Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Transcription

1 Elektrotechnická fakulta Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu a jej využitie pre šírenie multimediálnych aplikácií František Valent 2006

2 Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu a jej využitie pre šírenie multimediálnych aplikácií DIPLOMOVÁ PRÁCA FRANTIŠEK VALENT ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: Ing. Daniel Milučký Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: ŽILINA 2006

3 Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Univerzitná 1, Žilina Akademický rok 2005/2006 ZADANIE DIPLOMOVEJ PRÁCE Meno, priezvisko: František Valent Študijný odbor: Telekomunikácie Téma diplomovej práce: Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu a jej využitie pre šírenie multimediálnych aplikácií Pokyny pre vypracovanie diplomovej práce: - definícia známych štandardov, charakteristiky, pokrytie v zastavanom území, - výber vhodného typu štandardu a frekvenčného pásma pre lokality budov ŽU, - prieskum trhu v oblasti dodávaných zariadení z hľadiska dostupných frekvencií, výkonu a cenových parametrov, - navrhnúť topológiu chrbticovej metropolitnej záložnej siete ŽU, - urobiť ekonomické a technologické porovnanie riešenie s optickou trasou, - využitie backhaul prístupových bodov pre AP prístupu užívateľov s využitím DTSS Canopy zariadení poslednej míle, - definovať multimediálne aplikácie, ktoré bude možné sprístupniť koncovým účastníkom cez navrhnutú sieť. Vedúci diplomovej práce: Ing. Daniel Milučký, Ústav infor. a komunikačných technológií, Žilinská univerzita v Žiline Dátum odovzdania diplomovej práce: Žilina prof. Ing. Milan Dado, PhD. vedúci katedry

4 , Elektrotechnická fakulta, ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA Priezvisko, meno: Valent, František školský rok: 2005/2006 Názov práce: Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu a jej využitie pre šírenie multimediálnych aplikácií Počet strán: 59 Počet obrázkov: 42 Počet tabuliek: 11 Počet grafov: 0 Počet príloh: 5 Použitá lit.: 14 Anotácia (slov. resp. český jazyk): Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom metropolitnej siete založenej na štandarde Popisuje jednotlivé štandardy, druhy prostredí šírenia vĺn a technológiu OFDM. Zaoberá sa taktiež prieskumom trhu a samotným návrhom WMAN pre Žilinskú univerzitu. Táto práca podrobne popisuje systém Canopy, ktorý je použitý na vybudovanie tejto WMAN. Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký): This graduate thesis deals with design of metropolitan network based on standard. The work describes standards, kinds of environs where a waves are spread and about OFDM technology. It describes also research of market and project of WMAN for the University of Žilina. This work details Canopy system that is use for build the WMAN. Kľúčové slová: WiMAX, IEEE , bezdrôtová sieť, metropolitná sieť, Fresnelova zóna, LOS prostredie, NLOS prostredie, OFDM, DTSS, adaptívna modulácia, Fourierové transformácie, SANET 2, Motorola Canopy, Point-to-Point, Point-to-Multipoint Vedúci práce: Ing. Daniel Milučký Recenzent práce: Ing. Peter Čepel Dátum odovzdania práce:

5 Obsah 1. Úvod Cieľ riešenia Metropolitné siete založené na štandarde Pracovná skupina IEEE Popis základných vlastností WMAN Rýchlosť NLOS Dosah Porovnanie WMAN s technológiou DSL Porovnanie WMAN s WLAN Porovnanie WMAN so sieťami tretej generácie Šírenie signálu v LOS a NLOS prostredí Prostredie LOS Prostredie NLOS Ortogonálne frekvenčne delený multiplex Všeobecný popis OFDM Matematický popis OFDM Fourierová transformácia Využitie FFT v OFDM Princíp činnosti OFDM vysielača Princíp činnosti OFDM prijímača Viaccestné šírenie a jeho nežiaduce javy Prieskum trhu v oblasti dodávaných zariadení a vznik WiMAX Fóra.. 29

6 6.1 Súčasná situácia na trhu oblasti WMAN Štandard Štandart e Výber vhodného typu štandardu a frekvenčného pásma pre lokality budov Žilinskej univerzity Návrh topológie metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity Slovenská akademická sieť SANET Metropolitná sieť Žilinskej univerzity Lokalizácie budov Žilinskej univerzity pomocou GPS Návrh topológie metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity Ekonomické a technologické porovnanie záložnej WMAN s optickou trasou Popis a parametre antén Canopy backhaul pre Point-to-Point spojenie Všeobecný popis Canopy 45Mbps Backhaul Využitie backhaul prístupových bodov na pokrytie areálu Veľký Diel pomocou AP na báze DTSS Využitie technológie DTSS pre riešenie poslednej míle Prenos rozprestretých rámcov GPS synchronizácia Riadenie prístupu k médiu v DTSS systémoch Prenášanie krátkych paketov v DTSS Systém Canopy Agregovaná priepustnosť pri PtP a PtM protokoloch Point-to-Point protokol Point-to- Multipoint protokol Komunikácia medzi AP a SM pomocou Point-to-Multipoint protokolu... 52

7 9.9 Časová synchronizácia medzi AP a SM modulmi Popis základných parametrov CMM, AP a modulu SM Cluster Management Module Prístupový bod AP-Advantage Účastnícky modul SM Využitie systému Canopy na multimediálne aplikácie Záver... 59

8 Zoznam obrázkov a tabuliek Obr Trojuholník kvality Obr Dosah signálu pre LOS a NLOS šírenie Obr Fresnelova zóna v LOS prostredí Obr NLOS šírenie Obr Prostredie Near-LOS Obr Prostredie Non-LOS Obr Inštalácie LOS a NLOS CPE zariadení Obr FDM s 9 nosnými vlnami s použitím filtra Obr OFDM s 9 subnosnými vlnami Obr OFDM s 256 subnosnými vlnami Obr Porovnanie prenosu pomocou jednej nosnej vlny a OFDM subnosných vĺn Obr Prijímané signály v móde jednej nosnej vlny a v móde OFDM Obr Príklady OFDM spektier jednej subnosnej (a) a piatich (b). Stredné frekvencie každého subkanálu nie sú ovplyvňované ostatnými kanálmi. Obr Príklad výkonovej spektrálnej hustoty OFDM signálu (počet subnosných vĺn N=32) Obr Bloková schéma OFDM vysielača Obr Vznik ICI v dôsledku frekvenčného posunu Obr Účinok fázového šumu v oscilátore Obr Bloková schéma OFDM prijímača Obr OFDM symbol bez ochranného pásma prichádza na vstup prijímača poškodený predchádzajúcim oneskoreným symbolom (vzniká ISI) Obr Pri použití cyklického prefixu (CP) oneskorenie predchádzajúceho symbolu neovplyvňuje aktuálny symbol (nevzniká ISI) Obr Produkty RedMAX od spoločnosti Redline Communications Obr Čipy pre WiMAX Base Station vyvinuté v laboratóriách firiem Wavesat (čip aj pre CPE) a SEQUANS Communications Obr Štúdia siete WiMAX podľa firmy Aperto networks Obr Slovenská akademická sieť SANET 2 Obr Topológia MAN Žilinskej univerzity Obr Optická a rádiová trasa metropolitnej siete Žilinskej univerzity Obr GPS mapa mesta Žilina s vyznačenými pozíciami budov ŽU

9 Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity Typy Canopy backhaul antén Backhaul Power Indoor Unit (PIDU) GPS satelity vo výške km nad Zemou Nasadenie produktov Canopy Komunikácia medzi modulmi Canopy Časový rámec pre Point-to-Point protokol Časový rámec pre Point-to-Multipoint protokol Komunikácia Point-to-Multipoint medzi AP a SM Časová synchronizácia medzi AP a SM Pohľad na CMM spredu Blokové zapojenie systému Canopy Lokálna a sieťová komunikácia medzi AP a SM Canopy ako súčasť T1/E1 hlasových spojení Interopereabilita medzi novými a starými Canopy zariadeniami Tabuľka 3.2 Prehľad modulácii Tabuľka 3.3 Porovnanie technológií WMAN a DSL Tabuľka 3.4 Druhy WLAN (WiFi) štandardov Tabuľka 3.5 Vlastnosti UMTS TDD Tabuľka 6.1 Priepustnosti systému RedMAX v závislosti na vzdialenosti Tabuľka 7.3 Presné pozície objektov s nadmorskou výškou Žilinskej univerzity Tabuľka 7.5 Cenové náklady na vybudovanie metropolitnej záložnej siete ŽU Tabuľka 7.6 Cenové porovnanie najrozšírenejších prístupových sietí s Canopy Tabuľka 8.1 Parametre antény Canopy backhaul Tabuľka 9.6 Stručný popis jednotlivých súčastí systému Canopy Tabuľka 9.10 Základné parametre AP

10 Zoznam použitých skratiek 3GPP 3rd Generation Partnership Project (organizácia zaoberajúca sa sieťami tretej generácie a ich štandardizáciou) 4G 4th Generation Networks (siete štvrtej generácie) ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line (asymetrická digitálna účastnícka linka) AES Advanced Encryption Standard (pokročilý šifrovací štandard) AGC Amp Automatic Gain Control Amplifier (zosilňovač s automatickým riadením zisku) Amp Amplifier (zosilňovač) AMPS Advanced Mobile Phone System (pokročilý mobilný systém, analógový) AP Access Point (prístupový bod) ARQ Automatic Repeat-reQuest (systémy s automaticky vyžadovaným opakovania chybne prijatého paketu) BER Bit Error Ratio (miera chybne prenesených bitov) BH Backhaul (obojsmerný chrbticový prenos dát) BPSK Binary Phase Shift Keying (dvojstavové fázové kľučovanie) BS Base Station (základňová stanica) BWA Broadband Wireless Access (širokopásmový bezdrôtový prístup) CIR Carrier Interference Ratio (pomer signálu(nosnej vlny) a interferencie) CMM Cluster Management Module (Riadiaci modul pre systém Canopy) CPE Customer premises equipment (koncový terminál u účastníka) CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with (viacnásobný prístup so snímaním Collision Avoidance nosnej a detekciou kolízii) DAB Digital Audio Broadcasting (digitálne audio vysielanie) DAC Digital-to-Analog Converter (Digitálno-analógový prevodník) DES Data Encryption Standard (štandard pre šifrovanie dát) DFT Discrete Fourier Transform (diskrétna Fourierová transformácia) DHCP Dynamic Host Configuration (dynamický konfiguračný protokol) Protocol DSL Digital Subscriber Line (digitálna účastnícka linka)

11 DSLAM Digital Subscriber Line Access (prístupový koncentrátor pre DSL Multiplexer účastníkov) DSSS Direct Sequence Spread Spectrum (priame rozprestretie spektra) DTSS Dynamic Time-Synchronized (dynamické rozprestretie s časovou Spreading synchronizáciou) DVB-T Digital Video Broadcasting (digitalne video vysielanie- pozemné) - Terrestrial E1 E-carrier system (dátový okruh Mbps) ETSI European Telecommunication (európsky inštitút telekomunikačných Standards Institute štandardov) FDD Frequency Division Duplex (frekvenčne delený duplex) FDM Frequency Division Multiplex (frekvenčne delený multiplex) FEC Forward Error Correction (dopredné odstraňovanie chýb) FFT Fast Fourier Transform (rýchla Fourierová transformácia) FHSS Frequency Hoping Spread Spectrum (rozprestretie spektra frekvenčným skákaním) FT Fourier Transform (Fourierová transformácia) FTP File Transfer Protocol (protokol na prenos súborov) FWA Fixed Wireless Access (pevný bezdrôtový prístup) GPS Global Positioning System (satelitný systém na určovanie presnej polohy na Zemi) HiperMAN High Performance Radio (bezdrôtová metropolitná sieť Metropolitan Area Network s vysokým výkonom) HSDPA High-Speed Downlink Packet (protokol pre W-CDMA pre rýchlejší Access dátový prenos) HTTP HyperText Transfer Protokol (hypertextový prenosový protokol) ICI Inter-Carrier Interference (rušenie medzi nosnými vlnami) ICMP Internet Control Message Protocol (riadiaci protokol pracujúci na sieťovej vrstve) IEEE The Institute for Electrical and (inštitút elektrotechnických Electronics Engineers inžinierov) IFFT Inverse Fast Fourier Transform (inverzná rýchla Fourierová transformácia) IPv4 Internet Protocol version 4 (internetový protokol verzia 4)

12 IPX Internetwork Packet Exchange (protokol sieťovej vrstvy) ISI Inter-Symbol Interference (intersymbolová interferencia) ISM Industrial, Scientific and Medical (nelicencované pásma pre výskumné radio band a lekárske inštitúcie) LAN Local Area Network (lokálna sieť) LOS Line of Sight (priama viditeľnosť) MAC Media Access Control (kontrola prístupu ku médiu) MAN Metropolitan Area Network (metropolitná sieť) MB-STC Multi-Beam Space-Time-Coding (multi-lúčové priestorovo-časové kódovanie) NAT Network Address Translation (prekladanie sieťových adries) NGN Next Generation Networks (siete ďalšej generácie) NLOS Non-Line of Sight (nepriama viditeľnosť) nlos near-line of Sight (narušená priama viditeľnosť) NT Network Terminal (sieťový terminál) ODU OutDoor Unit (vonkajšia jednotka) OFDM Orthogonal Frequency Division (ortogonálne frekvenčne delené Multiplexing multiplexovanie) PBX Private Branch exchange (miestna ústredňa) PCMCIA Personal Computer Memory Card (prídavná karta do PC) International Association PDA Personal Digital Assistant (osobný digitálny asistent) PIDU Power InDoor Unit (vnútorná napájacia jednotka) PSK Phase Shift Keying (fázové kľúčovanie) PtM Point-to-Multipoint Protokol (protokol bod- viac bodov) PtP Point-to-Point Protokol (protokol bod- bod) QAM Quadrature Amplitude Modulation (kvadratúrna amplitúdová modulácia) QoS Quality of Service (kvalita služby) QPSK Quadrature Phase Shift Keying (kvadratúrne fázové kľúčovanie) SDH Synchronous Digital Hierarchy (synchrónna digitálna hierarchia) SHDSL Symmetric High-Speed Digital (symetrická vysokorýchlostná Subscriber Line účastnícka linka) SM Subscriber Modul (účastnícky modul)

13 SNMP Simple Network Management (jednoduchý riadiaci sieťový Protocol protokol) SNR Signal-Noise Ratio (pomer signál-šum) SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency (stupňovatelný OFDM prístup ) Division Multiple Access SS Subscriber Station (účastnícka stanica) T1 T-carrier system (dátový okruh Mbps) TCP Transmission Control Protocol (prenosový- spojový riadiaci protokol) TD-CDMA Time Division- Code Division (časovo delený viacnásobný kódový Multiple Access prístup ku kanálu) TDD Time Division Duplex (časovo delený duplex) TDMA Time Division Multiple Access (časovo delený viacnásobný prístup) TFS Transmit Frame Spreading (prenos rozprestretých rámcov) UDP User Datagram Protocol (užívateľský- nespojovo orientovaný protokol) UMTS Universal Mobile (univerzálny mobilný Telecommunications System telekomunikačný systém) VCO Voltage-Controlled Oscillator (napätím riadený oscilátor) VLSI Very-Large-Scale Integration (čip s tranzistorovými obvodmi) VoIP Voice over Internet Protokol (hlas cez IP) WiFi Wireless Fidelity (bezdrôtová spoľahlivosť, lokálna bezdrôtová sieť ) WiMAX Worldwide Interoperability for (celosvetová interopereabilita pre Microwave Access mikrovlnný prístup, metropolitná bezdrôtová sieť ) WLAN Wireless Local Area Network (bezdrôtová lokálna sieť) WMAN Wireless Metropolitan Area (bezdrôtová metropolitná sieť) Network

14 1. Úvod Pred viac ako 150 rokmi sa v USA uskutočnil prvý morseový prenos informácií medzi dvoma mestami. Tam niekde môžeme hľadať začiatky telekomunikačného priemyslu. Odvtedy prešiel telekomunikačný priemysel veľkými zmenami. Alexander Graham Bell vytvoril prvý telefónny prístroj a telefónna linka si našla svoje miesto vo väčšine domácnosti po celom svete. Paralelne s evolučným vývojom káblovej telefónie sa hľadali aj spôsoby bezdrôtového prenosu informácií. Začiatky novodobého bezdrôtového prenosu hlasu datujú 80-te roky minulého storočia, kde sa v systémoch AMPS použila prvýkrát frekvenčná modulácia. Vylepšené technológie v oblasti, kde prenosovým médiom je vzduch, začali odkrývať veľký potenciál na prenos dát. To prinútilo výskumníkov začať upierať pozornosť na wireless technológie. Mobilita sa čoraz viac stáva základnou požiadavkou zákazníka. Ďalšie výskumy a laboratórne testy v oblasti bezdrôtových technológií predpovedajú, že najbližšia dekáda tohto storočia bude patriť práve rádiovej komunikácií. Vďaka zdokonaleným adaptačným moduláciám, dynamickému časovo-synchronizovanému rozprestretiu a ortogonálne-frekvenčne delenému multiplexovaniu, ktorý je odolný voči viaccestnému šíreniu dokážeme priniesť vysokorýchlostné pripojenie na miesta, ktoré boli pár rokov dozadu víziou ďalekej budúcnosti. V mnohých štúdiách vyspelých telekomunikačných spoločností sa hovorí o konvergencii už existujúcich systémov. Z tohto dôvodu je samozrejmosťou, že pevný bezdrôtový prístup sa stane neodmysliteľnou súčasťou sietí ďalšej generácie (NGN). Obrovský pokrok v oblasti digitálneho spracovania signálov umožňuje vyrábať cenovo dostupné koncové zariadenia, ktoré sme mohli vidieť pred časom iba v drahých vedecko-výskumných a armádnych laboratóriách. Vďaka týmto poznatkom a viacerým výskumom bola v roku 1999 založená štandardizovaná pracovná skupina IEEE (The Institute for Electrical and Electronics Engineers), ktorá podrobne mapuje nové štandardy bezdrôtového prenosu. 1

15 2. Cieľ riešenia Cieľom tejto diplomovej práce je navrhnúť metropolitnú záložnú sieť Žilinskej univerzity na báze najmodernejších trendových technológií, ktoré vychádzajú zo štandardu Úvod diplomovej práce popisuje vznik pracovnej skupiny IEEE , ktorá sa zaoberá širokopásmovým bezdrôtovým prístupom a definuje základné vlastnosti metropolitných sietí. Ďalej je vysvetlený rozdiel medzi LOS a NLOS prostredím, pretože návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity sa vzťahuje najmä na NLOS prostredie. Jednou z najdôležitejších častí tejto práce je kapitola č. 5 o OFDM. V tejto kapitole je podrobne opísaný všeobecný a matematický popis OFDM technológie. Využitie diskrétnej Fourierovej transformácie na vytváranie subnosných vĺn, ktoré sa šíria viacerými cestami v NLOS prostredí. Môj prínos v tejto diplomovej práci je návrh blokových schém OFDM vysielača a prijímača (kapitoly 5.5 a 5.6). V týchto kapitolách som popísal podrobný postup pri spracovaní signálu v jednotlivých častiach OFDM vysielača, respektíve OFDM prijímača. Technológia OFDM bude v blízkej budúcnosti implementovaná do systémov, ktoré budú patriť do mobilných sietí štvrtej generácie. Kapitola č. 6 je venovaná prieskumu trhu v oblasti dodávaných zariadení, ktoré spĺňajú parametre štandardu a výberu zariadení, vhodných pre vytvorenie spoľahlivej WMAN siete. Na vybudovanie našej metropolitnej záložnej WMAN siete sme sa rozhodli použiť produkty od spoločnosti Motorola, ktorá vyrába pre-wimaxové zariadenia Canopy pracujúce v nelicencovanom pásme. Kapitola č. 7 obsahuje návrh a topológiu metropolitnej záložnej WMAN siete, vrátanie ekonomickej a technologickej analýzy v porovnaní s optickou trasou. Ďalšie dve kapitoly (č.8 a 9) sa venujú princípu činnosti, popisu parametrov a vlastností zariadení Canopy, ktoré sú použité pre našu sieť. Posledná kapitola je venovaná využitiu našej siete na prenos multimediálnych aplikácii (video streaming, VoIP) a konvergencii zariadení Canopy k WiMAXu. V prílohe sú zobrazené výsledky z laboratórnych testov zariadení Canopy, kde sme sledovali a merali latenciu paketov, s programom Ethereal sme odchytávali pakety pri video streame a s programom Hammer Call Analyzer sme analyzovali prenos hlasu (VoIP) cez bezdrôtovú sieť Canopy a školskú IP sieť. 2

16 3. Metropolitné siete založené na štandarde Pracovná skupina IEEE Pracovná skupina IEEE založená v roku 1999 sa zaoberá širokopásmovým bezdrôtovým pripojením BWA (Broadband Wireless Access). Táto pracovná skupina, respektíve štandardy, ktorými sa táto skupina zaoberá, je označovaná okrem tiež ako WMAN alebo WirelessMAN. Prvá norma, ktorá v tejto pracovnej skupine vznikla, bola označená ako Bola zverejnená 8. apríla 2001 a rieši rádiové rozhranie (air interface) pre bezdrôtové metropolitné siete. V apríli 2002 vznikla norma a, ktorá obsahuje rozšírenie pre frekvencie 2-11 GHz. Štandard c vznikol v januári 2003 a rieši podrobné špecifikácie normy (požiadavky na jednotlivé zariadenia). Najnovší prírastok do skupiny týchto štandardov bol v roku d, ktorý v podstate zhrňuje normy /a/c. V júni 2004 bola ratifikovaná norma , ktorá zhrňuje a nahradzuje všetky predchádzajúce varianty. Práve verzia je označovaná ako WiMAX. Ďalej sa pripravuje norma e, ktorá sa zameriava hlavne na mobilitu užívateľov (k dispozícii na trhu v roku 2007). Posledným pripravovaným dokumentom je g, ktorý by mal špecifikovať podporu operačných systémov. Stručný prehľad vlastností: Dosah cca. 50 km, 70 Mbps; 256 Mbps na fyzickej vrstve QoS (Quality of Service) Jednoduchá škálovateľnosť Nevyžaduje priamu viditeľnosť (2-11 GHz) Využíva licencované a nelicencované pásma Širokopásmové bezdrôtové technológie štandardu sú navrhnuté pre poskytovanie kvalitných a spoľahlivých služieb s vyspelým riadením QoS. Oproti dnes masovo využívaným technológiám Wi-Fi ponúka vhodné riešenie pre využitie v malých firmách ako aj pre domácich užívateľov žijúcich na vidieku a v malých mestách. WiMAX je teda reálnou alternatívou pre širokopásmové pripojenie, kde je technicky nereálne využívať služby DSL. [1] 3

17 3.2 Popis základných vlastností WMAN WMAN má veľkú šancu preniknúť na náš trh a zaplaviť veľké územia práve vďaka škálovateľnosti. Sieť nie je problém rozširovať a zvyšovať jej kapacitu aj bez výmeny už inštalovaných zariadení. Je to presne technológia stavaná na mieru pre použitie v rôznych podmienkach. Aj na vidieku, aj v meste. Najväčšou výhodou je práve adaptívna modulácia a možnosť rozdelenia pásma na menšie pásma, prípadne rozdeliť vyťažený sektor na dva menšie sektory. A tiež veľkým pozitívom je QoS. To všetko umožňuje rozvíjať sieť postupne a pritom poskytnúť pripojenie na väčšom území. Toto nedokáže žiadna káblová technológia. Najväčšími devízami štandardu sú prenosová rýchlosť, dosah signálu a možnosť šírenia signálu v hustých zástavbách, kde nie je priama viditeľnosť medzi vysielačom a prijímačom, čiže šírenie signálu v NLOS prostredí. Rýchlosť, dosah a NLOS spolu veľmi úzko súvisia a tvoria akýsi magický trojuholník (obr ). Nemôžeme mať všetky tri parametre naraz v najlepšej kvalite. Takže neexituje možnosť, ako dosiahnuť naraz vysokú rýchlosť, veľký dosah a NLOS. Tieto parametre musia byť neustále v rovnováhe. Keď sa pokúsime zvýšiť napríklad rýchlosť, tak nám automaticky klesne dosah. [2] Obr Trojuholník kvality 4

18 3.2.1 Rýchlosť Rýchlosť je vždy závislá priamo od šírky pásma a od použitej modulácie. Výhodou WMANu je používanie adaptívnej modulácie, ktorá umožňuje podľa kvality spojenia meniť typ modulácie. V praxi to znamená, že ak je rádiové spojenie kvalitné, použije sa lepšia modulácia a ak je nekvalitné použije sa horšia modulácia. WMAN vie pracovať so 64 QAM, 16 QAM, QPSK a BPSK moduláciami. modulácia počet počet rýchlosť v Mbps využiteľných b/hz stavov bitov kódovane/nekódované kódované/ nekódované 64 QAM /50 5/3,6 16 QAM /34 3,3/2,4 QPSK /17 1,6/1,2 BPSK /8 0,8/0,6 Tabuľka 3.2 Prehľad modulácii Použitie modulácie závisí od ďalších dvoch faktorov: NLOS a od vzdialenosti od základňovej stanice (BS). Ak je viditeľnosť slabá a vzdialenosť od BS je vysoká, neostáva iná možnosť, ako časť vyhradeného pásma použiť pre vzdialené obydlia pomocou BPSK. Základnou myšlienkou je do rovnakej šírky pásma namodulovať viacej bitov a tým aj schopnosť rozpoznávať viacej stavov. Lenže ako sa s pribúdajúcou vzdialenosťou od BS zhoršuje SNR (pomer signál-šum), nie je možné rozoznať na prijímacej strane jednotlivé stavy spoľahlivo, a preto sa používa slabšia modulácia. Sieť WMAN ponúka veľkú škálu diferenciácie tohto pásma na menšie pásma (od 1,5 MHz do 20 MHz s rôznymi medzistupňami a kombináciami). Takže sa bude môcť poskytovateľ rozhodnúť, na čo použije to pásmo a ako ho rozdelí, aby čo najefektívnejšie využil celú šírku. Napríklad 3,5 MHz bude môcť použiť pre pripájanie v blízkosti bázovej stanice (64 QAM) a zvyšok pre vzdialenejšie prípojky alebo celú šírku pásma použije iba pre najbližšie okolie BS. V tabuľke 3.2 sú uvedené údaje pre danú moduláciu pri využití celého 14 MHz frekvenčného pásma. Samozrejme, že tieto rýchlosti platia pre jeden sektor BS. Bežne má bázová stanica aspoň tri sektorové antény, takže prenosové kapacity sa týmto spôsobom zvyšujú. [2] 5

19 3.2.2 NLOS To, že nie je potrebný priamy výhľad na bázovú stanicu, je síce pravda, ale na druhej strane sa tým znižuje dosah signálu od BS. Je to však výhodné v husto osídlených oblastiach v mestách, kde je veľa vysokých budov a prípadne aj nerovností v teréne. V takýchto lokalitách je potrebné budovať bázové stanice hustejšie a samozrejme bázová stanica musí mať viacej sektorových antén, aby sa kapacita zvýšila. Ak by BS boli príliš ďaleko od seba, nebolo by možné používať dostatočne silnú moduláciu a využitie pásma by nebolo také efektívne. Prostredie NLOS je podrobnejšie popísané v ďalšej kapitole Dosah Môžeme uvažovať o dosahu pri priamej viditeľnosti (LOS) a pri nepriamej viditeľnosti (NLOS). Na obrázku je vidieť porovnanie týchto dvoch prístupov. Z uvedeného obrázku je jasné, že NLOS veľmi znižuje dosah signálu, a preto je potrebné stavať BS blízko k sebe, aby sa zaručila už spomínaná efektivita. Ale nič samozrejme nebráni postaviť BS ďalej od seba a neskôr, keď vzrastie počet zákazníkov a kapacity už nebudú stačiť, zhustiť sieť základňových staníc. [2] Obr Dosah signálu pre LOS a NLOS šírenie 6

20 3.3 Porovnanie WMAN s technológiou DSL WirelessMAN stavia svoj úspech hlavne na tom, že je lacnejší a je jednoduchšie inštalovať vysielač a antény ako kopať ulice a klásť optické káble. Okrem toho ako najmodernejšia prístupová technológia sprístupňuje všetky moderné širokopásmové služby vďaka flexibilnému využívaniu rádiového spektra a podpore riadenia kvality služby (QoS), ktorá umožňuje uprednostňovanie citlivého dátového prenosu (hlas, streaming video). WMAN vo svojich začiatkoch, ktorých sme práve svedkami, podporuje pevný bezdrôtový prístup, ale v blízkej budúcnosti bude vedieť ponúknuť svoje služby taktiež mobilným užívateľom. CHARAKTERISTIKY xdsl WMAN (802.16) Typ média Vyhradené Zdieľané Typické maximálne pokrytie Architektúra Maximálna rýchlosť 5km(ADSL)/7km(SHDSL) Prevádzkovateľ- DSLAM Zákazník- xdsl NT ADSL- 8Mbps/800kbps 15km(LOS), 1-2km(NLOS) Prevádzkovateľ- Base Station(BS) Zákazník- Subscriber Station(SS) PtP, PtM a mesh topológia BS- 70Mbps SS-4Mbps Roaming Nie Áno QoS Škálovateľnosť Napájanie u zákazníka QoS podobné ako u ATM V závislosti na kapacite DSLAM Zo siete Podpora MAC QoS Stovky zákazníkov v jednej bunke Zo siete alebo batérie Tabuľka 3.3 Porovnanie technológií WMAN a DSL Vďaka tomu bude možné postaviť rýchle metropolitné bezdrôtové prístupové siete pre užívateľov, ktorí môžu byť on-line aj pri pohybe so svojim koncovým zariadením (laptop, PDA), pričom ich kapacita bude porovnateľná s kapacitou káblových prípojok a DSL. Hlavnými prednosťami WMAN oproti súčasným prístupovým technológiám sú 7

21 nízke investičné náklady do sieťovej infraštruktúry a možnosť pracovať v licenčných a bez licenčných pásmach. 3.4 Porovnanie WMAN s WLAN Na prvý pohľad sa môže zdať, že medzi sieťami (WMAN) a (WLAN) existuje pomerne veľká podobnosť a že sa vlastnosti a využitie týchto technológií do veľkej miery prekrývajú, ale celá podobnosť začína a v podstate končí v tom bode, že v obidvoch prípadoch sa jedná o bezdrôtovú technológiu. Základný rozdiel je už v názve oboch štandardov: WLAN (často označovaná názvom WiFi) je bezdrôtová lokálna sieť, teda sieť kde jej pokrytie vo väčšine prípadov nepresiahne jednu budovu (blok budov) a jej maximálny dosah je približne do 10 km. Prenosové rýchlosti sú od 1 do 54 Mbps. WMAN je naproti tomu metropolitná sieť, ktorej maximálny dosah je cca 50 km a dosahované rýchlosti sú okolo 70 Mbps. [3] Typ Frekvenčné pásmo Kapacita na fyzickej vrstve Reálna užívateľská rýchlosť Mechanizmus prenosu b 2,4-2,485 GHz 11 Mbit/s Do 6 Mbit/s DSSS g 2,4-2,485 GHz 54 Mbit/s Do 22Mbit/s OFDM/DSSS a 5,1-5,3 GHz a 5,725-5,825 GHz 54 Mbit/s Do 25 Mbit/s OFDM Tabuľka 3.4 Druhy WLAN (WiFi) štandardov Štandard pre WLAN sa začal vyvíjať v polovici 90. rokov a v roku 1999 (keď bola vytvorená pracovná skupina ) už bol základný štandard a/b k dispozícii. Naproti tomu návrh WMAN je podstatne modernejší a obsahuje prvky, ktoré u WLAN nie sú zahrnuté. WMAN podporuje väčší počet užívateľov, má väčší dosah a priepustnosť. Okrem toho na rozdiel od WiFi obsahuje podporu pre QoS na MAC úrovni 8

22 a súčasťou štandardu je aj kvalitnejšie zabezpečenie. Prístup k médiu u WLAN je založený na CSMA/CA a pri WMAN vždy prebieha plánovanie, ktoré akékoľvek kolízie v podstate vylučuje. Obidve technológie používajú pre zvýšenie kapacity siete technológiu OFDM. Základná výhoda WLAN oproti WMAN je nepochybne to, že WLAN (WiFi) je dnes bežne používaná technológia, zatiaľ čo zariadenia určené pre WMAN sa len začínajú objavovať na trhu. Práve vďaka obdobiu, počas ktorého je už WiFi na trhu, sú ceny koncových zariadení veľmi priaznivé (niekoľkonásobne nižšie ako pri nástupe WiFi). Pri sieťach WMAN sa očakáva podobný pokles cien v nasledujúcich rokoch, kedy by sa mal začať zväčšovať jeho podiel na trhu. [3] Pravdepodobne môžeme očakávať, že obe technológie budú úspešne existovať vedľa seba a ich funkcie sa budú skôr dopĺňať ako navzájom prekrývať. Ako už bolo napísané, technológia WiFi svojimi vlastnosťami nie je určená pre metropolitné siete a jej využívanie pre tieto účely v našich podmienkach je v podstate zastupovaním a vyplňovaním medzery na trhu, ktorý doteraz neponúkal vhodné technológie. V ideálnom prípade bude v najbližšej dobe technológia WiFi (WLAN) vrátená do sektoru sietí, pre ktoré bola pôvodne navrhnutá a vonkajšie siete charakteru MAN budú využívať práve technológiu na štandarde Využitie: Prostredníctvom siete WMAN sa bude pripájať napríklad malá firma. V rámci objektu bude konektivita zaistená pomocou WLAN. Technológia WMAN je ideálna napríklad pre lokálnych poskytovateľov internetových služieb, ktorí môžu s jej pomocou vybudovať chrbticové spojenie v rámci mesta a technológiu WLAN použiť až na konečnú distribúciu k užívateľom do domácností. K firemným zákazníkom je vhodné použiť klientsku stanicu WMAN, aby bolo možné ponúknuť dostatočnú kapacitu a zaistiť príslušnú kvalitu. 9

23 3.5 Porovnanie WMAN so sieťami tretej generácie Základné UMTS, ktoré sú v súčasnosti nasadené už v 80 sieťach na svete, využívajú na vysielanie a príjem iné frekvenčné pásma (uplink/downlink), čiže frekvenčne delený duplex FDD. Dnes dostupné terminály podporujú prístupové rýchlosti do 384 kbps. Pre nepárované pásma vypracovalo 3GPP špecifikácie s časovo deleným duplexom TDD (Time Division Duplex). TDD mobil vysiela a prijíma na tej istej frekvencii, ale pre vysielanie sa používajú iné časové sloty ako pre príjem. Výhodou TDD je možnosť regulácie využitia časových slotov pre príjem a pre vysielanie. Takto dokážeme vytvoriť asymetrický prenos dát, čo je dôležité napríklad pri sťahovaní súborov alebo pri prehliadaní internetových stránok. Zatiaľ komerčné UMTS siete väčších mobilných operátorov využívajú UMTS s prístupom FDD. Prístup TDD sa vďaka svojim vlastnostiam bude využívať najmä na prenos dát. Plnohodnotné TDD UMTS aj s hlasovými službami nasadia mobilní operátori pravdepodobne až vtedy, keď začnú mať problémy s kapacitou v pásmach vyhradených pre FDD UMTS. Mnohonásobný prístup Šírka pásma Rozprestierací factor Modulácia Čipová rýchlosť TD-CDMA 5 MHz 1, 2, 4, 8, 16 QPSK, QAM 3,84 Mčipov/s Handover Max. prenosová rýchlosť Dĺžka rámca Trvanie časového intervalu Hard 2Mb/s (pri HSDPA v móde FDD až 14,4Mb/s) 10ms 667 µs Tabuľka 3.5 Vlastnosti UMTS TDD 10

24 Základná výhoda UMTS oproti WMAN je nepochybne to, že UMTS je technológia s ktorou sa už dlho počíta. Licencia na prevádzku tejto siete je už viac rokov (najmä v západnej Európe) predaná za relatívne vysoké ceny, a tak operátori mobilných sietí, ale aj výrobcovia zariadení do týchto sietí už investovali nemalé prostriedky. V Japonsku a v niektorých krajinách západnej Európy sú už tieto siete v prevádzke. Zariadenia určené pre WMAN sa ešte len začínajú objavovať na trhu. Pravdepodobne môžeme očakávať, že obidve technológie budú úspešne existovať vedľa seba, ale na druhej strane sa stanú najväčšími konkurentmi. U UMTS možno predpokladať ďaleko rozsiahlejšie pokrytie a s tým súvisiacu väčšiu mobilitu, samozrejme za cenu nižších prenosových rýchlostí a pravdepodobne vyšších nákladov ako by mohla poskytovať WMAN.[4] 11

25 4. Šírenie signálu v LOS a NLOS prostredí 4.1 Prostredie LOS V súčasnosti poznáme niekoľko technológií, ktoré dokážu poskytnúť pevné širokopásmové bezdrôtové spojenie, avšak aby sme dosiahli kvalitné spojenie musí byť medzi vysielačom a prijímačom priama viditeľnosť. Toto prostredie poznáme pod skratkou LOS (Line-of-Sight). Technológia založená na štandarde dokáže v LOS prostredí vytvoriť spojenie až na vzdialenosť 50km, ale vďaka svojím fyzikálnym vlastnostiam a OFDM technológii dokáže poskytnúť veľké pokrytie aj v oblasti NLOS (Near/Non-Line-of-Sight), čiže v miestach, kde nedokážeme zabezpečiť priamu viditeľnosť medzi vysielacou a prijímacou anténou.. Pri LOS spojení prechádza signál z vysielača prostredím priamo, bez akýchkoľvek prekážok, až k prijímaču. Od LOS spojenia sa požaduje, aby prvá Fresnelová zóna bola voľná a neobsahovala žiadne prekážky. Ak toto kritérium nie je splnené potom dochádza k značnému zníženiu sily signálu. Požadovaná veľkosť Fresnelovej zóny je závislá od frekvencie rádiového spojenia a vzdialenosťou medzi vysielačom a prijímačom. [5] Obr Fresnelova zóna v LOS prostredí 12

26 4.2 Prostredie NLOS Pri NLOS spojení sa signál dostáva do prijímača prostredníctvom odrazov, rozptylov a ohybov. Signály prichádzajúce do prijímača obsahujú zložky skladajúce sa z priamej trasy, viacerých odrazených ciest, rozptýlenej energie signálu a rôznych záhybov šírených vĺn. Tieto signály majú rôzne časové oneskorenie, tlmenie, polarizáciu a stabilitu v porovnaní s priamou trasou. [5] Obr NLOS šírenie NLOS môžeme rozdeliť na dva prípady v závislosti od prostredia, v ktorom vznikajú. Prostredie, kde je síce priama viditeľnosť medzi vysielačom a prijímačom, ale v 1. Fresnelovej zóne sa nachádzajú prekážky, ktoré výrazne oslabujú silu signálu nazývame Near-Line-of-Sight. Tieto prekážky spôsobujú budovy, stromy a nerovnosť terénu. Obr Prostredie Near-LOS 13

27 Prostredie, kde je 1. Fresnelová zóna úplne blokovaná prekážkou, nazývame Non- Line-of-Sight. Táto situácia môže nastať vtedy, ak je medzi vysielačom a prijímačom veľké pohorie alebo vysoká a hustá zástavba. V Non-LOS prostredí sú požiadavky na pripojenie oveľa náročnejšie v porovnaní s Near-LOS prostredím. Obr Prostredie Non-LOS Dosah signálu v Non-LOS je pri dostatočnom vysielacom výkone a šírke prenášaného kanálu do 2 km, pričom v Near-LOS podmienkach môže byť úroveň signálu dostatočná na príjem až 15 km od vysielacej antény. NLOS technológia umožňuje vyrábať indoor CPE (Customer Premise Equipment). Indoor CPE je zákaznícke zariadenie so vstavanou anténou umiestnené vo vnútri budovy. Možnosti použitia Indoor CPE sú obmedzované ziskom vstavanej antény v indoor CPE a penetráciou signálu cez steny budov, respektíve stratami signálu. Obr Inštalácie LOS a NLOS CPE zariadení 14

28 5. Ortogonálne frekvenčne delený multiplex 5.1 Všeobecný popis OFDM Technológia OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) umožňuje providerom prevádzkujúcim bezdrôtové internetové spojenie účinným spôsobom prekonať hustú zástavbu v mestách pri šírení rádiových vĺn medzi prístupovým bodom poskytovateľa a zákazníckym modulom používateľa. Tým sa odstránila podmienka nutnosti priamej viditeľnosti medzi prijímačom a vysielačom, čo výrazne zvýšilo možnosti budovania nových bezdrôtových účastníckych prípojok, predovšetkým na miesta, kde nie je z fyzikálneho hľadiska možné aplikovať technológie xdsl. OFDM eliminuje intersymbolovú interferenciu (ISI) a zložitosť adaptívnej ekvalizácie, pretože nosný signál modulovaný cez OFDM sa skladá z úzkopásmových ortogonálnych subnosných vĺn, tým pádom dokážeme ľahko kompenzovať selektívne úniky v prijímači. Ortogonálny frekvenčne delený multiplex je multi-nosná prenosová metóda, ktorá bola nedávno označená ako jedinečné riešenie pre vysokorýchlostnú bezdrôtovú komunikáciu. OFDM efektívne umiestňuje viaceré modulované signály tesne vedľa seba. Modulované nosné signály sú zúžené na požadovanú šírku pásma, čím dochádza k ich prekrývaniu, ale vďaka svojej ortogonalite sa navzájom nerušia. Táto technológia sa dnes používa v ADSL, ale aj v bezdrôtových systémoch ako a/g (WiFi), ale svoje uplatnenie bude mať najmä v štandarde Taktiež sa využíva pri bezdrôtovom vysielaní digitálneho videa a audia. OFDM je založená na frekvenčne delenom multiplexe (FDM), ktorý využíva paralelný prenos viacerých signálov súčasne s frekvenčným delením. Pri FDM má každá nosná svoje vlastné frekvenčné pásmo a na ňu sú potom namodulované dáta. Nosné vlny sú navzájom oddelené ochranným pásmom, aby sa predchádzalo ich vzájomnému prekrývaniu. Tieto vlny sú potom demodulované v prijímači, ktoré za pomoci filtrov vyberajú jednotlivé pásma (obr ). 15

29 Obr FDM s 9 nosnými vlnami s použitím filtra OFDM je podobná ako FDM, ale je mnohonásobne spektrálne účinnejšia, čo je zapríčinené stlačením subnosných vĺn k sebe, čiže sa opticky navzájom prekrývajú. Lenže zásluhou toho, že sú ortogonálne(čo znamená, že sú jedinečné, čiže nie sú rovnaké) je možné, aby sa jednotlivé nosné navzájom prekrývali a napriek tomu nebude dochádzať k ich vzájomnej interferencii. Prekrývanie subnosných vĺn vidíme na obrázku 5.1.2, kde sa požadovaná šírka pásma značne zmenšila nielen zásluhou odstránenia ochranného pásma, ale aj vďaka spomínanému vzájomného prekrývania kanálov. Obr OFDM s 9 subnosnými vlnami V štandarde sa stretávame s technológiou 256 OFDM, kde máme spolu 256 subkanálov, ktoré tvorí 256 subnosných vĺn (obr ). Pre prenos dát sa používa 192 subnosných vĺn, 8 je riadiacich a 56 je nulových. V základnej forme sa dáta na subnosných vlnách indikujú nulovým alebo jednotkovým bitom. Nezáleží pritom, či ide o moduláciu s fázovým kľúčovaním (PSK) alebo o kvadratúrnu amplitúdovú moduláciu (QAM), ktorá sa zvyčajne používa pri väčších prenosových rýchlostiach. Takže v tomto prípade môžeme dátové toky rozdeliť paralelne medzi 192 subnosných tokov, pričom každý z nich má vlastnú prenosovú rýchlosť. Každý dátový tok je potom namodulovaný individuálne na jednotlivé nosné zložky, pričom môžu využívať rôzne druhy modulácií (PSK, QAM). Riadiace subnosné vlny poskytujú referencie o frekvenciách a fázových skokoch počas prenosu, zatiaľ čo nulové subnosné vlny slúžia ako ochranné pásma, ale aj na prenos jednosmernej nosnej zložky (stredná frekvencia). 16

30 Obr OFDM s 256 subnosnými vlnami Prístup cez OFDM umožňuje jednotlivé subnosné vlny prideľovať rôznym používateľom. Napríklad vlny 1, 3 a 7 pridelíme prvému užívateľovi a vlny 2, 5 a 9 druhému. Obrázok zobrazuje rozdiel medzi OFDM signálom a signálom prenášaným jednou nosnou vlnou, kde informácie pri OFDM sú prenášané paralelne a pri jednej nosnej v sérii. [6] Obr Porovnanie prenosu pomocou jednej nosnej vlny a OFDM subnosných vĺn 17

31 Schopnosť spracovávať vzájomne oneskorené OFDM subnosné vlny, odolávanie viaccestnému šíreniu a nízka intersymbolová interferencia, to všetko pomáha vytvárať lepšie podmienky pre dosahovanie vyšších prenosových rýchlostí. Na obrázku vidíme rozdiel medzi príjmom signálu pomocou jednej nosnej vlny a príjmom OFDM signálu. Obr Prijímané signály v móde jednej nosnej vlny a v móde OFDM Škálovateľnosť OFDM prístupu umožňuje FFT s menším počtom subnosných vĺn zvýšiť výkon(účinnosť) pre kanály s menšou šírkou pásma. Tento spôsob sa uplatňuje pri štandarde , ktorý dokáže zredukovať veľkosť FFT z 2048 na 128 subnosných vĺn pri šírkach kanálov od 1,25 po 20 MHz. [5] Ďalšia výhoda OFDM je schopnosť správne spracovávať viaccestné šírenie. Z toho vyplýva, že OFDM dokáže účinne predchádzať frekvenčne-selektívnym únikom, interferenciám, je vysoko-spektrálne účinná a je odolná voči viaccestnému šíreniu. Táto technológia dokáže splniť náročné požiadavky pre vysoko-rýchlostný bezdrôtový prenos a našla uplatnenie nielen v technológiách , , DAB a DVB-T, ale sa s ňou počíta aj ako základnou technológiou pre siete štvrtej generácie (4G). 18

32 5.2 Matematický popis OFDM Po oboznámení sa so systémom OFDM, jeho výhodami a možnosťami využitia v moderných bezdrôtových prenosoch si ďalej vysvetlíme, prečo a ako dokáže OFDM systém prenášať jednotlivé subnosné vlny stlačené do seba, bez ich vzájomného rušenia. Matematický popis tohto systému nám umožní pochopiť správanie signálu v prenosovom kanáli a činnosť prijímača pri dekódovaní signálu. Ako sme si už povedali, OFDM prenáša veľký počet úzko pásmových nosných vĺn, ktoré sú stlačené husto vedľa seba vo frekvenčnej oblasti. Aby sme sa vyhli použitiu veľkého množstva modulátorov a filtrov vo vysielači a demodulátorov v prijímači, použijeme modernú techniku digitálneho spracovania signálov- rýchlu Fourierovú transformáciu (FFT). Obr Príklady OFDM spektier jednej subnosnej (a) a piatich (b). Stredné frekvencie každého subkanálu nie sú ovplyvňované ostatnými kanálmi. Každú subnosnú vlnu môžeme matematicky popísať ako komplexnú vlnu v tvare: (1) Skutočný signál je reálnou časťou s c (t). Amplitúda A c (t) a fáza Ø c (t) subnosnej vlny sa mení na symbol. Hodnoty parametrov zostávajú rovnaké počas celej periódy trvania symbolu τ. OFDM pozostáva z viacerých subnosných vĺn. Takto komplexné signály s s (t) (obr b) môžeme zapísať takto: 19

33 (2) kde Toto je priebeh spojitého signálu. Ak považujeme vlny každej zložky signálu ako jeden symbol, potom premenlivé hodnoty amplitúd A c (t) a fáz Ø c (t), ktoré sú závislé od frekvencie príslušnej nosnej, môžeme prepísať na: Ak vzorkujeme signál použitím vzorkovacej frekvencie 1/T, potom výsledný signál je reprezentovaný vzťahom: (3) Týmto sme ohraničili signál v čase, ktorý sme rozdelili na N vzoriek. Takto môžeme vypočítať dĺžku trvania symbolu pomocou vzťahu: v tvare: τ = NT Ak teraz zjednodušíme rovnicu 3 tvrdením, že ω O =0, tak dostaneme signál (4) transformácie: Teraz je rovnica 4 porovnateľná so všeobecným tvarom inverznej Fourierovej (5) V rovnici 4 je definícia funkcie signálu vo vzorkovanej frekvenčnej 20

34 oblasti a kt reprezentuje časovú oblasť. Rovnice 4 a 5 sú rovnaké ak: (6) Táto podmienka je zároveň podmienkou ortogonality. Takto v dôsledku dodržania ortogonality môže byť tento OFDM signál definovaný pomocou Fourierových transformačných procedúr. [6] 5.3 Fourierová transformácia Fourierová transformácia nám umožňuje popísať javy z časovej oblasti do oblasti frekvenčnej. Poznáme niekoľko druhov Fourierových transformácií. Výber toho, ktorú z nich použiť, závisí na príslušných požiadavkách na činnosť. Bežná transformácia popisuje spojitosť signálov, ktoré nie sú obmedzené časovo ani frekvenčne. Spracovanie signálu je jednoduchšie, ak je signál vzorkovaný. Pri vzorkovaní signálov s nekonečným spektrom dochádza k aliasingu a spracovanie signálov, ktoré nie sú časovo obmedzené, vedie k problémom s kapacitou pamäte. [7] Aby sme tomu zabránili, najčastejšie sa na spracovanie signálu používa diskrétna Fourierová transformácia (DFT). DFT variant je normálna transformácia, v ktorej sú signály vzorkované do časovej aj frekvenčnej oblasti. Rýchla Fourierová transformácia (FFT) je len rýchla matematická metóda pre počítačové aplikácie DFT. Dostupnosť tejto techniky, ako aj technológie implementovania do integrovaných obvodov za prijateľnú cenu, dovolili urýchliť vývoj celého OFDM systému. Definícia diskrétnej Fourierovej transformácie je: (7) a inverznej diskrétnej Fourierovej transformácie: (8) 21

35 5.4 Využitie FFT v OFDM Rozvojom digitálneho spracovania signálov máme možnosť zadefinovať signál vo frekvenčnej oblasti a generovať ho použitím inverznej FT. Signál je vo vysielači softvérovo definovaný vo frekvenčnej oblasti, vzorkovaný a definovaný takým spôsobom, že diskrétne Fourierové spektrum existuje len na diskrétnych frekvenciách. Každá nosná vlna OFDM signálu odpovedá jednému prvku diskrétneho spektra. Amplitúdy a fázy nosných vĺn závisia od vysielaných dát. V prípade konvenčného prístupu by tvorba OFDM signálu vyžadovala veľké množstvo oscilátorov a násobičov. Kľúčom k súčasnej popularite je použitie čipu VLSI inverznej FFT, ktorý realizuje transformáciu jednotlivých spektier z frekvenčnej do časovej oblasti. V čipe sa realizuje vzorkovanie, ktoré predstavuje reprezentáciu signálu v časovej oblasti. Vzorky sú vedené do DAC prevodníka- reálny elektrický signál. V prijímači je proces opačný. Signál je konvertovaný z analógového formátu na vzorkovaný digitálny signál. Vzorky odpovedajúce každému symbolu sú FT transformované do frekvenčnej oblasti. Toto umožní získať amplitúdu a fázu každej nosnej vlny. Obr Príklad výkonovej spektrálnej hustoty OFDM signálu (počet subnosných vĺn N=32) Obrázok 5.2.1a zobrazuje spektrum OFDM subkanálu. Obrázky 5.2.1b a znázorňujú spektrum OFDM, kde je garantovaná vzájomná ortogonalita subkanálov. [7] 22

36 5.5 Princíp činnosti OFDM vysielača Vstupné dátové informácie sa prevádzajú zo sériového toku na paralelný. Jednotlivé bity sa takto frekvenčne prekladajú za účelom zvýšenia odolnosti voči chybovosti. Aby nedošlo k veľkým stratám pri prenose v dôsledku frekvenčného selektívneho úniku, namodulujeme paralelne usporiadané bity na jednotlivé nosné vlny podľa určitého predpisu, respektíve podobnosti (namiesto ich konštantného sledu). Takto frekvenčný selektívny únik spôsobí len malé chyby, ktoré sa dajú kompenzovať pomocou FEC (Forward Error Correction- je systém kontroly voči chybám pre dátový prenos, kde prijímacie zariadenie je schopné detekovať a opraviť poškodené bity alebo symboly podľa vopred definovaného kľúča). Takto zoradené bity vstupujú do mapovacieho obvodu, v ktorom sú bity združované na základe použitej viacstavovej modulácie (16 QAM až 64 QAM) do symbolov, ktoré sú definované v komplexnom tvare. Pred tieto symboly sa vkladajú vopred známe pilotné informácie, ktoré sú posielané cez rovnaký kanálový filter s užitočnými informáciami za účelom zisťovania pozície symbolu po príchode do prijímača a pomáhajú k jeho rekonštrukcii na bity. Takto vzniknuté spektrá komplexných signálov sú transformované z frekvenčnej oblasti do časovej pomocou inverznej FFT a konvertované späť na sériový dátový prenos. Z IFFT sú za sebou vysielané OFDM symboly, ku ktorým sa pridá cyklický prefix, aby sme zabránili vzniku ISI. Takto upravený digitálny signál konvertujeme na analógový, ktorý sa namoduluje na nosný vysokofrekvenčný signál. Výsledný vysokofrekvenčný signál je zosilnený a vyžiarený do prostredia. Obr Bloková schéma OFDM vysielača 23

37 5.6 Princíp činnosti OFDM prijímača Po prenose rádiovým kanálom prichádza signál do prijímača zoslabnutý, skreslený a oneskorený. Zosilnenie signálu prebieha v zosilňovači s automatickým riadením zisku. Na zosilnenom signáli odmeriame jeho frekvenciu a porovnáme ju s prednastaveným oscilátorom VCO (Voltage-Controlled Oscillator), či nedošlo k frekvenčnému posunu. Frekvenčný posun nastáva, keď VCO v prijímači negeneruje presne rovnakú frekvenciu ako VCO vo vysielači. V OFDM systéme musia byť frekvencie vysielača a prijímača úplne rovnaké, aby sme zabezpečili dokonalú ortogonalitu. V opačnom prípade má vznik frekvenčného posunu za následok vznik ICI (obr ). [8] Obr Vznik ICI v dôsledku frekvenčného posunu Rušenie medzi subnosnými vlnami navzájom má za následok zvýšenie chybovosti. V skutočnosti sa však reálny oscilátor prijímača nedokáže naladiť na presnú frekvenciu VCO vysielača. To má za následok vznik fázového šumu v oscilátore (obr ). 24

38 Obr Účinok fázového šumu v oscilátore V OFDM prijímači sa kladie veľký dôraz na časovú a frekvenčnú synchronizáciu, ktorá je pri koherentnej demodulácii potrebná na zabezpečenie presnej kanálovej estimácie, ktorá je nevyhnutná na kompenzáciu skreslenia v kanáloch. Po frekvenčnej úprave signálu a časovej synchronizácii symbolu sa odstráni ochranný interval (cyklický prefix). Vzorky odpovedajúce každému symbolu sú cez FFT transformované do frekvenčnej oblasti a vytvorí sa paralelný tok subnosných vĺn. Toto umožní získať amplitúdu a fázu každej subnosnej vlny (symboly sú v komplexnom tvare). Za usporiadanie týchto symbolov do správneho kanálu zodpovedá pilotný signál, ktorý bol vložený vo vysielači. Signál v jednotlivých kanáloch obsahuje prídavný šum, ktorý je odstraňovaný kanálovými ekvalizátormi, aby sa zamedzilo vznikom chýb. Tieto komplexné symboly sú odmapované a pomocou viacstavovej demodulácie získavame paralelný rámcový tok bitov, ktoré sú dekódované pomocou FEC a prekladané na sériový tok dát užitočných informácií. Obr Bloková schéma OFDM prijímača 25

39 5.7 Viaccestné šírenie a jeho nežiaduce javy Aby sme porozumeli OFDM je potrebné poznať vedľajšie účinky, ktoré vznikajú pri šírení rádiových vĺn prostredím. Pri ideálnom rádiovom prenose vysielač vysiela signál, ktorý smeruje priamou vlnou do prijímača bez akýchkoľvek nepriamych ciest vznikajúcich odrazom od stien alebo iných objektov. V tomto prípade je prijímaný signál presnou kópiou vysielaného signálu. Bohužiaľ, k takýmto prípadom šírenia dochádza veľmi zriedka, lepšie povedané, takmer vôbec. V skutočnosti sa rádiový signál modifikuje počas šírenia prostredím. Prenášaný signál čelí rôznym kombináciám nežiaducich vplyvov, ako sú tlmenie, odrazy, lámanie a ohýbanie kópií pôvodného signálu. Okrem toho je kanál sprevádzaný šumom, ktorý je spôsobený posunutím nosnej frekvencie (Dopplerov jav), ku ktorému dochádza ak sa vysielač alebo prijímač pohybuje. Prudké zmeny signálu nastávajú, keď sa prenášaný signál odráža od objektov. Za takýchto okolností sa prenášaný signál nedokáže šíriť priamou vlnou k prijímaču. V skutočnosti dochádza k viaccestnému šíreniu, kde každý signál prejde rozdielnu vzdialenosť od vysielača k prijímaču, a tak dochádza k rôznym časovým oneskoreniam. Výsledkom je, že signál môže mať niekoľko vlastných ozvien (kópií), ktoré prichádzajú do prijímača v rozdielnych časoch. Do prijímača takto prichádza niekoľko kópií toho istého signálu s rozdielnou energiou a časovým oneskorením. Rozšírenie signálu oneskorením (Delay spread- t max ) je definované ako maximálny časový rozdiel medzi príchodom prvého symbolu a jeho poslednou kópiou zachytenou prijímačom. Rozšírenie signálu oneskorením je závislé od prostredia, v ktorom sa signál šíri. Najväčšie rozšírenie signálu oneskorením vzniká odrazom od budov, keď vzdialenosti medzi vysielačom a odrazovými stenami sú veľmi veľké. Okrem toho sa vlastnosti rozšírenia signálu oneskorením výrazne nemenia v rozsahu od 800MHz do 6GHz, čiže môžeme tvrdiť, že sú frekvenčne nezávislé v oblasti mobilného pásma. Typické rozšírenie signálu oneskorením vo vnútri budov sa pohybuje v rozsahu od 40ns do 200ns, zatiaľ čo vo vonkajšom prostredí sú rozšírenia od 1μs do 20μs. Pre lepšie pochopenie viaccestného šírenia pre vysokorýchlostný dátový tok predpokladajme, že signál je prenášaný ako diskrétny blok digitálnej informácie (symbol) každý časový interval T. 26

40 Za takýchto podmienok môže byť prijímaný symbol značne poškodený ozvenou predchádzajúceho symbolu. Tento jav nazývame intersymbolová interferencia (ISI). Obrázok znázorňuje poškodenie prichádzajúceho symbolu do prijímača spôsobené oneskoreným predchádzajúcim symbolom, týmto dochádza k vzniku ISI. ISI sa zväčšuje ak pomer t max /T narastá. Toto je spôsobené znížením časového intervalu T, za účelom zvýšenia prenosovej rýchlosti. Ak je pomer t max /T príliš veľký, potom prijímač nedokáže správne spracovať symbol prichádzajúci viaccestným šírením. [9] Obr OFDM symbol bez ochranného pásma prichádza na vstup prijímača poškodený predchádzajúcim oneskoreným symbolom (vzniká ISI) 27

41 Obr Pri použití cyklického prefixu (CP) oneskorenie predchádzajúceho symbolu neovplyvňuje aktuálny symbol (nevzniká ISI) Odstránenie tohto problému vieme zabezpečiť pridaním ochranného pásma (cyklického prefixu), ktoré vložíme na začiatok každého vysielaného symbolu. Cyklický prefix, ktorým vytvoríme nami požadovanú ochrannú dobu, nie je nič iné ako presná kópia konca symbolu umiestnená na jeho začiatok. Dĺžka ochranného intervalu by preto mala byť prinajmenšom rovná času rozšírenia signálu oneskorením- t max. Typické trvanie ochranného pásma je však dlhšie, aby sa zabezpečila dostatočná rezerva pre korigovanie vzniku ďalších chýb. Napríklad ak je rozšírenie signálu oneskorením vo vnútri budov 200ns, potom trvanie cyklického prefixu môže byť až 600ns. Týmto zabezpečíme, že oneskorený symbol prichádzajúci do prijímača viaccestným šírením nevplýva na ďalší symbol, ale zaniká v cyklickom prefixe, v ktorom nie je prenášaná užitočná informácia (obr ). Prijímač takýmto spôsobom dokáže prijímať nepoškodené symboly jeden za druhým. Takto dokážeme zaručiť ortogonalitu signálov a potlačiť internosnú interferenciu (ICI). [9] 28

42 6. Prieskum trhu v oblasti dodávaných zariadení a vznik WiMAX Fóra 6.1 Súčasná situácia na trhu oblasti WMAN Situácia v oblasti bezdrôtových technológií vďaka vzniku štandardu spôsobila na telekomunikačnom trhu doslova wireless revoluciu. Štandard býva často označovaný ako WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Napriek tomu, že medzi oboma názvami je veľmi blízka súvislosť, rovnaký význam nemajú. Zatiaľ, čo je klasický štandard, ktorý prechádza postupným vývojom a existuje už v niekoľkých verziách, WiMAX je skôr obecný názov, ktorým sú nazývané bezdrôtové siete vychádzajúce z (predovšetkým a e). Najmä zásluhou týchto okolností vznikla v roku 2003 organizácia s názvom WiMAX Fórum. WiMAX Fórum je nezisková organizácia združujúca firmy (v súčasnosti ich je viac ako 300 z celého sveta), ktoré sa angažujú v oblasti technológií WiMAX. Jej členmi sú výrobcovia samotných zariadení (Intel, Proxim, Alvarion, Redline, Alcatel, Motorola, Nokia, atď.), ale aj poprední prevádzkovatelia pevných a bezdrôtových sietí (British Telecom, France Telecom). Úlohou WiMAX Fóra je uľahčiť rozvoj bezdrôtových sietí založených na štandarde a zaručiť vzájomnú kompatibilitu prístupových zariadení jednotlivých výrobcov. Wimax Fórum sa súčasnosti zameriava na normu a jej súčinnosť medzi zariadeniami tohto štandardu. Veľmi intenzívne sa pracuje aj na štandarde e, ktorý sa čoskoro objaví na trhu a stane sa silným konkurentom sieťam tretej generácie. WiMAX Fórum uskutočňuje testovanie nových zariadení, s ktorým súvisí udeľovanie známky WiMAX Certified. V januári 2006 boli v španielskych laboratóriách CETECOM testované prvé zariadenia, ktoré získali tento certifikát. Prvá firma, ktorej udelili certifikát WiMAX je kanadská spoločnosť Redline Communications, ktorej produkt s názvom RedMAX určite čoskoro dorazí aj na náš trh. 29

43 Obr Produkty RedMAX od spoločnosti Redline Communications Produkty z rodiny RedMAX (obr ) zodpovedajú špecifikáciám podľa WiMAX Fóra a vychádzajú z technológie , ktorá využíva OFDM ako základnú moduláciu. Systém RedMAX disponuje základnými adaptívnymi moduláciami, ktoré vychádzajú z diskrétnych modulačných metód QPSK, QAM16 a QAM64. RedMAX je dostupný v licencovanom frekvenčnom pásme 3,5GHz a pre svoju činnosť potrebuje kanály o šírke pásma 3,5 MHz. V tabuľke 6.1 sú uvedené priepustnosti tejto technológie v závislosti na vzdialenosti pre kanál o šírke 7 MHz. [10] 30

44 Priepustnosť (ethernet/ rádiové rozhranie) PtM dosah PtP dosah 64 QAM/ -75 dbm 1 km NLOS 1.6 km NLOS 18.7 Mbps 4.8 km nlos 12.8 km nlos 22.5 Mbps 8 km LOS 19 km LOS 16 QAM / -82 dbm 1.3 km NLOS 2.4 km NLOS 12.4 Mbps 8 km nlos 19 km nlos 15 Mbps 13.6 km LOS 27 km LOS QPSK/ -89 dbm 1.8 km NLOS 3.9 km NLOS 6.2 Mbps 14.5 km nlos 29 km nlos 7.5 Mbps 22.5 km LOS 39 km LOS Tabuľka 6.1 Priepustnosti systému RedMAX v závislosti na vzdialenosti RedMAX je určený na výstavbu infraštruktur typu PtP a PtM. Tieto zariadenia sú postavené na čipe firmy Intel, ktorý je zárukou kompatibility so zariadeniami WiMAX Certified. RedMAX podporuje prevádzkové módy TDD a FDD. Infraštruktúra môže slúžiť pre prenosy typu Ethernet, alebo môže byť kombinovaná pre prenosy SDH typu E1/T1. RedMAX samozrejme podporuje QoS pre aplikácie citlivé na riadenie kvality služby, ako napríklad VoIP. [10] Medzi ďalšie spoločnosti, ktoré ako prvé získali označenie WiMAX Certified sú Aperto Networks, SEQUANS Communications a Wavesat. Obr Čipy pre WiMAX Base Station vyvinuté v laboratóriách firiem Wavesat (čip aj pre CPE) a SEQUANS Communications 31

45 Obr Štúdia siete WiMAX podľa firmy Aperto networks 6.2 Štandard Tento štandard bol vytvorený vďaka spolupráci pracovných skupín IEEE a ETSI HiperMAN. Štandard využíva OFDM technológiu a podporuje pevný bezdrôtový prístup v prostredí LOS a NLOS. Výrobcovia vyvíjajú vonkajšie a vnútorné zákaznícke zariadenia (outdoor a indoor CPE) a PCMCIA karty do notebookov. Prvé zariadenia sa budú vytvárať pre licencované pásmo 3.5GHz a nelicencované pásmo 5.8GHz. 6.3 Štandart e Je optimalizovaný pre dynamické mobilné rádiové kanály. Táto verzia je založená na vylepšeniach predchádzajúcich verzií a poskytuje podporu pre handover a roaming. Táto posledná verzia štandardu využíva stupňovitý OFDM prístup (SOFDMA) s viacnosnou modulačnou technikou využívajúcou subkanálovanie. Výrobcovia ako napríklad Intel budú priamo do svojich notebookov zabudovávať hardware s čipom pre 32

46 štandard e, tak ako to dnes vidíme pri WLAN (802.11). Poskytovatelia služieb verzie e môžu tak isto poskytovať služby pevnému bezdrôtovému spojeniu, čiže verzii Tento štandard by mal nastúpiť do prevádzky v roku Výber vhodného typu štandardu a frekvenčného pásma pre lokality budov Žilinskej univerzity Na Slovensku boli v roku 2005 udelené licencie pre FWA (Fixed Wireless Access) v oblasti 3,5GHz štyrom alternatívnym operátorom: Amtel Slovensko, GlobalTel, Telenor Networks a WiMax telecom Slovakia. Z dôvodu, že naša škola nevlastní licenciu na 3,5GHz a ani nespolupracuje s alternatívnym operátorom, ktorý ju vlastní, na návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity použijeme zariadenia Canopy TM pracujúce v oblasti nelicencovaného pásma ( GHz) alebo v pásme ISM ( GHz) od firmy Motorola. Na prepojenie jednotlivých budov (PtP) patriacich univerzite použijeme Canopy TM 45 Mbps Backaul panelové antény, ktoré vďaka OFDM dokážu prenášať dáta až na vzdialenosť 8-10 km v hustej zástavbe (NLOS prostredie). Pre riešenie poslednej míle pre koncového účastníka využijeme zariadenia Motorola Canopy, ktoré pracujú na princípe TDMA s použitím technológie DTSS (Dynamic Time-Synchronized Spreading). Vzhľadom na použité zariadenia a typy antén, môžeme toto riešenie považovať za prvý krok do sveta WiMAX. 33

47 7. Návrh topológie metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity 7.1 Slovenská akademická sieť SANET 2 V súčasnosti sieť SANET 2 spája 16 slovenských a dve zahraničné mestá, v ktorých má ukončenú vlastnú optickú trasu. Aktuálna situácia je znázornená na obr Obr Slovenská akademická sieť SANET 2 Združenie SANET realizuje v rámci projektu SANET 2 metropolitné siete v jednotlivých krajských mestách. Metropolitné siete nadväzujú na realizáciu chrbticovej siete SANET II a v mnohých prípadoch sa časti metropolitných sietí využívajú na realizáciu chrbticových sietí. Metropolitná sieť Žilinskej univerzity je súčasťou chrbticovej siete SANET. [11] 7.2 Metropolitná sieť Žilinskej univerzity MAN-ŽU spája pomocou optických vlákien jednotlivé lokality univerzity a vytvára vysokorýchlostnú chrbticovú sieť využívajúcu technológiu prepínaného gigabitového ethernetu. Aktívne prvky MAN-ŽU sú rozdelené do dvoch základných skupín. Jednu skupinu tvoria chrbticové prepínače zabezpečujúce spojenie medzi 34

48 jednotlivými lokalitami metropolitnej siete, druhú skupinu aktívnych prvkov tvoria prepínače umožňujúce pripojenie lokálnych prístupových sietí a ich začlenenie do VLAN podľa logickej štruktúry nezávisle na fyzickej dislokácii. Smerovanie paketov v chrbticovej sieti je realizované prepínaním na tretej vrstve (L3 switching). V súlade s projektom boli lokality SvF (Stavebná fakulta), FRI (Fakulta riadenia a informatiky), Rektorát, Campus Veľký Diel, Univerzitná knižnica a školské domovy Hliny prepojené rýchlosťou 1Gb, čo tvorí chrbticu MAN. Ako aktívne prvky sú použité prepínače CISCO rady 35xx. Centrálny prepínač Catalyst 3550 umiestnený v Univerzitnej knižnici zabezpečuje pripojenie celého komplexu internátov na VD a súčasne plní funkciu redundantného smerovača v prípade výpadku centrálneho routingu campusu VD. Okrem toho je optika položená aj k budovám NR, NS, k novej menze a k unimu H. Obr Topológia MAN Žilinskej univerzity Do infraštruktúry siete SANET je celá metropolitná sieť pripojená prostredníctvom vysokovýkonného prepínača CISCO Catalyst 6509 po optickej trase s max. rýchlosťou 1GB/s. Vybudovaním optickej chrbticovej siete metropolitnej siete, ako aj realizáciou 1. etapy budovania MAN Žilinskej univerzity boli vytvorené všetky 35

49 predpoklady na efektívne využívanie najnovších sieťových aplikácií v oblastiach vedy, výskumu a vzdelávania. Okrem pracovísk Žilinskej univerzity je na optickú sieť MAN ŽU pripojené Gymnázium na Ružičkovej ulici a boli vytvorené predpoklady na pripojenie Krajskej knižnice a a nemocnice s poliklinikou. Tieto budovy ale nebudú zahrnuté pre návrh našej záložnej siete.[11] Obr Optická a rádiová trasa metropolitnej siete Žilinskej univerzity 36

50 7.3 Lokalizácie budov Žilinskej univerzity pomocou GPS Na vhodný výber smerových antén, ktoré budú tvoriť spojenia typu Point-to-Point je dôležité poznať presné pozície budov, na ktoré chceme antény umiestniť. Pomocou GPS lokalizácie, vieme okrem presnej pozície určiť aj vzdialenosti jednotlivých trás, ktoré budú tvoriť bezdrôtové chrbticové spojenia. Na obr sú na GPS mape zaznačené budovy Žilinskej univerzity. Obr GPS mapa mesta Žilina s vyznačenými pozíciami budov ŽU V tabuľke 7.3 sú uvedené presné pozície jednotlivých objektov aj s nadmorskými výškami, ktoré sú zaznačené na vyššie uvedenej mape. 37

51 Názov budovy Pozícia Nadmorská výška FPV N E m FRI N E m FSI N E m KNIŽNICA N E m MENZA N E m NS N E m SD HLINY N E m SD VD N E m STAV FAK N E m UZOL NF N E m Tabuľka 7.3 Presné pozície objektov s nadmorskou výškou Žilinskej univerzity 7.4 Návrh topológie metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity Na základe rozloženia budov univerzity a ich vzájomných vzdialenosti sme vytvorili vhodnú topológiu záložnej bezdrôtovej siete. Záložná bezdrôtová sieť pozostáva z troch backhaul spojení Point-to-Point a z bezdrôtovej oblasti v areáli Veľký Diel, ktorá je tvorená prístupovými bodmi Canopy pracujúcimi s technológiou DTSS a je určená na vytváranie Point-to-Multipoint spojení (kapitola 9). V návrhu je zaznačené aj možné pokrytie areálu pri vysokoškolských internátoch na Hlinách z budovy Stavebnej fakulty. Spojenie Point-to-Point je uskutočnené smerovými anténami Canopy TM 45 Mbps Backhaul (kapitola 8). Tieto smerové antény využívajú OFDM modulačné techniky, ktoré dokážu pracovať v NLOS prostredí, a preto sú svojimi parametrami vhodné na použitie v hustej mestskej zástavbe. 38

52 Chrbticové spojenie (PtP) je realizované na troch trasách: - medzi areálom Veľký Diel a budovou Stavebnej fakulty - medzi budovou Stavebnej fakulty a bodovou Fakulty prírodných vied - medzi budovou Fakulty prírodných vied a budovou Fakulty špeciálneho inžinierstva Na obrázku je návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity, kde sú zobrazené jednotlivé trasy s vyznačenými vzdialenosťami vzdušných trás medzi budovami Žilinskej univerzity Obr Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity 39

53 7.5 Ekonomické a technologické porovnanie záložnej WMAN s optickou trasou Realizácia výstavby bezdrôtovej siete v porovnaní s optickou je výrazne odlišná a len veľmi ťažko môžeme hľadať spoločné črty, čo sa týka technológie a investičných nákladov na infraštruktúru. Dnes sa budujú optické trasy spolu s inými inžinierskymi sieťami napríklad teplovodné rozvody. Rovnako je možnosť riešenia závesnými káblami, kde sú náklady naozaj malé. Dnešný trend je jednoznačný, ak donedávna na Slovensku dominovalo rádio (najmä štandard ), tak v dnešnej dobe sú rádiové spojenia na ústupe. Všetko však môže napraviť prudký vzostup záujmu o služby pevného bezdrôtového prístupu (FWA) vo vyspelých ale aj v rozvojových krajinách sveta, kde sa začala upierať pozornosť najmä na WiMAX (802.16) a na konvergenciu iných bezdrôtových technológií práve na tento štandard. Nadchádzajúce obdobie bude v oblasti zamerané na ďalší rozvoj jeho mobilného e štandardu. Optické trasy síce poskytujú vysoké prenosové rýchlosti a kvalitné služby s tým spojené, ale stále väčší dopyt po mobilite otvára WiMAXu cestu, ktorá môže viesť po niekoľkých rokoch k vytvoreniu bezkonkurenčnej prístupovej siete, ktorá bude schopná spĺňať náročné požiadavky užívateľov. Z návrhu našej bezdrôtovej siete vieme povedať, že na vybudovanie našej siete, ale optickej, je potrebné vykopať približne 5 km dlhú trasu. V súčasnosti sa cena za výkopové práce pohybuje okolo Sk za 1 meter. K tomu ak pripočítame cenu optického kábla s pancierom približne SK za meter, tak samotné pokladanie káblov s výkopmi by stálo 4,5 až 8,5 miliónov SK. K tejto cene ešte nie sú pripočítané ceny za generátory optického žiarenia a iných optických zariadení. Musíme povedať, že vybaviť povolenie na výkopové práce nie je tiež jednoduchý proces, najmä ak by mala trasa viesť cez historické jadro mesta, kde sa nachádza budova Fakulty prírodných vied. Celý proces podania samotného návrhu, vybavenie potrebných povolení, výkopové práce a samotná inštalácia môže trvať niekedy mesiace, dokonca aj pár rokov. Z tohto hľadiska sa zdá vybudovanie záložnej bezdrôtovej siete oveľa reálnejšie a efektívnejšie riešenie. Inštalácia antén je otázkou niekoľkých dní alebo týždňov, pričom najväčšou výhodou je aj to, že antény budú umiestnené na budovách patriacim univerzite. Týmto nám odpadá množstvo legislatívnych povinností, ktorým sa pri riešení optickej trasy nevyhneme. Jediná povinnosť je oznámiť príslušnému úradu, že ideme prevádzkovať rádiovú sieť buď v pásme ISM ( GHz) alebo v nelicencovanom 40

54 pásme pre našu krajinu ( GHz). Canopy ponúka obe tieto riešenia a jej produkty sú v súlade so všetkými výkonovými obmedzeniami platiacimi v krajinách Európskej únie. V tabuľke 7.5 sú uvedené náklady na vybudovanie metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity. V základnej infraštruktúre siete počítame s kompetným zväzkom AP (5.7 GHz Advantage Access Point), ktorý nám pokryje signálom celý areál Veľký Diel. Jeden prístupový bod Advantage vytvára spojenie typu PtM a dokáže medzi užívateľov agregovať rýchlosť až 14 Mbps. Na vytvorenie troch chrbticových spojení typu PtP je potrebných 6 smerových antén (Canopy 45 Mbps Backhaul), ktoré dokážu vytvoriť spojenie až 33.6 Mbps. Prístupové body a smerové antény sú riadené a napájané zo štyroch riadiacich modulov (Cluster Management Module). Zariadenie Počet Jednotková Spolu kusov cena (v US $) (v US $) 5.7 GHz Advantage Access Point with AES Canopy 45 Mbps Backhaul CK Cluster Management Module CK Cluster Management Module micro Prídavné zariadenie (SM moduly, bleskoistky, adaptéry, káble) + rezerva 9400 Celkové náklady na záložnú WMAN sieť Žilinskej univerzity $ Tabuľka 7.5 Cenové náklady na vybudovanie metropolitnej záložnej siete ŽU Hoci bezdrôtové chrbticové spojenie nedosahuje prenosovú rýchlosť 1 Gbps ako pri optickej sieti, naša sieť poskytuje len 33,6 Mbps, môžeme povedať, že z hľadiska ceny a rýchlosti vybudovania celej siete sa jedná o vhodné riešenie pre vytvorenie záložnej siete pre už existujúcu optickú sieť. V prípade jej výpadku je naša sieť schopná zabezpečiť základné funkcie na zabezpečenie chodu ako napríklad prenos dát, prenos hlasu (VoIP), video streaming a bežné internetové aplikácie. V tabuľke 7.6 je cenové porovnanie prístupových sietí na trhu. Pri spočítaní celkových nákladov na jedného účastníka je riešenie Canopy od Motoroly najlacnejšie a najefektívnejšie riešenie z pomedzi ostatných najrozšírenejších technológií, ktoré sú 41

55 v súčasnosti dostupné. Vďaka tomu môžeme tvrdiť, že Canopy je správna voľba aj pre poskytovateľov internetových služieb lokálneho až metropolitného charakteru. Technológia Pripojenie cez satelit Max. užívateľská rýchlosť (down/up) Náklady na infraštruktúru (na 1 účastníka) Cena zariadenia pre zákazníka (CPE) Celkové náklady (na 1 účastníka) 400 kbps/ 56 kbps $1000+ $250 $1250+ DSL 1.5 Mbps / 768 kbps $ $125 $ Pripojenie koaxiálne (cable) Canopy wireless 3.5 Mbps / 384 kbps $315 $50 $365 7 Mbps agregované (plne konfigurovateľné down/ up ) $30 $220 $250 Tabuľka 7.6 Cenové porovnanie najrozšírenejších prístupových sietí s Canopy 42

56 8. Popis a parametre antén Canopy backhaul pre Point-to- Point spojenie 8.1 Všeobecný popis Canopy 45Mbps Backhaul Pomocou modulov Canopy 45 Mbps Backhaul môžu prevádzkovatelia poskytovať zabezpečené a spoľahlivé služby na veľké vzdialenosti s vysokou priepustnosťou až 33.6 Mbps. Backhaul moduly sú k dispozícii v prevedení s integrovanou anténou alebo s anténou s konektormi(obr ), takže operátori siete môžu poskytnúť dátové a hlasové služby v mnohých možných situáciách a pre rôzne aplikácie. Obr Typy Canopy backhaul antén Zariadenia sú určené pre spojenie typu Point-to-Point v pásme 5.8 GHz (ISM pásmo) ako bezdrôtový ethernetový most pre širokopásmové dáta. Backhaul antény poskytujú prevádzku pre prostredie, kde nie je priama viditeľnosť (NLOS). Vďaka technológii OFDM a MB-STC (Multi-Beam Space-Time-Coding) je možné použiť tieto zariadenie pre vybudovanie spojenia, kde je veľký lesný porast alebo hustá zástavba v mestách, preto sú tieto antény vhodné pre univerzálne nasadenie. MB-STC (Multi-Beam Space-Time-Coding) Backhaul antény s OFDM vyžarujú niekoľko lúčov z duálne polarizovanej antény. Týmto dosiahneme efekt pre výraznú ochranu proti únikom a prudko sa zvýši pravdepodobnosť rozpoznania užitočného prijatého signálu v prípade, že sa signál šíri viacerými cestami alebo v prípade iného rušenia. Tento efekt kombinovaný spolu s OFDM poskytuje vo svojej triede najlepšie parametre spojenia s veľkou spoľahlivosťou v podmienkach LOS, nlos a NLOS. [12] 43

57 Anténne backhaul spojenie pozostáva z páru identických jednotiek. Pri inštalácii sa nastaví jedna jednotka ako Master a druhá ako Slave. Každú jednotku vieme nastaviť buď ako Master alebo ako Slave. Každá strana linky pozostáva z: integrovanej vonkajšej vysielacej jednotky (obr ), ODU (Outdoor Unit) vnútorného pasívneho prepojovacieho boxu zaisťujúceho napájanie, indikáciu stavu a sieťového pripojenia (obr ), PIDU (Power Indoor Unit) Obr Backhaul Power Indoor Unit (PIDU) Vlastnosti: kapacita 45 Mbps je cenovo efektívnym riešením pre chrbticové spojenie k PtM AP zväzkom alebo pre rozšírenie T1/E1 hlasových liniek s dostatočnou kapacitou pre IP dáta techniky pre tlmenie interferencií spoľahlivo poskytujú kvalitný signál vo všetkých aplikáciách možnosti Long Range dovoľujú distribúciu a efektívne prepojenie šírky pásma a tým poskytovať služby za najnižšie investičné náklady na infraštruktúru zvýšené schopnosti prevádzky v prostredí, kde nie je priama viditeľnosť, zvyšujú šancu na vybudovanie spojenia pracuje na vzdialenosti 100m až 130km v troch módoch: 0-5km, 0-40km a 0-130km súčasťou zabezpečenia je i ochrana pomocou komplexného proprietárneho signálu s aplikovaným scramblingom Každá strana zariadenia Canopy backhaul linky pozostáva z integrovanej alebo konektorovej vonkajšej jednotky a malej napájacej jednotky. Inštalácia a nastavenie je veľmi jednoduchý a časovo nenáročný proces. Pre zaistenie 44

58 bezpečného spojenia má každý pár vonkajšej jednotky prednastavenú IP adresu, ako aj MAC adresu protiľahlej jednotky, ku ktorej sa bude pripájať. Prednastavená adresa urýchľuje čas potrebný pre inštaláciu, pri ktorej sa nastavujú vlastnosti zabezpečenia systému, vďaka čomu môžu obe jednotky nadviazať bezpečné spojenie. [12] Frekvenčné pásmo GHz Šírka kanálu 11 MHz Duplex TDD, symetrický (1:1) a asymetrický (2:1) Max. strata signálu (path lost) 167 db Dosah 130km (LOS), 10km (NLOS) Kryptovanie (Over-the-Air) Proprietárny scramblovací mechanizmus, AES Korekcia chýb FEC, ARQ Anténa Zisk 23.5 dbi Uhol vyžiarenia 8 stupňov Mód (modulácia) Max. výstupný výkon BPSK 24 dbm Výkon vysielača QPSK 23 dbm 16QAM 21 dbm 64QAM 19 dbm Mód (modulácia) Citlivosť Citlivosť prijímača BPSK ½ dbm 16QAM ¾ dbm 64QAM 7/8-73.6dBm Tabuľka 8.1 Parametre antény Canopy backhaul 45

59 9. Využitie backhaul prístupových bodov na pokrytie areálu Veľký Diel pomocou AP na báze DTSS 9.1 Využitie technológie DTSS pre riešenie poslednej míle Dynamické rozprestretie s časovou synchronizáciou (Dynamic Time- Synchronized Spreading) predstavuje po technológiách priameho rozprestretia (DSSS) a frekvenčného skákania (FHSS) najvyspelejšie riešenie viacnásobného prístupu ku kanálu v sieťach WLAN. Prenosovými parametrami a oblasťou, ktorú dokážu pokryť, ich môžeme zaradiť aj medzi siete s charakterom WMAN. Práve túto technológiu si vybrala firma Motorola, ktorá vo svojich zariadeniach s označením Canopy využíva najmodernejšie technológie (vrátane DTSS), ktoré dokážu uskutočniť vysokorýchlostnú bezdrôtovú komunikáciu. DTSS tak urobila systém Canopy jedným z najspoľahlivejších riešení pre širokopásmovým bezdrôtový prístup v súčasnosti. Zariadenia Canopy založené na DTSS predstavujú rýchle, spoľahlivé a cenovo dostupné bezdrôtové riešenie. DTSS je kombináciou najlepších aspektov frekvenčnej modulácie, synchronizácie a techník interferenčného spracovania. Spektrum rádiového DTSS obsahuje širokopásmový FSK (Frequency Shift Keing) modulovaný signál. FSK je modulačná technika na prenášanie dát v digitálnom tvare prostredníctvom nosnej (analógovej) vlny. FSK prepína frekvenciu nosnej vlny, čo má za následok zvýšenie spracovania zisku užitočného signálu, respektíve zmenšenie jeho výkonovej intenzity v porovnaní s DSSS alebo FHSS systémami. To znamená, že modulovaný DTSS signál je odolnejší voči nežiaducej interferencii v porovnaní so systémami, ktoré tiež pracujú na princípe zdieľania rovnakého spektra. Zároveň DTSS robí celý rádiový systém menej náchylný na interferencie oproti ostatným bezdrôtovým technológiám. Systém Canopy dokáže zachytiť a vyhodnotiť užitočný signál, ktorý je iba o 3 db silnejší ako šum v okolí. Iné systémy vyžadujú CIR 10 db a viac, to znamená, že ich užitočný signál musí byť minimálne desaťkrát silnejší ako šum, aby systém mohol pracovať správne. Konečný dôsledok je ten, že DTSS dáva Canopy prívlastok jedného z najspoľahlivejších systémov súčasnosti. Vysokorýchlostná technológia DTSS udeľuje užívateľovi rýchlosť viac než 6 Mbps, ktorá garantuje požadované širokopásmové služby pre svojich zákazníkov. [14] 46

60 9.2 Prenos rozprestretých rámcov Ďalším kľúčovým elementom DTSS je prenos rozprestretých rámcov (Transmit Frame Spreading). Vďaka TFS dokáže centrálny vysielač (Access Point) vysielať trigonometrický signál v pseudonáhodných rámcoch. To umožňuje prístupovým bodom (vysielačom) adresovanie viacerým prijímačom v rovnakej geografickej zóne bez vzájomného rušenia. TFS robí celý systém viac spoľahlivý a stupňovateľný. Ak sa zvýši počet účastníkov v danom území, priradené prístupové body Canopy dokážu ľahko spracovať zvýšenú účastnícku záťaž. Okrem toho, viacero nezávislých Canopy systémov dokáže pracovať v rovnakom frekvenčnom spektre v rovnakej geografickej oblasti. Toto je veľmi dôležitá vlastnosť požadovaná pre účinné riadenie v nelicencovaných frekvenčných pásmach. [14] 9.3 GPS synchronizácia DTSS využíva synchronizáciu cez systém GPS na zabezpečenie a riadenie presných časových sekvencií a koordinácie vysielacích a prijímacích časových intervalov všetkých komponentov Canopy siete. GPS je satelitný systém vybudovaný americkou armádou na určovanie presnej pozície a lokalizáciu objektov kdekoľvek na Zemi. Global Positioning System je skupina 24 satelitov (obr ), ktoré sú rovnomerne rozložené na šiestich obežných dráhach s orbitom km. Každý satelit obieha tak, aby na ktoromkoľvek mieste na Zemi bola možnosť príjmu minimálne z 5-10 satelitov. Satelity nepretržite posielajú na Zem informácie o svojej pozícii na orbite a o presnom čase. Prijímače GPS tieto informácie preberajú (min. od 3 a max. od 12 satelitov) a z prijatých údajov určia svoju presnú pozíciu, rýchlosť a smer pohybu. Výhodou GPS je, že poskytuje veľmi presný časovo-synchronizovaný signál. DTSS preto využíva tento GPS synchronizovaný signál na riadenie komunikácie a najmä na presné pridelenie časových intervalov, kedy majú vysielače vysielať a prijímače prijímať. Tento moderný spôsob časovej synchronizácie je dôležitý na zabezpečenie časovo-deleného duplexu (TDD), v ktorom sú odchádzajúce a prichádzajúce prenosy uskutočňované v rovnakom frekvenčnom pásme, ale striedavým spôsobom (vysielanie-príjem). Toto presné časovanie zaručuje, že žiadny vysielač nebude vysielať informácie v čase, keď by ich mal prijímať alebo naopak. Tým zabránime vzniku vlastnej interferencie. Neprítomnosť vlastnej interferencie v systéme Canopy tiež 47

61 znamená, že prístupové body sa nebudú navzájom rušiť, aj keď budú umiestnené vo svojej tesnej blízkosti, ako napríklad v hustej zastavanej oblasti. TDD systémy bez synchronizácie môžu tiež pracovať správne, ale v prípade zvýšenia účastníkov vlastná interferencia spôsobí, že príslušné prístupové body nedokážu spracovať ich zvýšený počet. V konečnom dôsledku synchronizácia cez GPS vytvára systém Canopy spoľahlivejším a viac stupňovateľným. [14] Obr GPS satelity vo výške km nad Zemou 9.4 Riadenie prístupu k médiu v DTSS systémoch Ďalšou dôležitou súčasťou DTSS je riadenie prístupu na MAC vrstve prostredníctvom prideľovania dostupných rádiových zdrojov jednotlivým vysielačom a prijímačom. DTSS využíva centralizované riadenie prostredníctvom prístupového bodu, ktorý koordinuje vysielanie dát účastníkov v danej oblasti. Prístupový bod sa správa ako učiteľ v triede, ktorý požaduje od svojich žiakov (účastníkov) aby sa hlásili predtým ako dostanú povolenie rozprávať (vysielať). Iné bezdrôtové systémy, ako napríklad štandard , využívajú kolízne metódy, v ktorých účastníci súperia medzi sebou o pridelenie pásma na vysielanie svojich informácií. To znamená, že účastníci síce môžu vysielať kedy chcú, ale ak začnú vysielať v rovnakom čase viacerí, tak ich informácie sa znehodnotia a účastníci musia čakať, kým sa uvoľní kanál a pokúšať sa o prenos neskôr. Takýto mechanizmus je vyhovujúci v kanceláriách a uzavretom prostredí, kde využíva danú sieť relatívne malý počet účastníkov. Vo vonkajšom prostredí výkon systému 48

62 prudko poklesne, ak sa pokúšajú súčasne komunikovať viacerí účastníci v rovnakom čase. Preto systém Canopy môžeme považovať za ideálne riešenie pre komunikáciu viacerých účastníkov v rovnakej geografickej zóne. [14] 9.5 Prenášanie krátkych paketov v DTSS V systéme Canopy sa pred prenosom kúskujú vstupné dáta do malých paketov o pevnej dĺžke. Výhoda tohto spracovávania je v tom, že chyby vznikajúce pri prenose vieme rýchlo opraviť vďaka opakovanému prenosu iba poškodených krátkych paketov. Systémy generujúce dlhé pakety musia na rozdiel od Canopy čakať, pokiaľ nie je prijatý celý paket a až potom sa zistí, či paket obsahuje chyby. Keď dôjde k chybe, musí sa celý paket preposlať znovu. Požiadavka opakovaného prenosu celého paketu má často za následok značné zhoršenie celkového výkonu v celom systéme. Krátke pakety umožňujú systému Canopy pracovať s oveľa menšími únikmi signálu pri rovnakej miere bitovej chybovosti (BER) v porovnaní s podobnými systémami. [14] 9.6 Systém Canopy Produkty z rodiny Canopy podporujú riešenia Point-to-Point, Point-to-Multipoint a rozšírenie pre T1/E1 hlasové spojenia (obr ). Obr Nasadenie produktov Canopy 49

63 Canopy je technológia vhodná pre vybudovanie, alebo rozšírenie už vybudovaných širokopásmových sietí bezdrôtovo. Canopy zabezpečuje vysokorýchlostné spojenie podľa požiadaviek zákazníka, ako je širokopásmové internetové pripojenie, prenos hlasu (VoIP), prenos videa (streaming) a to všetko prostredníctvom bezpečných kryptovacích metód, ktoré zabezpečujú spoľahlivý prenos rádiovým kanálom. [13] Obr Komunikácia medzi modulmi Canopy Názov Modul AP Zväzok AP Modul SM Modul CMM Modul BH Definícia Jeden modul, ktorý zaisťuje distribúciu sieťových alebo internetových služieb vo vyžarovanom uhle 60 stupňov až pre 200 účastníkov. Dva až šesť modulov AP, ktoré spoločne zaisťujú distribúciu sieťových alebo internetových služieb až pre 1200 účastníkov. Každý z modulov AP vykrýva vyžarovaný uhol 60 stupňov a celý zväzok dokáže pokryť až 360 stupňov. Zariadenie CPE (na strane zákazníka), rozširujúci sieťové alebo internetové služby pomocou komunikácie s modulom AP. Jeden modul, ktorý zaisťuje napájanie, GPS synchronizáciu a pripojenie siete na zväzok AP modulov. Pokiaľ je tento modul CMM pripojený k BH (modul backhaul), potom je tento CMM ústredným bodom celej siete. Modul, ktorý slúži na vybudovanie spojenia bod-bod. Tabuľka 9.6 Stručný popis jednotlivých súčastí systému Canopy 50

64 9.7 Agregovaná priepustnosť pri PtP a PtM protokoloch Point-to-Point protokol Agregovaná priepustnosť sa skladá z prenosu v obidvoch smeroch (Master> Slave & Slave< Master). Pre Canopy 45 Mbps backhaul je agregovaná priepustnosť 33.6 Mbps (obr ). [13] Obr Časový rámec pre Point-to-Point protokol Point-to- Multipoint protokol Agregovaná priepustnosť sa skladá z prenosu v obidvoch smeroch (AP> SM & SM< AP). Agregovaná priepustnosť pre AP modul je 7 Mbps, nezávisle na % downloade (obr ). Platforma Advantage poskytuje priepustnosť až 14 Mbps. [13] Obr Časový rámec pre Point-to-Multipoint protokol 51

65 9.8 Komunikácia medzi AP a SM pomocou Point-to-Multipoint protokolu Jeden AP modul dokáže komunikovať až s 200 účastníckymi SM modulmi vďaka Multipoint protokolu. AP rezervuje časové sloty (červené rámce) pre SM moduly v danej oblasti patriace danému AP v zadnej časti každého rámca (2.5 ms). Týmto sa zabezpečí upload z SM do AP (download-žltý rámec). [13] Obr Komunikácia Point-to-Multipoint medzi AP a SM 52

66 9.9 Časová synchronizácia medzi AP a SM modulmi V systéme Canopy každý modul SM komunikuje s modulom AP vo vyhradenom časovom slote, ktorý riadi modul AP. Modul AP koordinuje požiadavky na prenosy dát k užívateľom aj od užívateľov tak, aby bola zaistená bezproblémová komunikácia v celej sieti. Moduly AP využívajú Point-to-Multipoint protokol pre komunikáciu so všetkými modulmi SM, ktoré sú zaregistrované v sieti. Riadiace časovanie u BH (backhaul) zabezpečuje BH Master a používa Point-to-Point protokol pre komunikáciu s BH Slave. CMM (Cluster Management Module) je najdôležitejšou súčasťou pre prevádzku systému Canopy. CMM v jednom zväzku AP alebo v celom bezdrôtovom systéme zaisťuje časovací impulz GPS pre každý modul a tak synchronizuje prenosové cykly siete. Bez týchto impulzov je AP nesynchronizovaný a BH Master nemôže synchronizovať BH Slave. Nesynchronizovaný modul by mohol skúsiť prenášať dáta uprostred prijímacieho cyklu iných modulov. Takto by sa mohlo stať, že by jeden alebo viac modulov prijali nežiaduci signál, ktorý by bol tak silný, že by daný modul nemusel citlivo zachytávať požadovaný signál. [13] Obr Časová synchronizácia medzi AP a SM 53

67 9.10 Popis základných parametrov CMM, AP a modulu SM Cluster Management Module CMM je srdcom synchronizácie a zabezpečuje riadenie prístupových bodov a backhaul modulu. CMM poskytuje spoľahlivú synchronizáciu celej siete Canopy a obsahuje 9 prístupových portov a switch (obr ). Obr Pohľad na CMM spredu Obr Blokové zapojenie systému Canopy 54

68 9.9.2 Prístupový bod AP-Advantage Prístupový bod distribuuje služby pre priľahlú komunitu a komunikuje so zákazníckymi modulmi SM. Platforma Canopy Advantage vylepšuje výkonnosť siete a umožňuje poskytnúť väčšiu šírku pásma a schopnosť poskytovať vysoko kvalitný prenos hlasu cez IP (VoIP) každému účastníkovi siete Canopy alebo vytvárať virtuálne lokálne siete (VLAN). Popis základných parametrov je v tabuľke [13] Špecifikácia Canopy AP Frekvenčné pásma ISM: GHz U-NII: GHz a GHz ISM: GHz Prístupová metóda TDD/TDMA Signalizačná rýchlosť 10 Mbps (20 Mbps- Advantage) Latencia 20 ms (7 ms Advantage) Maximálna priepustnosť Downlink: 4.6 Mbps (75% pridelenie z rámca) Uplink: 1.6 Mbps (25%) Platforma Advantage: 9.2/ 3.2 Mbps Modulácia BFSK Pomer nosná/interferencia 3dB Citlivosť prijímača -83 dbm, 10-4 BER Prevádzkový dosah 3 km 16km (s pasívnym reflektorom) Výkon vysielača 23 dbm Anténna Vertikálna polarizácia, šírka lúča 60 x 60 Zisk antény Použité protokoly Podporované protokoly 7 db IPv4, UDP, TCP, ICMP, Telnet, http, FTP, SNMP, DES, AES L2 switching, Ethernet protokoly IPv6, DHCP, IPX Tabuľka 9.10 Základné parametre AP 55

69 9.9.3 Účastnícky modul SM SM modul je zariadenie na strane zákazníka, ktoré komunikuje s AP alebo so zväzkom AP. AP koordinuje potreby SM modulov pri prenose dát a to v obidvoch smeroch (obr ). AP používa protokol Point-to-Multipoint pre komunikáciu s jednotlivými SM jednotkami. K jednotke SM je možné pripojiť prakticky akékoľvek ethernetové zariadenie (v rámci Local Traffic), od jedného počítača až po celú sieť, pretože jednotka SM umožňuje preklad adries (NAT) a filtrovanie protokolov alebo portov. Parametre SM sú plne kompatibilné s parametrami AP. Priepustnosť systému Canopy je optimalizovaná pre veľkú záťaž, takže pridaním ďalších účastníkov sa nedegraduje priepustnosť. Merateľná priepustnosť je 6.2 Mbps Point-to-Multipoint a nezávisí na počte účastníkov alebo priemernej záťaže. Pri Canopy Advantage je priepustnosť dvojnásobná. Pre podporu QoS VoIP musí mať systém mechanizmus pre určovanie priority pre VoIP pakety a tiež musí poskytovať rovnakú latenciu v každej situácii. Latencia systému je 20 ms a platforma Advantage dosahuje hodnotu iba 5-7 ms. [13] Obr Lokálna a sieťová komunikácia medzi AP a SM 56

70 10. Využitie systému Canopy na multimediálne aplikácie Systém Canopy je vďaka svojím parametrom (najmä vysokej priepustnosti a nízkej latencii) schopný poskytovať kvalitnejšie širokopásmové služby pre koncového zákazníka. Systém Canopy je určený nie len pre riešenie poslednej míle a koncových účastníkov, ale aj pre malé a stredné firmy, ktoré majú zvýšené požiadavky pre hlasové a dátové služby. Vhodným umiestnením zväzku AP môžeme pokryť veľkú časť územia a tým ponúknuť širokopásmové služby na miesta, kde je technologicky alebo finančne náročne budovať optické a metalické rozvody. Zásluhou DES a AES kryptovaniu disponuje systém Canopy väčšou spoľahlivosťou ako iné bezdrôtové technológie. Canopy vďaka OFDM a DTSS poskytuje riešenie, ktoré je schopné svojimi vlastnosťami konkurovať technológiám ako DSL. Okrem toho Canopy ponúka rozšírenie hlasových služieb pre T1/E1 okruhy (obr ). Obr Canopy ako súčasť T1/E1 hlasových spojení V prílohovej časti sú popísané merania, ktoré sme uskutočnili laboratórnych podmienkach pomocou AP a SM modulov Canopy. Na daných zariadeniach sme otestovali priepustnosť, sledovanie videostreamu z internetu a odchytávanie paketov pomocou programu Ethereal. Pomocou programu na sledovanie pingu sme urobili štatistiky odozvy a latencie pri rôznych veľkostiach paketov (100, 500,1000 a 1500 bytov). Týmto testom sme zistili, že latencia sa pohybuje v rozmedzí 3-12 ms, to znamená, že zariadenia Canopy sú vhodne nielen pre prenos hlasu, ale aj pre on-line hry. Na sledovanie IP televízie je potrebné zabezpečiť prenosovú rýchlosť downloadu 5.5 Mbps, s tým že účinnosť prenosu paketov by bola 100%. Na prenos televíznych kanálov 57

71 je preto vhodné použiť SM moduly so signalizačnou rýchlosťou 20 Mbps. Nakoniec sme otestovali prenos hlasu cez IP (VoIP). Na strane SM modulu sme nainštalovali softvérový IP telefón X-lite a cez sieť Canopy a školskú IP sieť sme uskutočnili testovací hovor. Podrobné výsledky a štatistiky z testov sú uvedené v prílohe. Spoločnosť Motorola, ktorá je členom skupiny WiMAX Fórum, sa rovnako ako iné firmy usiluje konvergovať k štandardu WiMAX a to práve pomocou produktov rodiny Canopy. Ich cieľom v najbližších rokoch je vytvoriť sadu produktov Canopy WiMAX v nelicencovanom pásme, ktoré budú plne kompatibilné so súčasnými zariadeniami Canopy. Nové zariadenia (AP a SM) by sa mali dať inovovať pomocou softvéru a nie výmenou hardvéru. Je to dôležité na to, aby WiMAX AP mohol komunikovať nie len s WiMAX SM modulmi, ale aj s SM Advantage a Classic. Vďaka tomu Canopy prinesie ešte kvalitnejšie širokopásmové služby aj starým zákazníkom bez výmeny ich koncových zariadení(obr ). Obr Interopereabilita medzi novými a starými Canopy zariadeniami 58

72 11. Záver Výsledkom tejto diplomovej práce je návrh bezdrôtovej metropolitnej záložnej siete pre Žilinskú univerzitu, ktorá pozostáva zo zariadení Canopy od Motoroly. Cieľom diplomovej práce bolo čo najpodrobnejšie priblížiť situáciu súčasného rozvoja a trendov moderných bezdrôtových technológií, ktoré sa dnes opierajú najmä o štandard vytvorený pracovnou skupinou IEEE pod označením a návrh záložnej metropolitnej siete práve pod týmto štandardom. Štandard zahŕňa najmodernejšie techniky spracovania signálov a adaptívnych modulácií a vďaka technológií OFDM dokážeme pokryť signálom veľké územia a poskytnúť užívateľom širokopásmové služby v prostredí NLOS. Značný rozsah v tejto práci som venoval technológii OFDM, ktorá je neodmysliteľnou súčasťou najnovších zariadení v oblasti bezdrôtových technológií. V tejto časti je popísaný aj princíp činnosti a návrh OFDM vysielača a prijímača. OFDM sa stala pilotnou technológiou pri výrobe WiMAX zariadení, a preto sa na ňu kladie v tejto oblasti najväčší dôraz. Po navrhnutí topológie siete som urobil finančnú analýzu na vybudovanie tejto siete. Celkový rozpočet na výstavbu a zakúpenie zariadení Canopy je amerických dolárov (cca. 2 milióny Skk). V porovnaní s vybudovaním optickej trasy je cena našej siete niekoľkonásobne nižšia. Hoci priepustnosť našej siete je podľa nášho návrhu na chrbticových spojoch iba 33.6 Mbps a oproti 1Gbps ethernetu výrazne nižšia, na vybudovanie záložnej trasy je práve naša sieť vhodné riešenie a aj prenosová rýchlosť je pre základnú prevádzku siete úplne postačujúca. V prílohovej časti sú aj výsledky simulácie pokrytia signálu našimi anténami z programu RadioLab. Tak isto sme v laboratórnych podmienkach testovali AP a SM moduly. Výsledky testov sú taktiež v prílohovej časti diplomovej práce. 59

73 Zoznam použitej literatúry [1] [2] slovensko [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Motorola Canopy CPT-002 Technical Overview CD [14] Motorola Canopy CPT-003 Canopy User Guides on CD

74 ČESTNÉ VYHLÁSENIE Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Daniela Milučkého a používal som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce. V Žiline dňa... podpis diplomanta

75 Poďakovanie Touto cestou by som chcel poďakovať Ing. Danielovi Milučkému za odbornú pomoc, rady a vedenie pri vypracovávaní mojej diplomovej práce, ako aj vedúcemu Katedry telekomunikácií prof. Ing. Milanovi Dadovi, PhD. za pomoc pri zakúpení potrebných zariadení k tejto diplomovej práci, mojej rodine a všetkým ostatným priateľom, ktorí mi akýmkoľvek spôsobom vyjadrili pomoc a podporu.

76 Elektrotechnická fakulta Návrh metropolitnej záložnej siete Žilinskej univerzity na báze protokolu a jej využitie pre šírenie multimediálnych aplikácií Prílohová časť František Valent 2006

77 Zoznam príloh Príloha č.1: Príloha č.2: Príloha č.3: Príloha č.4: Príloha č.5: Odchytávanie paketov UDP video streamu Sledovanie časovej odozvy paketov Analýza prenosu hlasu cez IP (VoIP) Rozhrania http AP a SM modulov + nameraná prenosová rýchlosť cez portál proxis.sk Simulácia pokrytia v programe RadioLab

78 Príloha č.1: Odchytávanie paketov UDP video streamu Pomocou programu Ethereal sme odchytávali pakety video streamu, ktorý sme prenášali cez rádiovú sieť Canopy. Odchytili sme paketov, z ktorých bolo: - 99,81% UDP paketov - 0,14 % TCP paketov Priemerná prenosová rýchlosť prenosu bola Mbps a dĺžka trvania odchytávania bola 90 sekund. Na obrázkoch je grafické rozhranie programu Ethereal spolu s so štatistickým sumárom odchytených paketov.

79 Príloha č.2: Sledovanie časovej odozvy paketov V programe Pinger v 0.3 sme sledovali časovú odozvu paketov rôznej veľkosti (100, 500, 1000 a 1500 bytov). Časovú odozvu sme pozorovali voči prístupovému bodu Canopy-Advantage ( ) a internetovej bráne ( ). Z merania vieme vyhodnotiť, že pakety s menšou veľkosťou (100 a 500 bytov) mali strednú hodnotu latencie nižšiu (5ms), ako pri paketoch s veľkosťou 1000 a 1500 bytov (7,5 ms).

80 Príloha č.3: Analýza prenosu hlasu cez IP (VoIP) Pomocou softvérového telefónu X-lite sme cez bezdrôtovú sieť Canopy uskutočnili hovor do katedrovej IP siete. Pomocou programu Hammer Call Analyzer sme uskutočnili podrobnú analýzu hovoru. Na vrchnom obrázku je znázornená výstavba, trvanie a rozpad spojenia celého hovoru. Spodný obrázok zobrazuje analýzu hlasu. Vrchný graf znázorňuje analýzu hlasu volaného, stredný graf zobrazuje prenos signalizácie(bez hlasu) a spodný graf obsahuje analýzu hovoru volajúceho účastníka.

81 Príloha č.4: Rozhrania http AP a SM modulov + nameraná prenosová rýchlosť cez portál proxis.sk

82 Príloha č.5: Simulácia pokrytia v programe RadioLab Na vrchnom obrázku je zobrazené pokrytie smerovou anténou Canopy 45 Mbps Backhaul na trase internáty VD- Stavebná fakulta. Intenzita elektrického poľa pre naše parametre antény je 55,36 dbμv/m, čo zodpovedá podľa farby bledomodrej škále. Toto pokrytie vieme dosiahnuť pri použitej modulácii 64 QAM. Na spodnom obrázku je zobrazené celkové pokrytie troch smerových antén.

83 Výpočet pokrytia: Pomocné rovnice na výpočet intenzity elektrického poľa: ( ) ( ) V ( ) ( ) P( dbm) = E( dbµ V) 107 E dbµ V/m = E dbµ V G dbi + 20logf MHz 29,8