CC BY
43
23 декабря 2011 r. 11:29
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Методы повышения эффективности использования частотного ресурса в беспроводных широкополосных системах связи
Зайцева Ю.М.
В последние годы в связи с бурным развитием услуг беспроводных широкополосных сетей передачи данных (БШПД) операторы данных сетей столкнулись с проблемой ограниченности спектральных ресурсов. Количество пользователей услугами БШГ|Д быстро увеличивается, растет потребность в предоставлении приложений, требующих больших частотных ресурсов. Однако, регулирующие органы в силу ограниченности частотного ресурса предоставляют лишь небольшие ограниченные диапазоны частот для коммерческого использования В результате среди операторов связи существует жестокая конкуренция в борьбе буквально за каждый кГц частотного ресурса.
В Европе аукционы по продаже лицензий на частотные диапазоны для сотовых сетей связи третьего поколения (ЗС) начались в 1999 г. В Великобритании лицензия на полосу частот диапазоном 90 МГц была предана за 22,5 млрд. фунт. стер. В Германии результат был сходный — полоса в 100 МГц была продана за 46 млоддолл. Таким образом, нетрудно посчитать, что средняя цена 1 МГц составляет порядка 450 млндолл [3].
Поэтому для операторов связи актуальна проблема максимального увеличения показателя эффективности использования доступного спектра, так как это является главным ограничением в предоставлении высокоскоростных сервисов по более НИЗКк*л ценам.
Вследствие этого при проектировании системы БШПД для операторов связи является очень важным учитывать многие аспекты в свете достижения наиболее высокого показателя эффективности.
Существуют следующие способы увеличения эффективности использования частотного спектра:
— территориальное уплотнение;
— адаптивная модуляция и кодирование (АМС);
— методы множественного доступа;
— антенные технологии.
Базовым способом достиженкя высоких показателей эффективности использования спектра является сотовая архитектура системы связи, когда вместо одного мощного передатчика, способного покрыть всю территорию, используется набор менее мощных, каждый из которых покрывает лишь свою небольшую территорию — соту. Сота разделяется на сектора, что становится возможным за счет использования направленных антенн. Как правило, соты или сектора объединяются в кластеры, и доступные для данной системы связи частоты назначаются секторам или сотам в кластере. Затем такая же процедура повторяется для всех кластеров системы при соблюдении политик минимизации помех между кластерами, покрывающих нужную территорию, таким образом, достигается повторное использование частотного ресурса, что в значительной степени повышает показатель спектральной эффективности всей системы в целом.
Для увеличения эффективности повторного использования частот можно использовать метод территориального уплотнения. Идея этого метсда заключается в том, чтобы увеличить количество сот, уменьшив при этом радиус, то есть поставить большее число БС на покрывоемой территории. Такой подход обеспечивает увел^ение
спектральной эффективности системы связи, однако, если неограниченно увеличивать количество БС на покрывоемой территории, то вместе с возрастанием показателя спектральной эффективности системы увеличится также и ее стоимость, причем во много раз. Естественно, такой подход не является оптимальным для операторов, так как для них важен баланс между эффективностью системы и ее экономической выгодностью.
В настоящее время в рамках данного подхода активно внедряется концепция фемтосот. Идея этой концепции состоит в следующем: БС фемтосоты является низкомощностной беспроводной точкой доступа, которая действует в лицензионном спектре, обеспечивая соединение мобильных устройств пользователя с сетью оператора посредством кабельных или xDSL широкополосных соединений. Применение фемтосот позволяет операторам увеличить внутреннее покрытие, особенно в тех местах, где действие беспроводной сети ограничено или невозможно.
Увеличения показателя эффективности использования спектра можно также достигнуть с помощью использования передовых методов модуляции и кодирования. В системах WiMAX, например, используется метод адаптивной модуляции и кодирования (АМС). Базовый принцип этого метода состоит в том, что донные должны передаваться с наиболее высокой скоростью при благоприятных условиях в канале передачи, и с низкой скоростью — когда условия неблагоприятные и возможны большие потери пакетов. Низкие скорости передачи данных достигаются за счёт использования сигнальных созвездий более низкого порядка, кок например QPSK, и низкоскоростных кодов исправления ошибок, например, сверточные со скоростью ?. Высокие скорости передачи достигаются за счет использования созвездий высокого порядка, как например 64QAM и более эффективных корректирующих кодов, например, LDPC коды со скоростью ?, которые, однако, являются менее помехоустойчивыми. Например, в стандарте 802.16е в общей сложности возможны 52 комбинации использования сигнальных созвездий и розных типов помехоустойчивых кодов. Однако, в стандарте предусмотрено использование лишь некоторых из них.
В таблице 1 представлены значения спектральной эффективности, которые достигаются при использовании сверточных кодов с различными видами модуляции и скорости кодирования стандарта 802.16е.
Таблица 1
Спектральная эффективность в зависимости от типа модуляции и кодовой скорости
Тип модуляции и кодовая скорость Спектральная эффективность (бит/сек/Г ц)
QPSK У, 1.0
QPSK У* 1.5
16 QAM У, 2.0
16 QAM У» 3.0
64 QAM У, 3.0
64 QAM 2/3 4.0
64 QAM % 4.5
T-Comm, #9-2011
77
Для улучшена качества передачи радиосигнала в стандарте 802.16е также используются "передовые антенные технологии" (advanced antenna technologies — ААТ),: пространственно-временное разнесение (transmit dr/ereity), формирование диаграммы направленности (beamfomVmg) и пространственное мультиплексирование (spatial multiplexing), которые также позволяют улучшить показатели спектральной эффективности.
Одним из наиболее перспективных способов увеличения скорости передачи данных в сетях БШПД является применение пространственного мультиплексирования с применением многоэлементных антенных решеток (Ml МО), когда высокоскоростной поток данных разбивается на N независимых потоков. Такая техника позволяет повысить скорость передачи данных в N раз, а, следовательно, и показатель спектральной эффективности без дополнительного увеличения частотной полосы.
В таблице 2 представлены значения показателя спектральной эффективности системы WiMAX в зависимости от используемого типа Ml МО.
Поддержка адаптивных антенных систем (AAS) или формирование диаграммы направленности (beamfomning) является неотъемлемой частью стандарта 802.16е-2009, позволяя увеличивать показатель спектральной эффективности системы за счет того, что становится возможным работать на одних и тех же частотах в различных секторах БС.
В качестве метода пространственно-временного разнесения (space time coding — STC) в стандарте 802.16е-2009 используется схема, предложенная Аламоути. Суп» данного метода состоит втом, что выходной поток символов разбивается на два (например, четные и нечетные символы), формируемые параллельно. За счет чего уве-л^ивается суммарная скорость передачи, а, следовательно, и спектральная эффективность системы.
В качестве методов оптимального использования спектра можно еще упомянуть о методах доступа к среде. В существующих БШПД наиболее широко используются два базовых метода доступа: временной (TDD) и частотный (FDD) дуплекс. В настоящее время наибольшее распространение получил метод TDD. Отличие TDD от FDD заключается в том, что FDD действует по принципу парных частот (paired spectrum) восходящего (UL) и нисходящего (DL) каналов. Сам по себе такой подход требует в два раза большую полосу частот, чем при использовании временного дуплекса. Более того, чтобы восходящий и нисходящий каналы не создавали помехи друг другу, выделяют защитную полосу частот (guard band). В различных системах связи такой защитный интервал может составлять до 7% общей полосы частот, что приводит к потере спектрального ресурса и уве-лкнению общих затрат на систему [2].
В противоположность FDD в системах, использующих TDD, для
разделения восходящих и нисходящих каналов используется временной интервал (guard time), что приводит к необходимости использовать системы синхронизации. В современных системах связи режим TDD получил большее распространение. Так. например, в стандарте 802.16е обязательным методом доступа к среде является TDD, применение FDD предусмотрено лишь в одном диапазоне частот в качестве опционального режима.
В качестве методов эффективного использования спектра можно также рассматривать методы множественного доступа к несущей среде. Например, в ходе эволюционного развития метод доступа OFDM, который можно рассматривать, как частный случай FDD, появился метод множественного доступа OFDMA. В стандарте 802.16е существует две основных разновидности физического уровня. OFDM-PHY и OFDMA-PHY. Отличие второго типа физического уровня заключается в том, что данные пользователя передаются не только в отдельном выделенном наборе частот, но и в отдельных меняющихся интервалах времени.
Все вышеперечисленные методы и технологии затрагивают лишь физический уровень (PHY) системы связи, улучшая способы передачи сигнала в физической среде, использование доступных спектральных ресурсов и т д. Однако, на проблему использования ограниченного и дорогостоящего ресурса спектра можно посмотреть с другой стороны.
Современные сети БШПД в основном используются абонентами для доступа и пользования услугами Internet сервисов, таких как он-лайн игры, видео-телефония, он-лайн просмотры видео, передача большого количества данных и т п. Если учесть тот факт, что вся передача данных происходит согласно семиуровневой модели OSI, то нетрудно представить, что с данными пользователей передается огромное количество служебной информации, объем которой увеличивается от уровня к уровню и зачастую составляет большую часть суммарного пакета данных.
Таким образом, доже если на физическом уровне БШПД применены все новейшие технологии, позволяющие наиболее эффективно использовать спектр, то на сетевом, транспортном И Прикладном уровнях значительная часть выделенного для донной системы связи спектра используется неэффективно. Поэтому для наиболее эффективного использования спектра необходимо также оптимизировать логическую передачу донных.
Так кок в современных сетях БШПД для передачи пользовательских донных используется стек протоколов TCP/IR то минимальную избыточность современного трафика можно определить следующим образом, как сумму заголовков используемых протоколов IP+TCP/UDP
Максимальный размер пакета (MTU) согласно рекомендациям WiMAX Forum для протоколов IPv4 и IPv6 составляет 1400 байт.
Таблица 2
Спектральная эффективность при использовании разных режимов MIMO
Параметр Тип MIMO
Спектрапьная эффективность (бит/сек/Г ц) Тип пользовательского устройства Тип соеди нения 2*2 (open -loop) MIMO 2*4 (open -loop) MIMO 4*2 (open •loop) MIMO 4*2 (closed -loop) MIMO
Фиксированное 802 16d DL 2.17 363 3.10 4 68
UL 1 05 1 00 150 2 26
Мобильное DL 1.95 3.51 297 4 55
802 16е UL 0.94 0.94 1 43 2 19
78
T-Comm, #9-2011
Длина служебных заголовков ТСРЧР для одного пакета составляет 40 байт. Таким образом, несложно посчитать, что при максимальном размере пакета избыточность служебной информации составляет порядка 3%, а в случае использования протокола 1ЮР — 2,1 %, так как заголовок 1ГОР имеет меньший размер. При уменьшении размера пакета избыточность, возникающая из-за заголовков канального и сетевого уровней, возрастает.
В настоящее время существуют алгоритмы оптимизации заголовков \Р/КУ/1ЮР, которые позволяют бороться с избыточностью ТСР/1Р при передаче информации Например, 1?РС 3095. Однако, данные алгоритмы учитывают лишь избыточность заголовков ТСР/1Р не касаясь протоколов 7 уровня модели 03.
Если же при расчете избыточности учитывать также и протоколы прикладного уровня, то в зависимости оттого, какие приложения используются абонентом, избыточность можно определить уже следующим образом:
1Р+ТСР[иОР]ЖТТР($МТРЖЖИМАР и тА]
Таким образом, нетрудно представить, что если оптимизировать количество и состав служебной информации, то можно улучшить коэффициент полезного использования спектрального ресурса, увеличение которого даже на несколько процентов представляет ог-
ромную экономическую выгоду для операторов связи, которые борются за каждый кГц спектра.
В существующих сетях БШПД рекомендованные алгоритмы сжатия (ROHC) используются достаточно мало. Однако, даже при использовании данных алгоритмов остается достаточно большой объем заголовков прикладного уровня модели OSI, которые не учитываются при сжатии.
Подводя итог всему выше сказанному, можно сделать вывод что оптимизация структуры ПД в сетях БЩПДдаст большую экономическую выгоду для эффективности использования частотного ресурса.
Литература
1 1G. Andrew* A. Ghotfv R- Muhamed Fundamentals of WiMAX: understanding broodband wireless networking. Prentice hoi, 2007
2. The Advantages of TDD over FDD in Wireless Data Applications, Raze technologies. 2001 hnp;//wwwv.razetechnologies.coni/texl_only/ TDDvsFDD.hlm.
3 Mp G. Lawrey. Thesis "Adaptive Techniques for Multiuser OFDM", 2001.
4 V. Gwndrmekhcr, J.G. Andrew* A.Gatherer . rFemtoceD networks: a serve/', unpubfahed. [online].
T-Comm, #9-2011
79
