Технически Университет - София

Радиокомуникационна техника

Курсов проект

Тема: WiMAX и еволюцията към SDR/CR

Изпълнил: Максим Шупак

Ръководител: проф. Д. Добрев

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access,

тоест “световно съвместим безжичен достъп”) технологията се

основава върху семейството стандарти 802.16 на IEEE, които са два вида:

тези, позволяващи мобилност на устройствата на абонатите и тези,

ограничаващи прилагането на технологията само за фиксирано безжично

пренасяне на данни. Стандарта 802.16e, приет през 2005 година, въвежда

въможността за мобилност на клиентските устройства, запазвайки

всичките възможности на предишните ревизии на стандарта. Най-

важното свойство на тази технология е нейна универсалност – предполага

се използване на разстояния от няколко километъра, в честотния обхват

2-11 GHz, при наличие/отсъствие на пряка видимост.

Най-важни свойства на WiMAX:

работи в свободни/лицензируеми обхвати (гъвкавост)

3 обхвата по стандарт (2496-2690 MHz, 3650-3700 MHz, 5.8 GHz)

заделяне на честотна лента от 1.25 до 20 MHz (ефективност)

могат да се приложат най-различни видове модулации – BPSK,

QPSK, OFDM, OFDMA

използват се усъвършенствани антени (Intelligent Antenna, MIMO)

висока спектрална ефективност (от порядъка на 3.7 (bit/s)/Hertz)

WiMAX трябва да подхожда за много приложения:

осигуряване на свързаност в отдалечени и труднодостъпни райони,

където са неизгодни други технологии

осигуряване на допълнителен капацитет за вече съществуващи

мрежи

алтернатива на мобилните мрежи или надстройка върху тях

решение за проблема на тъй-наречената «последна миля»

По-надолу са разгледани няколко технологии, които позволяват една

постепенна еволюция на съществуващите технологии към Cognitive

Radio/Software Defined Radio, като някои са по-ефективни, други вече

отстъпват място на нови такива, но като цяло тенденцията е използването

на повече антени, повече изчислителна мощност, с по-малки размери, по-

голяма интеграция, по-малка разсейвана топлина и, разбира се, по-малка

цена.

Cognitive Radio – идеята за когнитивно радио е била за пръв път

озвучена през 1999 г., като идеалното такова радиоустройство може да

си променя параметрите автоматично, във връзка с промяна на

външни или вътрешни условия, за да постигне максимална

ефективност на работа. Промените стават независимо от хардуерното

изпълнение на самите устройства, като по такъв начин осигурява се

универсалност, гъвкавост и независимост – устройствата могат да

работят навсякъде по света, осигурявайки възможно най-добрите

резултати, дори поставени в тежки условия.

Напредъкът в технологиите дава възможността вече днес да се

прилагат някои от възможностите на CR посредством една друга

технология – Software Defined Radio (SDR) или софтуерно

дефинирано радио. SDR позволява приемане/предаване на сигнали в

широк честотен обхват, с най-различни видове модулации,

посредством приспособяване на софтуера на програмируемия хардуер

на реалните устройства. Многобройни изследвания са показали че

наличните честотни ресурси се използват неефективно – пример са

много тежкото натоварване на GSM-обхвата и сравнително слабото –

на останалите.

Друг проблем на съществуващите системи за безжична връзка е

разлика в технологиите и оттук – несъвместимостта на устройствата.

Например, преминаването от GSM към UMTS изисква от потребителя

смяна на устройството. Засега, решението на този проблем са

устройствата, можещи да работят по няколко технологии, но това ги

оскъпява и усложнява. SDR позволява това да се избегне, като в

идеалния случай смяна на технологиите ще означава само смяна на

софтуера на устройството, без задължителна смяна и на хардуера.

По такъв начин, очаква се еволюцията на всички радиоустройства към

когнитивност да стане посредством един промежутъчен етап –

софтуерно дефиниране. Също така, очаква се по-ефективно

използване на честотния ресурс – ако всички устройства са

когнитивни, тогава няма нужда от заделяне на честоти за различни

технологии, а само от един универсален обхват за всички устройства.

Тъй като напълно когнитивното радио е все още нереализуемо,

стремежа сега е разработването и имплементирането на тъй-

нареченото “спектрално когнитивно радио”, поради очевидната

първостепенна важност от ефективното използване на спектъра.

Навлизането на многобройни безжични технологии поставя много

тежки изисквания към ограничените честотни ресурси, особенно в

обхватите до 10 GHz.

Спектрално когнитивното радио поставя редица предизвикателства:

определяне на неизползван в момента честотен ресурс (само

липсата на енергия не е достатъчен критерий)

взимане на решения за най-подходящите честоти за работа,

задоволяващи изискванията за качество на връзката

споделяне на общ честотен ресурс (ценнен опит от използването на

ICM-обхвата)

динамична смяна на използваните честоти (аналогично на handover

при GSM)

Една стъпка към софтуерно дефинираното радио са тъй-наречените

“интелигентни антени”. Тази технология е много привлекателна, тъй

като позволява с малки промени да се постигне голям ефект.

Същността ѝ се състои в следното – ако в предавателя и в приемника

използваме повече от една антена (антенни решетки), може да се

постигне значително увеличаване на капацитета на общия канал и

намаляване на интерференцията. Наричат се още MIMO (Multiple input

multiple output – много входове много изходи), противоположно на

класическите SISO (single input single output – един вход един изход)

Графична илюстрация на MIMO: пространствено мултиплексиране на данните от два потребителя и на данните от един и същ потребител (но предадени с две антени). По такъв начин, от предавателя към приемника имаме 4 потока от данни.

Антенните решетки позволяват формиране на много тясно насочени

диаграми на насочено действие, комбинирайки отделните диаграми на

изграждащи ги елементи. Това дава възможността за

пространственото мултиплексиране. Оказва се че използването на две

или повече антени позволява да се намали консумираната мощност от

РЧУ (радиочестотния усилвател) при същата скорост на предаване на

информацията. Освен това MIMO означава не само използването на

две антени, но и алгоритмите на разделяне на данните между двете

така че да се спечели и от това. Основно се използва Cyclic Delay

Diversity. Друг начин е Tile Switched Diversity.

Cyclic Delay Diversity предполага изпращане на закъсняло копие на

сигнала през втората антена, както е илюстрирано на фигурата

(отстранява ефективно фадинга).

Tile Switched Diversity предполага разделяне на потока от данни на 2

части, които се излъчват през двете антени, като двете групи от по 3

“tiles” се събират в един “timeslot”.

В този случай се оказва че може да подадем на двете антени сигнали с

мощност 23 dBm и крайния резултат да е същия, ако подадем на една

антена сигнал с мощност 28 dBm. При практическите измервания, се

оказва че консумираната мощност намалява от 1450 mW до 650 mW.

Това позволява използването на по-маломощни усилватели, с по-

малки размери и по-малка стойност.

В този случай се сравняват 2 клетки: с една антена и с две, като в

двата случая подадената мощност е същата. Оказва се че използването

на «интелигентните антени» позволява увеличаването на радиуса на

клетката с 41%, а на площта на покритие с до 99%, при това на по-

малка цена и с минимални промени по самите устройства.

С оранжев цвят са показани промените които трябва да се направят в

едно устройство за преминаване от работа с една антена към работа с

две.

На тази графика е показано съответствието между отношението

Carrier/Noise и цифровата грешка при SISO и различни видове MIMO.

На горната фигура е показан начинът на работа на една адаптивна

антенна решетка, посредством формиране на такива диаграми на

излъчване, че максимумът да е точно насочен към дестинацията, а

нулите – към другите приемници. Това означава, че предавателите

трябва с голяма точност да “знаят” къде се намират съответните

устройства.

Една технология, която е също от голямо значение за WiMAX е

OFDM (с последващата еволюция към OFDMA ), позволяваща

гъвкавост, устойчивост към фадинг и междусимволни влияния. В

последните години на бурно развитие на безжичните комуникации

OFDM е станал де-факто стандарт за такива устройства.

OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access (или

множествен достъп с разделяне на ортогонални честоти) позволява не

само предаването на поток от данни посредством разделянето им на

групи от много сигнали с различни подносещи честоти (128, 256, 512,

1024 или 2048 на брой), но и заделяне на определен брой носещи

честоти за определени потребители. По такъв начин, устройствата

могат много бързо да “обменят” носещите честоти, търсейки най-

добрите възможно условия за работа. По такъв начин може да се

образува тъй наречен “wireless mesh”, тоест много безжични

устройства които разпределят помежду си честотния ресурс и

изчисленията в системата.

Като заключение е подходящо да се отбележи че много високо

вдигнатата летва на 4G технологията е стимулирала по естествен

начин развитието на напълно нови технологии, както и

усъвършенстването на вече съществуващите. WiMAX, като една от

технологиите целящи да постигнат параметрите на 4G, съдържа много

иновативни решения, позволявайки невиждана до сега гъвкавост и

ефективност. Разбира се, има още много проблеми, които чакат своите

решения – и с тях ще дойде по-голяма свобода за потребителите, по-

голямо удобство и по-голямо проникване на цифровите технологии

там, където досега това е било невъзможно.

Използвани източници:1.An Analysis of the Benefits of Uplink MIMO in Mobile WiMAX Systems; Bilel Bouraoui, Amélie Duchesne, Bertrand Muquet, Ambroise Popper; June 20082. SDR architecture ideally suited for evolving 802.16 WiMAX standards, Michael Komara3. http://www.sdrforum.org/4. http://www.wimaxforum.org/