Перспективные направления развития семейства стандартов IEEE 802.16
Краткий обзор и энергетическая эффективность стандарта IEEE 802.16 m
Особый интерес для рассмотрения представляет технология MIMO. В ней применено пространственное разнесение антенных элементов для улучшения пропускной способности системы и увеличения ее надежности при передаче данных. Канал связи при использовании лишь одной передающей антенны в условиях пересеченной местности или городской застройки подвержен многочисленным искажениям, к которым относятся мелкомасштабные и крупномасштабные замирания сигнала. Технология MIMO позволяет практически свести к минимуму этот эффект путем создания нескольких альтернативных путей распространения сигнала. Таким образом, на приемной стороне будет получена более полная информация о переданном сигнале. На рис. 1 представлена типичная схема организации приемопередачи с помощью технологии MIMO [1]. Переданные сигналы с помощью математических алгоритмов описаны с точки зрения времени, частоты и пространственных координат; используемая общая и основная технология — пространственное мультиплексирование. Сообщения, переданные каждым антенным элементом, независимы и кодируются отдельно. На приемной стороне сигналы декодируются и идентифицируются.
Применение технологии MIMO позволит увеличить охват территории обслуживания на 20–30%. Дальнейшее увеличение пропускной способности возможно за счет использования фемтосот (Femtocell). С помощью этого можно добиться уменьшения промежутков между зонами базовых станций. Кроме того, предлагается внедрение следующих технологий:
- MIMO с размерностью порядка 8×4 (восемь антенн в направлении «вверх», четыре — в направлении «вниз»);
- контроль передачи данных с обратной связью;
- использование субканальных схем с циклическим префиксом 1/16.
Конечный результат использования всех вышеперечисленных технологий — увеличение спектральной эффективности и пропускной способности — представлен в таблице 1.
Параметр |
Конфигурация антенн |
Спектральная эффективность, бит/c/Гц |
Пиковая спектральная эффективность DL |
MIMO 2×2 |
8,5 |
|
MIMO 4×4 |
17 |
Средняя спектральная эффективность DL |
MIMO 4×2 |
3,2 0,32 (на пользователя) |
Пользовательская пропускная способность для края соты DL |
MIMO 4×2 |
0,09 |
Пиковая спектральная эффективность UL |
MIMO 1×2 |
4,6 |
|
MIMO 2×4 |
9,3 |
Средняя спектральная эффективность UL |
MIMO 2×4 |
2,6 0,26 (на пользователя) |
Пользовательская пропускная способность для края соты UL |
MIMO 2×4 |
0,11 |
Архитектура протокола IEEE 802.16 m
Архитектура протокола IEEE 802.16 содержит два уровня — MAC и PHY (рис. 2) [2]. Слой MAC делится на три подуровня CSL: Convergence Sub layer (слой сходимости), MAC Common Part Sub layer (общая часть) и Security Sub layer (слой безопасности). Уровень Convergence Sub layer получает данные из более высоких слоев и Common Part Sublayer. Уровень Convergence Sub layer также сортирует рабочие данные. Следующий уровень — MAC Layer. В нем происходит управление полосой пропускания. Security Sub layer — уровень безопасности, который отвечает за обеспечение безопасности адреса уровня, установление подлинности, проверку ключей безопасности и шифрование данных. В нем происходит также обмен MAC с физическим уровнем.

Рис. 2. Архитектура протокола IEEE 802.16 m
Обеспечение передачи данных протоколом IEEE 802.16 m
В стандарте IEEE 802.16 m предусмотрено несколько классов для потоков передачи, что позволяет обеспечить гибкость потока:
- «низкоскоростное мультимедиа» — скорость передачи до 144 кбит/c;
- «среднескоростное мультимедиа» — скорость передачи достигает 2 Мбит/c;
- «высокоскоростное мультимедиа» — скорость передачи данных до 30 Мбит/c;
- «суперскоростное мультимедиа» — скорость передачи от 100 Мбит/c до 1 Гбит/c.
Нельзя обойти вниманием и приложение к этому стандарту — обновление IEEE 802.16 p. В настоящее время актуальной задачей является создание сетей связи, которые позволят согласованно работать нескольким механизмам или устройствам, так называемая архитектура сети связи M2M (machine-to-machine) [3]. Требования, которые предъявляются к сетям этого типа, несколько отличаются от остальных, уже используемых. Области применения, представляющие интерес: наблюдение, слежение, государственная безопасность, биодатчики в здравоохранении, обслуживание и контроль технологических процессов, автоматизированные процессы в различных отраслях промышленности. Некоторые технические характеристики и возможности стандарта IEEE 802.16 p представлены далее.
Задачей разработки данного стандарта было предоставление оператору возможности обслужить максимальное количество активных пользователей, которым это может потребоваться в заданном районе действия антенны базовой станции. В таблицах 2–4 представлены характеристики стандарта IEEE 802.16 p, касающиеся вопросов использования данного стандарта в быту и промышленности [2, 4–7].
Параметры |
Сеть IEEE 802.16 p в домашнем и промышленном использовании |
Несущая частота, ГГц |
2,5 |
Полоса рабочих частот, МГц |
10, TDD |
Размер соты (радиус покрытия, км) |
1,5 (в городе) |
3,0 (на открытой местности) |
|
Скорость перемещения абонента, км/ч |
0–120 |
Количество передающих антенн базовой станции |
2 (обязательные) |
4 (необязательные) |
|
Количество приемных антенн базовой станции |
1 (обязательные) |
2 (необязательные) |
|
Мощность передатчика М2М |
TBD |
Мощность передатчика базовой станции на сектор, дБм |
46 |
Высота антенны базовой станции, м |
12,5 |
Количество передающих антенн базовой станции на сектор |
2 (обязательные) |
4 (необязательные) |
|
Количество приемных антенн базовой станции на сектор |
2 (обязательные) |
4 (необязательные) |
|
Число секторов |
3 |
Усиление антенны в направлении «вперед–назад», дБ |
30 (обязательно) |
20 (при необходимости) |
|
Размер антенны |
4λ (обязательно) |
0,5λ (при необходимости) |
|
Количество передающих антенн М2М |
1 |
Количество приемных антенн M2M |
1 |
Тип антенны M2M |
Горизонтальная поляризация |
Усиление антенны в направлении главного лепестка, дБи |
20 |
Ширина лепестка антенны по уровню 3 дБ |
20 |
Усиление антенны, дБ |
23 |
Уровень шума, дБ |
5 |
Потери в кабеле, дБ |
2 |
Параметр |
Радиус соты, м |
Число устройств в здании |
Число зданий в сотах |
Городская территория |
1500 |
10 |
18116 |
Пригород |
3000 |
10 |
20912 |
Параметр |
Радиус соты, м |
Количество устройств в сотах |
Город |
1500 |
13583 |
Пригород |
3000 |
7092 |
Обобщая сказанное, стоит отметить основные преимущества и поддерживаемые услуги стандарта IEEE 802.16:
- расширенные услуги передачи информации, возможность обеспечить большую скорость передачи и спектральную эффективность;
- приложения, основанные на GPS и др., позволяющие определять местоположение абонента и поддерживающие другие возможности поиска и навигации (время ожидания порядка 30 с для определения местоположения);
- самоорганизующаяся сеть SON — одна из важнейших особенностей, позволяющая улучшить конфигурацию сети и оптимизировать ее путем самонастройки программными методами. Самоконфигурация позволяет достичь оптимального режима работы беспроводной сети связи в случае наличия ошибок и сложных условий радиовещания, гарантирует высокие показатели QoS;
- передовые схемы шифрования, конфиденциальность личности пользователя и переданных пакетов данных.
В заключение следует отметить, что динамика в сфере разработки стандартов беспроводной связи весьма изменчива и отражает уровень и тенденции развития беспроводной связи.
- Dadhich R., Narang G., Yadav D. M. Analysis and Literature Review of IEEE 802.16 m (Mobile WiMAX) Security.
- IEEE 802.16p Machine to Machine (M2M) Evaluation Methodology Document (EMD).
- Booysen M. J., Gilmore J. S., Zeadally S., van Rooyen G.-J. Machine-to-Machine (M2M) Communications in Vehicular Networks.
- IEEE 802.16p Machine to Machine (M2M) System Requirements Document (SRD) (initial working document revised).
- Wireless MAN-Advanced Air Interface for Broadband Wireless Access Systems // IEEE Microwave Theory and Techniques Society.
- Trinity SMART sense for remotedevice management // Trinity Telecommunications. August, 2011.
- Research and Innovative Technology Administration (RITA). S. Department of Transportation (US DOT). 2011.