Типові моделі проектування бездротових мереж

У посібнику описані засоби проектування мереж WLAN (IEEE 802.11) і WiMAX (IEEE 802.16). Стандартні засоби типу Ekahau Positioning Engine, Site Survey, Wi-Fi Tag, Radio Mobile Deluxe можна інтегрувати до структури системи CANDY за допомогою декількох нещодавно розроблених програм, які призначені для проведення обчислень з використанням наступних моделей.

Модель розповсюдження радіохвиль: (1.43)

Модель енергетичного потенціалу ліній зв’язку типу «Остання миля»:

Модель просвітлення траси:

Алгоритм і модель побудови багатокольорових зон:

де ^ PL – коефіцієнт втрат у тракті передачі; R –відстань (радіус дії); F – несуча частота; L – коефіцієнт втрат; [ Power, Gain, Sensitivity, H ] – потужність передачі, коефіцієнт підсилення, чутливість і висота антени; N і AP – кількість користувачів і точок доступу відповідно; (x, y) – координати точок доступу; DR – швидкість передачі даних.

Мережам WLAN/WiMAX відповідають наступні моделі розповсюдження радіохвиль, прийнятні для діапазону частот від 2 до 6 ГГц [Г: 19, 27; Д: W99, W104, W118-120, W125, W127, W129]:

 

• 
  модель вільного простору (Free Space) при розрахунках для ліній із втратами;
• 
  модель «вуличних каньйонів» (Street Canyon Modelling):

• 
  відповідає лініям без втрат із зовнішніми антенами;
• 
  використовується в міських зонах;

• 
  модель Валфиша–Ікегама:

• 
  емпірична модель, відповідає макростільникам із радіусом до 5 км;
• 
  обчислення коефіцієнтів втрат у тракті передачі в сильно забудованих районах великих міст;
• 
  аналіз вторинних шляхів радіохвиль, які виникають внаслідок обгинання плоских дахів або інших перешкод на вулицях;
• 
  антени провайдера встановлюються іззовні;

• 
  модель Окумура–Хата (1968):

• 
  для передмість і сільської місцевості, лісів, пагорбів;
• 
  відповідає частотам нижче 1000 МГц, відстаням до 20 км і висоті підйому антен від 30 м і більше;

• 
  модель COST 231 – Хата (1996)

• 
  подібна моделі Окумура–Хата;
• 
  модель поширення радіохвиль при проведені мережі всередині приміщення з урахуванням згасання в стінах;
• 
  може бути застосовна для частот до 1800 МГц;

• 
  модель Лі (1982):

• 
  розроблена для аналогових мобільних радіомереж;
• 
  застосується для частот вище 450 МГц при висоті приймальної антени менше 3, 5 м на відстанях до 10 км.

На відстань R також впливають також можливі методи модуляції: QPSK, 16QAM, 64QAM. Характеристики деяких моделей мобільних та бездротових мереж наведені в таблицях 1.6 і 1.7. Результати цих емпіричних моделей (R ≈ 0, 6 – 0, 9 км, DR = 20 Мбіт/с) є більш реальними, ніж теоретичні параметри для WiMAX (R = 50 км, DR = 70 Мбіт/с).

Таблиця 1.6.

 

Стандарти	Тип лінії LOS/NLOS	Відповідна модель поширення
2, 5G/3G	NLOS	Hata / COST 231
802.11b, g	Гібридна	COST 231
802.16a	Гібридна	COST 231
802.16	LOS	Вільний простір
802.20	NLOS	COST 231
Примітка: LOS – лінія прямої радіовидимості (Line-of-Sight) ^ NLOS – відсутність лінії прямої радіовидимості (Non-Line-of-Sight)

Таблиця 1.7. Розміри стільників для частот F=3, 5 ГГц та 5 ГГц

 

^ Тип модуляції при F=3, 5 ГГц	Швидкість передачі даних, Мбіт/с	Відстань R, м
^ Вільний простір	Вуличний «каньйон»	COST 231	Валфіш-Ікегама
QPSK	30	12100	2740	230	90
16QAM	60	6800	1775	175	75
64QAM	90	3850	1140	110	50
^ Тип модуляції при F=5 ГГц	Швидкість передачі даних, Мбіт/с	Відстань R, м
^ Вільний простір	Вуличний «каньйон»	COST 231	Валфіш-Ікегама
QPSK	30	8470	2100	160	65
16QAM	60	4750	1350	120	50
64QAM	90	2680	870	75	30

 

^ Характеристики моделі Хата. Модель COST-231/ HATA є поєднанням моделі траси для розповсюдження сигналів і моделі просвітлення траси, вико­рис­товується для визначення коефіцієнта втрат через наступні параметри [Д: W119]:

(1.44)

де ^ A – втрати в тракті передачі; F – частота (у межах 700-2000 МГц); D – від­стань між базовою станцією і терміналом, км; H – ефективна висота підйому ан­тени базової станції, м; C – поправкові коефіцієнти навколишнього середовища [Д: 49], який має такі значення:

 

• 
  2 дБ в щільному міському середовищі, для високих будинків, середніх і широких вулиць;
• 
  5 дБ в середньому міському середовищі, для сучасного міста з невеликими парками;
• 
  8 дБ в щільному приміському середовищі, для високих житлових будинків та широких вулиць;
• 
  10 дБ в середньому приміському середовищі, для промислової зони і невеликих будинків;
• 
  15 дБ в пагористій місцевості й лісах з нечастими житловими будинками;
• 
  26 дБ у більшості рівнинних сільськогосподарських районів з глухими лісами.

Модель має статистичну достовірність 50%. Це значення можна збільшити до 70%, додавши 6 дБ запасу на згасання, або до 90%, додавши 10 дБ запасу на згасання в моделі бюджету ліній зв’язку.

^ Алгоритм і модель побудови багатокольорових зон (MCISA). Це наближена модель навантаження, яка використовується для розрахунку реальної швидкості передачі даних з урахуванням параметрів навантаження (кількість користувачів на точку доступу; середнє навантаження на кожного користувача), а також відстані від точки доступу (рис. 1.27):

де N і P – кількість користувачів і точок доступу відповідно; (x, y) – координати точок доступу; DR – швидкість передачі даних; S и S¹ – потужність сигналу і порогове значення символу «1»; – відстань [Д: 25].

Модель є двовимірною і може бути застосовна для приміщень, її геометричні параметри можна масштабувати.

^ Рис. 1.27 – Алгоритм і модель побудови багатокольорових зон [Д: 25]

Інтенсивність випромінювання для кожної точки доступу зменшується за законом 1/R² та відображується відповідним коляром. Кількість частот для роз’­єднаного використання (всього 13 для 802.11 WLAN) дорівнює 3 (N_reuse =3), через це на рис. 1.27 існує 3 кольори. До додаткових парaметрів моделі належать: L – кількість стін; n_r- кількість користувачів в кімнаті r; l/n_r –властивості розповсюдження хвиль у кімнаті r; DR _max - максимальна швидкість передачі даних для даної точки доступу, наприклад, для стандарту 802.1lb DR =11 Mбіт/с; DR _min – мінімальна DR, необхідна для кожного користувача, наприклад, DR = 1 MBit/с; Cr (x, y) – інтенсивність кольору в сегменті [ X, Y ] для кімнати r; H – ­­ висота антени для точки доступу, K – коеффіцієнт послаблення стінами:

P = DR _min /DR _max • Z_r Nr (1.45)

Dⁱ (x, y) ^{2 =} x²+y² = R² (стандартний двовимірний випадок), (двовимірний випадок з урахуванням висоти антени).

Крім того, необхідно визначити наступні змінні: i, t - контрольні змінні для точки доступу, число ітерацій; l, j – загальні контрольні змінні; w – контрольна змінна для опису властивостей стін (підсилений бетон, цегля, гіпсова штукатурка). Формальний опис багатокольорового алгоритму надається наступним чином [Г: 27; Д: 25]:

Крок 0. START

Крок 1. FOR EACH (x, y) DEFINE n_ir=n_r;

Крок 2. CALCULATE інтенсивність кольору (згідно формули (2.11))

FOR 0< i
Cⁱ_r (x, y) = max { C^t_r (x, y) } by 0 < t < P;

Крок 3. COMPARE поточну інтенсивність кольору

IF C_r < Cⁱ_r (x, y) AND C_r > DR_min THEN C_r = Cⁱ_r (x, y);
Крок 4. IF всі варіанти (x, y) вже підраховані THEN GOTO END

OTHERWEISE GOTO Крок 1;
Крок 5. IF C_r(x, y)< dr< i=" " > _min (тобто інтенсивність кольору - незадовільна)

THEN n_ir= C_r (x, y)/DR_min AND GOTO Крок 4;
Крок 6. END

Додаткові переваги описаної моделі:

• 
  враховуються еффекти послаблення, обумовлені стінами;
• 
  враховується геометрія кімнати та параметри завантаження;
• 
  враховуються еффекти взаємодії для різних точок доступу та під­ра­хо­ву­ється максимальна кількість користувачів;
• 
  підрахунок граничних відстаней функціонування мережі та швидкості передачі данних.

^