Анализ существующих комплексов сетей беспроводного абонентского доступа военного назначения

Для организации взаимодействия полевых узлов связи оснащенных комплексом «Редут-2УС» со стационарными узлами связи объектов комплексного оснащения целесообразно использовать аппаратную П-260-О.

Комплексная аппаратная предоставления услуг связи - оконечная (П-260-О) предназначена для развертывания абонентской сети, объединения сетей связи типовых подвижных единиц (ТПЕ) в сеть абонентского доступа модуля пункта управления и предоставления услуг связи должностным лицам, размещаемым в ТПЕ.

Аппаратная П-260-О разработана с применением современных цифровых средств связи, автоматизации процессов коммутации, контроля, распределения канального ресурса и предоставления широкополосного доступа к транспортной сети ПСС, с использованием волоконно-оптических линий связи.

Аппаратная П-260-О обеспечивает работу на стоянке в любое время года и суток на равнинной и в горной местности.

Аппаратная П-260-О состоит из средств каналообразования, средств абонентского доступа, средств коммутационного доступа и средств автоматизации процессов управления и обмена информацией.

Система беспроводной передачи данных WiMIC-2000 состоит из базовой станции БС WiMIC-2000B и подключаемых по радиоканалу абонентских станций WJJVHC-2000S. Система беспроводного доступа предназначена для подключения локальных сетей и отдельных компьютеров к сетям передачи данных по радиоканалу. Аппаратура обеспечивает построение беспроводных сетей типа «точка-много точек» с количеством абонентских станций до 200 и скоростью передачи данных до 37,67 Мбит/с. Аппаратура может быть использована для построения систем абонентского радиодоступа, а также интервалов радиорелейных линий с дуплексной скоростью передачи данных.

Аппаратура беспроводного широкополосного доступа W1MIC-2000B (базовая станция) включает антенну секторную WM2Q-Q3, антенну GPS/ГЛОНАСС и приемопередающий модуль ППМ-2000, размещаемые на мачте, и модуль доступа МДВ-1, устанавливаемый внутри помещения. Оборудование пользователя подключается по интерфейсу Ethernet.

Для передачи данных в системе используется множественный доступ с временным разделением абонентских каналов (TDMA), исключающий появление коллизий и способствующий сохранению высокой пропускной способности системы. Для передачи информации в системе используются современные виды модуляции и кодирования. При формировании сигнала используется технология частотного ортогонального мультиплексирования с 256 поднесущими.

В аппаратной П-260-О устанавливается аппаратура беспроводного широкополосного доступа W1MIC-2000S (абонентская станция).

Станция W1MIC-2000S является аппаратурой широкополосного беспроводного доступа и предназначена для подключения локальных вычислительных сетей и отдельных компьютеров к сетям передачи данных по радиоканалу. Изделие обеспечивает построение беспроводных сетей типа "точка-много точек" с количеством абонентских станций до 100 и суммарной скоростью передачи данных до 37,67 Мбит/с на одну базовую станцию.

Основные параметры:

диапазон частот - от 2000 до 2100 МГц;

перестройка рабочей частоты - автоматическое сканирование каналов;

тип доступа к среде передачи - TDMA;

метод дуплексирования - TDD;

технология передачи - OFDM-256;

количество поднесущих - 256;

способы модуляции - адаптивная, от BPSK до QAM-64;

пропускная способность канала, Мбит/с - до 37,67;

помехоустойчивое кодирование - каскадное: Рида-Соломона/Витерби;

топология размещения абонентских станций - произвольная.

Для обеспечения электромагнитной совместимости и исключения внесения взаимных помех в сети широкополосного беспроводного доступа необходимо, чтобы все базовые станции W1MIC-2000B в режим прием-передача (TDD – time division duplex, временной дуплекс) переключались одновременно. Из-за нестабильности тактовых генераторов базовых станций это условие может нарушиться. Для решения этой проблемы служит сетевая синхронизация. Настройка режимов синхронизации базовых станций WiMIC-2000B описана в руководстве по эксплуатации на базовую станцию [1]. Абонентские станции W1MIC-2000S получают сигнал синхронизации через эфир от базовых станций WiMIC-2000B. В момент включения питания абонентские станции переходят в режим прослушивания эфира, сканируют частотные каналы в поисках сигнала от базовой станции. При отсутствии сигнала от базовых станций передатчики абонентских станций работают в режиме молчания.

Аппаратная П-260-О обеспечивает:

предоставление услуг связи должностным лицам ТПЕ;

прием и коммутацию цифровых засекреченных каналов от аппаратных шифрованной телефонной связи и организацию прямых закрепленных каналов шифрованной телефонной связи для привилегированных абонентов модуля с помощью автоматического коммутатора засекреченных связей;

развертывание абонентских линий автоматической телефонной шифрованной связи не менее 14 пользователей с помощью ИКУ (П);

организацию не менее восьми среднескоростных независимых направлений шифрованной телефонной связи на интерфейсах С1-И в режимах АТС и РТС с помощью ИКУ (П) и СА369;

организацию не менее четырех независимых высокоскоростных направлений шифрованной телефонной связи на интерфейсах Е1 в режиме АТС с помощью ИКУ(П) и СА418;

организацию абонентского пункта центра документального обмена по средствам изделия «Комплекс технических средств обработки сообщений» с возможностью выноса абонентских окончаний АРМ на ТПЕ по любым интерфейсам (С1-И, С3-ТГ, Ethernet);

шифрованную передачу данных (в том числе обмен КСИ и ОТИ, видеоинформацией, файлами, факсимильными и телеграфными сообщениями от внешних источников) по стыкам С1-И, Ethernet, Е1 и маршрутизацию всех видов информации инкапсулированных в IP пакет с помощью изделия Т-233-4-2(3) для каждого должностного лица ТПЕ, имеющего КСА;

организацию каналов различных интерфейсов (С1-И, ТЧ, ОЦК) для аппаратных шифрованной телефонной связи, шифрованной документальной связи;

образование не менее трех радиорелейных линий связи с помощью радиорелейного оборудования «ЛР-Д» со скоростью передачи 4 × 2048 кбит/с на дальности до 30 км;

образование не менее четырех волоконно-оптических линий связи с помощью мультиплексора МКСС/DЭ со скоростью передачи 34368 кбит/с в режиме с резервированием (1+1);

образование не менее двух волоконно-оптических линий связи с помощью мультиплексора МКСС/DЭ со скоростью передачи 34368 кбит/с в режиме с резервированием (1+1) при работе в составе пункта управления;

образование двух sDSL кабельных линий связи с помощью мультиплексора МКСС/DЭ со скоростью передачи до 2048 кбит/с на АУС;

образование не менее двух волоконно-оптических линий связи с помощью мультиплексора МКСС/DЭ со скоростью передачи 34368 кбит/с в режиме с резервированием (1+1) на АУС;

образование двух sDSL кабельных линий связи с помощью мультиплексора МКСС/DЭ со скоростью передачи до 2048 кбит/с;

коммутацию цифровых потоков со скоростью 2048 кбит/с с помощью мультиплексора СМ- 1/4-D;

мультиплексирование, коммутацию цифровых каналов с интерфейсом С1-И (от 1,2 до 48 кбит/с), ТЧ, ОЦК с помощью мультиплексора МП/DЭ;

шифрование высокоскоростных каналов с интерфейсом Е1 с помощью изделия СА418;

шифрование среднескоростных каналов с интерфейсом С1-И с помощью изделия СА369;

образование сети широкополосного радиодоступа в составе ТУМ ГБУ с возможностью работы в движении средствами аппаратуры беспроводного широкополосного доступа;

служебную связь с взаимодействующими аппаратными с помощью аппаратуры служебной связи АСС-32;

служебную открытую радиосвязь с возможностью приема и посылки избирательного вызова по радиосети с использованием УКВ радиостанции Р-168-25У-2 и блоков ПСК (пульт связи кузова) и ПСВ (пульт связи водителя), в том числе из кабины водителя;

развертывание спутниковой линии связи с помощью станции спутниковой связи

Р-439-МД1 (при комплектовании аппаратной оборудованием спутниковой связи);

поддержку службы единого времени, определение координат своего местоположения с использованием оборудования «Грот-В» 14Ц821 и отображение на электронной карте местности.

В аппаратной П-260-О используются следующие варианты системы электропитания:

от узловой электростанции (четырехпроводной трехфазной сети переменного тока с напряжением (380 ) В номинальной частотой 50 Гц);

от промышленной трёхфазной сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью напряжением (380 ) В частотой 50 Гц;

от промышленной трёхфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью с напряжением (380 ) В частотой 50 Гц;

от бортовой сети энергоснабжения изделия (от электроустановки отбора мощности ЭУ5350-30Т/400) напряжением (380 ) В частотой 50 Гц;

от молекулярного накопителя типа МНЭ-100/28 БМ.

Система электроснабжения аппаратной П-260-О обеспечивает автоматическую защиту от переполюсовки, короткого замыкания, повышенных напряжений и электробезопасность обслуживающего персонала.

Мощность, потребляемая аппаратурой изделия при номинальном значении напряжения, не более 8,5 кВт в момент максимальной нагрузки.

2.2 Анализ моделей каналов сетей беспроводного абонентского доступа

При рассмотрении необходимо различать реальные физические каналы связи, возникающие при широкополосном доступе, и соответствующие им модели. Беспроводным каналам присущи помехи и мешающие воздействия от других абонентов системы. В случае беспроводных каналов параметры последних могут существенно меняться во времени. Это может быть вызвано, во-первых, замираниями передаваемого сигнала в результате отражений во время распространения, во-вторых, эффектом Допплера, возникающим при движении абонентов.

Все это приводит к большому разнообразию соответствующих моделей каналов, необходимых для синтеза сигналов, кодов и сигнально-кодовых конструкций. Первым приближением является рассмотрение так называемых каналов дискретного времени, когда рассматриваются только временные отсчеты сигнала в моменты времени 1,2,…k, k+1,…. Эти сигналы могут возникать, например, в моменты стробирования неким стробирующим устройством. Вторым существенным ограничением является рассмотрение каналов без памяти, когда k-й отсчет не зависит от предыдущих и последующих отсчетов. Третьим существенным ограничением является ограничение мощности сигнала P_вх на входе канала. И наконец, четвертым ограничением является аддитивный характер шума в канале. Все это приводит к каналу с отношением сигнал/шум P_вх/P_ш.

Существует достаточно большое количество математических моделей и методов, позволяющих производить расчет основных потерь при распространении сигнала для различных условий распространения как для макросот, так и для микросот.

Могут быть выделены следующие модели напряженности поля сигнала, которые могут применяться при планирования мобильных сетей:

на основе статистической модели напряженности поля сигнала;

на основе детерменированной модели напряженности поля сигнала

на основе дифракционной аналитической модели напряженности поля сигнала.

К наиболее распространенным из них относятся следующие модели:

В модели Free space + RMD при вычислении потерь на трассе можно учесть естественные препятствия на местности, фактор временной и пространственной статистики, застройку и деревья. Это все подробнее рассматривается ниже в пункте 2.3. Free space + RMD модель наиболее подходит для анализа прохождения радиоволн в микроволновом диапазоне, для систем типа MMDS, где используются стационарные приемные станции с направленными антеннами.

В модели FCC + RMD потери на трассе определяются, так же как и в методе Free space + RMD, за исключением того, что затухание увеличивается (уровень сигнала соответственно уменьшается) на величину в dB равную разности между значением напряженности поля, определенного по кривым распространения FCC (часть 73 или часть 22 правил FCC) и затуханием в свободном пространстве на эквивалентных расстояниях. В сущности, выбирая этот метод, включает дополнительные потери на трассе, основанные на информации, найденной на кривых FCC. Так как кривые FCC получены опытным путем, на основе измеряемых данных по широкому спектру возможных путей распространения (некоторые графики учитывают преграды местности или местные помехи), то FCC+RMD метод в определенной степени может делать "двойной подсчет" некоторых территориальных особенностей на местности. Поэтому, этот метод может рассматриваться как оценочный, выполняющий предварительное определение фактических напряженностей поля или принимаемых уровней мощности. При использовании этого метода, средняя высота антенны будет автоматически ограничена программой значениями между 30.4м и 1523м, эти ограничения накладываются базами данных FCC, описывающими характеристики распространения.

Модель CCIR + RMD подобна FCC+RMD за исключением того, что вместо графиков FCC используются кривые, рекомендованные CCIR. Диапазоны расстояний от передатчика до приемника для характеристик FCC и кривых CCIR отличны. Кривые FCC могут использоваться в основном для расстояний в пределах от 1 до 200 или 300 км. Кривые CCIR начинаются с 10 км и простираются до 500 км. Если Вы выбираете CCIR + RMD метод, и расстояния меньше чем 10 км, программа назначит по умолчанию использование потерь на трассе свободного пространства. Это часто приводит к аномальной напряженности поля или полученным результатам уровня мощности при переходе от свободного пространства до кривых CCIR в отметке 10 км, особенно для низких эффективных высот антенн. При использовании этого метода, средняя высота антенны будет автоматически ограничена значениями между 37.5 и 1200 метрами. Это ограничение накладывается файлами данных на кривые CCIR.

В основе модели Окамуры также лежит множество измерений. Многочисленные измерения в частотном диапазоне от 150 до 1920 МГц проводились в Токио, для описания зависимости медианных потерь (1м), от расстояния до передающей антенны базовой станции. Они позволяют оценить затухание сигнала в условиях городской застройки на частотах от 150 до 2000 МГц, если расстояние между подвижной и базовой станциями составляет от 1 до 100 км, а эффективная высота антенны базовой станции лежит в диапазоне от 30 до 1000 м. Модель Окамуры очень проста. Она основана исключительно на экспериментальных данных, собранных в районе Токио. Характеристики японской городской местности немного отличаются от характеристик городской местности в Европе или США. Несмотря на это, модель Окамуры пользуется популярностью и считается наилучшей моделью для разработки сотовых и других систем наземной подвижной связи. Основной недостаток модели Окамуры - медленная реакция на изменение типа местности. Эта модель лучше всего подходит для городских и пригородных районов и не очень эффективна для сельской местности.

Модель Хата возникла в результате адаптации эмпирических формул к графикам, составленным Окамурой и его соавторами. Эти формулы хорошо аппроксимируют графики в определенных диапазонах несущих частот на квазигладкой земной поверхности. Для оценки затухания сигнала Хата предложил следующие эмпирические формулы. В городской местности в частотном диапазоне от 150 до 1500 МГц при эффективной высоте антенны базовой станции от 30 до 200 м. Представленные выше модели распространения сигнала позволяют оценить зависимость потерь от несущей частоты, высоты антенн базовой и подвижной станций и типа местности. Они неплохо отражают процессы распространения сигнала на расстояния, превышающие 1 км, и лучше всего подходят для частот до 1,5 ГГц. Однако системы персональной связи работают в диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц. Примеры таких систем - это DCS 1800 и PCS 1900 - две версии системы GSM, функционирующие в Европе и США соответственно. В связи с этим, для создания моделей распространения сигнала в частотном диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц в условиях, характерных для систем PCS, были поставлены многочисленные эксперименты и проведено множество измерений. По причине большего затухания сигнала в диапазоне 1,8 ГГц в сравнении с диапазоном 900 МГц, традиционно применяемым в сотовой телефонии, основное различие между системой PCS и традиционной сотовой системой заключается в уменьшении размера сот.

Модель Hata/Davidson/Epstein-Peterson Diffraction - специализированная модель, которая основана на модели Хата. В данной модели для расширения частотного диапазона, диапазона расстояний и диапазона высот антенны базовой станции, используются графические методы для экстраполяции кривых к частотам от 30 до 1500 МГц, диапазона расстояний до 300 км, и антенн базовых станций от 30 до 1000 метров.

Модель TIREM-EDX одна из нескольких моделей распространения из пакета, разработанного Национальным Комитетом Передачи данных и Информации (NTIA) совместно с различными ветвями министерства обороны США. TIREM означает Terrain Integrated Rough Earth Model. Эта модель широко используется в США правительственными и военными организациями также как и частными компаниями. Это одна из наиболее сложных моделей, используемых в настоящее время. Настоящая версия TIREM поддерживается и модифицируется Центром исследования электромагнитной совместимости (ECAC).

В основном, TIREM рассматривает каждый путь и делает начальное решение: есть ли прямая видимость (ПВ), или трасса закрыта. Базируясь на этом решении, модель использует один из двух подходов, чтобы найти потери на трассе. В режиме ПВ, программа вычисляет степень закрытия зоны Френеля и использует это, чтобы пропорционально корректировать величину дополнительных потерь на трассе (добавляет к потерям в свободном пространстве), которые вычисляются по одной из следующих двух моделей потерь в свободном пространстве. Для частот более чем 200 MГц используется модель Longley-Reasoner . Для частот ниже 150 MГц используется модель Longley-Rice. В частотах между 150 и 200 MГц, потери, рассчитанные по двум методам пропорционально усредняются. Затухание, вычисленное этими двумя методами, корректируется степенью закрытия зон Френеля. Если открыто меньше чем 0.5 радиуса зоны Френеля, то затухание 100 %. Если открыто больше чем 1.5 радиуса зоны Френеля, то никакое дополнительное ослабление не вносится, а учитываются только базисные потери на трассе свободного пространства. Если открыто от 0.5 до 1.5 радиуса зоны Френеля, то вносятся дополнительные потери на трассе как линейная пропорция между 0 и 100 процентами.

В случае ПВ модель TIREM определяет какая часть пути распространения проходит над гладкой поверхностью, а какая над изрезанной. Если поверхность гладкая на протяжении всего пути, то вычисления выполняются по методу Буллингтона. Вычисление затухания над изрезанно-гладким путем по методам (Longley-Rice или Longley-Reasoner) пропорционально комбинируются, основываясь на процентном соотношении длин изрезанного и гладкого путей.

Когда трасса закрыта, TIREM использует множественный метод потерь дифракции на режущей кромке. Однако, для трасс, где средние потери на препятствие - меньше чем 10 дБ, TIREM вычислет потери на гладкой поверхности (используя алгоритм Буллингтона, упомянутый выше) и объединяет их пропорционально с потерями, найденными из вычислений потерь на режущей кромке. Этот метод подходит для закрытых трасс над океаном, где горизонт в каждой отметке может представлять низкое угловое препятствие. NTIA версия TIREM включает в себя еще один модуль, который вычисляет потери в линии тропосферной связи. Потери в линии тропосферной связи объединены с дифракционными потерями на трассе, описанными выше. Тропосфера, по существу, высоко не эффективный путь от передатчика до приемника, напряженность поля в точки приема при этом оказывается намного меньше, чем при дифракционном пути. На расстояниях, представляющих интерес для пользователей EDX (то есть меньше чем 200 км), маршрут тропосферного рассеяния вносит относительно небольшую поправку к напряженности поля в месте приема по сравнению с дифракцией. По этой причине в EDX версии он не учитывается.

Так как реализация TIREM в программном обеспечении EDX отличается от оригинала, то она получила название TIREM - EDX.

Модель FCC - EDX похожа на FCC - RMD метод за исключением того, что вычисление затухания здесь основано исключительно на характеристиках распространения FCC, без учета потерь на дифракцию и отражение (RMD). Этот метод вычисляет напряженность электрического поля, точно следуя рекомендациям FCC. Интерполяционные алгоритмы для нахождения напряженности поля между точками и между кривыми были разработаны EDX.

Модель FCC - FCC идентична предыдущему, за исключением того, что все точки данных, описывающих кривые распространения и интерполяционные алгоритмы для нахождения значений между точками, взяты непосредственно из баз данных FCC. Поэтому могут иногда появляться небольшие различия между FCC - EDX и FCC - FCC методами. Так что если вы хотите делать расчеты, которые в точности соответствуют рекомендациям FCC, то используйте FCC метод.

Обратите внимание, что этот метод применяют только при расчетах систем радиовещания в США.

Могенсен предложил расширить модели Окамуры и Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц. В этом диапазоне использование упомянутых моделей приводит к недооценке затухания сигнала. Модель COST 231-Хата справедлива для несущих частот в диапазоне от 1,5 до 2 ГГц, высоте антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте антенны подвижной станции от 1 до 10 м, и расстоянию между ними от 1 до 20 км.

Формально модели Окамуры, Хата и COST 231-Хата можно использовать только для высоты антенны базовой станции, превышающей 30 м, однако их применение возможно и для более низких высот при условии, что соседние строения значительно ниже антенны. Модель COST 231-Хата не подходит для оценки затухания сигнала при расстояниях между подвижной и базовой станциями менее 1 км. В этом случае затухание сильно зависит от топографии местности, в которой происходит распространение сигнала. Эту модель также нельзя использовать для оценки распространения сигнала по улицам с высокими строениями (по так называемым уличным каньонам).

Как известно, выбор какой-то конкретной модели зависит от статистики, уровня сигнала для проектируемой системы, ее типа и области, где она будет использоваться. Проведенные практические исследования показывают хорошие результаты совпадения практически измеренных значений уровней сигналов и рассчитанных с использованием модели Окамура-Хата. В соответствии с этим, для описания каналов систем беспроводного широкополосного доступа военного назначения может быть использована модель Окамура-Хата.