Принципи побудови мережі безпроводового доступу

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ МЕРЕЖІ БЕЗПРОВОДОВОГО ДОСТУПУ

Стандарт IEEE 802.16m називається «Покращений безпровідний інтерфейс» (Advanced Air Interface), з чого випливає, що зміни в основному торкаються лише фізичного рівня, при повному дотриманні зворотної сумісності з IEEE 802.16е. Оскільки мета розробників створити стандарт системи зв'язку 4G, одна з основних вимог - повна сумісність з іншими технологіями IMT-Advanced і IMT-2000. Більше того, цей стандарт з самого початку розробляється з урахуванням особливостей архітектури мереж і профілів WiMAX. Він призначений для роботи в діапазонах частот менше 6 ГГц, в тому числі в діапазонах, призначених для широкосмугових мобільних і фіксованих мереж. Обладнання, відповідне IEEE 802.16m володіє пікової пропускною спроможністю на сектор понад 150 Мбіт/ с в низхідному каналі у смузі 20 МГц. Пікова нормалізована пропускна спроможність складає не менше 8,0 і 2,8 біт / с / Гц у низхідному і висхідному каналах, відповідно [8].

Мережа WiMAX являє собою сукупність безпроводового і базового (опорного) сегментів. Перший описується в стандарті IEEE 802.16, другий же визначається специфікаціями WiMAX-форуму. Базовий сегмент - це все, що не відноситься до радіомережі, тобто зв'язок базових станцій один з одним, зв'язок з локальними та глобальними мережами (у тому числі з Інтернетом) і т.і. Базовий сегмент грунтується на IP-протоколах (IETF RFC) і стандартах Ethernet (IEEE 802.3-2005). Однак власне архітектура мережі, включаючи механізми аутентифікації, кріптозахисту, роумінгу, хендоверу і т. і. (в частині, що не відноситься до безпроводової мережі), описується в документах WiMAX-форуму Network Architecture.

Специфікації мережі WiMAX грунтуються на технології пакетної комутації, протоколах IP і Ethernet, доповнюючи їх у міру необхідності. Архітектура WiMAX-мережі повинна забезпечувати незалежність архітектури мережі доступу, включаючи незалежність радіомережі, від функцій і структури транспортної IP-мережі. Мережа WiMAX повинна легко масштабуватися, бути гнучкою, грунтуватися на принципах декомпозиції (тобто будуватися на основі стандартних логічних модулів, що об'єднуються через стандартні інтерфейси). Масштабованість і гнучкість можлива за такими експлуатаційних параметрів, як щільність абонентів, географічна протяжність зони покриття (районна, міська або приміська мережі), частотні діапазони, топологія мережі (ієрархічна, плоска, mesh і т.п.), мобільність абонентів (фіксовані, мобільні, номадичні) [7].

1.1 Частотно-територіальне планування

У порівнянні з системами стільникового зв'язку другого покоління і фіксованого бездротового доступу (ФБД) розрахунок мінімального частотного ресурсу для мереж мобільного бездротового доступу (МБД) є набагато більш складним завданням. Якщо для мереж стільникового зв'язку другого і перших релізів мереж третього покоління розрахунок необхідного частотного ресурсу спирається на голосовий трафік, то у мережах МБД планується надавати послуги пакетної передачі даних, які залежно від характеру варірюються за вимогами до смуги пропускання, затримки і рівня обслуговування. З цієї причини використання методу теорії масового обслуговування, що базується на формулі Ерланга, який довгий час застосовувався при плануванні мереж і виділення частотного ресурсу, не дає можливості провести навіть приблизну оцінку. Не є виходом з цієї ситуації і застосування більш складних методів теорії масового обслуговування на основі складних моделей для комутованого та пакетного трафіку.

Так як завдання визначення мінімального частотного ресурсу для МБД є нетривіальним завданням, що не має єдиного рішення, то визначення мінімального частотного ресурсу можливе такими методами:

* метод на основі оцінки технічних особливостей побудови мереж МБД та їх частотно-територіального планування;

* метод на основі оцінки економічної ефективності побудови мереж МБД. мережа безпровідний радіохвиля місто

Розглянемо визначення мінімально необхідного радіочастотного ресурсу для створення та розвитку мереж мобільного безпроводового доступу на основі оцінки технічних особливостей побудови мереж МБД та їх частотно-територіального планування.

У даному розділі більш детально розглядається вплив доступного радіочастотного ресурсу на структуру побудови мережі МБД. У першу чергу, використання частотного ресурсу не є безперервним. Можливість використовувати спектр дискретна і залежить від ширини каналу, яка в свою чергу визначається специфікацією обладнання. В основу подальшого аналізу покладені специфікації обладнання Mobile WiMAX, що мають типові значення параметрів ширини каналу для обладнання МБД. Так, для Mobile WiMAX визначені профілі обладнання, які приведені в табл. 1.1 [6].

Таблиця 1.1- Профілі для сертифікації обладнання Mobile WiMAX

Смуга, МГц	Ширина каналу, МГц	Тип дуплексу
2300-2400	5	TDD
	10	TDD
	8,75	TDD
2305-2320, 2345--2360	3,5	TDD
	5	TDD
	10	TDD
2496-2690	5	TDD
	10	TDD

Як видно з таблиці, мінімальною одиницею спектру для систем МБД є 5 МГц, і будь-яке виділення частотного ресурсу повинне бути кратним цьому значенню. Однак для виділення спектру рекомендується використовувати максимальну ширину каналу в якості одиниці виділення. У першу чергу це пов'язано з економічною ефективністю, так як вартість обладнання для 5 МГц і 10 МГц є однаковою, і тому надання пропускної здатності за допомогою каналів 5 МГц зажадає дворазового збільшення капітальних вкладень в мережу. Надання оператору радіочастотного спектру, кратного максимальної смузі частот, дає операторові максимальну гнучкість у розгортанні мережі і мінімізує витрати, тим самим підвищуючи конкурентоспроможність і затребуваність послуг МБД. Далі всі викладки наводяться для ширини 10 МГц, але можуть бути легко нормовані до каналів 5 і 7 МГц. Аналогічно, в майбутньому, при появі обладнання МБД з шириною каналу 20 МГц і при вивільненні достатнього частотного ресурсу, можна використати 20 МГц в якості мінімального блоку частот.

Побудова мережі МБД може проводитися різними способами, які вимагають різну кількість каналів для реалізації. У першу чергу кількість каналів, необхідних для побудови мережі МБД, визначається розмірністю кластера. Для частотно-територіального планування мереж МБД використовуються кластери 1, 2 або 3, у рідкісних випадках 4. Оскільки системи МБД будуються з використанням секторних антен, то конфігурація мережі в залежності від типу кластеру записується в такому форматі: BxSxF, де B -- кількість БС в кластері з різними наборами частот, S - кількість секторів на БС, F - кількість частот на одній БС.

Незважаючи на те що існуюче обладнання дозволяє будувати мережі МБД з використанням тільки однієї частоти, конфігурації 1х4х2 і 1х3х3 мають широке поширення. В першу чергу це пояснюється необхідністю планування мережі на довгострокову перспективу, тобто необхідно передбачати можливість нарощування пропускної здатності із зростанням абонентської бази і зростанням попиту на послуги передачі даних. Так, у табл. 1.2 [6] наведено порівняння пропускної спроможності на сектор для різних конфігурацій трисекторної базової станції (БС) для каналу шириною 10 МГц.

Таблиця 1.2 - Пропускна спроможність на сектор

Конфігурація мережі	Пропускна спроможність на сектор, Мбіт/с
1Ч3Ч1, відстань між БС 500м	10,65
1Ч3Ч3, відстань між БС 500м	24,33
1Ч3Ч1, відстань між БС 1000м	10,57
1Ч3Ч3, відстань між БС 1000м	23,52

Таким чином, на першому етапі, коли попит на послуги невисокий, оператору вигідно, використовуючи всі три передавача, надавати пропускну здатність близько 70 Мбіт / с. Згодом, зі зростанням абонентської бази вимоги до пропускної здатності зростуть, і дохід від нових абонентів можна буде використовувати на розширення мережі. Для мінімізації перепланування і побудови нових БС найкращим способом є безпосереднє нарощування частот у кожному секторі, тобто пропонується розмістити по три приймально передавальних комплекти в кожному секторі БС, що дозволить збільшити пропускну здатність до 90 Мбіт / с. Даний перехід проілюстровано на рис. 1.1 [4].

Рисунок 1.1- Перехід від початкової мережі до розгорнутої

При подальшому зростанні трафіку в мережах МБД можливий перехід до багаторівневої схеми побудови мережі рухомого зв'язку, що застосо-вується в стільникових мережах третього покоління. У такій мережі розрізняють три рівні щільності розміщення БС: макро, мікро та піко. Макрорівень зазвичай будується з БС з радіусом обслуговування до декількох кілометрів і в основному призначений для обслуговування абонентів, що рухаються в автомобілі, і частини пішоходів на вулиці. Такі абоненти не можуть бути обслужені БС з меншими зонами обслуговування, так як втрати пропускної здатності і затримки через частотний хендовер призводять до погіршення якості зв'язку. Також макрорівень використовується для покриття малонаселених районів. Мікрорівень складається з БС з радіусом обслуговування зазвичай до кілометра і застосовується для обслуговування пішоходів в районах з середньою щільністю абонентів всередині і поза приміщеннями. Як правило, мікро і макрорівні забезпечують суцільне покриття міст. Пікорівень будується з БС з радіусом обслуговування до декількох сотень метрів і призначений для обслуговування пішоходів і стаціонарних абонентів у місцях скупчення людей: в магазинах, на площах, в транспортних вузлах і т.д. Побудову багаторівневої мережі схематично показано на рис. 1.2 [3], при цьому кожен рівень може будуватися із застосуванням секторних або всеспрямованих антен.

Рисунок 1.2 - Побудова багаторівневої мережі МБД за аналогією із стільниковими мережами

З урахуванням даних, отриманих шляхом моделювання діючої мережі, далі наводиться порівняння спектральної ефективності мереж, побудованих з використанням різних антенних систем. Застосовується чотири конфігурації БС:

* SIMO (1x2), коли передача з БС здійснюється з використанням двох антен. У даній конфігурації просторове рознесення на передачу застосовується тільки для підвищення завадостійкості.

* MIMO (2x2), коли прийом та передача використовують по дві антени. У даній конфігурації крім підвищення завадостійкості можна домогтися підвищення максимальної пропускної здатності за рахунок просторово-часового мультиплексування.

*адаптивне формування ДН. Дана технологія дозволяє використовувати просторове розділення між абонентами, які працюють на одній і тій же частоті, тим самим безпосередньо підвищуючи спектральну ефективність. Крім цього, адаптивні антени, як правило, дозволяють створювати соти з більшим радіусом за рахунок більшого досягається коефіцієнта посилення антенної системи.

* MIMO і адаптивне формування ДН. Дана технологія використовує одночасно всі переваги антенних систем, не тільки застосовуючи просторово-часове мультиплексування за рахунок багатопроменевого розсіювання, але і доповнюючи виграш в пропускній здатності можливістю перерозподіляти випромінювану енергію в адаптивній ДН.

Порівняльна характеристика пропускної спроможності на сектор для різних антенних систем і двох співвідношень висхідного і низхідного трафіку в мережі в діапазоні 2500 МГц з конфігурацією 1х3х1 і шириною каналу 10 МГц показана на рис. 1.3 [1].



Рисунок 1.3 - Пропускна здатність для різних типів обладнання

Кожен рівень такої мережі може будуватися з одиничним перевико-ристання частоти, проте через істотну різницю в потужності між БС різних рівнів неможливо розгорнути на одній території різні рівні з використанням одного частотного каналу. Це призводить до того, що стільники нижнього рівня відчувають неприпустимі завади від БС більш високого рівня. З цієї причини для побудови багаторівневої мережі рухомого зв'язку потрібно не менше трьох частотних каналів. Таким чином, для забезпечення гнучкості при плануванні мереж МБД потрібно близько трьох-чотирьох каналів, що дозволяє поступово нарощувати кількість обладнання та пропускну здатність мережі, а також будувати мережі з багаторівневою ієрархією. У результаті цього при використанні обладнання з шириною каналу 10 МГц потрібно близько 30-40 МГц.

Крім цього дуже важливо відзначити, що спектр, котрий виділяється одному оператору, повинен іти одним безперервним блоком. У першу чергу це пояснюється конструкцією сучасних БС. Як правило, багатосекторні макро-БС МБД спочатку передбачають модульну конструкцію. При цьому передбачається функціонування всіх каналів БС у вузькому діапазоні, що дозволяє створювати високоякісні фільтри, щоб забезпечити значне приду-шення перешкод у сусідніх каналах і ефективне використання спектра за рахунок виключення захисних смуг, а також дублювати частину високочастотних ланцюгів для різних каналів. При не суцільному виділенні спектру така можливість відсутня, що вимагає покупки більшої кількості обладнання, додаткових зусиль з інтеграції кількох комплектів БС та збільшує витрати на розміщення та експлуатацію БС. Все це може призвести до багаторазового збільшення вартості побудови мережі МБД. Також не суцільне виділення підвищує ймовірність появи завад від мереж різних операторів в сусідніх смугах і вимагає організації додаткових захисних смуг.

1.2 Топологія мережі

Mesh-мережа - це вид топології мережі IEEE 802.16 у режимі OFDM, і її фізичний рівень - це OFDM [8]. Основна відмінність Mesh-мережі від інших - в тому, що якщо в останньому випадку АС може спілкуватися тільки з БС, то в Mesh-мережі можлива взаємодія безпосередньо між АС. Оскільки мережі стандарту IEEE 802.16 орієнтовані на роботу з широкими частотними каналами, Mesh-мережі ввійшли в стандарт зовсім не з метою створення однорангових локальних мереж - для цього є стандарти групи IEEE 802.11. Причина в іншому - необхідний інструмент побудови широкосмугової мережі, в якій трафік може передаватися по ланцюжку з декількох станцій, ліквідуючи тим самим проблеми передачі при відсутності прямої видимості. Відповідно і всі механізми управління, в принципі дозволяють побудувати децентралізовану розподілену мережу, орієнтовані всі ж на деревоподібну архітектуру, з виділеної базовою станцією (кореневий вузол) та домінуючими потоками БС - АС.

У Mesh-мережі всі станції (вузли) формально рівноправні. Однак практично завжди обмін трафіку Mesh-мережі з зовнішнім оточенням відбувається через один певний вузол (див. рис. 1.4 [4]). Такий вузол називають базовою станцією Mesh-мережі, саме на нього покладається частина необхідних для управління Mesh-мережею функцій. При цьому управління доступом може відбуватися або на основі механізму розподіленого управління, або централізованим способом, під управлінням БС. Можлива й комбінація цих методів.

Базове поняття в Mesh-мережі - сусіди. Під сусідами певного вузла розуміють всі вузли, які можуть встановлювати з ним безпосереднє з'єднання. Всі вони утворюють сусідське оточення. Вузли, пов'язані із заданим вузлом через сусідські вузли, називають сусідами другого порядку. Можуть бути сусіди третього порядку і т.д.

У Mesh-мережі немає поняття висхідних / низхідних каналів. Весь обмін відбувається за допомогою кадрів. Станції передають повідомлення або у відведені їм часові інтервали (у відповідності з попереднім значенням каналів), або отримують доступ до каналів довільним (випадковим) чином. Кожен вузол має унікальну 48-розрядну MAC-адресу. Крім того, для ідентифікації всередині Mesh-мережі станцій присвоюється 16-розрядний мережевий ідентифікатор. Кожен вузол постійно зберігає список даних про всіх своїх сусідів (із зазначенням віддаленості, сектору для спрямованої антени, приблизною необхідної потужності передавача для зв'язку, затримки поширення сигналу і т.д.) і транслює його в мережу із заданою періодичністю. На підставі цих списків від кожного з вузлів відбувається управління мережею.

Кадр Mesh-мережі ділиться на керуючий субкадр і субкадр даних (рис. 1.5 [5]). Довжина керуючого субкадра - змінна величина, що задається БС.

Рисунок 1.4 - Приклад Mesh-мережі

Керуючий субкадр представляє собою набір пакетів МАС-рівня з тією відмінністю, що відразу після спільного заголовка МАС-пакету слідує підзаголовок Mesh-мережі. Керуючий субкадр, в залежності від функцій, що реалізовуються, може бути двох типів - управління мережею (network control) і управління черговістю доступу до каналів зв'язку (schedule control). У субкадрах завжди використовується модуляція QPSK зі швидкістю кодування 1/2.

Субкадри управління містять інтервали для підключення до мережі нових пристроїв (network entry - «мережевий вхід») і наступні за ними повідомлення «конфігурація мережі». Повідомлення типу «конфігурація мережі» містять всю необхідну інформацію про склад мережі. Вони ж реалізують процедури управління. Ці повідомлення генерує кожен вузол і транслює мережею через своє сусідське оточення. Серед інформації яка передається є - списки сусідів кожного вузла, ідентифікаційний номер БС і число її сусідів, номер логічного каналу для передачі графіка доступу до каналів, віддаленість вузла (ранг сусідства) від БС і т.д.

Рисунок 1.5 - Структура кадра Mesh-мережі

За допомогою таких повідомлень із заданою періодичністю транслюється дескриптор мережі - таблиця, що повністю описує поточні параметри мережі. Серед них - тривалість кадрів, довжина керуючого субкадра, число інтервалів для повідомлень децентралізованого розподілу ресурсів, періодичність проходження субпакетов розподілу ресурсів, профілі пакетів, тип кодування, відповідність логічних каналів фізичним і т.п. Дескриптор мережі передається від БС її сусідському оточенню, від нього версій сайту з наступним рангом сусідства і т.д. Періодичність передачі дескриптора мережі нормована.

«Мережевий вхід» - це інтервал, протягом якого новий вузол може послати повідомлення (NENT) про свій намір підключитися до мережі [8]. Перед цим він приймає повідомлення про конфігурацію мережі, вибрати вузол для підключення, синхронізуватися з ним і лише потім відправляти запит. У відповідь вузол або відмовить в доступі, або призначить новому вузлу мережевий ідентифікатор, канал і часовий інтервал для проведення процедур аутентифікації. Розподіл канальних ресурсів в Mesh-мережі може бути централізованим і децентралізованим (розподіленим). У свою чергу децентралізований розподіл буває координованим з БС і не координованим.

Децентралізований розподіл ресурсів передбачає, що розподіл відбувається в межах однієї групи сусідів (тобто між станціями, здатними безпосередньо зв'язуватися один з одним). При координованому децентралізованому розподілі вузли обмінюються між собою спеціальними повідомленнями управління розподілом (DSCH (distributed scheduling)). Координованість полягає в тому, що період видачі таких повідомлень кожною станцією визначений і відомий її сусідам. Координовані DSCH-повідомлення надсилаються субкадрах управління черговістю доступу в обумовлених в мережевому дескрипторі інтервалах. Некоординовані DSCH-повідомлення надсилаються у субкадрі даних.

DSCH-повідомлення - це запити на отримання канального ресурсу і відповідні повідомлення з наданням (підтвердженням) вільного ресурсу (часового інтервалу в субкадрі даних). Ресурс надається сусідом під конкретне з'єднання.

Централізований розподіл ресурсів передбачає деревоподібну топологію мережі з БС у вершині. Воно реалізовано за допомогою двох типів повідомлень - централізованого конфігурування CSCF та централізованого планування CSCH. Ці керуючі повідомлення розміщуються на початку субкадра управління графіком доступу. Використовуючи повідомлення централізованого планування CSCH, кожен вузол визначає потребу в трафіку своїх дочірніх вузлів (тобто трафік від (до) БВ проходить через даний вузол) і повідомляє свою потребу вищестоящому вузлу - аж до БС. Проаналізувавши потребу, БС розсилає повідомлення CSCH, інформуючи кожен вузол про виділену йому смугу пропусканя (в біт / с) у висхідному і низхідному напрямках. Виходячи з цих даних, кожен вузол вже сам запитує (або призначає) розташування пакетів у субкадрі даних у (для) своїх сусідських вузлів за допомогою повідомлень децентралізованого планування DSCH. Повідомлення централізованого конфігурування CSCF формуються БС і транслюються мережею для інформування всіх її вузлів про поточний стан. CSCF включає таку інформацію,

як число доступних логічних каналів та їх перелік, перелік вузлів у мережі з зазначенням числа дочірніх вузлів для кожного з них, а також профілі висхідних / низхідних пакетів для кожного дочірнього вузла.

1.3 Аналіз категорій абонентських груп

Швидкість впровадження та проникнення послуг МБД безпосередньо залежать від успішної діяльності операторів. Тому цікаво проаналізувати залежність розвитку бізнесу операторів від обсягів виділенного частотного ресурсу, який визначає як початкові капітальні витрати (CAPEX), так і експлуатаційні витрати на утримання мережі і оренду місць установки устаткування (OPEX). У дослідженні розглядається типове місто з населенням 1,75 млн. і прилегла до нього територія. Характеристики аналізованого району наведено в табл. 1.3 [1].

Таблиця 1.3 - Розподіл населення в данному регіоні

Райони	Площа	Населення	Густина населення
Міський центр	100кмІ	800000	8000 чол./кмІ
Решта міста	200кмІ	500000	2500 чол./кмІ
Передмістя	500кмІ	400000	800 чол./кмІ
Околиці	700кмІ	50000	71 чол./кмІ
Вся міська територія	1500кмІ	1750000	1166 чол./кмІ

В дослідженні розглядається ситуація вже розвиненої мережі, де рівень проникнення складає від 10 -12% залежно від типу території (10,4% у середньому по всьому району). В якості потенційних абонентів розглядається вікова група від 15 до 75 років, яка, як правило, становить 75% від усього населення. Крім зазначених щільностей в різних районах, також враховується міграція населення у діловий центр з передмість та околиць і назад протягом дня. За основу взято дані щоденного спостереження за транспортом в місті Індіанаполіс, США. Всі абоненти розділені на три категорії, що розрізняються переліком затребуваних послуг і активністю. Розглядаються такі групи абонентів:

* Професіонали - користувачі, що використовують послуги мереж МБД у своїй роботі, а також і для особистих цілей. Основними використовуваними додатками для таких абонентів будуть вважатися скачування файлів, відеоконференції і електронна пошта. Незважаючи на те що дані користувачі велику частину часу будуть працювати стаціонарно, їм потрібна мобільність при виїзді на наради, до клієнтів або на об'єкти будівництва і т. д.

* Високоактивні приватні користувачі. Дана група використовує доступ через МБД в основному у власних цілях. Основними додатками являють перегляд web-сторінок, online-ігри, скачування музики і відео;

* Звичайні користувачі - користувачі, що використовують доступ в Інтернет по мірі необхідності, в основному для перегляду web-сторінок. Припускається, що дані абоненти використовують мережі МБД не більше кількох годин на день. Послідовність розрахунку необхідної щільності трафіку, яка використовується в даному аналізі, наведена в табл.1.4 [1].

Таблиця 1.4 - Параметри розрахунку щільності трафіка

Крок	Описання	Коментарі і пропозиції
1	Густина населення	1,75 млн на території 1500 кмІ
2	Приріст населення	1-2% в залежності від території
3	Потенційні абоненти	В віці від 15 до 75, 70-75% від всього населення
4	Проникнення	10-12% до 10-го року функціонування мережі
5	Розподіл абонентів	* 50% професіонали * 35% активні користувачі *15% звичайні користувачі
6	Ефект від мобільности и роумінга	Розподіл абонентів по територии ЧНН
7	Активність в ЧНН	Різна для різних груп користувачів
8	Необхідна якість обслуговування ЧНН	Різна для різних додатків
9	Необхідна пропускна здатність в ЧНН	Просте підсумовування окремих користувачів/додатків

На основі передбачених параметрів додатків і послуг були сформовані мінімальні вимоги до пропускної здатності, зазначені в табл. 1.5[1].

На підставі цих даних були розраховані вимоги до щільності трафіку для різних районів розглянутій території. Дані вимоги показані в табл. 1.6 [1].

На підставі наведених даних проведено аналіз необхідного числа БС для забезпечення покриття всієї території з заданим порогом якості залежно від доступної смуги і використовуваних ширин каналів. Результати даного аналізу для смуги 2500 - 2690 МГц показані в табл. 1.7 [1].

Таблиця 1.5 - Мінімальні вимоги до пропускної здатности в ЧНН

Тип абонентів	Розподіл по групам	Активність серед абонентів(1 з N)	Частина часу активної передачі	Мінімальна (бажана) швидкість в ЧНН
Професіонали	50%	N=5	25%	75 кбіт/с (600 кбіт/с)
Активні користувачі	35%	N=7	25%	60 кбіт/с (480 кбіт/с)
Звичайні користувачі	15%	N=20	25%	30 кбіт/с (240 кбіт/с)
Середне значення по всім типам користувачів	N=7,9	25%	63 кбіт/с (504 кбіт/с)

Таблиця 1.6 - Прогноз необхідної пропускної здатності

Район	Число активних абонентів	Поправка	Необхідна пропускна здатність до десятого року функціо-нування мережі
Міській центр	66000	+15%	20 Мбіт/с/кмІ на площі 100 кмІ
Решта міста	42000	+15%	5,8 Мбіт/с/кмІ на площі 200 кмІ
Передмістя	37000	0%	1,6 Мбіт/с/кмІ на площі 500 кмІ
Околиці	5000	0%	0,12 Мбіт/с/кмІ на площі 700 кмІ

Так як смуга 3400 - 3600 МГц буде підкорятися тій самій тенденції, в аналіз включена ширина каналу 7 МГц. Як видно з таблиці, збільшення доступного спектру від 20 до 30 МГц істотно знижує необхідну кількість БС в центральній частині міста, де кількість БС визначається високою щільністю трафіку. Це дозволяє знизити витрати на розгортання нових майданчиків, що становлять значну частину від CAPEX і велику частину від OPEX. У передмістях і області, де потрібно забезпечити покриття, кількість БС і прийомопередавачів залишається незмінним. Також слід зазначити, що використання більш широких каналів дозволяє скоротити витрати на обладнання МБД.

Таблиця 1.7 - Вплив доступного радіоспектра на кількість БС и приймально-передавальних комплексів

	Сценарій 1	Сценарій 2	Сценарій 3	Сценарій 4
Робочий діапазон	2500 МГц
Конфігурація	1Ч3Ч1 і SIMO (1Ч2)
Доступна смуга	21 МГц	28 МГц	30 МГц
Ширина каналу	7 МГц	10 МГц	7 МГц	10 МГц
Кількість БС и прийомопередавачів на кожній БС
Центр міста	140	9	147	6	105	12	98	9
Решта міста	81	9	85	6	80	12	80	9
Передмістя	122	6	122	6	122	6	122	6
Околиці	50	3	50	3	50	3	50	3
Всього	393	7,3 сер.	404	5,6 сер.	357	8,7 сер.	350	7,1 сер.

Таблиця 1.8 - Вплив доступного радіочастотного ресурсу на радіус БС в центрі міста

	Сценарій 1	Сценарій 2	Сценарій 3	Сценарій 4	Сценарій 5
Площа території	100 кмІ
Необхідна щільність трафику	20 Мбіт/c/кмІ
Доступний спектр	10 МГц	20 МГц	30 МГц	30 МГц	40 МГц
Ширина каналу	10 МГц
Тип антени БС	(2Ч2) MIMO	(2Ч2) MIMO	(2Ч2) MIMO	MIMO+BF	MIMO+BF
Відстань між БС	0,78 км	1,10 км	1,34 км	1,46 км	1,7 км
Площа яку обслуговуе БС	0,53 кмІ	1,05 кмІ	1,56 кмІ	1,85 кмІ	2,5 кмІ

Так як величина доступного частотного ресурсу впливає в основному на побудову мережі в місті, особливо в його центральній частині, в табл. 1.8 та на рис. 1.6 [1] наведено більш детальний аналіз впливу виділеної смуги на кількість БС у центрі міста.

Для порівняння діапазонів 2500-2690 МГц і 3400-3600 МГц наведено порівняння мереж МБД, що забезпечують покриття розглянутої території з заданою якістю. Результати порівняльного аналізу показані в табл. 1.9 і на рис. 1.7 [1].



Рисунок 1.6 - Пропускна здатність для різних типів обладнання

Таблиця 1.9 - Порівняння діапазонів 2500 - 2650 МГц і 3400 - 3600 МГц

	Сценарій 1	Сценарій 2	Сценарій 3
Діапазон	2500 МГц	3500 МГц
КУ антени БС	15 дБ	17 дБ
Доступний спектр	30 МГц
Ширина канала	10 МГц
Міський центр	(2Ч2) MIMO	(2Ч2) MIMO	АА
Решта міста	(1Ч2) SIMO	(1Ч2) SIMO	АА
Передмістя	(1Ч2) SIMO	(1Ч2) SIMO	АА
Околиці	(1Ч2) SIMO	(1Ч2) SIMO	АА
Всього БС	316	438	АА

Як випливає з аналізу, за інших рівних умов кількість БС в діапазоні 3500 МГц у півтора рази більше, ніж в діапазоні 2500 МГц. Виняток становить центр міста, де радіус БС обмежений тільки необхідною пропускною здатністю мережі. Використання адаптивних антен дозволяє компенсувати більш високі втрати в діапазоні 3500 МГц.



Рисунок 1.7 - Кількість БС, що забезпечують покриття для різних районів

2. МОДЕЛЬ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ РАДІОХВИЛЬ

Розглянемо модель Окамури (Okumura Technique). Модель, запропон-ована Окамурою, основана на результатах експериментальних досліджень і в порівнянні з двопроменевою моделью дозволяє більш точно передбачати середнє значення затухання радіосигналу на відносно великій відстані між передавальною і приймальною антенами (більш 1 км). Відповідно до моделі Окамури [2] середнє загасання в дБ визначається як:

,(2.1)

де -загасання у вільному просторі;

A( f ,d ) - загасання в місті відносно загасання у вільному просторі при висоті антени передавача = 200 м і висоті приймальної антени = 3 м ;

C - фактор загасання для різних типів місцевості.

Коефіціенти висоти H() і H() для антен базової та абонентської

станції відповідно визначаються наступним чином [2]:

при 100 > > 10; (2.2)

при 3 ?; (2.3)

при 10 > > 3. (2.4)

Складові для загасання A( f ,d ) і C визначаються графічним способом, використовуючи рис. 2.1 та 2.2. Для сільської місцевості фактор загасання C на 5 дБ менше, ніж для відкритого простору.



Рисунок 2.1 - Залежність загасання в місті відноснозагасання у вільному просторі від частоти сигналу і відстані при = 200 м і = 3 м

Рисунок 2.2 - Залежність фактора загасання C від частоти сигналу і типу місцевості

Модель Окамури заснована на графічному представленні експериментальних даних, отриманих Окамурою при вимірах рівнів радіосигналу в м. Токіо (Японія). Очевидно, що така модель незручна для обчислень з допомогою ЕОМ. Для зручності її реалізації Хата запропонував емпіричну модель опису графічної інформації, представленої Окамури, яка отримала назву Хата (Hata Model). Отже, модель Хати у вигляді математичного запису також заснована на експериментальних даних Окамури. Вибір цього методу найбільш підходящий для урбанізованих областей, де відстань аналізу відносно не велика (менше ніж 30 км), ефективна висота передавальної антени - менше ніж 200 м, ефективна висота приймальної антени - менше ніж 10 м, і місцевість відносно плоска. Використання цього методу для інших випадків або при великих відстанях може виявитися неприйнятним. Використовуючи Okumura (Hata) метод, можемо вибирати типи наземних перешкод - "немає", "приміська зона" або "місто". Цей вибір визначить відповідний вираз для загасання.

Середнє загасання радіосигналу в міських умовах розраховується за емпіричною формулою, дБ [2]:

(2.5)

де f = 150…1500 МГц - частота радіосигналу;

= 30…200 м - висота передавальної антени;

= 1…10 м - висота приймальної антени;

d = 1…20 км - відстань між антенами;

- поправочний коефіцієнт для висоти антени рухомого об'єкта, який залежить від типу місцевості.

Для малих та середніх міст:

. (2.6)

Для великих міст:

 при f ? 400МГц; (2.7)

при f ? 400МГц. (2.8)

Для приміських районів, дБ:

. (2.9)

Для сільських, квазівідкритих ділянок, дБ:

(2.10)

Для сільської місцевості, дБ:

(2.11)

Для діапазону частот 1,5 ... 2 ГГц використовується модель COST231-Hata, яка є модифікованим варіантом моделі Хати (Hata Model). Формула для розрахунку середнього загасання в місті, дБ:

, (2.12)

де ; (2.13)

С = 0 для малих та середніх міст, дБ;

С = 3 для великих міст, дБ.

Коригування для приміських районів не використовуються. Для сільської та квазівідкритої місцевості поправочний коефіцієнт той же, що і в моделі Хати.

3. РОЗРАХУНОК МЕРЕЖІ БЕЗПРОВОДОВОГО ДОСТУПУ на основі стандарту IEEE 802.16m ДЛЯ ТИПОВОГО МІСТА

3.1 Розрахунок пропускної спроможності БС

Для виділення спектру для систем МБД рекомендується використовувати максимальну ширину каналу в якості одиниці виділення. У першу чергу це пов'язано з економічною ефективністю, так як вартість обладнання для 5 МГц і 20 МГц є однаковою, і тому надання пропускної здатності за допомогою каналів 5 МГц зажадає дворазового збільшення капітальних вкладень в мережу.

Максимальною одиницею спектру для систем МБД є 20 МГц. Отже, для розрахунків будемо використовувати три канала з шириною 20 МГц ().

Розрахуємо пропускну спроможність БС при використанні початкової та розгорнутої мережі (рис. 1.1). Для цього скористаємося табл. 3.1 [3].

Таблиця 3.1 - Нормалізована ідеальна швидкість передачі в системах IEEE 802.16m

Напрям каналу	Конфігурація MIMO	Пікова швидкість, біт/c/Гц
Низхідний	2Ч2	8,0
	4Ч4	15,0
Висхідний	1Ч2	2,8
	2Ч4	5,6

Як ми бачимо з табл. 3.1, піковий нормалізований спектральний виграш для стандарту IEEE 802.16m становить не меньше 8,0 біт/c/Гц і 2,8 біт/c/Гц у низхідному і висхідного каналах відповідно. Тоді пропускна спроможність для низхідного каналу початкової мережі буде розраховуватися за формулою:

, (3.1)

де - пропускна спроможність БС у низхідному каналі при використанні початкової мережі, Мбіт/c;

- спектральний виграш в низхідному каналі, біт/с/Гц;

- ширина каналу, МГц.

Мбіт/c.

Для висхідного каналу початкової мережі:

, (3.2)

де - пропускна спроможність БС у висхідному каналі при використанні початкової мережі, Мбіт/c;

Мбіт/c.

Шляхом усереднення пропускних спроможностей низхідного і висхідного каналів отримаємо пропускну спроможність БС:

, (3.3)

де - пропускна спроможність БС при використанні початкової мережі, Мбіт/c;

Мбіт/c.

Для низхідного каналу розгорнутої мережі:

, (3.4)

де - пропускна спроможність БС у низхідному каналі при використанні розгорнутої мережі, Мбіт/c;

Мбіт/c.

Для висхідного каналу розгорнутої мережі:

, (3.5)

де - пропускна спроможність БС у висхідному каналі при використанні розгорнутої мережі, Мбіт/c;

Мбіт/c.

Шляхом усереднення пропускних спроможностей низхідного і висхідного каналів отримаємо пропускну спроможність БС:

, (3.6)

де - пропускна спроможність БС при використанні розгорнутої мережі, Мбіт/c;

Мбіт/c.

3.2 Розрахунок кількості абонентів, що може обслуговувати одна БС

Розрахуємо кількість абонентів, яких зможе обслуговувати одна БС при мінімальній та бажаній швидкості для трьох абонентських груп (професіонали, активні користувачі та звичайні користувачі). Для розрахунків будемо користуватися даними з табл. 1.5.

Для професіоналів мінімальна швидкість 75 кбіт/c, а бажана 600 кбіт/c. Для забезпечення мінімальної швидкості у всіх подальших розрахунках будемо використовувати початкову побудову мережі. Розрахуємо кількість професіоналів, яких зможе обслуговувати одна БС при мінімальній швидкості:

, (3.7)

де - кількість професіоналів, яких зможе обслуговувати одна БС при мінімальній швидкості, чол.;

= 0,075 Мбіт/c - мінімальна швидкість для професіоналів.

чол.

Для забезпечення бажаної швидкості у всіх подальших розрахунках будемо використовувати розгорнуту побудову мережі. Розрахуємо кількість професіоналів, яких зможе обслуговувати одна БС при бажаній швидкості:

, (3.8)

де - кількість професіоналів, яких зможе обслуговувати одна БС при бажаній швидкості, чол.;

=0,6 Мбіт/c - бажана швидкість для професіоналів.

чол.

Для активних користувачів мінімальна швидкість 60 кбіт/c, а бажана 480 кбіт/c. Розрахуємо кількість активних користувачів, яких зможе обслуговувати одна БС при мінімальній швидкості:

, (3.9)

де - кількість активних користувачів, яких зможе обслуговувати одна БС при мінімальній швидкості, чол.;

= 0,06 Мбіт/c - мінімальна швидкість для активних користувачів.

чол.

Розрахуємо кількість активних користувачів, яких зможе обслуговувати одна БС при бажаній швидкості:

,(3.10)

де - кількість активних користувачів, яких зможе обслуговувати одна БС при бажаній швидкості, чол.;

=0,48 Мбіт/c - бажана швидкість для активних користувачів.

чол.

Для звичайних користувачів мінімальна швидкість 30 кбіт/c, а бажана 240 кбіт/c. Розрахуємо кількість звичайних користувачів, яких зможе обслу-говувати одна БС при мінімальній швидкості:

,(3.11)

де - кількість звичайних користувачів, яких зможе обслуговувати одна БС при мінімальній швидкості чол.;

= 0,03 Мбіт/c - мінімальна швидкість для звичайних користувачів.

чол.

Розрахуємо кількість звичайних користувачів, яких зможе обслуговувати одна БС при бажаній швидкості:

, (3.12)

де - кількість звичайних користувачів, яких зможе обслуговувати одна БС при бажаній швидкості, чол.;

= 0,24 Мбіт/c - бажана швидкість для звичайних користувачів.

чол.

3.3 Розрахунок загасання на границі стільника

Знаючи кількість абонентів, яких може обслуговувати одна БС, та густину населення в різних районах міста (табл. 1.3) ми можемо розрахувати площу стільники для різних районів міста.

Розглянемо центр міста. Будемо вважати, що в центрі міста проживають лише професіонали та активні користувачі. Усереднимо кількість абонентів, які може обслуговувати одна БС в центрі міста з урахуванням їх відсоткового співвідношення (табл. 1.3) для двох швидкостей.

, (3.13)

де - усереднена кількість абонентів, які може обслуговувати одна БС в центрі міста з урахуванням їх відсоткового співвідношення при мінімальній швидкості, чол.

чол.

, (3.14)

де - усереднена кількість абонентів, які може обслуговувати одна БС в центрі міста з урахуванням їх відсоткового співвідношення при бажаній швидкості, чол.

чол.

Скориставшись табл. 1.3 визначимо площу стільники, яку зможе обслу-говувати одна БС з урахуванням густини населення.

Для мінімальної швидкості:

, (3.15)

де чол./мІ - густина населення в центрі міста;

- площа стільника в центрі міста при мінімальній швидкості, мІ.

=598000 мІ.

Для бажаної швидкості:

,(3.16)

де - площа стільники в центрі міста при бажаній швидкості.

=223000 мІ.

Виходячи з площі яку може може обслужити одна БС (площі стільника) розрахуємо радіус стільника. Для розрахунків скористаємось формулою:

,(3.17)

де S - площа, мІ;

=3,14 - стала;

r - радіус стільника, м.

З формули (3.17) радіус стільника буде дорівнювати:

. (3.18)

Розрахуємо радіус стільника в центрі міста при мінімальній швидкості:

,(3.19)

де - радіус стільника в центрі міста при мінімальній швидкості.

м.(3.20)

Розрахуємо радіус стільника в центрі міста при бажаній швидкості:

, (3.21)

де - радіус стільника в центрі міста при бажаній швидкості.

м. (3.22)

Знаючи радіус стільники ми можемо розрахувати загасання на границі. Розрахувати загасання на границі стільники в центрі міста для двох швидкостей ми можемо за формулою (2.12). Підставивши значення С = 3 дБ; f = 2,5ГГц; м; м; отримаємо: = 123,8 дБ - загасання на границі стільника в центрі міста при мінімальній швидкості; =117 дБ - загасання на границі стільника в центрі міста при бажаній швидкості.

Будемо вважати, що в решті міста, передмісті та околицях проживають лише звичайні користувачі.

Розглянемо решту міста. Скориставшись табл. 1.3 визначимо площу стільника, яку зможе обслуговувати одна БС з урахуванням густини населення.

Для мінімальної швідкості:

, (3.23)

де чол./мІ - густина населення в центрі міста;

- площа стільника в решті міста при мінімальній швидкості, мІ.

=4320000 мІ.

Для бажаної швидкості:

,(3.24)

де - площа стільника в центрі міста при бажаній швидкості, мІ.

=1620000 мІ.

За аналогією, як ми порахували радіус стільника для центру міста порахуємо радіус стільники для решти міста.

Розрахуємо радіус стільника в центрі міста при мінімальній швидкості:

 ,(3.25)

де - радіус стільника в решті міста при мінімальній швидкості, м.

м.(3.26)

Розрахуємо радіус стільника в решті міста при бажаній швидкості:

, (3.27)

де - радіус стільника в решті міста при бажаній швидкості, м.

м. (3.28)

Підставивши значення С = 0 дБ; f = 2,5 ГГц; м; м; отримаємо: =134 дБ - загасання на границі стільники в решті міста при мінімальній швидкості; = 127,7 дБ - загасання на границі стільника в решті міста при бажаній швидкості.

Розглянемо передмістя. Скориставшись табл. 1.3 визначимо площу стільника, яку зможе обслуговувати одна БС з урахуванням густини населення.

Для мінімальної швідкості:

, (3.29)

де чол./мІ - густина населення в передмісті;

- площа стільника в передмісті при мінімальній швидкості, мІ.

=13500000 мІ.

Для бажаної швидкості:

,(3.30)

де - площа стільника в передмісті при бажаній швидкості, мІ.

=5062500 мІ.

Розрахуємо радіус стільника в передмісті при мінімальній швидкості:

,(3.31)

де - радіус стільника в передмісті при мінімальній швидкості, м.

м.(3.32)

Розрахуємо радіус стільника в передмісті при бажаній швидкості:

, (3.33)

де - радіус стільники в передмісті при бажаній швидкості, м.

м. (3.34)

Будемо вважати, що передмістя представляють собою приміські райони. Отже, розрахунок загасання для передмістя проведемо за формулами (2.5) та (2.9). Підставивши значення f = 2,5 ГГц; м; м; розрахуємо загасання для передмістя. = 142,5дБ - загасання на границі стільники в передмісті при мінімальній швидкості; = 135,7 дБ - загасання на границі стільника в передмісті при бажаній швидкості.

Розглянемо околиці. Скориставшись табл. 1.3 визначимо площу стільники, яку зможе обслуговувати одна БС з урахуванням густини населення.

Для мінімальної швідкості:

, (3.35)

де чол./мІ - густина населення в передмісті;

- площа стільники в околицях при мінімальній швидкості, мІ.

=152,112· мІ.

Для бажаної швидкості:

,(3.36)

де - площа стільника в околицях при бажаній швидкості, мІ.

=57.042· мІ.

Розрахуємо радіус стільника в околицях при мінімальній швидкості:

,(3.37)

де - радіус стільника в околицях при мінімальній швидкості, м.

м.(3.38)

Розрахуємо радіус стільника в околицях при бажаній швидкості:

, (3.39)

де - радіус стільника в передмісті при бажаній швидкості, м.

м. (3.40)

По аналогії з передмістям розраховуємо загасання для околиць за формулами (2.5) та (2.10). = 127,2 дБ - загасання на границі стільника в околицях при мінімальній швидкості; = 120,4 дБ - загасання на границі стільника в околицях при бажаній швидкості.

Отримані результати зведемо до табл. 3.1.

Таблиця 3.1- Результати розрахунків мережі безпроводового доступу на основі стандарту IEEE 802.16m для типового міста

	Пропускна спроможність стільника, Мбіт/с	Площа стільника, кмІ	Радіус стільника, м	Загасання, дБ
	Мінімальна швидкість	Бажана швидкість	Мінімальна швидкість	Бажана швидкість	Мінімальна швидкість	Бажана швидкість	Мінімальна швидкість	Бажана швидкість
Центр міста	324	972	0,598	0,223	432	266	123,8	117
Решта міста			4,32	1,62	1173	718	134	127,8
Передмістя			13,5	5,0625	2073	1270	142.5	137.5
Околиці			152,112	57,042	6960	4262	127.2	120.4

Размещено на Allbest.ru