CC BY
81
УДК 621.392
ОБЗОР ТИПОВЫХ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
© 2009 г. К.Е. Легкое *, А.А. Донченко **, М.А. Кисляков **
*Северо-Кавказский военный округ *North-Caucasian Military District
**Ростовский военный институт ракетных войск **Rostov Military Institute of the Missile Troops
В настоящее время наиболее массовыми и перспективными технологиями беспроводного доступа, которые могут быть применены для передачи большого количества трафика различного вида, являются: стандарт беспроводных локальных сетей IEEE 802.11 и стандарт беспроводных сетей городского масштаба IEEE 802.16. В статье проведен обзор типовых условий функционирования данных систем, необходимый для решения задач анализа помехоустойчивости приема сигналов при проектировании систем беспроводного широкополосного доступа.
Ключевые слова: системы беспроводного широкополосного доступа, типовые условия.
Now the most mass and perspective technologies of wireless access which can be applied to transfer of a considerable quantity of the traffic of a various type, are: the standard of wireless local area networks IEEE 802.11 and the standard of wireless metropolitan area networks IEEE 802.16. In article is organized review of the standard conditions of functioning of the given systems, necessary for the decision of problems of the analysis of a noise stability of reception of signals is carried out at designing of systems of wireless broadband access.
Keywords: systems of wireless broadband access, standart conditions.
При проектировании систем беспроводного широкополосного доступа в обязательном порядке должен быть учтен целый ряд параметров, характеризующих канал беспроводной сети [1, 2]: потери распространения (затухание радиоволн), включая затенение; время (интервал) многолучевости; характеристики замираний сигнала; доплеровское расширение спектра; межканальная интерференция. Указанные параметры зависят от земной поверхности (рельефа местности), плотности размещения деревьев, высоты подъема и направленности антенны, скорости ветра, времени года и являются случайными. Поэтому возможно только статистическое их описание и обычно специфицируются средние их значения и отклонения от средних [1]. Исследования приведенных выше параметров [3] в целях разработки модели каналов для стандарта IEEE 802.16 были представлены в [4].
Работоспособность сетей беспроводного доступа во многом определяется её устойчивостью к воздействию всевозможных внешних и внутренних помех.
Среди показателей помехоустойчивости различают показатели устойчивости к взаимным (внутренним) помехам, а также к непреднамеренным и преднамеренным (внешним) помехам. Влияние помех может проявляться в виде отказов или перерывов в обслуживании, некачественном предоставлении услуг. Вероятность возникновения подобного рода отказов зависит от способности системы своевременно упреждать их и адекватно реагировать при их появлении (найти другой маршрут, другую частоту, другую схему модуляции и кодирования, увеличить мощность и т.д.). Источник сообщения, получатель сообщения, среда, в которой проходит сигнал, и вся аппаратура, обеспечивающая передачу сообщения от источника к получателю, образуют тракт связи (рис. 1).
В реальных радиоканалах действуют разнообразные помехи, порождаемые внешними источниками, а также случайные искажения. Прежде чем сигнал появится на входе приемника, на него накладывается целый ряд искажений, вносимых средой распространения сигнала.
Источник помех Среда
Рис. 1. Тракт связи 51
К ним относятся затухание, замирания, внутрисим-вольная и межсимвольная интерференция, доплеров-ский сдвиг несущего колебания, нелинейные искажения, межстанционные помехи и аддитивный шум.
При анализе помехоустойчивости приема сигналов одной из важных задач является определение и обоснование модели наблюдения сигналов и помех на входе приемника, которая должна учитывать большинство из перечисленных выше компонент модели канала. В частности, вид и содержание модели наблюдения на входе приемника в существенной степени зависит от способов построения передающих трактов радиосистем передачи (в том числе, от способов формирования и объединения сигналов), от механизмов распространения радиоволн, взаимодействия сигналов и помех различного происхождения.
Обобщенная схема радиосистемы передачи (рис. 2) традиционно включает в себя источник сообщения (ИС), в качестве которого выступают верхние уровни модели OSI, генерирующие пакеты данных, состоящие из битов rk (где i = 1,Mc; Мс - количество пользователей), от источников сообщений (пользователей). Затем индивидуальные сигналы пользователей rk, передаваемые со скоростью VHi, кодируются в кодере канала и далее кодированный сигнал ck уже
со скоростью VCi поступает на модулятор. В модуляторе в целях согласования дискретного и непрерывного каналов производится формирование радиосигнала
si (rik,tj путем модуляции синусоидального колебания последовательностью кодовых символов. При этом в настоящее время используются различные методы модуляции: ФМ, МФМ, МОФМ, АФМ, КАМ и другие. Далее в передатчике радиосигнал усиливается и ограничивается по полосе частот в полосовом
фильтре с целью уменьшения внеполосных излучений.
Проведем анализ условий функционирования системы беспроводного широкополосного доступа на примере стандарта IEEE 802.16. Сигнал OFDM, записанный на интервале длительности одного символа, представляет собой сумму всех несущих колебаний, модулированных своими модуляционными символами
[4].
Радиосигнал, проходя через среду распространения, подвергается воздействию помех и шума и на входе приемника представляет собой смесь сигнала, шума и помех:
Mc , _ Mп
y(t) = Z s*(rk,К,t) + Z sre(гП, v,t) + n(t) , (1)
- Jst (t)Sj (t)dt = 0, i = 1,M*; j = 1,M*; i * j, (2)
T
где г - дискретные состояния индивидуального цифрового сигнала 1-го пользователя на ^м тактовом интервале; гк. - дискретные состояния цифрового
сигнала источников помех (/ = 1,Мп); X^ - вектор непрерывных сопутствующих параметров цифрового сигнала /-го пользователя (начальная фаза, частота, задержка сигнала и т.д.); Хп/ - вектор непрерывных сопутствующих параметров 1-й помехи; п ^) - аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ). Показатели должны учитывать потери распространения (затухание радиоволн), включая затенение, время (интервал) многолучевости, характеристики замираний сигнала, доплеровское расширение спектра, межканальную интерференцию [3].
s^ (rk,t)
k r1 Кодер k С1 Модуля-
канала тор
Передатчик
Z s (rk ,X ,t)
пЛ Пу ' Пу
HCl
J1 '1
г,
I ИС
Кодер k Модуля- —► Пере-
канала тор датчик
rk 1 rM
ИСМ
Кодер канала
k СM,
Модуля-
тор
* (Mk, t) !
r*k С1
Демод Декодер.
канала
*k
I
^ I
HC1 I ___I
Демод С Ш Декодер
канала
Демод Декодер канала
"*k "1
HC2
'Мс
HC
Мс
Рис. 2. Обобщенная структурная схема радиосистемы передачи с МД
i=1
i=1
k
t
s2 r2 ,t
с
В условиях многолучевости на входе приемника присутствуют задержанные копии полезных индивидуальных сигналов и таким образом наблюдение y (t)
представляет собой смесь АБГШ, помех, ортогональных сигналов пользователей и неортогональных им сигналов соседних лучей:
Mc L
y(t) = ЕЕ sal (rak, X Cll ,(t )) +
i=1 l=1 M n , _
+ Е Sn (4, V, t) + n(t)
i =1
(2)
-J Sil (t) Sil (t-ti7 )dt * 0, i = 1, Mc; l = 2, L; i * l, T 0
i
где ^ - состояния дискретного параметра i-го индивидуального цифрового сигнала пользователя l-го луча; Xil - вектор непрерывных сопутствующих параметров i-го индивидуального цифрового сигнала пользователя l-го луча; Xni - вектор непрерывных сопутствующих параметров i-й помехи l-го луча, учитывающий потери распространения (затухание радиоволн), включая затенение, время (интервал) многолу-чевости, характеристики замираний сигнала, допле-ровское расширение спектра, межканальную интерференцию; n (t) - аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ); ти - временная задержка i-го индивидуального цифрового сигнала пользователя l-го луча; L - общее число лучей; Мс - общее число индивидуальных пользователей.
В условиях многолучевости с учетом (2) наблюдение y (t) сигнала OFDM имеет вид
Mc L
y(t) = ЕЕ Re
i=1 l=1
J х- J
e н Е ckile
к=-N-2 к *0
+ Е sni Ой, ,t) + n(4
i=1
(3)
J = 1, Mc; i * j
Как было сказано выше, при распространении радиоволн на трассе между точкой доступа и подвижным пользователем имеют место затухание и медленные и быстрые замирания сигналов. В случае, когда применяется изотропная антенна, и на пути распространения нет препятствий, радиоволны распространяются во всех направлениях равномерно, фронт волны представляет собой сферу, и сигнал уменьшается пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником. В условиях городской среды величина затухания зависит также от типа и плотности застройки, высоты антенн БС и АС и многих других факторов [3]. При расчете средних потерь мощности на трассе распространения применяются методы Окумуры-Хата и Кся Бертони [5]. Данные методы основаны на аналитической аппроксимации результатов практических измерений. Набор эмпирических формул и поправочных коэффициентов, полученный в результате такой аппроксимации, позволяют рассчитать средние потери для различных типов местности.
Рассмотрим наиболее характерные факторы, влияющие на распространение сигнала в системах беспроводного широкополосного доступа: медленные и быстрые, плоские и частотно-селективные замирания сигналов.
Медленные замирания сигналов обусловлены изменением условий рефракции радиоволн (атмосферные осадки, смена дня и ночи, времен года и т.п.), а также перемещением мобильных пользователей на расстояния, превышающие длину волны на несколько порядков и более (или перемещением больших по сравнению с длиной волны объектов, находящихся на пути распространения сигнала) [6]. Медленные замирания принято моделировать логарифмически-нормальным законом распределения мгновенных значений огибающей принимаемого сигнала х с плотностью вероятности:
w( x) =
1
"exp i
[lg ( X)- mx ]
' 2ct 2
где k - номер частоты; N - количество используемых поднесущих; ck - комплексный модуляционный символ k-го частотного подканала; А/ - разнос между поднесущими; Tg - защитный интервал; / - несущая частота, 0 < t < TOFDM ; Tofdm - длительность символа OFDM с учетом защитного интервала.
В приемной части осуществляются обратные преобразования сигнала.
Полученные соотношения (1) и (3) отражают взаимодействие компонентов группового сигнала и помех в условиях АБГШ, помех и многолучевости для метода ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), без конкретизации вида помех, и в общем случае, могут быть использованы в качестве исходных данных для моделирования наблюдения в точке приема в системах беспроводного широкополосного доступа.
где тх - математическое ожидание; о х - дисперсия замираний сигнала, дБ.
Вредное влияние медленных замираний невозможно устранить выбором системы сигналов и методов обработки. Поэтому для достижения удовлетворительной работоспособности системы при длительном ухудшении состояния канала, учитываемом техническими требованиями к системе, необходимо предусмотреть достаточную мощность излучения, размер антенны и т.д. (системный запас).
Причиной быстрых замираний является многолу-чевость распространения радиоволн и передвижение пользователей на короткие расстояния, сравнимые с длиной волны. Под многолучевостью понимают существование в канале большого числа лучей (путей), по которым может распространяться электромагнитная энергия из передающей точки в приемную, в пределах диаграмм направленности антенн, причем время
+
2
x
прохождения сигнала от передатчика к приемнику по отдельным лучам различно. Многолучевость заключается в том, что в точку приема приходит множество переотраженных лучей от местных предметов (зданий, автомобилей и т.д.), которые имеют различные фазы и амплитуды, а также доплеровские сдвиги частоты. Физически многолучевость объясняется тем, что дальнее распространение сигнала в среде сопровождается процессами отражения и рассеивания, причем вследствие динамического характера среды «отражатели», «рассеиватели» или «неоднородности среды» постоянно изменяются. Некоторый макроскопический параметр среды, такой как полное время многолучевого растяжения или среднее затухание сигнала в канале, может оставаться неизменным на интервалах времени длительностью до нескольких часов и более, но это значит лишь, что на протяжении такого интервала процесс передачи сигнала может рассматриваться как стационарный флуктуационный процесс. Этот флуктуационный процесс состоит в случайных изменениях микроструктуры многолучевости в пределах полного интервала многолучевого растяжения. Максимальная глубина быстрых замираний может достигать 20...30 дБ, а интервал корреляции - доли, единицы секунд.
При наличии преобладающего по амплитуде прямого незамирающего луча распределение мгновенных значений огибающей сигнала удовлетворительно аппроксимируется законом Рэлея-Райса [3]:
(
w( x) =— exp
,2 Л
2а 2
exp (-K) I о
(
л
x > 0,
w(x) = — exp
,2 Л
2а 2
x > 0
где 10^) - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка первого рода; К - параметр, характеризующий отношение энергии прямого луча к суммарной энергии рассеянных сигналов.
В том случае, когда точка доступа находится вне зоны прямой видимости терминала пользователя, а значит - прямой луч отсутствует и на входе приемника есть только рассеянные компоненты сигнала, распределение Рэлея-Райса сводится к рэлеевскому распределению (К = 0):
Замирания сигнала так же могут быть плоскими и частотно-селективными. Величина задержки лучей (интервал многолучевости) может составлять от десятков, сотен наносекунд в беспроводных локальных сетях (в пределах помещений) до единиц, десятков микросекунд в беспроводных сетях городского масштаба. Ослабление отраженных лучей, учитываемое при моделировании, колеблется от единиц децибел до -20 дБ [1].
Таким образом, приведенный анализ условий функционирования систем беспроводного широкополосного доступа, на примере сигнала стандарта IEEE 802.16 (OFDM) и полученные соотношения, необходимы для выбора и обоснования модели канала, которые являются важнейшей составной частью исследования и проектирования систем беспроводного доступа, в том числе, для решения задач анализа помехоустойчивости приема сигналов, при различных методах их формирования и обработки в условиях действия различного вида помех.
Литература
1. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В.М. Вишневский, А.И. Ляхов, С.Л. Портной, И.В. Шахнович. М., 2005.
2. 802.16 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems.// IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques Society. 2004.
3. Бураченко Д.Л. Статистические характеристики сигналов и помех в линиях связи. Конспект лекций. СПб., 2006.
4. Сюваткин В.С. WiMAX - технология беспроводной связи: основы теории, стандарты, применение. СПб., 2005.
5. Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services," IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 29, P. 317-325, 1980.
6. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. М., 2005.
Поступила в редакцию
28 ноября 2008 г.
Легков Константин Евгеньевич - начальник отдела сопровождения комплекса средств автоматизации СевероКавказского военного округа. Тел. 918-546-90-82. E-mail: [email protected]
Донченко Анатолий Анатольевич - канд. техн. наук, полковник, начальник кафедры Ростовского военного института ракетных войск. Тел. 918-555-44-33. E-mail: [email protected]
Кисляков Михаил Александрович - адъюнкт Ростовского военного института ракетных войск. Тел. 909-409-42-55. E-mail: [email protected]
Legkov Konstantin Evgenievich - the chief of the Complex Systems Automatization and Service Departament of the North-Caucasian military district (Severo-Kavkazkiy Voenny Okrug). Ph. 918-546-90-82. E-mail: [email protected]
Donchenko Anatoliy Anatolievich - Candidate of Technical Scince, colonel, head of department, Rostov Military Institute of the Missile Troops. Ph. 918-555-44-33 E-mail: [email protected]
Kislyakov Michail Aleksandrovich - adjunct of Rostov Military Institute of the Missile Troops. Ph. 909-409-42-55. E-mail: [email protected]
a
Va x
a
