Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Системы передачи информации»

 

РЕШАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЖИМА QPSK ДЕМОДУЛЯТОРА OFDMA СЕТЕЙ СВЯЗИ ЧЕТВЁРТОГО ПОКОЛЕНИЯ СТАНДАРТА IEEE 802.16e МОБИЛЬНЫЙ WiMAX

 

Пояснительная записка к дипломному проекту

Омск 2009

 

В пояснительной записке 72 страницы, 43 иллюстрации, 13 таблиц, 7 использованных источников, 2 приложения.

демодулятор, поднесущая, дискретизация, квантование, быстрое преобразо­вание Фурье, спектр сигнала, гармонический сигнал.

Объектом исследования является решающая схема. В частности, модель этой схемы, созданная на ЭВМ при помощи программного обеспече­ния Matlab7.

Целью работы является оценить помехоустойчивость выбранного алгоритма работы решающей схемы с помощью тестирования данного алго­ритма на ЭВМ.

Для проведения данного исследования была написана программа на языке программирования М.

 

Содержание

Реферат

Введение

1. Теоретические сведения о стандарте WiMax

1.1 WiMAX: краткие сведения о стандарте и основные задачи стандарта.

1.2 Стандарт IEEE 802.16e-2005: возможности технологии и применение мобильного WiMAX в России

1.3 Достоинства WiMax

1.4 Описание стандартов 802.16

1.5 Безопасность в сетях WiMAX

1.6 Особенности модуляции в стандарте WiMax

1.6.1 Общие сведения о модуляции в стандарте WiMax

1.6.2 Технология OFDM

1.7 Фазовая модуляция

1.7.1 Основные сведения о фазовой модуляции

1.7.2 Квадратуртая фазовая модуляция (QPSK)

2. Решающее устройство

2.1 Демодулятор OFDM сетей четвёртого поколения стандарта 802.16Е мобильный WiMAX

2.2 Виды состояний сигнала на входе демодулятора

2.3 Схема решающего устройства

2.4 Принцип работы решающего устройства для режима QPSK

2.4 Исследование работы решающего устройства с помощью программного обеспечения Matlab7.

3 Обеспечение безопасности работ по использованию Электронных вычислительных машин

3.1 Характеристика возможных опасных и вредных производственных факторов при использовании ЭВМ

3.2 Эргономический анализ организации рабочего места оператора ЭВМ

3.3 Обоснование выбора технических средств и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность использования ЭВМ

3.4 Обеспечение оптимальных санитарно-гигиенических условий труда в помещении

4 Экономический раздел

Заключение

Библиографический список

Приложение А

Приложение Б

Введение

Беспроводные телекоммуникационные технологии переживают сегодня подлинный бум. Пользователям требуются все большие объемы трафика и скорости передачи данных. Современные мультимедийные приложения этому весьма способствуют. Ведь еще десять лет назад беспроводные локальные сети казались достаточно специальным инструментом. Сегодня – это массовый продукт, а термины IEEE 802.11, Wi-Fi знают даже неспециалисты в связи.

Вал “массовизации” захлестнул и такую, как недавно казалось, специальную область, как широкополосное вещание.

Все это обусловило то, что Международный институт электроники и электротехники (IEEE), не успев закончить работы по стандартизации в области беспроводных локальных сетей (WLAN) в диапазоне 2—5 ГГц (группа стандартов IEEE 802.11), в последний год прошлого века сформировал комитет IEEE 802.16, цель которого – создание широкополосных городских беспроводных сетей передачи данных (WMAN – Wireless Metropolian Access Network) с фиксированным доступом. Соответственно, новый стандарт получил название WirelessMAN. Также часто используют коммерческое имя стандарта – WiMAX.

В данном дипломном проекте рассматривается работа решающего устройства для режима QPSK демодулятора OFDMA сетей связи четвёртого поколения стандарта IEEE 802.16e-2005 Мобильный WiMAX.

Решающее устройство смоделировано с помощью программного обес­печения Matlab7. При этом в сигнал на вход решающего устройства была добавлена помеха (Гауссовский шум), эмитирующая реальные помехи, кото­рые неизбежно возникают в канале связи. В данном случае роль канала связи выполняет воздух, поэтому добавленная помеха и является случайной. Основной задачей любой решающей схемы является как можно более точное определение вида принятого сигнала, при небольшом отношении сигнал/шум. В дипломном проекте дана оценка правильности приёма сигнала исследуемой решающей схемой, в зависимости от отношения сигнал/помеха.

Исследование решающего устройства для режима QPSK демодулятора OFDMA сетей связи четвёртого поколения стандарта IEEE 802.16e-2005 Мобильный WiMAX сделано с целью увеличения помехозащищённости систем связи на базе технологии WiMAX.

1. Теоретические сведения о стандарте WiMax

1.1 WiMAX: краткие сведения о стандарте и основные задачи стандарта.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) в дословном переводе звучит как "глобальная совместимость для микроволнового доступа". Так называется международный отраслевой Консорциум, который намерен способствовать достижению совместимости всего оборудования, применяемого для широкополосного беспроводного доступа (ШБД). Сюда вошли такие известные производители чипсетов, как Intel, Fujitsu и примк­нувшая к ним Nokia, а также известные на российском рынке компании Asiros, Airspan, Alvarion, Aperto, Proxim и Wi-LAN. Сегодня Консорциум WiMAX объединяет 96 компаний.

WiMAX подходит для решения следующих задач:

а) Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегмен­тами Интернета;

б) Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтер­нативы выделенным линиям и DSL;

в) Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и те­лекоммуникационных услуг;

г) Создания точек доступа, не привязанных к географическому положе­нию.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоро­стях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а так же локальные сети. В результате подобный подход позволяет соз­давать масштабируемые высокоскоростные сети в масштабах целых горо­дов.

На данный момент Пакистан обладает самой большой в мире полно­функциональной сетью WiMAX национального масштаба. Компания Wateen Telecom установила сети в семнадцати городах Пакистана, используя обору­дование Motorola.

Набор преимуществ присущ всему семейству WiMAX, однако его вер­сии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного при­менения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не уда­лось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стан­дарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами). Каждая из спецификаций WiMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использо­вания радиочастот и прочие показатели. А потому WiMAX-системы, осно­ванные на версиях стандарта IEEE 802.16 e и d, практически несовместимы. Краткие характеристики каждой из версий приведены ниже.

802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX).Спецификация утверждена в 2004 году. Используется ортогональ­ное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксирован­ный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Поль­зовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.

802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX). Спецификация утверждена в 2005 году. Это — новый виток развития техно­логии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функ­ций, таких как хэндовер, "idle mode" и роуминг. Применяется масштабируе­мый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутст­вии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3; 2,5; 3,4–3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилот­ных проектов, а недавно оператор Sprint анонсировал старт проекта нацио­нального масштаба. Конкурентами 802.16e являются все мобильные техноло­гии третьего поколения (например, EV-DO, HSXPA).

Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшов­ного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобиль­ный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных поль­зователей.

Многие телекоммуникационные компании делают большие ставки на использование WiMAX для предоставления услуг высокоскоростной связи. И тому есть несколько причин.

Во-первых, технологии семейства 802.16 позволят экономически более эффективно (по сравнению с проводными технологиями) не только предос­тавлять доступ в сеть новым клиентам, но и расширять спектр услуг и охва­тывать новые труднодоступные территории.

Во-вторых, беспроводные технологии многим более просты в исполь­зовании, чем традиционные проводные каналы. WiMAX и Wi-Fi сети просты в развёртывании и по мере необходимости легко масштабируемы. Этот фактор оказывается очень полезным, когда необходимо развернуть большую сеть в кратчайшие сроки. К примеру, WiMAX был использован для того чтобы предоставить доступ в Сеть выжившим после цунами, произошедшего в декабре 2004 года в Индонезии (Aceh). Вся коммуникационная инфра­структура области была выведена из строя и требовалось оперативное восстановление услуг связи для всего региона.

В сумме все эти преимущества позволят снизить цены на предоставле­ние услуг высокоскоростного доступа в Интернет, как для бизнес структур, так и для частных лиц. Схема организации сети WiMAX представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Организация сети WiMAX

Оборудование для использования сетей WiMAX поставляется несколь­кими производителями и может быть установлено как в помещении (устрой­ства размером с обычный DSL модем), так и вне него (устройства размером с ноутбук). Следует заметить что оборудование, рассчитанное на размещение внутри помещений и не требующее профессиональных навыков при уста­новке, конечно, более удобно, однако способно работать на значительно меньших расстояниях от базовой станции, чем профессионально установлен­ные внешние устройства. Поэтому оборудование, установленное внутри помещений требует больших инвестиций в развитие инфраструктуры сети, так как подразумевает использование намного большего числа точек доступа.

С изобретением мобильного WiMAX все больший акцент делается на разработке мобильных устройств. В том числе специальных телефонных трубок (похожи на обычный мобильный смартфон), и компьютерной перифе­рии (USB радио модулей и PC card).

В общем виде WiMAX сети состоят из следующих основных частей — базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базо­вые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом.

Для соединения базовой станции с абонентской используется высоко­частотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях ско­рость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приемником.

Как уже говорилось выше, WiMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офис­ным и районным сетям.

Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГЦ, скорость обмена данными может достигать 120 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием клас­сических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надежность сети в целом.

Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 схожа с традицион­ными GSM сетями. В GSM сетях базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки — допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями.

В Wi-Fi сетях все пользовательские станции, которые хотят передать информацию через точку доступа (АР), соревнуются за «внимание» послед­ней. Такой подход может вызвать ситуацию, при которой связь для более удалённых станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Подобное положение вещей делает затруднительным использование таких сервисов как Voice over IP (VoIP), которые очень сильно зависят от не­прерывного соединения.

Что же касается сетей 802.16, в них MAC использует алгоритм планиро­вания. Любой пользовательской станции стоит лишь подключиться к точке доступа, для нее будет создан выделенный слот на точке доступа, и другие пользователи уже не смогут повлиять на это.

Следует заметить, что архитектура сетей WiMax не привязана к какой-либо определённой конфигурации, обладает высокой гибкостью и масштаби­руемостью.

Сопоставления WiMAX и Wi-Fi далеко не редкость, возможно, потому, что звучание терминов созвучно, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и используются для подключения к интернету (каналу обмена данными). Но, несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно различных задач.

Таблица 1.1 - Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи

Технология	Стандарт	Использование	Пропускная способность	Радиус действия	Частоты
UWB	802.15.3a	WPAN	110–480 Мбит/с	до 10 метров	7,5 ГГц
Wi-Fi	802.11a	WLAN	до 54 Мбит/с	до 100 метров	5,0 ГГц
Wi-Fi	802.11b	WLAN	до 11 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11g	WLAN	до 54 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11n	WLAN	до 480 Мбит/с	до 100 метров	2,4 — 2,5 или 5,0 ГГц
WiMax	802.16d	WMAN	до 75 Мбит/с	6–10 км	1,5–11 ГГц
WiMax	802.16e	Mobile WMAN	до 30 Мбит/с	1–5 км	2–6 ГГц

WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предостав­ления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных теле­фонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению).

В отличие от WiMAX, Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая сотни метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi использу­ется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соедине­ния между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соедине­ние основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гаранти­рует одинаковый QoS для каждого соединения.

Из-за дешевизны и простоты установки, Wi-Fi часто используется для предоставления клиентам быстрого доступа в Интернет различными органи­зациями. Например, в большинстве кафе, отелей, вокзалов и аэропортов можно обнаружить бесплатную точку доступа Wi-Fi.

IEEE 802.16 - это первый стандарт, предназначенный для создания территориально распределенных сетей широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access) в масштабе города (Wireless MAN). В стандарте описывается интерфейс для систем ШБД типа "точка-многоточка", работающих в диапазонах частот 2-11 ГГц и 10-66 ГГц и осуществляющих связь на расстояниях в десятки километров.

Под WiMAX понимается технология операторского класса, которая практически не имеет на сегодняшний день альтернативы по предоставлению населению высококачественных услуг мультисервисного ШБД.

Именно мультисервисность и, как следствие, широкополосность харак­теризуют современные тенденции развития беспроводного доступа. В идеале, современный пользователь не должен испытывать ограничения на любые виды услуг, доступные в настоящее время через кабельные соедине­ния, такие как SDH или Ethernet. Предполагается, что новейшие системы с сертификацией Wi-MAX позволят операторам сетей широкополосного доступа не только предоставить пользователям разнообразные типы сервисов как IP, так и Е1, но и заменить инфраструктуру ADSL-доступа и выделенных линий в целом.

7 декабря 2005 года произошло долгожданное событие - спецификация мобильной версии WiMAX была одобрена международной организацией IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Новый стандарт, ориен­тированный на использование в связке с мобильными устройствами, получил кодовое наименование IEEE 802.16e-2005 и пополнил обойму технологий для построения беспроводных широкополосных сетей.

Так же, как и в случае с Wi-Fi, семейство WiMAX включает несколько редакций одного и того же стандарта - первая была утверждена еще в 2001 году. В 2002-м обнародована вторая редакция - 802.16а, затем в июне 2004 года опубликована третья - 802.16d (официально - 802.16-2004). Наконец, в декабре 2005 года появился долгожданный 802.16e-2005. По сути, новый стандарт вобрал в себя описание редакции 802.16-2004, а также одобренные к ней поправки, ранее предлагавшиеся в проектах IEEE 802.16e и 802.16f.

Зачем понадобились разные версии одного и того же стандарта - ведь это по идее должно провоцировать несовместимость устройств и путаницу на рынке? Понять смысл данного явления помогут предложенные организацией WiMAX Forum определения видов доступа, которые должен поддерживать современный широкополосный беспроводной стандарт. Таких видов насчи­тывается пять: фиксированный доступ, сеансовый доступ, доступ в режиме транспортировки, простой мобильный доступ и полнофункциональный мобильный доступ. Первые два типа подразумевают, что пользовательское устройство находится по отношению к оборудованию и сети оператора в одном и том же месте либо всегда, либо в течение одной сессии. Доступ в режиме транспортировки допускает перемещение устройства с небольшой скоростью в ограниченной зоне действия с сохранением сеанса связи. Упро­щенный и полноценный мобильные доступы предполагают поддержку непрерывного сеанса связи при движении с высокой скоростью в зоне покрытия беспроводной сети.

Рисунок 1.2 - Масштабы беспроводных сетей

Каждый из перечисленных видов доступа обладает своими особенно­стями - они должны быть учтены и предусмотрены при разработке стандар­тов связи. До недавнего времени WiMAX был стационарен: версия, предло­женная в 2004 году, оптимизирована для использования в режимах фиксиро­ванного и сеансового доступа. Однако с принятием всех необходимых поправок и утверждением 802.16e-2005 проблему поддержки мобильных режимов доступа также удалось решить, в результате WiMAX обрел универ­сальность.