Особенности стандарта IEEE 802.22 WRAN (Wi-Fi)

В статье кратко рассмотрены технологические нововведения и принципы функционирования IEEE 802.22 WRAN (Wi-Fi)

Рабочая группа IEEE 802.22 Working Group, занимающаяся проектирование стандарта заявляет, что спецификация IEEE 802.22 представляет собой проект беспроводных региональных сетей, описывающий двухуровневую архитектуру (уровень PHY и уровень MAC) с многоточечным (point-to-multipoint)соединением. Сеть предназначена как для работы с профессиональными фиксированными базовыми станциями, так и с портативными (либо фиксированными) пользовательскими терминалами (модемы). Обмен данными по стандарту производиться на «свободных» частотах ОВЧ/УВЧ (VHF/UHF) телевизионного вещания, что составляет полосу от 54 дот 862 МГц. По утверждению разработчиков, сеть в основном предназначена для использования в малонаселённых пунктах, а также сельской местности, где вероятнее всего будет достаточное количество свободных каналов в рабочей полосе частот стандарта.

Особенности стандарта

• Назначение: широкополосный беспроводной доступ к Интернету для сельской местности.
• Ядро: технология когнитивной радиопередачи, предназначенная для безлицензионного использования частот телевизионного диапазона.
• Целевая аудитория: промышленность, правительство и управляющие органы, академические организации, провайдеры.
• Проекты: IEEE 802.22.1, IEEE 802.22.2
• Портативность: можно использовать в движении до 114 км/ч
• Топология сети: многоточечная (Point-to-Multipoint)
• Радиус зоны покрытия: 10-100 км (для фиксированной базовой станции и модема)
• Мощность излучения: 4 Вт (под мощностью излучения понимается эффективная изотропно излучаемая мощность, EIRP)
• Антенны: на базовой станции используется ненаправленная (либо секторальная) приемопередающая антенна, а на стороне абонента направленная антенна с 14 дБ подавлением заднего лепестка; помимо этого, есть ненаправленная антенна для сканирования частотного диапазона (когнитивная радиосвязь).
• Гео-позиционирование: GPS или наземное (необходимо для функционирования системы).

«Умное» радио

Стандарт IEEE 802.22 WRAN использует технологию когнитивной радиопередачи, которая обеспечивает подстройку параметров приемопередающих устройств сети так, чтобы передача данных не вылезала на «лицензионные» частоты. Как это происходит? Система постоянно анализирует спектр радиосигнала, окружающие фоновые сигналы, а также поведение пользователей сети. Базовая станция, собрав всю информацию о частотном диапазоне и используя информацию о своём месторасположение (по GPS), определяет какие частоты могут быть использованы для установления связи с пользователями сети. При уже установленной связи, система периодически сканирует частотный диапазон на случай появления новых сигналов, и при обнаружение таковых, сразу же перестраивается на другие частоты. Следует отметить, что сканирование частотного диапазона происходит на стороне абонента, что позволяет иметь актуальную информацию о обстановке в зоне покрытия. Разработчики отмечают, что IEEE 802.22 WRAN является одной из первых спецификаций, использующих в полной мере когнитивные технологии в радиосвязи. Таким образом, стандарт позволяет эффективно использовать имеющийся спектр рабочих частот без необходимости получения лицензий.

Разработчики различают несколько основных «лицензионных» систем, использующих рабочий диапазон стандарта:

• Аналоговое телевидение
  В Северной Америке вещание основано на NTSC, а в Европе на PAL. Уровень при котором канал будет освобождён соответствует -94 дБм (дБ от 1 мВт), который измеряется на пике синхроимпульсов.
• Цифровое телевидение
  В Северной Америке используется стандарт DTV (ATSC), в Европе DVB-T. Уровень сигнала для DTV (ATSC) составляет -116 дБм.
• Беспроводные микрофоны
  В данной области стандартов не существует, и они могут иметь разные форматы. В основном для передачи используется FM с полосой частот в 200 кГц. Уровень сигнала -107 дБм.

PHY уровень

При проектирование стандарта, разработчики были нацелены на то, чтобы уровень производительности системы был ничуть не хуже чем у DSL. Для этого необходимо было обеспечить скорость входящего(downlink) соединения (в пределах действия базовой станции) около 1.5 Мбит/с, а скорость исходящего(uplink) 384 кбит/с для 12 одновременно работающих в сети пользователей. Обеспечение такой скорости для пользователей требует, чтобы пропускная способность канала для входящего соединения составляла 1.5*12 = 18 Мбит/с. Поэтому, при шире полосы телевизионного канала в 6 МГц (для США, большой части Центральной и Южной Америки и Японии, в остальном мире полоса в основном 8 МГц), необходимаяспектральная эффективность составила C=18/6=3 бит/(c*Гц). На базе данных принципов был сформирован стандарт, параметры которого удобно свести в небольшую таблицу:

Схема OFDM была принята для того, чтобы обеспечить устойчивую работу системы в условиях многолучевого распространения и селективного замирания радиосигнала, а также для обеспечения высокой пропускной способности и эффективного использования полосы пропускания. В зависимости от различных условий стандарт позволяет использовать различные схемы модуляции: QPSK, 16-QAM или 64-QAM. Причём в рамках стандарта не исключается адаптивная динамическая конфигурация модуляции для конкретного пользователя. Для обеспечения необходимой заявленной производительности, стандартом была введена система «Channel Bonding» (канальное соединение). Данная система позволяет использовать для передачи более одного телевизионного канала за раз, чтобы обеспечит нужную пропускную способность. Это представляется возможным, в виду того, что частенько в различных странах между вещающими каналами оставляют 2, а то и более свободных канала, чтобы избавиться от перекрёстных помех. На практике, же предполагается ограничиться 3 свободными каналами.

MAC уровень

Требования разработчиков по гибкости архитектуры стандарта породили ряд новых проблем, что наложило определённые требования на структуру и принципы функционирования проекта, в том числе и на MAC уровне. В первую очередь возникли проблемы с инициализацией и входом в сеть. Суть проблематики связана с тем, что в сети отсутствует фиксированный канал, а также нет возможности послать пилот-сигнал для поиска сети (канала). Поэтому, вначале приходиться сканировать весь частотный диапазон для отслеживания доступных свободных каналов, а затем уже в найденном отфильтрованном частотном диапазоне производить сканирование пилотным-сигналом базовых станций, и уже потом подключаться к сети.

Специфика стандарта требует и определённую организацию обмена информацией. Для обеспечения передачи данных между пользователем и базовой станцией используется дуплексная связь с временным разделением каналов (TDD). Это наиболее оптимальная схема, поскольку необходим всего 1 канал для обмена, что проще для контролирования в отличие от того же FDD (частотное разделение), а также позволяет динамично изменять пропускную способность входящего и исходящего потоков. Для такого рода передачи используется особая фреймовая структура данных. В рамках стандарта вводят фреймы (Frames) и супер-фреймы (Superframes).

• Длительность супер-фрейма: 160 мс
• Длительность фрейма: 10 мс
• Каждый супер-фрейм состоит из фреймов.
• Супер-фреймы обеспечивают полную синхронизацию всей работы сети, в частности они обеспечивают инициализацию доступа к сети и вход в сеть. В начале каждого супер–фрейма есть преамбула, называемая управляющим заголовком супер-фрейма (Superframe Control Header), или коротко SCH. Заголовок содержит в себе всю необходимую информацию для всех новых абонентов, которые хотят подключиться к базовой станции.
• Каждый фрейм делиться на два подфрейма: входящий (downlink sub-frame (DL)) и исходящий (uplink sub-frame (UL)). Граница между двумя подфреймами может варьироваться в зависимости от необходимой пропускной способности
• Каждый фрейм содержит CBP (Co-existence Beacon Protocol) пакет, который содержит в себе техническую информацию о сети, к примеру, гео-позиция, свободные каналы, команды от базовой станции клиентам и т.д.

В конечном счёте, стандарт был спроектирован таким образом, чтобы избегать конфликтов с существующими каналами телевещания, а также другими системами радиопередач в данном частотном диапазоне. В результате, система получилась адаптивной, благодаря использованию когнитивных технологий, что также позволяет избавляться от различных помех и изменений в распространение радиоволн, которые периодически возникают на практике.

Стандарт поддерживает различные системы QoS:

Сравнение IEEE 802.22 с WiMAX

Для наглядности технических параметров стандарта IEEE 802.22 ниже приведена сравнительная таблица с WiMAX (IEEE 802.16):

Спецификация стандарта IEEE 802.22 проста и легка в понимании. Разработчики постарались сделать наиболее оптимальную технологию обмена данными для относительно больших расстояний и приемлемых скоростей передачи. Уникальный подход с использованием когнитивных методов радиопередачи позволяет ещё на этапе проектирования стандарта избавиться от ряда проблем, в том числе на законодательном уровне. Конечно, не стоит ожидать полностью безлицензионного распространения технологии, однако специфика работы устройств должна обеспечить более простую процедуру локализации технологии. Скорее всего первым стоит ожидать появление устройств IEEE 802.22 на американском рынке в виду уже урегулированного правового вопроса. Надеюсь, что продукция появится в скором времени и в России, думаю здесь для неё потенциально ёмкий рынок.