viktor janata ŽilinskÁ univerzita v Žiline ...diplom.utc.sk/wan/657.pdf · Žilinská univerzita...
TRANSCRIPT
Návrh WiMAX siete pre pokrytie detašovaných pracovísk ŽU
Diplomová práca
VIKTOR JANATA
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií
Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Rudolf Hronec, PhD., Katedra telekomunikácií,
ŽU v Žiline
Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 30.5.2006
ŽILINA 2006
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Abstrakt
V tejto diplomovej práci sa venujem problematike návrhu riešenia rádiokomunikačnej
siete pre prepojenie konkrétnych objektov. V úvodnej časti sú spomenuté základné
problémy, vyskytujúce sa pri prenose signálu prostredníctvom elektromagnetických vĺn.
Následne je popísaný štandard 802.16 (WiMAX), ktorý je následne použitý pre riešenie
zadania. Po analýze terénu sú pre jednotlivé zadané body navrhnuté riešenia. Navrhované
riešenia boli následne odsimulované s pomocou programu RADIOLAB. V závere práce
je technicko-ekonomické zhodnotenie navrhovaných variantov.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Anotačný záznam
Priezvisko, meno: Janata Viktor školský rok: 2005/2006
Názov práce: Návrh WiMAX siete pre pokrytie detašovaných pracovísk ŽU
Počet strán: 42 Počet obrázkov: 12 Počet tabuliek: 3
Počet grafov: 0 Počet príloh: 6 Použitá lit.: 11
Anotácia: Dokument je venovaný problematike rádiokomunikačných systémov. V
úvodnej časti ponúka náhľad do problematiky prenosu elektromagnetických vĺn. Opisuje
niektoré základné modely z hľadiska šírenia a tlmenia. V ďalšej časti je opísaný štandard
802.16 (WiMAX) z hľadiska použiteľnosti a predpokladaného vývoja. Výsledkom práce
je návrh riešenia konkrétnych problémov, použitím rádiokomunikačného prenosového
systému AS-MAX.
Anotacion: The document deals about the radiocommunication systems. The
introduction is overview into the transfer of electromagnetic waves. Describes some of
the basic models in term of extension and absorbing. In the other part is describtion of the
standard 802.16 (WiMAX) according to the application and expected developement. The
result of this work is the proposal of solution of certain problems, by use of
radiocommunication transfer system AS-MAX.
Kľúčové slová: WiMAX, 802.16, návrh
Vedúci práce: doc. Ing. Rudolf Hronec, PhD., Katedra telekomunikácií, ŽU v Žiline
Recenzent práce : Ing. Marek Krasnovský, Katedra telekomunikácií, ŽU v Žiline
Dátum odovzdania práce: 30.5.2006
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Zoznam obrázkov
Obr. 4.1.1 Rozdelenie prenosového spektra
Obr. 4.4.1 Prenosové straty vo voľnom priestore
Obr. 4.5.1 Prenosové straty na odrazovej ploche
Obr. 4.6.1 Vplyv šumu na digitálny signál
Obr. 4.3 Fresnelova zóna
Obr. 5.4.1 Vrstvy štandardu 802.16
Obr. 5.4.1.1 Rámec pre downlink / TDD
Obr. 5.4.1.2 Rámec pre downlink / FDD
Obr. 5.4.1.3 Rámec pre uplink
Obr. 5.4.2.1 Porovnanie SC a OFDM
Obr. 6.3.2.1 Mapa oblasti Liptovský Mikuláš
Obr. 6.4.1.1 Mapa oblasti Tatranská Javorina
Zoznam tabuliek
Tab. 3.1 plán využívania pásma 3,5 GHz
Tab. 3.2 Dalšie podmienky kladené na prenosové systémy v pásme 3,5 GHz
Tab. 5.4.2.1 Možné varianty fyzickej vrstvy
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Zoznam použitých skratiek
ATM Asynchronous Transfer Mode Asynchrónny prenosový mód
BPSK Binary Phase Shift Keying Binárna fázová modulácia
BS Base Station Základňová stanica
BSDU Base Station Distribution Unit Riadiaca jednotka základňových staníc
BSRU Base Station Radios Unit Rádiová jednotka základňovej stanice
CRC Cyclic Redundancy Check Cyklická kontrola chýb CS Convergence Sublayer Podvrstva Konvergencie DAMA Demand Assigned Multiple Access Prístup k médiu na požiadanie DES Data Encryption Standard Štandard šifrovania dát DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DL – MAP Downlink Map EHF Extrem High. Frekvency Extrémne vysoká frekvencia FDD Frekvency Division Duplexing Frekvenčne delený duplex FTP File Transfer Protocol Protokol prenosu dát HF High. Frekvency Vysoká frekvencia IEEE Institute of Electrical and Electronics
Engineers LF Low Frequencies Nízka frekvencia LOS Line of Site Priama viditeľnosť MAC Media Access Control Riadenie prístupu k médiu MF Middle Frequency Stredná frekvencia MS Mobile Station Mobilná stanica NLOS Non Line of Site Nepriama viditeľnosť OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing PHY Physical Layer Fyzická vrstva PKM Privacy Key Management Manažment klúčovania PSK Phase Shift Keying Fázová modulácia QAM Quadrature amplitude modulation Kvadratúrna amplitúdová modulácia QPSK Quadrature Phase Shift Keying Kvadratúrna fázová modulácia QoS Quality of Service RLC Radio Link Control Riadenie rádiového rozhrania SAP Service Access Point Prístupový bod služby SAV Slovenská Akadémia Vied SC Single Carrier modulation format SHF Super High. Frekvency Super vysoká frekvencia SNMP Simple Network Management Protocol STM Synchronous Transfer Mode Synchrónny prenosový mód TDD Time Division Duplexing Časovo delený duplex TDMA Time Division Multiple Access Časovo delený viacnásobný prístup TDM Time Division Multiplex Časovo delený multiplex
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
OBSAH
1. Úvod 2. Ciele projektu 3. Obmedzenia kladené na prenos v pásme 3,5 GHz 4. Rádiokomunikačný systém 4.1 Prenosové médium 4.2 Základné pojmy bunkových rádiokomunikačných systémov 4.3 Nepriaznivé javy ovplyvňujúce prenos signálu rádiovým kanálom 4.4 Prenosové straty vo voľnom priestore 4.5 Prenosové straty na odrazovej ploche 4.6 Vplyv šumu na kapacitu kanála 4.7 Fresnelova zóna 4.8 Zisk antény 4.8.1 Vzťah medzi smerovosťou a ziskom antény 4.8.2 Vzťah medzi ziskom a šírkou lúča 4.9 Šírenie v horských oblastiach 4.10 Šírenie v mestskej oblasti 5. Všeobecné informácie o technológií WiMAX 5.1 IEEE 802.16 5.2 Postupné inovácie štandardu 5.3 Štruktúra siete WiMAX 5.4 Vrstvy štandardu 802.16 5.4.1 Fyzická vrstva 5.4.2 Možné varianty fyzickej vrstvy 5.4.3 Ovládanie rádiového podsystému 5.4.4 Linková vrstva 5.4.5 Quality of Service 5.4.6 Bezpečnosť 5.5 Ďalšie charakteristiky 5.6 Certifikácia 5.7 Budúcnosť technológie vo svete 6. Návrh 6.1 Frekvenčné pásmo 6.2 Prenosová rýchlosť 6.3 Detašované pracovisko Liptovský Mikuláš 6.3.1 Charakteristika objektu 6.3.2 Poloha objektov 6.3.3 Technické parametre komponentov systému 6.3.4 Simulácia návrhu v programe RADIOLAB 6.4 Detašované pracovisko Tatranská Javorina 6.4.1 Poloha objektov 6.4.2 Technické parametre komponentov systému 6.4.3 Simulácia návrhov v programe RADIOLAB 6.5 Technicko ekonomické zhodnotenie návrhov 7. Záver 8. Zoznam použitej literatúry
1 2 3 5 6 7 8 8 10 11 13 13 14 14 15 16 17 17 18 18 19 20 23 25 26 27 27 28 28 30 32 32 32 32 32 33 35 36 37 37 39 40 41 42 43
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
1. Úvod
Následkom dynamického rozvoja spoločnosti sa postupne zvyšujú nároky aj na
možnosti komunikácie. Možnosť prenosu informácií prostredníctvom akýchkoľvek médií
prispieva ku skvalitňovaniu a napredovaniu spoločnosti. Možnosť komunikácie
prostredníctvom siete internet sa stala štandardom, ba dokonca nevyhnutnosťou. Táto sieť
sa v poslednom období stala médiom pre prakticky všetky druhy komunikácie.
Predovšetkým oblasť výskumu a vzdelávania nie je možné rozvíjať bez kvalitnej
a efektívnej výmeny informácií. Je preto potrebné v prvom rade využiť najuniverzálnejšiu
platformu na prenos informácií a tou je sieť internet. Školstvo a univerzity po celom svete
kladú veľký dôraz na vzájomné prepojenie svojich pracovísk.
Poloha objektov a prostredie v ktorom sa nachádzajú, nie vždy umožňuje využiť
najefektívnejšie riešenia. Pri budovaní akýchkoľvek informačných sietí sa teda kladie
dôraz nielen na kvalitu a efektívnosť, ale taktiež na sociálne a ekonomické dopady
samotnej realizácie. Preto sa pri plánovaní výstavby a skvalitňovania informačných sietí
čoraz častejšie uvažuje aj s veľkým počtom alternatívnych riešení.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
2. Ciele projektu
V záujme Žilinskej univerzity je samozrejme efektívne prepojenie všetkých
pracovísk a zložiek spadajúcich pod jej správu. Pri procese voľby vhodného riešenia je
potrebné zvážiť všetky možné alternatívy. A to z hľadiska kvality, ceny, ale aj času
potrebného na realizáciu.
Sieť Žilinskej univerzity v Žiline je pripojená do univerzitnej siete SANET. Táto
sieť vyhovuje vo všetkých smeroch požiadavkám, ktoré sú kladené na prepojenie zložiek
univerzity. Sieť SANET disponuje niekoľkými uzlami, pomocou ktorých je možné
realizovať pripojenie. Poloha niektorých pracovísk voči najbližším uzlom je však natoľko
nevýhodná, že doposiaľ neboli efektívne pripojené do tejto siete.
Jedná sa napríklad o detašované pracoviská v Liptovskom Mikuláši a v Tatranskej
Javorine. Presná poloha týchto objektov bude definovaná neskôr. Keďže oba objekty sú
umiestnené nevýhodne vzhľadom na použitie bežných metódy spojenia. Ukazuje sa ako
možné riešenie využitie bezdrôtových technológií.
Cieľom tejto diplomovej práce je poskytnúť vhodné podklady pre posúdenie
možnosti pripojenia týchto detašovaných pracovísk do siete SANET za pomoci
technológie WiMAX. Priblížiť možnosti, náklady a riziká, ku ktorým môže dôjsť pri
využití tejto technológie. Navrhnuté riešenia odsimulovať v programe RADIOLAB.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
3. Obmedzenia kladené na prenos v pásme 3,5 GHz
TU SR zverejnil plán využívania pásma 3,5 Ghz, ktorý ďalej definuje podmienky
komunikácie v tomto kanáli [1].
Tab. 3.1 plán využívania pásma 3,5 GHz
Kanál
č.
f
MHz
f´
MHz
1 3413,5 3513,5
2 3420,5 3520,5
3 3427,5 3527,5
4 3434,5 3534,5
5 3441,5 3541,5
6 3448,5 3548,5
7 3455,5 3555,5
8 3462,5 3562,5
9 3469,5 3569,5
10 3476,5 3576,5
11 3483,5 3583,5
12 3490,5 3590,5
Spektrum je rozdelené na 2 časti. Sú to 3 410 – 3 500 MHz a 3 510 – 3 600 MHz.
Prevádzkovatelia môžu využívať celkovú šírku kanálu 14MHz, pričom pri využívaní
duplexnej komunikácie sa využívajú dve časti kanálu s odstupom 100MHz a šírkou
7MHz. Odstup medzi dvoma susednými kanálmi je 7MHz [1].
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Tab. 3.2 Ďalšie podmienky kladené na prenosové systémy v pásme 3,5 GHz
Parameter Podmienky Poznámky
Frekvenčný úsek
3 410 – 3 500 MHz 3 510 – 3 600 MHz
f f´
F0 Max. výkon zariadenia 35 dBm Max, vyžiarený výkon
Šírka kanálu 7 MHz
Základná šírka použitá pri medzinárodných dohodách. Skutočné využitie 0,5 MHz,
3,5 MHz, 7 MHz Duplexný odstup 100 MHz
Modulácia Min. 4 FSK
Prenosová kapacita Nie je stanovená
Druh rádiokomunkačnej služby
FS P-MP Výlučne verejné prístupové
siete Harmonizovaný štandard ETSI EN 301 753 V1.1.1 (2001-03)
Štandard zariadenia pre frekvenčné plánovanie
EN 301 021 V1.6.1 (2003-07) EN 301 080 V1.3.1 (2001-02) EN 301 124 V1.2.1 (2001-02) EN301 256 V1.2.1 (2001-02)
anténa EN 302 085 V1.2.2 (2003-08)
Vzťahujúce sa dokumenty ITU
ECC ERC/REC 14-03/ príloha B
Spôsob pridelenia frekvencií
Výberovým konaním Počet práv na používanie
frekvencií: 4
Celoplošné vymedzenie frekvenčného úseku podniku
Povolenie prevádzkovania
Individuálne na každú hlavnú a retranslačnú stanicu. Terminálové stanice sú povolené všeobecným
povolením.
Spôsob frekvenčného
plánovania
Plánuje držiteľ povolenia
v pridelenom úseku
Pridelenie frekvencií je v súlade s ECA, a je
perspektívne aj po roku 2008
Špecifické podmienky
Pre využívanie frekvencií v hraničných oblastiach sú
podmienky stanovené medzinárodnými dohodami
Využívanie frekvencií ochranných kanálov je možné
iba po dohode držiteľov povolení, ktorí majú
pridelené susedné bloky
zdroj [1].
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
4. Rádiokomunikačný systém
Rádiokomunikačné systémy vo všeobecnosti využívajú, ako médium pre prenos
informácií, rádiový kanál. Pod pojmom rádiový kanál možno rozumieť interval frekvencií
na frekvenčnej osi. Podstatou prenosu je samozrejme šírenie elektromagnetickej vlny.
Zdrojom elektromagnetickej vlny je v tomto prípade vysielač. Oproti nemu na druhom
konci reťazca stojí prijímač, ktorý je schopný detekovať signál prenášaný pomocou
elektromagnetickej vlny. Podľa prenosových možností možno rádiokomunikačné systémy
rozdeliť do troch skupín.
o Simplexné: Sú to systémy, v ktorých je možný prenos len v jednom smere.
Príkladom sú napríklad lokalizačné siete. Účastník správy len prijíma, alebo je
sám zdrojom informácií, pričom obojsmerná komunikácia je nemožná.
o Poloduplexné: Je možný obojsmerný prenos informácií, avšak v jednom
momente je možné komunikačný kanál využívať len na prenos v jednom smere.
o Duplexné: Je možný súčasný prenos oboma smermi. Je to možné zabezpečiť
frekvenčným, alebo časovým oddelením smerov prenosu.
Duplexný prenos je možné zabezpečiť pomocou TDD (Time Division Duplexing)
alebo FDD (Frekvency Division Duplexing). Jedná sa o dva rozdielne princípy delenia
prenosovej kapacity.
o TDD: (Time Division Duplexing) – Informácie sa posielajú vo forme zhlukov
(bursts), ktoré majú na svoj prenos k dispozícii celkovú prenosovú kapacitu
média, na určitý vymedzený časový úsek.
o FDD: (Frequency Division Duplexing) – pri tomto druhu duplexu, je celková
kapacita média (kanál) rozdelená na dve časti z hľadiska frekvenčného spektra. Je
vytvorený jeden čiastkový kanál pre uplink a jeden pre downlink [2].
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Bez ohľadu na to, aký typ rádiokomunikačného systému sa pri prenose používa, je
potrebné zabezpečiť správnu detekciu signálu v prijímači.
4.1 Prenosové médium
Prenosové médium tvorí fyzickú cestu medzi vysielačom a prijímačom.
Z hľadiska rozdelenia sa môže jednať o médium vodičového typu, prípadne éterového
typu. S vodičovým typom sa elektromagnetické vlny šíria pozdĺž pevného média.
Príkladmi sú medená krútená dvojlinka, medený koaxiálny kábel, optické vlákno,
prípadne vlnovod. V médiu éterového typu sa elektromagnetické vlny nevedú pevnou
komunikačnou cestou. Takýto typ média býva označovaný ako bezdrôtové médium
(wireless). Príkladmi sú atmosféra a kozmický priestor.
Obr. 4.1.1 Rozdelenie prenosového spektra.
Popis frekvenčných pásiem
VLF - veľmi nízka frekvencia LF - nízka frekvencia MF - stredná frekvencia
HF - vysoká frekvencia VHF - veľmi vysoká frekvencia
UHF - ultra vysoká frekvencia SHF - super vysoká frekvencia
EHF - extra vysoká frekvencia UV - ultrafialové svetlo
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
4.2 Základné pojmy bunkových rádiokomunikačných systémov
V praxi sa používajú zväčša duplexné celulárne systémy. Pri spojení, základňovej
a mobilnej, alebo koncovej stanice, je potrebné zabezpečiť oba smery prenosu. Pri
mobilných systémoch je dôležitým faktorom výška a umiestnenie antén. Bázovú stanicu
(BS) je možné umiestniť vhodne avšak pri mobilnej stanici je potrebné počítať nielen
s pohybom ale aj zo súvisiacou zmenou podmienok šírenia. Táto práca sa zaoberá
bunkovou sieťou zo stacionárnymi koncovými stanicami. Takýto bunkový model sa
skladá z dvoch základných častí.
o Base Stations (BS): základňové stanice sú zodpovedné za prevádzku medzi
koncovými stanicami Subscriber Stations (SS), a taktiež zabezpečujú správu
prípadného spojenia s vonkajšou sieťou za pomoci riadiacej jednotky
základňových staníc.
o Subscriber Sations (SS): v mobilných systémoch tiež označované ako (MS
Mobile Station) predstavujú koncové zariadenie na strane užívateľa.
Bunkový rádiokomunikačný systém však môže okrem týchto základných zložiek
obsahovať veľa iných zariadení, ktoré zabezpečujú podporu rôznych služieb a podobne.
Na základe rozdelenia buniek v bunkovej rádiokomunikačnej sieti je možné
hovoriť o dvoch možnostiach interferencie. Interferenciou nazývame rušenie užitočného
kanálu inými systémami.
o Interferencia zo susedného kanála: ak sa informácie určené pre jeden kanál
objavia aj v iných kanáloch.
o Interferencia zo zhodného kanála: ak je kanál rušený iným systémom, ktorý je
nevhodne geograficky umiestnený a pracuje na rovnakom kanáli.
Práve interferencia sa stala limitujúcim faktorom pri zložitých modeloch
bunkových rádiokomunikačných sietí. Existujú výpočty pomocou ktorých je možné
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
popísať vzájomné pôsobenie buniek pracujúcich na rovnakom kanále, tieto výpočty však
nebudem uvádzať, nakoľko práca sa zaoberá veľmi jednoduchým návrhom z hľadiska
typológie [2].
4.3 Nepriaznivé javy ovplyvňujúce prenos signálu rádiovým
kanálom
Prenos signálu vo všeobecnom prostredí je podstatne komplexná záležitosť.
Z hľadiska prostredia sa môže jednať o prenos v husto osídlených oblastiach, prípadne
horskom teréne, či rovinnej krajine. Na presnú charakteristiku prostredia by bolo potrebné
poznať napríklad úrovne najrôznejších druhov šumov atď. Počítať so všeobecným
modelom prostredia by bolo zložité a nepraktické. Preto sa pri výpočtoch a návrhoch
uvažuje s najvýraznejšími vplyvmi, ktorých pôsobenie sa uplatňuje pri takomto prenose.
Tieto vplyvy majú za následok zhoršenie parametrov prenosu. Je možné popísať dva
základné druhy únikov [2].
o Dlhodobý únik – ktorý spôsobujú dva mechanizmy
a) tlmenie šírením
b) tlmenie tienením
o Krátkodobý únik – ktorý spôsobujú tieto vplyvy
a) viaccestné šírenie signálu
b) Doplerovo rozšírenie signálu
4.4 Prenosové straty vo voľnom priestore
Tieto straty je možné počítať pri najjednoduchšom prípade šírenia. Takýto systém
je možné charakterizovať pomocou vysielača s priemerným výkonom PT. Snahou je
vyjadriť výkon PR prijatý na prijímacej anténe prijímača. Pri smerových anténach je
potrebné počítať aj s koeficientom zisku G.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Obr. 4.4.1 Prenosové straty vo voľnom priestore
Zisk prijímacej antény je možné prepočítať vzhľadom na apertúru AR antény.
Apertúra je príbuzná zisku prijímacej antény.
2
4
λ
π RR
AG =
o λ=c/f,
o f = vysielacia frekvencia udaná v [Hz]
o c = 3.108 m/s
o AR je efektívna plocha, ktorá je Rp krát menšia ako fyzická plocha, pričom Rp
dosahuje hodnoty medzi 60% a 80%.
Následne je možné definovať vzťah pre výpočet výkonu prijatého v prijímači.
RTTR GGPr
P2
4
=
π
λ
Tento vzťah však počíta iba s výkonovou stratou spôsobenou šírením. V reálnej
situácii sa vyskytujú straty ako atmosferická absorbcia ...
0
2
4 L
GGP
rP RTT
R
=
π
λ
L0 možno nazvať koeficientom týchto prídavných strát. Vyjadrenie rovnice
v [dB]:
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
04log.20 LGGP
rP RTTR −+++
=
π
λ
PT – výkon vysielača, GT – zisk antény vysielača, GR – Zisk antény prijímača
4.5 Prenosové straty na odrazovej ploche
Obr. 4.5.1 Prenosové straty na odrazovej ploche
Ak sa v okolí prenosovej cesty medzi vysielačom a prijímačom nachádzajú nejaké
predmety, hovoríme o odraze elektromagnetickej vlny. Princíp tohoto odrazu je veľmi
podobný odrazu v optike. Ak by sme uvažovali len príspevok odrazenej vlny z hľadiska
energie, jednalo by sa o priaznivý jav. Avšak ak prijímač zachytí okrem priamej vlny aj
vlnu odrazenú, nastáva prípad interakcie dvoch signálov, ktoré majú navzájom posunutú
fázu, a sú voči sebe posunuté v časovej oblasti. Je to spôsobené tým, že odrazená vlna
prejde inú vzdialenosť ako priama vlna. Fázový rozdiel medzi priamou a odrazenou vlnou
možno definovať ako:
dddr ∆
=−=∆
λ
π
λ
πθ
2)(
20
d∆ predstavuje rozdiel vzdialeností, ktorý prekoná odrazená vlna v porovnaní
s priamou vlnou. Na tento rozdiel má vplyv aj poloha vysielacej a prijímacej antény hRhT
vzhľadom na povrch. Ak sú výšky antén dostatočne zanedbateľné oproti celkovej
vzdialenosti antén, možno zjednodušene vypočítať rozdiel vzdialeností nasledovne:
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
RT
RT
hhr
r
hhd
≈∆
≈∆
λ
πθ
4
2
Kde hT predstavuje výšku vysielacej antény od povrchu, hR predstavuje výšku
antény prijímača. Za predpokladu činnosti systému v pásme mikrovĺn je možné odvodiť
vzťah pre výpočet výkonu prijatého prijímačom.
2
0
2
4θ
π
λ∆
= j
L
GGP
rP RTT
R
Pre vyjadrenie v jednotkách [dB]: 02log20 LGGP
r
hhP RTT
RTR −+++
=
4.6 Vplyv šumu na kapacitu kanála
Pri reálnych prenosoch dochádza však ku interakcií signálu a rôznych druhov
šumu. Je preto potrebné zohľadniť tento jav aj pri výpočte kapacity kanálu. Vysoká
úroveň šumu degeneruje signál a spôsobuje chyby v detekcií signálu prijímačom. Ak sa
vzorka šumu aplikuje na signál prenášaný určitou prenosovou rýchlosťou, na časovom
intervale signálu vznikne určitý počet chýb. Ak sa zvýši prenosová rýchlosť, tak na tom
istom časovom intervale bude prijímač musieť rozoznať vyšší počet stavov. Ak sa pritom
aplikuje rovnaká šumová vzorka, počet chybne vyhodnotených stavov bude vyšší.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Obr. 4.6.1 Vplyv šumu na digitálny signál.
Pri výpočte kapacity kanálu s existenciou šumu je nutné akceptovať pomer signálu
ku šumu SNR. Vetu, ktorá berie do úvahy tento aspekt definoval matematik Claude
Shannonn. Shannonov výsledok je maximálna kapacita kanálu v bitoch za sekundu
určená rovnicou:
C = B log2 (1 + SNR)
kde B označuje šírku pásma. Tento vzťah je však pre reálne podmienky značne
nepoužiteľný nakoľko predpokladá len účinok termálneho šumu. S ďalšími zhoršeniami
signálu, ako sú impulzný šum, útlmové skreslenie alebo skreslenie oneskorením, rovnica
nepočíta. Vzťah taktiež nič nehovorí o tom, akým spôsobom kódovania je možné
vypočítanú rýchlosť dosiahnuť.
Dalo by sa predpokladať že zvýšením úrovne signálu dosiahneme vyššiu hodnotu
SNR. Avšak reálne sa zo zvyšovaním úrovne signálu spájajú aj nepriaznivé vplyvy, ako
je napríklad zvýšenie intermodulačného šumu vplyvom uplatnenia nelinearity
charakteristík zariadení a podobne.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
4.7 Fresnelova zóna
Obr. 4.3 Fresnelova zóna
Pri analýze spojov s priamou viditeľnosťou sa uvažuje ako hlavný faktor tlmenia
tlmenie vo voľnom priestore a prípadné viaccestné odrazy. Fresnelovu zónu si možno
predstaviť ako elipsoid v okolí úsečky spájajúcej koncové body prenosu. Výpočet
polomeru prstenca ohraničujúceho tento elipsoid možno definovať takto:
df
ddnr
.
..3,17 21=
V tomto vzťahu „n“ predstavuje rád Fresnelovej zóny „f“ frekvenciu „d“
vzájomnú vzdialenosť vysielača a prijímača a d1, d2 vzdialenosť vysielača a prijímača od
bodu v ktorom polomer počítame. Prvá Fresnelova zóna môže byť chápaná ako teleso, vo
vnútri ktorého sa šíri význačná časť elektromagnetického vlnenia podielajúceho sa na
prenose. Pri návrhu spojov bod – bod sa zväčša uvažuje o svetlosti prvej fresnelovej zóny
približne 60% [3].
4.8 Zisk antény
Zisk je najvýznamnejší parameter antény. Zisk je priamo úmerný ploche apertúry
antény. Platí tu reciprocita a tak vysielací zisk je rovnaký ako prijímací. Výkon zachytený
anténou je rovný súčinu hustoty výkonu a apertúry. Zisk antény môže byť definovaný
s ohľadom na izotropný žiarič, prípadne polvlnový dipól. V definícií s ohľadom na
izotropný žiarič sa užíva jednotka [dBi], naproti tomu polvlnový dipól [dBd]. Pre
informáciu [0dBd = 2,1dBi]. V praxi sa udáva zväčša zisk v dBi, čo falošne dvíha zisk[3].
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
4.8.1 Vzťah medzi smerovosťou a ziskom antény
o Smerovosť antény je definovaná ako pomer maximálnej hustoty výkonu antény
voči maximálnej hustote výkonu izotropnej antény.
o Zisk antény je definovaný ako pomer maximálnej hustoty výkonu antény voči
vstupnej hustote výkonu izotropnej antény.
o
D
r
P
p
r
P
pG
r
P
PD
T
avg
I
avg
T
avg
.
44
4
2
max
2
max
2
max
η
ηππ
π
=
=
=
=
η - účinnosť antény, PI - vstupný výkon, G – zisk antény, D – činiteľ smerovosti
4.8.2 Vzťah medzi ziskom a šírkou lúča
Zisk antény možno popísať aj pomocou jej vyžarovacích charakteristík.
HPHP
RGϕθ
π4=
V tomto vzťahu HPHP ϕθ , označujú šírku vyžarovacej charakteristiky v smere
rovín q a f. Činiteľ π4 je priestorový uhol podmienený rozsahom v steradiánoch
(kvadratických radiánoch).
HPHPRG
stupeňsteradian
ϕθ
πππ
41250
41250180
44 22
=
=
=
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Tieto vzťahy však počítajú ideálnu charakteristiku bez postranných lalokov. Pre
reálne antény sa používa skor prepočet:
θϕ
32400=RG
Pre anténu s kruhovým vyžarovacím diagramom v jednom smere s použitím
lineárneho elementu pre 3dB vertikálnu šírku lúča môžeme zisk vyjadriť vzťahom:
θθ
6,114
360
41250=≈RG
4.9 Šírenie v horských oblastiach
Horská oblasť je zväčša charakteristická striedaním sa dvoch typov povrchov.
V nižšie položených oblastiach je povrch pokrytý lesným porastom. Naproti tomu vo
vyššie položených oblastiach je to postupne kosodrevina prípadne skalnatý povrch. Les
možno chápať ako plochu pokrytú množstvom uzemnených antén. V takejto oblasti
dochádza ku výraznej absorpcií vĺn dopadajúcich na porast. Taktiež možno hovoriť
o rozptyle a útlme. Rozptyl je zapríčinený dopadom elektromagnetickej vlny na povrch
lesa. Pri tomto jave hrá veľkú úlohu polarizácia. V zalesnených oblastiach dosahujú
systémy používajúce horizontálnu polarizáciu podstatne lepšie výsledky z hľadiska
skreslenia.
Z hľadiska vplyvu prostredia je dôležité uvážiť aj vplyv parametrov ovzdušia teda
napríklad vlhkosť. Končiare vrchov bývajú často zahalené hmlou. Vlhkosť vzduchu má
však výrazný vplyv na vyššie frekvencie. Podobne účinky dažďa a snehu sú pri
frekvenciách v okolí 3,5GHz zanedbateľné. Ich účinok sa začína podstatnejšie prejavovať
až pri frekvenciách vyšších ako 17 GHz.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
4.10 Šírenie v mestskej oblasti
Šírenie signálu v mestskej oblasti je omnoho zložitejšia záležitosť. Mestské
prostredie môže mať rôznu konfiguráciu. Podstatné rozdiely možno sledovať nielen vo
výške budov, ale taktiež v rozložení hustoty zástavby. Stacionárne objekty v meste je
možné do určitej miery zohľadniť v návrhu. Avšak v mestskom prostredí sa nachádza aj
veľký počet pohybujúcich sa objektov. Pri návrhoch sa využívajú podrobnejšie modely.
V mestskom prostredí sa využívajú takzvané mikrobunkové systémy. Tieto sú
charakteristické hlavne menšou rozlohou bunky. Pri vysielačoch sa uvažuje z nižšou
polohou antén. Uvažuje sa nielen šírenie na priamu viditeľnosť, ale aj mimo priamej
viditeľnosti. Pri priamej viditeľnosti postačuje model uvažujúci krátkodobý únik
spôsobený odrazmi od budov a zeme. Pri takomto šírení sa uvádza takzvaný bod zlomu.
Tento je definovaný vo vzdialenosti od BS keď voľnosť prvej Fresnelovej zóny klesne
pod hodnotu 55%. Táto vzdialenosť je priamo závislá od výšok oboch antén od zeme
a taktiež od použitej frekvencie. Po presiahnutí bodu zlomu rapídne narastá koeficient
prídavného tlmenia nad hodnotu 2. V prípade dostatočne úzkej ulice dochádza aj ku
vplyvu takzvaného uličného kaňonu. Je spôsobený odrazmi signálu od budov na okraji
ulice.
Pre model nepriamej viditeľnosti sa uvažuje z dvoma efektmi
o Difrakcia cez strechy budov: tento jav zvyšuje nárast vzájomného rušenia.
o Rohový efekt: ak stanicu umiestnime za roh ulice na ktorej je umiestnená BS,
tlmenie náhle stúpne o viac ako 20 dB.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
5. Všeobecné informácie o technológií WiMAX
Využívanie bezdrôtových technológií, na poli prístupových a transportných sietí,
sa stalo svetovým trendom. Vysoká popularita takýchto riešení je daná základnými
faktormi, na ktoré sa kladie dôraz pri realizácií projektov, a tými sú CENA,
SPOLAHLIVOSŤ a ČAS potrebný na realizáciu. O konkurencieschopnosti bezdrôtových
technológií rozhodujú neporovnateľne nižšie nároky z hľadiska ceny a času potrebného
na realizáciu.
Po evidentnom úspechu zariadení založených na štandardoch IEEE 802.11, ktorý
doslova prinútil výrobcov modifikovať zariadenia pre použitie vo vonkajšom prostredí,
vznikol dopyt po spoľahlivej technológii vhodnej pre pokrytie veľkých území a pripojenie
veľkého počtu užívateľov. Technológia by nemala slúžiť len pre potreby koncových
užívateľov služieb, ale mala by dávať novú možnosť nahradiť káblové spoje
bezdrôtovými.
Reakcia prišla vo forme štandardu IEEE 802.16, ktorý si ihneď po svojom
uvedení, získal pozornosť vo výrobnom sektore. Po dlhom vývoji majú dnes výrobcovia
k dispozícií čipové sady tvoriace vhodnú platformu pre vývoj zariadení štandardu IEEE
802.16 [4].
5.1 IEEE 802.16
Označenie WiMAX je skratkou z Worldwide Interoperability for Microwave
Access (celosvetová interoperabilita pre mikrovlnný prístup), za ktorou sa skrýva
bezdrôtový štandard IEEE 802.16 a jeho ďalšie revízie - 802.16a, 802.16c, a 802.16d.
Pripravuje sa aj zavedenie rozšírenia 802.16e a 802.16g, ktoré majú riešiť otázky mobility
účastníka a podporu OS.
Tento štandard definuje dve rozpätia frekvencií, ktoré táto technológia používa.
V prvom rade je to pásmo 10 až 66 GHz, ktoré vyžaduje priamu viditeľnosť. Druhým
variantom je pásmo 2 - 11 GHz, v ktorom je možné za určitých podmienok vytvoriť
spojenie aj bez potreby priamej viditeľnosti.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Wimax je lukratívny hlavne pre jeho možnosť pripojiť aj odľahlejšie oblasti, ako
napríklad dediny, bez pomoci pevných káblových prípojok, pomocou bezdrôtového
pripojenia. Bežnému používateľovi by sa táto technológia mohla dostať do rúk už v roku
2006. Spoločnosť Intel uviedla prvý čip Wimax pod kódovým označením Rosedale už 18.
4. 2005. Technológii Wimax sa začalo naplno venovať veľké množstvo výrobcov
hardwaru.
5.2 Postupné inovácie štandardu
Pracovná skupina IEEE 802.16 založená v roku 1999 vytvorila ako prvú normu
802.16 v roku 2001. Následne v roku 2002 bola definovaná norma 802.16a, ktorá
obsahovala rozšírenie o frekvenčné pásmo 2-11 GHz. 802.16c vznikla v roku 2003 a rieši
podrobné špecifikácie implementácie normy 802.16. Následne 802.16d ako zhrnutie
802.16/a/c.
Najpopulárnejším využívaným pásmom, sa pravdepodobne stane pásmo 3,5 GHz,
v ktorom aj Telekomunikačný úrad SR udelil nedávno licencie štyrom komerčným
subjektom. Pochopiteľne, že je veľmi atraktívne aj použitie nelicencovaného pásma.
5.3 Štruktúra siete WiMAX
Siete založené na štandarde WiMAX sú predovšetkým sieťami s bunkovou
typológiou. Point-To-Multipoint (bod – viac bodov). Jedná sa o štruktúru, kde existuje
hlavná základňová stanica (BS), ktorá je schopná samostatne komunikovať s okolitými
klientskými stanicami. To znamená, že nie je potrebné priame prepojenie medzi
koncovými stanicami (SS) navzájom.
BS (Base Station)
Z hľadiska štruktúry siete je hlavným prvkom takzvaná základňová stanica BS
(Base Station) Táto môže byť realizovaná ako celok, ale zväčša sa skladá z dvoch blokov.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
o BSRU (Base Station Radios Unit) – je to rádiová jednotka schopná vytvoriť
jednu bunku. Pri takejto jednotke je zaujímavým údajom uhol vyžarovacej
charakteristiky. Veľkosť tohoto uhla je závyslá od použitej antény. Nejedná sa
však o pasívnu časť. Jednotka obsahuje zariadenia ako vysielač, prijímač. Má
vlastnú riadiacu jednotku a dokáže obsluhovať vnútrobunkovú komunikáciu.
o BSDU – (Base Station Distribution Unit) - ktorá má riadiacu a spojovaciu
funkciu pre jednotlivé prvky BSRU. Táto jednotka sa využíva pri aplikáciách
s veľkým počtom užívateľov, kde je potrebný manažment spojení medzibunkovej
komunikácie a vyššie funkcie siete.
(SS) Subsriber station
SS je zariadenie tvoriace koncový bod siete z hľadiska užívateľa. Pre
jednoduchosť je možné povedať, že sa zväčša jedná o rozhranie, na ktoré je možné
pripájať prvky, ktoré tvoria rozhranie užívateľ / sieť.
5.4 Vrstvy štandardu 802.16
V štandarde sú definované prvé dve vrstvy modelu RM-OSI. Teda fyzická a linková.
Obr. 5.4.1 Vrstvy štandardu 802.16
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
5.4.1 Fyzická vrstva
Bola navrhnutá tak, aby vyhovovala čo možno najväčšiemu spektru požiadaviek.
Je použitý prenosový mechanizmus rámcov, umožňujúci meniť parametre prenosu pre
každú SS zvlášť.
Špecifikácia súvisiacich služieb
Na poskytnutie služieb vyššej vrstve, slúži PHY SAP. Služby možno deliť do 3
kategórií.
a) Služby určené pre prenos dát, teda prostriedok pre MAC vrstvu.
b) Služby určené pre interakciu typu PHY – PHY, vzťahujúce sa k ovládaniu vrstvy.
c) Služby určené pre správu PHY. (prispôsobenie frekvencie, manažment výkonu,
korekcia doby oneskorenia ...)
Uplink / downlink
Uplink PHY je založený na kombinácií TDMA a DAMA. Kanál je rozdelený na
niekoľko časových slotov. Pričom počet týchto slotov, pridružených ku jednotlivým
operáciám, je ovládaný základňovou stanicou. Tým je zaručená flexibilná zmena potrebná
pre dosiahnutie optimálneho výkonu.
Kanál určený pre downlink používa multiplex TDM. Prúd informácií prevezme
každá zo staníc v danom sektore. Aby bola zabezpečená podpora aj poloduplexného
prenosu, ostáva rezerva pre TDMA.
Na fyzickej vrstve je postupnosť bitov štruktúrovaná do rámcov rovnakej dĺžky.
Každý z rámcov je delený na podrámce uplink a downlink. Podrámec pre downlink
pozostáva z nešifrovaných riadiacich a synchronizačných informácií. Ak je použité TDD,
je najprv vyslaný podrámec downlink a následne uplink. V prípade FDD prebieha prenos
súbežne.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Downlink PHY: Pre smer od BS ku SS štandard rozlišuje dva druhy rámcov podľa toho
či je použitý TDD alebo FDD.
Obr. 5.4.1.1 Rámec pre downlink / TDD
Podrámec pre TDD začína úvodnou preambulou. Táto obsahuje informácie
o synchronizácií a vyrovnaní signálu. Nasleduje riadiaca sekcia rámca, v ktorej sa
nachádzajú informácie o fyzických slotoch (DL-MAP, UL-MAP). Na týchto slotoch
začína zhluk pre downlink a uplink. Ďalej sa nachádza TDM časť (TDM portion), ktorá
nesie dáta s odlišným zhlukovým profilom. Každá stanica prevezme a dekóduje riadiace
informácie rámca a podľa nich nájde hlavičky MAC v ostatku downlink podrámca.
Obr. 5.4.1.2 Rámec pre downlink / FDD
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Podrámec pre FDD downlink je organizovaný podobne ako u TDD. Avšak
riadiaca časť DL-MAP obsahuje aj TDMA sloty. Pomocou nich je umožnené každej
stanici dekódovať len dáta, ktoré sú pre ňu určené. To značne urýchľuje spracovanie.
Uplink PHY
Obr. 5.4.1.3 Rámec pre uplink
Rámec pre uplink PHY môže obsahovať tri skupiny zhlukov.
a) Inicializačné zhluky (Initial Maintence burst) – môže dôjsť ku kolízií medzi
stanicami.
b) Zhluky obsahujúce odpoveď na multicast a broadcast vysielanie (Bandwidth
Request). Taktiež môže dôjsť ku kolízií.
c) Zhluky prenášané v pravidelných intervaloch.
V každom rámci sa môže vyskytovať akýkoľvek druh zhlukov. Ani poradie nie je
určené. Obmedzenie je iba z pohľadu maximálnej dĺžky rámca.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
5.4.2 Možné varianty fyzickej vrstvy
Tab. 5.4.2.1 Možné varianty fyzickej vrstvy
Názov Funkcia LOS/NLOS Frekvencia Duplex
WirelessMAN-SC Point-to-point LOS 10-66 GHz TDD, FDD WirelessMAN-SC2 Point-to-point NLOS 2-11 GHz TDD, FDD
WirelessMAN-OFDM
Point-to-multipoint NLOS 2-11 GHz TDD, FDD
WirelessMAN-OFDMA
Point-to-multipoint NLOS 2-11 GHz TDD, FDD
WirelessHUMAN Point-to-multipoint NLOS 2-11 GHz TDD
WirelesMAN-SC a WirelessMAN-SC2 (SC – single carrier modulation format), znamená
že pri modulácií signálu sa prenosové pásmo kanálu nedelí na menšie časti. Na
strane prijímača sa prakticky posudzuje energetický obsah prijatého spektra).
WirelessMAN-OFDM – delenie prenosového pásma kanálu na 256 subpásiem.
WirelessMAN-OFDMA - delenie prenosového pásma kanálu na 2048 subpásiem.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) je multiplexovanie
ktoré sa v bezdrôtových systémoch využíva už dlhšiu dobu. Jeho výhodou je schopnosť
prenosu dát v sťažených podmienkach vysielania či príjmu signálu. Podstata spočíva
v rozdelení spektra na určitý počet menších subpásiem. Tvar spektra týchto subpásiem,
pripomína funkciu sinc. Vzájomnému rušeniu je zamedzené vhodným rozpoložením
a oddelením týchto subkanálov. Výhody tejto metódy sa umocnia použitím adaptívneho
ekvalizéra, ktorý je schopný pružne reagovať na zmeny prenosových pomerov. Metóda je
podstatne odolná voči viaccestnému šíreniu signálu.
SC OFDM
Obr. 5.4.2.1 Porovnanie SC a OFDM
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Možnosť flexibilnej šírky prenosového kanálu:
Technológia podporuje variabilnú šírku pásma prenosových kanálov kvôli
zabezpečeniu celosvetovej použiteľnosti. To znamená, že veľa vlastností systému záleží
na konkrétnych podmienkach. Je to však význačný krok pre operátorov, pretože môžu
deliť šírku prideleného pásma medzi viaceré systémy.
Módy duplexnej komunikácie na fyzickej vrstve
o FDD (Frequency-Division Duplex) je metóda, ktorá sa využíva pre oddelenie
smerov prenosu (upstream/downstream). V praxi to znamená, že dáta prenášané
od účastníka sú namodulované na inú nosnú frekvenciu ako dáta prenášané
smerom k účastníkovi. Rozstup týchto frekvenčných pásiem závisí od nosnej
frekvencie – pre prenos v slovenských podmienkach v pásme 3,5GHz je to 100
MHz, pričom šírka jedného kanála je 7 MHz.
o TDD (Time Division Duplexing) Vo svete sa využíva aj spôsob označovaný ako
TDD (Time Division Duplexing), ktorý na prenos v obidvoch smeroch využíva
iba jednu frekvenciu, pričom prenos je synchronizovaný v čase.
Pri komunikácií v smere od SS ku BS využíva tento systém TDMA (Time-
Division Multiple Access), ako viacnásobnú prístupovú metódu za účelom rozdelenia
a lepšieho využitia kapacity média.
Prístupová metóda TDMA
Využívaná pri systémoch s TDM. Známa aj pod názvom časovo delený
viacnásobný prístup, prideľuje celkovú prenosový kapacitu média striedavo jednotlivým
zdrojom signálu, na presne stanovený časový interval, v presne stanovených časových
odstupoch. Multiplexovanie údajov môže byť bitovo alebo blokovo orientované.
o Bitovo orientované multiplexovanie vytvára súvislý tok dát, ktoré produkujú
vzájomne zosynchronizované terminály. Metóda sa nazýva STM (Synchronous
Transfer Mode). Nevýhodou je použiteľnosť metódy len pre malé prenosové
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
rýchlosti, ktorá je zapríčinená vysokými požiadavkami na oneskorenie
prenosového média.
o Blokovo orientované multiplexovanie vytvára tok dát z blokov medzi ktorými
existuje medzera. Je možné použiť STM (Synchronous Transfer Mode) prípadne
ATM (Asynchronous Transfer Mode).
V opačnom smere dáta prúdia pomocou TDM (Time-Division Multiplex) s
centralizovaným plánovačom, ktorého úlohou je efektívne a prednostné pridelenie šírky
pásma. Práve tento prístup predurčuje WiMAX k použitiu pri prenosoch náchylných na
dobu oneskorenia a šírku pásma. Jedná sa o podporu hlasovej komunikácie, prenos videa
v reálnom čase atd.. TDM/TDMA taktiež zamedzuje vzniku kolízií a definuje určitú
maximálnu možnú hodnotu pre oneskorenie. Mimo iného zaisťuje aj podporu pre
skupinovú komunikáciu [5,6].
5.4.3 Ovládanie rádiového podsystému
Synchronizácia
Demodulátor downlinku je zdrojom referenčných hodinových impulzov. Presná
synchronizácia sa prevádza na základe kalibračných procedúr, zabraňujúcich
vzájomnému rušeniu.
Riadenie výkonu
Je realizované na základe kalibrácie a následného pravidelného merania. Toto
vykonáva BS. Na základe meraní rozosiela správy pre optimalizáciu staníc. Algoritmus je
navrhnutý tak, aby dokázal zvládnuť útlm do 10 dB za sekundu až do úrovne maximálne
40 dB. Tento algoritmus je na rozhodnutí a realizácií výrobcu [5,6].
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
5.4.4 Linková vrstva
MAC – podvrstva - Nad fyzickou vrstvou je definovaný protokol MAC. Určenie
tohto protokolu asi najlepšie vystihuje voľný preklad slov, z ktorých je odvodený jeho
názov – kontrola prístupu k médiu.
MAC – PDU teda dátový rámec tejto podvrstvy pozostáva zo záhlavia fixnej
dĺžky, dátového bloku variabilnej šírky a poľa (CRC), ktoré má voliteľnú dĺžku.
Maximálna dĺžka tohto rámca je 2048 bytov.
Druhy záhlaví:
o Generic header – záhlavie rámca určeného na prenos samotných dát. Časť
záhlavia slúži na identifikáciu rámca pri fragmentácií.
o Bandwidth request header – rámec s touto hlavičkou slúži na prenos požiadavky
o rezervovanie šírky pásma od klientskej stanice.
Z hľadiska manažmentu spojenia linkovej vrstvy existujú tri odlišné druhy
manažmentových spojení, ktoré prenášajú riadiace informácie medzi BS a SS. Tieto
spojenia špecifikujú rôzne nároky z hľadiska QoS dané rôznymi úrovňami manažmentu.
Základné spojenie je používané na prenos krátkych správ označených ako MAC and
Radio Link Control messages (RLC). Primárne manažmentové spojenie prenáša dlhé
a časovo nenáročné správy potrebné pre autentifikáciu a správu spojení. Sekundárne
spojenie je používané na prenos správ štandardov ako napríklad DHCP, TFTP, SNMP
[5,6].
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
5.4.5 Quality of Service
Z hľadiska zabezpečenia kvality služieb je možné použiť štyri úrovne
prideľovania priority pomocou QoS.
o V prvej úrovni sa nachádzajú hlasové prenosy.(VoIP)
o Menšiu prioritu má prenos v reálnom čase na základe výzvy. (typicky je to video
MPEG).
o V tretej úrovni prideľovania priorít sa nachádzajú prenosy na základe výzvy, ktoré
však netreba realizovať okamžite (FTP).
o Najnižšiu prioritu majú pridelenú služby, ktoré sú najmenej náročné na kolísanie
latencie či šírku pásma. [5,6]
5.4.6 Bezpečnosť
Zabezpečenie užívateľov i vlastnej komunikácie pri WiMAX zodpovedá
súčasným požiadavkám na sieťovú bezpečnosť. Autentifikácia a autorizácia staníc
prebieha na základe digitálneho certifikátu X.509 prideleného stanici pri výrobe
a certifikátu výrobcu.
Pre ochranu samotných dát sa používa protokol PKM (Privacy Key Management).
Pre samotné šifrovanie dát sa používa DES (Data Encryption Standard). Šifrovacie kľúče
sa vymieňajú za použitia 3DES.
Technológia je navrhnutá tak, aby vyhovovala požiadavkám na spoľahlivosť
a dostupnosť komunikačnej siete v 99,999%. Je teda možné použiť WiMAX pri
komunikačných aplikáciách citlivých na oneskorenie a stratu dát. Túto technológiu je
teda možné použiť najme v metropolitných komunikačných sieťach a prístupových
sieťach [5].
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
5.5 Ďalšie charakteristiky
o Prenosová rýchlosť: Keďže WiMAX je predovšetkým štandardom určeným pre
tvorbu bunkovej typológie, definícia prenosovej rýchlosti sa zväčša vzťahuje na
jeden smer (bunku). Pri plnom nasadení sa počíta s rozdelením priestoru v okolí
bázovej stanice na 6 sektorov. Štandard nedefinuje presne ani šírku kanálu.
Maximálna prenosová rýchlosť teda závisí na veľkom počte faktorov (šírka
prenosového kanálu, modulácia, duplexný mód ...). Podporovanú kapacitu je
možné podľa potreby rozdeľovať vzhľadom na počet SS a ich nároky.
o Doplnkové prostriedky: Štandard 802.16 umožňuje zvyšovanie kapacity bunky
pri raste siete, pružným prideľovaním šírky pásma rádiových kanálov
a opätovným využívaním kanálov. Ďalej špecifikuje napríklad riadenie
vysielacieho výkonu a meranie kvality prenosu, ako doplnkové prostriedky pre
plánovanie a efektívne využívanie spektra. Frekvenciu systém možné vyberať
dynamicky čo je dôležité pre činnosť v nelicencovanom pásme.
5.6 Certifikácia
Následne po uvedení prvých zariadení na trh, organizácia s názvom WiMAX
forum avizovala možnosť určitej certifikácie zariadení štandardu IEEE 802.16. Členmi
organizácie WiMAX forum sú samotní výrobcovia zariadení a systémov. Keďže samotný
štandard 802.16 je vo veľa veciach benevolentný, snahou tohto zoskupenia výrobcov
a používateľov je certifikovať vzájomne kompatibilné zariadenia.
Tento pokrok je nesporným úspechom pri zavádzaní tejto technológie na trh.
Certifikačný proces je rozdelený do niekoľkých etáp. Každá z nich rieši samostatnú časť
zhody. Výsledok prvej etapy, je zaujímavý pre každého, koho sa pojem WiMAX čo len
okrajovo dotýka. Hlavným cieľom certifikácie je samotná kompatibilita systémov a ich
súčastí.
Certifikovanie produktov býva často brané čiernobielo. V skutočnosti je však
situácia iná. V prvej vlne certifikácie sa testuje v podstate Api (Air protocol
interoperability). To však znamená že takto certifikované zariadenia nemusia byť
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
kompatibilné na úrovni napríklad QoS. Výsledkom práce WiMAX fóra je aj koncept,
ktorý definuje plánované schopnosti systémov štandardu 802.16. Do dnešnej doby boli
vytvorené koncepty pre 3 profily [7].
Systém pracujúci v profile 3.5F1
o Prenosové pásmo – 3,5 GHz
o Šírka prenosového kanálu - 3,5 MHz
o Duplexný mód – FDD
o Mód fyzickej vrstvy – OFDM 256
o BS – zisk antény 16dBi, efektívny vyžiarený výkon max 47 dBm, výška antény
30m
o SS - zisk antény 18dBi, efektívny vyžiarený výkon max 30 dBm, výška antény 2m
o Bitová rýchlosť na úrovni rádiového prenosu: 13,4 Mbit/s uplink, 13,4 Mbit/s
downlink
o Maximálna priepustnosť na rozhraní siete eternet pri modulácií 64QAM: 9 Mbit/s
uplink, 10 Mbit/s downlink
o Minimálna priepustnosť na rozhraní siete eternet pri modulácií BPSK: 1,2 Mbit/s
uplink, 1,3 Mbit/s downlink.
o Maximálna dosiahnuteľná vzdialenosť: LOS – 50 km, NLOS – 2,75 km
o Oneskorenie Eternet – Eternet 22ms
Systém pracujúci v profile 3.5T1
o Prenosové pásmo – 3,5 GHz
o Šírka prenosového kanálu - 7 MHz
o Duplexný mód – TDD
o Mód fyzickej vrstvy – OFDM 256
o BS – zisk antény 16dBi, efektívny vyžiarený výkon max 47 dBm, výška antény
30m
o SS - zisk antény 18dBi, efektívny vyžiarený výkon max 30 dBm, výška antény 2m
o Bitová rýchlosť na úrovni rádiového prenosu: 26,4 Mbit/s uplink, 26,4 Mbit/s
downlink
o Maximálna priepustnosť na rozhraní siete pri modulácií 64QAM: 9 Mbit/s uplink,
9 Mbit/s downlink
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
o Minimálna priepustnosť na rozhraní siete pri modulácií BPSK: 1,1 Mbit/s uplink,
1,1 Mbit/s downlink.
o Maximálna dosiahnuteľná vzdialenosť: LOS – 50 km, NLOS – 2,5 km
o Oneskorenie Eternet – Eternet: min. 12ms
Systém pracujúci v profile 5.8T1
o Prenosové pásmo – 5,8 GHz
o Šírka prenosového kanálu - 10 MHz
o Duplexný mód – TDD
o Mód fyzickej vrstvy – OFDM 256
o BS – zisk antény 18dBi, efektívny vyžiarený výkon max 36 dBm, výška antény
30m
o SS - zisk antény 20dBi, efektívny vyžiarený výkon max 36 dBm, výška antény 2m
o Bitová rýchlosť na úrovni rádiového prenosu: 38,4 Mbit/s uplink, 38,4 Mbit/s
downlink
o Maximálna priepustnosť na rozhraní siete pri modulácií 64QAM: 15 Mbit/s
uplink, 15 Mbit/s downlink
o Minimálna priepustnosť na rozhraní siete pri modulácií BPSK: 1,8 Mbit/s uplink,
1,8 Mbit/s downlink.
o Maximálna dosiahnuteľná vzdialenosť: LOS – 50 km, NLOS – 1 km
o Oneskorenie Eternet – Eternet: min. 9,5 ms
5.7 Budúcnosť technológie vo svete
WiMAX má určite budúcnosť. Dôkaz je možné pozorovať na reakcií trhu priamo
na území Slovenska. Je samozrejmé, že masové využívanie tejto technológie si vyžaduje
nemalé úsilie pri jej zavádzaní. Jednoducho povedané v momentálnom čase prebieha
etapa, ktorej výsledkom by malo byť čo možno najlepšie pokrytie územia. Táto etapa je
však aj najlukratívnejšia pre investorov, čo bolo možné sledovať napríklad na procese
prideľovania licencií v prenosovom pásme 3,5GHz. Víziou pokrytia vo veľkých mestách
je stav, kedy by na plnohodnotné pripojenie a prevádzku, bolo možné použiť vnútorné
zariadenia, bez potreby externých antén, inštalovaných na budovách. Dosiahnutie tohto
stavu sa predpokladá v 3. kvartáli roku 2006.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Avšak využitie tejto technológie nie je obmedzené len na úroveň prístupových
sietí. Nakoľko sa jedná o v celku bezpečnú technológiu, predpokladá sa jej uplatnenie aj
vo sfére transportných sietí, pričom prístupové siete môžu byť realizované za pomoci
iných technológií.
Pochybnosti o možnostiach uplatnenia tohto štandardu definitívne zmaril
napríklad projekt Japonskej metropolitnej siete, ktorá by mala byť realizovaná za pomoci
technológie WiMAX konkrétne v pásme 4,9 GHz. Projekt obsahuje 600 základňových
staníc, ktoré by mali zabezpečovať konektivitu pre tisíce klientov.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
6. Návrh
6.1 Frekvenčné pásmo
Prenosový systém musí v prvom rade spĺňať nároky kladené zo strany TU SR na
prenos v pásme 3,5 GHz. Z tohto pohľadu by bolo najvýhodnejšie použiť systém
s frekvenčne deleným duplexom, s využitím šírky kanálu 7 MHz pre downlink a rovnako
pre uplink.
6.2 Prenosová rýchlosť
Z hľadiska prenosovej rýchlosti možno definovať nasledovné požiadavky. Pre
pripojenie Tatranská Javorina zvoliť systém s prenosovou rýchlosťou približne 10 Mbit/s,
nakoľko uzol siete SANET, ktorý je zakončený v obci Stará Lesná, nedisponuje vyššou
kapacitou. Pre detašované pracovisko Liptovský Mikuláš je najvhodnejšie vytvoriť čo
najlepšie možné podmienky, ktoré zvolený systém podporuje.
6.3 Detašované pracovisko Liptovský Mikuláš
6.3.1 Charakteristika objektu
o Podsieť pedagógov (35 PC) obsahuje server na ktorom sú prevádzkované e-mailové služby pre
pedagógov a server pre http://www.lm.utc.sk ďalej databáza pre program STUDENT
a potreby ekonomického úseku.
o Podsieť internátov (50 PC) samostatný server pre prevádzku http://ilm.utc.sk o e-mailový
server ešte nebol prejavený záujem.
o V rámci IP telefónie (VoIP) boli doposiaľ pripojené 4 stanice, pričom v prípade možnosti sa
plánuje rozšírenie na 15 telefónnych staníc. [11]
Najbližší uzol siete SANET leží na spojnici Ružomberka a Popradu. Na oba smery disponuje sieť SANET
pripojením s max. prenosovou kapacitou 1 Gbit/s [8].
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
6.3.2 Poloha objektov
(1) – Detašované pracovisko ul. kpt. J. Nálepku1390 031 01 Liptovský Mikuláš
(2) – Školské výpočtové stredisko. Hurbanova 6 Liptovský Mikuláš
(3) – Posádková ubytovňa (budova 8 poschodí)
Obr. 6.3.2.1 Mapa oblasti Liptovský Mikuláš [9]
Na mapke je možné vidieť polohu detašovaného pracoviska (1), polohu uzla siete
SANET (2), polohu momentálneho retranslačného bodu (3). Medzi bodmi (1) a (2) nie je
možnosť priamej viditeľnosti. Vzdialenosť medzi týmito dvoma bodmi je 1400 m. Ako
vidno, jedná sa o husto osídlenú oblasť (mesto). Bod (3) predstavuje 8 poschodovú
budovu, z ktorej je možné realizovať spojenia k bodom (1) a (2) pri priamej viditeľnosti.
Pomocou tejto trasy je momentálne realizovaný rádiokomunikačný systém. Tento však
nevyhovuje požiadavkám, pretože pracuje vo voľnom pásme, ktoré je podstatne rušené.
Keďže sa jedná o preklenutie veľmi malej vzdialenosti, systém bude tvorený jednou
bunkou. Do úvahy pripadajú dva rôzne varianty.
a) Prvým vhodnejším variantom je umiestniť BS do bodu (3) a dimenzovať ju na
pokrytie bodov (1) a (2), v ktorých budú umiestnené SS.
b) Druhým variantom je návrh s využitím schopnosti siete pracovať v podmienkach
NLoS. Umiestnenie BS bude v bode (2) a SS v bode (1).
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Variant a)
Keďže BS disponuje internou anténou s vyžarovacím uhlom 60° bolo by potrebné
použiť dve BS a dva prenosové kanály. Vhodnejšie riešenie je, vzhľadom na požiadavku
pokryť malé územie, použitie všesmerovej antény. Pre realizáciu som vybral systém
firmy Airspan uvedený pod označením AS.MAX. Pre realizáciu BS bude použitá stanica
MicoMAX SOC. Pre realizáciu SS som zvolil koncové zariadenie ProST. Ako externú
anténu som zvolil OMNI – 10 - 3.5, ktorá bude k BS pripojená pomocou koaxiálneho
kábla RG 213 o dĺžke 1,5m. BS samotná bude plniť funkciu bridge. Koncové body
spojenia budú predstavovať SS. Tieto budú umiestnené na budovách príslušných objektov
a nasmerované na polohu BS. Na strane detašovaného pracoviska nahradí SS momentálne
zariadenie rádiokomunikačného systému. Rovnako na strane bodu (2). Aby bola trasa
klasifikovaná ako LoS, je potrebné aby fresnelovu zónu v žiadnom bode netienila
prekážka o viac ako 40% jej obsahu. Keďže antény budú umiestnené na stožiaroch, ktoré
ležia na strechách budov, je potrebné zabezpečiť dostatočnú výšku na to, aby okolité
budovy svojimi rohmi neclonili fresnelovej zóne.
Variant b)
V tomto variante sa práve využíva predurčenosť štandardu WiMAX pre aplikáciu
v mestskom prostredí. BS, rovnaké zariadenie ako v predošlom prípade, bude umiestnená
v bode (2). Na pokrytie oblasti sa použije interná anténa BS. V bode (1) bude umiestnená
SS ako jediná koncová stanica systému. Systém bude pracovať v podmienkach NLoS. Na
posúdenie spoľahlivosti tohoto riešenia by bolo potrebné vykonať meranie s konkrétnymi
zariadeniami. Systémy WiMAX sú schopné pracovať v podmienkach NLoS za
predpokladu zníženia prenosovej rýchlosti, nakoľko sa upravuje modulácia podľa
podmienok prenosu. Aby bolo možné predpokladať možnosti systému v takýchto
podmienkach bolo by potrebné spracovať podrobný model oblasti.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
6.3.3 Technické parametre komponentov systému
(BS) Base Station: MicroMAX SOC
RF rozhranie:
o Schéma RF Multiple Access – OFDM o Frekvenčné pásma - 3.4 - 3.6 GHz, 5.8 GHz o Šírka kanála - 1.75 MHz, 3.5 MHz, 7 MHz, 10 MHz o FFT – 256 o Duplex metóda - FDD + TDD o Uhol pokrytia – 60° o Podporované modulácie - 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK (automatický výber
najvhodnejšieho módu). o Podporované profily WiMAX - 3.51F1, 3.5F2, 3.5T1, 3.5T2, 5.8T o Podporovaný štandard - IEEE 802.16-2004 o Tx výkon - +28 dBm o Rx citlivosť - -115 dBm (1/16), -103 dBm (1/1)
vlastnosti IP:
o IP Mód - 802.1d samoučiaci bridge o IPv - IPv4 + IPv6
šifrovanie:
o AES CCM o TEK AES 128bit o TEK AES 1024
Sieťové rozhranie:
o 100bT Ethernet
(SS) Subscriber Station: MicroMAX ProST
RF rozhranie:
o Schéma RF Multiple Access – OFDM o Frekvenčné pásma - 3.4 - 3.6 GHz, 5.8 GHz, 4.9 - 5.0 GHz, 2.3 - 2.4 GHz o Šírka kanálu - 1.75 MHz, 3.5 MHz, 5 MHz, 7 MHz, 10 MHz o FFT – 256 o Duplex metóda - HFDD + TDD o Podporované modulácie - 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK o Podporované profily WiMAX - 3.51F1, 3.5F2, 3.5T1, 3.5T2, 5.8T o Podporovaný štandard - IEEE 802.16-2004 o Tx výkon - +23 dBm o Rx citlivosť - -103 dBm
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Anténa: OMNI – 10 - 3.5
o Pracovné pásmo: 3.4 - 3.6GHz o Uhol vyžarovania: 360° o Zisk: 10 dBi
Koaxiálny kábel: RG 213 Konektory 1x N/F – 1x N/F, dĺžka 1,5m, útlm 1,33 dB
[10].
6.3.4 Simulácia návrhu v programe RADIOLAB
Na simuláciu tohto konkrétneho prípadu by bolo potrebné využiť čo možno
najautentifickejší model prostredia. Aby boli výsledky simulácie postačujúce, model by
musel obsahovať objekty do úrovne približných rozmerov budov. Moduly programu
RADIOLAB s ktorými som pracoval, zahŕňajú zjednodušené modely mestského
prostredia. Pri module simulujúcom terénny profil, je možné skúmať spoj z hľadiska
priamej viditeľnosti. Avšak program RADIOLAB vo svojich výpočtoch nezohladňuje
vplyvy krátkodobého úniku. Z týchto dôvodov by bolo potrebné na simuláciu použiť iný
program prípadne modul, ktorý by sa viac približoval skutočnej situácii. Vykonaná
simulácia pre variant b) je uvedená v časti príloh (príloha č.2).
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
6.4 Detašované pracovisko Tatranská Javorina
Charakteristika objektu
o Objekt predstavuje lokálnu sieť. Pracovisko má kapacitu 20 pedagógov a 20 študentov. Toto detašované pracovisko Žilinskej univerzity momentálne nedisponuje pripojením do siete SANET.
6.4.1 Poloha objektov
(1) - Výskumný ústav vysokohorskej biológie (VÚVB) 059 56 Tatranská Javorina 7 (2) - Uzol siete SANET Stará Lesná
Obr. 6.4.1.1 Mapa oblasti Tatranská Javorina [9]
Na mapke je možné vidieť polohu detašovaného pracoviska (1) a polohu
príslušného uzla siete SANET (2). Medzi bodmi nie je možnosť priamej viditeľnosti.
Jedná sa o horskú oblasť s podstatným prevýšením. Je potrebné nájsť vhodné objekty pre
umiestnenie prípadných retranslačných bodov. Na prvý pohľad by bolo možné použiť dva
postupy.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
a) Vytvoriť trasu okolo pohoria.
b) Preklenúť prevýšenie pomocou retranslačných bodov umiestnených na hrebeňoch
vrchov.
Variant a)
Vzhľadom na členitosť terénu nie je možné nájsť efektívnu trasu. Predbežne som
počítal s možnosťou využitia Tatranskej kotliny a priesmyku medzi vrchom Havran
a Ždiar. Ako vhodný zdroj informácií o teréne som použil práve program RADIOLAB
a jeho modul profil. Po preskúmaní situácie som prišiel k záveru, že riešiť situáciu
takýmto spôsobom je vzhľadom na hornatý profil nevhodné. Bol by potrebný veľký počet
retranslačných bodov, čo by malo veľký dopad na celkové oneskorenie prenosu.
Variant b)
Za prvý najvýznamnejší retranslačný bod som zvolil Lomnický štít. Tento bod je
mimoriadne výhodný, nakoľko sa presne na vrchole nachádza Observatórium Lomnický
štít (SAV). Tento objekt je ideálnym bodom na vytvorenie retranslačnej stanice. Navyše
podmienky spojenia s bodom (2) sú ideálne. Menej výhodná situácia nastáva pri riešení
spojenia medzi retranslačnou stanicou a bodom (1). Hrebene vrchov, ktoré stoja pozdĺž
trasy predstavujú vážny problém. Nakoľko obec Tatranská Javorina je obkolesená horami
prakticky zo všetkých strán, objavujú sa početné prekážky. Vzdialenosť medzi bodom (2)
a retranslačnou stanicou je 9 km. Vzdialenosť medzi bodom (1) a retranslačnou stanicou
je 9,5 km.
o Riešením by bolo umiestnenie viacerých retranslačných bodov na hrebeňoch
vrchov brániacich priamej viditeľnosti. Pri takomto riešení by sa však s ohľadom
na charakter prostredia objavili problémy týkajúce sa napájania a umiestnenia
zariadení.
o Ďalším riešením by mohlo byť vytvorenie retranslačnej stanice smerom na západ
ďalej od pohoria, ktorá by bola schopná priameho spoja s retranslačným bodom
a aj s objektom v Tatranskej Javorine.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Aby som mohol posúdiť možnosti a body v ktorých by bolo možné zo stanicou na
Lomnickom Štíte komunikovať, vytvoril som si orientačnú simuláciu pokrytia
v programe RADIOLAB. Pri simulácií som použil vysielač so všesmerovou anténou. Ako
vidno v prílohe č.5 obec Tatranská Javorina je v pásme nepriamej viditeľnosti. Avšak
južne od nej program vykreslil oblasť, s predpokladaným pokrytím, ktorá je v prílohe
zvíraznená boelou kružnicou. Vykonal som teda simuláciu (príloha č.6) v terénnom
profile, ktorá dokazuje že v danej oblasti je možné dosiahnuť priamej viditeľnosti.
Hranica tejto oblasti je však mimo obce Tatranská Javorina. Priamy spoj je však možné
vybudovať ku koncovému bodu lyžiarskej zjazdovky. Takýto bod by mal vyhovovať aj
v ohľade na napájanie zariadeni. BS bude rovnako realizovaná pomocou modulu
MicroMAX SOC. Modul bude však rozšírený o dve externé antény AS 38-21. Tieto budú
pripojené ku modulu pomocou koaxiálneho kábla RG 213 o dĺžke 1,5m. Antény
budú nasmerované na body (1) a (2). Pre realizáciu dokončenia trasy až ku budove
samotného detašovaného pracoviska, by bolo potrebné využiť ešte jeden retranslačný
bod. Tým by sa náklady potrebné na vybudovanie spoja prakticky zdvojnásobili.
S ohľadom na vzdialenosť, ktorá činí približne 500 m a výhodnú polohu lyžiarskeho
strediska, by som navrhoval túto poslednú časť trasy realizovať pomocou bezdrôtovej
technológie štandardu 802.11.
6.4.2 Technické parametre komponentov systému
(BS) Base Station: MicroMAX SOC
RF rozhranie:
o Schéma RF Multiple Access – OFDM o Frekvenčné pásma - 3.4 - 3.6 GHz, 5.8 GHz o Šírka kanálu - 1.75 MHz, 3.5 MHz, 7 MHz, 10 MHz o FFT – 256 o Duplex metóda - FDD + TDD o Uhol pokrytia – 60° o Podporované modulácie - 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK (automatický výber
najvhodnejšieho módu). o Podporované profily WiMAX - 3.51F1, 3.5F2, 3.5T1, 3.5T2, 5.8T o Podporovaný štandard - IEEE 802.16-2004 o Tx výkon - +28 dBm o Rx citlivosť - -115 dBm (1/16), -103 dBm (1/1)
vlastnosti IP:
o IP Mód - 802.1d samoučiaci bridge
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
o IPv - IPv4 + IPv6
šifrovanie:
o AES CCM o TEK AES 128bit o TEK AES 1024 Sieťové rozhranie:
o 100bT Ethernet
(SS) Subscriber Station: MicroMAX ProST
RF rozhranie:
o Schéma RF Multiple Access – OFDM o Frekvenčné pásma - 3.4 - 3.6 GHz, 5.8 GHz, 4.9 - 5.0 GHz, 2.3 - 2.4 GHz o Šírka kanálu - 1.75 MHz, 3.5 MHz, 5 MHz, 7 MHz, 10 MHz o FFT – 256 o Duplex metóda - HFDD + TDD o Podporované modulácie - 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK o Podporované profily WiMAX - 3.51F1, 3.5F2, 3.5T1, 3.5T2, 5.8T o Podporovaný štandard - IEEE 802.16-2004 o Tx výkon - +23 dBm o Rx citlivosť -103 dBm
Anténa: CSAT - AS30-19
o Pracovné pásmo: 3.4 - 3.6GHz o Uhol vyžarovania: 12° o Zisk: 21 dBi
Koaxiálny kábel: RG 213 Konektory 1x N/F – 1x N/M, dĺžka 1,5m, útlm 1,33 dB
Spojka: 2xN/F -N/M 90°
Zdroj [9].
6.4.3 Simulácia návrhov v programe RADIOLAB
V prípade vypracovávania návrhu pre pripojenie detašovaného pracoviska
Tatranská Javorina som využíval program RADIOLAB nielen na samotné simulácie, ale
taktiež na analýzu oblasti. Modul terénneho profilu som použil na klasifikáciu priamej
viditeľnosti. Vytvoril som simuláciu spojenia Stará Lesná – Lomnický Štít (príloha č.3).
Následne som sa pokúsil o simuláciu predpokladaného priameho spojenia Lomnický Štít
– Tatranská Javorina (príloha č.4). Po zobrazení podmienok NLoS som hľadal
alternatívne riešenie pre daný spoj. V module POKRYTIE som vytvoril orientačný model
pokrytia danej oblasti s použitím vysielača so všesmerovou anténou. Pri analýze som
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
upravil parametre vykreslovaného modelu z hľadiska hraníc bunky. Výsledok mi
pomohol pri navrhovaní alternatívnej polohy prijímača.
6.5 Technicko ekonomické zhodnotenie návrhov
Detašované pracovisko Liptovský Mikuláš: Parametre možností systému AS-MAX
z hľadiska dosiahnuteľných prenosových rýchlostí sú uvedené v prílohovej čast (príloha
č.1). Ako už bolo spomenuté, systém reaguje na zhoršenie podmienok prenosu úpravou
modulácie. Toto má za následok v najhoršom prípade až niekoľkonásobné zníženie
prenosovej kapacity spoja (príloha č.1).. S týmto faktom je potrebné počítať v prípade
realizácie variantu b). Najvhodnejším riešením je variant a). Toto riešenie poskytuje
ideálne podmienky spojenia. Pri odhadovaní prenosovej kapacity je možné uvažovať
hodnoty uvedené v prílohe pre šírku kanála 3,5MHz, pretože celková prenosová kapacita
sa rozdelí medzi dve koncové stanice.
Ekonomické zhodnotenie: Ako príklad uvádzam orientačné ceny komponentov.
Nakoľko dodávateľ odmietol uviesť presnú cenu zariadení.
o Základňová stanica Micromax SOC – 160 000,- Sk
o 2 x Klientská stanica ProST – 28 000,- Sk
o Anténa OMNI – 10 - 3.5 – 16 000,- Sk
o Kábel RG213 1,5m – 500,- Sk
o Spotrebný materiál (káble konektory eternet) – 1000,- Sk
Celkovú cenu zariadení a komponentov potrebných na realizáciu variantu a)
odhadujem na 205 500,- Sk. Celková cena variantu b) bude znížená o cenu klientskej
stanice a antény, čo činí približne 30 000,- Sk. Z toho dôvodu by som doporučil pre
realizáciu variant a).
Detašované pracovisko Tatranská Javorina: Z hľadiska prenosových schopností aj
nákladov potrebných na realizáciu, je navrhované riešenie približne zhodné s predošlým
prípadom. Vzhľadom na náklady potrebné na prevádzku zariadení v licenčnom pásme by
som doporučil použiť pre realizáciu projektu zariadenia pracujúce v pásme 5,8 GHz,
nakoľko sa jedná o voľné pásmo.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
7. Záver
Táto práca sa zaoberá návrhom využitia rádiokomunikačného systému AS-MAX
pri riešení dvoch konkrétnych prípadov. V úvodnej časti poukazuje na základné nároky
kladené na komunikáciu v zadanom frekvenčnom pásme zo strany Telekomunikačného
úradu Slovenskej republiky. V ďalšej časti sa venuje problematike rádiokomunikačných
systémov z pohľadu šírenia elektromagnetických vĺn. Popisuje nepriaznivé javy
vplývajúce na samotný prenos. Teoreticky približuje základné princípy šírenia a odrazu.
Vysvetluje vplyv šumu na kapacitu prenosového kanálu. Ďalej poukazuje na pojem
Fresnelovej zóny a jej význam pri samotnom prenose. Približuje súvislosť medzi ziskom,
smerovosťou a šírkou lúča u antén. Následne popisuje rozdiel medzi prenosom v horskej
oblasti a mestskej časti. V závere teoretickej časti sa práca venuje opisu štandardu 802.16.
Popisuje funkcie jednotlivých vrstiev a metódy, akými sú tieto funkcie zabezpečené.
V popise štandardu sú vymenované varianty fyzickej vrstvy a ich požiadavky na
prenosové médium. Sú tu spomenuté dve duplexné metódy, ktoré štandard podporuje a to
aj z pohľadu na štruktúru paketov. Následne je rozobratá otázka linkovej vrstvy
a kontroly prístupu k médiu. V závere je štandard opísaný z hľadiska QoS a využiteľnosti
v praxi. Teoretický rozbor vyúsťuje do návrhu pre riešenie zadania diplomovej práce.
V návrhu sú postupne opísané oba cieľe s ohľadom na geografickú polohu a možnosti
pripojenia. Pri riešení bol použitý program RADIOLAB ako zdroj informácií o teréne
a možnostiach LOS. Následne po analýze, boli popísané riešenia, s použitím systému AS-
MAX. V technicko-ekonomickom zhodnotení je uvedená približná cena systému v danej
konfigurácií a posúdenie prenosových možností systému.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
8. Zoznam použitej literatúry
[1] http://www.teleoff.gov.sk
[2] DOBOŠ, Ľ. – DÚHA, J. – MARCHEVSKÝ, S. – WIESER, V.: Mobilné
rádiové siete, Žilinská univerzita, 7/2002
[3] http://www.kemt.fei.tuke.sk/predmety/KEMT524_MKS/_materialy/Studijne%
20materialy/
[4] http://www.wimax.cz/
[5] http://www.hw.cz/externi/1503/
[6] http://www.broadcastpapers.com/whitepapers/WiMAX_Broadband_Wireless_
Access.pdf
[7] http://www.wimaxforum.org
[8] http://www.sanet.sk
[9] http://www.mapy.sk
[10] http://www.airspan.cz
[11] http://www.lm.utc.sk
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Čestné vyhlásenie
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Rudolfa Hronca PhD. a
používal som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa .............................. podpis diplomanta
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Poďakovanie
Na tomto mieste sa chcem poďakovať vedúcemu diplomovej práce doc. Ing. Rudolfovi
Hroncovi PhD. za cenné rady a pomoc pri vypracovávaní diplomovej práce a tiež mojím
rodičom za podporu pri štúdiu.
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Žilinská univerzita v Žiline
Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií
Návrh WiMAX siete pre pokrytie detašovaných pracovísk ŽU
(prílohová časť)
Viktor JANATA
2006
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Zoznam príloh Príloha č.1: Efektívnosť využitia spektra a priepustnosť kanála u systému AS-MAX
Príloha č.2: Simulácia (terénny profil) Detašované pracovisko Liptovský Mikuláš
Príloha č.3: Simulácia (terénny profil) Stará Lesná - Lomnický Štít
Príloha č.4: Simulácia (terénny profil) Lomnický Štít – Tatranská Javorina
Príloha č.5: Simulácia (pokrytie) Vysielač – Lomnický Štít
Príloha č.6: Simulácia (terénny profil) Lomnický Štít – Tatranská Javorina 2
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Príloha č.1: Efektívnosť využitia spektra a priepustnosť kanála u systému AS-MAX
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Príloha č.2: Simulácia (terénny profil) Detašované pracovisko Liptovský Mikuláš
Príloha č.3: Simulácia (terénny profil) Stará Lesná - Lomnícký Štít
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Príloha č.4: Simulácia (terénny profil) Lomnický Štít – Tatranská Javorina
Príloha č.5: Simulácia (pokrytie) Vysielač – Lomnický Štít
o Poloha vysielača – Lomnický štít označená modrým krížom o Oblasť príjmu – zvýraznená bielou kružnicou
Žilinská univerzita v Žiline – Katedra telekomunikácií Diplomová práca
Príloha č.6: Simulácia (terénny profil) Lomnický Štít – Tatranská Javorina 2