Перспективные направления развития семейства стандартов IEEE 802.16

№ 1’2013
PDF версия
В статье рассматривается необходимость введения нового стандарта IEEE 802.16 m и его модификации IEEE 802.16 p. Поводом для данного шага является необходимость разгрузить сети связи, увеличить их пропускную способность, а также повысить качество передачи данных и их объем. В этом стандарте поддерживается технология MIMO (Multiple Input Multiple Output), позволяющая системам связи работать с несколькими передатчиками или приемниками информации и осуществлять загрузку сетей мобильных операторов связи вплоть до критической возможной скорости (180 Мбит/с), в несколько раз превышающей ту, которой можно достичь, используя сети, существующие в настоящее время. Что касается перспектив внедрения, то данный стандарт будет использоваться такими организациями, как ТТА, ARIB и WiMAX. IEEE 802.16 m стал первым стандартом, который официально можно причислить к поколению 4G.

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.

Схема

Рис. 1. Принцип действия технологии MIMO

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.

Таблица 1. Параметры спектральной эффективности для стандарта IEEE 802.16 m

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.

Архитектура протокола IEEE 802.16 m

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].

Таблица 2. Основные параметры стандарта IEEE 802.16 p

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

Таблица 3. Развертывание сети стандарта IEEE 802.16 p в качестве домашней сети

Параметр

Радиус соты, м

Число устройств в здании

Число зданий в сотах

Городская территория

1500

10

18116

Пригород

3000

10

20912

Таблица 4. Развертывание сети стандарта IEEE 802.16 p в качестве промышленной сети

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.

Литература
  1. Dadhich R., Narang G., Yadav D. M. Analysis and Literature Review of IEEE 802.16 m (Mobile WiMAX) Security.
  2. IEEE 802.16p Machine to Machine (M2M) Evaluation Methodology Document (EMD).
  3. Booysen M. J., Gilmore J. S., Zeadally S., van Rooyen G.-J. Machine-to-Machine (M2M) Communications in Vehicular Networks.
  4. IEEE 802.16p Machine to Machine (M2M) System Requirements Document (SRD) (initial working document revised).
  5. Wireless MAN-Advanced Air Interface for Broadband Wireless Access Systems // IEEE Microwave Theory and Techniques Society.
  6. Trinity SMART sense for remotedevice management // Trinity Telecommunications. August, 2011.
  7. Research and Innovative Technology Administration (RITA). S. Department of Transportation (US DOT). 2011.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.