Донские Радиолюбители
 |
Статьи : Передача данных / Wi-Fi /Стандарт IEEE 802.22 WRAN Wi-FiДобавлено пользователем administrator 21.07.2013 в 08:25.
|
|
Содержание:
Введение История стандарта Используемые частоты Особенности стандарта Технология "умного" радио Антенны Архитектура стандарта Физический уровень MAC-уровень Литература ВведениеIEEE 802.22 WRAN (Wi-Fi) — стандарт беспроводных региональных сетей, описывающий двухуровневую архитектуру (уровень PHY и уровень MAC) с многоточечным (point-to-multipoint) соединением. Сеть предназначена как для работы с профессиональными фиксированными базовыми станциями, так и с портативными (либо фиксированными) пользовательскими терминалами (модемы). Обмен данными по стандарту производится на «свободных» частотах ОВЧ/УВЧ (VHF/UHF) телевизионного вещания (отсюда и название "white space" — "пробел"), что составляет полосу от 54 до 862 МГц. По утверждению разработчиков, сеть в основном предназначена для использования в малонаселённых пунктах, а также сельской местности, где вероятнее всего будет достаточное количество свободных каналов в рабочей полосе частот стандарта.История стандартаСпецификация 802.22 появилась благодаря работам профессора Джозефа Митолы III, опубликовавшего результаты своих исследований в 1999 г. совместно с Джеральдом Магуайром. Концепция, названная профессором "cognitive radio" ("когнитивное радио"), позволяет системам связи использовать "занятые" частоты для передачи своих данных за счет имеющихся в полосе "пробелов". Однако закон запрещал работать с зарезервированными частотными диапазонами, либо возможность появлялась при покупке дорогостоящих лицензий. Законодательная база мешала продвижению технологии. Лишь в 2004 г. Федеральное агентство по связи (Federal Communications Commission) США внесло поправки, дающие возможность нелицензированным абонентам использовать лицензионные полосы при условии, что те не вносят помех в работу законных пользователей. Это событие инициировало появление в ноябре 2004 г. в "стенах" IEEE рабочей группы, которая стала вести разработку стандарта 802.22 с когнитивной радиосвязью в качестве базовой технологии. Окончательный релиз IEEE 802.22 — 2011 появился лишь спустя семь лет.Используемые частотыНовый стандарт был спроектирован для беспроводных региональных сетей (Wireless Regional Area Network, WRAN). Это предполагает покрытие зон радиусом в десятки километров. Спецификация позволит провайдерам интернет-услуг обеспечить жителям сельских районов доступ к широкополосному доступу в Сеть там, где его еще нет. Увеличение радиуса действия удалось достичь благодаря уменьшению рабочих частот, обычно используемых в Wi-Fi, WiMax или LTE для передачи информации. Подбор оптимальных частот зависит от многих факторов. Для обеспечения наибольшей дальности с сохранением разумной мощности и приемлемой полосы пропускания лучшим образом подошли частоты диапазона от 54 до 862 МГц, так называемые телевизионные частоты. Ширина полосы одного телевизионного канала в США, Японии и большей части Центральной и Южной Америки составляет 6 МГц, для России и большинства других стран эта величина равна 8 МГц, но встречаются также стандарты с 7-мегагерцовой полосой, например в Австралии, Бельгии и Люксембурге. Поэтому в 802.22 предполагается использовать ширину полосы одного канала в 6 (8,7) МГц.Существующая система телевещания может служить примером успешного использования этого диапазона для покрытия больших площадей. К тому же данным частотам не страшны стены и препятствия. Однако в использовании ОВЧ/УВЧ есть и недостаток: меньшие частоты (длинные волны) нуждаются в более габаритных антенных системах. Кроме повсеместно используемых систем аналогового телевидения NTSC (США, Канада, Япония), PAL (Европа), SECAM (Франция, Греция, Россия) диапазон официально закреплен за радиосвязью государственных служб (полиции, противопожарной службы и т. д.) и коммерческих сервисов (такси и т. д.). В данной полосе также работают беспроводные микрофоны, системы цифрового телевидения ATSC/DVB-T и бог знает кто еще — важно, что никому из них нельзя мешать! Особенности стандарта
Технология "умного" радиоДля того чтобы умело и безобидно использовать "пробелы" в уже используемых частотах, предусмотрен целый ряд когнитивных механизмов.
АнтенныСеть предназначена как для работы с профессиональными фиксированными базовыми станциями, так и с портативными (либо фиксированными) пользовательскими терминалами (модемами). Для охвата больших площадей необходимы соответствующие мощности сигналов. В спецификации предполагается, что для покрытия зоны с радиусом в 30 км потребуется мощность излучения в 4 Вт. На базовой станции для этих целей размещается ненаправленная антенна, чтобы равномерно покрыть сигналом всю площадь. При необходимости изотропную антенну можно заменить секторной. Такая конфигурация позволит эффективнее охватывать зону с неравномерным распределением абонентов по площади или со сложным размещением нескольких базовых станций. На стороне клиента напротив применяется узконаправленная антенна с ориентированием в сторону базовой станции (или базовой станции с максимальным сигналом, если их несколько). Кроме того, в клиентском оборудовании имеется сканирующая (sensing) антенна для функционирования когнитивных механизмов. При использовании спутникового позиционирования также может быть размещена GPS-антенна.Важно понимать отличие стандарта IEEE 802.22 от других спецификаций, в особенности от IEEE 802.16 (WiMax), с которым его часто сравнивают. Основная разница в том, что 802.22 ориентирован на сельские местности и отдаленные регионы. Его радиус зоны покрытия в разы больше. Кроме того, 802.22 является первым в мире стандартом, использующим когнитивные технологии для совместного использования оптимального частотного диапазона и не требует оформления лицензий на использование определенных частот. Архитектура стандартаНаиболее важными требованиями со стороны разработчиков к стандарту IEEE 802.22 были гибкость и адаптивность системы, поскольку оборудованию приходится работать в спектре с лицензионными абонентами. В итоге стандарт, описывающий PHY- (Physical) и MAC-уровни (Media Access Control) модели OSI сети, получил особую архитектуру.Физический уровеньМежду базовой станцией и пользовательским оборудованием на физическом уровне организована двухсторонняя связь с временным разделением (Time Division Duplexing, TDD). В таком разделении входные и выходные данные передаются на одной частоте, но в разные промежутки времени. Если нужно изменить приоритет по скорости, то нет ничего проще — достаточно продлить выделенное время для одного потока данных и сократить для другого.Как транспортный механизм в 802.22 используется технология мультиплексирования с ортогональным частотно-временным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Аналогичная схема применяется в WiMax. Суть ее заключается в том, что некоторый поток данных разделяется между несколькими специальными частотами. Каждый подпоток модулируется по своей схеме. В спецификации предусмотрено три вида схем модуляции: квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature Phase Shift Key, QPSK), квадратурная амплитудная манипуляция порядка 16 и 64 (Quadrature Amplitude Modulation, 16 QAM и 64 QAM). Схемы отличаются между собой количеством информации, которую можно передать одним символом. Та или иная схема модуляции выбирается исходя из условий передачи. Чем выше скорость передачи, тем ниже ее надежность (тем выше вероятность возникновения ошибки). Поэтому если абонент сети расположен далеко от базовой станции и уровень сигнала во время связи не очень высок, то лучше сменить схему модуляции, например с 16 QAM на более медленную, но зато стабильную QPSK. Система постоянно адаптируется, и для каждого пользователя проводится балансировка оптимального режима между скоростью и помехоустойчивостью. Важным для стандарта является особенность OFDM противостоять многолучевому распространению. Данный эффект возникает при наличии каких-либо препятствий между базовой станцией и абонентом. Сигнал может испытать много отражений от разнообразных объектов. В конечном счете к приемному устройству приходит не один сигнал, а несколько с некоторой задержкой, что может привести к межсимвольной интерференции. Против этого в OFDM применяют специальную вставку, так называемый циклический префикс. Для более стабильной работы в 802.22 предусмотрено использование кодов, позволяющих корректировать ошибки. В том числе коды Галлагера (Gallager), которые на данный момент представляют лучшее решение для передачи информации по каналу связи с шумами в ограниченной полосе. Для организации доступа к каналу связи нескольких абонентов одновременно применяется техника частотно-временного разделения (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA). Это уникальная технология, позволяющая использовать доступное частотное пространство максимально выгодным способом. OFDMA уже отлично себя зарекомендовала в таких стандартах, как WiMax и LTE. В механизме OFDM доступные специальные частоты делятся между пользователями сети. Спектральная эффективность по стандарту может варьироваться от 0,624 до 3,12 Бит/с/Гц. Эта величина характеризует скорость передачи данных в заданной полосе частот. Чем выше значение, тем большей пропускной способностью обладает система, однако с ростом спектральной эффективности уменьшается помехозащищенность. Для компенсации низкой пропускной способности канала при минимальной спектральной эффективности используется методика канального объединения (channel bonding). Суть методики заключается в использовании до трех телевизионных каналов одновременно, чтобы за счет ширины полосы в 18 (21, 24) МГц обеспечить приемлемую скорость передачи. Для защиты лицензионных каналов необходимо выдерживать частотный интервал, чтобы исключить возникновение помех. Ширину частотного интервала рекомендуют делать сопоставимой с шириной одного канала. Фактически необходимо иметь в ОВЧ/УВЧ-диапазоне пробелы шириной от трех каналов (один информационный плюс два защитных по бокам) и более. Это требование еще раз подчеркивает, что целесообразно разворачивать IEEE 802.22 в сельской и малонаселенной местности, где эфир относительно свободен. MAC-уровень Инициализация сети в 802.22 сложнее, чем в других беспроводных сетях. Всё усложняется тем, что нет изначально определенного канала связи. Таким образом, пользовательскому оборудованию сначала необходимо просканировать сетку частот и составить карту всего диапазона. Затем в свободных и подходящих пробелах искать SCH базовой станции. После того как SCH будет получен, модем абонента дает о себе знать базовой станции и остается в канале на время действия суперфрейма. Если за это время модем получает ответ, то происходит инициализация и подключение к сети. После установления соединения информация о состоянии каналов отправляется на базовую станцию. Как говорилось выше, во время работы в сети базовая станция периодически посылает команды абонентскому оборудованию для запуска сканирования диапазона на наличие лицензионных пользователей. При этом существуют различные алгоритмы сканирования, которые определяют пороговый уровень сигнала в канале, время сканирования, диапазон, вероятность обнаружения ложной тревоги. Существуют определенные пороговые значения сигналов, при которых они будут интерпретироваться как лицензионные пользователи. Все эти параметры влияют на успешность получения достоверной частотной сетки в регионе. Базовая станция может распределять нагрузку между абонентами при сканировании частотного спектра. Если основная базовая станция долго "молчит", то тогда абонентское оборудование ищет маяки от другой соседней станции и в случае успешного поиска подключается к ней. Моделирование сети показало, что даже при большом скоплении рядом расположенных станций терминалы абонентов быстро распределяются между ними. В результате нагрузка на базовые станции становится оптимальной. Литература[ Все статьи ]
|
