Основы стандарта 802.16

1

Основы 802.16

КПЗанятие 3

Основы стандартаРасчет

Оборудование

2

Терминология

• TDD - time division duplex (Дуплексный режим с временным разделением)

• FDD - Frequency-division Duplexing (Дуплексный режим с частотным разделением.)

• OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (устойчивость к эффекту многолучевого распространения)

• OFDMA - Orthogonal frequency-division multiplexing Access

3

Общие принципы 802,16WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

• IEEE 802.16 - магистральные сети, т-т, т-мт, прямая видимость• IEEE 802.16d - "Fixed WiMAX“ (802.16-2004)• IEEE 802.16e - Mobile WiMAX (802.16e-2005)

Задачи стандарта- Альтернатива DSL- Широкополосный доступ для моб. устройств- Мультисервисная сеть (поддержка набора услуг с разным QoS)

Стандартизация- физический- MAC-уровни[радиоинтерфейсы, методы модуляции идоступа к каналам, Системы управления потоками, структуры передаваемых данных, механизмы сопряжения

протоколов верхних уровней и 802.16]

4

Основные параметры стандарта

5

Mobile WiMAX• Мобильность (хендовер)• Adaptive antenna system (AAS) и MIMO• Гибкость для работы в полосах частот

различной ширины

6

Соединения и сервисные потоки

• Сервисный класс – устойчивый набор параметров для стандартных приложений

• Соединение – установление логической связи на MAC уровнях на приемной и передающей стороне для передачи сервисного потока

• Определяется идентификатором соединения - CID (16-разр.)

• Одна АС/БС может поддерживать несколько CID одновременно для разных услуг – VoIP, IPTV, данные, E1 и т.д. (большой офис)

Сервисный класс -> Сервисный поток -> Соединение

7

Соединения и сервисные потоки

• Сервисный поток – поток данных, связанный с определенным приложением.

• Характеризуется набором требований QOS – время задержки, - джитер, - гарант. полоса пропускания

• Определяется идентификатором SFID (32 разр.)

Сервисный класс -> Сервисный поток -> Соединение

8

Физический уровень

Методы передачи данных• SC (Single carier)• OFDM • OFDMA

Пакеты

Кадры, фреймы

9

Предоставление ресурсов

АС распределяет ресурсы

10

Кадры IEEE 802.16Кадр = Субкадр (АС->БС ) + Субкадр (БС->АС )Частотное разделение FDD (Разные частоты, DL/UL одновременно)Временное разделение TDD (Одна частота, DL кадр, UL кадр)UL-MAP, DL-MAP

11

Низходящий канал (downlink)БС-> АСПередача DL без интервала, DL-MAPДуплексные или полудуплексные АСFDD (Прием, Передача в TDMA области)

12

Восходящий канал (Uplink)АС - > БСБС распределяет ресурсыTDMA (резервирование

таймлотов (ТС))UL-MAP – распределение ТСПреамбула

13

OFDM

14

OFDMA

15

Методы распределения несущих

Кадр <-> посл-ть OFDM симв <-> набор подканаловСлот=минимальный ресурс для передачи данных, один подканал

16

Методы распределения несущих

Подканал – набор несущих частотFUSCPUSC

17

Распределение поднесущих в режиме PUSC - 802.16e

Полоса частотного канала, МГц 1,25 5 10 20

Число поднесущих 128 512 1024 2048

Число поднесущих в кластере 14 14 14 14

Число кластеров 6 30 60 120

Число подканалов 3 15 30 60

Поднесущие, используемые для

передачи данных

72 360 720 1440

Пилотные поднесущие 12 60 120 240

Защитные поднесущие

(слева/справа)

22/21 46/45 92/91 184/18

3

18

MAC уровень

19

MAC уровень• Поток данных – поток пакетов.• На подуровене MAC формируются пакеты

MAC PDU

20

Кодирование

21

Таблица 2. Скорости передачи в зависимости от ширины канала и профиля передачи (соотношение времени передачи вниз ко времени передачи вверх 3:1).

Ширина канала 1,25 МГц 5 МГц 10 МГц

Число

поднесущих

128 512 1024

Модуляция и

кодирование

Скорость передачи в Мбит/с

вниз вверх вниз вверх вниз вверх

4-ФМ, 1/2 0,504 0,154 2,520 0,653 5,040 1,344

4-ФМ, 3/4 0,756 0,230 3,780 0,979 7,560 2,016

16-КАМ, 1/2 1,008 0,307 5,040 1,306 10,080 2,688

16-КАМ, 3/4 1,512 0,461 7,560 1,985 15,120 4,032

64-КАМ, 1/2 1,512 0,461 7,560 1,985 15.120 4,032

64-КАМ, 2/3 2,016 0,614 10,080 2,611 20,160 5,376

64-КАМ, 3/4 2,268 0,691 11,340 2,938 22,680 6,048

64-КАМ, 5/6 2,520 0,768 12,600 3,264 25,200 6,720

22

Архитектура WiMAX сети

• абонентские (мобильные) станции (МС), • совокупность сетей доступа (сервисная сеть

доступа, ASN)• совокупность сетей подключения (CSN)

23

Архитектура WiMAX сети

SS/MS: the Subscriber Station/Mobile Station

ASN: the Access Service Network[19]• BS: Base station, part of the ASN• ASN-GW: the ASN Gateway, part of the ASN

CSN: the Connectivity Service Network• HA: Home Agent, part of the CSN• AAA: Authentication, Authorization and

Accounting Server, part of the CSN

• NAP: a Network Access Provider• NSP: a Network Service Provider

24

РАСЧЕТ

В тех условиях указывается какой % пользователей какие услуги будет получать.

Пример

Таблица 1. Набор услуг пользователей

i (номер

услуги)

Название услуги % _ пользователей _трафик услуги

1 Услуга 1 10% пользователей 2 Mbit/c

2 Услуга 2 20% 3 Мбит/с

3 Услуга 3 30% 1 Мбит/с

4 Услуга 4 40% bestEffort

Указывается - симметричные каналы или несимметричные (АС не поддерживают QAM 64)

При планировании учитывается доступность ресурсов по направлениям downstream и

upstaream

Указывается % подключенных абонентов (Проц_подкл) от всего населения (Всего_жит)

Задается коэффициент повторного использования КПИ=1/20 ( Например 1:20) - означает, что

из каждых 20 абонентов один постоянно активен.

При запуске сети - в ASN формируются профили, на основании которых предлагаются услуги

Пример

1 голосовой канал + ПД 2 Мбит

2 голосовых + ПД 1 Мбит

Best Effort (разделяют доступную оставшуюся полосу пропорционально между

подключенными абонентами)

25

• Оценка зоны покрытия• При расчете зоны покрытия • 1) 20 дб - берется запас - затухание в

зданиях• для установки антенн выбираются

самые высокие точки на местности (определить по карте)

• взаимные помехи от БС учитываются за счет корректного распределения частот

• • Рисунок 1. Пример распределения

частотного ресурса для 3х секторных БС

• При частотном планировании

26

Таблица 2. Антенны и их характеристики

Модель Краткое описание Полоса, МГц Усиление, dBi

RAS-12X-60

Панельная секторная, сектор в гор.пл. 600

3400-3600 12

RAS-15X-60

Панельн., секторн., сектор в гор. пл. 60°

3400-3600 15

RAS-18X-60


3400-3600 18

RAS-14X-90


3400-3600 14

RAS-13X-120


3400-3600 13

A-8Y

Коллинеарная, всенаправленная

5150-5350 8

A-11Y


5150-5350 11

SU-12Y Абонентская, направленная 5150-5350 12



RAS-16Y-90


5125-5350 16

RAS-15Y-120


5125-5350 15

A-8Z


5750-5850 8

A-11Z


5750-5850 11

SU-12Z Абонентская, направленная 5750-5850 12



RAS-18Z-90


5725-5850 18

RAS-16Z-120


5725-5850 16

27

• При расчетах учитывать, что БС - адаптивная модуляция 64 QAM для трафика downstream (оператор -> абонент). Однако - абонентские устройства как правило не поддерживают 64 QAM и поэтому upstream скорость ниже.

• Оценка доступной для пользователей полосы пропускания• 64 QAM (64Мбит) - помехоустойчивый код 5/6 - служебная

информация -> 54 Мбит для пользователей• Абонентские станции - описание и характеристики из даташита

производителя• 16 QAM - максимально - кодирование3/4 (1/4 от 16 Мбит/с

откинуть) - служебная информация = ~ 11 Мбит сильно зависит от помехоустойчивой обстановки - соотношение сигнал / шум на БС и АС

28

АлгоритмрасчетаколичестваБС

1) определить число одновременно активных пользователей - всего польз* КПИ

2)определить необходимую пропускную способность на этих пользователей (upstream и

downstream) - BMinUPL, BMinDL

Для downstream

_

1% _ _

число услуг

iBMinDL пользователей трафик услуги

Аналогично для upstream.

3)определить поддерживаема пропускную способность на один сектор и на всю БС

(uplink/downlink) - B_BS_UL, B_BS_DL.

При расчете учесть, что для стандарта 802.16 ГКРЧ определяет частотный диапазон БС_TX

3400-3450 МHz (полоса 50 MHz) , БС_RX 3500-3550 MHz. (полоса 50 MHz).

29

4)выбрать кол-во секторов на БС - 3 сектора. Рассчитать число БС, как

BNU= BMinUPL/ B_BS_UL

BND= BMinDL/ B_BS_DL

N=ОКРУГЛЕНИЕ_ВВЕРХ (max(BNU, BND))

5)указать распределение частот + распределение БС с учетом выбора высот местности

6)установить БС, чтобы обеспечить расчетные показатели downstream не должен переходить к

модуляции 16QAM 1/2 для большинства пользователей.

Формула расчета потерь в свободном пространстве и допустимых потерь - см Расчет величины

затухания сигнала

Учитывать потери 20 дБ внутри зданий как запас на замирание сигнала

Алгоритм расчета для downstream БС-АС

Выбор 3 секторов в одной БС

Усиление антенны передатчика БС УА_перед_БС - из документации по антенне, зависит от

числа секторов и выбранной антенны

Мощность передатчика БС - - согласно параметрам БС(Таблица 6)

30

Таблица 4. Параметры БС Алварион 3500

Item Description

Operation Mode TDD

Channel Bandwidth ■ 5 MHz

■ 7 MHz (not applicable for the 2.x GHz band)

■ 10 MHz Central Frequency Resolution 0.125 MHz (actual configurable frequencies depend on the local radio

regulations and allocated spectrum)

Modulation OFDM modulation, 1024/512 FFT points; QPSK, QAM16, QAM64

Access Method OFDMA

FEC Convolutional Turbo Coding: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6

31

Таблица 5. Чувствительность приемника БС. Per Channel Sensitivity, AWGN @ PER=1%

Modulation & Coding

Sensitivity (dBm), 5 MHz Bandwidth



QPSK 1/2 -97.3 -95.8 -94.2

QPSK 3/4 -94.9 -93.4 -91.8

16QAM 1/2 -92.2 -90.7 -89.1

16QAM 3/4 -88.3 -86.8 -85.2

64QAM1/2 -86.8 -85.3 -83.7

64QAM2/3 -83.0 -81.5 -79.9

64QAM3/4 -82.2 -80.7 -79.1

64QAM5/6 -81.0 -79.5 -77.9

* For second order receive diversity configurations sensitivity is improved by 3 dB.

For fourth order receive diversity configurations sensitivity is improved by 6 dB.

32

Таблица 6. Параметры БС. Характеристики передатчика.

Item Description

Frequency Band ODU-3400-3600-000N-37-2x2-N-0: 3400-3600

MHz ODU-3475-3675-000N-37-2x2-N-0: 3475-3675 MHz Ports Configuration 2x2 (2Rx, 2Tx)

Bandwidth Support Up to 30 MHz

Beam Forming Support Yes

Maximum Tx Power) 37 dBm

Tx Power Control Range 10 dB, in 1 dB steps

Tx Power Accuracy +/- 1 dB

Maximum Input Power @ antenna port

-60 dBm before saturation, -8 dBm before damage

Noise Figure 4.5 dB typical , 5.5 dB maximum

Dimension 420 x 340 x 270 mm

Weight 17 Kg

Connectors ANT: 2 x N-Type jack, 50 Ohm, lightning

protected IF: 2 x TNC jack, 50 Ohm, lightning protected Power Source -40.5 to -60 VDC over the IF cable

Power Consumption Transmit - 180W

maximum Receive - 40W

maximum

33

Чувствительность приемника АС - - из таблицы 5. Выбирается для минимально допустимого

порога для обеспечения приема на QAM16 3/4 для downlink. (Таблица 8)

Таблица 7. Характеристики АС

34

Потери в кабеле при передаче БС принять как 3 dBm

Потери в кабеле при приеме на АС - для USB модемов принять 0 дБ, так как уже учтено в

показателе Чувствительность приемника АС

Усиление антенны АС при приеме - указывается в документации. Для USB как правило

используется OMNI антенна, усиление которой составляет 2dBi-8dBi. Значение может выбираться в

соответствии с таблицей 7

Запас на замирание сигнала брать 20 dBm

Допустимое_затухание_downstream_БСкАС= мощность передтчика БС– потери в кабеле

при передаче от БС + усиление антенны сектора БС при передаче + усиление антенны АС при

приеме – потери в кабеле при приеме на АС– чувствительность приемника АС– запас на

замирание сигнала

R=Расстояние (км) = 10(потери в свободном пространстве дБ – 32.44 – 20log10(f

Мгц))/20

35

7) при невыполнении пп 6, если БС при задангом расположении, в имеющемся количестве не

перекрывают R, увеличить число БС, сохранив или изменив число секторов. Выполнить повторно пп

5-7.

в рамках проекта - решается оптимизационная задача - использование наименьшего

частотного ресурса, наименьшего взаимного влияния БС друг на друга, наименьшего числа БС,

обеспечение достаточного уровня сигнала для большинства пользователей, достижения

наибольшей производительности сети, достижение наивысшей загрузки сети, минимальная

стоимость оборудования и решения + корректное распределение нагрузки по сети.

На практике - для оценки эффективности используется ПО и электронные карты высот

местности.

36

BreezeMAX System Architecture

37

Modular Base Station

38

Network Processing Unit (NPU)

39

Режимы NPUПрозрачный режим

• Передачу трафика на центральный ASN• NPU обеспечивает каскадное подключение БС, коммутацию трафика на МАС-уровне, • VLAN-инкапсуляцию для внутреннего и внешнего трафика, маркировку пакетов согласно QoS.

Режим ASN-шлюза• Функции прозрачного режима• аутентификация (EAP, Extensible Authentication Protocol –расширяемый протокол аутентификации);• клиент AAA RADIUS-сервера;• AAA-клиент биллинга;• хранение профилей политики подключения абонентских станций;• авторизация сервисных потоков QoS;• GRE инкапсуляция/декапсуляция (Generic Routing Encapsulation – общая инкапсуляция маршрутов);• IP-in-IP инкапсуляция/декапсуляция;• сжатие заголовков передаваемых пакетов;• DHCP-сервер;• хендовер;

40

Access Unit (AU)

42

• Power Interface Unit (PIU)

43

Micro Base Station Indoor Unit

44

Radio Specifications

45

Radio Specifications

46

Антенны

•

47

CPE

Основы стандарта 802.16

Documents