2015-04-30
2421
Одно общее свойство сетей доступа от масштаба WPAN до WMAN — это высокочастотный диапазон рабочих частот. Это так называемые диапазоны УВЧ и СВЧ (ультра- и сверхвысокие частоты), которые характеризуются значительным ослаблением с расстоянием и крайне слабым огибанием волны препятствий. Это означает, что на этих частотах, на расстояниях больше 2-3 км практически невозможно обеспечить связь вне прямой видимости между передатчиком и приемником. Если для плотной городской застройки проблема легко решаема установкой достаточного количества базовых станций, то для сельской местности с ее малой плотностью абонентов - такое решение не является рентабельным.
С учетом этого логичным представляется появление на свет нового стандарта, работающего на более низких частотах, где ослабление с расстоянием значительно меньше, а препятствия не являются непреодолимой преградой.
Таким новым стандартом и стал IEEE 802.22, работающий в диапазоне частот от 54 до 862 МГц. Данный диапазон частот – имеет следующие уникальные свойства:
¾ относительно низкий уровень производственных и ионосферных шумов;
¾ разумные габариты антенн для эффективного приема и передачи сигнала;
¾ хорошие характеристики распространения сигнала в условиях прямой видимости;
¾ идеальная возможность для обеспечения больших зон покрытия, особенно в пригороде и сельской местности.
В то же время значительная часть диапазона частот от 54 до 862 МГц активно используется для сетей наземного телевизионного вещания. В этих условиях работа нового стандарта IEEE 802.22 основана на применении когнитивных радиотехнологий, чтобы обеспечить электромагнитную совместимость системы широкополосного радиодоступа и наземного ТВ вещания в одном географическом районе.
Когнитивная радиосистема — самоорганизующаяся радиосистема с динамическим доступом к радиочастотному спектру, которая способна познавать свою эксплуатационную и географическую среду, адаптировать к ней свои функциональные параметры и протоколы и/или изменять свою эксплуатационную среду за счет накопленных в процессе функционирования знаний и приобретенных навыков, с учетом установленных регуляторных политик и своего функционального состояния.
Технологии когнитивной радиосвязи могут использоваться при реконфигурации соединений между терминалами и несколькими радиосистемами, операторами систем радиосвязи для более эффективного управления ресурсами используемого ими радиочастотного спектра, в качестве инструмента коллективного доступа к радиочастотному спектру, в качестве инструмента организации более гибкого доступа к радиочастотному спектру.
Принята следующая классификация когнитивных устройств с учётом используемого ими способа доступа к радиочастотному спектру, обеспечивающего исключение радиопомех действующим средствам радиосвязи:
¾ системы с когнитивным пилот сигналом;
¾ системы на основе индивидуального или коллективного контроля занятости каналов;
¾ системы с геолокационной базой данных защищаемых средств радиосвязи.
При этом возможна комбинация указанных способов.
Проведенные к настоящему времени исследования показали, что для гарантированного исключения помех действующим радиосредствам от систем когнитивного радио необходимо использование геолокационной базы данных, содержащей сведения о местоположении и работе защищаемых средств радиосвязи. База данных обеспечивает выбор рабочих частот для систем когнитивной радиосвязи таким образом, чтобы обеспечить как саму возможность их работы, так и отсутствие помех другим системам и средствам радиосвязи. При этом другие радиоэлектронные средства (действующие в рамках обычного порядка назначения частот) имеют приоритет в использовании радиочастотных каналов перед системами когнитивного радио.
На практике это означает, что если некоторая полоса частот или радиоканал начинают использоваться другими радиосредствами, использующая эту полосу или канал система когнитивного радио должна перестроиться на другую частоту/канал. Таким образом, технология когнитивного радио в принципе не может использоваться как единственная технология для оказания, например, платных услуг, так как постоянное наличие доступного для работы когнитивного радио радиочастотного спектра не гарантировано.
Существует несколько методов, которые могут быть использованы когнитивной радиосетью для анализа спектра окружающей среды. В стандарте IEEE 802.22 применяется метод геолокации/базы данных и сканирования частотного спектра. В первом методе используется информация о расположении когнитивных устройств в сочетании с базой данных лицензированных передатчиков, что позволяет определить, какие каналы локально доступны для их повторного использования. В рамках спецификации предполагается применять спутниковое или наземное позиционирование. Расположение базовой станции должно быть известно с точностью до 15 м, а оборудования пользователя с точностью до 100 м.
Сканирование частотного спектра в анализе используемого спектра и определении, какие каналы заняты лицензированными передатчиками. Эта процедура проходит в обязательном порядке при включении нового оборудования в сеть. Кроме того, сканирование частот происходит периодически при работе системы. Управление сканированием осуществляется базовой станцией, которая не только посылает управляющие команды пользовательскому оборудованию, но и сама осуществляет сканирование частот. Такая система позволяет актуально поддержать информацию о состоянии радиоканала во всей зоне покрытия базовой станции и при необходимости своевременно менять рабочие частотные каналы.
Таким образом, управление спектром в стандарте IEEE 802.22 – это когнитивная функция на базовой станции, которая использует входные данные от функции сканирования спектра (SSF), геолокации, и действующей базы данных, чтобы принять решение о частотном канале который будет использоваться, а также ограничения на излучаемую мощность, которые накладываются для конкретного пользовательского устройства.
Осуществляется сканирование спектра на возможный канал работы (N) и соседние каналы (N ± 1), чтобы убедиться, что отсутствует работающее лицензированное оборудование (цифрового или аналогового телевизионного вещания или беспроводных микрофонов).
Если будет установлено, что работа WRAN-сети на канале N может создать помехи для трансляции действующих работающих передатчиков могут быть предприняты следующие действия:
¾ уменьшение предельной излучаемой мощности (ЭИИМ) оборудования пользователя, используя метод управление мощностью передачи (TPC);
¾ если такое снижение мощности не обеспечивает требуемого качества передачи в системе стандарта IEEE 802.22 начать поиск другого частотного канала;
¾ уменьшение излучаемой мощности на базовой станции для снижения возможных помех.
Система радиосвязи стандарта IEEE 802.22 ориентирована на большие зоны покрытия, до 100 км. Это достигается благодаря использованию передатчика базовой станции до 100 Вт и направленной приемной антенне (рис. 3). Типовой размер зоны покрытия составляет от 17 до 30 км в сельской местности, обеспечивая связь до 255 пользователей.
Минимальная скорость передачи составляет 1,5 Мбит/с от БС к АС и до 384 кбит/с от АС к БС. Для совместимости с эфирными телевизионными сетями в различных странах мира ширина частотного канала может быть выбрана 6, 7 или 8 МГц.
В стандарте IEEE 802.22 для передачи данных определены 12 комбинаций из трех модуляций (QPSK, QAM-16, QAM-64) и четыре скорости кодирования (1/2, 2/3, 3/4, 5/6), которые могут быть адаптивно выбраны для достижения различных компромиссов скорости передачи данных и надежность передачи, в зависимости от состояния радиоканала и помех.
Рисунок 26 - Взаимосвязь между управлением спектра и другими когнитивными функциями в оборудовании стандарта IEEE 802.22
IEEE 802.22 использует метод OFDMA с единственным режимом 2048 поднесущих, что позволяет обеспечить надежную работу в режиме отсутствия прямой видимости. Четыре различных длины циклического префикса: 1/4, 1/8, 1/16, и 1/32 от длительности символа, обеспечивают гибкость выбора между учетом влияния различных задержек распространения сигнала и эффективностью использования спектра.
Так как не всегда удается достигнуть совместимости с сетями ТВ вещания, в первоначальной версии стандарта предполагается использование только режима временного дуплекса (TDD). Однако в более поздних версиях предполагается использование также режима частотного дуплекса (FDD).
Таблица 4 Различные режимы модуляции сигнала в IEEE 802.22
Все узлы в сети IEEE 802.22 используют два типа антенн – направленные антенны для передачи данных и антенны сканирования.
На базовых станциях, для передачи данных, используются обычные для систем мобильной связи антенны – секторные или всенаправленные. У пользователей применяются направленные антенны с коэффициентом усиления до 14 дБ.
Антенны сканирования это всенаправленные антенны, обеспечивающие чувствительность к вертикальной и горизонтальной поляризации, что позволяет воспринимать сигнал от телевизионных станций и беспроводных микрофонов. У пользователя такая антенна должна быть установлена вне помещения на высоте 10 м над уровнем земли.
Существенным недостатком стандарта IEEE 802.22 является невозможность поддержки технологий множественных антенн (MIMO) и формирования диаграммы направленности. Это связано с тем, что в диапазоне частот 54-862 МГц физически сложно обеспечить достаточное разнесение нескольких антенн, которое должно составлять не менее трех длин волн (то есть более 3 м на средней частоте).
Сравнение с другими стандартами. Перспективы использования.
Как указано выше, основной целью внедрения нового стандарта – обеспечение широкополосного беспроводного доступа на отдаленных территориях. Учитывая это, основными конкурентными системами стандарта IEEE 802.22 являются системы мобильной связи, работающие ниже 1 ГГц. Сравнение основных параметров систем приведено в таблице 5.
Таблица 5 Сравнение основных параметров технологий
Безусловно, технологию GSM/EDGE нельзя считать полноценным конкурентом стандарта IEEE 802.22. Однако технологии CDMA EV-DO также позволяют использовать направленные антенны пользователя, что позволяет увеличить зону покрытия до 30 км на открытой местности.
Основным конкурентом стандарта IEEE 802.22 является технология LTE, работающая в различных частотных диапазонах от 700 МГц до 3,7 ГГц. Так, сеть LTE, развернутая в диапазоне 700 МГц в США использует слоган “LTE in Rural America” насчитывает более 12 млн. абонентов. В Германии сеть LTE, развернутая в диапазоне 800 МГц, насчитывающая более 4500 базовых станций уже выполнила лицензионные обязательства по первоначальному покрытию территорий с отсутствующими услугами широкополосного доступа. Сети в диапазонах 700 и 800 МГц (частоты цифрового дивиденда) уже развернуты в десятках стран Европы, Америки и Азии.
В тоже время сети LTE как и CDMA являются универсальными, обеспечивая необходимое покрытие как на макро-, так и на микро-уровне. Таким образом, конкуренция с существующими сетями 3G/4G для нового стандарта IEEE 802.22 видится малоперспективной.
В тоже время перспективной представляется возможность использования стандарта IEEE 802.22 в диапазоне метровых волн (ниже 300 МГц), где зона покрытия может быть увеличена до 70 км и в настоящий момент не используются системы цифрового вещания, а передатчики аналогового вещания будут отключены после 2015 года.
