"СУПЕР Wi-Fi", НО НЕ Wi-Fi

Страница создана Глеб Попов
 
ПРОДОЛЖИТЬ ЧТЕНИЕ
"СУПЕР Wi-Fi", НО НЕ Wi-Fi
№ 2, февраль 2012
                                                                  НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

"СУПЕР Wi-Fi", НО НЕ Wi-Fi

B  статье приведена информация о новой
   технологии беспроводного широкопо-
                                                                          "SUPER Wi-Fi", BUT NOT Wi-Fi

лосного доступа "TV white spaces technolo-
gy", соответствующей требованиям
стандарта IEEE 802.22. Дана
                                               Аbstract –
                                                            I n article the information on new technology
                                                              of wireless broadband access "TV white spa-
                                                              ces technology" according to standard IEEE
краткая характеристика стан-                                  802.22 is resulted. The short characteristic of
дарта и описаны основные воз-                                the standard is given and the basic possibili-
можности региональных сетей,                                ties of the regional networks constructed on its
построенных на его основе.                                  basis are described.

                              В. Макаренко                                                   V. Makarenko

   По сообщению [1] новая беспроводная об-            ce. Для передачи данных используются про-
щегородская сеть, в которой используется              межутки частот между работающими теле-
широкополосная технология передачи дан-               визионными каналами, которые послужили
ных, получившая название "Super Wi-Fi",               прототипом названия технологии "TV white
развернута в Уилмингтоне (США, штат Се-               spaces tech no lo gy" или просто "White spa -
верная Каролина). Такая сеть может соста-             ce".
вить серьезную конкуренцию операторам мо-                В УКВ-диапазоне промежутки между ка-
бильной связи, предоставляющим услуги ши-             налами в частотной области являются нели-
рокополосной связи в сетях 3G жителям сель-           цензируемой частью спектра, поэтому они
ской местности. Ее реализация позволит не             могут быть использованы точно так же, как
только воспользоваться широкополосным до-             2.4 ГГц область спектра использована для
ступом жителям сельской местности, но и               Wi-Fi, Bluetooth и беспроводных телефонов.
расширит возможности общественных точек               На сегодняшний день технология "TV white
доступа в городах.                                    spaces" обеспечивает более низкую скорость
   Директор по маркетингу альянса Wi-Fi               передачи информации и занимает при этом
(Wi-Fi Alliance) Келли Дэвис-Фельнер (Kelly           более широкий участок спектра по сравне-
Davis-Felner) заявил, что "Wi-Fi" является            нию с технологий Wi-Fi. Передача данных
торговой маркой и служит для обозначения              осуществляется в соответствии с новым стан-
протоколов семейства 802.11 и устройств с             дартом IEEE 802.22 для "региональных се-
использованием этих протоколов, а такого              тей" ("regional area networks"). Стандарты
понятия как "Супер Wi-Fi" не существует [2].          IEEE 802.11 "local area network" для Wi-Fi,
Введение такого термина может привести к              IEEE 802.15 ("personal area network") для
путанице для потребителей, которые будут              Bluetooth и IEEE 802.16 ("metropolitan area
предполагать, что это понятие соответствует           network") для WiMAX значительно отли-
технологии Wi-Fi.                                     чаются от него [3].
   Термин "Супер Wi-Fi" скорее является сло-             Стандарт IEEE 802.22-2011 определяет пра-
весным инструментом для передачи идеи или             вила обмена информацией между системами
концепции в легкой для понимания форме, по-           беспроводной региональной связи (WRAN –
скольку с возможностями технологии Wi-Fi              WirelessRegionalAreaNetworks).
многие знакомы не понаслышке и широко ис-                Рабочая группа IEEE 802.22 Working
пользуют ее.                                          Group, занимающаяся разработкой стандар-
   Что же нового в технологии, которую ее             та, заявляет, что спецификация IEEE 802.22
создатели назвали "Супер Wi-Fi"? Разра-               представляет собой проект беспроводных ре-
боткой и продвижением этой технологии за-             гиональных сетей, описывающий двухуров-
нимается альянс Wireless Innovation Allian -          невую архитектуру (физический уровень

e)mail: ekis@vdmais.kiev.ua                                                                               37
"СУПЕР Wi-Fi", НО НЕ Wi-Fi
№ 2, февраль 2012
                 НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

           Таблица 1. Деление доступного радиочастотного спектра на диапазоны
            Частотный диапазон                                 Волновой диапазон
    Наименование       Границы диапазона              Наименование           Длина волны
Средние, СЧ                0.3…3 МГц              Гектаметровый               1…0.1 км
Высокие, ВЧ                3…30 МГц               Декаметровый                100…10 м
Очень высокие, ОВЧ        30…300 МГц              Метровый                      10…1 м
Ультравысокие, УВЧ         0.3…3 ГГц              Дециметровый                 1…0.1 м
Сверхвысокие, СВЧ           3…30 ГГц              Сантиметровый                10…1 см
Крайневысокие, КВЧ        30…300 ГГц              Миллиметровый                10…1 мм
Гипервысокие, ГВЧ          0.3…3 ТГц              Децимиллиметровый           1…0.1 мм
PHY 1) и уровень MAC 2)) с многоточечным             • многоточечная топология сети (Point-to-
(point-to-multipoint) соединением. Сеть предна-        Multipoint)
значена как для работы с профессиональными           • радиус  зоны покрытия от 10 до 100 км
фиксированными базовыми станциями, так и с             (для фиксированной базовой станции и мо-
портативными (либо фиксированными) пользо-             дема)
вательскими терминалами (модемами). Обмен            • мощность излучения 4 Вт (под мощностью
данными по стандарту производится на "сво-             излучения понимается эффективная изо-
бодных" частотах ОВЧ/УВЧ (VHF/UHF) теле-               тропно излучаемая мощность EIRP)
визионного вещания, что составляет полосу от         • используемые антенны (рис. 1):
54 до 862 МГц (табл. 1). По утверждению разра-         ♦ на базовой станции используется нена-
ботчиков, сеть в основном предназначена для              правленная приемопередающая антенна
использования в малонаселенных пунктах, а              ♦ на стороне абонента используется направ-
также в сельской местности, где наиболее веро-           ленная антенна с подавлением заднего ле-
ятно наличие достаточного количества свобод-             пестка не менее чем на 14 дБ
ных каналов в рабочей полосе частот стандарта.
    Особенности стандарта:
  • назначение – широкополосный беспровод-
    ной доступ к сети Интернет для сельской
    местности, а также для связи с промыш-
    ленными объектами, правительственными
    учреждениями, академическими организа-
    циями и провайдерами Интернет
  • использование  технологии Cognitive Radio
    ("умного" радио) для поиска свободных ча-
    стотных интервалов в диапазоне частот те-
    левизионного вещания
  • возможно  использование в движущихся             Рис. 1. Антенны, необходимые для работы
    объектах при скорости движения до 114 км/ч              абонента в сети "white space"

1)
   Физический уровень PHY (Physical Layer) – нижний уровень, предназначенный
непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или
оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их прием и преобразование в
биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами,
осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.
2)
   MediaAccessControl (MAC) – уровень управления доступом к среде передачи – подуровень
протокола передачи данных, он известен также как MediumAccessControl и является
подуровнем канального (второго) уровня модели OSI. MAC обеспечивает адресацию и механизмы
управления доступом к каналам, что позволяет нескольким терминалам или точкам доступа
общаться между собой в многоточечной сети (например, в локальной или городской
вычислительной сети).
Подуровень MAC выступает в качестве интерфейса между подуровнем LLC (управления
логической связью) и физическим (первым) уровнем модели OSI и эмулирует полнодуплексный
логический канал связи в многоточечной сети.

38                                                                                  www.ekis.kiev.ua
"СУПЕР Wi-Fi", НО НЕ Wi-Fi
№ 2, февраль 2012
                                                        НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

   ♦ ненаправленная антенна для сканирова-       го вещания:
     ния частотного диапазона и поиска сво-        • аналоговое телевидение (в Северной Аме-
     бодных частотных промежутков                    рике стандарт вещания NTSC, а в Европе –
  • геопозиционирование может осущест-               PAL. Уровень сигнала, при котором канал
    вляться с использованием GPS или назем-          будет освобожден, соответствует -94 дБм
    ных средств (необходимо для функциони-           и измеряется на пике синхроимпульсов)
    рования системы).                              • цифровое телевидение (в Северной Америке
    В стандарте IEEE 802.22 WRAN использо-           стандарт DTV (ATSC), а в Европе – DVB-T).
вана технология Cognitive Radio, которая             Уровень сигнала, при котором канал будет
обеспечивает подстройку параметров приемо-           освобожден для DTV, оставляет -116 дБм
передающих устройств сети так, чтобы               • беспроводные микрофоны – в этой области
спектр сигнала, формируемого при передаче,           стандартов не существует и формат переда-
не перекрывал диапазоны "лицензионных ча-            чи данных может быть выбран производи-
стот". Для этого система постоянно анализи-          телем произвольно. В основном для переда-
рует спектр радиосигнала, окружающие фо-             чи используется частотная модуляция с по-
новые сигналы, а также поведение пользова-           лосой частот модулированного сигнала
телей сети. Базовая станция, собрав всю ин-          200 кГц. Уровень сигнала, при котором ка-
формацию о частотном диапазоне и используя           нал будет освобожден, соответствует значе-
информацию о своем местоположении                    нию -107 дБм.
(по GPS), определяет, какие частоты могут            При создании стандарта разработчики
быть использованы для установления связи с       были нацелены на то, чтобы уровень произво-
пользователями сети. При уже установленной       дительности системы был не хуже, чем в циф-
связи система периодически сканирует ча-         ровой абонентской линии – DSL. Для этого не-
стотный диапазон на случай появления новых       обходимо было обеспечить скорость входящего
сигналов и при обнаружении таковых пере-         (downlink) соединения (в пределах действия
страивается на другие частоты. Следует отме-     базовой станции) около 1.5 Мбит/с, а скорость
тить, что сканирование частотного диапазона      исходящего (uplink) – 384 кбит/с для 12 одно-
происходит на стороне абонента, что позво-       временно работающих в сети пользователей.
ляет иметь актуальную информацию об обста-       Обеспечение такой скорости для пользовате-
новке в зоне покрытия. Разработчики отме-        лей требует, чтобы пропускная способность ка-
чают, что спецификация IEEE 802.22 WRAN          нала для входящего соединения составляла
является одной из первых, в которой техноло-     1.5.12 = 18 Мбит/с. Поэтому, при ширине поло-
гии Cognitive Radio в полной мере приме-         сы телевизионного канала в 6 МГц – для США,
няются в радиосвязи. Таким образом, стан-        большой части Центральной и Южной Амери-
дарт позволяет эффективно использовать           ки и Японии (в остальном мире полоса, в основ-
имеющийся спектр рабочих частот без полу-        ном – 8 МГц) необходимая спектральная эффек-
чения лицензий.                                  тивность составляет C = 18/6 = 3 бит/c/Гц).
    Разработчики различают несколько основ-      На основе этих принципов был сформирован
ных "лицензионных" систем, в которых ис-         стандарт, основные характеристики физиче-
пользуется частотный диапазон телевизионно-      ского уровня которого приведены в табл. 2.
           Таблица 2. Основные параметры физического уровня стандарта IEEE 802.22
                        Параметр                                     Характеристика
Полоса пропускания канала                                             6 или 7.8 МГц
Мультиплексирование (в восходящем направлении – uplink)               OFDM, OFDMA
Вид модуляции                                                    QPSK, 16-QAM, 64-QAM
                                                             Сверточные  коды, блоковые коды-
Кодирование                                                   произведения (Block Turbo Code)
Пропускная способность (в нисходящем направлении – downlink)            18 Мбит/с
Спектральная эффективность                                         0.624…3.12 бит/c/Гц
                                                                  Downlink: 1.5 Мбит/с,
Скорость обмена данными для пользователя                            uplink: 384 Кбит/с

e)mail: ekis@vdmais.kiev.ua                                                                 39
"СУПЕР Wi-Fi", НО НЕ Wi-Fi
№ 2, февраль 2012
                НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

   Мультиплексирование с ортогональным ча-       ванный канал, а также нет возможности послать
стотным разделением каналов (OFDM) было          пилот-сигнал для поиска сети (канала). Поэтому
выбрано для того, чтобы обеспечить устойчи-      вначале приходится сканировать весь частотный
вую работу системы в условиях многолучевого      диапазон для отслеживания доступных свобод-
распространения и селективного замирания         ных каналов, а затем в уже найденном отфильт-
радиосигнала, а также для обеспечения высо-      рованном частотном диапазоне производить ска-
кой пропускной способности и эффективного        нирование пилот-сигналом базовых станций и
использования полосы пропускания. В зави-        только после этого подключаться к сети.
симости от условий стандарт позволяет ис-            Специфика стандарта требует и определенной
пользовать различные виды модуляции:             организации обмена информацией. Для обес-
QPSK, 16-QAM или 64-QAM. Причем в рамках         печения передачи данных между пользователем
стандарта не исключается адаптивная динами-      и базовой станцией используется дуплексная
ческая конфигурация параметров модуляции         связь с временным разделением каналов (TDD).
для конкретного пользователя. Для обеспече-      Это наиболее оптимальная схема, поскольку не-
ния необходимой производительности в стан-       обходим всего 1 канал для обмена, что проще для
дарте введена система канального соединения      контроля, чем при связи с частотным разделени-
("Channel Bonding"), которая позволяет ис-       ем – FDD. Это позволяет динамично изменять
пользовать для передачи одновременно более       пропускную способность входящего и исходяще-
одного телевизионного канала, чтобы обеспе-      го потоков. Для обеспечения такого режима ра-
чить необходимую пропускную способность.         боты используется особая фреймовая структура
Это возможно в связи с тем, что часто в раз-     данных. В рамках стандарта введены фреймы
личных странах между вещающими каналами          (Frames) и супер-фреймы (Superframes):
оставляют 2, а то и более свободных каналов,       • длительность супер-фрейма 160 мс
чтобы избавиться от перекрестных помех. На         • длительность фрейма 10 мс
практике же предполагается ограничиться            • каждый супер-фрейм состоит из фреймов
тремя свободными каналами.                         • супер-фреймы обеспечивают полную син-
   В табл. 3 приведены зависимости отноше-           хронизацию работы всей сети, в частности,
ния сигнал/шум (SNR), реализуемого в систе-          они обеспечивают инициализацию доступа
ме, от вида используемой модуляции.                  к сети и вход в сеть. В начале каждого су-
   Требования разработчиков к гибкости архи-         перфрейма имеется преамбула и управляю-
тектуры стандарта породили ряд новых про-            щий заголовок супер-фрейма (Superframe
блем на MAC-уровне.                                  Control Header или коротко – SCH). Заголо-
   В первую очередь возникли проблемы с ини-         вок и преамбула содержат информацию, не-
циализацией и входом в сеть. Суть проблемы           обходимую для всех новых абонентов, кото-
связана с тем, что в сети отсутствует фиксиро-       рые хотят подключиться к базовой станции
                                                   • каждый фрейм делится на два подфрейма:
      Таблица 3. Зависимость отношения
                                                     входящий (downlink sub-frame – DL) и ис-
       сигнал/шум от вида используемой
     модуляции по стандарту IEEE 802.22              ходящий (uplink sub-frame – UL). Граница
                                                     между двумя подфреймами может варьи-
Вид моду- Относительная    Отношение сиг-            роваться в зависимости от необходимой
          скорость пере- нал/шум
  ляции                          (SNR), дБ           пропускной способности
           дачи данных
               1/2              4.3                • каждый фрейм содержит CBP-пакет (Co-exis-
               2/3              6.1                  tence Beacon Protocol), который включает
QPSK           3/4              7.1                  техническую информацию о сети, к приме-
               5/6              8.1
               1/2             10.2                  ру, местоположение, информацию о сво-
               2/3             12.4                  бодных каналах, команды от базовой стан-
16QAM          3/4             13.5                  ции клиентам и пр.
               5/6             14.8                  Стандарт разработан таким образом, чтобы
               1/2             15.6
               2/3             18.3              в процессе передачи информации предотвра-
64QAM                                            тить конфликты с существующими каналами
               3/4             19.7
               5/6             20.9              телевещания, а также другими системами ра-

40                                                                                www.ekis.kiev.ua
№ 2, февраль 2012
                                                            НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

диопередач в данном частотном диапазоне. Та-            Более подробную информацию об особенно-
ким образом, система связи является адаптив-         стях стандарта IEEE 802.22 и его характери-
ной благодаря использованию технологии               стиках можно найти в [5].
Cognitive Radio, что также позволяет снизить            В Уилмингтоне сеть "white space" первона-
влияние различных помех и изменений усло-            чально была предназначена для обеспечения
вий распространения радиоволн, которые пе-           обратной связи между общественными Wi-Fi-
риодически возникают на практике.                    роутерами, расположенными в двух парках, и
   Стандартом предусмотрена поддержка не-            подключения четырех веб-камер, расположен-
скольких моделей качества обслуживания               ных там же.
(QoS), приведенных в табл. 4.                           Вначале система "white space" будет конку-
    Таблица 4. Модели QoS, поддерживаемые            рировать по стоимости со встроенными реше-
           стандартом IEEE 802.22                    ниями 3G, DSL и домашним WiMAX благода-
Модуль QoS           Приложение                      ря большому радиусу действия. Это обеспечит
    1                                                прямой путь к поставщикам беспроводного
UGS        Интернет-телефония (VoIP, T1/E1)
     2
                                                     Интернета, особенно в сельских районах. На-
RtPS       Передача потокового видео (MPEG)
                                                     глядно иллюстрирует преимущества системы
       3   FTP с гарантируемой минималь-
NRtPS       ной пропускной способностью              "white space" по дальности связи рис. 2 [4].
                                                        Как следует из рис. 2, при использовании
BES 4                         E-mail
                                                     технологии IEEE 802.11b, g зона уверенной
                    Запросы широкополосной           связи охватывает только главный корпус На-
Contention 5              связи и пр.                ционального технического университета
1
  UGS – Unsolicited Grant Service – сервис для       Украины "КПИ". При использовании техноло-
передачи видео- и аудиосигналов по сети.
2
  RtPS – Real-timeTransportProtocolService –         гии IEEE802.11n – это уже вся территория
транспортный протокол реального времени              "КПИ", а при использовании IEEE 802.22 –
служит для доставки до пункта назначения             весь город Санкт-Петербург и большая часть
потокового аудио и видео реального времени,
предусматривает идентификацию типа                   Ленинградской области.
передаваемой полезной нагрузки (контента),              Кроме того, использование технологии
нумерацию последовательностей (sequence              "white space" позволит реализовать интеллек-
numbering), отметки времени и контроль
                                                     туальные системы учета электроэнергии и дру-
доставки. Альтернатива протокола TCP, так
как в отличие от него поддерживает                   гих ресурсов со значительно меньшими затра-
многоадресные (multicast) сетевые сервисы.           тами, чем при использовании каналов мобиль-
3
  NrtPS – Non-Real-timePollingService –              ной связи.
поддерживает потоковую передачу данных с
переменной длиной пакетов, для которых                  На первом этапе внедрения такой техноло-
требуется минимальная скорость передачи.             гии ее использование в мобильных устрой-
4
  BES – Besteffortservice – обеспечивает             ствах (смартфонах, планшетах, ноутбуках
негарантированную доставку "во что бы то ни
стало". Данный термин означает, что сетевой          и пр.) будет ограничено той местностью, в ко-
уровень стека протоколов TCP/IP не может             торой проживает их владелец. Это связано с
гарантировать доставку пакетов в требуемом           тем, что распределение сетки частот телеви-
порядке и без задержки.
5                                                    зионных каналов и частотных промежутков
  Contention – сервис устранения конфликтов при
попытке одновременной передачи данных двумя          между ними различно в разных регионах.
или более пользователями.                            И для того, чтобы избежать интерференции

             IEEE 802.11b, g           IEEE802.11n             IEEE 802.22
      Рис. 2. Зоны охвата уверенной связью при использовании различных технологий связи

e)mail: ekis@vdmais.kiev.ua                                                                    41
№ 2, февраль 2012
                 НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

между работающими ТВ-каналами и устрой-
ствами "white space", необходимо чтобы при
подключении к сети устройства получали ин-
формацию из специальной базы данных, со-
держащей сведения о ТВ-каналах и каналах,
выделенных для работы радиомикрофонов.
Начаты разработки интеллектуальных встраи-
ваемых чипов, которые в автоматическом ре-
жиме будут определять диапазоны частот,
предназначенные для использования в техно-
логии "white space".
   Согласно прогнозам журнала Forbes уже к
концу 2012 года появятся первые чипы, в ко-
торых будут интегрированы две технологии
                                                   Рис. 3. Абонентское устройство для связи
передачи данных – Wi-Fi и "white space" [6].
                                                         в сети стандарта IEEE 802.22
   Ожидаемые преимущества для пользовате-
лей сети "white space" заключаются в следую-          В ближайшие годы следует ожидать интен-
щем. Так как область частот, в которой работает    сивного распространения этой технологии свя-
такая сеть, расположена значительно ниже, чем      зи во многих странах, так как ее применение
область частот, занимаемая Wi-Fi, то дальность     позволит решить проблему широкополосной
связи при такой же мощности передатчика, как       связи в сельской местности на обширных тер-
и Wi-Fi, будет значительно больше (рис. 2). Хотя   риториях при минимальных затратах на
скорость передачи данных в Wi-Fi более высо-       строительство базовых станций.
кая (максимальная – до 600 Мбит/с в соответ-
ствии со стандартом IEEE 802.11n или                               ЛИТЕРАТУРА
54 Мбит/с – для 802.11g), ожидается что ско-          1. http://www.rfglobalnet.com/article.mvc/
рость 10…15 Мбит/с сети "white space" будет        Super-Wi-Fi-Arrives-In-The-US-0001?section-
вполне достаточна во многих случаях.               Code=Editorial&templateCode=EnhancedStan-
   Первую коммерческую сеть "white space" по-      dard&user=1935898&source=nl:3361.
строила компания Spectrum Bridge [7]. На рис. 3       2. http://www.pcmag.com/article2/
приведено фото первого абонентского устрой-        0,2817,2399447,00.asp.
ства связи для сети стандарта IEEE 802.22, одоб-      3. http://www.ieee802.org/22/.
ренного Федеральной комиссией связи США               4. http://habrahabr.ru/blogs/wireless/
(Federal Communication Commission).                125557/.
   Скорее всего, широкое распространение              5. http://grouper.ieee.org/groups/802/22/
устройств стандарта IEEE 802.22 начнется на        Technology/22-10-0073-03-0000-802-22-
американском рынке, учитывая то, что в США         overview-and-core-technologies.pdf.
все правовые вопросы использования новой тех-         6. http://www.forbes.com/sites/elizabeth-
нологии решены, хотя и в Западной Европе на-       woyke/2012/01/26/consumer-white-spaces-
чалось строительство первых базовых станций        gadgets-chipsets-in-the-works/.
для построения сетей стандарта IEEE 802.22.           7. http://spectrumbridge.com/Home.aspx.

42                                                                                 www.ekis.kiev.ua
Вы также можете почитать