Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/740.pdfObr. 6.1.2 Čipy pre WiMAX Base Station...

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu 802.16 a jej využitie

pre šírenie multimediálnych aplikácií

František Valent

2006

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

http://www.fineprint.cz


Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu 802.16 a jej využitie pre šírenie

multimediálnych aplikácií

DIPLOMOVÁ PRÁCA

FRANTIŠEK VALENT

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci diplomovej práce: Ing. Daniel Milučký

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.)

Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.5.2006

ŽILINA 2006




Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta

KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ

Univerzitná 1, 01026 Žilina

Akademický rok 2005/2006

ZADANIE DIPLOMOVEJ PRÁCE

Meno, priezvisko: František Valent

Študijný odbor: Telekomunikácie

Téma diplomovej práce: Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity

na báze protokolu 802.16 a jej využitie pre šírenie

multimediálnych aplikácií

Pokyny pre vypracovanie diplomovej práce:

- definícia známych 802.16 štandardov, charakteristiky, pokrytie v zastavanom

území,

- výber vhodného typu štandardu a frekvenčného pásma pre lokality budov ŽU,

- prieskum trhu v oblasti dodávaných 802.16 zariadení z hľadiska dostupných

frekvencií, výkonu a cenových parametrov,

- navrhnúť topológiu chrbticovej 802.16 metropolitnej záložnej siete ŽU,

- urobiť ekonomické a technologické porovnanie 802.16 riešenie s optickou trasou,

- využitie backhaul prístupových bodov pre AP prístupu užívateľov s využitím

DTSS Canopy zariadení poslednej míle,

- definovať multimediálne aplikácie, ktoré bude možné sprístupniť koncovým

účastníkom cez navrhnutú sieť.

Vedúci diplomovej práce: Ing. Daniel Milučký, Ústav infor. a komunikačných

technológií, Žilinská univerzita v Žiline

Dátum odovzdania diplomovej práce: 19. 05. 2006

prof. Ing. Milan Dado, PhD. Žilina 21. 11.2005 vedúci katedry




Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,

Katedra telekomunikácií ________________________________________________________________________

ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko, meno: Valent, František školský rok: 2005/2006

Názov práce: Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu

802.16 a jej využitie pre šírenie multimediálnych aplikácií

Počet strán: 59 Počet obrázkov: 42 Počet tabuliek: 11

Počet grafov: 0 Počet príloh: 5 Použitá lit.: 14

Anotácia (slov. resp. český jazyk): Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom

metropolitnej siete založenej na štandarde 802.16. Popisuje jednotlivé štandardy, druhy

prostredí šírenia vĺn a technológiu OFDM. Zaoberá sa taktiež prieskumom trhu

a samotným návrhom WMAN pre Žilinskú univerzitu. Táto práca podrobne popisuje

systém Canopy, ktorý je použitý na vybudovanie tejto WMAN.

Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký): This graduate thesis deals with

design of metropolitan network based on 802.16 standard. The work describes standards,

kinds of environs where a waves are spread and about OFDM technology. It describes

also research of market and project of WMAN for the University of Žilina. This work

details Canopy system that is use for build the WMAN.

Kľúčové slová: WiMAX, IEEE 802.16, bezdrôtová sieť, metropolitná sieť, Fresnelova

zóna, LOS prostredie, NLOS prostredie, OFDM, DTSS, adaptívna modulácia, Fourierové

transformácie, SANET 2, Motorola Canopy, Point-to-Point, Point-to-Multipoint

Vedúci práce: Ing. Daniel Milučký

Recenzent práce: Ing. Peter Čepel

Dátum odovzdania práce: 19.05.2006




Obsah

1. Úvod ....................................................................................................................... 1

2. Cieľ riešenia........................................................................................................... 2

3. Metropolitné siete založené na štandarde 802.16 ................................................. 3

3.1 Pracovná skupina IEEE 802.16 ........................................................................ 3

3.2 Popis základných vlastností WMAN................................................................ 4

3.2.1 Rýchlosť ...................................................................................................... 5

3.2.2 NLOS .......................................................................................................... 6

3.2.3 Dosah .......................................................................................................... 6

3.3 Porovnanie WMAN s technológiou DSL ......................................................... 7

3.4 Porovnanie WMAN s WLAN .......................................................................... 8

3.5 Porovnanie WMAN so sieťami tretej generácie ............................................. 10

4. Šírenie signálu v LOS a NLOS prostredí............................................................ 12

4.1 Prostredie LOS .............................................................................................. 12

4.2 Prostredie NLOS............................................................................................ 13

5. Ortogonálne frekvenčne delený multiplex.......................................................... 15

5.1 Všeobecný popis OFDM................................................................................ 15

5.2 Matematický popis OFDM ............................................................................ 19

5.3 Fourierová transformácia ............................................................................... 21

5.4 Využitie FFT v OFDM .................................................................................. 22

5.5 Princíp činnosti OFDM vysielača................................................................... 23

5.6 Princíp činnosti OFDM prijímača .................................................................. 24

5.7 Viaccestné šírenie a jeho nežiaduce javy........................................................ 26

6. Prieskum trhu v oblasti dodávaných 802.16 zariadení a vznik WiMAX Fóra.. 29




6.1 Súčasná situácia na trhu oblasti WMAN ........................................................ 29

6.2 Štandard 802.16-2004.................................................................................... 32

6.3 Štandart 802.16e ............................................................................................ 32

6.4 Výber vhodného typu štandardu a frekvenčného pásma pre lokality budov

Žilinskej univerzity ................................................................................................... 33

7. Návrh topológie metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity .................... 34

7.1 Slovenská akademická sieť SANET 2............................................................ 34

7.2 Metropolitná sieť Žilinskej univerzity ............................................................ 34

7.3 Lokalizácie budov Žilinskej univerzity pomocou GPS ................................... 37

7.4 Návrh topológie metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity .................. 38

7.5 Ekonomické a technologické porovnanie záložnej WMAN s optickou trasou

............................................................................................................................40

8. Popis a parametre antén Canopy backhaul pre Point-to-Point spojenie .......... 43

8.1 Všeobecný popis Canopy 45Mbps Backhaul.................................................. 43

9. Využitie backhaul prístupových bodov na pokrytie areálu Veľký Diel pomocou

AP na báze DTSS ........................................................................................................ 46

9.1 Využitie technológie DTSS pre riešenie poslednej míle ................................. 46

9.2 Prenos rozprestretých rámcov ........................................................................ 47

9.3 GPS synchronizácia ....................................................................................... 47

9.4 Riadenie prístupu k médiu v DTSS systémoch ............................................... 48

9.5 Prenášanie krátkych paketov v DTSS............................................................. 49

9.6 Systém Canopy.............................................................................................. 49

9.7 Agregovaná priepustnosť pri PtP a PtM protokoloch...................................... 51

9.7.1 Point-to-Point protokol............................................................................... 51

9.7.2 Point-to- Multipoint protokol ..................................................................... 51

9.8 Komunikácia medzi AP a SM pomocou Point-to-Multipoint protokolu.......... 52




9.9 Časová synchronizácia medzi AP a SM modulmi........................................... 53

9.10 Popis základných parametrov CMM, AP a modulu SM.................................. 54

9.9.1 Cluster Management Module ..................................................................... 54

9.9.2 Prístupový bod AP-Advantage ................................................................... 55

9.9.3 Účastnícky modul SM................................................................................ 56

10. Využitie systému Canopy na multimediálne aplikácie....................................... 57

11. Záver .................................................................................................................... 59




Zoznam obrázkov a tabuliek

Obr. 3.2.1 Trojuholník kvality

Obr. 3.2.2 Dosah signálu pre LOS a NLOS šírenie

Obr. 4.1.1 Fresnelova zóna v LOS prostredí

Obr. 4.2.1 NLOS šírenie

Obr. 4.2.2 Prostredie Near-LOS

Obr. 4.2.3 Prostredie Non-LOS

Obr. 4.2.4 Inštalácie LOS a NLOS CPE zariadení Obr. 5.1.1 FDM s 9 nosnými vlnami s použitím filtra

Obr. 5.1.2 OFDM s 9 subnosnými vlnami


Obr. 5.1.4 Porovnanie prenosu pomocou jednej nosnej vlny a OFDM subnosných vĺn

Obr. 5.1.5 Prijímané signály v móde jednej nosnej vlny a v móde OFDM

Obr. 5.2.1 Príklady OFDM spektier jednej subnosnej (a) a piatich (b). Stredné

frekvencie každého subkanálu nie sú ovplyvňované ostatnými kanálmi.

Obr. 5.4.1 Príklad výkonovej spektrálnej hustoty OFDM signálu (počet subnosných

vĺn N=32)

Obr. 5.5.1 Bloková schéma OFDM vysielača

Obr. 5.6.1 Vznik ICI v dôsledku frekvenčného posunu

Obr. 5.6.2 Účinok fázového šumu v oscilátore

Obr. 5.6.3 Bloková schéma OFDM prijímača

Obr. 5.7.1 OFDM symbol bez ochranného pásma prichádza na vstup prijímača

poškodený predchádzajúcim oneskoreným symbolom (vzniká ISI)

Obr. 5.7.2 Pri použití cyklického prefixu (CP) oneskorenie predchádzajúceho

symbolu neovplyvňuje aktuálny symbol (nevzniká ISI)

Obr. 6.1.1 Produkty RedMAX od spoločnosti Redline Communications

Obr. 6.1.2 Čipy pre WiMAX Base Station vyvinuté v laboratóriách firiem Wavesat

(čip aj pre CPE) a SEQUANS Communications

Obr. 6.1.3 Štúdia siete WiMAX podľa firmy Aperto networks

Obr. 7.1.1 Slovenská akademická sieť SANET 2

Obr. 7.2.1 Topológia MAN Žilinskej univerzity

Obr. 7.2.2 Optická a rádiová trasa metropolitnej siete Žilinskej univerzity

Obr. 7.3.1 GPS mapa mesta Žilina s vyznačenými pozíciami budov ŽU




Obr. 7.4.1 Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity

Obr. 8.1.1 Typy Canopy backhaul antén

Obr. 8.1.2 Backhaul Power Indoor Unit (PIDU)

Obr. 9.3.1 GPS satelity vo výške 20 000 km nad Zemou

Obr. 9.6.1 Nasadenie produktov Canopy

Obr. 9.6.2 Komunikácia medzi modulmi Canopy

Obr. 9.7.1 Časový rámec pre Point-to-Point protokol

Obr. 9.7.2 Časový rámec pre Point-to-Multipoint protokol

Obr. 9.8.1 Komunikácia Point-to-Multipoint medzi AP a SM

Obr. 9.9.1 Časová synchronizácia medzi AP a SM

Obr. 9.9.2 Pohľad na CMM spredu

Obr. 9.9.3 Blokové zapojenie systému Canopy

Obr. 9.9.4 Lokálna a sieťová komunikácia medzi AP a SM

Obr. 10.1.1 Canopy ako súčasť T1/E1 hlasových spojení

Obr. 10.1.2 Interopereabilita medzi novými a starými Canopy zariadeniami

Tabuľka 3.2 Prehľad modulácii

Tabuľka 3.3 Porovnanie technológií WMAN a DSL

Tabuľka 3.4 Druhy WLAN (WiFi) štandardov

Tabuľka 3.5 Vlastnosti UMTS TDD

Tabuľka 6.1 Priepustnosti systému RedMAX v závislosti na vzdialenosti

Tabuľka 7.3 Presné pozície objektov s nadmorskou výškou Žilinskej univerzity

Tabuľka 7.5 Cenové náklady na vybudovanie metropolitnej záložnej siete ŽU

Tabuľka 7.6 Cenové porovnanie najrozšírenejších prístupových sietí s Canopy

Tabuľka 8.1 Parametre antény Canopy backhaul

Tabuľka 9.6 Stručný popis jednotlivých súčastí systému Canopy

Tabuľka 9.10 Základné parametre AP




Zoznam použitých skratiek 3GPP 3rd Generation Partnership Project (organizácia zaoberajúca sa sieťami

tretej generácie a ich štandardizáciou)

4G 4th Generation Networks (siete štvrtej generácie)

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line (asymetrická digitálna účastnícka

linka)

AES Advanced Encryption Standard (pokročilý šifrovací štandard)

AGC Amp Automatic Gain Control Amplifier (zosilňovač s automatickým riadením

zisku)

Amp Amplifier (zosilňovač)

AMPS Advanced Mobile Phone System (pokročilý mobilný systém,

analógový)

AP Access Point (prístupový bod)

ARQ Automatic Repeat-reQuest (systémy s automaticky vyžadovaným

opakovania chybne prijatého paketu)

BER Bit Error Ratio (miera chybne prenesených bitov)

BH Backhaul (obojsmerný chrbticový prenos dát)

BPSK Binary Phase Shift Keying (dvojstavové fázové kľučovanie)

BS Base Station (základňová stanica)

BWA Broadband Wireless Access (širokopásmový bezdrôtový prístup)

CIR Carrier Interference Ratio (pomer signálu(nosnej vlny) a

interferencie)

CMM Cluster Management Module (Riadiaci modul pre systém Canopy)

CPE Customer premises equipment (koncový terminál u účastníka)

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with (viacnásobný prístup so snímaním

Collision Avoidance nosnej a detekciou kolízii)

DAB Digital Audio Broadcasting (digitálne audio vysielanie)

DAC Digital-to-Analog Converter (Digitálno-analógový prevodník)

DES Data Encryption Standard (štandard pre šifrovanie dát)

DFT Discrete Fourier Transform (diskrétna Fourierová transformácia)

DHCP Dynamic Host Configuration (dynamický konfiguračný protokol)

Protocol

DSL Digital Subscriber Line (digitálna účastnícka linka)




DSLAM Digital Subscriber Line Access (prístupový koncentrátor pre DSL

Multiplexer účastníkov)

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum (priame rozprestretie spektra)

DTSS Dynamic Time-Synchronized (dynamické rozprestretie s časovou

Spreading synchronizáciou)

DVB-T Digital Video Broadcasting (digitalne video vysielanie- pozemné)

- Terrestrial

E1 E-carrier system (dátový okruh 2.048 Mbps)

ETSI European Telecommunication (európsky inštitút telekomunikačných

Standards Institute štandardov)

FDD Frequency Division Duplex (frekvenčne delený duplex)

FDM Frequency Division Multiplex (frekvenčne delený multiplex)

FEC Forward Error Correction (dopredné odstraňovanie chýb)

FFT Fast Fourier Transform (rýchla Fourierová transformácia)

FHSS Frequency Hoping Spread Spectrum (rozprestretie spektra frekvenčným

skákaním)

FT Fourier Transform (Fourierová transformácia)

FTP File Transfer Protocol (protokol na prenos súborov)

FWA Fixed Wireless Access (pevný bezdrôtový prístup)

GPS Global Positioning System (satelitný systém na určovanie presnej

polohy na Zemi)

HiperMAN High Performance Radio (bezdrôtová metropolitná sieť

Metropolitan Area Network s vysokým výkonom)

HSDPA High-Speed Downlink Packet (protokol pre W-CDMA pre rýchlejší

Access dátový prenos)

HTTP HyperText Transfer Protokol (hypertextový prenosový protokol)

ICI Inter-Carrier Interference (rušenie medzi nosnými vlnami)

ICMP Internet Control Message Protocol (riadiaci protokol pracujúci na

sieťovej vrstve)

IEEE The Institute for Electrical and (inštitút elektrotechnických

Electronics Engineers inžinierov)

IFFT Inverse Fast Fourier Transform (inverzná rýchla Fourierová

transformácia)

IPv4 Internet Protocol version 4 (internetový protokol verzia 4)




IPX Internetwork Packet Exchange (protokol sieťovej vrstvy)

ISI Inter-Symbol Interference (intersymbolová interferencia)

ISM Industrial, Scientific and Medical (nelicencované pásma pre výskumné

radio band a lekárske inštitúcie)

LAN Local Area Network (lokálna sieť)

LOS Line of Sight (priama viditeľnosť)

MAC Media Access Control (kontrola prístupu ku médiu)

MAN Metropolitan Area Network (metropolitná sieť)

MB-STC Multi-Beam Space-Time-Coding (multi-lúčové priestorovo-časové

kódovanie)

NAT Network Address Translation (prekladanie sieťových adries)

NGN Next Generation Networks (siete ďalšej generácie)

NLOS Non-Line of Sight (nepriama viditeľnosť)

nLOS near-Line of Sight (narušená priama viditeľnosť)

NT Network Terminal (sieťový terminál)

ODU OutDoor Unit (vonkajšia jednotka)

OFDM Orthogonal Frequency Division (ortogonálne frekvenčne delené

Multiplexing multiplexovanie)

PBX Private Branch eXchange (miestna ústredňa)

PCMCIA Personal Computer Memory Card (prídavná karta do PC)

International Association

PDA Personal Digital Assistant (osobný digitálny asistent)

PIDU Power InDoor Unit (vnútorná napájacia jednotka)

PSK Phase Shift Keying (fázové kľúčovanie)

PtM Point-to-Multipoint Protokol (protokol bod- viac bodov)

PtP Point-to-Point Protokol (protokol bod- bod)

QAM Quadrature Amplitude Modulation (kvadratúrna amplitúdová modulácia)

QoS Quality of Service (kvalita služby)

QPSK Quadrature Phase Shift Keying (kvadratúrne fázové kľúčovanie)

SDH Synchronous Digital Hierarchy (synchrónna digitálna hierarchia)

SHDSL Symmetric High-Speed Digital (symetrická vysokorýchlostná

Subscriber Line účastnícka linka)

SM Subscriber Modul (účastnícky modul)




SNMP Simple Network Management (jednoduchý riadiaci sieťový

Protocol protokol)

SNR Signal-Noise Ratio (pomer signál-šum)

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency (stupňovatelný OFDM prístup )

Division Multiple Access

SS Subscriber Station (účastnícka stanica)

T1 T-carrier system (dátový okruh 1.544 Mbps)

TCP Transmission Control Protocol (prenosový- spojový riadiaci protokol)

TD-CDMA Time Division- Code Division (časovo delený viacnásobný kódový

Multiple Access prístup ku kanálu)

TDD Time Division Duplex (časovo delený duplex)

TDMA Time Division Multiple Access (časovo delený viacnásobný prístup)

TFS Transmit Frame Spreading (prenos rozprestretých rámcov)

UDP User Datagram Protocol (užívateľský- nespojovo orientovaný

protokol)

UMTS Universal Mobile (univerzálny mobilný

Telecommunications System telekomunikačný systém)

VCO Voltage-Controlled Oscillator (napätím riadený oscilátor)

VLSI Very-Large-Scale Integration (čip s tranzistorovými obvodmi)

VoIP Voice over Internet Protokol (hlas cez IP)

WiFi Wireless Fidelity (bezdrôtová spoľahlivosť, lokálna

bezdrôtová sieť 802.11)

WiMAX Worldwide Interoperability for (celosvetová interopereabilita pre

Microwave Access mikrovlnný prístup, metropolitná

bezdrôtová sieť 802.16)

WLAN Wireless Local Area Network (bezdrôtová lokálna sieť)

WMAN Wireless Metropolitan Area (bezdrôtová metropolitná sieť)

Network




Žilinská univerzita v Žiline Katedra telekomunikácií

1

1. Úvod Pred viac ako 150 rokmi sa v USA uskutočnil prvý morseový prenos informácií

medzi dvoma mestami. Tam niekde môžeme hľadať začiatky telekomunikačného

priemyslu. Odvtedy prešiel telekomunikačný priemysel veľkými zmenami. Alexander

Graham Bell vytvoril prvý telefónny prístroj a telefónna linka si našla svoje miesto vo

väčšine domácnosti po celom svete. Paralelne s evolučným vývojom káblovej telefónie

sa hľadali aj spôsoby bezdrôtového prenosu informácií.

Začiatky novodobého bezdrôtového prenosu hlasu datujú 80-te roky minulého

storočia, kde sa v systémoch AMPS použila prvýkrát frekvenčná modulácia. Vylepšené

technológie v oblasti, kde prenosovým médiom je vzduch, začali odkrývať veľký

potenciál na prenos dát. To prinútilo výskumníkov začať upierať pozornosť na „wireless“

technológie. Mobilita sa čoraz viac stáva základnou požiadavkou zákazníka. Ďalšie

výskumy a laboratórne testy v oblasti bezdrôtových technológií predpovedajú, že

najbližšia dekáda tohto storočia bude patriť práve rádiovej komunikácií. Vďaka

zdokonaleným adaptačným moduláciám, dynamickému časovo-synchronizovanému

rozprestretiu a ortogonálne-frekvenčne delenému multiplexovaniu, ktorý je odolný voči

viaccestnému šíreniu dokážeme priniesť vysokorýchlostné pripojenie na miesta, ktoré

boli pár rokov dozadu víziou ďalekej budúcnosti. V mnohých štúdiách vyspelých

telekomunikačných spoločností sa hovorí o konvergencii už existujúcich systémov.

Z tohto dôvodu je samozrejmosťou, že pevný bezdrôtový prístup sa stane

neodmysliteľnou súčasťou sietí ďalšej generácie (NGN). Obrovský pokrok v oblasti

digitálneho spracovania signálov umožňuje vyrábať cenovo dostupné koncové zariadenia,

ktoré sme mohli vidieť pred časom iba v drahých vedecko-výskumných a armádnych

laboratóriách.

Vďaka týmto poznatkom a viacerým výskumom bola v roku 1999 založená

štandardizovaná pracovná skupina IEEE 802.16 (The Institute for Electrical and

Electronics Engineers), ktorá podrobne mapuje nové štandardy bezdrôtového prenosu.





2

2. Cieľ riešenia Cieľom tejto diplomovej práce je navrhnúť metropolitnú záložnú sieť Žilinskej

univerzity na báze najmodernejších trendových technológií, ktoré vychádzajú zo

štandardu 802.16. Úvod diplomovej práce popisuje vznik pracovnej skupiny IEEE 802.16, ktorá sa

zaoberá širokopásmovým bezdrôtovým prístupom a definuje základné vlastnosti

metropolitných sietí. Ďalej je vysvetlený rozdiel medzi LOS a NLOS prostredím, pretože

návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity sa vzťahuje najmä na NLOS

prostredie.

Jednou z najdôležitejších častí tejto práce je kapitola č. 5 o OFDM. V tejto

kapitole je podrobne opísaný všeobecný a matematický popis OFDM technológie.

Využitie diskrétnej Fourierovej transformácie na vytváranie subnosných vĺn, ktoré sa šíria

viacerými cestami v NLOS prostredí.

Môj prínos v tejto diplomovej práci je návrh blokových schém OFDM vysielača a

prijímača (kapitoly 5.5 a 5.6). V týchto kapitolách som popísal podrobný postup

pri spracovaní signálu v jednotlivých častiach OFDM vysielača, respektíve OFDM

prijímača. Technológia OFDM bude v blízkej budúcnosti implementovaná do systémov,

ktoré budú patriť do mobilných sietí štvrtej generácie.

Kapitola č. 6 je venovaná prieskumu trhu v oblasti dodávaných zariadení, ktoré

spĺňajú parametre štandardu 802.16 a výberu zariadení, vhodných pre vytvorenie

spoľahlivej WMAN siete. Na vybudovanie našej metropolitnej záložnej WMAN siete

sme sa rozhodli použiť produkty od spoločnosti Motorola, ktorá vyrába pre-WiMAXové

zariadenia Canopy pracujúce v nelicencovanom pásme.

Kapitola č. 7 obsahuje návrh a topológiu metropolitnej záložnej WMAN siete,

vrátanie ekonomickej a technologickej analýzy v porovnaní s optickou trasou.

Ďalšie dve kapitoly (č.8 a 9) sa venujú princípu činnosti, popisu parametrov

a vlastností zariadení Canopy, ktoré sú použité pre našu sieť.

Posledná kapitola je venovaná využitiu našej siete na prenos multimediálnych

aplikácii (video streaming, VoIP) a konvergencii zariadení Canopy k WiMAXu.

V prílohe sú zobrazené výsledky z laboratórnych testov zariadení Canopy, kde

sme sledovali a merali latenciu paketov, s programom Ethereal sme odchytávali pakety

pri video streame a s programom Hammer Call Analyzer sme analyzovali prenos hlasu

(VoIP) cez bezdrôtovú sieť Canopy a školskú IP sieť.





3

3. Metropolitné siete založené na štandarde 802.16 3.1 Pracovná skupina IEEE 802.16

Pracovná skupina IEEE 802.16 založená v roku 1999 sa zaoberá širokopásmovým

bezdrôtovým pripojením BWA (Broadband Wireless Access). Táto pracovná skupina,

respektíve štandardy, ktorými sa táto skupina zaoberá, je označovaná okrem 802.16 tiež

ako WMAN alebo WirelessMAN. Prvá norma, ktorá v tejto pracovnej skupine vznikla,

bola označená ako 802.16. Bola zverejnená 8. apríla 2001 a rieši rádiové rozhranie (air

interface) pre bezdrôtové metropolitné siete. V apríli 2002 vznikla norma 802.16a, ktorá

obsahuje rozšírenie pre frekvencie 2-11 GHz. Štandard 802.16c vznikol v januári 2003 a

rieši podrobné špecifikácie normy 802.16 (požiadavky na jednotlivé zariadenia).

Najnovší prírastok do skupiny týchto štandardov bol v roku 2004 - 802.16d, ktorý

v podstate zhrňuje normy 802.16/a/c. V júni 2004 bola ratifikovaná norma 802.16-2004,

ktorá zhrňuje a nahradzuje všetky predchádzajúce varianty. Práve verzia 802.16-2004 je

označovaná ako WiMAX. Ďalej sa pripravuje norma 802.16e, ktorá sa zameriava hlavne

na mobilitu užívateľov (k dispozícii na trhu v roku 2007). Posledným pripravovaným

dokumentom je 802.16g, ktorý by mal špecifikovať podporu operačných systémov.

Stručný prehľad vlastností:

• Dosah cca. 50 km, 70 Mbps; 256 Mbps na fyzickej vrstve

• QoS (Quality of Service)

• Jednoduchá škálovateľnosť

• Nevyžaduje priamu viditeľnosť (2-11 GHz)

• Využíva licencované a nelicencované pásma

Širokopásmové bezdrôtové technológie štandardu 802.16 sú navrhnuté pre

poskytovanie kvalitných a spoľahlivých služieb s vyspelým riadením QoS. Oproti dnes

masovo využívaným technológiám Wi-Fi ponúka 802.16 vhodné riešenie pre využitie

v malých firmách ako aj pre domácich užívateľov žijúcich na vidieku a v malých

mestách. WiMAX je teda reálnou alternatívou pre širokopásmové pripojenie, kde je

technicky nereálne využívať služby DSL. [1]





4

3.2 Popis základných vlastností WMAN

WMAN má veľkú šancu preniknúť na náš trh a zaplaviť veľké územia práve

vďaka škálovateľnosti. Sieť nie je problém rozširovať a zvyšovať jej kapacitu aj bez

výmeny už inštalovaných zariadení. Je to presne technológia stavaná na mieru pre

použitie v rôznych podmienkach. Aj na vidieku, aj v meste. Najväčšou výhodou je práve

adaptívna modulácia a možnosť rozdelenia pásma na menšie pásma, prípadne rozdeliť

vyťažený sektor na dva menšie sektory. A tiež veľkým pozitívom je QoS. To všetko

umožňuje rozvíjať sieť postupne a pritom poskytnúť pripojenie na väčšom území. Toto

nedokáže žiadna „káblová“ technológia.

Najväčšími devízami štandardu 802.16 sú prenosová rýchlosť, dosah signálu a

možnosť šírenia signálu v hustých zástavbách, kde nie je priama viditeľnosť medzi

vysielačom a prijímačom, čiže šírenie signálu v NLOS prostredí. Rýchlosť, dosah a

NLOS spolu veľmi úzko súvisia a tvoria akýsi magický trojuholník (obr. 3.2.1).

Nemôžeme mať všetky tri parametre naraz v najlepšej kvalite. Takže neexituje možnosť,

ako dosiahnuť naraz vysokú rýchlosť, veľký dosah a NLOS. Tieto parametre musia byť

neustále v rovnováhe. Keď sa pokúsime zvýšiť napríklad rýchlosť, tak nám automaticky

klesne dosah. [2]

Obr. 3.2.1 Trojuholník kvality





5

3.2.1 Rýchlosť

Rýchlosť je vždy závislá priamo od šírky pásma a od použitej modulácie.

Výhodou WMANu je používanie adaptívnej modulácie, ktorá umožňuje podľa kvality

spojenia meniť typ modulácie. V praxi to znamená, že ak je rádiové spojenie kvalitné,

použije sa „lepšia“ modulácia a ak je nekvalitné použije sa „horšia“ modulácia.

WMAN vie pracovať so 64 QAM, 16 QAM, QPSK a BPSK moduláciami.

modulácia počet stavov

počet bitov

rýchlosť v Mbps kódovane/nekódované

využiteľných b/Hz kódované/ nekódované

64 QAM 64 6 70/50 5/3,6 16 QAM 16 4 46/34 3,3/2,4 QPSK 4 2 22/17 1,6/1,2 BPSK 2 1 11/8 0,8/0,6

Tabuľka 3.2 Prehľad modulácii

Použitie modulácie závisí od ďalších dvoch faktorov: NLOS a od vzdialenosti od

základňovej stanice (BS). Ak je viditeľnosť slabá a vzdialenosť od BS je vysoká,

neostáva iná možnosť, ako časť vyhradeného pásma použiť pre vzdialené obydlia

pomocou BPSK. Základnou myšlienkou je do rovnakej šírky pásma namodulovať viacej

bitov a tým aj schopnosť rozpoznávať viacej stavov. Lenže ako sa s pribúdajúcou

vzdialenosťou od BS zhoršuje SNR (pomer signál-šum), nie je možné rozoznať na

prijímacej strane jednotlivé stavy spoľahlivo, a preto sa používa „slabšia“ modulácia.

Sieť WMAN ponúka veľkú škálu diferenciácie tohto pásma na menšie pásma (od

1,5 MHz do 20 MHz s rôznymi medzistupňami a kombináciami). Takže sa bude môcť

poskytovateľ rozhodnúť, na čo použije to pásmo a ako ho rozdelí, aby čo najefektívnejšie

využil celú šírku. Napríklad 3,5 MHz bude môcť použiť pre pripájanie v blízkosti bázovej

stanice (64 QAM) a zvyšok pre vzdialenejšie prípojky alebo celú šírku pásma použije iba

pre najbližšie okolie BS. V tabuľke 3.2 sú uvedené údaje pre danú moduláciu pri využití

celého 14 MHz frekvenčného pásma. Samozrejme, že tieto rýchlosti platia pre jeden

sektor BS. Bežne má bázová stanica aspoň tri sektorové antény, takže prenosové kapacity

sa týmto spôsobom zvyšujú. [2]





6

3.2.2 NLOS

To, že nie je potrebný priamy výhľad na bázovú stanicu, je síce pravda, ale na

druhej strane sa tým znižuje dosah signálu od BS. Je to však výhodné v husto osídlených

oblastiach v mestách, kde je veľa vysokých budov a prípadne aj nerovností v teréne.

V takýchto lokalitách je potrebné budovať bázové stanice hustejšie a samozrejme bázová

stanica musí mať viacej sektorových antén, aby sa kapacita zvýšila. Ak by BS boli príliš

ďaleko od seba, nebolo by možné používať dostatočne silnú moduláciu a využitie pásma

by nebolo také efektívne. Prostredie NLOS je podrobnejšie popísané v ďalšej kapitole.

3.2.3 Dosah

Môžeme uvažovať o dosahu pri priamej viditeľnosti (LOS) a pri nepriamej

viditeľnosti (NLOS). Na obrázku 3.2.2 je vidieť porovnanie týchto dvoch prístupov.

Z uvedeného obrázku je jasné, že NLOS veľmi znižuje dosah signálu, a preto je potrebné

stavať BS blízko k sebe, aby sa zaručila už spomínaná efektivita. Ale nič samozrejme

nebráni postaviť BS ďalej od seba a neskôr, keď vzrastie počet zákazníkov a kapacity už

nebudú stačiť, zhustiť sieť základňových staníc. [2]

Obr. 3.2.2 Dosah signálu pre LOS a NLOS šírenie





7

3.3 Porovnanie WMAN s technológiou DSL WirelessMAN stavia svoj úspech hlavne na tom, že je lacnejší a je jednoduchšie

inštalovať vysielač a antény ako kopať ulice a klásť optické káble. Okrem toho ako

najmodernejšia prístupová technológia sprístupňuje všetky moderné širokopásmové

služby vďaka flexibilnému využívaniu rádiového spektra a podpore riadenia kvality

služby (QoS), ktorá umožňuje uprednostňovanie citlivého dátového prenosu (hlas,

streaming video). WMAN vo svojich začiatkoch, ktorých sme práve svedkami, podporuje

pevný bezdrôtový prístup, ale v blízkej budúcnosti bude vedieť ponúknuť svoje služby

taktiež mobilným užívateľom.

CHARAKTERISTIKY xDSL WMAN (802.16)

Typ média Vyhradené Zdieľané

Typické maximálne pokrytie 5km(ADSL)/7km(SHDSL) 15km(LOS), 1-2km(NLOS)

Prevádzkovateľ- DSLAM Prevádzkovateľ- Base Station(BS)

Zákazník- Subscriber Station(SS)

Architektúra Zákazník- xDSL NT

PtP, PtM a mesh topológia

Maximálna rýchlosť ADSL- 8Mbps/800kbps BS- 70Mbps SS-4Mbps

Roaming Nie Áno

QoS QoS podobné ako u ATM Podpora MAC QoS

Škálovateľnosť V závislosti na kapacite DSLAM

Stovky zákazníkov v jednej bunke

Napájanie u zákazníka Zo siete Zo siete alebo batérie

Tabuľka 3.3 Porovnanie technológií WMAN a DSL

Vďaka tomu bude možné postaviť rýchle metropolitné bezdrôtové prístupové siete

pre užívateľov, ktorí môžu byť on-line aj pri pohybe so svojim koncovým zariadením

(laptop, PDA), pričom ich kapacita bude porovnateľná s kapacitou káblových prípojok a

DSL. Hlavnými prednosťami WMAN oproti súčasným prístupovým technológiám sú





8

nízke investičné náklady do sieťovej infraštruktúry a možnosť pracovať v licenčných

a bez licenčných pásmach.

3.4 Porovnanie WMAN s WLAN

Na prvý pohľad sa môže zdať, že medzi sieťami 802.16 (WMAN) a 802.11

(WLAN) existuje pomerne veľká podobnosť a že sa vlastnosti a využitie týchto

technológií do veľkej miery prekrývajú, ale celá podobnosť začína a v podstate končí

v tom bode, že v obidvoch prípadoch sa jedná o bezdrôtovú technológiu.

Základný rozdiel je už v názve oboch štandardov:

• WLAN (často označovaná názvom WiFi) je bezdrôtová lokálna sieť, teda sieť kde

jej pokrytie vo väčšine prípadov nepresiahne jednu budovu (blok budov) a jej

maximálny dosah je približne do 10 km. Prenosové rýchlosti sú od 1 do 54 Mbps.

• WMAN je naproti tomu metropolitná sieť, ktorej maximálny dosah je cca 50 km a

dosahované rýchlosti sú okolo 70 Mbps. [3]

Tabuľka 3.4 Druhy WLAN (WiFi) štandardov

Štandard pre WLAN sa začal vyvíjať v polovici 90. rokov a v roku 1999 (keď

bola vytvorená pracovná skupina 802.16) už bol základný štandard 802.11a/b k

dispozícii. Naproti tomu návrh WMAN je podstatne modernejší a obsahuje prvky, ktoré u

WLAN nie sú zahrnuté. WMAN podporuje väčší počet užívateľov, má väčší dosah a

priepustnosť. Okrem toho na rozdiel od WiFi obsahuje podporu pre QoS na MAC úrovni

Typ Frekvenčné pásmo

Kapacita na fyzickej vrstve

Reálna užívateľská

rýchlosť

Mechanizmus prenosu

802.11b 2,4-2,485 GHz 11 Mbit/s Do 6 Mbit/s DSSS

802.11g 2,4-2,485 GHz 54 Mbit/s Do 22Mbit/s OFDM/DSSS

802.11a 5,1-5,3 GHz a 5,725-5,825 GHz 54 Mbit/s Do 25 Mbit/s OFDM





9

a súčasťou štandardu je aj kvalitnejšie zabezpečenie. Prístup k médiu u WLAN je

založený na CSMA/CA a pri WMAN vždy prebieha plánovanie, ktoré akékoľvek kolízie

v podstate vylučuje. Obidve technológie používajú pre zvýšenie kapacity siete

technológiu OFDM.

Základná výhoda WLAN oproti WMAN je nepochybne to, že WLAN (WiFi) je

dnes bežne používaná technológia, zatiaľ čo zariadenia určené pre WMAN sa len

začínajú objavovať na trhu. Práve vďaka obdobiu, počas ktorého je už WiFi na trhu, sú

ceny koncových zariadení veľmi priaznivé (niekoľkonásobne nižšie ako pri nástupe

WiFi). Pri sieťach WMAN sa očakáva podobný pokles cien v nasledujúcich rokoch, kedy

by sa mal začať zväčšovať jeho podiel na trhu. [3]

Pravdepodobne môžeme očakávať, že obe technológie budú úspešne existovať

vedľa seba a ich funkcie sa budú skôr dopĺňať ako navzájom prekrývať. Ako už bolo

napísané, technológia WiFi svojimi vlastnosťami nie je určená pre metropolitné siete a jej

využívanie pre tieto účely v našich podmienkach je v podstate zastupovaním a

vyplňovaním medzery na trhu, ktorý doteraz neponúkal vhodné technológie. V ideálnom

prípade bude v najbližšej dobe technológia WiFi (WLAN) vrátená do sektoru sietí, pre

ktoré bola pôvodne navrhnutá a vonkajšie siete charakteru MAN budú využívať práve

technológiu na štandarde 802.16.

Využitie:

Prostredníctvom siete WMAN sa bude pripájať napríklad malá firma. V rámci

objektu bude konektivita zaistená pomocou WLAN. Technológia WMAN je ideálna

napríklad pre lokálnych poskytovateľov internetových služieb, ktorí môžu s jej pomocou

vybudovať “chrbticové spojenie” v rámci mesta a technológiu WLAN použiť až na

konečnú distribúciu k užívateľom do domácností. K firemným zákazníkom je vhodné

použiť klientsku stanicu WMAN, aby bolo možné ponúknuť dostatočnú kapacitu a zaistiť

príslušnú kvalitu.





10

3.5 Porovnanie WMAN so sieťami tretej generácie

Základné UMTS, ktoré sú v súčasnosti nasadené už v 80 sieťach na svete,

využívajú na vysielanie a príjem iné frekvenčné pásma (uplink/downlink), čiže

frekvenčne delený duplex FDD. Dnes dostupné terminály podporujú prístupové rýchlosti

do 384 kbps. Pre nepárované pásma vypracovalo 3GPP špecifikácie s časovo deleným

duplexom TDD (Time Division Duplex). TDD mobil vysiela a prijíma na tej istej

frekvencii, ale pre vysielanie sa používajú iné časové sloty ako pre príjem. Výhodou TDD

je možnosť regulácie využitia časových slotov pre príjem a pre vysielanie. Takto

dokážeme vytvoriť asymetrický prenos dát, čo je dôležité napríklad pri sťahovaní súborov

alebo pri prehliadaní internetových stránok. Zatiaľ komerčné UMTS siete väčších

mobilných operátorov využívajú UMTS s prístupom FDD. Prístup TDD sa vďaka svojim

vlastnostiam bude využívať najmä na prenos dát. Plnohodnotné TDD UMTS aj s

hlasovými službami nasadia mobilní operátori pravdepodobne až vtedy, keď začnú mať

problémy s kapacitou v pásmach vyhradených pre FDD UMTS.

Tabuľka 3.5 Vlastnosti UMTS TDD

Mnohonásobný prístup TD-CDMA

Šírka pásma 5 MHz

Rozprestierací factor 1, 2, 4, 8, 16

Modulácia QPSK, QAM

Čipová rýchlosť 3,84 Mčipov/s

Handover Hard

Max. prenosová rýchlosť

2Mb/s (pri HSDPA v móde FDD až

14,4Mb/s)

Dĺžka rámca 10ms

Trvanie časového intervalu 667 µs





11

Základná výhoda UMTS oproti WMAN je nepochybne to, že UMTS je

technológia s ktorou sa už dlho „počíta“. Licencia na prevádzku tejto siete je už viac

rokov (najmä v západnej Európe) predaná za relatívne vysoké ceny, a tak operátori

mobilných sietí, ale aj výrobcovia zariadení do týchto sietí už investovali nemalé

prostriedky. V Japonsku a v niektorých krajinách západnej Európy sú už tieto siete v

prevádzke. Zariadenia určené pre WMAN sa ešte len začínajú objavovať na trhu.

Pravdepodobne môžeme očakávať, že obidve technológie budú úspešne existovať vedľa

seba, ale na druhej strane sa stanú najväčšími konkurentmi. U UMTS možno

predpokladať ďaleko rozsiahlejšie pokrytie a s tým súvisiacu väčšiu mobilitu,

samozrejme za cenu nižších prenosových rýchlostí a pravdepodobne vyšších nákladov

ako by mohla poskytovať WMAN.[4]





12

4. Šírenie signálu v LOS a NLOS prostredí 4.1 Prostredie LOS V súčasnosti poznáme niekoľko technológií, ktoré dokážu poskytnúť pevné

širokopásmové bezdrôtové spojenie, avšak aby sme dosiahli kvalitné spojenie musí byť

medzi vysielačom a prijímačom priama viditeľnosť. Toto prostredie poznáme pod

skratkou LOS (Line-of-Sight). Technológia založená na štandarde 802.16 dokáže v LOS

prostredí vytvoriť spojenie až na vzdialenosť 50km, ale vďaka svojím fyzikálnym

vlastnostiam a OFDM technológii dokáže poskytnúť veľké pokrytie aj v oblasti NLOS

(Near/Non-Line-of-Sight), čiže v miestach, kde nedokážeme zabezpečiť priamu

viditeľnosť medzi vysielacou a prijímacou anténou.

. Pri LOS spojení prechádza signál z vysielača prostredím priamo, bez

akýchkoľvek prekážok, až k prijímaču. Od LOS spojenia sa požaduje, aby prvá

Fresnelová zóna bola voľná a neobsahovala žiadne prekážky. Ak toto kritérium nie je

splnené potom dochádza k značnému zníženiu sily signálu. Požadovaná veľkosť

Fresnelovej zóny je závislá od frekvencie rádiového spojenia a vzdialenosťou medzi

vysielačom a prijímačom. [5]

Obr. 4.1.1 Fresnelova zóna v LOS prostredí





13

4.2 Prostredie NLOS

Pri NLOS spojení sa signál dostáva do prijímača prostredníctvom odrazov,

rozptylov a ohybov. Signály prichádzajúce do prijímača obsahujú zložky skladajúce sa

z priamej trasy, viacerých odrazených ciest, rozptýlenej energie signálu a rôznych

záhybov šírených vĺn. Tieto signály majú rôzne časové oneskorenie, tlmenie, polarizáciu

a stabilitu v porovnaní s priamou trasou. [5]

Obr. 4.2.1 NLOS šírenie

NLOS môžeme rozdeliť na dva prípady v závislosti od prostredia, v ktorom

vznikajú. Prostredie, kde je síce priama viditeľnosť medzi vysielačom a prijímačom, ale v

1. Fresnelovej zóne sa nachádzajú prekážky, ktoré výrazne oslabujú silu signálu

nazývame Near-Line-of-Sight. Tieto prekážky spôsobujú budovy, stromy a nerovnosť

terénu.

Obr. 4.2.2 Prostredie Near-LOS





14

Prostredie, kde je 1. Fresnelová zóna úplne blokovaná prekážkou, nazývame Non-

Line-of-Sight. Táto situácia môže nastať vtedy, ak je medzi vysielačom a prijímačom

veľké pohorie alebo vysoká a hustá zástavba. V Non-LOS prostredí sú požiadavky na

pripojenie oveľa náročnejšie v porovnaní s Near-LOS prostredím.

Obr. 4.2.3 Prostredie Non-LOS

Dosah signálu v Non-LOS je pri dostatočnom vysielacom výkone a šírke

prenášaného kanálu do 2 km, pričom v Near-LOS podmienkach môže byť úroveň signálu

dostatočná na príjem až 15 km od vysielacej antény. NLOS technológia umožňuje

vyrábať indoor CPE (Customer Premise Equipment). Indoor CPE je zákaznícke

zariadenie so vstavanou anténou umiestnené vo vnútri budovy. Možnosti použitia Indoor

CPE sú obmedzované ziskom vstavanej antény v indoor CPE a penetráciou signálu cez

steny budov, respektíve stratami signálu.

Obr. 4.2.4 Inštalácie LOS a NLOS CPE zariadení





15

5. Ortogonálne frekvenčne delený multiplex 5.1 Všeobecný popis OFDM Technológia OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) umožňuje

providerom prevádzkujúcim bezdrôtové internetové spojenie účinným spôsobom

prekonať hustú zástavbu v mestách pri šírení rádiových vĺn medzi prístupovým bodom

poskytovateľa a zákazníckym modulom používateľa. Tým sa odstránila podmienka

nutnosti priamej viditeľnosti medzi prijímačom a vysielačom, čo výrazne zvýšilo

možnosti budovania nových bezdrôtových účastníckych prípojok, predovšetkým na

miesta, kde nie je z fyzikálneho hľadiska možné aplikovať technológie xDSL. OFDM

eliminuje intersymbolovú interferenciu (ISI) a zložitosť adaptívnej ekvalizácie, pretože

nosný signál modulovaný cez OFDM sa skladá z úzkopásmových ortogonálnych

subnosných vĺn, tým pádom dokážeme ľahko kompenzovať selektívne úniky v prijímači.

Ortogonálny frekvenčne delený multiplex je multi-nosná prenosová metóda, ktorá bola

nedávno označená ako jedinečné riešenie pre vysokorýchlostnú bezdrôtovú komunikáciu.

OFDM efektívne umiestňuje viaceré modulované signály tesne vedľa seba. Modulované

nosné signály sú zúžené na požadovanú šírku pásma, čím dochádza k ich prekrývaniu,

ale vďaka svojej ortogonalite sa navzájom nerušia. Táto technológia sa dnes používa

v ADSL, ale aj v bezdrôtových systémoch ako 802.11a/g (WiFi), ale svoje uplatnenie

bude mať najmä v štandarde 802.16. Taktiež sa využíva pri bezdrôtovom vysielaní

digitálneho videa a audia.

OFDM je založená na frekvenčne delenom multiplexe (FDM), ktorý využíva

paralelný prenos viacerých signálov súčasne s frekvenčným delením. Pri FDM má každá

nosná svoje vlastné frekvenčné pásmo a na ňu sú potom namodulované dáta. Nosné vlny

sú navzájom oddelené ochranným pásmom, aby sa predchádzalo ich vzájomnému

prekrývaniu. Tieto vlny sú potom demodulované v prijímači, ktoré za pomoci filtrov

vyberajú jednotlivé pásma (obr. 5.1.1).





16

Obr. 5.1.1 FDM s 9 nosnými vlnami s použitím filtra

OFDM je podobná ako FDM, ale je mnohonásobne spektrálne účinnejšia, čo je

zapríčinené stlačením subnosných vĺn k sebe, čiže sa opticky navzájom prekrývajú. Lenže

zásluhou toho, že sú ortogonálne(čo znamená, že sú jedinečné, čiže nie sú rovnaké) je

možné, aby sa jednotlivé nosné navzájom prekrývali a napriek tomu nebude dochádzať

k ich vzájomnej interferencii. Prekrývanie subnosných vĺn vidíme na obrázku 5.1.2, kde

sa požadovaná šírka pásma značne zmenšila nielen zásluhou odstránenia ochranného

pásma, ale aj vďaka spomínanému vzájomného prekrývania kanálov.


V štandarde 802.16-2004 sa stretávame s technológiou 256 OFDM, kde máme

spolu 256 subkanálov, ktoré tvorí 256 subnosných vĺn (obr. 5.1.3). Pre prenos dát sa

používa 192 subnosných vĺn, 8 je riadiacich a 56 je nulových. V základnej forme sa dáta

na subnosných vlnách indikujú nulovým alebo jednotkovým bitom. Nezáleží pritom, či

ide o moduláciu s fázovým kľúčovaním (PSK) alebo o kvadratúrnu amplitúdovú

moduláciu (QAM), ktorá sa zvyčajne používa pri väčších prenosových rýchlostiach.

Takže v tomto prípade môžeme dátové toky rozdeliť paralelne medzi 192 subnosných

tokov, pričom každý z nich má vlastnú prenosovú rýchlosť. Každý dátový tok je potom

namodulovaný individuálne na jednotlivé nosné zložky, pričom môžu využívať rôzne

druhy modulácií (PSK, QAM). Riadiace subnosné vlny poskytujú referencie o

frekvenciách a fázových skokoch počas prenosu, zatiaľ čo nulové subnosné vlny slúžia

ako ochranné pásma, ale aj na prenos jednosmernej nosnej zložky (stredná frekvencia).





17


Prístup cez OFDM umožňuje jednotlivé subnosné vlny prideľovať rôznym

používateľom. Napríklad vlny 1, 3 a 7 pridelíme prvému užívateľovi a vlny 2, 5 a 9

druhému. Obrázok 5.1.4 zobrazuje rozdiel medzi OFDM signálom a signálom

prenášaným jednou nosnou vlnou, kde informácie pri OFDM sú prenášané paralelne a pri

jednej nosnej v sérii. [6]

Obr. 5.1.4 Porovnanie prenosu pomocou jednej nosnej vlny a OFDM subnosných

vĺn





18

Schopnosť spracovávať vzájomne oneskorené OFDM subnosné vlny, odolávanie

viaccestnému šíreniu a nízka intersymbolová interferencia, to všetko pomáha vytvárať

lepšie podmienky pre dosahovanie vyšších prenosových rýchlostí. Na obrázku vidíme

rozdiel medzi príjmom signálu pomocou jednej nosnej vlny a príjmom OFDM signálu.

Obr. 5.1.5 Prijímané signály v móde jednej nosnej vlny a v móde OFDM

Škálovateľnosť OFDM prístupu umožňuje FFT s menším počtom subnosných vĺn

zvýšiť výkon(účinnosť) pre kanály s menšou šírkou pásma. Tento spôsob sa uplatňuje pri

štandarde 802.16-2004, ktorý dokáže zredukovať veľkosť FFT z 2048 na 128 subnosných

vĺn pri šírkach kanálov od 1,25 po 20 MHz. [5]

Ďalšia výhoda OFDM je schopnosť správne spracovávať viaccestné šírenie.

Z toho vyplýva, že OFDM dokáže účinne predchádzať frekvenčne-selektívnym únikom,

interferenciám, je vysoko-spektrálne účinná a je odolná voči viaccestnému šíreniu. Táto

technológia dokáže splniť náročné požiadavky pre vysoko-rýchlostný bezdrôtový prenos

a našla uplatnenie nielen v technológiách 802.11, 802.16, DAB a DVB-T, ale sa s ňou

počíta aj ako základnou technológiou pre siete štvrtej generácie (4G).





19

5.2 Matematický popis OFDM Po oboznámení sa so systémom OFDM, jeho výhodami a možnosťami využitia

v moderných bezdrôtových prenosoch si ďalej vysvetlíme, prečo a ako dokáže OFDM

systém prenášať jednotlivé subnosné vlny stlačené do seba, bez ich vzájomného rušenia.

Matematický popis tohto systému nám umožní pochopiť správanie signálu v prenosovom

kanáli a činnosť prijímača pri dekódovaní signálu. Ako sme si už povedali, OFDM

prenáša veľký počet úzko pásmových nosných vĺn, ktoré sú stlačené husto vedľa seba vo

frekvenčnej oblasti. Aby sme sa vyhli použitiu veľkého množstva modulátorov a filtrov

vo vysielači a demodulátorov v prijímači, použijeme modernú techniku digitálneho

spracovania signálov- rýchlu Fourierovú transformáciu (FFT).

Obr. 5.2.1. Príklady OFDM spektier jednej subnosnej (a) a piatich (b). Stredné

frekvencie každého subkanálu nie sú ovplyvňované ostatnými kanálmi.

Každú subnosnú vlnu môžeme matematicky popísať ako komplexnú vlnu v tvare:

(1)

Skutočný signál je reálnou časťou sc (t). Amplitúda Ac (t) a fáza Øc (t) subnosnej

vlny sa mení na symbol. Hodnoty parametrov zostávajú rovnaké počas celej periódy

trvania symbolu τ. OFDM pozostáva z viacerých subnosných vĺn. Takto komplexné

signály ss(t) (obr. 5.2.1b) môžeme zapísať takto:





20

(2)

kde

Toto je priebeh spojitého signálu. Ak považujeme vlny každej zložky signálu ako

jeden symbol, potom premenlivé hodnoty amplitúd Ac (t) a fáz Øc (t), ktoré sú závislé od

frekvencie príslušnej nosnej, môžeme prepísať na:

Ak vzorkujeme signál použitím vzorkovacej frekvencie 1/T, potom výsledný

signál je reprezentovaný vzťahom:

(3)

Týmto sme ohraničili signál v čase, ktorý sme rozdelili na N vzoriek. Takto

môžeme vypočítať dĺžku trvania symbolu pomocou vzťahu:

τ = NT

Ak teraz zjednodušíme rovnicu 3 tvrdením, že ωO =0, tak dostaneme signál

v tvare:

(4)

Teraz je rovnica 4 porovnateľná so všeobecným tvarom inverznej Fourierovej

transformácie:

(5)

V rovnici 4 je definícia funkcie signálu vo vzorkovanej frekvenčnej





21

oblasti a kT reprezentuje časovú oblasť. Rovnice 4 a 5 sú rovnaké ak:

(6)

Táto podmienka je zároveň podmienkou ortogonality. Takto v dôsledku dodržania

ortogonality môže byť tento OFDM signál definovaný pomocou Fourierových

transformačných procedúr. [6]

5.3 Fourierová transformácia Fourierová transformácia nám umožňuje popísať javy z časovej oblasti do oblasti

frekvenčnej. Poznáme niekoľko druhov Fourierových transformácií. Výber toho, ktorú

z nich použiť, závisí na príslušných požiadavkách na činnosť.

Bežná transformácia popisuje spojitosť signálov, ktoré nie sú obmedzené časovo

ani frekvenčne. Spracovanie signálu je jednoduchšie, ak je signál vzorkovaný.

Pri vzorkovaní signálov s nekonečným spektrom dochádza k aliasingu a spracovanie

signálov, ktoré nie sú časovo obmedzené, vedie k problémom s kapacitou pamäte. [7]

Aby sme tomu zabránili, najčastejšie sa na spracovanie signálu používa diskrétna

Fourierová transformácia (DFT). DFT variant je normálna transformácia, v ktorej sú

signály vzorkované do časovej aj frekvenčnej oblasti. Rýchla Fourierová transformácia

(FFT) je len rýchla matematická metóda pre počítačové aplikácie DFT. Dostupnosť tejto

techniky, ako aj technológie implementovania do integrovaných obvodov za prijateľnú

cenu, dovolili urýchliť vývoj celého OFDM systému. Definícia diskrétnej Fourierovej

transformácie je:

(7)

a inverznej diskrétnej Fourierovej transformácie:

(8)





22

5.4 Využitie FFT v OFDM Rozvojom digitálneho spracovania signálov máme možnosť zadefinovať signál vo

frekvenčnej oblasti a generovať ho použitím inverznej FT. Signál je vo vysielači

softvérovo definovaný vo frekvenčnej oblasti, vzorkovaný a definovaný takým

spôsobom, že diskrétne Fourierové spektrum existuje len na diskrétnych frekvenciách.

Každá nosná vlna OFDM signálu odpovedá jednému prvku diskrétneho spektra.

Amplitúdy a fázy nosných vĺn závisia od vysielaných dát. V prípade konvenčného

prístupu by tvorba OFDM signálu vyžadovala veľké množstvo oscilátorov a násobičov.

Kľúčom k súčasnej popularite je použitie čipu VLSI inverznej FFT, ktorý realizuje

transformáciu jednotlivých spektier z frekvenčnej do časovej oblasti. V čipe sa realizuje

vzorkovanie, ktoré predstavuje reprezentáciu signálu v časovej oblasti. Vzorky sú vedené

do DAC prevodníka- reálny elektrický signál. V prijímači je proces opačný. Signál je

konvertovaný z analógového formátu na vzorkovaný digitálny signál. Vzorky

odpovedajúce každému symbolu sú FT transformované do frekvenčnej oblasti. Toto

umožní získať amplitúdu a fázu každej nosnej vlny.

Obr. 5.4.1 Príklad výkonovej spektrálnej hustoty OFDM signálu (počet subnosných

vĺn N=32)

Obrázok 5.2.1a zobrazuje spektrum OFDM subkanálu. Obrázky 5.2.1b a 5.4.1

znázorňujú spektrum OFDM, kde je garantovaná vzájomná ortogonalita subkanálov. [7]





23

5.5 Princíp činnosti OFDM vysielača Vstupné dátové informácie sa prevádzajú zo sériového toku na paralelný.

Jednotlivé bity sa takto frekvenčne prekladajú za účelom zvýšenia odolnosti voči

chybovosti. Aby nedošlo k veľkým stratám pri prenose v dôsledku frekvenčného

selektívneho úniku, namodulujeme paralelne usporiadané bity na jednotlivé nosné vlny

podľa určitého predpisu, respektíve podobnosti (namiesto ich konštantného sledu). Takto

frekvenčný selektívny únik spôsobí len malé chyby, ktoré sa dajú kompenzovať pomocou

FEC (Forward Error Correction- je systém kontroly voči chybám pre dátový prenos, kde

prijímacie zariadenie je schopné detekovať a opraviť poškodené bity alebo symboly

podľa vopred definovaného kľúča). Takto zoradené bity vstupujú do mapovacieho

obvodu, v ktorom sú bity združované na základe použitej viacstavovej modulácie (16

QAM až 64 QAM) do symbolov, ktoré sú definované v komplexnom tvare. Pred tieto

symboly sa vkladajú vopred známe pilotné informácie, ktoré sú posielané cez rovnaký

kanálový filter s užitočnými informáciami za účelom zisťovania pozície symbolu po

príchode do prijímača a pomáhajú k jeho rekonštrukcii na bity. Takto vzniknuté spektrá

komplexných signálov sú transformované z frekvenčnej oblasti do časovej pomocou

inverznej FFT a konvertované späť na sériový dátový prenos. Z IFFT sú za sebou

vysielané OFDM symboly, ku ktorým sa pridá cyklický prefix, aby sme zabránili vzniku

ISI. Takto upravený digitálny signál konvertujeme na analógový, ktorý sa namoduluje na

nosný vysokofrekvenčný signál. Výsledný vysokofrekvenčný signál je zosilnený

a vyžiarený do prostredia.

Obr. 5.5.1 Bloková schéma OFDM vysielača





24

5.6 Princíp činnosti OFDM prijímača Po prenose rádiovým kanálom prichádza signál do prijímača zoslabnutý, skreslený

a oneskorený. Zosilnenie signálu prebieha v zosilňovači s automatickým riadením zisku.

Na zosilnenom signáli odmeriame jeho frekvenciu a porovnáme ju s prednastaveným

oscilátorom VCO (Voltage-Controlled Oscillator), či nedošlo k frekvenčnému posunu.

Frekvenčný posun nastáva, keď VCO v prijímači negeneruje presne rovnakú frekvenciu

ako VCO vo vysielači. V OFDM systéme musia byť frekvencie vysielača a prijímača

úplne rovnaké, aby sme zabezpečili dokonalú ortogonalitu. V opačnom prípade má vznik

frekvenčného posunu za následok vznik ICI (obr. 5.6.1). [8]

Obr. 5.6.1 Vznik ICI v dôsledku frekvenčného posunu

Rušenie medzi subnosnými vlnami navzájom má za následok zvýšenie

chybovosti. V skutočnosti sa však reálny oscilátor prijímača nedokáže naladiť na presnú

frekvenciu VCO vysielača. To má za následok vznik fázového šumu v oscilátore (obr.

5.6.2).





25

Obr. 5.6.2 Účinok fázového šumu v oscilátore

V OFDM prijímači sa kladie veľký dôraz na časovú a frekvenčnú synchronizáciu,

ktorá je pri koherentnej demodulácii potrebná na zabezpečenie presnej kanálovej

estimácie, ktorá je nevyhnutná na kompenzáciu skreslenia v kanáloch. Po frekvenčnej

úprave signálu a časovej synchronizácii symbolu sa odstráni ochranný interval (cyklický

prefix). Vzorky odpovedajúce každému symbolu sú cez FFT transformované do

frekvenčnej oblasti a vytvorí sa paralelný tok subnosných vĺn. Toto umožní získať

amplitúdu a fázu každej subnosnej vlny (symboly sú v komplexnom tvare).

Za usporiadanie týchto symbolov do správneho kanálu zodpovedá pilotný signál, ktorý

bol vložený vo vysielači. Signál v jednotlivých kanáloch obsahuje prídavný šum, ktorý je

odstraňovaný kanálovými ekvalizátormi, aby sa zamedzilo vznikom chýb. Tieto

komplexné symboly sú odmapované a pomocou viacstavovej demodulácie získavame

paralelný rámcový tok bitov, ktoré sú dekódované pomocou FEC a prekladané na sériový

tok dát užitočných informácií.

Obr. 5.6.3 Bloková schéma OFDM prijímača





26

5.7 Viaccestné šírenie a jeho nežiaduce javy Aby sme porozumeli OFDM je potrebné poznať vedľajšie účinky, ktoré vznikajú

pri šírení rádiových vĺn prostredím. Pri ideálnom rádiovom prenose vysielač vysiela

signál, ktorý smeruje priamou vlnou do prijímača bez akýchkoľvek nepriamych ciest

vznikajúcich odrazom od stien alebo iných objektov. V tomto prípade je prijímaný signál

presnou kópiou vysielaného signálu. Bohužiaľ, k takýmto prípadom šírenia dochádza

veľmi zriedka, lepšie povedané, takmer vôbec.

V skutočnosti sa rádiový signál modifikuje počas šírenia prostredím. Prenášaný

signál čelí rôznym kombináciám nežiaducich vplyvov, ako sú tlmenie, odrazy, lámanie

a ohýbanie kópií pôvodného signálu. Okrem toho je kanál sprevádzaný šumom, ktorý je

spôsobený posunutím nosnej frekvencie (Dopplerov jav), ku ktorému dochádza ak sa

vysielač alebo prijímač pohybuje. Prudké zmeny signálu nastávajú, keď sa prenášaný

signál odráža od objektov. Za takýchto okolností sa prenášaný signál nedokáže šíriť

priamou vlnou k prijímaču. V skutočnosti dochádza k viaccestnému šíreniu, kde každý

signál prejde rozdielnu vzdialenosť od vysielača k prijímaču, a tak dochádza k rôznym

časovým oneskoreniam. Výsledkom je, že signál môže mať niekoľko vlastných ozvien

(kópií), ktoré prichádzajú do prijímača v rozdielnych časoch. Do prijímača takto

prichádza niekoľko kópií toho istého signálu s rozdielnou energiou a časovým

oneskorením. Rozšírenie signálu oneskorením (Delay spread- tmax) je definované ako

maximálny časový rozdiel medzi príchodom prvého symbolu a jeho poslednou kópiou

zachytenou prijímačom. Rozšírenie signálu oneskorením je závislé od prostredia,

v ktorom sa signál šíri. Najväčšie rozšírenie signálu oneskorením vzniká odrazom

od budov, keď vzdialenosti medzi vysielačom a odrazovými stenami sú veľmi veľké.

Okrem toho sa vlastnosti rozšírenia signálu oneskorením výrazne nemenia v rozsahu od

800MHz do 6GHz, čiže môžeme tvrdiť, že sú frekvenčne nezávislé v oblasti mobilného

pásma. Typické rozšírenie signálu oneskorením vo vnútri budov sa pohybuje v rozsahu

od 40ns do 200ns, zatiaľ čo vo vonkajšom prostredí sú rozšírenia od 1μs do 20μs. Pre

lepšie pochopenie viaccestného šírenia pre vysokorýchlostný dátový tok predpokladajme,

že signál je prenášaný ako diskrétny blok digitálnej informácie (symbol) každý časový

interval T.





27

Za takýchto podmienok môže byť prijímaný symbol značne poškodený ozvenou

predchádzajúceho symbolu. Tento jav nazývame intersymbolová interferencia (ISI).

Obrázok 5.7.1 znázorňuje poškodenie prichádzajúceho symbolu do prijímača spôsobené

oneskoreným predchádzajúcim symbolom, týmto dochádza k vzniku ISI . ISI sa zväčšuje

ak pomer tmax/T narastá. Toto je spôsobené znížením časového intervalu T, za účelom

zvýšenia prenosovej rýchlosti. Ak je pomer tmax/T príliš veľký, potom prijímač nedokáže

správne spracovať symbol prichádzajúci viaccestným šírením. [9]

Obr. 5.7.1 OFDM symbol bez ochranného pásma prichádza na vstup prijímača

poškodený predchádzajúcim oneskoreným symbolom (vzniká ISI)





28

Obr. 5.7.2 Pri použití cyklického prefixu (CP) oneskorenie predchádzajúceho

symbolu neovplyvňuje aktuálny symbol (nevzniká ISI)

Odstránenie tohto problému vieme zabezpečiť pridaním ochranného pásma

(cyklického prefixu), ktoré vložíme na začiatok každého vysielaného symbolu. Cyklický

prefix, ktorým vytvoríme nami požadovanú ochrannú dobu, nie je nič iné ako presná

kópia konca symbolu umiestnená na jeho začiatok. Dĺžka ochranného intervalu by preto

mala byť prinajmenšom rovná času rozšírenia signálu oneskorením- tmax . Typické trvanie

ochranného pásma je však dlhšie, aby sa zabezpečila dostatočná rezerva pre korigovanie

vzniku ďalších chýb. Napríklad ak je rozšírenie signálu oneskorením vo vnútri budov

200ns, potom trvanie cyklického prefixu môže byť až 600ns. Týmto zabezpečíme, že

oneskorený symbol prichádzajúci do prijímača viaccestným šírením nevplýva na ďalší

symbol, ale zaniká v cyklickom prefixe, v ktorom nie je prenášaná užitočná informácia

(obr. 5.7.2). Prijímač takýmto spôsobom dokáže prijímať nepoškodené symboly jeden za

druhým. Takto dokážeme zaručiť ortogonalitu signálov a potlačiť internosnú interferenciu

(ICI). [9]





29

6. Prieskum trhu v oblasti dodávaných 802.16 zariadení

a vznik WiMAX Fóra

6.1 Súčasná situácia na trhu oblasti WMAN Situácia v oblasti bezdrôtových technológií vďaka vzniku

štandardu 802.16 spôsobila na telekomunikačnom trhu doslova

„wireless revoluciu“. Štandard 802.16 býva často označovaný ako

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Napriek

tomu, že medzi oboma názvami je veľmi blízka súvislosť, rovnaký

význam nemajú. Zatiaľ, čo 802.16 je klasický štandard, ktorý prechádza postupným

vývojom a existuje už v niekoľkých verziách, WiMAX je skôr obecný názov, ktorým sú

nazývané bezdrôtové siete vychádzajúce z 802.16 (predovšetkým 802.16-2004

a 802.16e). Najmä zásluhou týchto okolností vznikla v roku 2003 organizácia s názvom

WiMAX Fórum.

WiMAX Fórum je nezisková organizácia združujúca firmy (v súčasnosti ich je

viac ako 300 z celého sveta), ktoré sa angažujú v oblasti technológií WiMAX. Jej členmi

sú výrobcovia samotných zariadení (Intel, Proxim, Alvarion, Redline, Alcatel, Motorola,

Nokia, atď.), ale aj poprední prevádzkovatelia pevných a bezdrôtových sietí (British

Telecom, France Telecom). Úlohou WiMAX Fóra je uľahčiť rozvoj bezdrôtových sietí

založených na štandarde 802.16 a zaručiť vzájomnú kompatibilitu prístupových zariadení

jednotlivých výrobcov. Wimax Fórum sa súčasnosti zameriava na normu 802.16-2004

a jej súčinnosť medzi zariadeniami tohto štandardu. Veľmi intenzívne sa pracuje aj na

štandarde 802.16e, ktorý sa čoskoro objaví na trhu a stane sa silným konkurentom sieťam

tretej generácie.

WiMAX Fórum uskutočňuje testovanie nových zariadení, s ktorým súvisí

udeľovanie známky WiMAX Certified. V januári 2006 boli v španielskych laboratóriách

CETECOM testované prvé zariadenia, ktoré získali tento certifikát. Prvá firma, ktorej

udelili certifikát WiMAX je kanadská spoločnosť Redline Communications, ktorej

produkt s názvom RedMAX určite čoskoro dorazí aj na náš trh.





30

Obr. 6.1.1 Produkty RedMAX od spoločnosti Redline Communications

Produkty z rodiny RedMAX (obr. 6.1.1) zodpovedajú špecifikáciám podľa

WiMAX Fóra a vychádzajú z technológie 802.16-2004, ktorá využíva OFDM ako

základnú moduláciu. Systém RedMAX disponuje základnými adaptívnymi moduláciami,

ktoré vychádzajú z diskrétnych modulačných metód QPSK, QAM16 a QAM64.

RedMAX je dostupný v licencovanom frekvenčnom pásme 3,5GHz a pre svoju činnosť

potrebuje kanály o šírke pásma 3,5 MHz. V tabuľke 6.1 sú uvedené priepustnosti tejto

technológie v závislosti na vzdialenosti pre kanál o šírke 7 MHz. [10]





31

Priepustnosť (ethernet/ rádiové rozhranie) PtM dosah PtP dosah

1 km NLOS 1.6 km NLOS

4.8 km nLOS 12.8 km nLOS

64 QAM/ -75 dBm

18.7 Mbps

22.5 Mbps 8 km LOS 19 km LOS

1.3 km NLOS 2.4 km NLOS

8 km nLOS 19 km nLOS

16 QAM / -82 dBm

12.4 Mbps

15 Mbps 13.6 km LOS 27 km LOS

1.8 km NLOS 3.9 km NLOS

14.5 km nLOS 29 km nLOS

QPSK/ -89 dBm

6.2 Mbps

7.5 Mbps 22.5 km LOS 39 km LOS

Tabuľka 6.1 Priepustnosti systému RedMAX v závislosti na vzdialenosti

RedMAX je určený na výstavbu infraštruktur typu PtP a PtM. Tieto zariadenia sú

postavené na čipe firmy Intel, ktorý je zárukou kompatibility so zariadeniami WiMAX

Certified. RedMAX podporuje prevádzkové módy TDD a FDD. Infraštruktúra môže

slúžiť pre prenosy typu Ethernet, alebo môže byť kombinovaná pre prenosy SDH typu

E1/T1. RedMAX samozrejme podporuje QoS pre aplikácie citlivé na riadenie kvality

služby, ako napríklad VoIP. [10]

Medzi ďalšie spoločnosti, ktoré ako prvé získali označenie WiMAX Certified sú

Aperto Networks, SEQUANS Communications a Wavesat.

Obr. 6.1.2 Čipy pre WiMAX Base Station vyvinuté v laboratóriách firiem Wavesat

(čip aj pre CPE) a SEQUANS Communications





32

Obr. 6.1.3 Štúdia siete WiMAX podľa firmy Aperto networks

6.2 Štandard 802.16-2004 Tento štandard bol vytvorený vďaka spolupráci pracovných skupín IEEE 802.16

a ETSI HiperMAN. Štandard 802.16-2004 využíva OFDM technológiu a podporuje

pevný bezdrôtový prístup v prostredí LOS a NLOS. Výrobcovia vyvíjajú vonkajšie

a vnútorné zákaznícke zariadenia (outdoor a indoor CPE) a PCMCIA karty do

notebookov. Prvé zariadenia sa budú vytvárať pre licencované pásmo 3.5GHz

a nelicencované pásmo 5.8GHz.

6.3 Štandart 802.16e Je optimalizovaný pre dynamické mobilné rádiové kanály. Táto verzia je založená

na vylepšeniach predchádzajúcich verzií a poskytuje podporu pre handover a roaming.

Táto posledná verzia štandardu 802.16 využíva stupňovitý OFDM prístup (SOFDMA)

s viacnosnou modulačnou technikou využívajúcou subkanálovanie. Výrobcovia ako

napríklad Intel budú priamo do svojich notebookov zabudovávať hardware s čipom pre





33

štandard 802.16e, tak ako to dnes vidíme pri WLAN (802.11). Poskytovatelia služieb

verzie 802.16e môžu tak isto poskytovať služby pevnému bezdrôtovému spojeniu, čiže

verzii 802.16-2004. Tento štandard by mal nastúpiť do prevádzky v roku 2007.

6.4 Výber vhodného typu štandardu a frekvenčného pásma pre

lokality budov Žilinskej univerzity Na Slovensku boli v roku 2005 udelené licencie pre FWA (Fixed Wireless

Access) v oblasti 3,5GHz štyrom alternatívnym operátorom: Amtel Slovensko,

GlobalTel, Telenor Networks a WiMax telecom Slovakia. Z dôvodu, že naša škola nevlastní licenciu na 3,5GHz a ani nespolupracuje

s alternatívnym operátorom, ktorý ju vlastní, na návrh metropolitnej záložnej siete

Žilinskej univerzity použijeme zariadenia CanopyTM pracujúce v oblasti nelicencovaného

pásma (5.47-5.725 GHz) alebo v pásme ISM (5.725-5.850 GHz) od firmy Motorola. Na

prepojenie jednotlivých budov (PtP) patriacich univerzite použijeme CanopyTM 45 Mbps

Backaul panelové antény, ktoré vďaka OFDM dokážu prenášať dáta až na vzdialenosť 8-

10 km v hustej zástavbe (NLOS prostredie). Pre riešenie poslednej míle pre koncového

účastníka využijeme zariadenia Motorola Canopy, ktoré pracujú na princípe TDMA

s použitím technológie DTSS (Dynamic Time-Synchronized Spreading). Vzhľadom na

použité zariadenia a typy antén, môžeme toto riešenie považovať za prvý krok do „sveta

WiMAX“.





34

7. Návrh topológie metropolitnej záložnej siete Žilinskej

univerzity 7.1 Slovenská akademická sieť SANET 2 V súčasnosti sieť SANET 2 spája 16 slovenských a dve zahraničné mestá,

v ktorých má ukončenú vlastnú optickú trasu. Aktuálna situácia je znázornená na obr.

7.1.1.

Obr. 7.1.1 Slovenská akademická sieť SANET 2

Združenie SANET realizuje v rámci projektu SANET 2 metropolitné siete

v jednotlivých krajských mestách. Metropolitné siete nadväzujú na realizáciu chrbticovej

siete SANET II a v mnohých prípadoch sa časti metropolitných sietí využívajú na

realizáciu chrbticových sietí. Metropolitná sieť Žilinskej univerzity je súčasťou

chrbticovej siete SANET. [11]

7.2 Metropolitná sieť Žilinskej univerzity MAN-ŽU spája pomocou optických vlákien jednotlivé lokality univerzity a

vytvára vysokorýchlostnú chrbticovú sieť využívajúcu technológiu prepínaného

gigabitového ethernetu. Aktívne prvky MAN-ŽU sú rozdelené do dvoch základných

skupín. Jednu skupinu tvoria chrbticové prepínače zabezpečujúce spojenie medzi





35

jednotlivými lokalitami metropolitnej siete, druhú skupinu aktívnych prvkov tvoria

prepínače umožňujúce pripojenie lokálnych prístupových sietí a ich začlenenie do VLAN

podľa logickej štruktúry nezávisle na fyzickej dislokácii. Smerovanie paketov

v chrbticovej sieti je realizované prepínaním na tretej vrstve (L3 switching). V súlade

s projektom boli lokality SvF (Stavebná fakulta), FRI (Fakulta riadenia a informatiky),

Rektorát, Campus Veľký Diel, Univerzitná knižnica a školské domovy Hliny prepojené

rýchlosťou 1Gb, čo tvorí chrbticu MAN. Ako aktívne prvky sú použité prepínače CISCO

rady 35xx. Centrálny prepínač Catalyst 3550 umiestnený v Univerzitnej knižnici

zabezpečuje pripojenie celého komplexu internátov na VD a súčasne plní funkciu

redundantného smerovača v prípade výpadku centrálneho routingu campusu VD.

Okrem toho je optika položená aj k budovám NR, NS, k novej menze a k unimu H.

Obr. 7.2.1 Topológia MAN Žilinskej univerzity

Do infraštruktúry siete SANET je celá metropolitná sieť pripojená

prostredníctvom vysokovýkonného prepínača CISCO Catalyst 6509 po optickej trase

s max. rýchlosťou 1GB/s. Vybudovaním optickej chrbticovej siete metropolitnej siete,

ako aj realizáciou 1. etapy budovania MAN Žilinskej univerzity boli vytvorené všetky





36

predpoklady na efektívne využívanie najnovších sieťových aplikácií v oblastiach vedy,

výskumu a vzdelávania.

Okrem pracovísk Žilinskej univerzity je na optickú sieť MAN ŽU pripojené

Gymnázium na Ružičkovej ulici a boli vytvorené predpoklady na pripojenie Krajskej

knižnice a a nemocnice s poliklinikou. Tieto budovy ale nebudú zahrnuté pre návrh našej

záložnej siete.[11]

Obr. 7.2.2 Optická a rádiová trasa metropolitnej siete Žilinskej univerzity





37

7.3 Lokalizácie budov Žilinskej univerzity pomocou GPS Na vhodný výber smerových antén, ktoré budú tvoriť spojenia typu Point-to-Point

je dôležité poznať presné pozície budov, na ktoré chceme antény umiestniť. Pomocou

GPS lokalizácie, vieme okrem presnej pozície určiť aj vzdialenosti jednotlivých trás,

ktoré budú tvoriť bezdrôtové chrbticové spojenia. Na obr. 7.3.1 sú na GPS mape

zaznačené budovy Žilinskej univerzity.

Obr. 7.3.1 GPS mapa mesta Žilina s vyznačenými pozíciami budov ŽU

V tabuľke 7.3 sú uvedené presné pozície jednotlivých objektov aj s nadmorskými

výškami, ktoré sú zaznačené na vyššie uvedenej mape.





38

Názov budovy Pozícia Nadmorská

výška

FPV N49 13.519 E18 44.184 355m

FRI N49 12.122 E18 45.723 385m

FSI N49 13.454 E18 44.981 349m

KNIŽNICA N49 12.542 E18 45.395 375m

MENZA N49 12.544 E18 45.285 376m

NS N49 12.304 E18 45.280 405m

SD HLINY N49 12.737 E18 44.269 370m

SD VD N49 12.564 E18 45.521 380m

STAV FAK N49 12.875 E18 44.246 360m

UZOL NF N49 12.155 E18 45.366 400m

Tabuľka 7.3 Presné pozície objektov s nadmorskou výškou Žilinskej

univerzity

7.4 Návrh topológie metropolitnej záložnej siete Žilinskej

univerzity Na základe rozloženia budov univerzity a ich vzájomných vzdialenosti sme

vytvorili vhodnú topológiu záložnej bezdrôtovej siete. Záložná bezdrôtová sieť

pozostáva z troch backhaul spojení Point-to-Point a z bezdrôtovej oblasti v areáli Veľký

Diel, ktorá je tvorená prístupovými bodmi Canopy pracujúcimi s technológiou DTSS a je

určená na vytváranie Point-to-Multipoint spojení (kapitola 9). V návrhu je zaznačené aj

možné pokrytie areálu pri vysokoškolských internátoch na Hlinách z budovy Stavebnej

fakulty. Spojenie Point-to-Point je uskutočnené smerovými anténami CanopyTM 45 Mbps

Backhaul (kapitola 8). Tieto smerové antény využívajú OFDM modulačné techniky,

ktoré dokážu pracovať v NLOS prostredí, a preto sú svojimi parametrami vhodné na

použitie v hustej mestskej zástavbe.





39

Chrbticové spojenie (PtP) je realizované na troch trasách:

- medzi areálom Veľký Diel a budovou Stavebnej fakulty

- medzi budovou Stavebnej fakulty a bodovou Fakulty prírodných vied

- medzi budovou Fakulty prírodných vied a budovou Fakulty špeciálneho

inžinierstva

Na obrázku 7.4.1 je návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity, kde sú

zobrazené jednotlivé trasy s vyznačenými vzdialenosťami vzdušných trás medzi

budovami Žilinskej univerzity

Obr. 7.4.1 Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity





40

7.5 Ekonomické a technologické porovnanie záložnej WMAN

s optickou trasou Realizácia výstavby bezdrôtovej siete v porovnaní s optickou je výrazne odlišná

a len veľmi ťažko môžeme hľadať spoločné črty, čo sa týka technológie a investičných

nákladov na infraštruktúru. Dnes sa budujú optické trasy spolu s inými inžinierskymi

sieťami napríklad teplovodné rozvody. Rovnako je možnosť riešenia závesnými káblami,

kde sú náklady naozaj malé. Dnešný trend je jednoznačný, ak donedávna na Slovensku

dominovalo rádio (najmä štandard 802.11), tak v dnešnej dobe sú rádiové spojenia na

ústupe. Všetko však môže napraviť prudký vzostup záujmu o služby pevného

bezdrôtového prístupu (FWA) vo vyspelých ale aj v rozvojových krajinách sveta, kde sa

začala upierať pozornosť najmä na WiMAX (802.16) a na konvergenciu iných

bezdrôtových technológií práve na tento štandard. Nadchádzajúce obdobie bude v oblasti

802.16 zamerané na ďalší rozvoj jeho mobilného e štandardu. Optické trasy síce

poskytujú vysoké prenosové rýchlosti a kvalitné služby s tým spojené, ale stále väčší

dopyt po mobilite otvára WiMAXu cestu, ktorá môže viesť po niekoľkých rokoch

k vytvoreniu bezkonkurenčnej prístupovej siete, ktorá bude schopná spĺňať náročné

požiadavky užívateľov.

Z návrhu našej bezdrôtovej siete vieme povedať, že na vybudovanie našej siete,

ale optickej, je potrebné vykopať približne 5 km dlhú trasu. V súčasnosti sa cena za

výkopové práce pohybuje okolo 800 – 1500Sk za 1 meter. K tomu ak pripočítame cenu

optického kábla s pancierom približne 100- 200 SK za meter, tak samotné pokladanie

káblov s výkopmi by stálo 4,5 až 8,5 miliónov SK. K tejto cene ešte nie sú pripočítané

ceny za generátory optického žiarenia a iných optických zariadení. Musíme povedať, že

vybaviť povolenie na výkopové práce nie je tiež jednoduchý proces, najmä ak by mala

trasa viesť cez historické jadro mesta, kde sa nachádza budova Fakulty prírodných vied.

Celý proces podania samotného návrhu, vybavenie potrebných povolení, výkopové práce

a samotná inštalácia môže trvať niekedy mesiace, dokonca aj pár rokov.

Z tohto hľadiska sa zdá vybudovanie záložnej bezdrôtovej siete oveľa reálnejšie

a efektívnejšie riešenie. Inštalácia antén je otázkou niekoľkých dní alebo týždňov, pričom

najväčšou výhodou je aj to, že antény budú umiestnené na budovách patriacim univerzite.

Týmto nám odpadá množstvo legislatívnych povinností, ktorým sa pri riešení optickej

trasy nevyhneme. Jediná povinnosť je oznámiť príslušnému úradu, že ideme

prevádzkovať rádiovú sieť buď v pásme ISM (5.725- 5.850GHz) alebo v nelicencovanom





41

pásme pre našu krajinu (5.470-5.725GHz). Canopy ponúka obe tieto riešenia a jej

produkty sú v súlade so všetkými výkonovými obmedzeniami platiacimi v krajinách

Európskej únie.

V tabuľke 7.5 sú uvedené náklady na vybudovanie metropolitnej záložnej siete

Žilinskej univerzity. V základnej infraštruktúre siete počítame s kompetným zväzkom AP

(5.7 GHz Advantage Access Point), ktorý nám pokryje signálom celý areál Veľký Diel.

Jeden prístupový bod Advantage vytvára spojenie typu PtM a dokáže medzi užívateľov

agregovať rýchlosť až 14 Mbps. Na vytvorenie troch chrbticových spojení typu PtP je

potrebných 6 smerových antén (Canopy 45 Mbps Backhaul), ktoré dokážu vytvoriť

spojenie až 33.6 Mbps. Prístupové body a smerové antény sú riadené a napájané

zo štyroch riadiacich modulov (Cluster Management Module).

Zariadenie Počet

kusov

Jednotková

cena (v US $)

Spolu

(v US $)

5.7 GHz Advantage Access Point with AES 6 2000 12000

Canopy 45 Mbps Backhaul 6 5500 33000

1008 CK Cluster Management Module 1 2000 2000

1008 CK Cluster Management Module micro 3 1200 3600

Prídavné zariadenie (SM moduly, bleskoistky, adaptéry, káble) +

rezerva 9400

Celkové náklady na záložnú WMAN sieť Žilinskej univerzity $ 60000

Tabuľka 7.5 Cenové náklady na vybudovanie metropolitnej záložnej siete ŽU

Hoci bezdrôtové chrbticové spojenie nedosahuje prenosovú rýchlosť 1 Gbps ako

pri optickej sieti, naša sieť poskytuje len 33,6 Mbps, môžeme povedať, že z hľadiska ceny

a rýchlosti vybudovania celej siete sa jedná o vhodné riešenie pre vytvorenie záložnej

siete pre už existujúcu optickú sieť. V prípade jej výpadku je naša sieť schopná

zabezpečiť základné funkcie na zabezpečenie chodu ako napríklad prenos dát, prenos

hlasu (VoIP), video streaming a bežné internetové aplikácie.

V tabuľke 7.6 je cenové porovnanie prístupových sietí na trhu. Pri spočítaní

celkových nákladov na jedného účastníka je riešenie Canopy od Motoroly najlacnejšie

a najefektívnejšie riešenie z pomedzi ostatných najrozšírenejších technológií, ktoré sú





42

v súčasnosti dostupné. Vďaka tomu môžeme tvrdiť, že Canopy je správna voľba aj pre

poskytovateľov internetových služieb lokálneho až metropolitného charakteru.

Technológia Max. užívateľská rýchlosť (down/up)

Náklady na infraštruktúru

(na 1 účastníka)

Cena zariadenia pre

zákazníka (CPE)

Celkové náklady

(na 1 účastníka)

Pripojenie cez satelit 400 kbps/ 56 kbps $1000+ $250 $1250+

DSL 1.5 Mbps / 768 kbps $350-800 $125 $475-925

Pripojenie koaxiálne

(cable) 3.5 Mbps / 384 kbps $315 $50 $365

Canopy wireless

7 Mbps agregované (plne konfigurovateľné

down/ up ) $30 $220 $250

Tabuľka 7.6 Cenové porovnanie najrozšírenejších prístupových sietí s Canopy





43

8. Popis a parametre antén Canopy backhaul pre Point-to-

Point spojenie 8.1 Všeobecný popis Canopy 45Mbps Backhaul

Pomocou modulov Canopy 45 Mbps Backhaul môžu prevádzkovatelia poskytovať

zabezpečené a spoľahlivé služby na veľké vzdialenosti s vysokou priepustnosťou až 33.6

Mbps. Backhaul moduly sú k dispozícii v prevedení s integrovanou anténou alebo

s anténou s konektormi(obr. 8.1.1), takže operátori siete môžu poskytnúť dátové a hlasové

služby v mnohých možných situáciách a pre rôzne aplikácie.

Obr. 8.1.1 Typy Canopy backhaul antén

Zariadenia sú určené pre spojenie typu Point-to-Point v pásme 5.8 GHz (ISM

pásmo) ako bezdrôtový ethernetový most pre širokopásmové dáta. Backhaul antény

poskytujú prevádzku pre prostredie, kde nie je priama viditeľnosť (NLOS). Vďaka

technológii OFDM a MB-STC (Multi-Beam Space-Time-Coding) je možné použiť tieto

zariadenie pre vybudovanie spojenia, kde je veľký lesný porast alebo hustá zástavba

v mestách, preto sú tieto antény vhodné pre univerzálne nasadenie.

MB-STC (Multi-Beam Space-Time-Coding)

Backhaul antény s OFDM vyžarujú niekoľko lúčov z duálne polarizovanej antény.

Týmto dosiahneme efekt pre výraznú ochranu proti únikom a prudko sa zvýši

pravdepodobnosť rozpoznania užitočného prijatého signálu v prípade, že sa signál šíri

viacerými cestami alebo v prípade iného rušenia. Tento efekt kombinovaný spolu

s OFDM poskytuje vo svojej triede najlepšie parametre spojenia s veľkou spoľahlivosťou

v podmienkach LOS, nLOS a NLOS. [12]





44

Anténne backhaul spojenie pozostáva z páru identických jednotiek. Pri inštalácii

sa nastaví jedna jednotka ako Master a druhá ako Slave. Každú jednotku vieme nastaviť

buď ako Master alebo ako Slave. Každá strana linky pozostáva z:

• integrovanej vonkajšej vysielacej jednotky (obr. 8.1.1), ODU (Outdoor Unit)

• vnútorného pasívneho prepojovacieho boxu zaisťujúceho napájanie, indikáciu

stavu a sieťového pripojenia (obr. 8.1.2), PIDU (Power Indoor Unit)

Obr. 8.1.2 Backhaul Power Indoor Unit (PIDU)

Vlastnosti:

• kapacita 45 Mbps je cenovo efektívnym riešením pre chrbticové spojenie k PtM

AP zväzkom alebo pre rozšírenie T1/E1 hlasových liniek s dostatočnou kapacitou

pre IP dáta

• techniky pre tlmenie interferencií spoľahlivo poskytujú kvalitný signál vo

všetkých aplikáciách

• možnosti „Long Range“ dovoľujú distribúciu a efektívne prepojenie šírky pásma

a tým poskytovať služby za najnižšie investičné náklady na infraštruktúru

• zvýšené schopnosti prevádzky v prostredí, kde nie je priama viditeľnosť, zvyšujú

šancu na vybudovanie spojenia

• pracuje na vzdialenosti 100m až 130km v troch módoch: 0-5km, 0-40km a 0-

130km

• súčasťou zabezpečenia je i ochrana pomocou komplexného proprietárneho signálu

s aplikovaným scramblingom

Každá strana zariadenia Canopy backhaul linky pozostáva z integrovanej

alebo konektorovej vonkajšej jednotky a malej napájacej jednotky. Inštalácia

a nastavenie je veľmi jednoduchý a časovo nenáročný proces. Pre zaistenie





45

bezpečného spojenia má každý pár vonkajšej jednotky prednastavenú IP adresu,

ako aj MAC adresu protiľahlej jednotky, ku ktorej sa bude pripájať.

Prednastavená adresa urýchľuje čas potrebný pre inštaláciu, pri ktorej sa nastavujú

vlastnosti zabezpečenia systému, vďaka čomu môžu obe jednotky nadviazať

bezpečné spojenie. [12]

Frekvenčné pásmo 5.725-5.850 GHz

Šírka kanálu 11 MHz

Duplex TDD, symetrický (1:1) a asymetrický (2:1)

Max. strata signálu (path

lost) 167 dB

Dosah 130km (LOS), 10km (NLOS)

Kryptovanie (Over-the-Air) Proprietárny scramblovací mechanizmus, AES

Korekcia chýb FEC, ARQ

Zisk 23.5 dBi Anténa

Uhol vyžiarenia 8 stupňov

Mód (modulácia) Max. výstupný výkon

BPSK 24 dBm

QPSK 23 dBm

16QAM 21 dBm

Výkon vysielača

64QAM 19 dBm

Mód (modulácia) Citlivosť

BPSK ½ -95.5 dBm

16QAM ¾ -83.6 dBm Citlivosť prijímača

64QAM 7/8 -73.6dBm

Tabuľka 8.1 Parametre antény Canopy backhaul





46

9. Využitie backhaul prístupových bodov na pokrytie areálu

Veľký Diel pomocou AP na báze DTSS 9.1 Využitie technológie DTSS pre riešenie poslednej míle Dynamické rozprestretie s časovou synchronizáciou (Dynamic Time-

Synchronized Spreading) predstavuje po technológiách priameho rozprestretia (DSSS)

a frekvenčného skákania (FHSS) najvyspelejšie riešenie viacnásobného prístupu ku

kanálu v sieťach WLAN. Prenosovými parametrami a oblasťou, ktorú dokážu pokryť,

ich môžeme zaradiť aj medzi siete s charakterom WMAN. Práve túto technológiu si

vybrala firma Motorola, ktorá vo svojich zariadeniach s označením Canopy využíva

najmodernejšie technológie (vrátane DTSS), ktoré dokážu uskutočniť vysokorýchlostnú

bezdrôtovú komunikáciu. DTSS tak urobila systém Canopy jedným z najspoľahlivejších

riešení pre širokopásmovým bezdrôtový prístup v súčasnosti.

Zariadenia Canopy založené na DTSS predstavujú rýchle, spoľahlivé a cenovo

dostupné bezdrôtové riešenie. DTSS je kombináciou najlepších aspektov frekvenčnej

modulácie, synchronizácie a techník interferenčného spracovania. Spektrum rádiového

DTSS obsahuje širokopásmový FSK (Frequency Shift Keing) modulovaný signál. FSK je

modulačná technika na prenášanie dát v digitálnom tvare prostredníctvom nosnej

(analógovej) vlny. FSK prepína frekvenciu nosnej vlny, čo má za následok zvýšenie

spracovania zisku užitočného signálu, respektíve zmenšenie jeho výkonovej intenzity

v porovnaní s DSSS alebo FHSS systémami. To znamená, že modulovaný DTSS signál je

odolnejší voči nežiaducej interferencii v porovnaní so systémami, ktoré tiež pracujú na

princípe zdieľania rovnakého spektra. Zároveň DTSS robí celý rádiový systém menej

náchylný na interferencie oproti ostatným bezdrôtovým technológiám. Systém Canopy

dokáže zachytiť a vyhodnotiť užitočný signál, ktorý je iba o 3 dB silnejší ako šum

v okolí. Iné systémy vyžadujú CIR 10 dB a viac, to znamená, že ich užitočný signál musí

byť minimálne desaťkrát silnejší ako šum, aby systém mohol pracovať správne. Konečný

dôsledok je ten, že DTSS dáva Canopy prívlastok jedného z najspoľahlivejších systémov

súčasnosti.

Vysokorýchlostná technológia DTSS udeľuje užívateľovi rýchlosť viac než 6

Mbps, ktorá garantuje požadované širokopásmové služby pre svojich zákazníkov. [14]





47

9.2 Prenos rozprestretých rámcov Ďalším kľúčovým elementom DTSS je prenos rozprestretých rámcov (Transmit

Frame Spreading). Vďaka TFS dokáže centrálny vysielač (Access Point) vysielať

trigonometrický signál v pseudonáhodných rámcoch. To umožňuje prístupovým bodom

(vysielačom) adresovanie viacerým prijímačom v rovnakej geografickej zóne bez

vzájomného rušenia. TFS robí celý systém viac spoľahlivý a stupňovateľný. Ak sa zvýši

počet účastníkov v danom území, priradené prístupové body Canopy dokážu ľahko

spracovať zvýšenú účastnícku záťaž. Okrem toho, viacero nezávislých Canopy systémov

dokáže pracovať v rovnakom frekvenčnom spektre v rovnakej geografickej oblasti. Toto

je veľmi dôležitá vlastnosť požadovaná pre účinné riadenie v nelicencovaných

frekvenčných pásmach. [14]

9.3 GPS synchronizácia DTSS využíva synchronizáciu cez systém GPS na zabezpečenie a riadenie

presných časových sekvencií a koordinácie vysielacích a prijímacích časových intervalov

všetkých komponentov Canopy siete.

GPS je satelitný systém vybudovaný americkou armádou na určovanie presnej

pozície a lokalizáciu objektov kdekoľvek na Zemi. Global Positioning System je skupina

24 satelitov (obr. 9.3.1), ktoré sú rovnomerne rozložené na šiestich obežných dráhach s

orbitom 20 000 km. Každý satelit obieha tak, aby na ktoromkoľvek mieste na Zemi bola

možnosť príjmu minimálne z 5 - 10 satelitov.

Satelity nepretržite posielajú na Zem informácie o svojej pozícii na orbite a o

presnom čase. Prijímače GPS tieto informácie preberajú (min. od 3 a max. od 12

satelitov) a z prijatých údajov určia svoju presnú pozíciu, rýchlosť a smer pohybu.

Výhodou GPS je, že poskytuje veľmi presný časovo-synchronizovaný signál.

DTSS preto využíva tento GPS synchronizovaný signál na riadenie komunikácie

a najmä na presné pridelenie časových intervalov, kedy majú vysielače vysielať

a prijímače prijímať. Tento moderný spôsob časovej synchronizácie je dôležitý

na zabezpečenie časovo-deleného duplexu (TDD), v ktorom sú odchádzajúce

a prichádzajúce prenosy uskutočňované v rovnakom frekvenčnom pásme, ale striedavým

spôsobom (vysielanie-príjem). Toto presné časovanie zaručuje, že žiadny vysielač nebude

vysielať informácie v čase, keď by ich mal prijímať alebo naopak. Tým zabránime vzniku

vlastnej interferencie. Neprítomnosť vlastnej interferencie v systéme Canopy tiež





48

znamená, že prístupové body sa nebudú navzájom rušiť, aj keď budú umiestnené vo

svojej tesnej blízkosti, ako napríklad v hustej zastavanej oblasti. TDD systémy

bez synchronizácie môžu tiež pracovať správne, ale v prípade zvýšenia účastníkov vlastná

interferencia spôsobí, že príslušné prístupové body nedokážu spracovať ich zvýšený

počet. V konečnom dôsledku synchronizácia cez GPS vytvára systém Canopy

spoľahlivejším a viac stupňovateľným. [14]

Obr. 9.3.1 GPS satelity vo výške 20 000 km nad Zemou

9.4 Riadenie prístupu k médiu v DTSS systémoch Ďalšou dôležitou súčasťou DTSS je riadenie prístupu na MAC vrstve

prostredníctvom prideľovania dostupných rádiových zdrojov jednotlivým vysielačom

a prijímačom. DTSS využíva centralizované riadenie prostredníctvom prístupového bodu,

ktorý koordinuje vysielanie dát účastníkov v danej oblasti. Prístupový bod sa správa ako

učiteľ v triede, ktorý požaduje od svojich žiakov (účastníkov) aby sa hlásili predtým ako

dostanú povolenie rozprávať (vysielať). Iné bezdrôtové systémy, ako napríklad štandard

802.11, využívajú kolízne metódy, v ktorých účastníci súperia medzi sebou o pridelenie

pásma na vysielanie svojich informácií. To znamená, že účastníci síce môžu vysielať

kedy chcú, ale ak začnú vysielať v rovnakom čase viacerí, tak ich informácie sa

znehodnotia a účastníci musia čakať, kým sa uvoľní kanál a pokúšať sa o prenos neskôr.

Takýto mechanizmus je vyhovujúci v kanceláriách a uzavretom prostredí, kde využíva

danú sieť relatívne malý počet účastníkov. Vo vonkajšom prostredí výkon systému





49

prudko poklesne, ak sa pokúšajú súčasne komunikovať viacerí účastníci v rovnakom čase.

Preto systém Canopy môžeme považovať za ideálne riešenie pre komunikáciu viacerých

účastníkov v rovnakej geografickej zóne. [14]

9.5 Prenášanie krátkych paketov v DTSS V systéme Canopy sa pred prenosom kúskujú vstupné dáta do malých paketov o

pevnej dĺžke. Výhoda tohto spracovávania je v tom, že chyby vznikajúce pri prenose

vieme rýchlo opraviť vďaka opakovanému prenosu iba poškodených krátkych paketov.

Systémy generujúce dlhé pakety musia na rozdiel od Canopy čakať, pokiaľ nie je prijatý

celý paket a až potom sa zistí, či paket obsahuje chyby. Keď dôjde k chybe, musí sa celý

paket preposlať znovu. Požiadavka opakovaného prenosu celého paketu má často za

následok značné zhoršenie celkového výkonu v celom systéme.

Krátke pakety umožňujú systému Canopy pracovať s oveľa menšími únikmi

signálu pri rovnakej miere bitovej chybovosti (BER) v porovnaní s podobnými

systémami. [14]

9.6 Systém Canopy Produkty z rodiny Canopy podporujú riešenia Point-to-Point, Point-to-Multipoint

a rozšírenie pre T1/E1 hlasové spojenia (obr. 9.6.1) .

Obr. 9.6.1 Nasadenie produktov Canopy





50

Canopy je technológia vhodná pre vybudovanie, alebo rozšírenie už

vybudovaných širokopásmových sietí bezdrôtovo. Canopy zabezpečuje vysokorýchlostné

spojenie podľa požiadaviek zákazníka, ako je širokopásmové internetové pripojenie,

prenos hlasu (VoIP), prenos videa (streaming) a to všetko prostredníctvom bezpečných

kryptovacích metód, ktoré zabezpečujú spoľahlivý prenos rádiovým kanálom. [13]

Obr. 9.6.2 Komunikácia medzi modulmi Canopy

Názov Definícia

Modul AP Jeden modul, ktorý zaisťuje distribúciu sieťových alebo internetových služieb

vo vyžarovanom uhle 60 stupňov až pre 200 účastníkov.

Zväzok AP

Dva až šesť modulov AP, ktoré spoločne zaisťujú distribúciu sieťových alebo

internetových služieb až pre 1200 účastníkov. Každý z modulov AP vykrýva

vyžarovaný uhol 60 stupňov a celý zväzok dokáže pokryť až 360 stupňov.

Modul SM Zariadenie CPE (na strane zákazníka), rozširujúci sieťové alebo internetové

služby pomocou komunikácie s modulom AP.

Modul CMM

Jeden modul, ktorý zaisťuje napájanie, GPS synchronizáciu a pripojenie siete

na zväzok AP modulov. Pokiaľ je tento modul CMM pripojený k BH (modul

backhaul), potom je tento CMM ústredným bodom celej siete.

Modul BH Modul, ktorý slúži na vybudovanie spojenia bod-bod.

Tabuľka 9.6 Stručný popis jednotlivých súčastí systému Canopy





51

9.7 Agregovaná priepustnosť pri PtP a PtM protokoloch

9.7.1 Point-to-Point protokol Agregovaná priepustnosť sa skladá z prenosu v obidvoch smeroch (Master> Slave

& Slave< Master). Pre Canopy 45 Mbps backhaul je agregovaná priepustnosť 33.6 Mbps

(obr. 9.7.1). [13]

Obr. 9.7.1 Časový rámec pre Point-to-Point protokol

9.7.2 Point-to- Multipoint protokol Agregovaná priepustnosť sa skladá z prenosu v obidvoch smeroch (AP> SM &

SM< AP). Agregovaná priepustnosť pre AP modul je 7 Mbps, nezávisle na % downloade

(obr. 9.7.2). Platforma Advantage poskytuje priepustnosť až 14 Mbps. [13]

Obr. 9.7.2 Časový rámec pre Point-to-Multipoint protokol





52

9.8 Komunikácia medzi AP a SM pomocou Point-to-Multipoint

protokolu Jeden AP modul dokáže komunikovať až s 200 účastníckymi SM modulmi vďaka

Multipoint protokolu. AP rezervuje časové sloty (červené rámce) pre SM moduly v danej

oblasti patriace danému AP v zadnej časti každého rámca (2.5 ms). Týmto sa zabezpečí

upload z SM do AP (download-žltý rámec). [13]

Obr. 9.8.1 Komunikácia Point-to-Multipoint medzi AP a SM





53

9.9 Časová synchronizácia medzi AP a SM modulmi V systéme Canopy každý modul SM komunikuje s modulom AP vo vyhradenom

časovom slote, ktorý riadi modul AP. Modul AP koordinuje požiadavky na prenosy dát

k užívateľom aj od užívateľov tak, aby bola zaistená bezproblémová komunikácia v celej

sieti. Moduly AP využívajú Point-to-Multipoint protokol pre komunikáciu so všetkými

modulmi SM, ktoré sú zaregistrované v sieti. Riadiace časovanie u BH (backhaul)

zabezpečuje BH Master a používa Point-to-Point protokol pre komunikáciu s BH Slave.

CMM (Cluster Management Module) je najdôležitejšou súčasťou pre prevádzku systému

Canopy. CMM v jednom zväzku AP alebo v celom bezdrôtovom systéme zaisťuje

časovací impulz GPS pre každý modul a tak synchronizuje prenosové cykly siete. Bez

týchto impulzov je AP nesynchronizovaný a BH Master nemôže synchronizovať BH

Slave. Nesynchronizovaný modul by mohol skúsiť prenášať dáta uprostred prijímacieho

cyklu iných modulov. Takto by sa mohlo stať, že by jeden alebo viac modulov prijali

nežiaduci signál, ktorý by bol tak silný, že by daný modul nemusel citlivo zachytávať

požadovaný signál. [13]

Obr. 9.9.1 Časová synchronizácia medzi AP a SM





54

9.10 Popis základných parametrov CMM, AP a modulu SM

9.9.1 Cluster Management Module CMM je srdcom synchronizácie a zabezpečuje riadenie prístupových bodov

a backhaul modulu. CMM poskytuje spoľahlivú synchronizáciu celej siete Canopy

a obsahuje 9 prístupových portov a switch (obr. 9.9.2).

Obr. 9.9.2 Pohľad na CMM spredu

Obr. 9.9.3 Blokové zapojenie systému Canopy





55

9.9.2 Prístupový bod AP-Advantage Prístupový bod distribuuje služby pre priľahlú komunitu a komunikuje so

zákazníckymi modulmi SM. Platforma Canopy Advantage vylepšuje výkonnosť siete

a umožňuje poskytnúť väčšiu šírku pásma a schopnosť poskytovať vysoko kvalitný

prenos hlasu cez IP (VoIP) každému účastníkovi siete Canopy alebo vytvárať virtuálne

lokálne siete (VLAN). Popis základných parametrov je v tabuľke 9.10. [13]

Špecifikácia Canopy AP

Frekvenčné pásma ISM: 2.4-2.4835 GHz

U-NII: 5.47-5.725 GHz a 5.725-5.825 GHz

ISM: 5.725-5.850 GHz

Prístupová metóda TDD/TDMA

Signalizačná rýchlosť 10 Mbps (20 Mbps- Advantage)

Latencia 20 ms (7 ms Advantage)

Maximálna priepustnosť Downlink: 4.6 Mbps (75% pridelenie z rámca)

Uplink: 1.6 Mbps (25%)

Platforma Advantage: 9.2/ 3.2 Mbps

Modulácia BFSK

Pomer nosná/interferencia 3dB

Citlivosť prijímača -83 dBm, 10-4 BER

Prevádzkový dosah 3 km

16km (s pasívnym reflektorom)

Výkon vysielača 23 dBm

Anténna Vertikálna polarizácia, šírka lúča 60°x 60°

Zisk antény 7 dB

Použité protokoly IPv4, UDP, TCP, ICMP, Telnet, http, FTP,

SNMP, DES, AES

Podporované protokoly L2 switching, Ethernet protokoly IPv6, DHCP,

IPX

Tabuľka 9.10 Základné parametre AP





56

9.9.3 Účastnícky modul SM SM modul je zariadenie na strane zákazníka, ktoré komunikuje s AP alebo so

zväzkom AP. AP koordinuje potreby SM modulov pri prenose dát a to v obidvoch

smeroch (obr. 9.10.3). AP používa protokol Point-to-Multipoint pre komunikáciu

s jednotlivými SM jednotkami. K jednotke SM je možné pripojiť prakticky akékoľvek

ethernetové zariadenie (v rámci Local Traffic), od jedného počítača až po celú sieť,

pretože jednotka SM umožňuje preklad adries (NAT) a filtrovanie protokolov alebo

portov. Parametre SM sú plne kompatibilné s parametrami AP. Priepustnosť systému

Canopy je optimalizovaná pre veľkú záťaž, takže pridaním ďalších účastníkov sa

nedegraduje priepustnosť. Merateľná priepustnosť je 6.2 Mbps Point-to-Multipoint

a nezávisí na počte účastníkov alebo priemernej záťaže. Pri Canopy Advantage je

priepustnosť dvojnásobná. Pre podporu QoS VoIP musí mať systém mechanizmus pre

určovanie priority pre VoIP pakety a tiež musí poskytovať rovnakú latenciu v každej

situácii. Latencia systému je 20 ms a platforma Advantage dosahuje hodnotu iba 5-7 ms.

[13]

Obr. 9.9.4 Lokálna a sieťová komunikácia medzi AP a SM





57

10. Využitie systému Canopy na multimediálne aplikácie Systém Canopy je vďaka svojím parametrom (najmä vysokej priepustnosti

a nízkej latencii) schopný poskytovať kvalitnejšie širokopásmové služby pre koncového

zákazníka. Systém Canopy je určený nie len pre riešenie poslednej míle a koncových

účastníkov, ale aj pre malé a stredné firmy, ktoré majú zvýšené požiadavky pre hlasové

a dátové služby. Vhodným umiestnením zväzku AP môžeme pokryť veľkú časť územia

a tým ponúknuť širokopásmové služby na miesta, kde je technologicky alebo finančne

náročne budovať optické a metalické rozvody. Zásluhou DES a AES kryptovaniu

disponuje systém Canopy väčšou spoľahlivosťou ako iné bezdrôtové technológie. Canopy

vďaka OFDM a DTSS poskytuje riešenie, ktoré je schopné svojimi vlastnosťami

konkurovať technológiám ako DSL. Okrem toho Canopy ponúka rozšírenie hlasových

služieb pre T1/E1 okruhy (obr. 10.1.1).

Obr. 10.1.1 Canopy ako súčasť T1/E1 hlasových spojení

V prílohovej časti sú popísané merania, ktoré sme uskutočnili laboratórnych

podmienkach pomocou AP a SM modulov Canopy. Na daných zariadeniach sme

otestovali priepustnosť, sledovanie videostreamu z internetu a odchytávanie paketov

pomocou programu Ethereal. Pomocou programu na sledovanie pingu sme urobili

štatistiky odozvy a latencie pri rôznych veľkostiach paketov (100, 500,1000 a 1500

bytov). Týmto testom sme zistili, že latencia sa pohybuje v rozmedzí 3-12 ms, to

znamená, že zariadenia Canopy sú vhodne nielen pre prenos hlasu, ale aj pre on-line hry.

Na sledovanie IP televízie je potrebné zabezpečiť prenosovú rýchlosť downloadu 5.5

Mbps, s tým že účinnosť prenosu paketov by bola 100%. Na prenos televíznych kanálov





58

je preto vhodné použiť SM moduly so signalizačnou rýchlosťou 20 Mbps. Nakoniec sme

otestovali prenos hlasu cez IP (VoIP). Na strane SM modulu sme nainštalovali softvérový

IP telefón X-lite a cez sieť Canopy a školskú IP sieť sme uskutočnili testovací hovor.

Podrobné výsledky a štatistiky z testov sú uvedené v prílohe.

Spoločnosť Motorola, ktorá je členom skupiny WiMAX Fórum, sa rovnako ako

iné firmy usiluje konvergovať k štandardu WiMAX a to práve pomocou produktov rodiny

Canopy. Ich cieľom v najbližších rokoch je vytvoriť sadu produktov Canopy WiMAX

v nelicencovanom pásme, ktoré budú plne kompatibilné so súčasnými zariadeniami

Canopy. Nové zariadenia (AP a SM) by sa mali dať inovovať pomocou softvéru a nie

výmenou hardvéru. Je to dôležité na to, aby WiMAX AP mohol komunikovať nie len

s WiMAX SM modulmi, ale aj s SM Advantage a „Classic“. Vďaka tomu Canopy

prinesie ešte kvalitnejšie širokopásmové služby aj starým zákazníkom bez výmeny ich

koncových zariadení(obr. 10.1.2).

Obr. 10.1.2 Interopereabilita medzi novými a starými Canopy zariadeniami





59

11. Záver Výsledkom tejto diplomovej práce je návrh bezdrôtovej metropolitnej záložnej

siete pre Žilinskú univerzitu, ktorá pozostáva zo zariadení Canopy od Motoroly.

Cieľom diplomovej práce bolo čo najpodrobnejšie priblížiť situáciu súčasného

rozvoja a trendov moderných bezdrôtových technológií, ktoré sa dnes opierajú najmä

o štandard vytvorený pracovnou skupinou IEEE pod označením 802.16 a návrh záložnej

metropolitnej siete práve pod týmto štandardom. Štandard 802.16 zahŕňa najmodernejšie

techniky spracovania signálov a adaptívnych modulácií a vďaka technológií OFDM

dokážeme pokryť signálom veľké územia a poskytnúť užívateľom širokopásmové služby

v prostredí NLOS. Značný rozsah v tejto práci som venoval technológii OFDM, ktorá je

neodmysliteľnou súčasťou najnovších zariadení v oblasti bezdrôtových technológií.

V tejto časti je popísaný aj princíp činnosti a návrh OFDM vysielača a prijímača. OFDM

sa stala pilotnou technológiou pri výrobe WiMAX zariadení, a preto sa na ňu kladie

v tejto oblasti najväčší dôraz. Po navrhnutí topológie siete som urobil finančnú analýzu na

vybudovanie tejto siete. Celkový rozpočet na výstavbu a zakúpenie zariadení Canopy je

60 000 amerických dolárov (cca. 2 milióny Skk). V porovnaní s vybudovaním optickej

trasy je cena našej siete niekoľkonásobne nižšia. Hoci priepustnosť našej siete je podľa

nášho návrhu na chrbticových spojoch iba 33.6 Mbps a oproti 1Gbps ethernetu výrazne

nižšia, na vybudovanie záložnej trasy je práve naša sieť vhodné riešenie a aj prenosová

rýchlosť je pre základnú prevádzku siete úplne postačujúca. V prílohovej časti sú aj

výsledky simulácie pokrytia signálu našimi anténami z programu RadioLab. Tak isto sme

v laboratórnych podmienkach testovali AP a SM moduly. Výsledky testov sú taktiež

v prílohovej časti diplomovej práce.




Zoznam použitej literatúry [1] http://www.wimaxdamovo.cz/index.php?cmd=page&id=62

[2] http://www.inet.sk/clanok/2523/co-bude-znamenat-wimax-pre slovensko

[3] http://www.wimaxdamovo.cz/index.php?cmd=page&id=67


[5] http://www.wimaxforum.org/news/downloads/WiMAXNLOSgeneral-

versionaug04.pdf

[6] http://www.intel.com/netcomms/technologies/wimax/303787.pdf

[7] http://www.ubicom.tudelft.nl/MMC/Docs/introOFDM.pdf

[8] http://eesof.tm.agilent.com/pdf/wireless_networking_04.pdf

[9] http://www.eetimes.com/isd/features/OEG20010130S0100


[11] http://www.sanet.sk/zav_sprava_SANET.doc

[12] http://www.vip.net.id/macan/006_BH45UserGuideIss3a.pdf

[13] Motorola Canopy CPT-002 Technical Overview CD

[14] Motorola Canopy CPT-003 Canopy User Guides on CD


http://www.wimaxdamovo.cz/index.php?cmd=page&id=62

http://www.inet.sk/clanok/2523/co-bude-znamenat-wimax-pre



http://www.wimaxforum.org/news/downloads/WiMAXNLOSgeneral

http://www.intel.com/netcomms/technologies/wimax/303787.pdf

http://www.ubicom.tudelft.nl/MMC/Docs/introOFDM.pdf

http://eesof.tm.agilent.com/pdf/wireless_networking_04.pdf

http://www.eetimes.com/isd/features/OEG20010130S0100


http://www.sanet.sk/zav_sprava_SANET.doc

http://www.vip.net.id/macan/006_BH45UserGuideIss3a.pdf



ČESTNÉ VYHLÁSENIE Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Daniela Milučkého a používal som

len literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.

V Žiline dňa .............................. podpis diplomanta




Poďakovanie

Touto cestou by som chcel poďakovať Ing. Danielovi Milučkému za odbornú

pomoc, rady a vedenie pri vypracovávaní mojej diplomovej práce, ako aj vedúcemu

Katedry telekomunikácií prof. Ing. Milanovi Dadovi, PhD. za pomoc pri zakúpení

potrebných zariadení k tejto diplomovej práci, mojej rodine a všetkým ostatným

priateľom, ktorí mi akýmkoľvek spôsobom vyjadrili pomoc a podporu.




Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu 802.16 a jej využitie

pre šírenie multimediálnych aplikácií

Prílohová časť

František Valent

2006




Zoznam príloh Príloha č.1: Odchytávanie paketov UDP video streamu

Príloha č.2: Sledovanie časovej odozvy paketov

Príloha č.3: Analýza prenosu hlasu cez IP (VoIP)

Príloha č.4: Rozhrania http AP a SM modulov + nameraná prenosová

rýchlosť cez portál proxis.sk

Príloha č.5: Simulácia pokrytia v programe RadioLab




Príloha č.1: Odchytávanie paketov UDP video streamu

Pomocou programu Ethereal sme

odchytávali pakety video streamu, ktorý sme

prenášali cez rádiovú sieť Canopy. Odchytili

sme 27695 paketov, z ktorých bolo:

- 99,81% UDP paketov - 0,14 % TCP paketov

Priemerná prenosová rýchlosť prenosu bola

3.333 Mbps a dĺžka trvania odchytávania bola

90 sekund.

Na obrázkoch je grafické rozhranie

programu Ethereal spolu s so štatistickým

sumárom odchytených paketov.




Príloha č.2: Sledovanie časovej odozvy paketov V programe Pinger v 0.3 sme sledovali časovú odozvu paketov rôznej veľkosti

(100, 500, 1000 a 1500 bytov). Časovú odozvu sme pozorovali voči prístupovému bodu

Canopy-Advantage (158.193.214.40) a internetovej bráne (158.193.214.56). Z merania

vieme vyhodnotiť, že pakety s menšou veľkosťou (100 a 500 bytov) mali strednú hodnotu

latencie nižšiu (5ms), ako pri paketoch s veľkosťou 1000 a 1500 bytov (7,5 ms).




Príloha č.3: Analýza prenosu hlasu cez IP (VoIP) Pomocou softvérového telefónu X-lite sme cez bezdrôtovú sieť Canopy

uskutočnili hovor do katedrovej IP siete. Pomocou programu Hammer Call Analyzer sme

uskutočnili podrobnú analýzu hovoru. Na vrchnom obrázku je znázornená výstavba,

trvanie a rozpad spojenia celého hovoru. Spodný obrázok zobrazuje analýzu hlasu.

Vrchný graf znázorňuje analýzu hlasu volaného, stredný graf zobrazuje prenos

signalizácie(bez hlasu) a spodný graf obsahuje analýzu hovoru volajúceho účastníka.




Príloha č.4: Rozhrania http AP a SM modulov + nameraná prenosová

rýchlosť cez portál proxis.sk




Príloha č.5: Simulácia pokrytia v programe RadioLab Na vrchnom obrázku je zobrazené pokrytie smerovou anténou Canopy 45 Mbps

Backhaul na trase internáty VD- Stavebná fakulta. Intenzita elektrického poľa pre naše

parametre antény je 55,36 dBμV/m, čo zodpovedá podľa farby bledomodrej škále. Toto

pokrytie vieme dosiahnuť pri použitej modulácii 64 QAM. Na spodnom obrázku je

zobrazené celkové pokrytie troch smerových antén.




Výpočet pokrytia:

Pomocné rovnice na výpočet intenzity elektrického poľa:

( ) ( ) ( ) ( )VE dB V / m E dB V G dBi 20log f MHz 29,8µ = µ − + −

( ) ( )P dBm E dB V 107= µ −




Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/740.pdfObr. 6.1.2 Čipy pre WiMAX Base Station...

Documents

Transcript of Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/740.pdfObr. 6.1.2 Čipy pre WiMAX Base Station...