1.3.3.2. Проектування мереж wlan/WiMax на сучасному рівні

Проектування бездротових мереж WLAN та WiMAX є дуже складною задачею через наявність багатьох факторів, що вплива­ють на работу мережі [Г: 19, 27; Д: 49, W74]. Головним аспектом в проектуванні бездротових мереж є той факт, що інженеру необхідно вирішувати складні різнорідні фактори, а саме:

• аналіз геометрії, оскільки станції бездротових мереж мають обмежений ра­діус дії (100 м – 10 км), а також розгляд пересування клієнта, необхідний для деяких стандартів (максимальна швидкість до 250 км/год). Таким чином, програмне забезпечення для проектування бездротових мереж потребує двовимірних та тривимірних географічних карт зони обслуговування;

• використання спрощених наближених формул для моделей експлуатаційних показників мережі та її навантаження у поєднанні з технікою обробки графічних зображень, наприклад:

а) моделі розповсюдження сигналів у вільному просторі, у яких враховуються втрати, викликані згасанням, що залежить від відстані; б) моделі енергетичного потенціалу ліній зв’язку, у яких розглядається згасання сигналу з урахуванням відстані до приймача, властивостей передавача та приймача, і швидкості передачі даних; в) моделі просвітлення траси, у яких розглядається висота підйому переда­вальних та приймальних антен базових станцій (рис. 1.24). ^ Рис. 1.24 – Моделі розповсюдження сигналу і моделі ліній зв’язку Існує декілька вдалих програмних рішень, розроблених для моніторингу або моделю­ван­ня бездротових мереж, але сьогодні вони стасуються тільки стандарту WLAN 802.11 [Д: W87, W112]. Деякі з цих програм поставляються виключно у комплекті з обладнанням. Нижче описаний алгоритм проектування бездротових мереж з урахуванням покриття, експлуатаційних показників, існуючих СКС і остаточних витрат [Д: 38, 49]. 1. Визначення географічного місця положення (широта та довгота, адреса власника або адміністратора, контактна інформація, тип і матеріал кон­ст­рукції, бажана зона покриття). 2. Визначення вимог замовника щодо покриття, пропускної здатності, безпеки. 3. Визначення різних зон енергії радіохвиль [Д: W76], зокрема:

• побудованих на необхідному покритті;

• побудованих на необхідній пропускній здатності;

• побудованих на керуванні завадами;

• побудованих на доступній потужності та взаємозв’язках.

4. Вибір технології, який містить спектральний аналіз та визначення джерел завад для даної місцевості.

5. Радіочастотні дослідження, які містять вимірювання покриття для тесто­вої місцевості та побудову реальних діаграм спрямованості радіохвиль відносно необхідних зон покриття.

6. Проектування мережі, зокрема побудова радіомереж і магістральних мереж, керування доступом та призначення IP-адрес.

7. Вибір і встановлення обладнання, зокрема приймачів та передавачів, антен та точок радіодоступу.

8. Планування магістральних кабельних мереж з урахуванням існуючих СКС.

9. Планування доступу до маршрутизаторів, комутаторів і концентраторів.

10. Проектування за допомогою САПР, зокрема:

• аналіз потужності радіосигналів в мережі;

• розрахунок внутрішніх та зовнішніх з’єднань;

• розрахунок вартості обладнання та поточних витрат, а також, якщо необхідно, вартості оренди обладнання.

Проекти зовнішньої і внутрішньої мереж університета зображено на рис. 1.25 і 1.26 відповідно. Дані сценарії розведення внутрішньої і зовнішньої мереж можна реалізувати сумісно або окремо. Проект бездротової мережі мусить враховувати наявні внутрішні і зовнішні кабельні системи. Наприклад, альтернативно мережу університету можна реалізувати за допомогою стільни­ко­вої бездротової локальної мережі стандарту IEEE 802.11 або декількох точок доступу стандарту IEEE 802.16. Територія університету розділена на декілька секторів з гарантованою якістю обслуговування, наприклад, з мінімальною швидкістю передачі даних 1 Мбіт/с. Взагалі бездротові конфігурації можуть бути стіль­никовими, напрямленими або типу «точка-точка» (point-to point). а) побудова мережі типу IEEE 802.11 б) побудова мережі типу IEEE 802.16 Рис. 1.25 – Метод проектування зовнішньої бездротової мережі з урахуванням існуючої кабельної системи і розподілення території університетського містечка на сервісні сектори Рис. 1.26 – Варіанти конфігурацій внутрішньої бездротової мережі з урахуванням існуючої кабельної системи 1.3.3.3. Типові моделі проектування бездротових мереж  У посібнику описані засоби проектування мереж WLAN (IEEE 802.11) і WiMAX (IEEE 802.16). Стандартні засоби типу Ekahau Positioning Engine, Site Survey, Wi-Fi Tag, Radio Mobile Deluxe можна інтегрувати до структури системи CANDY за допомогою декількох нещодавно розроблених програм, які призначені для проведення обчислень з використанням наступних моделей. Модель розповсюдження радіохвиль:   (1.43) Модель енергетичного потенціалу ліній зв’язку типу «Остання миля»: Модель просвітлення траси: Алгоритм і модель побудови багатокольорових зон: де ^ PL – коефіцієнт втрат у тракті передачі; R –відстань (радіус дії); F – несуча частота; L – коефіцієнт втрат; [Power, Gain, Sensitivity, H] – потужність передачі, коефіцієнт підсилення, чутливість і висота антени; N і AP – кількість користувачів і точок доступу відповідно; (x,y) – координати точок доступу; DR – швидкість передачі даних. Мережам WLAN/WiMAX відповідають наступні моделі розповсюдження радіохвиль, прийнятні для діапазону частот від 2 до 6 ГГц [Г: 19, 27; Д: W99, W104, W118-120, W125, W127, W129]:

• модель вільного простору (Free Space) при розрахунках для ліній із втратами;

• модель «вуличних каньйонів» (Street Canyon Modelling):

• відповідає лініям без втрат із зовнішніми антенами;

• використовується в міських зонах;

• модель Валфиша–Ікегама:

• емпірична модель, відповідає макростільникам із радіусом до 5 км;

• обчислення коефіцієнтів втрат у тракті передачі в сильно забудованих районах великих міст;

• аналіз вторинних шляхів радіохвиль, які виникають внаслідок обгинання плоских дахів або інших перешкод на вулицях;

• антени провайдера встановлюються іззовні;

• модель Окумура–Хата (1968):

• для передмість і сільської місцевості, лісів, пагорбів;

• відповідає частотам нижче 1000 МГц, відстаням до 20 км і висоті підйому антен від 30 м і більше;

• модель COST 231 – Хата (1996)

• подібна моделі Окумура–Хата;

• модель поширення радіохвиль при проведені мережі всередині приміщення з урахуванням згасання в стінах;

• може бути застосовна для частот до 1800 МГц;

• модель Лі (1982):

• розроблена для аналогових мобільних радіомереж;

• застосується для частот вище 450 МГц при висоті приймальної антени менше 3,5 м на відстанях до 10 км.

На відстань R також впливають також можливі методи модуляції: QPSK, 16QAM, 64QAM. Характеристики деяких моделей мобільних та бездротових мереж наведені в таблицях 1.6 і 1.7. Результати цих емпіричних моделей (R ≈ 0,6 – 0,9 км, DR = 20 Мбіт/с) є більш реальними, ніж теоретичні параметри для WiMAX (R = 50 км, DR = 70 Мбіт/с). Таблиця 1.6. 

Стандарти	Тип лінії LOS/NLOS	Відповідна модель поширення
2,5G/3G	NLOS	Hata / COST 231
802.11b,g	Гібридна	COST 231
802.16a	Гібридна	COST 231
802.16	LOS	Вільний простір
802.20	NLOS	COST 231
Примітка: LOS – лінія прямої радіовидимості (Line-of-Sight) ^ NLOS – відсутність лінії прямої радіовидимості (Non-Line-of-Sight)

Таблиця 1.7. Розміри стільників для частот F=3,5 ГГц та 5 ГГц

^ Тип модуляції при  F=3,5 ГГц	Швидкість передачі даних, Мбіт/с	Відстань R, м
		^ Вільний простір	Вуличний «каньйон»	COST 231	Валфіш-Ікегама
QPSK	30	12100	2740	230	90
16QAM	60	6800	1775	175	75
64QAM	90	3850	1140	110	50
^ Тип модуляції при  F=5 ГГц	Швидкість передачі даних, Мбіт/с	Відстань R, м
		^ Вільний простір	Вуличний «каньйон»	COST 231	Валфіш-Ікегама
QPSK	30	8470	2100	160	65
16QAM	60	4750	1350	120	50
64QAM	90	2680	870	75	30

^ Характеристики моделі Хата. Модель COST-231/ HATA є поєднанням моделі траси для розповсюдження сигналів і моделі просвітлення траси, вико­рис­товується для визначення коефіцієнта втрат через наступні параметри [Д: W119]: (1.44) де ^ A – втрати в тракті передачі; F – частота (у межах 700-2000 МГц); D – від­стань між базовою станцією і терміналом, км; H – ефективна висота підйому ан­тени базової станції, м; C – поправкові коефіцієнти навколишнього середовища [Д: 49], який має такі значення:

• 2 дБ в щільному міському середовищі, для високих будинків, середніх і широких вулиць;

• 5 дБ в середньому міському середовищі, для сучасного міста з невеликими парками;

• 8 дБ в щільному приміському середовищі, для високих житлових будинків та широких вулиць;

• 10 дБ в середньому приміському середовищі, для промислової зони і невеликих будинків;

• 15 дБ в пагористій місцевості й лісах з нечастими житловими будинками;

• 26 дБ у більшості рівнинних сільськогосподарських районів з глухими лісами.

Модель має статистичну достовірність 50%. Це значення можна збільшити до 70%, додавши 6 дБ запасу на згасання, або до 90%, додавши 10 дБ запасу на згасання в моделі бюджету ліній зв’язку. ^ Алгоритм і модель побудови багатокольорових зон (MCISA). Це наближена модель навантаження, яка використовується для розрахунку реальної швидкості передачі даних з урахуванням параметрів навантаження (кількість користувачів на точку доступу; середнє навантаження на кожного користувача), а також відстані від точки доступу (рис. 1.27):   де N і P – кількість користувачів і точок доступу відповідно; (x,y) – координати точок доступу; DR – швидкість передачі даних; S и S¹ – потужність сигналу і порогове значення символу «1»;   – відстань [Д: 25]. Модель є двовимірною і може бути застосовна для приміщень, її геометричні параметри можна масштабувати. ^ Рис. 1.27 – Алгоритм і модель побудови багатокольорових зон [Д: 25] Інтенсивність випромінювання для кожної точки доступу зменшується за законом 1/R² та відображується відповідним коляром. Кількість частот для роз’­єднаного використання (всього 13 для 802.11 WLAN) дорівнює 3 (N_reuse=3), через це на рис. 1.27 існує 3 кольори. До додаткових парaметрів моделі належать:L – кількість стін; n_r- кількість користувачів в кімнаті r; l/n_r –властивості розповсюдження хвиль у кімнаті r; DR_max - максимальна швидкість передачі даних для даної точки доступу, наприклад, для стандарту 802.1lb DR=11 Mбіт/с; DR_min – мінімальна DR, необхідна для кожного користувача, наприклад, DR = 1 MBit/с;Cr(x,y) – інтенсивність кольору в сегменті [X, Y] для кімнати r; H – ­­ висота антени для точки доступу, K – коеффіцієнт послаблення стінами: P = DR_min/DR_max • Z_r Nr   (1.45) Dⁱ(x,y)^2 = x²+y² = R² (стандартний двовимірний випадок),   (двовимірний випадок з урахуванням висоти антени). Крім того, необхідно визначити наступні змінні: i, t - контрольні змінні для точки доступу, число ітерацій; l,j – загальні контрольні змінні; w – контрольна змінна для опису властивостей стін (підсилений бетон, цегля, гіпсова штукатурка). Формальний опис багатокольорового алгоритму надається наступним чином [Г: 27; Д: 25]: Крок 0. START Крок 1. FOR EACH (x,y) DEFINE n_ir=n_r; Крок 2. CALCULATE інтенсивність кольору (згідно формули (2.11)) FOR 0<i Cⁱ_r (x,y) = max { C^t_r (x,y) } by 0 < t < P; Крок 3. COMPARE поточну інтенсивність кольору IF C_r < Cⁱ_r (x,y) AND C_r > DR_min THEN C_r = Cⁱ_r (x,y); Крок 4. IF всі варіанти (x,y) вже підраховані THEN GOTO END OTHERWEISE GOTO Крок 1; Крок 5. IF C_r(x,y)<dr< i="">_min (тобто інтенсивність кольору - незадовільна) THEN n_ir= C_r (x,y)/DR_min AND GOTO Крок 4; Крок 6. END Додаткові переваги описаної моделі:

• враховуються еффекти послаблення, обумовлені стінами; 

• враховується геометрія кімнати та параметри завантаження;

• враховуються еффекти взаємодії для різних точок доступу та під­ра­хо­ву­ється максимальна кількість користувачів;

• підрахунок граничних відстаней функціонування мережі та швидкості передачі данних.

^