802.22 White Space: новый стандарт беспроводной связи

Зачем нужны новые стандарты беспроводной связи, когда уже есть Wi Fi, WiMAX и LTE? Хотя бы для того, чтобы обеспечить зону покрытия радиусом до 100 км и передачу данных до 22 Мбит/с.

IEEE 802.22

В июле 2011 г. Международный институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers) объявил о завершении работ над стандартом беспроводной связи IEEE 802.22, известным под именем "white space" ("пробел"). Название не случайно: для передачи данных предполагается использовать "пробелы" в телевизионном ОВЧ/УВЧ-диапазоне (54–862 МГц) частот. Этот подход стал возможен за счет изобретения "умного" радио — технологии когнитивной радиопередачи, которая обеспечивает подстройку параметров приемопередающих устройств сети, так чтобы передача данных не вылезала на "лицензионные" частоты.

Как это происходит? Система постоянно анализирует спектр радиосигнала, окружающие фоновые сигналы, а также поведение пользователей сети. Базовая станция, собрав всю информацию о частотном диапазоне и используя информацию о своем месторасположении (по GPS), определяет, какие частоты могут быть использованы для установления связи с пользователями сети. При уже установленной связи система периодически сканирует частотный диапазон на случай появления новых сигналов и при обнаружении таковых сразу же перестраивается на другие частоты.

Разработчики отмечают, что IEEE 802.22 WRAN является одной из первых спецификаций, использующих в полной мере когнитивные технологии в радиосвязи. Таким образом, стандарт позволяет эффективно использовать имеющийся спектр рабочих частот без необходимости получения лицензий. В результате это позволяет достичь скорости передачи данных до 22 Мбит/с и зону покрытия с радиусом до 100 км!

 

История стандарта

Спецификация 802.22 появилась благодаря работам профессора Джозефа Митолы III, опубликовавшего результаты своих исследований в 1999 г. совместно с Джеральдом Магуайром. Концепция, названная профессором "cognitive radio" ("когнитивное радио"), позволяет системам связи использовать "занятые" частоты для передачи своих данных за счет имеющихся в полосе "пробелов". Однако закон запрещал работать с зарезервированными частотными диапазонами, либо возможность появлялась при покупке дорогостоящих лицензий. Законодательная база мешала продвижению технологии. Лишь в 2004 г. Федеральное агентство по связи (Federal Communications Commission) США внесло поправки, дающие возможность нелицензированным абонентам использовать лицензионные полосы при условии, что те не вносят помех в работу законных пользователей. Это событие инициировало появление в ноябре 2004 г. в "стенах" IEEE рабочей группы, которая стала вести разработку стандарта 802.22 с когнитивной радиосвязью в качестве базовой технологии. Окончательный релиз IEEE 802.22 — 2011 появился лишь спустя семь лет.

Используемые частоты

Новый стандарт был спроектирован для беспроводных региональных сетей (Wireless Regional Area Network, WRAN). Это предполагает покрытие зон радиусом в десятки километров. Спецификация позволит провайдерам интернет-услуг обеспечить жителям сельских районов доступ к широкополосному доступу в Сеть там, где его еще нет. Увеличение радиуса действия удалось достичь благодаря уменьшению рабочих частот, обычно используемых в Wi-Fi, WiMax или LTE для передачи информации. Подбор оптимальных частот зависит от многих факторов. Для обеспечения наибольшей дальности с сохранением разумной мощности и приемлемой полосы пропускания лучшим образом подошли частоты диапазона от 54 до 862 МГц, так называемые телевизионные частоты. Ширина полосы одного телевизионного канала в США, Японии и большей части Центральной и Южной Америки составляет 6 МГц, для России и большинства других стран эта величина равна 8 МГц, но встречаются также стандарты с 7-мегагерцовой полосой, например в Австралии, Бельгии и Люксембурге. Поэтому в 802.22 предполагается использовать ширину полосы одного канала в 6 (8,7) МГц.

Существующая система телевещания может служить примером успешного использования этого диапазона для покрытия больших площадей. К тому же данным частотам не страшны стены и препятствия. Однако в использовании ОВЧ/УВЧ есть и недостаток: меньшие частоты (длинные волны) нуждаются в более габаритных антенных системах. Кроме повсеместно используемых систем аналогового телевидения NTSC (США, Канада, Япония), PAL (Европа), SECAM (Франция, Греция, Россия) диапазон официально закреплен за радиосвязью государственных служб (полиции, противопожарной службы и т. д.) и коммерческих сервисов (такси и т. д.). В данной полосе также работают беспроводные микрофоны, системы цифрового телевидения ATSC/DVB-T и бог знает кто еще — важно, что никому из них нельзя мешать!

Технология "умного" радио

Для того чтобы умело и безобидно использовать "пробелы" в уже используемых частотах, предусмотрен целый ряд когнитивных механизмов.

• Сканирование (sensing) рабочего спектра частот позволяет обнаруживать занятые каналы. Эта процедура проходит в обязательном порядке при инициализации сети. Также информация о частотах периодически обновляется при работе системы. Управление сканированием осуществляется базовой станцией, которая не только посылает управляющие команды пользовательскому оборудованию, но и сама производит разведку спектра и поиск новых абонентов. Такая система позволяет актуально поддержать информацию о состоянии эфира во всей зоне покрытия базовой станции и своевременно конфигурировать сеть.
• Регистрация и отслеживание пользовательского оборудования необходимо для эффективной организации частотного пространства и быстрого подключения новых абонентов к сети.
• Единая база данных лицензионных пользователей диапазона изначально предотвращает работу сети на постоянно занятых местными службами или региональными телевизионными каналами частотах.
• Геолокация позволяет узнать регион размещения и по базе данных определить, какие каналы заняты в конкретной местности, а также выбрать оптимальный маршрут для передачи пакетов информации. В рамках спецификации предполагается применять спутниковое или наземное позиционирование. Для спутниковой геолокации у каждого абонента будет расположено GPS-оборудование. Информация о местоположении передается на базовую станцию по протоколу NMEA 0183. Это текстовый протокол связи морских навигационных систем, повсеместно применяющийся в GPS.
• Механизм совместного сосуществования (coexistence) систем подразумевает организацию спектра, так чтобы стандарт не вносил помехи в работу лицензионных пользователей, а также организовывал внутрисистемное ранжирование абонентов в рабочей полосе.

Антенны

Сеть предназначена как для работы с профессиональными фиксированными базовыми станциями, так и с портативными (либо фиксированными) пользовательскими терминалами (модемами). Для охвата больших площадей необходимы соответствующие мощности сигналов. В спецификации предполагается, что для покрытия зоны с радиусом в 30 км потребуется мощность излучения в 4 Вт. На базовой станции для этих целей размещается ненаправленная антенна, чтобы равномерно покрыть сигналом всю площадь. При необходимости изотропную антенну можно заменить секторной. Такая конфигурация позволит эффективнее охватывать зону с неравномерным распределением абонентов по площади или со сложным размещением нескольких базовых станций. На стороне клиента напротив применяется узконаправленная антенна с ориентированием в сторону базовой станции (или базовой станции с максимальным сигналом, если их несколько). Кроме того, в клиентском оборудовании имеется сканирующая (sensing) антенна для функционирования когнитивных механизмов. При использовании спутникового позиционирования также может быть размещена GPS-антенна.

Важно понимать отличие стандарта IEEE 802.22 от других спецификаций, в особенности от IEEE 802.16 (WiMax), с которым его часто сравнивают. Основная разница в том, что 802.22 ориентирован на сельские местности и отдаленные регионы. Его радиус зоны покрытия в разы больше. Кроме того, 802.22 является первым в мире стандартом, использующим когнитивные технологии для совместного использования оптимального частотного диапазона и не требует оформления лицензий на использование определенных частот.

Архитектура стандарта

Наиболее важными требованиями со стороны разработчиков к стандарту IEEE 802.22 были гибкость и адаптивность системы, поскольку оборудованию приходится работать в спектре с лицензионными абонентами. В итоге стандарт, описывающий PHY- (Physical) и MAC-уровни (Media Access Control) модели OSI сети, получил особую архитектуру.

Физический уровень

Между базовой станцией и пользовательским оборудованием на физическом уровне организована двухсторонняя связь с временным разделением (Time Division Duplexing, TDD). В таком разделении входные и выходные данные передаются на одной частоте, но в разные промежутки времени. Если нужно изменить приоритет по скорости, то нет ничего проще — достаточно продлить выделенное время для одного потока данных и сократить для другого.

Как транспортный механизм в 802.22 используется технология мультиплексирования с ортогональным частотно-временным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Аналогичная схема применяется в WiMax. Суть ее заключается в том, что некоторый поток данных разделяется между несколькими специальными частотами. Каждый подпоток модулируется по своей схеме.

В спецификации предусмотрено три вида схем модуляции: квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature Phase Shift Key, QPSK), квадратурная амплитудная манипуляция порядка 16 и 64 (Quadrature Amplitude Modulation, 16 QAM и 64 QAM). Схемы отличаются между собой количеством информации, которую можно передать одним символом. Та или иная схема модуляции выбирается исходя из условий передачи. Чем выше скорость передачи, тем ниже ее надежность (тем выше вероятность возникновения ошибки). Поэтому если абонент сети расположен далеко от базовой станции и уровень сигнала во время связи не очень высок, то лучше сменить схему модуляции, например с 16 QAM на более медленную, но зато стабильную QPSK. Система постоянно адаптируется, и для каждого пользователя проводится балансировка оптимального режима между скоростью и помехоустойчивостью.

Важным для стандарта является особенность OFDM противостоять многолучевому распространению. Данный эффект возникает при наличии каких-либо препятствий между базовой станцией и абонентом. Сигнал может испытать много отражений от разнообразных объектов. В конечном счете к приемному устройству приходит не один сигнал, а несколько с некоторой задержкой, что может привести к межсимвольной интерференции. Против этого в OFDM применяют специальную вставку, так называемый циклический префикс.

Для более стабильной работы в 802.22 предусмотрено использование кодов, позволяющих корректировать ошибки. В том числе коды Галлагера (Gallager), которые на данный момент представляют лучшее решение для передачи информации по каналу связи с шумами в ограниченной полосе.

Для организации доступа к каналу связи нескольких абонентов одновременно применяется техника частотно-временного разделения (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA). Это уникальная технология, позволяющая использовать доступное частотное пространство максимально выгодным способом. OFDMA уже отлично себя зарекомендовала в таких стандартах, как WiMax и LTE. В механизме OFDM доступные специальные частоты делятся между пользователями сети.

Спектральная эффективность по стандарту может варьироваться от 0,624 до 3,12 Бит/с/Гц. Эта величина характеризует скорость передачи данных в заданной полосе частот. Чем выше значение, тем большей пропускной способностью обладает система, однако с ростом спектральной эффективности уменьшается помехозащищенность. Для компенсации низкой пропускной способности канала при минимальной спектральной эффективности используется методика канального объединения (channel bonding). Суть методики заключается в использовании до трех телевизионных каналов одновременно, чтобы за счет ширины полосы в 18 (21, 24) МГц обеспечить приемлемую скорость передачи.

Для защиты лицензионных каналов необходимо выдерживать частотный интервал, чтобы исключить возникновение помех. Ширину частотного интервала рекомендуют делать сопоставимой с шириной одного канала. Фактически необходимо иметь в ОВЧ/УВЧ-диапазоне пробелы шириной от трех каналов (один информационный плюс два защитных по бокам) и более. Это требование еще раз подчеркивает, что целесообразно разворачивать IEEE 802.22 в сельской и малонаселенной местности, где эфир относительно свободен.

MAC-уровень

Уровень управления доступом к среде (Media Access Control) организует адресацию и контроль доступа к сети. MAC, основанный на когнитивных технологиях, должен иметь очень динамичную и гибкую архитектуру, чтобы оперативно реагировать на изменения в сети. Для обмена данными в 802.22 используются суперфреймы (superframe). Длительность одного суперфрейма составляет 160 мс. В начале каждого суперфрейма расположена специальная преамбула (preamble) и контрольный заголовок суперфрейма (superframe control header, далее — SCH). По каждому из доступных и отвечающих всем требованиям каналов базовая станция посылает суперфреймы. Абоненты, находящиеся в зоне действия станции и еще не подключенные к сети, "слушают" свободные каналы на наличие суперфреймов. Получив данные, абонентское оборудование извлекает из SCH всю необходимую информацию для инициализации сетевого соединения. Каждый суперфрейм состоит из фреймов (frame). Длительность одного фрейма составляет 10 мс, соответственно в одном суперфрейме 16 фреймов. Фреймы являются непосредственными переносчиками данных.

Инициализация сети в 802.22 сложнее, чем в других беспроводных сетях. Всё усложняется тем, что нет изначально определенного канала связи. Таким образом, пользовательскому оборудованию сначала необходимо просканировать сетку частот и составить карту всего диапазона. Затем в свободных и подходящих пробелах искать SCH базовой станции. После того как SCH будет получен, модем абонента дает о себе знать базовой станции и остается в канале на время действия суперфрейма. Если за это время модем получает ответ, то происходит инициализация и подключение к сети. После установления соединения информация о состоянии каналов отправляется на базовую станцию.

Как говорилось выше, во время работы в сети базовая станция периодически посылает команды абонентскому оборудованию для запуска сканирования диапазона на наличие лицензионных пользователей. При этом существуют различные алгоритмы сканирования, которые определяют пороговый уровень сигнала в канале, время сканирования, диапазон, вероятность обнаружения ложной тревоги. Существуют определенные пороговые значения сигналов, при которых они будут интерпретироваться как лицензионные пользователи. Все эти параметры влияют на успешность получения достоверной частотной сетки в регионе. Базовая станция может распределять нагрузку между абонентами при сканировании частотного спектра. Если основная базовая станция долго "молчит", то тогда абонентское оборудование ищет маяки от другой соседней станции и в случае успешного поиска подключается к ней. Моделирование сети показало, что даже при большом скоплении рядом расположенных станций терминалы абонентов быстро распределяются между ними. В результате нагрузка на базовые станции становится оптимальной.

 

Главное о стандарте

• Назначение: широкополосный беспроводной доступ к интернету для сельской местности.
• Ядро: технология когнитивной радиопередачи, предназначенная для безлицензионного использования частот телевизионного диапазона.
• Портативность: можно использовать в движении на скорости до 114 км/ч.
• Топология сети: многоточечная (Point-to-Multipoint).
• Радиус зоны покрытия: 10–100 км (для фиксированной базовой станции и модема).
• Мощность излучения: 4 Вт (под мощностью излучения понимается эффективная изотропно излучаемая мощность, EIRP).
• Антенны: на базовой станции используется ненаправленная (либо секторная) приемопередающая антенна, а на стороне абонента направленная антенна; помимо этого, есть ненаправленная антенна для сканирования частотного диапазона (когнитивная радиосвязь).
• Геопозиционирование: GPS или наземное (необходимо для функционирования системы).

Быть или не быть?

IEEE 802.22, появившийся сравнительно недавно, принес с собой новые механизмы, которые могут позволить донести качественную связь даже в самые отдаленные уголки планеты. Уникальный подход к решению вопроса о делении частотного диапазона, который в России стоит остро, может сделать 802.22 самым распространенным стандартом беспроводной связи для покрытия больших площадей. Для этого применяются рассмотренные в статье частное сканирование рабочего диапазона, постоянный мониторинг и отслеживание изменений, а также процедура совместного использования спектра с лицензионными пользователями. Как знать, возможно, именно это решение позволит покрыть необъятные просторы нашей родины качественным интернетом. Даже если стандарт не получит должной поддержки, то в любом случае с его выходом появился новый подход, когда разные устройства разных стандартов не функционируют обособленно, а взаимодействуют между собой и организовывают окружающее пространство для выгодного совместного использования. И это своего рода прорыв.