102

ТЕОРИЯ

И

ПР

АК

ТИК

А

www. elcp.ru

В статье изложены принципы работы беспроводных сетей. Приведены

основные характеристики стандарта WiMAX. Также подробно разобраны

методы модуляции и кодирования передаваемого сигнала. Статья будет

полезна начинающим разработчикам беспроводных сетей.

WiMAX — сТАндАРТ шИРОКОПОлОснОй

бЕсПРОвОднОй свЯзИ

ЕкатЕрина клюЕва, редактор, журнал «Электронные компоненты»

ввЕдЕниЕ

Главное преимущество беспровод-

ных сетей — простота организации

связи между компьютерами в изо-

лированных или удалённых местах

планеты. Прокладывать коаксиальные

или оптоволоконные сети на большие

расстояния невыгодно, а иногда про-

сто невозможно из-за географических

особенностей местности. В таких слу-

чаях гораздо удобнее и дешевле орга-

низовать беспроводную сеть.

Существует несколько стандартов

беспроводных сетей, например, WiFi,

WiMAX, ZigBee и др. Остановимся

на одном из них, WiMAX. Его ино-

гда называют Wireless MAN или 802.16

Рис. 1. Организация беспроводной сети WiMAX

по классификации IEEE. Это относи-

тельно молодой и перспективный

стандарт. Расшифровка аббревиатуры

WiMAX: Worldwide Interoperability for

Microwave. В отличие от распростра-

ненного WiFi, сети WiMAX поддержи-

вают работу на больших расстояниях.

Особенности WiMAX:

– широкополосный беспроводной

доступ на расстояниях до 50 км;

– совместимость продуктов различ-

ных производителей;

– различные методы модуляции в

зависимости от расстояния между або-

нентом и центральной станцией;

– два варианта доступа: стационар-

ный (802.16 ТМ, уже принят) и мобиль-

ный (802.16еТМ, окончательное приня-

тие в 2009 г.).

Сети WiMAX и WiFi можно соче-

тать, чтобы максимально эффективно

использовать достоинства обоих стан-

дартов. Например, удобно внутри зда-

ния осуществлять связь по протоколам

WiFi, а между зданиями — по прото-

колам WiMAX. Другой вариант реали-

зации — смешанная сеть, в которой

каждый узел поддерживает два режима

работы.

Стандарт WiMAX имеет несколько

разновидностей, некоторые из которых

приведены в таблице 1.

ПринциП работы

Для организации сети WiMAX (см.

рис. 1) необходимы абонентские терми-

налы и центральная станция, которая

выступает в роли репитера или служит

для подключения абонента к сети интер-

нет. Сигнал передаётся двумя методами:

NLOS (Non line of sight — область непря-

мой видимости) или LOS (Line of sight —

область прямой видимости). В режиме

NLOS принцип работы очень схож со

станциями WiFi, связь между абонентом

и центральной станцией осуществля-

ется посредством небольшой антенны,

установленной в компьютере абонен-

та. В режиме NLOS рабочий диапазон

частот лежит между 2 и 11 ГГц.

Для работы в условиях прямой види-

мости (LOS) на крыше здания устанавли-

вается фиксированная антенна (тарелка,

Таблица 1. Стандарты WiMAX

Стандарт

802.16

802.16a

802.16d (стационарный)

802.16e (мобильный)

Дата принятия

Декабрь 2001 г.

Январь 2003 г.

Июль 2004 г.

Декабрь 2005 г.

(окончательно ещё не принят)

Условия работы

Прямая видимость

Прямая/непрямая видимость

Прямая/непрямая видимость

Непрямая видимость

Спектр частот, ГГц

10…66

2…11

Меньше 11

Меньше 6

Быстродействие, Мбит/с

32…134 (ширина канала 28 МГц)

75 (ширина канала 20 МГц)

75

До 15 (ширина канала 5 МГц)

Модуляция

QPSK, 16QAM, 64QAM

OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64QAM

OFDM 256, 16QAM, 64QAM

OFDMА

Типы устройств

Стационарные

Стационарные и переносимые

Стационарные

Мобильные, но с невысокой

скоростью работы

Ширина канала, МГц

20, 25 и 28

1,5…20

Регулируется в пределах

1,5…25

1,5…20 (с учётом входных кана-

лов для сохранения мощности )

Применение

1. Передача сигнала по протоколам

E1/T1 для предприятий.

2. Передача сигнала к точкам доступа

1. Передача сигнала по протоколам E1/T1

для предприятий.

2. Передача сигнала к точкам доступа.

3. Беспроводные DSL-линии

Домашний широкополосный

доступ (высокоскоростной

интернет, VoiP)

Мобильный интернет

ТЕОРИЯ

И

ПР

АК

ТИК

А

103

электронные компоненты №10 2008

зеркальная антенна), направленная на

центральную станцию. Соединения в

режиме LOS надёжные и стабильные, что

позволяет передавать большие паке-

ты данных с меньшими искажениями.

Передача сигнала идет на более высо-

ких частотах, до 66 ГГц. Направленные

антенны передают мощный сигнал, обе-

спечивая связь на расстоянии до 50 км.

На рисунке 1 приведена типичная

структура сети WiMAX. Локальная сеть

внутри здания может быть как прово-

дной (Ethernet), так и беспроводной

(WiFi). Между абонентской сетью и цен-

тральной станцией передача осущест-

вляется по протоколам WiMAX в режиме

NLOS, а между станциями — в режиме

LOS. Заметим, что для беспроводной

сети потребность в дорогой инфра-

структуре отпадает, а ландшафт мест-

ности практически не имеет значения,

поэтому даже самые удаленные уголки

Земли могут получить доступ к сети.

Протоколы и мЕтоды

кодирования

Стандарт WiMAX затрагивает прото-

колы первых двух уровней, физическо-

го (PHY) и канального (MAC). Другими

словами, он определяет методы кодиро-

вания передаваемого сигнала, а также

формат пакета и способы отслеживания

ошибок. В сетях WiMAX используются

помехоустойчивые коды Рида-Соломона,

свёрточные коды, приведение к псев-

дослучайным последовательностям и

перемежение. Информация передаётся

пакетами, каждый из которых имеет при-

оритет и очерёдность. Пакеты с высоким

приоритетом посылаются раньше пакетов

с низким. Очерёдность пакетов опреде-

ляется планировщиком, который по при-

нятию пакета приписывает ему стартовое

время на основе времени принятия и

конечного времени преды дущего пакета,

а затем вычисляет его конечное время. В

пакет вставляются идентификатор пото-

ка и номера последовательности, чтобы

пакеты различных сессий не перепута-

лись. В первую очередь посылается пакет

с наименьшим конечным временем.

Теперь рассмотрим более подробно

методы кодирования.

ГЕнЕратор ПсЕвдослучайных

ПослЕдоватЕльностЕй

Некоррелированные данные, сход ные

со случайным шумом, передаются более

качественно, поскольку спектр сигнала

в этом случае равномерен и искажения

минимальны. Преобразование передавае-

мых данных в некоррелированные выпол-

няется генератором псевдослучайных

последовательностей, который суммиру-

ет по модулю 2 исходные данные и извест-

ную синхронизирующую последователь-

ность. На приёмном конце полученные

данные снова суммируются по модулю 2

с той же синхронизирующей последова-

тельностью, в результате чего получаются

исходные передаваемые данные.

ПомЕхоустойчивыЕ коды

Код Рида-Соломона — это блочный

код, состоящий из N символов и позво-

ляющий обнаруживать и исправлять

ошибки в байтах. Принцип шифрования

следующий. К входной последовательно-

сти из k битов по установленному алго-

ритму добавляются N – k проверочных

битов. При этом возникшие при пере-

даче ошибки не просто отслеживают-

ся, но и автоматически исправляются.

Алгоритм вычисления добавочных битов

основан на специальном разделе ариф-

метики, полях Галуа (или конечных полях).

Преимущество кода Рида-Соломона в

том, что вероятность сохранения оши-

бок в декодированных данных невысока,

при этом сами дешифраторы потребляют

немного энергии, что очень важно для

телекоммуникационных систем.

Другой вид кодирования, который

обычно используется для устранения

случайных одиночных ошибок, это

свёрточный (древовидный) код. Он

отличается от блочного тем, что выход-

ная последовательность зависит от

предыдущих результатов, то есть это

104

ТЕОРИЯ

И

ПР

АК

ТИК

А

www. elcp.ru

код с памятью. Процесс формирования

свёрточного кода сводится к вычисле-

нию свёртки непрерывного информа-

ционного потока символов с заданными

последовательностями длины K. Кодер

для свёрточного кода представляет

собой устройство, в которое поступают

наборы из m двоичных входных сим-

волов, а на выходе появляются набо-

ры из n двоичных выходных символов.

Каждый набор n выходных символов

зависит от текущего входного набора

и от v предыдущих входных символов.

Таким образом, память кодера должна

содержать v + m входных символов.

Величина R = m/n называется эффек-

тивной степенью кодирования (или

коэффициентом кодирования). Коды с

более высокой эффективной степенью

кодирования позволяют передавать

данные быстрее, однако они сложнее и

более чувствительны к шуму.

ПЕрЕмЕжЕниЕ

Корректирующие коды устраня-

ют не все ошибки. Для устранения

пакетных ошибок (когда искажено

сразу несколько битов) применяется

перемежение, то есть перестановка

битов так, чтобы соседние биты были

удалены друг от друга на максималь-

ное расстояние. В результате пакетная

ошибка разбивается на несколько оди-

ночных, которые могут быть обнару-

жены и исправлены перечисленными

выше методами. Перемежение хоро-

шо защищает от импульсных помех и

обычно выполняется с помощью про-

ведения чтения и записи данных в

различном порядке. Однако этот метод

применим не всегда:

– иногда нельзя переставить сосед-

ние биты;

– устройство, осуществляющее

обратную перестановку, не знает ключа,

поэтому желательно, чтобы алгоритм

перестановки описывался какой-то

математической функцией.

модуляция

Для передачи информации сигнал

необходимо модулировать. В стандарте

WiMAX применяются три вида модуля-

ции: QAM, QPSK и OFDM. При квадра-

турной амплитудной модуляции (QAM)

на одной несущей частоте передаются

два сигнала, при этом используются две

компоненты несущего колебания, сдви-

нутые относительно друг друга на 90º.

Чем больше число состояний, в кото-

рых может находиться каждый сигнал,

тем выше скорость передачи данных.

Однако вероятность появления ошибки

также возрастает. Квадратурная фазовая

модуляция (QPSK) основана на следую-

щем принципе. Биты кодируются не по

одиночке, а парами. Для представления

всех четырех сочетаний 0 и 1 использу-

ются четыре сдвига фазы, кратные π/2.

Преимущество этого метода в том, что

за одну посылку передаются сразу два

бита, при этом скорость передачи дан-

ных увеличивается, то есть полоса сиг-

нала используется более эффективно.

Модуляция OFDMA (ортогональный

множественный доступ с частотным

разделением каналов) — это много-

пользовательский вариант метода

OFDM (ортогональное мультиплек-

сирование с частотным разделением

каналов). Принцип OFDM заключается

в том, что весь доступный частотный

диапазон разделяется на узкие поло-

сы, по которым осуществляется одно-

временная передача данных. Каждому

пользователю для передачи сигнала

выделяются определенные полосы

спектра, чтобы снизить уровень шумов

и избежать интерференционных помех.

Другими словами, единый поток дан-

ных разбивается на несколько, причем

скорость их передачи уменьшается

пропорционально количеству каналов.

В итоге скорость передачи всего пото-

ка не меняется, однако увеличивается

время передачи каждого бита, за счет

этого уменьшается вероятность появ-

ления ошибки и искажений.

модЕлированиЕ сЕти

При проектировании беспроводной

сети WiMAX важно производить компью-

терное моделирование сигналов и про-

токолов, чтобы проверить работоспо-

собность сети при различных условиях.

Это позволит без лишних затрат оценить

качество среды распространения сиг-

нала, максимальную нагрузочную спо-

собность, условия связи, эффективность

алгоритмов и прочие параметры.

ЗаключЕниЕ

Беспроводные сети очень важны в

современном мире, сфера их приме-

нения расширяется с каждым годом.

Стандарт WiMAX нацелен на исполь-

зование как в мобильных, так и в ста-

ционарных устройствах, что делает его

универсальным. Главное его преимуще-

ство в том, что он поддерживает работу

на большом расстоянии и совместим с

существующим стандартом WiFi.

ЛиТераТура

Материалы сайтов:

1. www.wirelessnetdesignline.com/howto/

205800421.

2. www.intuit.ru/courses.html.

3. www.book.itep.ru/4/41/802_16.htm.

События рынка

| AMD иЗбавляЕтся от собствЕнных фабрик и соЗдаЕт новую ПроиЗводствЕнную комПанию |

Руководство

AMD признало возможность продажи двух фабрик по производству процессоров, расположенных в окрестностях Дрездена.

Считается, что подобная трансформация производственных активов станет частью стратегии Asset Smart, с которой AMD

давно связывает надежды на свое финансовое выздоровление.

Как сообщает сайт Bloomberg, фабрики AMD отойдут новой структуре под управлением Гектора Руиза (Hector Ruiz) и

Дага Гроуза (Doug Grose). 3 из 16 тыс. сотрудников, ныне трудящихся в AMD, перейдут на работу в новую компанию, кото-

рая получит название The Foundry Company. Она будет выпускать чипы по заказам AMD и сторонних производителей.

Инвестиционная компания Advanced Technology Investment Co. (ATIC) из столицы Объединенных Арабских Эмиратов

получит в Foundry Co. долю, соответствующую 55,6% акций. Остальная часть по-прежнему будет в собственности AMD.

Арабские инвесторы на первом этапе вложат в предприятие 2,1 млрд долл., из которых 1,4 млрд превратятся в оборотный

капитал новой компании, а 700 млн долл. отойдут AMD.

В планы арабских инвесторов входит дальнейшее финансирование Foundry Co. в размере от 3,6 до 6 млрд долл. Этот

объем средств будет потрачен в течение около 5 лет. Инвестиции будут потрачены на модернизацию дрезденских фабрик

и на строительство Fab 4x в шт. Нью-Йорк, США. Попутно Foundry Co. унаследует от AMD долговые обязательстве на

1,2 млрд долл.

Компания Mubadala Development Co. из ОАЭ, уже владеющая 8,1% акций AMD, собирается увеличить свою долю

до 19,3%. Для этого она купит 58 млн вновь выпущенных акций AMD за 314 млн долл., а также получит гарантии на

возможность покупки еще 30 млн акций в будущем. Mubadala получит право избирать своего представителя в совете

директоров AMD.

www.russianelectronics.ru