Передмова
Пропонуємо увазі читачів переклад статті ЦОУ Вея, фахівця Дослідницького і Інноваційного Центру Alcatel - Shanghai Bell Co, Ltd.,
м Шанхай, КНР, яка присвячена аналізу інформаційної ємності для одного зі способів збільшення розмірів зони обслуговування окремої базової станції системи WiMAX.
Спочатку кілька слів про технологію WiMAX, яка базується на стандартах IEEE 802.16. Мета технології WiMAX полягає в тому, щоб надати універсальний бездротовий доступ широкого спектру пристроїв (робочих станцій, побутової техніки «розумного будинку», портативних пристроїв і мобільних телефонів) і об'єднати всі ці пристроїв в локальну мережу.
Система WiMAX зазвичай складається з двох основних частин:
1. Базовою станції WiMAX, яка може розміщуватися на висотному об'єкті - будівлі або вишці.
2. приемопередатчиком WiMAX, який представляє собою антену і приймач-передавач, а також в форм-факторі - карту PC Card, карту розширення ПК або зовнішню карту.
Зв'язок між базовою станцією і клієнтськими прийомопередавачами здійснюється у відносно низькочастотної частини СВЧ-діапазону (2-11ГГц), що дозволяє в ідеальних умовах передавати дані зі швидкістю до 20Мбіт / с і не вимагає наявності прямої видимості між базовою станцією і станціями користувачів.
Технологія WiMAX може бути застосована як для «останньої милі» - тобто кінцевої ділянки між провайдером послуг і користувачем, так і для надання доступу регіональних мережах - офісним та районним.
Окремі базові станції WiMAX можуть бути об'єднані в стільникову мережу, для чого між сусідніми базовими станціями встановлюється постійне з'єднання з використанням частот НВЧ-діапазону (10-66ГГц) при безумовному вимозі дотримання режиму прямої видимості. Це з'єднання в ідеальних умовах дозволяє передавати дані зі швидкістю до 120Мбіт / с.
Обмеження по режиму прямої видимості накладається тільки на базові станції. Та з базових станцій, яка має вихід в зовнішні мережі передачі даних, ставати центральною станцією системи.
Найбільш доцільно впроваджувати мережі WiMAX в тих регіонах, які мають при віддаленості від великих міст великими територіями з великою кількістю сільського населення. Зазначене побудова системи характерно для будь-якої стільникової системи, яка передбачає наявність безлічі базових станцій, з'єднаних між собою радіорелейними лініями.
У статті, переклад якої буде дано вище, вказано шлях, який веде до спрощення системи і зниження вартості при збільшенні її радіуса дії в одному з напрямків за рахунок додавання кількох ретранслюють станцій. При цьому, половину часу роботи ці станції витрачають на ретрансляцію даних, які призначені для абонентів тієї з базових станцій, який настає після згаданого станцією, а другу частину часу станція віддає обміну інформацією з користувачами, які знаходяться в її зоні дії. Додаткового частотного ресурсу, який необхідний для роботи радіорелейних ліній, що пов'язують базові станції між собою, не потрібно, але при кожному переприйому втрачається половина трафіку. Подивимося, чи такий істотною буде ця втрата? На графіку, наведеному на Рис.1 Додатків, показана залежність щільності розміщення абонентів для окремо взятої базової станції WiMAX в залежності від швидкості передачі даних і типу модуляції. У свою чергу, швидкість передачі даних і тип модуляції безпосередньо залежить від відстані, що показано на Рис.2.
Проаналізувавши наведені залежності, можемо побачити, що і без заходів по додатковому розширенню зони обслуговування, пропонованих в статті, інформаційна ємність в міру віддалення від базової станції убуває, причому, значно швидше.
Запропонований в даній статті варіант побудови системи WiMAX, який дозволяє збільшити розміри зони обслуговування окремої базової станції з мінімальними витратами на обладнання, безумовно заслуговує на увагу і може бути взятий на озброєння розробниками широкосмугових бездротових мереж передачі даних.
Химич П.В., гл. фахівець ЗАТ «РОКС»
додатки
Рис.1 Графік залежності кількості АС на один сектор БС системи WiMax від швидкості і виду модуляції (відстані).
Рис.3 Розрахункові значення зон покриття системи WiMax при наявності LoS
Для збільшення розмірів зони покриття базової станції WiMAX запропоновані бездротові релейні лінії. У статті проаналізовано вплив багатопролітної радіорелейної лінії на деградацію інформаційної ємності в системі WiMAX. Показано, що досяжна для користувачів інформаційна ємність різко зменшується в міру збільшення кількості прольотів. Проте, за рахунок використання модуляцій високого рівня і турбо-кодування значно збільшується інформаційна ємність в кожному з прольотів. На закінчення дано кілька рекомендацій з побудови багатопролітних радіорелейних систем для WiMAX.
Ключові слова: WiMAX , Багатопрогоновий радіорелейний лінія, збільшення розмірів зони покриття.
I. Вступ.
Системи WiMAX як системи наступного покоління високошвидкісних бездротових комунікацій в даний час широко застосовуються при побудові перспективних засобів широкосмугового доступу, завдяки їх великої інформаційної ємності, великих розмірів зони покриття, які забезпечуються даними системами, і характерною для них розвиненої системи управління якістю (QoS). У таких системах можуть бути застосовані всі види сучасних технологій, а саме: модуляція OFDM, адаптивні типи модуляції і кодування, адаптоване для вирішення конкретного завдання побудова антеною системи, просторово-часове кодування і навіть можливість роботи в режимі MIMO (безліч входів і безліч виходів) . Всі ці кошти спрямовані на боротьбу з федінга, що спостерігаються при багатопроменевому режимі поширення, і на підвищення експлуатаційних параметрів системи (1) - (3). Можна стверджувати, що представлена система WiMAX здатна забезпечити передачу на відстань до 50км даних зі швидкістю до 75Мбіт / с на канал як в прямому, так і в зворотному напрямках (2). Однак в умовах відсутності «прямої видимості» (режим NLOS) на високих частотах і при великих швидкостях даних, які характерні для систем WiMAX, розміри зони покриття для базової станції можуть виявитися дуже малими (4). У цих умовах для забезпечення необхідної дистанції до абонента і необхідної інформаційної ємності можуть використовуватися бездротові релейні лінії. Проблемою, на вирішення якої орієнтована дана стаття, є визначення можливостей для збільшення зони покриття мережі WiMAX за рахунок використання багатопролітних радіорелейних ліній. що представлена система WiMAX здатна забезпечити передачу на відстань до 50км даних зі швидкістю до 75Мбіт / с на канал як в прямому, так і в зворотному напрямках (2). Однак в умовах відсутності «прямої видимості» (режим NLOS) на високих частотах і при великих швидкостях даних, які характерні для систем WiMAX, розміри зони покриття для базової станції можуть виявитися дуже малими (4). У цих умовах для забезпечення необхідної дистанції до абонента і необхідної інформаційної ємності можуть використовуватися бездротові релейні лінії. Проблемою, на вирішення якої орієнтована дана стаття, є визначення можливостей для збільшення зони покриття мережі WiMAX за рахунок використання багатопролітних радіорелейних ліній. що представлена система WiMAX здатна забезпечити передачу на відстань до 50км даних зі швидкістю до 75Мбіт / с на канал як в прямому, так і в зворотному напрямках (2). Однак в умовах відсутності «прямої видимості» (режим NLOS) на високих частотах і при великих швидкостях даних, які характерні для систем WiMAX, розміри зони покриття для базової станції можуть виявитися дуже малими (4). У цих умовах для забезпечення необхідної дистанції до абонента і необхідної інформаційної ємності можуть використовуватися бездротові релейні лінії. Проблемою, на вирішення якої орієнтована дана стаття, є визначення можливостей для збільшення зони покриття мережі WiMAX за рахунок використання багатопролітних радіорелейних ліній. Однак в умовах відсутності «прямої видимості» (режим NLOS) на високих частотах і при великих швидкостях даних, які характерні для систем WiMAX, розміри зони покриття для базової станції можуть виявитися дуже малими (4). У цих умовах для забезпечення необхідної дистанції до абонента і необхідної інформаційної ємності можуть використовуватися бездротові релейні лінії. Проблемою, на вирішення якої орієнтована дана стаття, є визначення можливостей для збільшення зони покриття мережі WiMAX за рахунок використання багатопролітних радіорелейних ліній. Однак в умовах відсутності «прямої видимості» (режим NLOS) на високих частотах і при великих швидкостях даних, які характерні для систем WiMAX, розміри зони покриття для базової станції можуть виявитися дуже малими (4). У цих умовах для забезпечення необхідної дистанції до абонента і необхідної інформаційної ємності можуть використовуватися бездротові релейні лінії. Проблемою, на вирішення якої орієнтована дана стаття, є визначення можливостей для збільшення зони покриття мережі WiMAX за рахунок використання багатопролітних радіорелейних ліній. У цих умовах для забезпечення необхідної дистанції до абонента і необхідної інформаційної ємності можуть використовуватися бездротові релейні лінії. Проблемою, на вирішення якої орієнтована дана стаття, є визначення можливостей для збільшення зони покриття мережі WiMAX за рахунок використання багатопролітних радіорелейних ліній. У цих умовах для забезпечення необхідної дистанції до абонента і необхідної інформаційної ємності можуть використовуватися бездротові релейні лінії. Проблемою, на вирішення якої орієнтована дана стаття, є визначення можливостей для збільшення зони покриття мережі WiMAX за рахунок використання багатопролітних радіорелейних ліній.
II. План збільшення розмірів зони покриття базової станції WiMAX за рахунок багатопролітної радіорелейної лінії.
План запропонованої системи показаний на Рис. 1. Цей малюнок показує, що мережа складається з однієї базової станції (BS) і декількох радіорелейних станцій (RS). Загальна тривалість кадру для RS може бути розділена на дві частини. У продовження першої частини RS працює як базова станція, обслуговуючи місцевих передплатників, об'єднаних місцевим трафіком. За час другої половини кадру RS здійснює зв'язок з прилеглої RS або BS відповідно до релейним трафіком. У низхідному напрямку цифровий потік від WANC надходить на BS першим, а потім передається далі до відповідної RS.
У порівнянні з традиційним планом, в якому кожна BS під'єднується до WANC за допомогою дротових ліній, Багатопрогоновий радіорелейний лінія може істотно збільшити розміри зони покриття однієї BS без використання будь-яких дротових з'єднань. За рахунок цього вартість системи може бути знижена. Однак при цьому кожна BS використовує для передачі користувачам місцевого трафіку тільки частину свого кадру і, таким чином, призначена для користувача ємність для кожної такої RS або BS помітно зменшується. Оскільки велика початкова ємність системи WiMAX дозволяє істотно пом'якшити вплив цього зниження, необхідно визначити оптимальну кількість прольотів і оптимальні типи і параметри модуляції і кодування, при яких параметри системи задовольняють передплатників. Цьому і буде присвячено подальші міркування.
III. Аналіз параметрів.
Припустимо для спрощення, що:
- кожна BS і RS мають передавачі однакової потужності і однакову висоту розташування антен (30м).
- будь-яка з BS і RS займає однакову смугу частот в ефірі.
-в кожній із зон обслуговування BS і RS знаходиться рівну кількість передплатників.
- все RS використовують однакові схеми модуляції і кодування для передачі трафіку.
- для моделювання умов NLOS скористаємося моделлю Cost-231 Hata (5) - (6).
Таким чином, кожна BS і RS мають рівні зони покриття, а результуючий трафік локального доступу для BS і RS також однаковий.
Рис 1. План багатопролітної радіорелейної лінії, що розширює зону обслуговування BS.
Рис 2. Результуючий трафік в бездротової релейного лінії.
Позначимо локальний трафік для кожного осередку як x, а кількість прольотів - n, тоді конкретний результуючий трафік, що передається на кожному з прольотів, буде відповідати показаному на Рис. 2.
З малюнка 2 чітко видно, що результуючий трафік в міру просування вздовж радіорелейної лінії різко збільшується, і найбільшим для багатопролітної лінії він буде на першій станції RS 1. Якщо припустити, що загальний трафік, що передається в продовження кожного кадру дорівнює 1, то нормалізований досяжний для системи трафік доступу Xmax може бути визначений за формулою:
де a - це відношення спектральної ефективності для радіорелейної лінії до середньої спектральної ефективності лінії місцевого доступу.
У даній статті розглядається тільки спектральна ефективність, яка залежить від типу модуляції і параметрів кодування.
Наприклад, спектральна ефективність дорівнює 1 для QPSK і турбо-коду 1/2 і 4,5 для 64 QAM і турбо-коду 3/4. Разом з необхідним ставленням сигнал / шум (SNR) для різних схем модуляції і кодування, визначених стандартом IEEE 802.16, (які показані в Табл. 1 (7)), середня спектральна ефективність для лінії доступу користувача дорівнює 2,158 в тому випадку, якщо передплатники рівномірно розподілені по площі осередку, а BS і RS підняті на висоту 30м.
Таблиця 1. SNR, який необхідний при застосуванні різних схем модуляції і кодування.
Мал. 3 Досяжна для різних схем модуляції і кодування нормалізована інформаційна ємність радіорелейної лінії в залежності від кількості прольотів.
Додатково також обчислюються відповідні різним застосовуваним в радіорелейної лінії типам модуляції і кодування значення, які наведені в Табл. 1.
На Рис. 3 показані досяжні для системи нормалізовані призначені для користувача інформаційні ємності як функції кількості прольотів при застосуванні різних схем модуляції і кодування. При збільшенні кількості інтервалів досяжна для користувача інформаційна ємність різко зменшується. Наприклад, на одному прольоті для випадку використання 64 QAM -3/4 для доступу користувача можуть використовуватися 68% загальної місткості, а при 3-х прольотах може використовуватися тільки 29%. Таким чином, тільки використання модуляції високого рівня і великих відносин при турбо-кодування можуть дати прийнятний результат по інформаційної ємності в багатопролітної лінії. У разі двопрогонової радіолінії досяжна інформаційна ємність становить для QPSK -1/2 41%.
Виходячи зі сказаного раніше, незважаючи на можливість застосування радіолінії з великою кількістю прольотів, все ж рекомендується не використовувати радіолінії, кількість прольотів в яких перевищує 3. Бюджет радіорелейної лінії між BS та RS (або між RS і RS) повинен бути ретельно спланований для того, щоб можна було застосувати оптимальні модуляцію і кодування - 64 QAM -3/4.
II. Висновок.
Як засіб збільшення розмірів зони обслуговування окремої базової станції запропонована Багатопрогоновий радіорелейний лінія. У статті проаналізовано зниження користувальницької інформаційної ємності, яке супроводжує застосування багатопролітної радіорелейної лінії, яка застосовується для збільшення розмірів зони покриття в системі WiMAX. Показано, що при збільшенні кількості прольотів досяжна для користувача інформаційна ємність різко знижується. Тільки використання схем модуляцій високого порядку і великих відносин при турбо-кодування дозволяє істотно збільшити досяжну ємність доступу. Таким чином, для успішного застосування багатопролітних радіорелейних систем для WiMAX рекомендується:
1. Бездротовий обладнання радіорелейних станцій повинно відповідати 64 QAM -3/4.
2. Кількість прольотів не повинно бути більше 3 для того, щоб для користувача інформаційна ємність була на прийнятному рівні.
література :
[1] Ghosh A, Wolter DR, Andrews JG and Chen R., "Broadband wireless access with WiMax / 802.16: current performance benchmarks and future potential," IEEE Commun. Mag., Vol. 43, iss. 2, pp. 129- 136, Feb. 2005.
[2] Vaughan-Nichols SJ, "Achieving wireless broadband with WiMax," Computer , vol. 37, iss. 6, pp. 10-13, Jun. 2004.
[3] Piggin P., "WiMAX in-depth [Broadband wireless access]," Commun. Eng ., Vol. 2, iss. 5, pp. 36-39, Oct.-Nov. 2004.
[4] Pabst R., Walke BH, Schultz DC, Herhold P., Yanikomeroglu H., Mukherjee S., Viswanathan H., Lott, M., Zirwas W., Dohler M., Aghvami H., Falconer DD and Fettweis GP, "Relay-based deployment concepts for wireless and mobile broadband radio ," IEEE Commun. Mag. , Vol. 42, iss. 9, pp. 80-89, Sept 2004.
[5] COST Action 231, "Digital mobile radio towards future generation systems, final report," Tech. Rep ., European Communities, EUR, 18957, 1999..
[6] M. Hata, "Empirical formula for propagation loss in land mobile3 radio services ," IEEE Trans. Vehicular Tech ., Vol. VT-29, pp.317-325, Sep. +1981.
[7] IEEE 802.16a-16e.