Компьютерная радиосеть WiMax

1. Сервис с постоянной битовой скоростью;
2. Сервис реального времени с переменной битовой скоростью;
3. Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью;
4. Сервис с обязательством приложения максимальных усилий по предоставлению услуг.

     Все предоставляемые стандартом 802.16 сервисы  ориентированы на соединение, и каждое соединение получает доступ к одному из приведенных ранее классов сервиса.

     Сервис  с постоянной битовой скоростью  предназначен для передачи несжатой речи, такой, какая передается по каналу Т1. Здесь требуется передавать предопределенный объем данных в предопределенные временные интервалы. Это реализуется путем назначения каждому соединению такого типа своих интервалов. После того как канал оказывается распределенным, доступ к временным интервалам осуществляется автоматически, и нет необходимости запрашивать каждый из них по отдельности.

     Сервис  реального масштаба времени с  переменной битовой скоростью применяется  при передаче сжатых мультимедийных данных и других программных приложений реального времени. Необходимая  в каждый момент времени пропускная способность может меняться. Та или иная полоса выделяется базовой станцией, которая опрашивает через определенные промежутки времени абонента с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала.

     Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика — например, для передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже опрашивает абонентов довольно часто, но не в строго установленные моменты времени. Абонент, работающий с постоянной битовой скоростью, может установить в единицу один из специальных битов своего кадра, тем самым предлагая базовой станции опросить его (это означает, что у абонента появились данные, которые нужно передать с новой битовой скоростью)..

     Сервис  с обязательством приложения максимальных усилий используется для всех остальных  типов передачи. Никаких опросов  здесь нет, а станции, желающие захватить  канал, должны соперничать с другими  станциями, которым требуется тот  же класс сервиса. Запрос пропускной способности осуществляется во временных интервалах, помеченных в карте распределения исходящего потока как доступные для конкуренции. Если запрос прошел удачно, это будет отмечено в следующей карте распределения входящего потока. В противном случае абоненты-неудачники должны продолжать борьбу. Для минимизации числа коллизий используется взятый из Еsегпеt; алгоритм двоичного экспоненциального отката.

     Стандартом  определены две формы распределения  пропускной способности: для станции  и для соединения. В первом случае абонентская станция собирает вместе все требования своих абонентов (например, компьютеров, принадлежащих жильцам здания) и осуществляет коллективный запрос. Получив полосу, она распределяет ее между пользователями по своему усмотрению. В последнем случае базовая станция работает с каждым соединением отдельно. 

     2.4 Стандарт 802.16: структура  кадра 

     Все кадры подуровня управления доступом к среде (МАС) начинаются с одного и того же заголовка. За ним следует (или не следует) поле данных, и кончается кадр также необязательным полем контрольной суммы. Поле данных отсутствует в служебных кадрах, которые предназначены, например, для запроса временных интервалов. Контрольная сумма тоже является необязательной благодаря тому, что исправление ошибок производится на физическом уровне и никогда не бывает попыток повторно переслать кадры информации, передающейся в реальном масштабе времени.

     Рассмотрим поля заголовка (рисунок 2.4.1, а). Бит ЕС говорит о том, шифруется ли поле данных. Поле Тип указывает тип кадра (в частности, сообщает о том, пакуется ли кадр и есть ли фрагментация). Поле С1 указывает на наличие либо отсутствие поля финальной контрольной суммы. Поле ЕК сообщает, какой из ключей шифрования используется (если он вообще используется). В поле Длина содержится информация о полной длине кадра, включая заголовок. Идентификатор соединения сообщает, какому из соединений принадлежит кадр. В конце заголовка имеется поле Контрольная сумма заголовка, значение которого вычисляется с помощью полинома х⁸ + х² + х + 1. 

     Рисунок 2.4.1 - Обычный кадр (а); кадр запроса канала (б). 

     На  рисунке 2.4.1, б показан другой тип кадра. Это кадр запроса канала. Он начинается с единичного, а не нулевого бита и в целом напоминает заголовок обычного Кадра, за исключением второго и третьего байтов, которые составляют 16-битный номер, говорящий о требуемой полосе для передачи соответствующего числа байтов. В кадре запроса канала отсутствует поле данных, нет и контрольной суммы всего кадра.

     Сети 802.16 могут охватывать целые районы городов, и расстояния при этом исчисляются  километрами. Следовательно, получаемый станциями сигнал может быть разной мощности в зависимости от их удаленности от передатчика. Эти отклонения влияют на соотношение сигнал/шум, что, в свою очередь, приводит к использованию нескольких схем модуляции.

     В каждой ячейке широкополосной региональной сети может быть намного больше пользователей, чем в обычной ячейке 802.11, и при этом каждому пользователю предоставляется гораздо более высокая пропускная способность, чем пользователю беспроводной ЛВС. Нелицензированной (15М) полосы частот недостаточно для такой нагрузки, поэтому сети 802.16 работают в высокочастотном диапазоне 10-66 ГГц.

     Сети 802.11 поддерживают передачу информации в реальном времени (в режиме РСР), но вообще-то они не предназначены  для телефонной связи и большого мультимедийного трафика. Стандарт 802.16, напротив, ориентирован на поддержку подобных приложений, поскольку он предназначен как для обывателей, так и для деловых людей.

     3. Теоретические основы передачи сигналов в системах WiMAX 

     3.1 Передача сигналов в пределах прямой видимости 

     Поскольку технология WiMAX относится к беспроводным технологиям, передача информации здесь осуществляется по радиоканалам, образованным между антеннами устройств, являющимися составными частями сети. При передаче излученного антенной радиосигнала за счет влияния среды меняются те или иные параметры сигнала. В результате принятый сигнал всегда отличается от переданного. Земная атмосфера для передачи электромагнитных волн является не самой лучшей средой. Радиоволны способны огибать препятствия (явление дифракции), размеры которых порядка длины волны и меньше. На рабочих частотах систем WiMAX длина волны менее 15 см, поэтому явление дифракции пренебрежимо мало, и в расчетах можно пользоваться правилами геометрической оптики, т. е. считать распространение радиоволн прямолинейным. Представляют интерес два вида распространения сигнала: в условиях прямой видимости (LOS — Line of Sight) и в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS — Non Line of Sight) В условиях городской застройки характерно отсутствие прямой видимости. Всегда присутствуют многократные отражения сигнала от зданий и иных сооружений, поглощение зданиями, листвой деревьев и т. п.

     В пределах прямой видимости основными  факторами, негативно влияющим на качество приема электромагнитных волн, являются:

• Потери в свободном пространстве;
• Состояние атмосферы;
• Наличие отражающих объектов;
• Влияние эффекта Доплера;
• Шумы.

     3.2. Потери в свободном  пространстве 

     Потери  в свободном пространстве вызваны тем, что с ростом расстояния от передающей антенны до приемной антенны излученная энергия распределяется по все большей площади, и на приемную антенну приходится лишь малая часть излученной энергии. В наиболее простом случае, когда передающая антенна является всенаправленной (изотропное излучение), энергия излучения как бы "размазывается" по сферической поверхности. С ростом расстояния (радиуса сферы) площадь поверхности сферы увеличивается, а плотность электромагнитной энергии, приходящаяся на единицу поверхности, уменьшается. Такие потери определяются по формуле:

     где Ри, Рпр — мощности излучения  и приема соответственно; d — расстояние между передающей и приемной антеннами. Чаще всего это отношение мощностей выражают в децибелах:

     С помощью направленных антенн (например, параболических) удается сконцентрировать излучаемую энергию в заданном направлении, тем самым увеличивается доля энергии в приемной антенне. С учетом коэффициента усиления передающей Gt и приемной Gr антенн потери в свободном пространстве можно записать так:

     С ростом частоты (уменьшением длины  волны) и уменьшением коэффициента усиления антенн затухание увеличивается. 

     3.3. Влияние окружающего  пространства 

     На  уровне сигнала в точке приема заметно отражается состояние атмосферы. Утреннее и вечернее состояние, сезонные изменения, плотность атмосферы  могут искривлять путь прохождения  волн, что на больших расстояниях может приводить к уменьшению энергии сигнала в точке приема. Существенное влияние оказывает наличие тумана и дождя. Капли тумана и дождя вызывают поглощение радиоволн и их рассеяние.

     Наличие отражающих объектов, находящихся в стороне от прямой, связывающей приемную и передающую антенны, может привести к попаданию на приемную антенну отраженных сигналов, являющихся копиями основного сигнала. Поскольку прямой и отраженный сигналы проходят разные по величине пути, то в точке приема происходит их интерференция. При этом амплитуда сигнала на приемной антенне может как суммироваться (при разности путей на длину волны), так и вычитаться (при разности путей на половину длины волны). Такие явления называют замираниями. Для движущихся объектов эти замирания носят меняющийся во времени характер. Причем могут происходить изменения амплитуды как относительно медленные, так и очень быстрые. На частотах порядка единиц гигагерц длина волны составляет единицы-десятки сантиметров, поэтому быстрые замирания могут происходить даже при малых перемещениях антенны приемника.

     Следует помнить еще об одном механизме  возникновения уменьшения уровня принимаемого сигнала, вызванного интерференцией. Этот механизм проявляется и при фиксированном положении передающей и приемной антенн, и при наличии прямой видимости. Он вызван наличием условных зон Френеля. Если на пути распространения волны имеется отражающий объект, высота которого достигает первой зоны Френеля, то отраженный сигнал в точке приема будет интерферировать с волной, пришедшей по пути геометрической линии между антеннами. Вообще любой отражающий объект в пределах первой зоны Френеля согласно принципу Гюйгенса может рассматриваться как источник вторичных волн, которые могут распространяться в направлении приемной антенны и вызывать интерференцию с прямой волной. Отраженные в пределах этой зоны волны в той или иной мере находятся "не в фазе" с прямой волной, и уровень сигнала в точке приема изменяется.

     Радиус первой полузоны Френеля , зависит от длины волны и расстояния. В зависимости от отношения длины пути A-D-B отраженной волны к длине пути прямого луча уровень приема может как увеличиться, когда прямая и отраженная волны складываются в фазе, так и уменьшиться, если они придут в противофазе. Уровень сигнала в точке приема определяется с учетом поправочного множителя ослабления.

     U = Uo*M где  — множитель ослабления; К— коэффициент отражения объекта.

     Радиус  полузоны Френеля составляет примерно 0,6 от радиуса первой зоны Френеля, определяемой выражением: . При попадании отражающего объекта в промежуток между полузоной и первой зоной трасса полузакрытая, но связь еще возможна. Если же просвет между прямым лучом и отражающим объектом станет меньше радиуса полузоны Френеля h < Ro то отраженный сигнал будет приходить в точку приема в противофазе и может оказаться ослабленным ниже допустимой величины, или трасса окажется закрытой и устойчивая связь будет невозможна. Следовательно, при проектировании трассы радиолуча следует избегать препятствий, высота которых достигает 0,6 радиуса первой зоны Френеля. Если невозможно избежать такое препятствие, необходимо увеличить высоту передающей и приемной антенн. 

     3.4. Влияние эффекта Доплера 

     Эффект  Доплера проявляется для мобильного приемника в том, что частота принимаемых колебаний будет увеличиваться, если приемник движется в сторону передатчика, и уменьшается, если приемник удаляется. Величина сдвига частоты ± Fд принимаемого сигнала зависит от скорости движения v, частоты сигнала Fо и угла а направления на передатчик: