Система связи города
1.
Требование к сети связи со стороны потенциальных потребителей
1.1
Общая информация о городе Сана
Расположенное на юге Аравийского полуострова в Юго-Западной
Азии. Является частью Ближнего Востока, граничит с Оманом и Саудовской Аравией.
Омывается Красным морем и Аравийским морем. Столица: Сана (с 1990 года).
Город Аден (бывшая столица Народной Демократической
Республики Йемен) имеет статус экономической столицы. Сана - политическая
столица Йемена и основной торговый и промышленный центр страны.
Сана, считается одним из старейших городов в мире, истоки
которого теряются во мгле веков. В Сане 14 хаммама (традиционные бани), и более
6000 домов, датируемых до 11-го века. В связи со всем этим старая часть города
Саны венсенна в список объектов всемирного наследия ЮНЕСКО в 1986 году.
Недалеко от побережья Красного моря находится исторический
город Забид, внесенный в 1993 году в список всемирного наследия, был столицей
Йемена с 13 по 15 век, является важным археологическим и историческим
памятником страны. Он играл важную роль в течение многих веков, его университет
был центром обучения для всего арабского. Алгебра, как говорят, была изобретена
тут, в начале 9 века.
Своеобразными достопримечательностями города являются здания
из необожженного кирпича, построенные в традиционном для арабов стиле. В
восточной части столицы расположен Старый город, в котором сохранились наиболее
древние постройки.
1.1.1
Географическое расположение города
Сана расположена в северо-западной части Аравийского
полуострова, на севере Йемена. Город находится на плоскогорье, рассеченном
долинами, на высоте около 2150 м над уровнем моря. Со всех сторон столицу
окружают горы, которые создают неповторимый по красоте пейзаж и уникальный
климат города [1].
Чтобы избежать возможных зон радиотени, в которых может
наблюдаться неуверенная работа приёмопередающей части оборудования, а также
ограничение радиуса зоны охвата базовой станции, передатчики следует размещать
на возвышенностях.
Исходя из первоочередных нужд, в предоставлении услуг связи
определим районы города, которые будут телефонизированы на первом этапе
разворачивания сети. К таким районам относятся: Старая Сана, Шоуб, Азал,
Альсафия, Алсабаин, Алвахда, Алтахрир, Мааин, Алровда и Алзаовра.
Географически эти районы можно разделить как на Рис. 1.1 на
четыре основные зоны. Соответственно районы разделятся между зонами в следующем
порядке:
· Старая Сана - старая Сана, Шоуб, Азал, Алтахрир.
· Город Хада - Алсабаин, Хада.
· Шомаила - Альсафия, и Альзаовра.
· Алровда - Маин, Алровда и Алвахда.
Рис. 1.1. Схема разделения города «Сана» на зоны
1.1.2 Климатические условия
Климат тропический. Зимы относительно теплые и сухие, в
январе средняя температура воздуха составляет почти +14° С, в июле около +21°
С. Наиболее высокие летние температуры колеблются в пределах от +30 до +33° С.
Среднегодовое количество осадков около 600 мм, На выпадение осадков оказывают
влияние муссоны.
1.2
Пользователи системы связи
В связи с различной заселённостью и индустриальными особенностями
выбранных зон покрытия возникает потребность в определённом наборе услуг
необходимых пользователям, расположенным в этих зонах.
Основываясь на результатах изучения потребительского спроса и
особенностей зон определим первоочередную потребность в видах предоставляемых
услуг в каждой зоне.
зона №1 (старая Сана) - это политический и экономический
центр города. В этом районе расположены жилые дома (плотная застройка),
туристическое места отдыха, многочисленные интернет - кафе, много офисов,
коммерческие организации и правительственные учреждения. В данном районе будет
представлен весь спектр услуг. Для крупных организаций будут выделиться каналы
до 10 Мбит/с, а также поддерживаться IP-телефония и потоковое
видео (например, для проведения видеоконференций). Для больших офисов можно
использовать канал доступа до 5 Мбит/с.
Плотность населения в этом районе
достаточно высокая, соответствующая инфраструктура, потребность жителей:
получить широкополосный доступ в интернет, IP-телефонию потоковое
видео.
Число населения в этом районе 340 тысяч, из первого начала
ожидается подключить 1% от всего населения, полюс организации и
административные учреждения.
Зона №2 (город Хада) - жилые дома, большая часть застроек
является частной собственностью, большинство проживающих здесь люди высокого
достатка и соответствующая инфраструктура, при численности населения 250 тысяч
человек.
Зона №3 - Шомаила - жилые дома, гостинцы и промышленная зона.
По результатам исследования потребительного спроса установлено, что в зоне
Шомаилы (240 тысяч чел.) желают обеспечить себе скоростным беспроводным
доступом в интернет и IP-телефонии около 2,4 тысяч (1% от всего населения
района). Полюс потребности промышленных заводов.
Зона №4 - Алровда - это пригород Саны. в него входит
информационный телекоммуникационный парк, так же здесь располагается гостиницы
и международный аэропорт, при численности населения примерно 170 тыс. чел.,
потребность доступ в интернет с нормальной скоростью и IP-телефонии.
На таблице 1.1 приведено распределение ожидаемого числа
абонентов, которые будут подключить к сети интернет с разными скоростями.
Таблица 1.
Районы
|
Старая сана
|
Город Хада
|
Шомаила
|
ИТ-парк
|
Сумма в каждом зоне
|
3400
|
3040-
|
2440
|
2360
|
Сумма абонентов
|
11240
|
1.3
Эволюция стандартов IEEE 802.16
При переходе к созданию систем широкополосного радиодоступа с
интеграцией услуг стало понятно, что основополагающие принципы, заложенные в
беспроводные системы на предыдущих этапах, нуждаются в существенной
корректировке. На сигнальном уровне первостепенное значение приобрело
оптимальное использование спектрального ресурса радиоканала при любых
соотношениях ―скорость - помехоустойчивость. На уровне
протоколов стало необходимым обеспечивать заданный уровень качества
обслуживания каждому абоненту сети.
Беспроводные сети связи городского масштаба WiMAX активно
развиваются на протяжении уже 10 лет, развернутые решения создают конкуренцию
другим решениям проблемы предоставления широкополосного доступа, эквивалентного
технологии xDSL. Основным преимуществом сетей WiMAX по сравнению с другими
технологиями, призванными решать аналогичные задачи, является относительно
быстрое развертывание систем на достаточно больших территориях без проведения
работ по прокладке кабеля и предоставление конечным пользователям каналов связи
в единицы Мбит/с, что особенно актуально для мест с неразвитой сетевой
инфраструктурой (например, новые загородные районы, исторические центры городов
и т.п.). Заметим, что основным конкурентом сетей WiMAX являются системы связи
четвертого поколения LTE E UTRA.
На сегодняшний день беспроводные сети городского масштаба
представлены следующими стандартами:
· IEEE
802.16e-2005, 2009 (WiMAX);
· ETSI HiperMAN;
· IEEE 802.20 (WBWA).
Рабочая группа IEEE 802.16 была создана в 1999 г. Через два
года (в декабре 2001 г.) был принят первый стандарт беспроводных сетей связи
городского масштаба IEEE 802.16. Первоначально он был ориентирован на частотный
диапазон 10-66 ГГц, что подразумевало прямую видимость между приемником и
передатчиком и являлось существенным недостатком в городских условиях. Стандарт IEEE 802.16a (принят в январе 2003 г.) предусматривал
использование частотного диапазона 1-10 ГГц и был лишен указанного недостатка.
В 2004 году появился стандарт беспроводного широкополосного
доступа IEEE 802.16-2004. Тогда казалось, что мир вот-вот шагнет в новую
реальность, где пользователю практически в любой точке Земли будут доступны
средства высокоскоростного информационного обмена, от передачи данных до
телефонной связи и телевидения. Но вскоре выяснилось, что стандарт - это еще не
все. Необходимо выделение частотного ресурса, построение инфраструктуры сетей,
немалые усилия по интеграции уже существующих услуг, в конце концов,
привлечение к новой технологии создателей контента для конечных пользователей.
Изменить ситуацию был призван утвержденный в конце 2005 года
документ IEEE Std 802.16е-2005 (опубликован 28 февраля 2006 года), который
называют «стандартом IEEE 802.16е». Такое наименование не совсем точно,
поскольку IEEE 802.16е - это набор исправлений существующего стандарта
802.16-2004 и дополнения «Физический и МАС-уровни для совместной мобильной и
фиксированной работы в лицензируемых диапазонах». Именно эти «дополнения»
(из-за которых стандарт IEEE 802.16е называют «мобильный WiMAX») и открывают
путь стандарту 802.16 в безграничный мир мобильных приложений
В июле 2005 г. вышел стандарт IEEE 802.16e, являющийся
дополнением к стандарту IEEE 802.16-2004. Акцент в стандарте сделан на
поддержку мобильности конечного пользователя.
Осенью 2009 г. вышел окончательный на сегодняшний день
стандарт беспроводных сетей городского масштаба IEEE 802.16-2009, объединивший
в себе предыдущие версии стандартов (Рис. 3).
Европейский институт телекоммуникационных стандартов ETSI и
рабочая группа BRAN (Broadband Radio Access Networks) разработали стандарт
HiperMAN. В основу HiperMAN на физическом уровне положен стандарт IEEE 802.16-2004. Некоторые различия
наблюдаются на канальном (MAC) и сетевом уровнях. Основное внимание ETSI
уделяет типам приложений и качеству услуг.
Спустя четыре года после создания рабочей группы IEEE 802.16
появился форум WiMAX, образованный фирмами Nokia, Harris Corp., Ensemble и
Crosspan. К маю 2005 г. форум объединял уже 230 участников, а на сегодняшний
день форум включает в себя более 400 различных производителей, лабораторий и
поставщиков телекоммуникационного оборудования.
1.3.1
Стандарт 802.16: стек протоколов
Набор протоколов, используемый стандартом
802.16, показан на Рис. 1.2. Общая структура подобна другим стандартам серии
802, но больше Подуровней. Нижний подуровень занимается физической передачей
данных. Используется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами
модуляции сигнала. Над физическим уровнем находится подуровень сведения (с
ударением на второй слог), скрывающий от уровня передачи данных различия
технологий.
Уровень передачи данных состоит из трех
подуровней. Нижний из них относится к защите информации, в которых передача
Данных осуществляется в эфире, физически никак не защищенном от прослушивания.
На этом подуровне производится цифрация, дешифрация данных, а также управления
ключами доступа.
Рис. 1.2. Стандарт 802.16: стек протоколов
Затем следует общая часть подуровня МАС.
Именно на этом уровне иерархии располагаются основные протоколы - в частности,
протоколы управления каналом. Здесь станция контролируют всю систему. Она очень
эффективно распределяет очередность передачи входящего трафика абонентам,
немалую роль играет и в управлении исходящим трафиком (от абонента к базовой
станции). От всех остальных стандартов 802.x МАС подуровень стандарта 802.16
отличается тем, что он полностью ориентирован на установку соединения. Таким
образом, можно гарантировать определенное качество обслуживания при
предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа.
1.3.2
Стандарт 802.16: физический уровень
Широкополосным беспроводным сетям
необходим широкий частотный спектр, который можно найти только в диапазоне от
10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают одним интересным свойством, которое
отсутствует у более длинных микроволн: они распространяются не во всех
направлениях (как звук), а по прямым линиям (как свет). Следовательно, на
базовой станции должно быть установлено множество антенн, покрывающих различные
секторы окружающей территории, как показано на Рис. 1.3. В каждом секторе будут
свои пользователи. Секторы не зависят друг от друга, чего не скажешь о сотовой
радиосвязи, в которой сигналы распространяются сразу по всем направлениям.
Рис. 1.3. Оперативная среда передачи
данных сетей 802.16
Поскольку мощность сигнала передаваемых
миллиметровых волн сильно уменьшается с увеличением расстояния от передатчика
(то есть базовой станции), то и соотношение сигнал/шум также понижается. По
этой причине 802.16 использует три различных схемы модуляции в зависимости от
удаления абонентской станции. Если абонент расположен недалеко от БС, то
применяется QАМ-64
с шестью битами на отсчет. На среднем удалении используется QФМ-16 и 4 бита/бод. Если
абонент расположен далеко, то работает схема QРSК с Двумя битами на
отсчет. Например, при типичной полосе спектра 25 МГц QAМ-64 дает скорость 150
Мбит/с, QАМ-16
- 100 Мбит/с, а QPSК - 50 Мбит/с. Таким образом чем дальше находится абонент от
базовой станции, тем ниже скорость передачи данных. Фазовые диаграммы всех трех
методов были показаны на Рис. 1.4.
Рис. 1.4. Фазовые диаграммы применяемых
методов
Стандарт 802.16 обеспечивает гибкость
распределения полосы пропускания. Применяются две схемы модуляции: FDD (дуплексная связь с
частотным разделением) и ТDD (дуплексная связь с временным разделением).
Последний метод показан на Рис. 1.5. Базовая станция периодически передает
кадры, разделенные Иа временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится
под входящий трафик. Затем следует защитный интервал (разделитель), позволяющий
станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним - интервалы исходящего
трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет
подстроить пропускную способность под трафик каждого из направлений.
Рис. 1.5. Дуплексная связь с временным
разделением; кадры и временные интервалы
Входящий трафик разбивается на временные
интервалы базовой станцией. Она полностью контролирует это направление
передачи. Исходящий трафик от абонентов управляется более сложным образом и
зависит от требуемого качества обслуживания. Мы еще вернемся к распределению
временных интервалов, когда будем обсуждать подуровень МАС.
Еще одним интересным свойством физического
уровня является его способность упаковывать несколько соседних кадров МАС в
одну физическую передачу. Это дает возможность повысить эффективность
распределения спектра путем уменьшения числа различных преамбул и заголовков, столь
любимых физическим уровнем.
Для непосредственного исправления ошибок
на физическом уровне используется код Хэмминга. Все сетевые технологии просто
полагаются на контрольные суммы и обнаруживают ошибки с их помощью, запрашивая
повторную передачу испорченных фрагментов. Но при широкополосной беспроводной
связи на больших расстояниях возникает много ошибок, что их обработкой
приходится заниматься физическому уровню, хотя на более высоких уровнях и
применяется метод контрольных сумм. Основная задача коррекции ошибок на
физическом уровне состоит в том, чтобы заставить канал выглядеть лучше, чем он
есть на самом деле (точно так же компакт-диски кажутся столь надежными
носителями только лишь благодаря тому, что больше половины суммарного числа бит
отводится под исправление ошибок на физическом уровне).
1.3.3
Стандарт 802.16 протокол подуровня МАС
Уровень передачи данных разделен на три
подуровня, как показано на рис 8. Кадры МАС всегда занимают целое число
временных интервалов физического уровня. Каждый кадр разбит на части, первые
две из которых содержат карту распределения интервалов между входящим и
исходящим трафиком. Там находится информация о том, что передается в каждом
такте, а также о том, какие такты свободны. Карта распределения входящего
потока содержит также разнообразные системные параметры, которые важны для
станций, только что подключившихся к эфиру.
Канал входящего трафика состоит из базовая
станция, которая определяет, что разместить в каждой части кадра. Исходящий
канал имеет конкурирующие между собой станции, желающие получить доступ к нему.
Его распределение тесно связано с вопросом качества обслуживания. Определены
четыре класса сервисов:
1. Сервис с постоянной битовой
скоростью;
2. Сервис реального времени с
переменной битовой скоростью;
. Сервис, работающий не в реальном
масштабе времени, с переменной битовой скоростью;
. Сервис с обязательством
приложения максимальных усилий по предоставлению услуг.
Все предоставляемые стандартом 802.16
сервисы ориентированы на соединение, и каждое соединение получает доступ к
одному из приведенных ранее классов сервиса.
Сервис с постоянной битовой скоростью
предназначен для передачи несжатой речи, такой, какая передается по каналу Т1.
Здесь требуется передавать предопределенный объем данных в предопределенные
временные интервалы. Это реализуется путем назначения каждому соединению такого
типа своих интервалов. После того как канал оказывается распределенным, доступ
к временным интервалам осуществляется автоматически, и нет необходимости
запрашивать каждый из них по отдельности.
Сервис реального масштаба времени с
переменной битовой скоростью применяется при передаче сжатых мультимедийных
данных и других программных приложений реального времени. Необходимая в каждый
момент времени пропускная способность может меняться. Та или иная полоса
выделяется базовой станцией, которая опрашивает через определенные промежутки
времени абонента с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала.
Сервис, работающий не в реальном масштабе
времени, с переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика -
например, для передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже
опрашивает абонентов довольно часто, но не в строго установленные моменты
времени. Абонент, работающий с постоянной битовой скоростью, может установить в
единицу один из специальных битов своего кадра, тем самым предлагая базовой
станции опросить его (это означает, что у абонента появились данные, которые
нужно передать с новой битовой скоростью).
Сервис с обязательством приложения максимальных
усилий используется для всех остальных типов передачи. Никаких опросов здесь
нет, а станции, желающие захватить канал, должны соперничать с другими
станциями, которым требуется тот же класс сервиса. Запрос пропускной
способности осуществляется во временных интервалах, помеченных в карте
распределения исходящего потока как доступные для конкуренции. Если запрос
прошел удачно, это будет отмечено в следующей карте распределения входящего
потока. В противном случае абоненты-неудачники должны продолжать борьбу. Для
минимизации числа коллизий используется взятый из Еsегпеt; алгоритм двоичного
экспоненциального отката.
Стандартом определены две формы
распределения пропускной способности: для станции и для соединения. В первом
случае абонентская станция собирает вместе все требования своих абонентов
(например, компьютеров, принадлежащих жильцам здания) и осуществляет
коллективный запрос. Получив полосу, она распределяет ее между пользователями
по своему усмотрению. В последнем случае базовая станция работает с каждым
соединением отдельно] 3 [.
1.4
آèنû ٌٍàينàًٍà 802.16
رهٍè WiMAX ïًهنيàçيà÷هيû نëے ïًهنîٌٍàâëهيèے
ٌهًâèٌîâ êàê يهïîنâèويûى è ïîنâèويûى ïîëüçîâàٍهëےى. WiMAX ïîننهًوèâàهٍ ٌëهنَùèه âèنû ىîلèëüيîٌٍè:
. شèêٌèًîâàييûé (fixed). آ ٍîى ٌëَ÷àه ٌ îïهًàٍîًîى ٌîمëàٌîâûâàهٌٍے ïîëîوهيèه ïîëüçîâàٍهëے, â êîٍîًîى îي ïîëَ÷àهٍ îلٌëَوèâàيèه, ي-ً, êîيêًهٍيàے ٌîٍà. ؤëے ٍîمî ُîًîّî ïîنُîنےٍ
ïîëüçîâàٍهëüٌêèه ٍهًىèيàëû ٌ çàêًهïëهييîé
ٌيàًَوè çنàيèے àيٍهييîé, يàïًàâëهييîé يà لàçîâَ
ٌٍàيِè.
. ءëَونàùèé (nomadic),
ٍ.ه. ٌ èçىهيےهىûى ىهٌٍîïîëîوهيèهى. دîëüçîâàٍهëü èىههٍ âîçىîويîٌٍü
ïîنêë÷èٍüٌے ê ٌهٍè îïهًàٍîًà èç ëلîمî ىهٌٍà, منه îïهًàٍîً ïًهنîٌٍàâëےهٍ ïîêًûٍèه. آ ٍه÷هيèه
îنيîé ٌهٌٌèè ïîëüçîâàٍهëü نîëوهي لûٍü يهïîنâèوهي.
. دهًهنâèويîé (portable). دîëüçîâàٍهëü èىههٍ âîçىîويîٌٍü
ïهًهنâèمàٍüٌے ٌî ٌêîًîٌٍü
نî 5 êى/÷ لهç ïîٍهًè ٌٍَàيîâëهييîé ٌهٌٌèè, â
ٍîى ÷èٌëه (îïِèîيàëüيàے âîçىîويîٌٍü
ٌهٍè) ïهًهُîنèٍü èç îنيîé ٌîٍû â نًَمَ
(handover). آî âًهىے handover نîïٌَêàٌٍے ïهًهًûâû â
ïهًهنà÷ه نàييûُ (âïëîٍü
نî çيà÷هيèے, ىàêٌèىàëüيîمî نëے îلٌëَوèâàيèے
ٍهêَùهé TCP/IP