Přenosy dat ve standardu IEEE 802.16 (WiMAX)

Data Transmissions in 802.16 Standards

Abstract

Neustále se zvyšující nároky na přenosové rychlosti a kvalitu služeb vyvolaly potřebu po efektivním řešením. V současnosti se pracuje na několika bezdrátových systémech, které by měly dané požadavky naplnit. V zásadě se jedná o nové standardy ze strany WiFi (Wireless Fidelity), především o standard IEEE 802.11s a IEEE 802.11n a dále o širokopásmové sítě založené na standardech IEEE 802.16, IEEE 802.20 či IEEE 802.22.

Standard IEEE 802.16 lze zařadit do skupiny metropolitních sítí MAN (Metropolitan Area Network) umožňující přenosy dat vysokými rychlostmi na relativně velké vzdálenosti. Dále definuje několik fyzických rozhraní pro podporu jak vysokorychlostních přenosů při přímé viditelnosti LOS (Line of Sight), tak i rozhraní pro komunikaci bez přímé viditelnosti NLOS (None Line of Sight) [1]. Jedná se o technologii určenou pro poskytovatele a proto klade větší důraz na podporu kvality služeb QoS (Quality of Service) a možnost řízení a správy sítě.

Typy síťové topologie

Podle standardu IEEE 802.16-2004 [2] nebo IEEE 802.16e [3] lze definovat dvě možné síťové topologie: bod-mnoho bodů (PMP, Point to Multipoint) a mesh topologii. Topologie PMP musí být povinně implementována, zatímco implementace mesh topologie je volitelná. Základní princip je ukázán na obr. 1.

Obr. 1 Podporované síťové architektury.

PMP architektura je založena na klasické buňkové struktuře sítě, kdy se jednotlivé uživatelské stanice připojují přímo ke stanici základnové. U mesh topologie v porovnání s PMP je umožněna i přímá komunikace mezi stanicemi.

Technologie WiMAX je standardem definována pouze pro první dvě vrstvy sedmivrstvého OSI-RM modelu (Open System Interconnection-Reference Model), který popisuje řízení komunikace mezi jednotlivými uzly v síti (viz obr. 2). První vrstva je vrstva fyzická, která má za úkol zejména vytvářet a rušit fyzická spojení pro přenos bitových toků a hlásit trvalé chyby na datových okruzích. Druhou vrstvou je vrstva spojová, jejíž částí je vrstva přístupu k médiu – MAC vrstva (Medium Access Control), která řídí komunikaci po jednotlivých telekomunikačních okruzích a spočívá na ní hlavní odpovědnost za zabezpečení přenosu dat.

Obr. 2 Porovnání modelu RM-OSI s referenčním modelem standardu IEEE 802.16.

Fyzická vrstva

Pro co nejlepší využití spektra jsou podporovány jak TDD (Time Division Duplex) tak i FDD (Frequency Division Duplex) duplexní módy (viz obr. 3).

Obr. 3 Porovnání TDD a FDD technik.

Pokud je použito FDD techniky, je sestupný směr (přenos dat od základnové stanice k uživatelům označovaný jako DL) a vzestupný směr (přenos dat od uživatelů k základnové stanic označovaný jako UL) oddělen ve frekvenční oblasti. To znamená, že základnová stanice vysílá na odlišné frekvenci než uživatelské stanice. Na druhou stranu, TDD mód dovoluje využití stejné frekvence pro oba směry přenosu, kdy nejdříve vysílá základnová stanice a potom následuje vysílaní jednotlivých klientských stanic.

WiMAX systém sice podporuje několik druhů fyzické vrstvy, ale ve většině případů je počítáno s nasazením fyzické vrstvy založené na principu ortogonálního multiplexu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), popř. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) přístupu.

Princip OFDM spočívá v použití několika stovek až tisíců nosných kmitočtů (pro potřeby WiMAX se používá 256 kmitočtů). Nosné jsou dále modulovány dle potřeby různě robustními modulacemi od BPSK až po 64-QAM. Jednotlivé nosné jsou vzájemně ortogonální, takže maximum každé nosné by se mělo překrývat s minimy ostatních. Datový tok celého kanálu se tak dělí na 256 dílčích datových toků jednotlivých nosných.

Aby se zabránilo mezisymbolové interferenci ISI (Inter Symbol Interference), využívá OFDM tzv. cyklickou předponu CP (Cyclic Prefix), která je tvořena několika posledními vzorky OFDM symbolu. CP tvoří v časové oblasti ochranný interval mezi sousedními přenášenými OFDM symboly, zachovávající jednotlivé nosné ortogonální a usnadňuje synchronizaci (viz obr. 4).

Obr. 4 Tvorba cyklického prefixu.

Stejně jako u OFDM je frekvenční pásmo při použití OFDMA metody rozděleno na úzké subkanály (nosné). Zásadní rozdíl v porovnání s OFDM spočívá v tom, že u OFDMA je možné jednotlivé nosné přiřadit více uživatelům v jednom časovém okamžiku (viz obr. 5).

Obr. 5 Porovnání OFDM a OFDMA.

U OFDMA je celkové pásmo rozděleno do N_G skupin obsahujících N_E nosných, takže ve skutečnosti existuje N_E subkanálů (každý subkanál je vyhrazen pro jednoho uživatele). Z obrázku je patrné, že jednotlivé nosné tvořící jeden subkanál se nenachází v jedné části frekvenčního spektra, ale jsou rozprostřeny po celé jeho šířce. Tímto způsobem je dovoleno dynamicky vybírat pro uživatele taková pásma, která jsou pro ně nejméně rušená a tudíž lze použít efektivnější typ modulace (např. místo 16-QAM se použije modulace 64-QAM citlivější na odstup signál-šum a nabízející ve výsledku vyšší přenosovou rychlost). Více informací o OFDM či OFDMA se lze např. nalézt v referenci [4].

Režie přenosu na fyzické vrstvě

Faktory ovlivňující režii přenosu na fyzické vrstvě jsou následující:

• Šířka kanálu – WiMAX podporuje šířku kanálu v rozmezí od 1,25 do 20 MHz. Přenosová rychlost je přímo úměrná šířce kanálu.
• Parametry OFDM modulace – Existuje několik parametrů přímo ovlivňující velikost režie přenosu:
• Počet nosných použitých pro přenos dat - OFDM modulace použitá ve WiMAXu je tvořena 256 nosnými z toho je ale pouze 192 použito pro data. Každá nosná může přenést 1 až 6 bitů v závislosti na modulaci (1 bit/BPSK, 6 bitů/64QAM).
• CP - délka CP se pohybuje v rozmezí od 1/4 až 1/32 celkové délky OFDM symbolu v závislosti na kvalitě kanálu.
• Stupeň kódování - slouží pro zabezpečení dat proti chybám a pohybuje se v rozmezí 1/2 až 3/4.

V následující tabulce je uvedena velikost režie na fyzické vrstvě pro šířku kanálu 3,5 a 20 MHz a stupeň kódování 1/2 a 3/4. Je zřejmé, že ve většině případech se režie pohybuje nad hodnotou 50 %. Je to především z důvodu nutnosti robustního zabezpečení přenosu dat proti chybám kvůli rychle se měnícím přenosovým vlastnostem rádiového kanálu.

Tab. 1 Režie přenosu na fyzické vrstvě.

Vrstva MAC

Cílem MAC vrstvy je zajištění bezpečného přenosu a efektivní sdílení média. Vrstva MAC má dále na starosti vytváření, údržbu a rušení spojení, alokaci zdrojů, podporu kvality služeb a další klíčové funkce.

Data přenášená mezi základnovou stanicí a klienty probíhá prostřednictvím tzv. rámců. Vzhledem k tomu, že pouze PMP topologie musí být podporována všemi zařízeními, bude dále rozebrán pouze rámec v PMP topologii.

V PMP módu lze použít jak TDD tak i FDD dělení. Na obr. 6 je ukázána obecná struktura rámce pro TDD režim. FDD rámec se liší pouze v tom, že DL a UL nejsou odděleny časově ale využívají odlišné frekvenční pásma. Ve výsledku to znamená, že jeho struktura je obdobná, pouze není zapotřebí mezi jednotlivé podrámce vkládat intervaly TTG (Transmit/receive Transition Gap) a RTG (Receive/transit Transition Gap) umožňující anténě přejít z vysílacího módu do přijímacího a naopak. Na druhou stranu je ale nutné mezi DL a UL vložit ochranné pásmo aby se jednotlivé směry vzájemně nerušily.

Obr. 6 Struktura rámce MAC v PMP módu při užití TDD přenosu.

Každý rámec (resp. DL podrámec) musí vždy začínat tzv. preambulí sloužící pro synchronizaci a měření přenosových parametrů rádiového kanálu. Ihned poté následuje pole FCH (Frame Control Header), které popisuje délku a vlastnosti několika následujících datových bloků (na obr. 6 označených jako DL data). Dále následuje vysílání řídících zpráv UL/DL MAP a UCD (Uplink Channel Descriptor)/DCD (Downlink Channel Descriptor). Zatímco zprávy UL/DL MAP popisují kdy a jaká data jsou určena pro jednotlivé uživatele, zprávy UCD/DCD definují typ modulace a kódování aplikovaných na každý datový blok. Výše zmíněné zprávy jsou vždy vysílané v prvním datovém bloku.

UL podrámec začíná vždy kolizním intervalem rozděleným do několika dílčích intervalů (slotů) umožňujících novým stanicím vstup do sítě a stávajícím stanicím žádat o přidělení přenosových prostředků. Poté následují jednotlivé datové bloky od uživatelských stanicí.

Režie přenosu na MAC vrstvě

Při zjišťování režie přenosu vzniklé na MAC vrstvě je důležitým parametrem délka trvání rámce. Podle standardu 802.16-2004 je podporovaná délka rámce mezi 2,5 ms až 20 ms. Každý rámec na MAC vrstvě je složen z určitého počtu OFDM symbolů. Počet symbolů je závislý na délce rámce a délce vlastních symbolů. Ne všechny symboly nutně přenáší uživatelská data a slouží pro řízení přenosu (redundantní část přenosu). Jedná se o:

• Preambule (preamble) – je vysílána na:
• začátku každého rámce a obsazuje 2 OFDM symboly
• na začátku každého datového bloku a obsazuje 1 OFDM symbol (ve směru DL je volitelná)
• volitelně uprostřed datových bloků v UL a obsazuje 1 OFDM symbol.
• FCH pole – obsazuje vždy 1 OFDM symbol.
• UL/DL MAP a UCD/DCD zprávy – obsazují několik OFDM symbolů v závislosti na velikosti jednotlivých zpráv. Velikost zpráv se odvíjí od počtu uživatelů, kteří v daném rámce přijímají/vysílají data.
• Kolizní interval (Contention slot) – obsazuje zpravidla několik OFDM symbolů.
• TTG a RTG intervaly – většinou vyhrazen 1 až 2 OFDM symboly.

Na obr. 7 je ukázán příklad vypočtené režie na MAC vrstvě v závislosti na počtu uživatelů, kde BW (Bandwidth) představuje šířku kanálu a LoF (Length of Frame) délku MAC rámce. Je nutné si uvědomit, že režie MAC vrstvy především závisí na konfiguraci systému a může být tedy pro různé situace rozdílná (volba velikosti kolizního intervalu, použití volitelných preambulí, atd.). Obecně lze ale konstatovat, že se zvyšujícím se počtem uživatelů roste také vlastní režie. Důvodem je především nárůst velikosti UL/DL MAP a UCD/DCD zpráv. Další fakt zřejmý z obrázku je, že při použití úzkého kanálu (3,5 MHz) je redundantní informace podstatně vyšší než pro široký kanál (20 MHz) a může dosahovat až 30 %.

Obr. 7 Režie MAC vrstvy v závislosti na počtu uživatelů (BW –šířka pásma, LoF – délka rámce).

Podmínky modelování

Při generování výsledků prostřednictvím simulací byla uvažována modulace OFDM určená pro provoz v pásmech pod 11 GHz. Pro konkrétní simulaci byla vybrána frekvence 3,5 GHz se kterou se počítá právě pro působení systémů WiMAX. Model systému WiMAX je složen z jedné základnové stanice a až 50 stanic uživatelských. Po vygenerování náhodných poloh uživatelských stanic je vypočtena kapacita systému ku požadované kapacitě a přenosové rychlosti na uživatele či na kanál (viz následující kapitola „Propustnost systému WiMAX“). Vzhledem k tomu, že přenosové rychlosti a tím i kapacita systému je silně závislá na poloze uživatelů (čím blíže k základnové stanici, tím vyšší stupeň modulace může být použit) je simulační cyklus spuštěn 2000krát (2000krát je vybrána poloha stanic a vyhodnocena kapacita) a dílčí hodnoty jsou zprůměrňovány aby nebyly výsledky zkreslené.

Pro výpočet výkonové úrovně signálu P_r přijímané stanicemi je požito následujícího vztahu

(1)

P_t [dBm] je absolutní úroveň vysílacího výkonu (jeho hodnota je zvolena na 30 dBm což odpovídá výkonu 1W) a L [dB] je útlum šíření volným prostředím, který lze vypočítat podle vztahu

(2)

d [m] je vzdálenost mezi vysílací a přijímací stanicí, λ [m] je vlnová délka

Ze znalosti P_r je možné odvodit odstup signálu od šumu podle vztahu

(3)

N [dBm] je absolutní úroveň výkonu šumu

Ze známého SNR už není dále problém určit, jaký typ modulace a kódování je možno volit, aby byla zaručena nízká bitová chybovost BER (jednotlivé prahy jsou uvedeny např. v [2], [3]).

Propustnost systému WiMAX

Po odečtení záhlaví na fyzické a MAC vrstvě lze odhadnout celkovou propustnost systému. Na obr. 8a je ukázáno, kolik uživatelů muže být připojeno do sítě při zvolené garantované rychlosti pro šířku pásma 3,5 MHz. Při výpočtu byly uvažovány čtyři garantované rychlosti (na obr. 8 označeno jako BR). V případě, kdy je kapacita systému větší než požadovaná kapacita, lze dané uživatele obsloužit. V opačném případě je nutné snížit garantovanou rychlost pro zajištění obsluhy dalších uživatelů. Při použití 0,5 Mbit/s lze obsloužit až 12 koncových uživatelů zatímco pouze 3 uživatelé mohou využívat dostupnou přenosovou kapacitu při garantované rychlosti 3 Mbit/s. Při použití rádiového kanálu o šířce 20 MHz (obr. 8b) může systém obsloužit až 30 uživatelů při garantované rychlosti 0,5 Mbit/s a 5 uživatelů při rychlosti 3 Mbit/s.

Obr. 8 Počet uživatelů, které lze obsloužit při různých garantovaných přenosových rychlostech pro délku MAC rámce 20 ms (BR – garantovaná přenosová rychlost), a) 3,5 MHz kanál, b) 20 MHz kanál.

Situace zobrazená na obr. 9a odpovídá případu, kdy jsou dostupné přenosové zdroje rovnoměrně distribuovány mezi všechny uživatele. Při porovnání kapacity pro 3,5 a 20 MHz rádiový kanál lze říci, že širší kanál může nabídnout propustnost asi 2x větší než v případě 3,5 MHz kanálu. Na druhou stranu je ale nutné si uvědomit že 20 MHz kanál spotřebuje téměř šestinásobek přenosového pásma.

Obr. 9 Propustnost systému pro 3,5 a 20 MHz kanál a délku MAC rámce 20 ms (BW – šířka kanálu, LoF – délka rámce), a) Přenosová rychlost na uživatele, b) Přenosová rychlost na rádiový kanál.

Na obr. 9b je vypočtena celková přenosová rychlost dosažená na jeden rádiový kanál. Při použití kanálu o šířce 3,5 MHz se hodnota pohybuje mezi 7 až 8 Mbit/s zatímco 20 MHz kanál může poskytnout až přibližně 20 Mbit/s. Dále je pozorovatelný fakt, že při vzrůstajícím počtu uživatelů v systému je i celková kapacita menší (důsledek zvyšování režie na MAC vrstvě).

Závěr

Článek se zabývá bezdrátovou širokopásmovou technologií založenou na standardech IEEE 802.16. Stručně byly popsány základní charakteristiky technologie a také fyzická a MAC vrstva. Bylo ukázáno, že režie přenosu může být značná; na fyzické vrstvě ve většině případech konfigurací systému více než 50 % a na MAC vrstvě v rozmezích od 5 do 30 %.

Zatímco teoretické předpokládané přenosové rychlosti dosažitelné technologií WiMAX se pohybují v hodnotách kolem 75 Mbit/s na jeden přenosový kanál při užití PMP topologie, výsledky simulací hovoří podstatně pesimističtěji. Skutečně dosahované rychlosti jsou kolem 20 Mbit/s pro kanál 20 MHz a 7 až 8 Mbit/s pro kanál 3,5 MHz. Rozdíl mezi teoretickými a skutečnými hodnotami je především výše zmíněná režie přenosu.

Je zřejmé, že režie přenosu vzniklá na fyzické a MAC vrstvě, výrazně snižuje dostupné přenosové rychlosti systému. Proto je také snaha přijít s různými řešeními, které umožní navýšit celkovou propustnost sítě. Jedná se především o využití moderních rádiových technik jako je MIMO (Multiple Input Multiple Output) či AAS (Adaptive Antenna System), využívajících prostorové diversity a směrování paprsku [5]. Další možnost zvýšení kapacity a spolehlivosti sítě poskytuje implementace tzv. relay stanic do sítě, které budou popsány v nově vznikajícím standardu IEEE 802.16j.

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

Seznam zkratek

Literatura

[1] Crozier, E. – Klein, A.: WiMAX technology for LOS and NLOS environments, WiMAX forum white paper, dostupné z http://www.wimaxforum.org, 2004.
[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] Liu, H. – Li, G.: OFDM-Based Brodband Wireless Networks – Design and Optimization, ISBN 0-471-72346-0, 2005.
[5] Flexible Relay Wireless OFDM-based networks (FIREWORKS) consortium: Advanced Radio Resource Management Algorithms for Relay-based Networks, IST project FP6-027675 Deliverable 2D2, 2007.