eng
Современные технологии беспроводного широкополосного доступа вплотную приблизились к новому качеству – к мультимедийным беспроводным сетям четвертого поколения (4G). Развитие идет по двум основным направлениям – технологии объединений 3GPP/3GPP2 (технологии LTE Advanced и UMB) и стандарты консорциума WiMAX (WiMAX релиз 2 и стандарт IEEE 802.16m). Причем лидером в этой гонке пока выступает именно WiMAX – эта технология на шаг опережает конкурентов. Что же предложат нам новые дополнения IEEE 802.16j и m?
Проект IEEE 802.16j
Целевая группа IEEE 802.16j была создана в марте 2006 года для разработки системы мобильной многостадийной ретрансляционной системы в рамках стандарта IEEE 802.16. Фактически эта работа – развитие направления mesh-сетей, уже описанных в стандарте IEEE 802.16-2004 [1]. Однако этот документ рассматривал mesh-сети лишь фиксированного доступа. Стандарт IEEE 802.16j должен улучшить производительность сети при многостадийной передаче, причем как ретрансляторы, так и абонентские станции могут быть мобильными. Мы не будем останавливаться на описании стандарта IEEE 802.16 как такого, поскольку он уже многократно описан (см., например, [1]). Остановимся лишь на принципиальных отличиях новых проектов.
Прежде всего, стандарт IEEE 802.16j вводит новое понятие – релейная станция (ретранслятор, РС). В отличие от mesh-сети, РС может работать в режиме вещания ("точка-многоточка"). Выделяют прозрачный и непрозрачный режим работы РС. В прозрачном режиме РС транслирует только данные, и не транслирует преамбулы и управляющие поля, такие как DL-MAP, UL-MAP и т.п. (рис.1). Эту информацию абонентская станция (АС) получает непосредственно от базовой станции (БС). При этом АС логически никак не взаимодействует с РС (не знает о ее существовании).
В непрозрачном режиме РС передает не только данные, но и преамбулу, а также все управляющие сообщения. По отношению к АС она выглядит как БС, АС физически и логически соединена именно с ней.
Кроме того, РС могут обладать возможностями диспетчеризации и защиты передаваемого трафика (распределенное управление) или не обладать таковыми (централизованное управление). По данным ряда исследователей [2], применение РС в режиме непрозрачности позволяет увеличить общую пропускную способность ячейки более чем на 40% (с 6,2 до 8,8 Мбит/с по данным работы [2]).
Стандарт IEEE 802.16j обеспечивает полную обратную совместимость с IEEE 802.16е (мы сравниваем с дополнением "802.16е" [3, 4], поскольку IEEE 802.16j ориентирован именно на мобильные сети). Однако он обладает и рядом отличий как на физическом, так и на МАС-уровне. В частности, на физическом уровне несколько видоизменяется структура кадров. Общая структура кадров режима OFDMA сохранена. Однако и нисходящий, и восходящий субкадры делятся на интервал доступа и интервал ретрансляции (рис.2). В интервале доступа происходит трансляция между мобильной станцией (МС) и ее станциями доступа – базовой или ретрансляционной в режиме непрозрачности. Его структура полностью соответствует структуре кадра OFDMA.
В интервале ретрансляции происходит радиообмен между БС и РС или только между РС. То есть весь передаваемый в этот момент трафик – это ретранслируемый трафик. Интервал ретрансляции начинается с пакета R-FCH (управляющий заголовок ретрансляционного фрейма), за которым следует управляющая информация (аналог карт DL/UL-MAP, в которых расписано назначение слотов для каждого приемного/передающего устройства). Для синхронизации между РС предусмотрена дополнительная ретрансляционная преамбула (Relay Amble). Она передается в конце нисходящего ретрансляционного интервала, причем может передаваться не в каждом кадре, но не реже чем раз в 40 мс (8 кадров длительностью 5 мс).
На МАС-уровне изменения в IEEE 802.16j коснулись в основном процедур начальной регистрации в сети, авторизации, передачи ключей шифрования и т.п.
Отметим, что РС могут быть фиксированными, номадическими (передвижной ретранслятор) и мобильными. Характерный пример мобильной РС – ретрансляционная станция в скоростном поезде или в автобусе. С точки зрения топологии сети РС возможны самые разнообразные варианты. Например, возможна трансляция данных одной МС от нескольких РС (вариант многоантенной системы MIMO).
Проект IEEE 802.16m
Не менее важными работами занята целевая группа IEEE 802.16m. Она создает спецификации, расширяющие возможности стандарта IEEE 802.16 до требований сетей связи IMT-Advanced, сформулированных Международным союзом электросвязи (ITU) – т.е. сетей широкополосной связи четвертого поколения. К ним, в частности, относят только разрабатываемые стандарты Advanced LTE (3GPP Release 9).
Новый стандарт IEEE 802.16m называется "Улучшенный беспроводный интерфейс" (Advanced Air Interface), из чего следует, что изменения в основном затрагивают физический уровень, при полном соблюдении обратной совместимости с IEEE 802.16е.
Поскольку цель разработчиков – создать стандарт системы связи 4G, одно из основных требований – полная совместимость с другими технологиями IMT-Advanced и IMT-2000. Более того, этот стандарт изначально разрабатывается с учетом особенностей архитектуры сетей и профилей WiMAX. Он предназначен для работы в диапазонах частот менее 6 ГГц, в том числе в диапазонах, предназначенных для ширкокополосных мобильных и фиксированных сетей.
В частности, для систем IMT и IMT-2000, в соответствии с решениями конференций WARC-92, WRC-2000 и WRC-07, выделены следующие диапазоны: 450–470, 698–960, 1710–2025, 2110–2200, 2300–2400, 2500–2690 и 3400–3600 МГц. Должны поддерживаться режимы как частотного, так и временного дуплексирования, причем возможна работа с каналом, образованным несколькими частотными полосами.
Оборудование, соответствующее IEEE 802.16m, будет обладать пиковой пропускной способностью на сектор свыше 150 Мбит/с в нисходящем канале в полосе 20 МГц. Пиковая нормализованная пропускная способность составит не менее 8,0 и 2,8 бит/с/Гц в нисходящем и восходящем каналах, соответственно (табл.1). Задержка передачи пакета данных IP-уровня не превысит 10 мс.
Оборудование IEEE 802.16m обеспечит дополнительный энергетический выигрыш 3 дБ по сравнению с IEEE 802.16e. Возрастет зона покрытия. В ячейках радиусом до 5 км система должна работать с заявленными характеристиками. При увеличении радиуса ячейки до 30 км будет происходить постепенная деградация качества. Но система должна сохранять работоспособность на удалении от БС до 100 км (когда ограничения продиктованы принципиальным барьером в виде теплового шума). Скорость МС может составлять до 350 км/ч.
Системы IEEE 802.16ж будут обеспечивать определение местоположения МС с точностью от 50 до 150 м.
Стандарт IEEE 802.16m изначально предусматривает возможности, разрабатываемые в рамках проекта IEEE 802.16j – т.е. работа в ретрансляционном режиме будет присуща оборудованию IEEE 802.16m (рис.3). При этом ретрансляционные станции IEEE 802.16m не смогут напрямую работать с РС IEEE 802.16j – но в этом едва ли возникнет необходимость. Более того, можно предположить, что дополнение IEEE 802.16j по сути станет составной частью IEEE 802.16m.
Одна из основных особенностей стандарта 802.16m – изменение структуры кадров. Разумеется, стандарт рассматривает исключительно режим OFDMA (табл.2). В IEEE 802.16m введен новый элемент – суперкадр длительностью 20 мс (максимально допустимое время кадра в IEEE 802.16е). Суперкадр (рис.4) делится на четыре кадра длительностью по 5 мс. Если ширина канала составляет 5, 10 или 20 МГц, каждый кадр содержит восемь субкадров. Субкадр может быть присвоен восходящему или нисходящему каналу. При смене направлений передачи (переход от нисходящего к восходящему каналу и наоборот) между субкадрами противоположных направлений добавляется интервал (точка) переключения (см. табл.2). В каждом кадре режима временного дуплексирования (TDD) может быть две или четыре точки переключения. Субкадры бывают двух типов – содержащие шесть (тип 1) и семь (тип 2) OFDM-символов.
Изменения в кадровой структуре были направлены на обеспечение совместимости как с предыдущими версиями стандарта IEEE 802.16, так и с другими стандартами широкополосной передачи, входящими в пул IMT-2000 и IMT-Advanced (например, LTE). Для поддержки всех этих возможностей вводится понятие временных зон. Зона – это один или несколько смежных субкадров. В каждой такой зоне может передаваться трафик только для устройств IEEE 802.16е или только для устройств IEEE 802.16m (рис.5). Кроме того, каждая зона может дополнительно подразделяться на временные интервалы для поддержки режимов ретрансляции (отдельно зоны IEEE 802.16е/j и зоны IEEE 802.16m, поскольку протоколы ретрансляции в них различны).
Кроме того, стандарт IEEE 802.16m позволяет работать с широкими каналами – более 20 МГц. Такие каналы представляют собой совокупность нескольких стандартных каналов (рис.6). При этом отпадает необходимость в защитных частотных интервалах между каналами, что увеличивает доступную полосу пропускания. А гибкое регулирование структуры кадра позволяет обеспечивать совместимость с традиционными устройствами IEEE 802.16.
Оборудование IEEE 802.16m должно быть совместимым с устройствами IMT-2000 и IMT-Advanced. Совместимость подразумевает, прежде всего, отсутствие интерференции сигналов от устройств различных стандартов. Этого можно добиться, используя схожие структуры кадров в этих стандартах. Необходимо, чтобы нисходящие и восходящие потоки различных систем совпадали по времени. И кадровая структура IEEE 802.16m обеспечивает такую возможность путем добавления пустых символов и выбора соответствующей структуры кадра. В частности, на рис.7 показан режим совместимости с оборудованием стандарта LTE [5].
Стандарт IEEE 802.16m содержит ряд других важных изменений. Так, активнее используются системы MIMO. Минимальная конфигурация в нисходящем канале предусматривает две передающие антенны на БС (в секторе) и две приемные антенны на МС. Всего же возможно до восьми передающих антенн на БС и до восьми приемных – на МС (допустимые конфигурации в нисходящем канале, передающие×приемные антенны – 2×2, 4×2, 4×4, 8×2, 8×4, 8×8). В восходящем канале на БС должно быть не менее двух приемных антенн, на МС – 1, 2 или 4 передающих. Помимо числа антенн, расширяются возможности режимов MIMO. Вводится режим Multi-user MIMO, в соответствии с которым единовременно и на одних частотах возможна трансляция информации различным пользователям. При этом при двух передающих антеннах на БС поддерживается до двух абонентов, при четырех и восьми передающих антеннах – до четырех пользователей.
Таким образом, стандарт IEEE 802.16m – это фактически аналог стандарта LTE-Advanced. А появиться он должен к середине 2010 года – когда только ожидаются первые системы стандарта LTE. Таким образом, с появлением IEEE 802.16m, учитывая его гибкость и имманентные возможности в плане совместимости с другими технологиями, можно будет реально говорить о создании систем мобильной связи 4G.
Литература
1. Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. – М.:Техносфера, 2009.
2. M.Okuda et al. Multihop Relay Extension for WiMAX Networks – Overview and Benefits of IEEE IEEE 802.16j Standard/ – FUJITSU Sci. Tech. Journal, 44, 3, July 2008, p.292–302.
3. Шахнович И. Широкополосная мобильность: IEEE 802.16е. Часть 1: МАС-уровень. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №2, с.18–27.
4. Шахнович И. Широкополосная мобильность: IEEE 802.16е. Часть 2: физический уровень и элементная база. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №1, с.98–104.
5. Вишневский В., Красилов А., Шахнович И. Технология сотовой связи LTE – почти 4G. – Первая миля, 2009, №2, с.2–13.
Целевая группа IEEE 802.16j была создана в марте 2006 года для разработки системы мобильной многостадийной ретрансляционной системы в рамках стандарта IEEE 802.16. Фактически эта работа – развитие направления mesh-сетей, уже описанных в стандарте IEEE 802.16-2004 [1]. Однако этот документ рассматривал mesh-сети лишь фиксированного доступа. Стандарт IEEE 802.16j должен улучшить производительность сети при многостадийной передаче, причем как ретрансляторы, так и абонентские станции могут быть мобильными. Мы не будем останавливаться на описании стандарта IEEE 802.16 как такого, поскольку он уже многократно описан (см., например, [1]). Остановимся лишь на принципиальных отличиях новых проектов.
Прежде всего, стандарт IEEE 802.16j вводит новое понятие – релейная станция (ретранслятор, РС). В отличие от mesh-сети, РС может работать в режиме вещания ("точка-многоточка"). Выделяют прозрачный и непрозрачный режим работы РС. В прозрачном режиме РС транслирует только данные, и не транслирует преамбулы и управляющие поля, такие как DL-MAP, UL-MAP и т.п. (рис.1). Эту информацию абонентская станция (АС) получает непосредственно от базовой станции (БС). При этом АС логически никак не взаимодействует с РС (не знает о ее существовании).
В непрозрачном режиме РС передает не только данные, но и преамбулу, а также все управляющие сообщения. По отношению к АС она выглядит как БС, АС физически и логически соединена именно с ней.
Кроме того, РС могут обладать возможностями диспетчеризации и защиты передаваемого трафика (распределенное управление) или не обладать таковыми (централизованное управление). По данным ряда исследователей [2], применение РС в режиме непрозрачности позволяет увеличить общую пропускную способность ячейки более чем на 40% (с 6,2 до 8,8 Мбит/с по данным работы [2]).
Стандарт IEEE 802.16j обеспечивает полную обратную совместимость с IEEE 802.16е (мы сравниваем с дополнением "802.16е" [3, 4], поскольку IEEE 802.16j ориентирован именно на мобильные сети). Однако он обладает и рядом отличий как на физическом, так и на МАС-уровне. В частности, на физическом уровне несколько видоизменяется структура кадров. Общая структура кадров режима OFDMA сохранена. Однако и нисходящий, и восходящий субкадры делятся на интервал доступа и интервал ретрансляции (рис.2). В интервале доступа происходит трансляция между мобильной станцией (МС) и ее станциями доступа – базовой или ретрансляционной в режиме непрозрачности. Его структура полностью соответствует структуре кадра OFDMA.
В интервале ретрансляции происходит радиообмен между БС и РС или только между РС. То есть весь передаваемый в этот момент трафик – это ретранслируемый трафик. Интервал ретрансляции начинается с пакета R-FCH (управляющий заголовок ретрансляционного фрейма), за которым следует управляющая информация (аналог карт DL/UL-MAP, в которых расписано назначение слотов для каждого приемного/передающего устройства). Для синхронизации между РС предусмотрена дополнительная ретрансляционная преамбула (Relay Amble). Она передается в конце нисходящего ретрансляционного интервала, причем может передаваться не в каждом кадре, но не реже чем раз в 40 мс (8 кадров длительностью 5 мс).
На МАС-уровне изменения в IEEE 802.16j коснулись в основном процедур начальной регистрации в сети, авторизации, передачи ключей шифрования и т.п.
Отметим, что РС могут быть фиксированными, номадическими (передвижной ретранслятор) и мобильными. Характерный пример мобильной РС – ретрансляционная станция в скоростном поезде или в автобусе. С точки зрения топологии сети РС возможны самые разнообразные варианты. Например, возможна трансляция данных одной МС от нескольких РС (вариант многоантенной системы MIMO).
Проект IEEE 802.16m
Не менее важными работами занята целевая группа IEEE 802.16m. Она создает спецификации, расширяющие возможности стандарта IEEE 802.16 до требований сетей связи IMT-Advanced, сформулированных Международным союзом электросвязи (ITU) – т.е. сетей широкополосной связи четвертого поколения. К ним, в частности, относят только разрабатываемые стандарты Advanced LTE (3GPP Release 9).
Новый стандарт IEEE 802.16m называется "Улучшенный беспроводный интерфейс" (Advanced Air Interface), из чего следует, что изменения в основном затрагивают физический уровень, при полном соблюдении обратной совместимости с IEEE 802.16е.
Поскольку цель разработчиков – создать стандарт системы связи 4G, одно из основных требований – полная совместимость с другими технологиями IMT-Advanced и IMT-2000. Более того, этот стандарт изначально разрабатывается с учетом особенностей архитектуры сетей и профилей WiMAX. Он предназначен для работы в диапазонах частот менее 6 ГГц, в том числе в диапазонах, предназначенных для ширкокополосных мобильных и фиксированных сетей.
В частности, для систем IMT и IMT-2000, в соответствии с решениями конференций WARC-92, WRC-2000 и WRC-07, выделены следующие диапазоны: 450–470, 698–960, 1710–2025, 2110–2200, 2300–2400, 2500–2690 и 3400–3600 МГц. Должны поддерживаться режимы как частотного, так и временного дуплексирования, причем возможна работа с каналом, образованным несколькими частотными полосами.
Оборудование, соответствующее IEEE 802.16m, будет обладать пиковой пропускной способностью на сектор свыше 150 Мбит/с в нисходящем канале в полосе 20 МГц. Пиковая нормализованная пропускная способность составит не менее 8,0 и 2,8 бит/с/Гц в нисходящем и восходящем каналах, соответственно (табл.1). Задержка передачи пакета данных IP-уровня не превысит 10 мс.
Оборудование IEEE 802.16m обеспечит дополнительный энергетический выигрыш 3 дБ по сравнению с IEEE 802.16e. Возрастет зона покрытия. В ячейках радиусом до 5 км система должна работать с заявленными характеристиками. При увеличении радиуса ячейки до 30 км будет происходить постепенная деградация качества. Но система должна сохранять работоспособность на удалении от БС до 100 км (когда ограничения продиктованы принципиальным барьером в виде теплового шума). Скорость МС может составлять до 350 км/ч.
Системы IEEE 802.16ж будут обеспечивать определение местоположения МС с точностью от 50 до 150 м.
Стандарт IEEE 802.16m изначально предусматривает возможности, разрабатываемые в рамках проекта IEEE 802.16j – т.е. работа в ретрансляционном режиме будет присуща оборудованию IEEE 802.16m (рис.3). При этом ретрансляционные станции IEEE 802.16m не смогут напрямую работать с РС IEEE 802.16j – но в этом едва ли возникнет необходимость. Более того, можно предположить, что дополнение IEEE 802.16j по сути станет составной частью IEEE 802.16m.
Одна из основных особенностей стандарта 802.16m – изменение структуры кадров. Разумеется, стандарт рассматривает исключительно режим OFDMA (табл.2). В IEEE 802.16m введен новый элемент – суперкадр длительностью 20 мс (максимально допустимое время кадра в IEEE 802.16е). Суперкадр (рис.4) делится на четыре кадра длительностью по 5 мс. Если ширина канала составляет 5, 10 или 20 МГц, каждый кадр содержит восемь субкадров. Субкадр может быть присвоен восходящему или нисходящему каналу. При смене направлений передачи (переход от нисходящего к восходящему каналу и наоборот) между субкадрами противоположных направлений добавляется интервал (точка) переключения (см. табл.2). В каждом кадре режима временного дуплексирования (TDD) может быть две или четыре точки переключения. Субкадры бывают двух типов – содержащие шесть (тип 1) и семь (тип 2) OFDM-символов.
Изменения в кадровой структуре были направлены на обеспечение совместимости как с предыдущими версиями стандарта IEEE 802.16, так и с другими стандартами широкополосной передачи, входящими в пул IMT-2000 и IMT-Advanced (например, LTE). Для поддержки всех этих возможностей вводится понятие временных зон. Зона – это один или несколько смежных субкадров. В каждой такой зоне может передаваться трафик только для устройств IEEE 802.16е или только для устройств IEEE 802.16m (рис.5). Кроме того, каждая зона может дополнительно подразделяться на временные интервалы для поддержки режимов ретрансляции (отдельно зоны IEEE 802.16е/j и зоны IEEE 802.16m, поскольку протоколы ретрансляции в них различны).
Кроме того, стандарт IEEE 802.16m позволяет работать с широкими каналами – более 20 МГц. Такие каналы представляют собой совокупность нескольких стандартных каналов (рис.6). При этом отпадает необходимость в защитных частотных интервалах между каналами, что увеличивает доступную полосу пропускания. А гибкое регулирование структуры кадра позволяет обеспечивать совместимость с традиционными устройствами IEEE 802.16.
Оборудование IEEE 802.16m должно быть совместимым с устройствами IMT-2000 и IMT-Advanced. Совместимость подразумевает, прежде всего, отсутствие интерференции сигналов от устройств различных стандартов. Этого можно добиться, используя схожие структуры кадров в этих стандартах. Необходимо, чтобы нисходящие и восходящие потоки различных систем совпадали по времени. И кадровая структура IEEE 802.16m обеспечивает такую возможность путем добавления пустых символов и выбора соответствующей структуры кадра. В частности, на рис.7 показан режим совместимости с оборудованием стандарта LTE [5].
Стандарт IEEE 802.16m содержит ряд других важных изменений. Так, активнее используются системы MIMO. Минимальная конфигурация в нисходящем канале предусматривает две передающие антенны на БС (в секторе) и две приемные антенны на МС. Всего же возможно до восьми передающих антенн на БС и до восьми приемных – на МС (допустимые конфигурации в нисходящем канале, передающие×приемные антенны – 2×2, 4×2, 4×4, 8×2, 8×4, 8×8). В восходящем канале на БС должно быть не менее двух приемных антенн, на МС – 1, 2 или 4 передающих. Помимо числа антенн, расширяются возможности режимов MIMO. Вводится режим Multi-user MIMO, в соответствии с которым единовременно и на одних частотах возможна трансляция информации различным пользователям. При этом при двух передающих антеннах на БС поддерживается до двух абонентов, при четырех и восьми передающих антеннах – до четырех пользователей.
Таким образом, стандарт IEEE 802.16m – это фактически аналог стандарта LTE-Advanced. А появиться он должен к середине 2010 года – когда только ожидаются первые системы стандарта LTE. Таким образом, с появлением IEEE 802.16m, учитывая его гибкость и имманентные возможности в плане совместимости с другими технологиями, можно будет реально говорить о создании систем мобильной связи 4G.
Литература
1. Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. – М.:Техносфера, 2009.
2. M.Okuda et al. Multihop Relay Extension for WiMAX Networks – Overview and Benefits of IEEE IEEE 802.16j Standard/ – FUJITSU Sci. Tech. Journal, 44, 3, July 2008, p.292–302.
3. Шахнович И. Широкополосная мобильность: IEEE 802.16е. Часть 1: МАС-уровень. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №2, с.18–27.
4. Шахнович И. Широкополосная мобильность: IEEE 802.16е. Часть 2: физический уровень и элементная база. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №1, с.98–104.
5. Вишневский В., Красилов А., Шахнович И. Технология сотовой связи LTE – почти 4G. – Первая миля, 2009, №2, с.2–13.
Отзывы читателей
