Analýza systému WiMAX doplněného o retranslační stanice

Autor: P. Mach <p_mach(at)centrum.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Bezdrátový přístup, Vydáno dne: 27. 03. 2009

Doplněk standardu IEEE 802.16 s označením „j“ má za cíl integrovat do sítí WiMAX tzv. retranslační stanice, jejichž úkolem je navýšit přenosové rychlosti a zvýšit dosah. Na základě simulací je ukázáno, jak tyto nové stanice ovlivňují režii přenosu na vrstvě MAC a je provedena analýza propustnosti při použití retranslačních stanic v závislosti na nastavených parametrech.

Analysis of WiMAX System Enhanced by Relays - Abstract

The article is focused on IEEE 802.16j which is an amendment to IEEE 802.16 standard. The purpose of IEEE 802.16j is to enhance system capacity and to extend coverage by means of relay stations. On the basis of simulation, MAC overhead introduced by relay is calculated. Further, overall system capacity per channel is evaluated in dependence on different relay station’s settings.

Keywords: wirelles network; basic station; WiMAX

Úvod

Bezdrátové síťové technologie představují jednu z nejrychleji se rozvíjejících oblastí telekomunikací. Mezi nejslibnější lze zařadit technologii WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) vycházející ze standardu IEEE 802.16. Základní vlastnosti a principy této technologie byly popsány v příspěvku „Datové přenosy ve standardu IEEE 802.16 (WiMAX)“ [1] primárně zaměřené na standard IEEE 802.16-2004 [2] a jeho doplněk IEEE 802.16e [3].

Současnými trendy je stále vyšší poptávka po multimediálních službách vyžadujících vysoké přenosové rychlosti spolu s velkými nároky na kvalitu služeb QoS (Quality of Service). Jedna z možností, jak výše uvedené nároky na přenosové systémy naplnit, je řešena v rámci IEEE 802.16j [4]. Stejně jako v případě IEEE 802.16e se nejedná o samostatný standard, ale pouze doplněk standardu IEEE 802.16-2004. Snahou tohoto doplňku je implementovat do sítě tzv. retranslační stanice RS (Relay Station). RS je v podstatě zjednodušená základnová stanice BS (Base Station), pomocí níž se může uživatelská stanice SS (Subscriber Station) připojit do sítě. Zásadní podmínka pro implementaci stanic RS do systému je, že původní stanice SS nebudou muset být nikterak modifikovány. Jinak řečeno, SS stanice vycházející ať už ze standardu IEEE 802.16-2004 či jeho doplňku IEEE 802.16e, budou moci být použity v síti založené na IEEE 802.16j.

Klasifikace RS stanic

Podle využití stanic RS, způsobu jejich umístění a implementaci do sítě lze stanice RS kategorizovat dle několika kritérií.

Podle způsobu použití

Základní použití RS v síti WiMAX je zobrazeno na obr. 1. Jak je daná RS využita je závislé na jejím umístění v rámci buňky BS:

zvýšení přenosové kapacity systému - stanice RS je umístěna uvnitř buňky. Uživatelé, kteří mají slabý signál (např. z důvodu zastínění budovou) se tak mohou se základnovou stanicí připojit prostřednictvím stanice RS, která nabízí podstatně kvalitnější spojení.
zvýšení dosahu – stanice RS je umístěna na okraji buňky. Tímto způsobem lze připojit do sítě i ty uživatele, kteří nejsou schopni přijímat signál od stanice BS s dostatečnou intenzitou.

Obr. 1 Principy využití stanic RS.

Podle změny polohy:

Fixní (Fixed) – Poloha fixní stanice RS je neměnná. Z toho důvodu, že nejde s umístěním stanice RS dále manipulovat, je nutné vybrat polohu co možná nejlépe. Fixní RS lze např. umístit na stožár nebo střechu budovy.
Přemístitelná (Nomadic) – Princip použití je totožný jako v předchozím případě. Pokud je RS aktivní, je její poloha stálá. Nicméně po vypnutí lze přesunout RS stanici na nové místo a následně aktivovat. Přemístitelné stanice RS jsou tedy využívány tam, kde je krátkodobě nezbytné zvýšit pokrytí a kapacitu sítě.
Mobilní (Mobile) – Mobilní stanice RS jsou v největším počtu případů umístěné na vhodném pohybujícím se objektu, např. na střeše autobusu či vlaku a poskytují připojení do sítě uživatelům, kteří danými prostředky cestují. V praxi to znamená, že zatímco spojení mezi uživatelem a RS je fixní (vzdálenost se nemění a neprovádí se handover mezi stanicemi), samotná RS při přechodu z jedné buňky do druhé handover provádí.

Podle implementace:

Transparentní RS (T-RS, Transparent-RS) – Jedná se o jednoduchou stanici RS primárně používanou pro zvýšení propustnosti sítě. Při použití T-RS je nutné, aby uživatelská stanice SS byla vždy v dosahu alespoň jedné BS stanice, protože T-RS nevysílají žádné řídící informace nutné pro synchronizaci a konfiguraci stanic. Princip spočívá v tom, že stanice T-RS je umístěná mezi stanicí SS a BS a přeposílá signál směrem k cílové stanici. Cílová stanice, ať už se jedná o SS nebo BS, tak přijímá stejný signál zároveň od zdrojové stanice a od stanice T-RS. V odborné terminologii se mluví o tzv. kooperační diverzitě, neboli přenosu dat po více rádiových kanálech z důvodu vyššího zabezpečení při přenosu dat a zvýšení přenosových rychlostí. V případě špatné kvality jednoho kanálu jsou data bezchybně doručena prostřednictvím kanálu alternativního.
Netransparentní RS (NT-RS, Non Transparent-RS) Na rozdíl od T-RS se NT-RS chová prakticky stejně jako stanice BS. Jinak řečeno, stanice SS není schopná poznat rozdíl mezi stanicemi BS a NT-RS, poněvadž NT-RS vysílá stejně jako BS na začátku každého rámce řídící informace (viz následující kapitola). Stanice SS se tak snaží automaticky připojit ke stanici s lepším signálem, což může být buď BS (stanice se nachází v blízkosti BS) či RS (stanice se nachází v blízkosti RS). Z výše uvedeného mimo jiné vyplývá, že NT-RS je možné použít jak pro navýšení přenosové kapacity systému, tak i pro zvýšení dosahu (SS už nemusí být nutně v dosahu BS). NT-RS jsou dále děleny na:

Centrálně řízené RS (CC-RS, Centrally Controlled RS) - Stanice je kompletně řízená prostřednictvím BS a pouze jednoduše přeposílá všechny přijaté řídící informace či data směrem k cílové stanici. To znamená, že BS musí mít povědomí o všech SS připojených k CC-RS, aby mohla plánovat všechny přenosy na druhém a případně na dalším „skoku“.
Necentrálně řízené RS (DC-RS, De-centrally Controlled RS) - Stanice si sama řídí všechny přenosy dat mezi ní a jejími uživateli. V porovnání s CC-RS je tedy podstatně složitější a musí být lépe vybavena, jak po stránce softwarové tak i hardwarové.

Implementace RS stanic do sítě (na MAC vrstvě)

V příspěvku „Datové přenosy ve standardu IEEE 802.16 (WiMAX)“ byla podrobně vysvětlena struktura rámce na vrstvě MAC (Medium Access Control). Nicméně při implementaci stanic RS do sítě je nutné původní rámec modifikovat. Pro lepší pochopení tématu jsou struktury rámců, prezentované v této kapitole, podstatně zjednodušeny. Místo modulace OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), která bude používána v IEEE 802.16j je uvažována pouze jednoduší modulace OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Základní rozdíl spočívá v tom, že OFDMA umožňuje oddělit jednotlivé vysílání stanice jak v časové oblasti, tak i v oblasti frekvenční.

Na obr. 2 je zobrazena struktura rámce pro zařazení transparentních RS stanic do sítě. Rámec je stejně jako ve standardu IEEE 802.16-2004 rozdělen na podrámce DL (Downlink) a UL (Uplink) . Rámec stanice BS začíná vysláním potřebných řídících informací pro všechny stanice v dosahu dané BS (v obr. 2 označeno jako B, neboli Broadcast). Ihned po ukončení tohoto vysílání stanice BS začne posílat uživatelská data určená RS a stanicím SS. Po celou tuto dobu je stanice RS v přijímacím módu. V určitém okamžiku je anténa stanice RS přepnuta do módu vysílacího (doba přepnutí je označena jako RG). Zbytek podrámce DL je vyhrazen přenosu dat mezi stanicemi RS a SS. Jak bylo vysvětleno v předchozí kapitole, jedná se o tzv. kooperační diverzitu, protože stanice SS prakticky přijímá naprosto stejné data dvakrát (v první fázi od BS, ve druhé fázi od RS). Po ukončení podrámce DL je nutné vložit krátký interval (v obr. 2 označen jako G) nezbytný pro přepnutí antény z vysílacího do přijímacího módu.

Obr. 2 Struktura rámce pro stanici T-RS.

Podrámec UL začíná tzv. svárovým intervalem, během kterého můžou SS stanice žádat o nové přenosové prostředky, popř. inicializovat proceduru pro přihlášení do sítě. Stejně jako v případě podrámce DL, je podrámec UL pomyslně rozdělen na dvě fáze. V první fázi vysílají pouze stanice SS ve směru BS a RS, které tak přijímají totožná data. Druhá část podrámce je poté určena pro datové přenosy ve směru od stanice RS k BS.

Struktura rámce pro integraci stanice CC-RS do sítě WiMAX je představena na obr. 3 [5]. Podrámec DL stanice BS opět začíná řídící částí určenou pro konfiguraci a synchronizaci všech stanic připojených k BS přímo nebo prostřednictvím stanic CC-RS. Po uplynutí tohoto intervalu a času pro přepnutí antény stanice CC-RS z přijímacího do vysílacího módu, je tato akce zopakována stanicí CC-RS. Stanice CC-RS podobně jako stanice BS rozesílá řídící informace určené pro SS na druhém a případně dalších „skocích“. Protože je předpokládáno, že stanice BS řídí datové přenosy pro všechny stanice v rámci BS, BS tyto informace zašle stanicím RS v předchozí části rámce. Následující část rámce DL je určena pro přenos uživatelských dat mezi BS-SS a následně mezi RS-SS. Podrámec UL je koncipován analogicky jako podrámec DL, kdy se střídá vysílání stanic BS a RS. Jednotlivé části podrámce UL byly vysvětleny v rámci T-RS.

Obr. 3 Struktura rámce pro stanici CC-RS.

Struktura rámce pro stanici DC-RS a její integraci do sítě je zobrazena na obr. 4. V porovnání s CC-RS je podrámec DL naprosto totožný s původním standardem. Na druhou stranu část podrámce UL je určena pouze stanici DC-RS (v obr. 4 je tato část rámce označena jako RS rámec). Pro zachování kompatibility se standardem IEEE 802.16-2004(e) je složení rámce RS totožné jako rámec stanice BS. Během tohoto intervalu tedy stanice DC-RS řídí veškerý přenos mezi ní a stanicemi k ní připojených.

Obr. 4 Struktura rámce pro stanici DC-RS.

Simulace WiMAX systému se stanicemi NT-RS

Podmínky simulace

Smyslem následující simulace je zjistit jaké výhody a případné nevýhody vznikají implementací RS stanic do WiMAX sítě. Pro svou flexibilitu byly analyzovány pouze NT-RS stanice použitelné jak pro navýšení propustnosti systému, tak i pro zvýšení dosahu sítě WiMAX. Samotný model systému WiMAX je složen z jedné BS stanice, čtyř NT-RS stanic a až 50 SS stanic. Všechny další nezbytné parametry simulace jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1 Základní parametry simulace.

Pro popis chování rádiového kanálu byl zvolen model vyvinutý Standfordskou univerzitou , který je vhodný pro analýzu pevného širokopásmového bezdrátového přístupu [6].

V první fázi simulace je vypočtena velikost režie na MAC vrstvě v závislosti na počtu uživatelů pro různé konfigurace systému. Vlastní režie je určena pro tři různé situace:

Bez RS – stanice SS se připojují pouze ke stanici BS.
S CC-RS – stanice SS se na základě síly signálu připojují buď k BS nebo stanicím RS.
S DC-RS – stejné jako případ b), pouze místo CC-RS jsou použity stanice DC-RS.

Ve druhé fázi simulace je analyzována přenosová kapacita na jednu buňku s BS v závislosti na poloze, úrovni vysílaného signálu a výšce antény jednotlivých stanic RS. V tomto případě byly uvažovány pouze stanice DC-RS. Při výpočtu přenosové kapacity byly porovnávány čtyři různé případy:

Bez RS – systém obsahuje pouze stanice BS a SS.
S DC-RS (případ 1) – systém obsahuje čtyři stanice RS, kdy každá stanice RS vysílá zvlášť (každý rámec BS obsahuje čtyři rámce RS).
S DC-RS (případ 2) – systém obsahuje čtyři stanice RS, kdy dvě protilehlé stanice RS vysílají najednou (každý rámec BS obsahuje 2 rámce RS). Na jednu stranu je zvýšené rušení ve spektru (nutnost použít robustnější modulace). Na druhou stranu je efektivněji nakládáno s rádiovými prostředky.
S DC-RS (případ 3) – systém obsahuje čtyři stanice RS, kdy všechny stanice RS mají povoleno vysílat v jeden okamžik.

Průběh samotné simulace je následující. Po vygenerování náhodných poloh stanic SS je vypočtena režie na vrstvě MAC a celková přenosová kapacita na buňku BS. Vzhledem k tomu, že přenosové rychlosti a tím i kapacita systému je silně závislá na poloze uživatelů (čím blíže k stanicím BS nebo RS, tím vyšší dosažené přenosové rychlosti), je simulační cyklus spuštěn 2000krát (neboli 2000krát je náhodně vybrána poloha stanic). Pro každou takovou kombinaci jsou vyhodnoceny dílčí výsledky, které jsou na konci celého simulačního procesu zprůměrňovány, aby nebyly výsledky zkreslené.

Výsledky simulací

Na obr. 5 je znázorněna velikost režie na vrstvě MAC v závislosti na počtu uživatelů. Je zřejmé, že přidáním stanic RS do sítě dochází k výraznému nárůstu redundantní informace, což má následně dopad na celkovou kapacitu systému. V případě použití úzkého kanálu o šířce 3,5 MHz (viz obr. 5a) se režie přenosu pohybuje řádově v desítkách procent. Zatímco pro situace bez stanic RS se režie přenosu pohybuje v rozmezí od 7% do 25% v závislosti na konfiguraci systému, případ se stanicemi RS se jeví podstatně pesimističtěji. Pro 50 uživatelů v rámci jedné BS stanice je při použití DC-RS režie přibližně 90% a při implementaci CC-RS dokonce přesahuje 100%. Jinak řečeno, při užití CC-RS není ani teoreticky možné obsloužit takový počet SS stanic. Situace je nicméně neporovnatelně lepší při užití délky rámce 20 ms (na obr. 5 je délka rámce označena jako Tf), kdy maximální velikost režie je 50% pro DC-RS a 65% pro CC-RS stanice. Důvodem pro tak vysoké procento režie je, že při užití úzkého kanálu je délka OFDM symbolu podstatně delší v porovnání se širokým kanálem (viz tab. 1). Proto je také podstatně větší procento těchto symbolů spotřebováno na přenos řídích informací.

Obr. 5 Režie na vrstvě MAC v závislosti na počtu uživatelů v systému a jeho konfiguraci.

Obr. 5b zachycuje situaci při aplikaci rádiového kanálu o šířce 20 MHz. Za těchto okolností se celková režie vzniklá na vrstvě MAC pohybuje v přijatelných hodnotách. Při integraci CC-RS stanic do sítě se pohybuje v rozmezí od 2% do 22%. V případě DC-RS stanice lze snížit velikost záhlaví pod 20% pro všechny sledované situace.

Na obr. 6 je znázorněna kapacita systému v závislosti na poloze stanic RS (obr. 6a), výšce stanic RS (obr. 6b) a nakonec na velikosti vysílacího výkonu (obr. 6c). Pokud je stanice RS umístěna příliš blízko stanice BS, je sledován celkový pokles kapacity systému v porovnání s případem bez RS. Se zvyšující se distancí ale dochází k viditelnému nárůstu přenosové kapacity systému. Z obr. 6a je zřejmé, že ideální umístěni stanic RS je přibližně ve třech čtvrtinách celkového poloměru buňky. Pro tento případ tedy optimální vzdálenost odpovídá asi 1900 až 2000 m. Při dalším pohybu stanice RS směrem k okraji buňky sledován opět pokles celkové kapacity. To je způsobené především zhoršujícími se vlastnostmi rádiového kanálu mezi stanicemi BS a RS. Dále lze konstatovat, že za situace, kdy všechny stanice RS vysílají zvlášť, je dosaženo maximální kapacity pouze 15 Mbit/s v porovnání s 12,3 Mbit/s v případě bez stanice RS. Nicméně povolením vysílat více stanicím najednou je celková kapacita dále navýšena až na 19 Mbit/s pro scénář d).

Obr. 6 Kapacita systému na jeden rádiový kanál o šířce 20 MHz a délku rámce 20 ms (uvažováno 50 SS a DC-RS).

Z obr. 6b a 6c je patrné, jak velikost vysílacího výkonu stanic RS spolu s výškou jejich antén ovlivňuje dosahované přenosové rychlosti. Samotný nárůst je především viditelný v rozmezí mezi 25 až 30 m výšky stanice RS, resp. v rozmezí výkonu 25 až 30 dBm.

Závěr

Článek analyzoval nově vznikající doplněk standardu IEEE 802.16 s označením IEEE 802.16j. Tento doplněk počítá s implementací tzv. retranslačních stanic RS, které mohou potenciálně navýšit buď celkovou propustnost systému nebo zvýšit dosah sítě WiMAX. Příspěvek podrobně popisuje a kategorizuje funkční vlastnosti stanic RS. Na základě simulací byla odhadnuta režie přenosu na vrstvě MAC způsobená právě stanicemi RS. Z výsledků simulace lze konstatovat, že stanice RS je vhodné použít pouze v kombinaci se širokým rádiovým kanálem. V takových případech je režie přenosu vzniklá integrací stanic RS do sítě dostatečně nízká (pod 20%). V opačném případě se může režie pohybovat až v hodnotách kolem 100%, což je jak z technického tak i z ekonomického důvodu nepřijatelné.

Dalším analyzovaným parametrem byly dosahované přenosové rychlosti na jednu buňku v závislosti na poloze, výšce a vysílacím výkonu. Je zřejmé, že při správném nastavení parametrů lze dosáhnout podstatného navýšení přenosových rychlostí a za určitých okolností dosáhnout přibližně 2x vyšší propustnosti v porovnání se sítí WiMAX bez stanic RS.

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií MSM6840770014.

Seznam zkratek

Literatura

[1] Mach, P.: Přenosy dat ve standardu IEEE 802.16 (WiMAX). Access server [online]. 2008, roč. 6., č. 2008050005, s. 1-7. Internet: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=200805 0005. ISSN 1214-9675.
[2] IEEE: IEEE 802.16-2004 Standard for local and metropolitan area networks: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, dostupné z http://www.ieee802.org, 2004.
[3] IEEE: IEEE Standard 802.16e-2005, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile BWA Systems, Amendment for Physical and Medium Access Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands, dostupné z http://www.wimaxforum.org, 2006.
[4] IEEE: IEEE 802.16j, Baseline Document for Draft Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems, 2007.
[5] Ch. Hoymann, K. Klagges, “MAC Frame concepts to Support Multi-hop Communication in IEEE 802.16 Networks”, Wireless Word Research Forum, 2005.
[6] V.S. Abhayawardhana, et al., “Comparison of empirical proagation path loss models for fixed wireless access systems”, IEEE Vehicular Technology Conference, 2005.