Стеки и интерфейсы.
WiMAX NWG (network working group – группа разработки сети) разработала RP (reference points – стыки и интерфейсы), т.е. концептуальные соединения между различными функциональными элементами: ASN, СSN, АС, БС. Стыки не всегда являются физическими соединениями, а только в тех случаях, когда функциональны элементы расположены в разных местах, т.е. в различных физических устройствах. Следует отметить, что WiMAX Forum продолжает работу по совместимости разработанных RP на основе специфицированных нормативных протоколов c целью обеспечения максимальной пропускной способности сети. В табл. 1.9 представлены разработанные RP. Логическое представление архитектуры WiMAX показано на рис. 1.12. Таблица 1.9.
Архитектура сети WiMAX похожа на архитектуру многих IP сетей доступа, где инфраструктуру уровня L2 (уровня соединений) используют при концентрации трафика индивидуальных пользователей, где находятся элементы, которые обеспечивают конечные пользовательские устройства IP адресами для доступа к приложениям и услугам. В данном случае ASN представляет собой инфраструктуру канального уровня, обеспечивающую концентрацию каналов, а CSN предоставляет абонентам адреса IP и обеспечивает доступ к IP приложениям.
Рис. 1.12. Логическое представление архитектуры WiMAX. WiMAX Forum предлагает два варианта протокольного обмена в транспортной сети (рис. 1.13, рис. 1.14). Различие между решениями состоит в организации интерфейса R6 в пользовательской плоскости (плоскости передачи данных). В любом варианте данные между БС и шлюзом ASN передают на основе туннельного протокола GPE (Generic Routing Encapsulation). На рис. 1.13 поверх него следует протокол IP-Ethernet, а на рис. 1.14 возможны любые другие технологии передачи IP пакетов. Отличия состоят в том, что перед передачей пакетов по радиоинтерфейсу организуют конвергенцию (обработку заголовков) либо на уровне Ethernet, либо непосредственного на уровне IP. На интерфейсе R3 при передаче данных используют локальную маршрутизацию на основе IP протоколов, используя технологию IP-over-IP.
Рис. 1.13. Стек протоколов передачи информации в транспортной сети WiMAX, с использованием Ethernet.
Рис. 1.14. Стек протоколов передачи информации в транспортной сети WiMAX, с использованием IP протоколов. МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ WiMAX. 2.1. Принципы построение сети WiMAX в посёлке городского типа. Халач - посёлок городского типа, центр Халачского района Лебапской области Туркменистана, расположен на левобережье реки Амударьи (в 6 км от реки). Возможное число абонентов для подключения к сети WiMAX Халач является вторым по численности населения посёлком городского типа Лебапской области после Сердарабада, в котором проживает 110 906 человек. В центральной части посёлка, где будет создаваться сеть WiMAX, численность населения составляет около 20 000 человек. В каждой семье проживает около 5 человек это, примерно, 4 000 семей. Предположим, в семье к сети WiMAX подключается 1 человек. Тогда общее число абонентов подключаемых к сети составит примерно 4000. Если учитывать, что не все абоненты, сразу подключатся к сети (а часть вообще не будет подключаться), то среднее число составит около 2800 абонентов (70% из 4000 абонентов). Промышленность В центре посёлка находятся здания административного назначения. Также в посёлке функционируют шерстомойная, прядильно-ткацкая, швейная, ковровая, кондитерская и мебельная фабрики, хлопкоочистительный, кожевенный, пивоваренный и молочный заводы. Имеющиеся телекоммуникации В центре поселка в специальных зданиях расположены АТС и телерадиоцентр. Базовую станцию проектируемой сети WiMAX предполагается разместить в помещении АТС. Антенна базовой станции может быть установлена на имеющуюся мачту, принадлежащую АТС.
В сетях стандарта мобильного WiMAX, зона покрытия одной базовой станции, так же как и в системах сотовой связи, аппроксимируется шестиугольником. Шестиугольники лучше всего аппроксимируют круговую форму зоны радио покрытия базовой станции на ровной местности без препятствий, а края шестиугольников хорошо аппроксимируют границы между сотами равных размеров. На практике область покрытия базовой станции не обладает правильной круговой формой, поскольку она зависит от структуры местности и препятствий – зданий, деревьев и т. д. Разделение области покрытия системы на соты равного размера невозможно и по техническим причинам. При размещении базовых станций необходимо учитывать множество факторов, таких как доступ к подходящим участкам местности и возможность использования естественных элементов местности – башни, высокие трубы и строения. Такие элементы нечасто располагаются в центрах идеально спланированных сот. Поэтому планирование сот представляет собой сложную задачу, в ходе решения которой в современных системах проводят полевые измерения при помощи специализированного оборудования. С определенной точностью соты можно спроектировать на основе обработки данных цифровой карты местности сложным специализированным программным обеспечением, которое имитирует распространение электромагнитных волн на цифровой модели местности. Один из подходов к моделированию распространения электромагнитных волн заключается в том, что волны рассматриваются в качестве световых лучей, которые отражаются и рассеиваются на различных препятствиях местности с определенными коэффициентами отражения и рассеивания. Этот подход, который называют методом трассирования лучей (англ. ray tracing method), требует точных данных об области покрытия и больших вычислительных ресурсов. Пакеты профессионального программного обеспечения, применяемые для моделирования распространения волн и проектирования сот, используют более сложные модели распространения. По ограниченному количеству результатов измерений можно калибровать используемые в программном обеспечении модели распространения сигналов, что позволяет получать более точные результаты [5]. Ключевой принцип работы сотовой системы заключается в многократном использовании одних и тех же частотных каналов в различных сотах, расположенных в зоне покрытия системы соответствующим образом. Группа из N сот, использующая все доступные частоты несущих, исключая при этом их повторное использование, называется сотовым кластером (англ. Се11 cluster).
Рис. 2.1. Построение многоэлементных сотовых кластеров: а) трехэлементного, б) четырехэлементного, в) семиэлементного, г) двенадцатиэлементного, д) девятнадцатиэлементного Для анализа размера и особенностей кластера рассмотрим геометрические свойства набора шестиугольников, изображенных на рис. 2.1 Пусть радиус окружности, описанной вокруг каждого шестиугольника, равен r. Очевидно, что r – это также и расстояние от центра шестиугольника до его вершины. Если вспомнить свойства равностороннего треугольника со стороной r, то легко доказать, что расстояние между двумя соседними шестиугольниками равно. Примем его за единицу длины. В системе координат с углом между осями координат, равным 60°, расстояние от центра любого шестиугольника до начала координат составляет: (2.1)
где i и j – координаты центра рассматриваемого шестиугольника, выраженные в принятых единицах длины, равных 3 r. В табл. 2.1 представлены кластеры, для каждой соответствующая своё значения i и j.
Таблица 2.1.
Выражение (2.1) прямо следует из обобщенной теоремы Пифагора, которая утверждает, что квадрат длины стороны R, лежащей напротив угла
В случае, изображенном на рис. 2.2, u=33r, ν=2√3r и α=120°.
Таким образом, i = 3 и j = 2.
Рис. 2.2. Разделение зоны радиопокрытия на соты. Будем считать заштрихованную соту, расположенную в начале изображенной рис. 2.2 системы координат, опорной. Построим вокруг нее сотовый кластер. Другие кластеры должны быть расположены вокруг него таким образом, чтобы покрываемые ими области не перекрывались и не имели разрывов. Возникает следующий вопрос: какое количество сот в кластере обеспечивает наиболее компактное покрытие для стандарта WiMAX? Ответ на этот вопрос вытекает из последующих рассуждений. Пусть центральные соты соседних кластеров расположены на расстоянии R от центра опорной соты. В их распоряжении находится такой же набор частотных каналов, что и у опорной соты. Каждый кластер может быть представлен одним большим шестиугольником, площадь которого равна сумме площадей всех принадлежащих кластеру сот. Это изображено на рис. 2.3. Площадь одной гексагональной соты радиуса r равна: (2.3)
а площадь большого шестиугольника, равного сумме N площадей шестиугольников радиуса r, центры которых расположены на расстоянии R друг от друга, составляет: (2.4)
Необходимо, чтобы выполнялось следующее равенство
При подстановке (2.1) и (2.4) в (2.5) получим выражение, которое определяет количество N сот в кластере: (2.6)
Очевидно, что количество сот в кластере не ограничено. Кластер, образующий регулярную сетевую структуру, может состоять из одной, трех, четырех, семи, двенадцати и т. д. сот.
(2.7)
Рис. 2.3. Аппроксимация кластеров большими треугольниками. Если при разработке системы не учитывалось количество сот в кластере, их топографическое расположение и распределение каналов, то в такой системе будет наблюдаться существенное влияние друг на друга каналов в разных сотах, использующих одни и те же несущие частоты. Эти явления называются соканальными помехами. Они зависят от параметра Q, определенного в выражении (2.7). Параметр Q называется коэффициентом ослабления соканальных помех (англ. со-спаппе1 interference reduction factor). При увеличении Q соканальные помехи ослабевают, поскольку либо увеличивается расстояние, разделяющее соты с одинаковыми каналами, либо уменьшается их размер. Расстояние R зависит от отношения мощности сигнала Ps к мощности помехи PI (энергетического параметра связности ν). В свою очередь, это отношение зависит от количества влияющих друг на друга сот Ko согласно формуле:
(2.8)
где PIk – средняя мощность помех, генерируемых k -ой сотой. На рис. 2.4 изображена типичная конфигурация взаимодействующих сот. В случае гексагональных сот шесть расположенных в первом ярусе сот взаимодействуют с центральной сотой, которая считается опорной. Таким образом, Ko = 6.
Рис. 2.4. Распределение в пространстве интерферирующих сот. Для регулярной структуры, построенной на основе типовых кластеров с N=3, 7, 9, 12, 19 количество влияющих друг на друга сот Kо всегда будет равно 6 (рис. 2.5.)
Рис. 2.5. Распределение кластеров с регулярной структурой. Предполагается, что влиянием сот второго яруса на центральную соту можно пренебречь ввиду большого расстояния между ними. Соканальные помехи искажают не только сигнал, приходящий на базовую станцию центральной соты, но и сигналы, приходящие на подвижные станции, которые в данный момент находятся в этой соте. Предположим, что базовые станции излучают сигналы с одинаковой мощностью. Тогда отношение сигнала к соканальным помехам на границе центральной соты равно: (2.9)
При распространении в свободном пространстве γ=2, в то время как при двулучевом распространении γ=4. В действительности значение γ лежит в интервале от 2 до 5,5 в зависимости от условий распространения. Обратим внимание на то, что в предположении о равной мощности, излучаемой базовыми станциями, отношение «сигнал/соканальная помеха» зависит только от геометрических свойств распределения сот, расстояний между базовыми станциями, использующими одни и те же частотные каналы, и радиуса зоны радиопокрытия базовой станции. Простоты ради предложим, что в изображенной на рис. 2.3 системе все расстояния Rk равны R. Тогда из (2.9) следует, что
(2.11)
Формула (2.11) определяет взаимосвязь отношения расстояния между сотами, использующими одни и те же частоты и радиус соты, с отношением «сигнал/соканальная помеха» и типом окружающей среды. В традиционных сотовых системах отношение PS/PI выбирается таким, чтобы обеспечить качество передачи речи, приемлемое, по крайней мере, для 75 % пользователей на 90 % области покрытия системы [5]. Приняв γ=4, из формулы (2.11) получим расчетное Q = 3. В соответствии с табл. 2.2 это значение Q = 3. Поскольку значение Q зависит от количества N сот в кластере по формуле (2.7), то при подстановке в эту формулу значения Q = 3, получим N = 3. Коэффициент уменьшения соканальных помех Q в зависимости от числа элементов в кластере N, представлен в табл. 2.2.
Таблица 2.2.
Как видно из табл. 2.2, в рассмотренной 3-х сотовой структуре, отношение сигнал/помеха, которое равно 3.00, как правило, недостаточно для действующих стандартов. Рассмотрим наихудший случай, иллюстрируемый рис. 2.6 и 2.7. Если обратить внимание на то, что расстояния между подвижной станцией, расположенной в точке А на границе соты, и всеми влияющими базовыми станциями приблизительно равны (R–r), (R–r), (R–r/2), R, (R+r/2), (R+r), получим:
(2.12)
При Q= 3 и γ=4 значение Ps/PI составляет 12,6. В логарифмическом масштабе эта величина приблизительно равна 11 дБ. Если взять точные расстояния от точки А до центров интерферирующих сот, то получим несколько лучшее значение Ps/PI, однако оно все же будет меньше требуемых 18 дБ. На практике, вследствие неидеального расположения базовых станций, многолучевого распространения и искажений, обусловленных неровностями местности, это отношение будет еще хуже. Поэтому рассчитанного ранее значения Q = 3будет недостаточно.
Рис. 2.6. Наихудший случай соканальных помех. На рис. 2.7 и в формуле (2.12) рассматривается наихудшая ситуация, поскольку подвижная станция находится на максимально возможном удалении от базовой станции ее собственной соты. Поэтому приведенная выше оценка считается очень пессимистической. Тем не менее, именно такой подход к разработке систем позволяет добиться высокой надежности.
Рис. 2.7. Наихудший случай соканальных помех при N=3.
Существуют несколько основных решения проблемы недостаточной величины параметра Q для кластера, где антенна базовых станций имеет горизонтальную диаграмму направленности.
|
