Tehnologia Wimax pentru medii LOS (line of sight) şi NLOS (non line of sight)

1. Generalităţi

La apariţia tehnologiei Wimax, se afirma că poate ajunge la 70 Mbit/s şi propagare de cca. 112 km. Fiecare din aceste afirmaţii este adevărată individual, în condiţii ideale şi nu simultan.Majoritatea tehnologiilor curente pentru broadband wireless fix au acoperire LOS; începînd cu Wimax, noile tehnologii au fost optimizate şi pentru medii NLOS, astfel încît acoperirea poate ajunge la 50 km în condiţii LOS şi 8 km – NLOS.

2. Medii propagare NLOS şi LOS

Într-un mediu de propagare LOS, semnalul parcurge o cale directă şi neobstrucţionată de la emiţător la utilizator. LOS implică ca cel puţin 60% din elipsoidului Fresnel să nu fie obturat (Fig.1). Dacă această condiţie nu este îndeplinită, va avea loc o reducere semnificativă a semnalului recepţionat cu implicaţii directe asupra vitezei transmise şi distanţei de propagare.

Fig.1 Zona Fresnel

Pentru un mediu de propagare NLOS, semnalul recepţionat va conţine componente provenind de la calea directă, de la reflexii multiple, difuzii şi difracţii. Aceste semnale vor avea diverse întîrzieri (delay spread), atenuări, şi schimbări de polarizare faţă de calea directă; fără măsuri speciale la sistemul radio, semnalul recepţionat în condiţiile de mai sus va fi inutilizabil (Fig.2).

1

Fig.2 Propagare NLOS

Pe de altă parte, cerinţele practice de amplasare implică poziţionarea antenelor în medii NLOS; dezvoltarea comunicaţiilor de tip celular pentru care reutilizarea frecvenţelor este o condiţie necesară, cer antena amplasate la înălţime mică pentru reducerea interferenţelor cochannel dintre celulele adiacente. Toate acestea induc necesitatea ca staţiile de bază să poată opera în condiţii NLOS; mediile LOS, din contra, necesită înălţimi ale antenelor mari pentru îndeplinirea cerinţelor de vizibilitate directă între emiţător - receptor.Tehnologia NLOS reduce de asemenea costul instalaţiilor, amplasînd în afara vizibilităţii directe traseul Tx – Rx. Sistemul Wimax face aceste lucruri posibile; acoperire NLOS este îmbunătăţită, aplicînd anumite tehnice descrise în continuare.

Fig.3 Amplasamente LOS - NLOS

2

3. Soluţii pentru NLOS

Tehnologia Wimax rezolvă sau reduce radical problemele care apar datorită mediilor de propagare NLOS, utilizînd:

Tehnologia OFDM; Sub – canalizarea (sub-channelization); Antene directive; Transmisia si recepţia în diversitate; Modulaţia adaptivă (adaptive modulation); Tehnica de corecţie a erorilor (error correction techniques); Controlul puterii (power control);

3.1 Tehnologia OFDM

Multiplexarea cu diviziunea ortogonală în frecvenţă (orthogonal frequency division multiplexing - OFDM) dispune de posibilitatea operării în medii NLOS. Forma de undă a semnalului Wimax OFDM oferă avantajul utilizării de valori mari ale întîrzierii de împrăştiere (delay spread).Reprezintă o tehnică de transmisie bazată pe principiul transmiterii simultane a mai multor subpurtătoare ortogonale, modulate și care poate fi folosită pentru accesul multiplu. Tehnologia OFDM, derivată din FDM, permite utilizarea subpurtătoarelor modulate în benzi suprapuse fără a cauza interferenţe. Folosind OFDM se pot realiza transmisii de date cu viteze mari de transmisie, utilizându-se perioade de simbol mari, astfel încât să se elimine interferențele dintre simboluri, ISI. OFDM este o tehnică de modulaţie utilizată într-un mediu de transmisie NLOS, pe căi multiple şi de bandă largă.

În OFDM, spectrul se utilizează mult mai efficient, printr-o dispunere a canalelor cu suprapunere parțială de spectru. Pentru aceasta, toate subpurtătoarele trebuie să fie ortogonale între ele, prevenind interferenţele între purtătoare, ICI. Ortogonalitatea purtătoarelor înseamnă faptul că fiecare purtătoare realizează un număr întreg de cicluri pe o perioada de simbol. Din această cauză, în spectrul fiecărei purtătoare se obţine un nul la frecvenţa centrală a fiecăreia dintre celelalte purtătoare din sistem. Mai precis, două semnale periodice sunt ortogonale când integrala produsului dintre ele, de-a lungul unei perioade este egală cu zero, deci sunt îndeplinite relaţiile:

3

pentru interval de timp continuu,

pentru interval de timp discret.

Pentru realizarea OFDM, datele de la intrarea sistemului sunt împărţite în subfluxuri paralele de date, transmise cu viteză mai mică decât în fluxul de la intrare, fiind modulate şi transmise fiecare separat pe subpurtătoare ortogonale între ele Fiecare subpurtătoare este modulată prin intermediul unui flux de date de viteză scăzută. Banda W disponibilă a canalului este împărțită în Nc

subpurtătoare. Numărul Nc de subpurtătoare este ales în funcție de necesitățile sistemului, De obicei este de dorit un număr mai mare de subpurtătoare. Valoarea pentru Nc este limitată de timpul de coerență, adică perioada de simbol OFDM, Nc / W < Tc. Apoi, aceste canale vor fi alocate utilizatorilor.

Fig.4 Purtătoare unică şi OFDM4

Abilitatea anihilării delay-spread urilor datorate propagării multipath şi a interferenţei intersimboluri (ISI) în mod eficient determină utilizarea unor viteze mari de transmisie. Altfel spus, este uşor să se egalizeze purtătoarele individuale OFDM decît egalizarea unui singur semnal de bandă largă. Din aceste motive ETSI a stabilit tehnologia OFDM preferată pentru IEE 802.16 (Fig.5).

Fig.5 Purtătoare unică şi semnalul OFDM recepţionat

3.2 Sub-channelization

Sub-channelization în up-link este o opţiune din cadrul Wimax. Fără această opţiune, restricţiile regulatorului şi cerinţele de cost ale utilizatorului cauzează un bilanţ al legăturii asimetric - limitat în uplink. Sub-canalizarea face ca bilanţul legăturii să fie simetric astfel încît câştigul sistemului est similar pentru uplink şi downlink.

Fig.6 Efectele sub- canalizării5

3.3 Antene directive

Utilizarea antenele directive la base station şi utilizator reduc delay spread. Diagrama de radiaţie directivă reduce şi efectele propagării multi-path prin minimalizarea semnalelor reflectate, care ajung în afara lobului principal de radiaţie.Sistemele de antene adaptive (adaptive antenna system – AAS) este o opţiune a standardului 802.16. Proprietăţile de direcţionare a câştigului sistemului radiant pe un anumit azimut (beamforming), focalizează energia emisă spre direcţia receptorului. Această particularitate reduce interferenţa cochannel de la alte locaţii, îmbunătăţind reutilizarea spectrului şi capacitatea reţelelor WiMax.

3.4 Transmisia şi recepţia în diversitate

Diversele soluţii adoptate pentru transmisia şi receptia în diversitate au menirea de a utiliza şi reflexiile semnalelor care apar inerent în mediile NLOS ( multipath). Diversitate este o opţiune a sistemului Wimax. Algoritmul oferit ca soluţie de Wimax atît la Rx cît şi la Tx creşte disponibilitatea sistemului în sensul utilizării space timing code, asigurînd independenţa surselor de emisie (ca fază). Acest lucru reduce cerinţele de fade margin şi combate interferenţa. La recepţia în diversitate, tehnicile de combinare existente cresc disponibilitatea sistemului. De exemplu, raportul maxim de combinare (maximum ratio combining – MRC) este atins la utilizarea a două canale de recepţie separate, obţinîndu-se chiar o reducere cu 3 dB a atenuării de propagare.

3.5 Modulaţia adaptivă (adaptive modulation).

Modulaţia adaptivă permite sistemului Wimax să adapteze schema de modulaţie a semnalului la valoarea raportului semnal zgomot (SNR) existent pe calea radio. Altfel spus, dacă canalul radio este de calitate se utilizează o schemă superioară de modulaţie asigurînd sistemului capacitate mare. Dacă semnalul radio scade, sistemul va comuta pe o schemă de modulaţie inferioară pentru a menţine conexiunea în detrimentul capacităţii. Cu alte cuvinte, modulaţia adaptivă creşte distanţa de propagare pentru adaptarea la condiţiile actuale de fading, relativ la utilizarea unei scheme fixe de modulaţie pentru care nivelul semnalului este bugetat la o valoare fixă.

Fig.7 Raza celulei vs. schema de modulaţie adoptată6

3.6 Tehnicile de corecţie a erorilor

În telecomunicaţii, forward error correction - FEC reprezintă un sistem pentru controlul erorilor la transmisia datelor; emiţătorul adaugă la datele utile transmise date selectate după diverse criterii, redundante, denumite şi error-correcting code. Acestea permit receptorului detecţia şi corectarea erorilor transmise (în anumite limite), fără necesitatea retransmiterii anumitor date pierdute. Codările convoluţionale, utilizarea FEC Reed-Solomon şi algoritmele de interleaving sunt utilizate la detecţia şi corecţia erorilor, reprezentînd o tehnică robustă de corecţie a frame-urilor pierdute datorită fading-ului selectiv. Uneori cînd FEC-ul nu dă rezultate se utilizează automatic repeat request – ARQ. Aceste tehnice îmbunătăţesc semnificativ erorile de biţie, bit error rate – BER, (referitor la acelaşi nivel de recepţie – foarte important).

Tehnicele de corecţie a erorilor au fost încorporate în Wimax pentru reducerea cerinţelor de raport semnal/zgomot.

3.7 Controlul puterii

Algoritmul de control al puterii este destinat îmbunăţăţirii performanţelor sistemului. Este implementat de către BTS care transmite informaţii de control al puterii către clienţi. Într-un mediu de propagare cu fading dinamic, utilizatorul va transmite exact puterea necesară pentru stabilirea legaturii în condiţiile de performanţă date. Controlul puterii reduce drastic consumul de energie la nivelul utilizatorului şi de asemenea, eventualele interferenţe. Pentru mediile LOS, puterea transmisă de utilizator este direct proporţională cu distanţa pîna la BTS; pentru mediile NLOS, puterea depinde de nivelul obstrucţiilor, absorbţii, etc.

From my experince, cell radius depends on several factors:a) Receiver sensitivityb) BS Transmit powerc) CPE Max transmit powerd) Terraine) CPE antenna gainf) BS Antenna tilts

The best way to figure out your approximate cell radius is to conduct intensive test drives and correlate the data with your predictions from an RF planning tool.

7

Some elements of a standard RF site survey:

1. A quality site survey starts several days before the site visit by documenting tower and other attachment sites available. Once these sites have been researched and documented, they should be geo-coded on a topological map to assist in selection of best candidates once on the ground. This prep work and mapping work will also reduce the time on the ground, thus reducing the overall site survey costs.

2. Geo-code and photo-document the target locations (mounting points, cable runs, electrical closets, etc.) This allows the engineering firm to recommend what components are needed in the network, not what is generally or historically needed.

3. Perform and document multi-spectrum (900MHz, 2.4GHz, 4.9 GHz, 5.3 and 5.8GHz) activity by utilizing a spectrum analysis, as appropriate to the application. This allows engineers to work around potential frequency issues before the fact, not onsite during installation with tower rigger crews charging by the hour as they wait for the solution.

4. Spectrum analysis can be accomplished with varying degrees of precision. A scan of a frequency can be done in 10 minutes (with minimal collection of data) or in 10 hours (with considerably more data collection). It's even recommended to sweep both horizontal and vertical polarities, something most firms do not do.

5. Detect and document existing wireless networks including SSID and frequency info.

6. Verify available mounting locations/altitudes which aids in an accurate site parts list.

7. Initial verification and planning for available A/C power helping eliminate onsite power issues.

8. Verify visual LOS to target feeder tower's (potential tower bearings having already been determined pre-survey). This is a redundancy check against engineering software for potential manmade obstructions not represented in the software calculations.

9. Verify available space on recommended towers (expedites the lease process by getting it right the first time) and the type of tower utilized. This information is provided to the tower owners during the lease process, and to the tower riggers and/or equipment vendor to insure that the right kind of mounting brackets are ready before installation.

10. Deploy and evaluate a temporary test link to verify RF functionality for less than certain solutions. For all the recent science and technology, nothing works as dependably as installing and testing a system first.

11. A detailed view of the operator's current or planned backhaul location and documentation of potential hand-off requirements.

12. Identify many more location-specific issues that must be addressed and resolved in the final deployment plan and

13. Identify the general tree foliage environment and document the estimated losses needed to apply to the coverage propagation software. Inputting reasonable losses for foliage will provide a more accurate picture of the overall coverage capability

8