналов с OFDM представляет собой отношение наибольшей (пиковой) мощности к средней мощности сигнала s(t):

Для сигнала с OFDM вида (1.2) с учетом того, что справедливо условие ортогональности имеем:

Мгновенная мощность сигнала с OFDM равна Тогда пик-фактор сигнала с OFDM определяется следующим выражением:

Для случая, когда на поднесущих частотах используется фазовая маN1 ний символов канального алфавита. Для многоуровневых видов фазовой манипуляции (амплитудно-фазовая манипуляция АФМ, квадратурная амплитудная манипуляция КАМ) при достаточно большом N средняя мощность сигнала также примерно постоянна. Таким образом, На рис. 1.13 в качестве примера приведены значения мгновенной мощности сигналов с OFDM c использованием на каждой поднесущей частоте двоичной фазовой манипуляции ФМ-2 для значений числа поднесущих частот N = 64 и частоте дискретизации Fs = 11,2 МГц. Здесь по оси ординат отложены значения мгновенной мощности сигнала с OFDM, а по оси абсцисс — время. Из этого рисунка видно, что пик-фактор изображенного сигнала равен 7…8 дБ, тогда как пик-фактор сигналов с одной несущей и фазовой манипуляцией равен двойке. При переходе к многопозиционным амплитудно-фазовым методам манипуляции увеличение пикфактора сигналов с OFDM еще более значительно.

Рис. 1.13. Мгновенная мощность сигнала с OFDM для N = 64, При большом числе поднесущих частот и объеме канального алфавита можно считать, что пик-фактор сигнала с OFDM является случайной величиной, значение которой определяется конкретным набором случайных символов yn, n = 0, 1, …, (N – 1).

Большое внимание к изучению возможностей снижения пик-фактора колебаний связано, в первую очередь, с тем, что именно этот параметр сигналов с OFDM существенно ограничивает область их применения, особенно в портативных приемно-передающих устройствах с малым потреблением мощности. Высокое значение пик-фактора колебаний приводит к амплитудному ограничению сигналов с OFDM в выходных цепях передатчика и появлению в сигнале межканальных помех и, как следствие, к снижению помехоустойчивости приема информации и увеличению значений уровня внеполосных излучений.

1.3.2. Спектральные характеристики случайной последовательности сигналов с OFDM Определим спектральную плотность средней мощности случайной последовательности сигналов с OFDM. На интервале времени от –Т/2 до Т/2 сигнал с OFDM с комплексными амплитудами yn может быть представлен в виде или где 1 = 2/T, n — n-ая поднесущая частота, N — количество поднесущих частот, yn — комплексный символ канального алфавита, предназначенный для модуляции n-ой поднесущей частоты, a(t) — огибающая сигнала на каждой поднесущей.

Рассмотрим случайный процесс следующего вида:

и его усеченную k-ю реализацию на интервале t [0;TA ] :

Обозначим спектр огибающей a(t) в общем случае непрямоугольной формы в виде Тогда спектр Tk ) (t ) равен Математическое ожидание энергетического спектра | STA ) () |2 будет равно причем в случае статистически независимых комплексных символов канального алфавита Заметим, что в отличие от случая детерминированных сигналов составляющая энергетического спектра исследуемых случайных последовательностей сигналов с OFDM, обусловленная перекрестными произведениями Sa ( n )Sa ( m ), при n m, равна нулю. Окончательно имеем Таким образом, спектральная плотность средней мощности сигнала вида (1.9) определяется следующим выражением:

т. е. спектральная плотность средней мощности сигнала с OFDM равна сумме сдвинутых копий спектральных плотностей средней мощности одночастотного сигнала:

где G() — спектральная плотность средней мощности одночастотного сигнала, n 2n / T — циклическая частота n-й поднесущей.

Рис. 1.14. Энергетический спектр сигнала с OFDM c N = Рассмотрим пример энергетического спектра сигналов с OFDM для случая, когда огибающая сигналов, применяемых на каждой поднесущей частоте, имеет прямоугольный вид. Очевидно:

где А — амплитуда огибающей, Т — длительность огибающей. Подставив выражение (1.14) в (1.13), получим спектральную плотность средней мощности сигнала с OFDM с прямоугольными огибающими в квадратурных составляющих на каждой поднесущей:

где Аn — амплитуда n-й поднесущей, равная нулю, если поднесущая не используется в сигнале с OFDM, и единице, если используется.

Энергетический спектр сигнала с OFDM с 64 поднесущими, прямоугольными огибающими на поднесущих и ФМ-2 представлен на рис. 1.14.

Здесь по оси ординат отложены значения спектральной плотности средней мощности сигнала, а по оси абсцисс — частота, нормированная к частоте дискретизации сигнала. Вследствие того, что огибающая поднесущей имеет прямоугольную форму, спектр каждой поднесущей описывается функцией (1.15). Спектр сигнала с OFDM представляет собой суперпозицию спектров всех поднесущих.

1.3.3. Полоса занимаемых частот и спектральные маски В соответствии с нормами ГКРЧ на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения гражданского применения, контрольная ширина полосы частот излучения определяется по уровню –30 дБ. За пределами такой полосы любая дискретная составляющая спектра внеполосных радиоизлучений или спектральная плотность мощности внеполосных радиоизлучений ослаблены не менее, чем на 30 дБ относительно заданного (исходного) уровня 0 дБ.

Внеполосным радиоизлучением называется излучение на частоте или частотах, непосредственно примыкающих к необходимой ширине полосы частот1, которое является результатом процесса модуляции, но не включает побочных излучений. Нормы на внеполосные излучения установлены по значениям ширины полосы частот радиоизлучения на уровнях –40, –50 и –60 дБ относительно заданного (исходного) уровня 0 дБ.

Различают необходимую Fн и занимаемую Fз полосы частот (рис. 1.15).

Необходимая ширина полосы частот – это ширина полосы частот, которая достаточна при данном классе излучения для обеспечения передачи сообщений с необходимой скоростью и качеством при определенных условиях.

Рис. 1.15. Необходимая и занимаемая полосы частот и внеполосные В качестве занимаемой полосы частот обычно принимается полоса, за пределами которой сосредоточена некоторая заданная часть средней мощности излучаемых колебаний.

Для численной оценки Fз вводят понятие ограничительной линии внеполосного излучения. Это линия на плоскости координат (уровень – частота), которая устанавливается для каждого класса излучения и является верхней границей максимально допустимых значений уровней составляющих внеполосного спектра излучения, выраженных в децибелах относительно заданного (исходного) уровня 0 дБ. Нижним уровнем измеряемой мощности излучения обычно считают –60 дБ. При выборе формы применяемых сигналов, необходимо стремиться к тому, чтобы Fз была как можно ближе по значению к Fн.

Беспроводные сети широкополосного доступа должны удовлетворять стандартам IEEE 802.11 b, g, n (Wi-Fi) и стандартам IEEE 802.16е- (Mobile WiMAX). Обязательные требования к параметрам оборудования радиодоступа, применяемого в сетях Wi-Fi и WiMAX, указаны в [10]. В частности, в [10] указываются требования к беспроводному оборудованию базовых и абонентских станций по полосе занимаемых частот и уровням внеполосных излучений передатчиков, а также методы их расчета.

Так, например, координаты точек перегиба масок спектра для сигналов с OFDM с различной полосой частот представлены в табл. 1.3.

Допустимый уровень побочных излучений в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц составляет –50 дБм.

Координаты точек перегиба масок спектра Полоса частот,

A B C D E F

Определение занимаемой полосы частот по уровню –60 дБ будет определять и полосу частот сигналов с OFDM. В этой связи, полоса частот сигналов определяется видом энергетического спектра случайной последовательности сигналов. Например, для сигналов с OFDM для случая, когда огибающая сигналов, применяемых на каждой поднесущей частоте, имеет прямоугольный вид, форма энергетического спектра будет определяться выражением (1.15). При этом, поскольку скорость спада уровня внеполосных излучений у таких сигналов весьма низкая, полоса занимаемых частот оказывается достаточно большой.

1.3.4. Формирование сигналов с OFDM Одним из преимуществ классических сигналов с OFDM является использование при их формировании и приеме методов дискретного преобразования Фурье. Это существенно упрощает практическую реализацию приемно-передающих трактов радиомодемов. При формировании сигналов с OFDM цифровой поток информационных символов поступает на блок помехоустойчивого кодирования, с выхода которого канальные символы подаются на модулятор сигналов (рис. 1.16). Модулятор сигналов производит преобразование канальных символов двоичного алфавита в комплексные модуляционные символы в соответствии с выбранным законом манипуляции. Далее полученные символы поступают на преобразователь последовательного потока данных в параллельный. Формирование группового сигнала в цифровом виде осуществляется с помощью обратного (быстрого) дискретного преобразования Фурье; на этом же этапе осуществляется добавление в групповой сигнал пилотных поднесущих, которые используются для оценки параметров канала. Преобразование сигнала в аналоговую форму производится с помощью ЦАП.

Спектр дискретного сигнала является периодической функцией с периодом, равным частоте дискретизации Fs. Восстановление аналогового сигнала осуществляется с помощью ЦАП и фильтра нижних частот (ФНЧ) с полосой пропускания Fз. Амплитудно-частотная характеристика ФНЧ должна быть плоской в области основного лепестка спектра сигнала с OFDM и быстро спадать вне основного лепестка, чтобы эффективно подавить копии спектра дискретного сигнала.

Информационные

ЦАП ФНЧ

Рис. 1.16. Обобщенная структурная схема устройства формирования В реальных условиях аппаратура формирования сигналов с OFDM включает в себя блоки помехоустойчивого кодирования, перемежения, блоки тактовой и цикловой синхронизации, блоки введения защитного интервала и др.

Так, например, при построении аппаратуры формирования сигналов с OFDM в стандарте IEEE 802.16е-2005 в режиме WirelessMAN, используются следующие параметры:

– количество точек ОБПФ N = 256;

– число используемых поднесущих частот 200 (192 информационных поднесущих и 8 поднесущих для пилот-сигналов);

– частота дискретизации Fs и длительности сигнала Т определяются из табл. 1.4.

Параметры сигнала с OFDM в стандарте IEEE 802.16е- Основным блоком устройств приема сигналов с OFDM является цифровой блок дискретного (быстрого) преобразования Фурье. Применение БПФ существенно упрощает практическую реализацию приемных трактов радиомодемов. На рис. 1.17 приведена обобщенная структурная схема устройства приема сигналов с OFDM. На этой схеме входной сигнал поступает на смеситель, в котором осуществляется перенос спектра сигнала в основную полосу частот, далее сигнал подается на ФНЧ с полосой пропускания Fз и преобразуется в цифровой вид с помощью АЦП. В цифровой части приемника выполняются процедуры тактовой и фазовой синхронизации, коррекции передаточной характеристики канала (эквалайзер), демодуляции и декодирования. В беспроводных системах передачи данных для реализации тактовой синхронизации применяется преамбула — сигнал с OFDM с полностью известными параметрами и хорошими автокорреляционными свойствами. Также на этапе тактовой синхронизации осуществляется коррекция возможного сдвига сигнала по частоте. Наличие блока удаления частотного сдвига обязательно, так как сигналы с OFDM чувствительны к ошибкам неортогональности, возникающими вследствие сдвига сигнала по частоте.

ФНЧ АЦП БПФ

Рис. 1.17. Обобщенная структурная схема устройства приема сигналов В приемнике, показанном на рис. 1.17, реализуется когерентный алгоритм приема сигналов с OFDM, который обеспечивается формированием внутри блока БПФ когерентных опорных колебаний на каждой поднесущей, параллельного умножения входного сигнала на опорные колебания и интегрирования произведений на длительности сигнала. Все указанные операции осуществляются внутри блока БПФ (выражение (1.24)), на выход блока поступают результаты интегрирования (суммирования) для каждой поднесущей. Таким образом, когерентный прием сигналов с OFDM с прямоугольной огибающей в дискретной форме осуществляется на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье. Имеем:

где xk nk — временные отсчеты сигнала на выходе ЦАП, Cn — выход сумматора на n-й поднесущей в момент времени, соответствующий окончанию сигнала. Таким образом, все действия по реализации когерентного приема сигналов с OFDM осуществляются в блоке БПФ параллельно.

Блок БПФ реализует банк корреляторов, каждый из которых настроен на определенную поднесущую.

Фазовая синхронизация и коррекция передаточной характеристики канала осуществляется в эквалайзере на основе пилотных поднесущих.

Пилотные поднесущие представляют собой специально выделенные частоты, равномерно распределенные в полосе занимаемых частот, на которых передается заранее известная информация. На основе анализа принятых и переданных символов на пилотных поднесущих можно оценить комплексный коэффициент передачи канала и сдвиг фазы на этих частотах и далее решить задачу интерполяции передаточной характеристики канала во всей полосе занимаемых частот.

В демодуляторе осуществляется преобразование полученных комплексных модуляционных символов в канальные символы двоичного алфавита. Канальные символы поступают на блок декодера помехоустойчивого кода и далее к получателю сообщений.

1.4. Многоантенные системы передачи данных MIMO 1.4.1. Актуальность применения технологии MIMO В современном информационном обществе постоянно возрастают требования к повышению скорости передачи данных, расширению зоны покрытия и надежности соединения в беспроводных сетях связи, работающих в условиях городской застройки. Инженеры-разработчики оборудования для систем беспроводной передачи данных, пытающиеся решить данные задачи, сталкиваются, в частности, с двумя проблемами: явлением замирания сигналов и межканальной интерференцией. Замирания связаны с переотражением электромагнитных волн от препятствий на пути своего распространения (здания, деревья, холмы). При этом на антенну приемника в каждый момент времени поступает множество копий переданного сигнала, которые при сложении в противофазе взаимоподавляются, сводя принимаемую мощность к нулю и образуя так называемые мертвые зоны в области покрытия сети. Межканальная интерференция связана с искажениями сигналов в соте сети под влиянием сигналов соседних сот, в которых для передачи данных используется тот же частотный диапазон.

Решением этих проблем является применение технологии MIMO (Multiple Input – Multiple Output, множественный ввод – множественный вывод), которая, в общем случае, подразумевает, что каждое радиотехническое устройство, участвующее в обмене данными, будет иметь несколько антенн. Простейшим примером является система, состоящая из двухантенного передатчика и одноантенного приемника. Она получила название MISO (Multiple Input – Single Output, множественный ввод – единственный вывод). В сетях Wi-MAX осуществляется передача сигналов именно по такой схеме, поэтому в последующих пунктах данного раздела системы MISO будут рассмотрены подробнее.

Наиболее распространенная схема до сегодняшнего дня, в которой каждое приемо-передающее устройство имеет единственную антенну, получила название SISO (Single Input – Single Output, единственный ввод – единственный вывод).

Эффективность применения MIMO в условиях замирания сигналов и канальной интерференции обусловлена следующими причинами.

1. Возрастание среднего значения отношения сигнал-шум вследствие когерентного сложения сигналов, излучаемых антеннами передатчика.

Степень возрастания пропорциональна количеству приемных антенн.

2. Влияние соканальной интерференции на помехоустойчивость приема можно интерпретировать как возрастание шумов в заданной полосе частот. Поэтому улучшение приема на фоне шумов при использовании MIMO означает, в частности, ослабление воздействия канальной интерференции.

3. Для противодействия замираниям используется разнесение сигналов по времени, частоте и в пространстве. Разнесение по времени или частоте может быть реализовано в классической системе SISO, однако комбинированное разнесение в пространстве является отличительной чертой именно технологии MIMO.

Также различают разнесение сигналов на передающей и на приемной стороне. Первый вид реализуем только в системах с передатчиком, имеющим две и больше антенн. Сигналы, независимо излучаемые каждой из них и поступающие на приемник, будут иметь различные пути распространения. Можно считать, что между устройствами возникает совокупность независимых радиоканалов. Это позволяет надеяться на то, что хотя бы в одном из них замирание не приведет к полному подавлению мощности сигнала.

Разнесение сигналов на приемной стороне означает, что несколько антенн должен иметь приемник. Тогда на каждую из них одновременно поступают сигналы, излучаемые передающим устройством. Вероятность того, что замирание приведет к взаимоподавлению сигналов сразу на всех антеннах, значительно меньше, чем в системах SISO.

При одновременном использовании многоантенного приемника и многоантенного передатчика описанные выше преимущества комбинируются. Совокупность образованных радиоканалов связи называется MIMO-каналом.

1.4.2. Основные понятия. Схемы передачи.

Систему с MIMO, состоящую из передатчика, имеющего Nt антенн, и приемника, имеющего Nr антенн, можно изобразить в виде, представленном на рис. 1.18.

MIMO MIMO

Рис. 1.18. Схематическое изображение приемо-передающей системы с Здесь hji — комплексный коэффициент передачи по каналу от i-й антенны передатчика к j-й антенне приемника. Для описания всего MIMO-канала вводится матрица передаточных характеристик:

Обозначая вектор передаваемых сигналов как s {s1, s2,..., sNt }, а вектор принимаемых сигналов как r {r1, r2,..., rNr }, можно записать:

где nj — компонента сигнала, принимаемого j-й антенной, вводимая для учета влияния аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ). Тогда:

или в векторной форме:

где n {n1, n2,..., nNr }.

Одним из важнейших параметров MIMO систем является информационная емкость канала, под которой понимается максимальная скорость передачи информации, достижимая в данном канале связи на 1 Гц его полосы пропускания. Емкость детерминированного канала SISO при воздействии АБГШ определяется теоремой Шеннона-Хартли:

где (Рс/Рш)вх — среднее значение отношения сигнал-шум на входе приемника; h11 — коэффициент передачи по SISO-каналу. Емкость детерминированного канала MIMO при воздействии АБГШ:

где IR — единичная матрица размерности NrNr, (Рс/Рш)вх — среднее значение отношения сигнал-шум на выходе каждой приемной антенны, H t — эрмитово-сопряженная матрица H. Можно заметить, что выражение (1.27) является частным случаем выражения (1.26) при Nr = Nt = 1. Для случайных MIMO-каналов (1.27) обобщается, при этом происходит переход к так называемой эргодической или средней емкости:

где m11{} — математическое ожидание значений функции от случайной величины H.

При увеличении R и (или) T, значение выражений (1.27) и (1.28) также будет возрастать. Таким образом, емкость MIMO-канала всегда больше емкости SISO-канала. Увеличивая количество антенн передатчика и (или) приемника, можно значительно повысить скорость передачи информации в системах с MIMO, следствием чего является повышение их спектральной эффективности по сравнению с SISO.

Например, при (Рс/Рш)вх = 10 дБ эргодическая емкость системы SISO примерно равна 2,95 бит/с/Гц, системы MIMO 44 (4 передающие антенны на 4 принимающие) — 10,9 бит/с/Гц, системы MIMO 88 — 29,7 бит/с/Гц.

Фундаментальной проблемой систем с MIMO является разработка алгоритмов распределения информационных битов между передающими антеннами; формирования, излучения и приема сигналов. Инженеры и исследователи, работающие в данной области, концентрируют внимание на решении трех задач: обеспечение высокой скорости передачи информации, низкой вероятности ошибки на бит и/или относительной простоте устройства, реализующего конкретный алгоритм.

На практике используют три схемы передачи по MIMO-каналам:

пространственно-временное кодирование (Space-Time Coding, STC);

пространственное мультиплексирование (Spatial Multiplexing, SM);

метод формирования диаграммы направленности (Beamforming).

Принцип схемы STC заключается в том, что из битов исходной информационной последовательности в соответствии с правилами, определяемыми данным кодом, формируются сигналы. Эти сигналы излучаются антеннами передатчика одновременно и в течение заданного интервала времени. Причем из одних и тех же последовательностей битов формируется несколько различных сигналов, т. е. вводится избыточность, которая может быть уменьшена при использовании кодов с исправлением ошибок.

По методу кодирования STC подразделяются на:

пространственно-временные решетчатые коды (STTC, Space-Time Trellis Codes);

пространственно-временные блочные коды (STBC, Space-Time Block Codes);

пространственно-временные турбо коды (STTTC, Space-Time Turbo Trellis Codes);

многоуровневые пространственно-временные коды (LSTC, Layered Space-Time Codes).

STC-код разрабатывается для обеспечения оптимальности по тому или иному критерию в определенных условиях. В частности, характерной чертой таких кодов является то, что за счет введения избыточности они позволяют снизить вероятность ошибок, увеличить спектральную эффективность по сравнению с системами SISO и обеспечить приемлемую производительность работы устройств кодирования и декодирования. STC широко применяется в локальных беспроводных и сотовых сетях связи, в частности, в сетях WiMAX.

В случае использования схемы пространственного мультиплексирования исходный поток данных распределяется (мультиплексируется) между каналами передачи, число которых равно числу передающих антенн.

После формирования сигналов из исходных информационных последовательностей происходит их независимое, но одновременное излучение антеннами передатчика в течение заданного интервала времени. То есть, избыточность в данном случае не вводится.

Таким образом, в идеальном случае скорость передачи информации возрастает во столько раз, сколько антенн присутствует в передающем устройстве. Конкретная схема SM определяется способом, которым осуществляется мультиплексирование потока данных и формирования на его основе сигналов. SM применяется в ситуациях, когда первоочередной задачей является повышение скорости передачи информации, а влияние замираний и шумов в MIMO-канале достаточно мало. В противном случае выигрыш от независимой и параллельной передачи данных будет нивелирован необходимостью частых ретрансляций из-за ошибок в процессе приема и декодирования сигнала.

Схемы STC и SM применяются в тех ситуациях, когда параметры MIMO-канала точно не известны, в противном случае применяется метод формирования диаграммы направленности. При этом осуществляется передача информации в едином потоке. Преимуществом данного метода является возможность значительно повысить спектральную эффективность и снизить вероятность ошибки на бит по сравнению с системами SISO, однако необходимость точного знания параметров MIMO-канала значительно ограничивает область его применения.

Реализация той или иной схемы передачи по MIMO-каналам в разрабатываемой системе устройств обуславливается особенностями решаемой задачи. По сравнению с остальными схемами STC обеспечивает относительную простоту реализации устройств кодирования-декодирования и низкую вероятность ошибки, однако скорость передачи информации остается сравнительно невысокой. В методах SM скорость передачи повышается, но возрастает и вероятность ошибки на бит. Метод формирования радиолуча обеспечивает самую низкую из всех трех схем вероятность ошибки, но его применение в реальных условиях не всегда возможно.

Помимо трех рассмотренных схем передачи по MIMO-каналу, существует три основных стратегии приема.

1. Стратегия максимального правдоподобия (Maximum Likelihood, ML) обеспечивает минимальную среднюю вероятность ошибки по сравнению с остальными стратегиями, однако для ее реализации необходимо применять вычислительно-сложные алгоритмы. Приемник вычисляет все возможные сигналы в системе при отсутствии шума. Тот из них, у которого евклидово расстояние между ним и принятым сигналом наименьшее, принимается за переданный сигнал.

2. Работа используемых на практике линейных приемников основана на стратегии обнуления (Zero Forcing, ZF). Такие приемники обнуляют влияние интерференции между сигналами, принимаемыми от различных антенн передатчика, и производят детектирование независимо по каждому каналу. При этом уменьшается сложность устройств приема, но в случаях, когда интерференция действительно оказывает значительное влияние на вид принимаемых сигналов, производительность резко падает.

3. Приемники BLAST (Bell Labs Layered Space-Time) реализуют алгоритм обнуления и отмены (Nulling and Canceling) в основе которого лежит стратегия обратной связи по решениям (Decision Feedback). При этом производительность оказывается средней между приемниками по критерию максимального правдоподобия и линейными приемниками.

1.4.3. Пространственно-временное кодирование Как уже было отмечено, при STC-кодировании в передаваемое сообщение вводится избыточность для снижения средней вероятности ошибки на бит. Три основных критерия оптимальности STC-кода — низкая вероятность ошибки на бит, высокая скорость передачи информации, простые алгоритмы кодирования и декодирования.

Для определения важнейших терминов в теории пространственновременного кодирования, рассмотрим простейший STC-код. Пусть исходный поток данных представляет собой последовательность битов bi.

Данная последовательность разбивается на блоки длиной Nt m :

bk {bk, bk2,..., bkmNt }, где k — номер блока, 2m — число точек в сигнальном созвездии. В каждый i-й (1 i Nt ) канал передатчика распределяется по m бит, после чего формируется соответствующий им сигнал sk. Все эти сигналы {s1, sk,..., skNt } sk одновременно излучаются Nt антеннами переk датчика в течение интервала времени. Вектор sk называется пространи ственно-временным символом (ПВС). Пусть из исходной последовательности битов образуется K пространственно-временных символов (1 k K ).

В общем случае это число может быть нецелым, тогда недостающие позиции в ПВС заполняются нулевыми сигналами (т. е. на самом деле соответствующие антенны в данный интервал времени излучать не будут).

Множество передаваемых сигналов называется кодовым словом и представляется с помощью матрицы кодового слова:

в которой каждый столбец представляет собой пространственновременной символ.

Если в произвольном MIMO-канале при не очень больших K матрица передаточных характеристик H не изменяется от ПВС к ПВС, то говорят, что замирания в нем являются медленными. При этом выражение (1.25) для матрицы S будет иметь вид:

где Y — матрица принятых сигналов, а N — матрица, учитывающая влияние АБГШ. В противном случае рассматривается канал с быстрыми замираниями, и запись выражения (1.25) заметно усложняется.

Для описания свойств STC необходимо ввести понятие попарной вероятности ошибки (pairwise error probability, PEP). Данная величина обозначается как P( S, S ) и представляет собой вероятность того, что декодер приемника примет решение в пользу кодового слова S {s1, s2,..., sK } в то время как передаваемым кодовым словом было S {s1, s2,..., sK } S. В предположении того, что матрица переходных характеристик (или последовательность из таких матриц) известна, а в канале действует только АБГШ, условная попарная вероятность ошибки имеет вид где d H ( S, S ) — квадрат евклидова расстояния между кодовыми словами S и S, Es — энергия каждого сигнала, N0 — спектральная плотность средней мощности АБГШ, Q (...) — обозначение Q-функции:

можно записать:

В случае MIMO-канала с медленными замираниями определяется матрица разности кодовых слов:

тогда A BBT называется матрицей кодового расстояния, где A имеет размерность Nt Nt, B t — эрмитово-сопряженная матрица B. Ранг матрицы A r rank( A) определяется свойствами конкретного STC-кода. Пусть может быть переписано в следующем виде:

При этом можно определить два важнейших параметра STC.

Энергетический выигрыш от разнесения сигналов будет определяться степенью rNr, так как именно этой величиной задается характер зависимости попарной вероятности ошибки от отношения сигнал шум на входе каждого канала приемника.

Энергетический выигрыш от применения кодирования равен значений P( S, S ) при заданном характере зависимости попарной вероятности ошибки от отношения сигнал шум на входе каждого канала приемника (при заданной степени rNr ).

При рассмотрении MIMO-канала с быстрыми замираниями выражение (1.29) имеет вид:

где — число символов, в которых различаются кодовые слова S и S рассмотренные параметры STC:

Энергетический выигрыш от разнесения сигналов будет определяться степенью H N r.

Энергетический выигрыш от применения кодирования равен где du2 — квадрат евклидового расстояния для рассмотренной сиd u стемы в отсутствие кодирования.

Таким образом, при любом типе MIMO-канала минимизация попарной вероятности ошибки в области значений отношения сигнал-шум на ляется за счет разнесения сигналов, чем от введения кодирования. В канале с медленными замираниями общее разнесение сигналов определяется произведением разнесения на приемной стороне (Nr) и на передающей стороне (Nt). В канале с быстрыми замираниями общее разнесение сигналов определяется произведением разнесения на приемной стороне (Nr) и разнесением во времени ( H ), достигаемым вследствие применения STC.

В реальных условиях увеличивать число приемных или передающих антенн далеко не всегда возможно. Поэтому для минимизации попарной вероятности ошибки необходимо разрабатывать такие STC-коды, в которых ранг r матрицы кодового расстояния A и хэмингово расстояние в пространстве символов H были бы максимальны. При этом также повышается энергетический выигрыш от кодирования, поэтому такие схемы будут 1.4.4. Пространственно-временное блочное кодирование.

Существует два основных вида STC-кодов — пространственно-временные решетчатые коды (STTC) и пространственно-временные блочные коды (STBC). STTC позволяет получить хорошие выигрыши и от разнесения сигналов, и от применения кодирования, но платой за это является относительная сложность алгоритмов декодирования. Во избежание этого недостатка были разработаны STBC. Автором первого из них является Сиаваш Аламоути (Siavash Alamouti). Этот блочный код, получивший название в честь автора, предназначен для систем MIMO с двумя передающими антеннами. Схема Аламоути обеспечивает значительное разнесение сигналов и высокую скорость передачи информации за счет введения ортогональности по фазе между одновременно передаваемыми сигналами и парами сигналов, последовательно излучаемых каждой антенной. Обобщение данного кода на случай большего количества антенн передатчика привело к созданию целого ряда STBC. Однако в отличие от схемы Аламоути данные коды могут обеспечивать или значительное разнесение сигналов, или высокую скорость передачи информации. Для повышения энергетического выигрыша от кодирования STBC подвергают дополнительному кодированию с простым алгоритмом. Такие схемы получили название суперортогональные пространственно-временные решетчатые коды (Super Orthogonal Space-Time Trellis Codes).

В случае применения OFDMA схема блочного кодирования представляется следующим образом. Исходная информационная последовательность битов bi делится во временной области на блоки фиксированной длины bk (k — номер блока). В каждом блоке биты распределены на равные группы:

где N — число групп в блоке — равно числу ортогональных поднесущих при OFDM, i — номер группы блока, m — количество битов в группе, 2m — число точек в сигнальном созвездии. После процедуры модуляции из групп формируются комплексные отсчеты в частотной области, соответствующие точкам сигнального созвездия. Весь набор отсчетов, соответs1, sk,..., skN }.

Процесс пространственно-временного блочного кодирования может рассматриваться как распределение фиксированного числа M OFDMA символов в кодовую матрицу размерности Nt K :

где K определяет число временных отсчетов, на протяжении которых будет производиться набор преобразований до их повторения, т. е., длину пространственно-временного блока, M Nt K за счет введения избыточности. Матрица S имеет вид набор матриц { Ai, Bi }iM1 размерности Nt K называется линейным STBC.

Ранее символом si обозначался сформированный сигнал, а символом S — матрица кодового слова. В данном случае операции производится на уровне групп комплексных отсчетов. OFDMA-символы и сигналы, а также матрицы кодового слова и кодовые матрицы имеют одинаковые обозначения из-за сходства роли, которую они играют в процессе кодирования.

В схеме Аламоути OFDMA-символы разделяются на пары — четный и нечетный. Для их передачи требуется два интервала времени и. В первом интервале передающая антенна 1 будет излучать сигнал символа s2i 1, в то время как антенна 2 — сигнал символа s2i. В следующем временном интервале антенна 1 передает сигнал, сформированный из 2 — из s2i 1*. Причем операции сопряжения и отрицания применяются ко всем комплексным отсчетам символа.

В дальнейшем для упрощения записи выражений будем рассматривать пару комплексных отсчетов, соответствующих одной и той же поднесущей: s1 — из символа s2i 1 и s2 — из s2i. Тогда кодовая матрица схемы Аламоути имеет вид Физический смысл таких манипуляций заключается в том, что если сигналы, излучаемые антеннами передатчика, в первом временном интервале были синфазны, то во втором они будут в противофазе и наоборот.

Если же фазы сигналов в первом интервале ортогональны, то они такими останутся и во втором, с той лишь разницей, что опережение фазы излучения поочередно будет возникать то на первой, то на второй антенне. Кроме того, ортогональными будут и сигналы, последовательно излучаемые каждой антенной.

Для приема кодированного по Аламоути двухсимвольного сигнала достаточно одной приемной антенны и пары временных отсчетов, в каждом из которых на приемную антенну поступают сигналы где h1 и h2 — коэффициенты передачи MIMO-канала в первой и второй антеннах соответственно (для рассматриваемой поднесущей), образующие вектор передаточных характеристик: h [h1, h2 ], n1 и n2 — компоненты, учитывающие влияние АБГШ, которые также можно представить в виде вектора: n [n1, n2 ], тогда где r [r1, r2 ]. В отличие от выражения (1.25) векторы r, h, n — являются строками, что означает прием на одну антенну и описание процесса кодирования в течение двух интервалов времени.

Декодирование сигналов происходит в два этапа. На первом шаге компоненты n1 и n2 принимаются равными нулю, производится преобразование Фурье, и линейный приемник вычисляет оценочные значения переданных отсчетов:

Обозначим множество комплексных отсчетов, соответствующих точкам сигнального созвездия как Z. Второй этап декодирования заключается в том, что по стратегии наибольшего правдоподобия из множества Z выбирается тот отсчет, который бы минимизировал расстояние между ним и его оценочным значением, полученным на первом этапе. Математическая запись этого этапа для схемы Аламоути выглядит следующим образом:

Оценочные значения по максимуму правдоподобия s1, s2 поступают на вход демодулятора.

1. Перечислите стандарты серии IEEE 802.16.

2. Что такое форум WiMAX и чем он отличается от рабочей группы IEEE 802.16?

3. Какие подуровни семиуровневой модели взаимодействия открытых систем охватывают стандарты серии IEEE 802.16? Опишите внутреннюю уровневую структуру стандартов.

4. Нарисуйте базовую модель системы WiMAX.