Poreðenje karakteristika i mogucnosti buduceg servisa u mikrotalasnom podrucju i mobilnih sistema trece generacije Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Milan Lazarević,

pukovnik Jovan Bajcetic,

potporucnik, dipl. inž.

Vojna akademija — Odsek logistike, Beograd

POREĐENJE KARAKTERISTIKA I MOGUCNOSTI BUDUCEG SERVISA U MIKROTALASNOM PODRUCJU I MOBILNIH SISTEMA TRECE GENERACIJE

UDC: 621.396.21 : 621.3.0 14.2

Rezime:

Znacaj i izuzetno brz razvoj telekomunikacija namece neprekidno izucavanje i primenu novih servisa i novih postupaka integracije i komutacije u njemu. Od komercijalnih radio--servisakoji su trenutno dostupni u našoj zemlji, najveci deo je iz sistema javne mobilne tele-fonije. U radu je prikazana organizacija i nacin funkcionisanja mobilnog komutacionog sistema i njegovo mesto iznacaj u sistemu veze Srbije. Detaljno je obraden WiMAX(WorldInteroperability for Microwave Access) servis mobilne telefonije i analizirane njegove predno-sti i nedostaci u odnosu na mobilni servis 3G (trece generacije). Predložena je implementaci-ja WiMAX-a u savremen sistem telekomunikacij a.

Kljucne reci: mobilni komutacioni sistemi, WiMAX servis mobilne telefonije, mobilni servis 3G, implementacija WiMAX-a u sistem telekomunikacija.

THE COMPARISION OF CHARACTERISTICS AND OPPORTUNITIES OF FUTURE SERVICE IN MICROWAVE BAND AND MOBILE SYSTEMS THIRD GENERATION

Summary:

The importance and very quick development of telecommunications ask for endless research and applying new services and new methods of integration and switching in it. Among commercial radio services that are at the moment accessible in our state, the most significant part is from public mobile telephony system. In this work we presented organization and way of functioning of mobile switching system and their place and importance in Serbian system of communications. WiMAX service of mobile telephony is processed in details and advantages and disadvantages versus 3G mobile service are analyzed. The suggestion of implementation of WiMAX in modern system of telecommunications is given.

Key words: mobile switching systems, WiMAX service of mobile telephony, 3G mobile service, implementation of WiMAX in system of telecommunications.

Uvod

Sistem veza jedan je od servisa za za-dovoljavanje potreba iz oblasti nauke, kul-ture, obrazovanja, zdravstva i svih drugih oblasti života. Putem satelita i internet mreže sve navedene potrebe mogu se ostvarivati ulaskom u medunarodni sistem veze. Sve brži protok podataka omogucuje prenos informacija u realnom vremenu [1].

Manje razvijene zemlje su u ogrom-nom zaostatku u pogledu opštedostupnih komunikacionih sistema, pogotovo onih u okvirima prenosa informacija radio-putem. Razvoj savremene tehnologije uvek je bilo teško pratiti. Svako uvodenje nove tehnologije u komercijalnu upotrebu zahteva, pored skupe opreme, i veoma skupu licen-cu za korišcenje. Od komercijalnih radio-servisa koji su trenutno dostupni u našoj

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

435

zemlji najveci deo proizilazi iz sistema jav-ne mobilne telefonije. Pored ovakvog tipa ostvarivanja bežicnih komunikacija, u bu-ducnosti se otvara mogucnost za neki drugi tip ostvarivanja radio-veza koji može pru-žiti vecu finansijsku dobit i prednost u vidu kvaliteta servisa koji pruža. Taj potencijal-ni sistem je mobilni WiMAX, buduci ser-vis u mikrotalasnom podrucju.

Dok se mobilni WiMAX standard razvijao, proizvodaci su uveliko unapre-divali opremu proizvedenu na osnovu standarda 802.16e. Mobilni WiMAX vec je postao dostupan za komercijalnu upo-trebu u nekoliko zemalja zapadne Evro-pe. Postavlja se pitanje da li ce u odnosu na 3G mobilnu telefoniju ovaj tip preno-sa signala biti u prednosti ili ne. Odgovor na ovo pitanje dobice se uporednom ana-lizom jednog i drugog bežic nog sistema. U ovom radu predstavice se karakteristi-ke jednog i drugog sistema radi njihovog uporedenja. Veci deo rada posvecen je mobilnom WiMAX sistemskom profilu, cije su osnovne karakteristike u ovda-šnjim krugovima manje poznate.

Pretpostavka je da ce se u okviru dugorocnog plana telekomunikacionih usluga u Srbiji, pored trenutno aktuelnih pilot-programa 3G mobilne telefonije, ši-ra javnost vrlo brzo upoznati sa moguc-nostima mobilnog WiMAX-a. Na taj na-cin bice premošcen jaz izmedu sadašnje, donekle zaostale tehnologije u sistemu javne mobilne telefonije i najmodernijih komercijalnih radio-sistema.

Sistem javne mobilne telefonije

Sistem javne mobilne telefonije deo je telekomunikacionog sistema koji, u poredenju sa fiksnim sistemom, ima brzu

i jednostavnu instalaciju, a ulaganja su postepena i relativno mala. Savremene javne mobilne telekomunikacije omogu-cavaju ne samo mobilnost korisnika, ve c i veliki broj usluga i korišcenje raznih servisa. Mobilni sistemi ubrzavaju iz-gradnju telefonskog sistema u nerazvije-nim zemljama i dopunjavaju razvoj po-stoje ce fiksne telefonske mreže.

Za cetak digitalne mobilne telefonije na prostorima Srbije vezuje se za uvode-nje globalnog sistema za mobilne komu-nikacije - GSM (Global System for Mobile Communications). Digitalna javna mobilna telefonska mreža GSM 900 u Srbiji je puštena u rad 1996. godine. Usluge mobilnih telekomunikacija u svetu i Srbiji danas predstavljaju osnovne personalne telekomunikacione usluge [1].

Razvijenost globalne mobilne mreže ogleda se u cinjenici da postoji 296 GSM mreža u 114 zemalja u svetu sa oko 138 miliona korisnika. GSM trenutno zauzi-ma 49% svetskog tržišta, a u Nemackoj je najveci broj korisnika ovog sistema. „TIM“ (Italija) je najveca GSM mreža, sa oko 15 miliona korisnika. Pored GSM mobilnih sistema, neke evropske zemlje podigle su svoje sisteme na nivo trece generacije mobilne telefonije. I u Srbiji su sada omoguceni protoci podataka koji omogucavaju sigurnu vezu putem inter-neta, uz pomoc opšteg radio-servisa bazi-ranog na paketskoj komutaciji GPRS-a (General Packet Radio Service).

Karakteristike mobilnog

globalnog sistema (GSM)

Globalni sistem mobilne komunika-cije ima radio-kanal širine 200 kHz sa osam vremenskih slotova od 0,577 ms, ukupno 125 dupleksnih radio-kanala.

436

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

Frekvencijski opseg na kojem se ostvaruje veza u mobilnoj telefoniji je od 890 do 960 MHz, i to:

- uzlazne veze (uplink), mobilna ® bazna stanica, 890 do 915 MHz,

- silazne veze (downlink), bazna ® mobilna stanica, 935 do 960 MHz.

Velicina celija, odnosno prostor u kojem se omogucuje veza u okviru jedne bazne stanice, krece se od maksimalno 35 km do minimalno 1 km u pre cniku. Tipic-ne vrednosti su oko 10 km u ruralnoj sre-dini, odnosno 3 do 5 km u urbanoj sredini.

Sistem ima visoku opštu imunost na smetnje. Karakteriše ga brzo preuzimanje mobilne stanice koja se krece iz jedne u drugu celiju, odnosno prelazi na lokaciju druge bazne stanice (handover). Poseduje veliki broj razlicitih korisnickih radio-ser-visa i usluga: za prenos govora, za prenos podataka i dodatne informacione servise. Ima dobru frekventnu rasprostranjenost, što omogucava da dve celije mogu koristiti istu grupu frekvencija ukoliko izmedu njih postoji dovoljna udaljenost (frequncy recause). Omogucava prelazak mobilne stanice iz jedne nacionalne mobilne mreže u drugu nacionalnu mobilnu mrežu - roming (Roaming). To se, pre svega, odnosi na sve širu dostupnost mobilnih usluga uopšte - na velikom delu teritorije, u svako vreme i skoro u svim uslovima. Rasprostranjene su, pre svega, govorne interaktivne medu-korisnicke usluge, ali sve više i druge uslu-ge koje omogucavaju pristup internet sadr-žajima velikim brzinama.

Mobilna stanica (MS) jeste elemenat mobilnog sistema preko kojeg korisnik pri-stupa mreži. Sastoji se od mobilne opreme - aparata (Mobile Equipment) i SIM karti-ce (Subscriber Identity Module). Svaka MS ima svoj broj identifikacije [1]. Nova

generacija mobilnih uredaja i sistem 3G (treca generacija mobilne telefonije) omogucavaju bežic ni pristup internetu brzinama koje dozvoljavaju simultani prenos po-kretne slike, glasa i podataka.

Bazna stanica RBS (Radio Base Station) klju cni je elemenat globalnog mobilnog sistema. To je jedinstveni naziv za lokaciju na kojoj se nalaze primopredajni radio-uredaji i odgovaraju ca telekomuni-kaciona oprema, koja služi za poveziva-nje bazne stanice sa ostalim delovima javne mobilne telekomunikacione mreže. Njihov domet krece se od tridesetak kilo-metara u ruralnom do nekoliko kilometa-ra u gradskom podrucju.

Kontrolor baznih stanica, BSC (Base Station Control) zasebni je elemenat koji kontroliše više baznih stanica (RBS). On vrši administraciju celije i njenih radio-kanala tako što neprestano sakuplja podatke o statistici broja poziva i uspešnosti prebacivanja poziva u drugi radio-kanal RBS.

Komutacioni sistem (Switching System) omogucava prenos poziva, po-dataka, govora, paketski prenos, kontrolu saobracaja, analizu brojeva, tarifiranje, statistiku pozivanja i ukljucivanje u glo-balnu mrežu (internet). Pored mobilne i bazne stanice mobilni komutacioni siste-mi imaju sledece elemente:

- komutacioni centar mobilnih ser-visa, MSC (Mobile Switched Centre), koji obavlja celu komutaciju, signalizaci-ju i funkcije obrade za mobilne stanice;

- sistem za registrovanje i servisira-nje na odredenoj lokaciji, VLR (Visitor Location Register);

- centar koji obavlja funkcije sigur-nosti, AUC (Authentication Centre);

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

437

- centar za bazu podataka zadužen za proveru ispravnosti MS-a ( Equipment Identity Register);

- deo sistema za komutaciju podataka u okviru GSM-a, GIWU (GSM Interworking Unit).

U Srbiji je krajem 2005. godine oko 3,6 miliona ljudi koristilo usluge mobil-nih telekomunikacija, što znaci da je mo-bilna telefonija dostigla nivo od oko 46% korisnika (u odnosu na nominalan broj stanovnika od 7,5 miliona). S obzirom na to da je u razvijenim zemljama zapadne Evrope zastupljenost mobilne telefonije premašila brojku od 50% (Nemacka 71,6%, Austrija 84,0%, Italija 92,1%), a takode i u zemljama kao što su Hrvatska 54,2%, Ma darska 74,1%, Ceška 87,1%, Slovenija 87,2%, jasno je da na prostoru Srbije treba ocekivati povecanje broja korisnika mobilnih telekomunikacija [1].

Sem osnovnog servisa, u mobilnoj telefoniji Srbije postoje i drugi servisi: servis za mobilnu komutaciju putem po-ruka, SMS (Switched Messaging Service); virtualna privatna mreža, VPN (Virtual Private Network); servis multimedi-jalnih poruka, MMS (Multimedia Messaging Service); protokol bežic nih aplika-cija, WAP (Wireless Application Proto-kol); Internet; Roaming; Voice Mail. Po-stoje ci operatori mobilne telefonije isto-vremeno obezbeduju širokopojasni pri-stup internetu korišcenjem tehnologija za opšti radio-servis baziran na paketskoj komutaciji, GPRS (General Packet Radio Service) i poboljšani protok podataka za GSM evoluciju, EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) koji se u našoj zemlji vrlo sporo uvodi u korišcenje.

U celom svetu od skoro je pocelo sve-strano uvodenje 3G mobilnih sistema kao

naslednika EDGE tehnologije. On je poka-zao veliku komercijalnu upotrebljivost na osnovu široke palete servisa koje korisnici eksploatišu iskljucivo na osnovu višestru-kog pristupa kodnom raspodelom kanala, CDMA (Code Division Multiple Access).

Dve su osnovne varijante CDMA koje se danas koriste. To su višestruki pristup širokopojasnom kodnom raspodelom kanala, WCDMA (Wide Code Division Multiple Access) na bazi dupleks frekvencijske raspodele kanala (FDD Frequency Division Duplex) sa širinom kanala od 5 MHz i CDMA2000, na istoj bazi, sa kanalima širine 1,25 MHz. Da bi se povecao kapacitet downlinka 3G siste-ma, ugraden je dodatak u vidu pristupa paketima podataka downlinkom velike brzine (HSDPA-High Speed Downlink Data Packet Access) za WCDMA. Ka-snije poboljšanje pristupom paketima podataka uplinkom velike brzine (HSUPA - High-Speed Uplink Data Packet Access) povecava kvalitet uplinka. Iste pro-mene i poboljšanja ucinjena su za CDMA2000, gde novi standard EVDO (EVDO-EVolution Data Optimized) do-nosi znacajan napredak saobracaju. Novi sistem 3G takode koristi poboljšanje WCDMA vezano za MIMO (Multiple Input Multiple Output) sa HSDPA.

Mobilni sistem WiMAX

Mobilni WiMAX (World Interoperability for Microwawe Access) predstavlja prilicno dobro rešenje za mobilne i fiksne ucesnike na širokom prostoru i vezom putem radio-talasa i sa veoma fleksibilnom arhitekturom. Mobilni sistem WiMAX koristi višestruki pristup fTekvencijskoj ras-

438

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

podeli kanala pomocu ortogonalnih nosila-ca, OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), radi poboljšanja po-java koje karakteriše višestruko prostiranje talasa u uslovima bez postojanja opticke vidljivosti. Višestruki pristup skalabilnoj frekvencijskoj raspodeli kanala pomocu ortogonalnih nosilaca SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access) uveden je u standard IEEE 802.16e radi podešavanja širine kanala od 1,25 MHz do 20 MHz.

Standard IEEE 802.16e definiše sve ono što je potrebno da zadovolji mobilni WiMAX sistem kako bi bio funkcionalan na multinacionalnom nivou gde je potrebno usaglasiti i najsitnije detalje pri ostvarivanju ovakvog komercijalnog i svima dostupnog bežic nog sistema.

Da bi sistemski profil bio u potpu-nosti funkcionalan, mora biti sertifikovan i interoperabilan (standardizovan). Mobilni sistemski profili omogucavaju mo-bilnim sistemima da budu fleksibilni po pitanju infrastrukture koja bi se koristila i koja bi uklju civala raznovrsne tipove ter-minala i baznih medusobno interopera-bilnih stanica. Neki elementi profila ve-zani za bazne stanice bili bi opcioni da bi omogucili dodatnu fleksibilnost po pitanju zahteva, kao što su kapacitet, konfi-guracija ili prostorna pokrivenost.

Prvi set mobilnog WiMAX standarda definisace širine kanala od 5,7 MHz, 8,75 MHZ i 10 MHz na fTekvencijama od 2,3 GHz, 25 GHz i 3,5 GHz. Mobilni WiMAX sistemi nude rešenja vezana za teh-nologiju radio-pristupa i mrežne arhitektu-re, uvažavajuci fleksibilanost u organizaciji mreže i ponudi servisa. Neke od istaknutih mogucnosti mobilnog WiMAX-a su:

— veliki protoci: uvodenje tehnologi-je MIMO antenskih sistema sa fleksibil-nim upravljanjem spektralnim resursima koriste ci SOFDMA, kao i unapreden si-stem kodovanja koji omogucava najviši downlink (DL) protok od 63 Mb/s, a uplink (UL) protok od 28 Mb/s po sekto-ru za kanal od 10 MHz;

— kvalitet servisa (QoS): najbitnija stavka IEEE 802.16, kontrola pristupa medijumu, MAC (Media Access Control) arhitekture je QoS (Quality of Service). QoS definiše servisne protoke koji mapiraju diferencijalni servis (DiffServ — Differentiated Services) kodovne tacke ili MPLS (Multi Protocol Label Switching) labele koje omogucavaju IP (Internet Protokol) baziranu vezu s kraja na kraj. Još jedna pogodnost je potkanali-zacija i MAP (Media Access Protokol) bazirana šema signalizacije koja omogucava fleksibilan raspored prostornih, vre-menskih i frekvencijskih resursa na kraj-njim interfejsima na bazi sistema „ram po ram“;

— skalabilnost: uprkos velikom na-pretku globalne ekonomije, spektralni re-sursi širom sveta su i dalje ostali na istom nivou. Da bi se postigla harmoni-zacija korisnickih zahteva iskorišcavanja elektromagnetnog spektra na duži period, mobilni WiMAX koristi kanale od 1,25 MHz do 20 MHz. To omogucava bolje osmišljavanje strategije uvodenja ovog bežicnog sistema buducim provajderima, imaju ci u vidu geografski polo žaj i kon-tradiktorne zahteve u pogledu pristupa internetu iz ruralnih sredina, nasuprot velikom opterecenju u urbanim sredinama;

— bezbednost: mogucnosti zaštite koje sadrži mobilni WiMAX najbolje su

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

439

u klasi i sadrže EAP (Extensible Authentication Protocol) baziranu autentifikaci-ju, AES-CCM (Advanced Encryption Standard - Counter with Cipher-block chaining Message authentication code) baziranu autentifikovanu enkripciju i CMAC (block Cipher-based Message Authentication Code) i HMAC (keyed Hash Message Authentication Code) ba-zirane šeme zaštite kontrolnih poruka. Da bi se ove aplikacije mogle koristiti, potrebni su: pretplatnicki identifikacioni modul, SIM/USIM (Subscriber Identity Module/Username SIM) kartice, „pamet-ne“ kartice, digitalni sertifikati i userna-me/password nacin pristupa baziran na EAP (Ehtensible Authentication Protocol) metodama za autentifikovan pristup;

- mobilnost: mobilni WiMAX omo-gucava optimiziran handover (prelaz iz celije u celiju bez prekida veze) koji ne traje duže od 50 ms. Zahvaljujuci ova-kvom tipu handovera moguc je prenos glasa uz pomoc IP protokola, VoIP (Voice over IP) bez degradacije kvaliteta. Fleksibilna šema korišcenja klju ca omo-gucava zaštitu i tokom handovera [2].

Opis fizickog sloja

Osnove OFDM tehnike

multipleksiranja

OFDM je tehnika multipleksiranja ko-ja deli opseg od interesa na mnogo nosilaca (slika 1). Po OFDM tehnici, ulazni tok po-dataka podeljen je na nekoliko paralelnih tokova ciji je protok redukovan i svaki od njih se na poseban nacin moduliše i emituje po posebnom ortogonalnom nosiocu.

Povecanje trajanja simbola poveca-va otpornost OFDM na smetnje i kašnje-nje. Štaviše, uvodenje ciklicnog prefiksa, CP (Cyclic Prefix), u potpunosti može eliminisati pojavu intersimbolske interfe-rencije sve dok je njegovo trajanje duže od trajanja vremena izmedu pristizanja dva ista simbola usled višestruke propa-gacije (delay spread). Ciklicni prefiks je obicno ponovljen poslednji deo bloka po-dataka (slika 2) koji je pridružen slede-cem bloku podataka.

Ciklicni prefiks onemogucava inter-blok interferenciju, daje utisak da su kanali cirkularni i dozvoljava izjednacavanje u fre-kvencijskom domenu radi manje složenosti

440

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

Sl. 2 — Polo'aj ciklicnogprefiksa (CP)

upotrebe frekvencija od interesa. Osnovna mana CP-a je smanjenost spektralne efika-snosti usled dodatka informacije. Bez obzira na ovu manu, uticaj CP-a je slican roll-off faktoru B u sistemima sa kosinusnim filteri-ma i jednim nosiocem. Pošto OFDM ima oštar, skoro vertikalan spektar, ostatak slo-bodnog podrucja može se iskoristiti za pre-nos podataka koji se koriste radi poboljšanja efikasnosti ciklicnog prefiksa.

Da bi se prevazišlo višestruko pro-stiranje, kod OFDM tehnike koristi se interliving („ucešljavanje“) i kodiranje. Modulacija se realizuje pomocu inverzne Furijeove transformacije na osnovu veli-kog broja potkanala koje koristi (2048). Resursi se eksploatišu kroz vreme u po-

gledu OFDM simbola i kroz frekvenciju u pogledu podnosilaca. Oni se mogu po-deliti po podopsezima da bi mogli biti dodeljeni razlicitim korisnicima.

OFDMA je tehnika multipleksiranja (višestrukog pristupa) koja obezbeduje operaciju slaganja vise tokova podataka (streams) za više korisnika u istom tre-nutku za downlink i uplink.

Struktura OFDMA i

potkanalizacija

Struktura OFDMA sastoji se iz tri tipa podnosilaca, kao što je prikazano na slici 3:

- podnosioci koji nose informaciju;

- pilotski podnosioci za procenu sta-nja trase i sinhronizaciju;

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

441

- podnosioci „nule“ koji služe za razdvajanje grupa informacionih kanala.

Aktivni podnosioci (informacioni i pilotski) grupisani su u potkanale. Fizicki sloj WiMAX OFDMA podržava potka-nalizaciju i u uplinku i u downlinku [3].

Minimalna resursna jedinica potka-nalizacije je jedan slot koji se sastoji od 48 informacionih podnosilaca. Postoje dva nacina grupisanja podnosilaca u potkanale - diverziti i granicna metoda.

Diverziti metoda rasporeduje podnosi-oce po potkanalima pseudoslucajno. Na taj nacin stvaraju se frekvencijski diverziti i ujednacavanje intercelijske interferencije. Diverziti permutacija sastoji se od DL FUSC (Fully Used Sub-Carrier - u potpu-nosti iskorišcen podnosilac), DL PUSC (Partially Used Sub-Carrier - delimicno is-korišcen podnosilac) i UL PUSC, ali sadrži i dodatne permutacije. Kod DL PUSC za svaki par OFDM simbola, raspolo živi i ko-risni podnosioci grupisani su u klastere, koji sadrže 14 granicnih podnosilaca po simbo-lu. Imaju razlicit razmeštaj pilota i informacionih nosilaca u svakom od klastera odre-denih na osnovu parnih i neparnih simbola.

Da bi se formirale grupe klastera kori-ste se šeme gde je svaka od grupa sacinjena od klastera rasporedenih u okviru opsega podnosilaca. Potkanal u grupi sadrži dva klastera, sacinjena od 48 informacionih podnosilaca i 8 pilotskih podnosilaca. Informacioni podnosioci svake grupe dalje su permutovani tako da stvaraju potkanale u okviru grupe. Informacioni podnosioci u klasteru podeljeni su na vise potkanala.

Analogno strukturi downlink klastera, definisana je struktura za UL PUSC. Raspo-loživi opseg je raspodeljen na šest opsega izabranih iz citavog spektra na osnovu šeme rearanžiranja i permutacije koji cine slot.

Slot sadrži 48 informacionih podnosilaca i 24 pilota u 3 OFDM simbola [4].

Granicna permutacija grupiše podno-sioce u blokove i na taj nacin stvara potkanale. Granicna šema permutovanja takode ukljucuje DL i UL adaptivnu modulaciju i kodiranje, AMC (Adaptive Modulation and Coding) i ima istu strukturu. Blok se sastoji od 9 kontinualnih podnosilaca po simbolu (8 informacionih i 1 pilot). Slot kod AMC definisan je kao skup blokova istog tipa (NxM = 6) gde je N broj granicnih blokova, a M je broj granicnih simbola. Dozvoljene kombinacije su: 6 blokova i 1 simbol, 3 blo-ka i 2 simbola, 2 bloka i 3 simbola i 1 blok i 6 simbola. AMC dozvoljava diverziti ostva-ren zahvaljujuci velikom broju raspolo živih kanala (Multi-user Diversity) birajuci kanal sa najboljim trenutnim karakteristikama.

Mo že se zaklju citi da su se diverziti permutacije pokazale boljima u slucaju mobilnih aplikacija, dok je granicna metoda permutacije bolja za upotrebu kod fiksne i sporopokretljive opreme [2].

Projekat IEEE 802.16e-2005 MAN (Metropolitan Area Network) OFDMA baziran je na koncepciji skalabilne OFDMA (SOFDMA), koja podržava širok spektar frekvencija, fleksibilnost adresi-ranja ucesnika i potrebe za razlicitim fre-kventnim podrucjima u elektromagnet-nom spektru (EMS). Skalabilnost je po-stignuta podešavanjem veli cine brze Fu-rijeove transformacije, FFT (Fast Fourier Transform) razli citim opsezima kanala radi svodenja na isti frekventni razmak izmedu nosilaca od 10,94 kHz. Pošto su širina kanala nosioca i trajanje simbola isti, uticaj na vise nivoe ovako skaliranog opsega je manji. Parametri SOFDMA prikazani su u tabeli. Opsezi bitni za dva inicijalna profila su 5 i 10 MHz.

442

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

Parametri SOFDMA

Parametri Vrednosti

Kanalska širina (MHz) 1,25 5 10 20

Frekvencija semplovanja (Fn u MHz) 1,4 5,6 11,2 22,4

Velicina FFT-a 128 512 1024 2048

Broj potkanala 2 8 16 32

Razmak izmedu nosilaca 10,94 kHz

Vreme trajanja simbola sa informacijom 91,4 ms

Vreme razdvajanja 11,4 ms

Trajanje OFDMA simbola 102,9 ms

Broj OFDMA simbola (u freimu od 5 ms) 48

Struktura vremenskog multipleksa

Fizicki sloj 802.16e standarda podr-žava TDD (Time Division Duplex), pun ili poludupleks FDD (Frequency Division Duplex). U kategoriji mobilnog Wi-MAX-a uzima se TDD kao jedino reše-nje. Opciono ce FDD biti uveden za kori-

snike u cijim zemljama regulativama nije obuhvacen TDD ili je korišcenje FDD-a prihvatljivije. Jedna od najbitnijih pret-postavki korišcenja TDD-a je opšta sin-hronizacija sistema, ali, i pored takvih zahteva, TDD je pokazao preimucstvo nad FDD-om zbog sledecih osobina:

- TDD dozvoljava asimetricnost protoka uplink/downlink, dok FDD ima fiksni i u principu jednak protok po uplinku i downlinku;

- TDD obezbeduje reciprocnost ka-nala radi adaptiranja na trenutne uslove propagacije, što omogucuje MIMO i ostale tehnologije antenskih sistema;

- za razliku od FDD-a, kojem su po-trebna dva kanala, TDD-u je potreban je-dan kanal za downlink i uplink, što izu-zetno olakšava adaptaciju na zahteve is-korišcenosti EMS-a;

- primopredajnici koji podržavaju TDD umnogome su jednostavnije kon-strukcije od onih koji koriste FDD.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

443

Slika 4 ilustruje strukturu TDD rama. Svaki ram je podeljen na DL i UL podra-move razdvojene razmacima predaja/prijem i prijem/predaja koji sprecavaju medusobnu koliziju. Kontrolne informacije su deo rama koji obezbeduje optimalne uslove za opšte izvršavanje operacija. Cine ih:

- preambula, koja predstavlja prvi OFDM simbol rama i omogucava sinhro-nizaciju;

- zaglavlje za kontrolu rama (Frame Control Header - FCH), koje prati pream-bulu i nosi informaciju o dužini u proto-kolu za pristup medjumu, MAP (Media Access Protocol) poruke, šemi kodiranja i mogucnostima korišcenja nosilaca;

- DL-MAP i UL-MAP koji sadrže informaciju o dodeli nosilaca i drugim kontrolnim informacijama u DL i UL podramu, respektivno;

- UL ranging kanal koji je dodeljen mobilnoj stanici radi provere frekvencije, napajanja i potreba za opsegom;

- UL CQICH (Channel Quality Identification Control Header) kanal koji se do-deljuje mobilnoj stanici radi povratne informacije baznoj stanici o stanju kanala;

- UL ACK (Acknowledge), koji slu ži mobilnoj stanici za potvrdu primlje-ne informacije.

Ostale opcije i mogucnosti fzickog

sloja

Adaptivna modulacija i kodiranje, AMC (Adaptive Modulation and Coding), hibridni automatski zahtev za po-tvrdom prijema, HARQ (Hybrid Automatics Request) i brz izveštaj o stanju kanala (CQICH) neke su od mogucnosti mobilnog WiMAX-a, posebno važne za mobilne aplikacije.

HARQ je osmišljen tako da koristi „Stop and Wait“ (zastani i pricekaj) pro-tokol koji omogucava brzo ispravljanje paketskih grešaka i održavanje veze na ivici celije.

Saobracaj DL može koristiti kvadra-turnu modulaciju sa faznim pomakom, QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), kvadraturnu amplitudnu modulaciju 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) i 64QAM, dok je kod UL-a 64QAM opciona vrsta modulacije.

Konvolucioni kod (CC) i konvolu-cioni turbo kod (CTC) sa svojim mogucnostima promenljive kodne brzine takode su uklju ceni u mobilni WiMAX. Na osnovu plana bazne stanice (scheduler) za svakog korisnika posebno se sacinjava profil paketskog prenosa na osnovu velicine buffer memorije, uslo-va propagacije, vrste prijemnika, itd. Indikator kvaliteta kanala, CQI (Channel Quality Identification) koristi se radi planiranja ostvarivanja konekcije sa svakim korisnikom pojedinacno na osnovu informacije dobijene o stanju korisnickog kanala. Mogucnost progra-miranja retransmisije medu baznim sta-nicama omogucava da se plan raspode-le resursa na baznoj stanici rastereti. AMC podržava adaptaciju kanala i pri brzinama od 120 km/h, što predstavlja dodatnu opciju.

Opis sloja za kontrolu pristupa

medijumu MAC (Media Access

Control)

Standard 802.16 razvijen je kao po-lazna osnova za omogucavanje širokopo-jasnih servisa, kao što su prenos glasa, podataka i pokretne slike. Sloj MAC ba-

444

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

ziran je na specifikaciji usluga prenosa podataka preko kabla, DOCSIS (Data-over-Cable Service Interface Specifications) standardu i dozvoljava paketski pre-nos podataka sa veoma velikim proto-kom. Istovremeno je omogucen prenos pokretne slike i govora osetljivog na ka-šnjenje po istom kanalu.

Resursi koje MAC plan raspodele do-deli terminalu mogu varirati od jednog vre-menskog slota do citavog frejma, omoguca-vajuci korisnicima veoma velik i dinamican opseg protoka, u zavisnosti od potreba ter-minala u odredenom trenutku. S obzirom na to da se informacija o zahtevanim resursima nalazi na pocetku svakog frejma (rama), plan raspodele može uspešno promeniti do-delu resursa na „frame-by-frame“ (frejm po frejm) bazi, da bi adaptirao saobracaj kako ne bi došlo do zagušenja.

Kvalitet servisa (QoS)

Pošto kanali mobilnog WiMAX-a imaju velike brzine protoka, simetri can downlink/uplink kapacitet i fleksibilan mehanizam dodele resursa korisnicima, sa sigurnošcu se može tvrditi da se QoS

uslovi mogu ispuniti u širokoj oblasti servisa i aplikacija.

Kod mobilnog WiMAX-a QoS je iz -veden kroz sam tok servisa. To je neupucen tok paketa podržanih pojedinim QoS para-metrima. Pre odlucivanja za konkretan tip servisa, bazna stanica i korisnicki terminal, uz pomoc svojih MAC slojeva, ostvaruju neupucen logicki link - konekciju. Zatim se, uz pomoc bazne stanice, uspostavlja pa-ketski prenos u vidu toka servisa koji biva dostavljen korisniku preko konekcije. Para-metri QoS, vezani za tok podataka, definišu pravila transmisije i plana raspodele inter-fejsa za radio-vezu. Usmereni na konekciju oni upravljaju ovim interfejsom. Pošto radio-interfejs po svojim opštim karakteristi-kama predstavlja usko grlo, QoS parametri konekcije uspešno omogucavaju kontrolu kvaliteta veze s kraja na kraj. Parametri toka servisa se u toku veze uspešno mogu adapti-rati na dinamicne promene zahvaljujuci MAC porukama. QoS baziran na toku servisa kontroliše kvalitet uplink-a i downlink--a respektivno.

Da bi se uspešno uporedile tri tehno-logije kao što su mobilni WiMAX, GSM povecanog kapaciteta sa novim standardi-

Spektralna efikasnost (bps/Hz)

2.5

btob ieWMto HSPfl SnEVDO-PovB

Protok po jednom sektoru (Mb/s) 1Б

Mrftilo rtiMrtH Н5РЛ toEVDORi^B

Sl. 5 — Poredenje spektralne efikasnosti i protoka po jednom sektoru HSPA, EVDO-Rev B i mobilnog

WiMAX-a pod istim uslovima saobra caja

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

445

ma i GSM sa pristupom paketima velike brzine HSPA, izvršeno je poredenje pro-pusne moci i spektralne efikasnosti na osnovu uobicajenog seta parametara.

Slika 5 pokazuje da mobilni WiMAX ima odredene prednosti nad 3G mobilnim sistemima u pogledu spektralne efikasnosti i propusne moci, kako u DL-u, tako i u UL-u [2]. Spektralna efikasnost za jedan telefonski kanal opsega 3 kHz kod WiMAX iznosi 5,7 kb/s (3000 Hz x 1,9 bps/Hz), dok kod 3 x EVDO-Rev B iznosi 2,7 kb/s (3000 Hz x 0,9 kps/Hz).

Zaklju cak

Za razliku od 3G sistema baziranih na CDMA, koji su namenjeni iskljucivo za prenos govora, mobilni WiMAX omo-gucava prenos široke palete ostalih širo-kopojasnih servisa, kao što su podaci, po-kretna slika i dr. Visoki protoci omoguca-vaju bolje multipleksiranje i manje ka-šnjenje, što je neophodno radi kvalitetnog prenosa govora (VoIP). Ovakvim karakte-ristikama mobilni WiMAX pruža isti kva-litet usluga kao i kablovski ili DSL (Digital Subscriber line) pristup, tako da omo-gucava servis, kao što je real-time interak-tivno delovanje, što je vrlo bitno sa aspek-ta komandovanja u kriznim situacijama.

Fizicki sloj mobilnog WiMAX sistema baziran je na OFDMA tehnologiji. Ovakav nacin ostvarivanja modulacije i multipleksiranja, pored male slo ženosti, omogucava i:

- otpornost na višestruko prostiranje i interferenciju;

- skalabilan opseg kanala;

- ortogonalan višestruki pristup u uplinku;

- podržavanje spektralno vrlo efika-snog TDD;

- plansko rasporedivanje frekvenci-ja u upotrebi;

- dobar kvalitet servisa (QoS);

- naprednu tehnologiju izrade an-tenskih sistema.

Da bi sistem veza mogao da funkcio-niše u vanrednim prilikama i u ratu, moraju im se obezbediti neophodni i realni uslovi u okruženju i unutar sistema. Osnovni uslov je pravilno odreden i definisan cilj koji se želi postici funkcionisanjem tog sistema. Složeni sistemi, kakav je sistem veza, imaju kompleksne ciljeve. Sistem mora imati punu potvrdu okruženja o neophod-nosti postojanja i uspešnog funkcionisanja. U protivnom, ne bi opstao.

Bitan uslov je da sistem veza svojom organizacijom i funkcionisanjem zadovolji princip prilagodljivosti sa drugim sistemima koji izvršavaju slicne funkcije. Kompa-tibilnost sistema obezbeduje njihovo me-dusobno povezivanje, otklanjanje pojedi-nacnih propusta i dopunjavanje funkcja.

Na osnovu dosadašnje analize dva vrlo slicna sistema dolazi se do zaklju cka da je neophodno da se Srbija, kao zemlja u tranziciji, opredeli za najkvalitetniji i najjeftiniji nacin modernizacije svog sistema veza. U pogledu samih karakteristika, mobilni sistem 3G, koji je hipoteticki kod nas vec zaživeo, pruža veoma kvalitetne servise koji bi se mogli uspešno eksploati-sati kako u redovnim, tako i u vanrednim situacijama. Nasuprot nedovršene celo-kupne infrastrukture ovog sistema u ze-mlji, kao rešenje namece se uvodenje mobilnog sistema WiMAX koji bi rešio problem dostizanja potrebnog nivoa bežic nog ostvarivanja vrlo sigurnih veza, na širo-kim prostranstvima, gde nije potrebna ka-

446

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

blovska infrastruktura. Sagledavši sve aspekte samih karakteristika oba sistema, može se zakljuciti da WiMAX pruža bolje mogucnosti. Zato bi bilo potrebno da mo-bilni WiMAX, kao zajednicko rešenje za mobilne i fiksne ucesnike, na širokom prostoru putem radio-talasa i sa veoma fleksibilnom arhitekturom, pruži potreban znacaj sistemu veza.

Literatura:

[1] Lazarevic, M.: Organizacija sistema veza u dr žavnoj zajed-nici Sibija i Cma Gora, Vojna akademija, Beograd, 2006.

[2] Mobile WiMAX - Part I: A Technical Overview and Per-

formance Evaluation, WiMAX Fcrum, 2006.

[3] Yagoobi, H.: Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 Wireless MAN, Intel Technology Journal, Vol 08, 2004.

[4] Stojanovic, M.; Lazovic, S.: Implementacija kvaliteta servi-sa u multiservisnim IP mrežama, Zbornik radova PosTel 2004, Beograd, 2004.

[5] WiMAX Forum,

Applications_for_802.16-2004_and_802.16e_WiMAX _netwcrks_final, 2005. www.ww.axforum.org

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2006.

447