ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАНИЯ И ЦЕЛИ РАБОТИ

6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАНИЯ И ЦЕЛИ РАБОТИ

Обеспечить быстроту развертывания, высокую скорость передачи данных, качественную защиту информации передаваемой по сети и мобильность передвижения абонентов. Обеспечить при помощи сети стандарта WiMAX 802.16е доступ к услугам информационных и коммуникационных технологий и сервисных приложений. Основным заданием беспроводной сети является обеспечить высокую пропускную способность, надёжность, мобильность.

Тема дипломной работы состоит в исследовании беспроводной сети стандарта WiMAX 802.16е. Исследованию установки связи между базовой и мобильной станциею, скоростью и надежностью передаваемых пакетов, их криптостойкостью и устойчивостью к внешним помехам. Изучение работы сети в условиях максимального покрытия территории.

Цель работы – изучить структуру, принципы работы и построения сети стандарта WiMAX 802.16е в пределах города. Исследовать качество передаваемой информации (видео, аудио и текстовой) в режиме мобильного передвижения клиента в пределах сети от одной базовой станции к другой. Проверить надежность и защиту передаваемых данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.         Вишневский В., Портной С., Шахнович И. «Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G». "Техносфера" · 2009 г.

2.         Шахнович И. Статья: «Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16»

3.         В.М. Вишневский, А.И. Ляхов, С.Л. Портной, И.В. Шахнович «Широкополосные беспроводные сети передачи информации» М. Техносфера, 2005.

4.         WiMAX Forum http://www.wimaxforum.org/.

Теоретичний огляд розрахунку покриття WiMax

Розрахунок покриття WiMax – досить неоднозначний процес, що залежить від великої кількості параметрів середовища передачі та тих, що закладені в будову системи WiMax. Розрізняють дві стратегії побудови мережевої інфраструктури WIMAX.

Перша стратегія орієнтована на отримання максимальної щільності потоку даних на заданій території. Дана стратегія застосовується в великих містах з високою щільністю населення з розвиненою проводовою мережевою інфраструктурою. Основною метою є забезпечення конкурентності з проводовим широкосмуговим доступом DSL і надання мультимедійних послуг.

Друга стратегія, застосовна в умовах відсутності або низького рівня конкуренції з боку дротяних систем, припускає таке розміщення базових станцій, яке забезпечує отримання максимальної зони покриття із забезпеченням заданої щільності потоку даних. Дана стратегія застосовна в сільських районах, а також в містах і обласних центрах з низьким розвитком дротяної інфраструктури, що характерний для більшості регіонів України. Реалізація даної стратегії дозволяє отримувати щільність потоку даних 1-6 Mbps/кв.км. Мета реалізації даної стратегії полягає в забезпеченні потрібної для послуг швидкості, що надаються оператором, передачі на максимальних територіях.

Реалізація стратегії максимізації щільності потоку даних на дозволяє при обмеженому частотному ресурсі отримати конкурентну з DSL густину потоку даних (20-40 Mbps/ кв.км) при високій щільності розміщення базових станцій (БС) Base Spacing,що рівна 1-2 км. При цьому TDD БС мають можливість повторного використання частот на одній БС і можливості collocation БС - синхронізації роботи БС з метою виключення взаємних перешкод. В умовах обмеженості частотного ресурсу це дозволяє TDD БС досягати великих значень щільності потоку даних в порівнянні з продуктивнішим устаткуванням FDD, що вимагає для своєї роботи значного частотного ресурсу.

Реалізація стратегії максимізації площі територій, що покриваються послугою, ускладнюється відносно високими втратами потужності радіосигналу при розповсюдженні радіохвиль в діапазоні порядку частот 5 Ггц. Ці втрати на частоті 5 Ггц декілька вище за аналогічні втрати на нижчих частотах 2.5 Ггц і 3.5 Ггц. Проте, застосування стратегії максимізації території, що покривається, на частоті 5 Ггц для фіксованого безпровідного доступу достатньо ефективно. Річ у тому, що фіксований доступ припускає оснащення абонентських терміналів зовнішніми антенами. У мережах WIMAX це можуть бути антени для використання усередині приміщень, якими оснащуються (self-installable) абонентські термінали, що інсталюються абонентами самостійно, і зовнішні антени, що встановлюються поза приміщеннями, вимагають професійної інсталяції оператором зв'язку. По оцінках фахівців, більшість абонентських терміналів, що працюють в мережах WIMAX фіксованого доступу в діапазоні частот 5 Ггц, будуть оснащені зовнішніми антенами. При цьому зовнішні антени 5 Ггц мають в середньому на 5-7 dbi більше посилення в порівнянні з антенами аналогічних розмірів діапазону 2.5 і 3.5 Ггц. Вище посилення зовнішніх абонентських антен якраз і компенсує підвищені втрати при розповсюдженні радіосигналу.

Таким чином, застосування устаткування стандарту IEEE 802.16-2004 дозволяє покривати послугою широкосмугового доступу обширні території з мінімумом витрат, тобто ефективно реалізовувати стратегію максимізації території, що покривається. При цьому важливою особливістю WIMAX мереж є відносно невеликий радіус обслуговування self-installable абонентських терміналів. Втрати потужності при розповсюдженні радіосигналу в умовах міської забудови поза прямою видимістю в діапазоні 5 Ггц набагато більш значні чим, наприклад, в діапазоні частот 2.5 Ггц. Ці підвищені втрати неможливо компенсувати застосуванням в self-installable абонентських терміналах потужних антен. Тому максимальна дальність обслуговування таких абонентів поза прямою видимістю базової станції значно менша, ніж на нижчих частотах, і не перевищує 1 км. Таким чином, в мережах WIMAX діапазону частот 5 Ггц self-installable абонентські термінали практично застосовуватися не будуть. Установка абонентських outdoor терміналів із зовнішніми направленими антенами (зокрема з інтегрованими в корпус терміналу антенами) вимагає професійних навиків і зазвичай проводиться силами оператора зв'язку. Установка абонентського терміналу не вимагає наявності прямої видимості на базову станцію за умови дотримання двох умов:

1) наявність потрібного для використовуваної модуляції відношення SNR сигнал/шум;

2) необхідного перевищення (fade margin 6-12 db) рівнем корисного сигналу відповідного використовуваній модуляції порогу чутливості. Зазвичай дані умови виконуються для абонентських терміналів, оснащених зовнішньою антеною або інтегрованою антеною з високим посиленням, на дальності не більше 3-5 км. від базової станції. На вищих дальностях при установці абонентських терміналів потрібно забезпечити пряму видимість (без обмежень на ступінь закриття зони Френеля).

 

Принципы построения сети WiMAX

Построение сети WiMAX предполагает использование трёх типов оборудования – базовые станции (БС), абонентский комплект (абонентская станция – АС) и оборудование для организации связи между базовыми станциями – ретрансляционные станции (РС).

Рассмотрим в качестве примера топологию сети SkyMAN (рисунок 2.13).Сеть ШБД SkyMAN может включать одну или несколько базовых станций (БС), объединенных беспроводными магистралями SkyMAN или другими каналами связи. Каждая БС содержит от одного до шести секторов.

Рисунок 2.13 - Топология сети SkyMAN

В состав сети могут быть включены ретрансляционные станции (РС), обеспечивающие увеличение дальности и позволяющие обходить крупные препятствия, закрывающие БС от отдельных АС. АС подключаются по радио к БС или РС. АС, находящаяся в зоне радиовидимости более чем одной БС, может быть зарегистрирована на каждой из них, при этом поддерживается адаптивный выбор БС, обеспечивающей лучшее качество обслуживания. Такое свойство системы позволяет обеспечить горячее резервирование канала АС-БС, повышая надежность сети в целом.

Базовая станция (БС) БС системы SkyMAN Access предназначена для беспроводного подключения абонентов к Интернет и ТФОП, а также объединения территориально - разнесенных корпоративных сетей в единую сеть.

БС строится по модульному принципу (рисунок 2.14, 2.15) и может включать от одного до 6 модулей, в зависимости от требований к пропускной способности, дальности передачи, используемого частотного диапазона и наличия свободных частот. Каждый из модулей (или радиоинтерфейсов в двухмодульных моделях) обеспечивает обслуживание одного пространственного сектора в пределах диаграммы направленности используемой антенны. Типичные значения зоны охвата каждого сектора 360º (один сектор), 120º (три сектора), и 60º (шесть секторов). Оборудование БС не накладывает определенных требований к ширине сектора, которая в конкретных случаях может быть произвольной, определяемой конкретной топологией сети, наличием частотного ресурса и размещением абонентов.

В состав БС входят:

- Беспроводные маршрутизаторы R5000 - от 1 до 6, по одному на сектор. Для маломощных БС могут использоваться двухмодульные беспроводные маршрутизаторы – по одному на два сектора. Односекторные БС обеспечивают скорость передачи до 54 Мбит/с. Многосекторные БС обеспечивают работу со скоростью до 48 Мбит/с на сектор.

 - Антенно-фидерные устройства - по количеству секторов базовой станции.

- Лицензии для подключения специализированных абонентских станций, на каждый сектор базовой станции.

- Программное обеспечение для управления сетью SkyMAN

-Коммутатор Ethernet (опционально).

- Шкаф для монтажа оборудования (опционально).

- Источники бесперебойного питания (опционально).

Рис. 2.14 - Типовая схема односекторной БС

Рисунок 2.15 - Типовая схема 6-секторной БС

  Рекомендации по построению БС

Рекомендации по построению БС вытекают из анализа условий работы систем фиксированного беспроводного доступа:

·           Обычно поток от БС к АС (нисходящий) значительно превышает поток восходящий.

·         Ширина диаграммы направленности секторной антенны БС примерно в 10 раз больше ширины диаграммы направленности антенны АС.

·           Многосекторная БС работает одновременно с АС разных секторов.

·           БС размещаются на высоких строениях или антенных опорах, на которые устанавливают и другие радиосистемы, что приводит к повышению общего уровня помех. Кроме того, высокое расположение антенн БС само по себе приводит к увеличению уровня и количества помех. Как следствие, отношение сигнал/шум на БС существенно хуже чем на АС.

·           Повышение скорости передачи практически не ухудшает условий работы соседних систем.

·           Повышение скорости приема приводит к существенному снижению помехоустойчивости. Учет специфики работы систем фиксированного беспроводного доступа позволил выработать следующие рекомендациии:

·           На многосекторных БС скорость в направлении БС-АС не должна превышать 48 Мбит/с, в обратном направлении - 24 Мбит/с.

·           Необходимо ограничивать диапазон регулирования скорости передачи АС снизу, либо отслеживать деградацию скорости каждого клиента.

·           Использовать механизм автоматического выбора скорости.

·           В холодных регионах все оборудование БС и все устройства с опцией Р300 должно выбираться модификации ОТ, т.е. с расширенным температурным диапазоном.

Ретрансляционная станция (РС)

РС (рисунок 2.16 ) предназначена для повышения дальности действия БС, обхода крупных препятствий, а также для создания протяженных магистральных каналов точка-точка. Количество последовательно подключаемых РС не ограничено. К каждой РС может быть подключена одна или несколько РС и/или АС

 В состав РС входят:

- Двухмодульный беспроводный маршрутизатор R5000.

- Направленная антенна для связи с БС (в случае РС без интегрированной антенны).

- Всенаправленная, секторная или направленная антенна для подключения АС и/или РС.

- Кабели для подключения антенн.

- Лицензия для подключения специализированных АС к РС.

Для беспроводного объединения сетей диапазонов 2,4 и 5/6 ГГц выпускаются двухмодульные двух диапазонные беспроводные маршрутизаторы.

Ретрансляционная станция

Рисунок 2.16 - Типовая схема ретрансляционной станции

Абонентская станция (АС)

АС (Рисунок 2.17 )предназначена для беспроводного подключения абонентов к БС или РС, а также для создания магистральных каналов "точка-точка".

Состав АС:

 - Абонентский беспроводный маршрутизатор с интегрированной антенной или разъемом для подключения внешней антенны.

 - Направленная антенна и антенный кабель для моделей без интегрированной антенны.

Рисунок 2.17 - Типовые схемы АС

Система управления сетью

Система управления сетью (Рисунок 2.18 ) (Network Monitoring/Management System – NMS) предназначена для мониторинга сети в реальном времени с целью оперативного управления. Система базируется на программных средствах управления и мониторинга сетей типа HP OpenView, WhatsUp и т.п. и обеспечивает графическое представление карты сети и параметров БС, АС и РС. Помимо этого NMS позволяет вести системный журнал и планировать события с помощью планировщика. В состав системы также включен IWR Manager для настройки оборудования, реализующий в простой и интуитивно понятной форме основные настройки активных устройств сети. Для тонкой настройки используется командный язык системы SkyMAN. Основа серии – новая аппаратная платформа, основанная на мощном процессоре IBM PowerPC с тактовой частотой 200-400 МГц.

Рисунок 2.18 - Диалоговое окно системы управления сетью

  Особенности и преимущества

- Скорость передачи шестисекторной базовой станции до 288 Мбит/с

- Максимальная скорость передачи односекторной БС и в канале "точка-точка" – 54 Мбит/с.

- Диапазоны частот 2,4-2,4835 ГГц (DSSS и 64OFDM), 5,15-5,35, 5,65-6,07 ГГц (64OFDM).

- Протокол доступа к среде на основе адаптивного поллинга.

- Встроенный маршрутизатор, IP роуминг.

- Мощные возможности QoS и приоритезации трафика, поддержка VoIP.

- Встроенные средства поддержки офисной VoIP телефонии.

- Поддержка средств обеспечения безопасности, услуг VPN и брандмауэр.

- Развитые инструменты управления сетью и средства диагностики.

- Топология "точка-многоточка" и "точка-точка", возможность ретрансляции.

- Наличие моделей с расширенным температурным диапазоном (от -55оС до +60оС).

- Сохранение работоспособности в условиях конденсации влаги.

- Встроенные средства грозозащиты тракта ODU-IDU.

[1] На языке эталонной модели взаимодействия открытых систем MAC-уровень является нижним подуровнем канального уровня в модели OSI. Верхним подуровнем данного уровня выступает Logical Link Control (LLC) – управление логическим соединением. Основная задача, решаемая на канальном уровне – сформировать двунаправленный логический канал между двумя точками и обеспечить качество услуг (уровень ошибок) независимо от качества передачи на физическом уровне. Однако терминологические понятия толкуются достаточно произвольно, и в стандарте IEEE 802.16 под термином MAC следует понимать канальный уровень со всеми присущими ему задачами.

[2] «Рандомизация» применяется для того, чтобы избежать длинных последовательностей повторяющихся нулей или единиц.

[3] Forward Error Correction – прямая защита от ошибок.

[4] Передаточная функция идеального синусквадратного фильтра записывается как

 при ;

 при ;

, где - коэффициент избирательности (по стандарту IEEE 802.16 ),  - частота Найквиста, равная половине частоты дискретизации.

[5] Frequency division duplex

[6] Time division duplex

[7] Time division multiplex

[8] Convergence Sublayer

[9] Common Part Sublayer

[10] Privacy Sublayer

[11] Payload Header Suppression

[12] MAC Protocol Data Unit – блоки данных канального уровня

[13] Demand Assigned Multiple Access

[14] Grants per Connection

[15] Grants per subscriber station

[16] polling

[17] Unsolicited Grant Service

[18] slip

[19] Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems

[20] рабочее название draft-версии того периода – IEEE 802.16REVd

[21] Single Carrier

[22] Automatic Repeat Request

[23] Adaptive Antenna System

[24] Space Time Coding

[25] «сетки» – децентрализованной сети взаимодействующих друг с другом систем.

[26] упоминается «как правило не ниже 1 ГГц».

[27] High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network

[28] Dynamic Frequency Selection

[29] Европейский стандарт HiperMAN, равно как и WiMAX Forum, рассматривает лишь один из режимов стандарта IEEE 802.16-2004, а именно OFDM в диапазоне менее 11 ГГц.

[30] Fast Feedback

[31] Orthogonal frequency division multiplexing

[32] Orthogonal frequency division multiple access

[33] Downlink interval usage code

[34] uplink interval usage code

[35] Frame control header

[36] Downlink Frame Prefix

[37] Region-Focuced

[38] network control

[39] schedule control

[40] network entry – «сетевой вход»

[41] аналог интервала конкурентного доступа в сети «точка-многоточка»

[42] distributed scheduling

[43] логическая связь на канальном уровне между передающей и приемной станцией для передачи сервисного потока.

[44] поток данных, связанный с определенным приложением. Характеризуется набором требований к каналу связи.

[45] устойчивый набор параметров канала связи.

[46] Unsolicited Grant Service

[47] Best Efforts

[48] Transport Encryption Key

[49] Key Encryption Key

[50] Message Authentication Key