Содержание к диссертации
Введение
1. Примеры мобильного доступа стандарта ieee802.il radio-ethernet с использованием излучающего кабеля 9
1.1. Беспроводной абонентский доступ стандарта IEEE802.il Radio - Ethernet 9
1.2. Примеры реализации беспроводного абонентского доступа стандарта IEEE802.11 Radio - Ethernet 12
1.3. Примеры реализации мобильного доступа стандарта IEEE802.il Radio-Ethernet ". 14
2. Схемотехника мобильного доступа стандарта ieee 802.11 radio-ethernet с использованием излучающего кабеля ...'. 28
2.1. Общие сведения о стандарте IEEE802.il RadioEthernet 28
2.2. Канальный уровень системы на основе стандарта 802.11 34
2.3. Физический уровень системы на основе стандарта IEEE802.il Radio - Ethernet с использованием излучающего кабеля 37
2.4. Выводы 51
3. Исследование радиолинии оганизованнои с использованием излучающего кабеля для частотных диапазонов стандарта ieee 802.11 radio-ethernet 52
3.1. Определение надежности связи для радиолинии организованной с использованием излучающего кабеля 52
3.2. Определение вероятностных характеристик потока состояний радиолинии 58
3.3. Выводы 65
4. Анализ качества ip-телефонии при мобильном доступе стандарта ieee 802.11 radio-ethernet с использованием излучающего кабеля 66
4.1. Вероятностные характеристики речевого сообщения 66
4.2. Методы и критерии оценки качества пакетной передачи речи 73
4.3. Исследование зависимости вероятности потери пакета VoIP от надежности связи, обеспечиваемой радиолинией 78
4.4. Исследование зависимости качества реконструкции речи от характеристик радиолинии при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio-Ethernet с использованием излучающего кабеля 93
4.5. Технико-экономическая эффективность предложенных решений 107
4.6. Выводы 112
5. Основные выводы и результаты 114
Список литературы
- Примеры реализации беспроводного абонентского доступа стандарта IEEE802.11 Radio - Ethernet
- Примеры реализации мобильного доступа стандарта IEEE802.il Radio-Ethernet
- Канальный уровень системы на основе стандарта 802.11
- Исследование зависимости вероятности потери пакета VoIP от надежности связи, обеспечиваемой радиолинией
Введение к работе
В настоящее время интегрированные телекоммуникационные сети, в которых сочетаются различные виды трафика и различные методы доступа являются достаточно эффективным решением для транспортных сетей мегаполиса (метрополитена, монорельсовой транспортной системы и т.д.), позволяя объединить различные виды и сети информационного обмена [1-3].
В них особенно рационально использование беспроводных сетей, обеспечивающих доступ мобильных абонентов к ресурсам сетей фиксированной связи.
С появлением стандарта Gigabit Ethernet широко распространенная технология локальных сетей Ethernet находит всё большее применение в построении магистральных сетей. С ней гармонично сочетается стремительно развивающаяся технология стандарта IEEE 802.11(802.16), так называемый, «Radio Ethernet»- технология беспроводных сетей в диапазоне 2,4 ГГц и других высокочастотных диапазонах.
Весьма эффективным становится совместное использование технологии Radio-Ethernet и технологии излучающих кабелей. Такой симбиоз технологий использован и в проекте Единой многофункциональной цифровой сети связи (ЕМЦСС) Бутовской линии Московского метрополитена, выполненном кафедрой "Радиотехника и электросвязь" МИИТа и ЗАО "Альпина текнолоджис"[4-7], а так же реализован ЗАО "Альпина текнолоджис"[8] в сетевой инфраструктуре информационного обмена и оперативно-технологической связи (СИИО и ОТС) Московской монорельсовой транспортной системы (ММТС).
В данной диссертационной работе рассматриваются вопросы аналитической оценки качества ІР-телефонии при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля.
В условиях преимущественного использования в настоящее время субъективных методов оценивания качества восстановления речи актуальность оценки аналитической достаточно высока.
Цель работы состоит в разработке методов и математического аппарата аналитического оценивания качества речи, при ее пакетной передаче по недостаточно надежной радиолинии, их приложении к оцениванию качества ІР-телефонии при мобильном доступе с использованием излучающего кабеля.
Реализуется следующая последовательность решения задач диссертационной работы:
Обзор примеров реализации и схемотехники мобильного доступа стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet в том числе с использованием излучающего кабеля.
Описание структурной схемы цифровой радиолинии стандарта 802.11b, использующей излучающий кабель. Систематизация исходных данных к расчету радиолинии, аппроксимация зависимости от доступной мощности системы надежности связи радиолинии, использующей триаксиальные излучающие кабели, для диапазонов 160,450 и 900 МГц.
Совершенствование методики определения надежности связи для радиолинии с использованием излучающего кабеля. Разработка методики определения вероятностных характеристик потока состояний радиолинии.
4. Разработка методики анализа качества ІР-телефонии, в том числе при
мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием
излучающего кабеля. Исследование зависимости вероятности потери пакета
VoIP (Voice over IP - VoIP) от надежности связи, обеспечиваемой
радиолинией для алгоритма передачи пакетов без адаптации к состоянию
радиолинии и для предложенного в диссертации алгоритма передачи пакетов
с адаптацией к состоянию радиолинии.
5. Исследование зависимости качества реконструкции речи от
характеристик мобильного доступа стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с
использованием излучающего кабеля.
Диссертация основывается на результатах:
- фундаментальных работ теории информации В.А.Котельникова, Н. Винера, К. Шеннона и др.
теоретических и прикладных исследований по обработке и передаче речи Дж.Беллами, А.И.Величкина, М. Д.Бенедиктова, Г.В.Вемяна, В.Н.Гордиенко, Г.В.Горелова, А.Г.Зюко, Г.В. Кузнецова, М.В. Назарова, О.Н.Ромашковой, А.Ф. Фомина и др.
теоретических и прикладных исследований цифровых средств и систем передачи информации Л.А.Баранова, И.А.Лозового, А.П.Мановцева, Н.И.Пилипчук, В.П.Яковлева и др.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследования:
- методика определения надежности связи для радиолинии с
использованием излучающего кабеля и определения вероятностных
характеристик потока состояний радиолинии;
методика анализа качества IP- телефонии, в том числе при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля. Зависимости вероятности потери пакета VoIP от надежности связи, обеспечиваемой радиолинией для алгоритма передачи пакетов без адаптации к состоянию радиолинии и для предложенного в диссертации алгоритма передачи пакетов с адаптацией к состоянию радиолинии;
результаты оценивания качества реконструкции речи при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля.
В работе использованы методы теории вероятностей, математического анализа, теории массового обслуживания.
Научная новизна определяется разработкой методики и результатами аналитического оценивания качества передачи речи в сетях беспроводного доступа (в том числе мобильного доступа стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля) для алгоритма передачи пакетов ІР-телефонии без адаптации к состоянию радиолинии и для предложенного в диссертации алгоритма передачи пакетов с адаптацией.
8 Практическое значение заключается в том, что разработанный аналитический аппарат предоставляет возможность получения объективных оценок (по критерию разборчивости) качества восстановления речи в современных сетях беспроводного доступа и может быть использован при анализе качества восстановления речевых сообщений и проектировании таких сетей.
Примеры реализации беспроводного абонентского доступа стандарта IEEE802.11 Radio - Ethernet
Стандарт Radio-Ethernet имеет два применения [2,10]. Первое из них -это беспроводная локальная сеть в стенах одного здания или на территории предприятия; таким образом решается проблема "ограниченной мобильности" в пределах предприятия (сотрудник с портативным компьютером, переходящий из одной комнаты в другую и отовсюду имеющий доступ к сети). Технически это применение почти не отличается от второго,
Второе применение стандарта Radio-Ethernet решает проблему подсоединения абонентов к большой сети передачи данных, то есть проблему последней мили - соединения между абонентом (точнее, его компьютером или учрежденческой локальной сетью) и ближайшим узлом "большой сети". При этом последняя "миля" может реально выражаться расстоянием от нескольких сот метров до 20-30 километров.
Оборудование Radio-Ethernet подходит для эффективного обеспечения "последней мили" вместо абонентского телефонного кабеля: небольшая ШПС-антенна на крыше или даже в окне абонента обеспечит связь с другой ШПС-антенной, являющейся точкой доступа в сеть коммерческого оператора. Оператор обеспечивает связь между всеми точками доступа (по кабельным или радиоканалам) и правильную маршрутизацию данных каждого корпоративного пользователя из конца в конец сети, так что действительно каждый такой пользователь сможет работать так, как если бы это была его собственная выделенная сеть.
Следует отметить, что на Западе Radio-Ethernet используется преимущественно в корпоративных сетях, ограниченных территорией склада, супермаркета, завода, госпиталя, университетского городка. Если имеется две или несколько разбросанных территорий, то строится объединенная сеть путем соединения отдельных радио-сегментов через арендованные (у местной телефонной компании) кабельные каналы. Но в целом такая сеть все равно остается частной корпоративной сетью.
Использование технологии Radio-Ethernet на уровне абонентского доступа дает возможность удобного выхода в сеть через радиоканал 2 Мбит/с, который, хотя и находится в совместном использовании несколькими абонентами, дает каждому достаточно удобный доступ. Абонент постоянно подсоединен к сети; запрос на нужную информацию посылается и обслуживается немедленно. Телефонная линия при этом остается свободной для обычных звонков.
Мировой рынок беспроводных локальных сетей стремительно развивается [10]. По оценкам фирмы Aironet, к концу 1995 года в мире функционировало около 330 000 беспроводных локальных сетей (в основном в США и странах Западной Европы и Юго-Восточной Азии). В основном эта технология применяется на территориях различных складов (38%) и в супермаркетах (34%), где она дает возможность кладовщикам и продавцам всегда иметь доступ к централизованной базе данных в условиях "ограниченной мобильности" (т.е. при перемещениях со скоростью пешехода или складского погрузчика).
Заводские применения насчитывали в 1995 году 6%, и быстрого их роста не предполагается. Напротив, быстро растет применение беспроводных локальных сетей в госпиталях (3% в 1995 г., 16% в 2000 г.) и в университетах (3% в 1995 г. и 9% в 2000 г.). Запоздалый рост применения Radio-Ethernet a в этих двух сферах деятельности вызван только фактором стоимости оборудования.
На сегодняшний день в России функционирует более 1000 систем Radio-Ethernet. Развитием сетей по этой технологии занято 235 компаний в 126 городах РФ. Технология Radio-Ethernet широко используется и в других странах СНГ (Украина, Белоруссия, Казахстан, Молдова, Грузия, Армения, Узбекистан), в значительной степени благодаря усилиям российских сетевых интеграторов. Сегодня действует или находится в стадии образования около 20 региональных операторов беспроводных сетей. Три беспроводных сети уже действуют в Москве, крупные сети действуют в Екатеринбурге, Тольятти, Тюмени, Сургуте, Краснодаре. Сооружаются сети в Новосибирске, Самаре, Иркутске, Кургане, Ростове и в других крупных региональных центрах .
Все операторы беспроводных сетей объединились в ассоциацию БЕспроводных СЕтей передачи ДАнных (БЕСЕДА), которая в свою очередь вошла в качестве комитета в Ассоциацию Документальной Электросвязи при Министерстве Связи РФ. Цель этой ассоциации - разработка единой политики в области беспроводных сетей передачи данных, касающейся их технологического развития, маркетинга услуг, межсетевого взаимодействия и т.д. Одной из поставленных задач является создание межрегиональной, а в будущем и всероссийской, сети передачи данных, использующей Radio-Ethernet в качестве технологии абонентского доступа.
Примеры реализации мобильного доступа стандарта IEEE802.il Radio-Ethernet
Как было отмечено в первой главе стандарт IEEE 802.11 (Radio-Ethernet) -стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу.
Стандарт 802.11 работает на двух нижних уровнях модели ISO/OSI, на физическом и канальном уровне [2,10].
На физическом уровне определены три технологии: передача в инфракрасном спектре; и две широкополосных радиотехнологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов Code Division Multiple Access (CDMA): с использованием широкополосного сигнала по методу прямой последовательности Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS); и по методу частотных скачков Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS).
Метод передачи в инфракрасном диапазоне (IR) .Этот метод основан на излучении ИК передатчиком ненаправленного (diffuse IR) сигнала. Передаваемый сигнал излучается в потолок, от которого отражается. Данный метод имеет преимущества - при его реализации не требуются ориентированные излучатели и приемники. Но есть и недостатки - требуется поверхность для отражения излучения в заданном диапазоне длин волн (850 -950 нм). Радиус действия всей системы ограничен 10 метрами, что так же является существенным недостатком. Инфракрасные лучи требуют не только прямой видимости, они чувствительны и к погодным условиям, то есть могут использоваться только в закрытых помещениях.
Для радиотехнологий предусматриваются диапазоны: 915 МГц, 2,4 ГГц. Поддерживаются две скорости передачи данных - 1 и 2 Мбит/с. На скорости 1 Мбит/с поток данных разбивается на квартеты, каждый из которых затем во время модуляции кодируется в один из 16-ти импульсов. На скорости
2 Мбит/с метод модуляции отличается - поток данных делится на битовые пары, каждая из которых модулируется в один из четырёх импульсов. Пиковая мощность передаваемого сигнала составляет 2 Вт.
Метод FHSS [9]. При использовании метода частотных скачков полоса 2,4 ГГц делится на 79 каналов по 1 МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов (22 схемы), с ее использованием данные посылаются последовательно по различным каналам. Каждая передача данных происходит по разным схемам, которые разработаны так, чтобы минимизировать вероятность использования двумя отправителями одного и того же канала одновременно. Метод FHSS позволяет использовать простую схему приёмопередатчика, однако ограничен максимальной скоростью 2 Мбит/с (под один канал выделяется 1 МГц, что вынуждает FHSS системы использовать весь диапазон 2,4 ГГц). Происходит частое переключение каналов (например, в США установлена минимальная скорость 2,5 переключения в секунду), что, в свою очередь, увеличивает стоимость сети.
Метод DSSS [9]. При DSSS диапазон 2,4 ГГц делится на 14 частично перекрывающихся каналов (в США доступно только 11 каналов). Для использования нескольких каналов одновременно, необходим частотный разнос 25 МГц. Таким образом может одновременно использоваться максимум
3 канала. Данные пересылаются с использованием одного из этих каналов без переключения на другие. Чтобы компенсировать посторонние шумы, используется 11-ти битовая последовательность Баркера, когда каждый бит данных пользователя преобразуется в И бит передаваемой последовательности. Такая высокая избыточность для каждого бита позволяет существенно повысить надёжность передачи, и значительно снизить мощность передаваемого сигнала.
Итак, в режиме DSSS диапазон разбит на несколько широких DSSS-каналов, и до трех таких каналов могут работать независимо и одновременно на одной территории. Номинальная скорость каждого канала 2 Мбит/с, поэтому общая скорость передачи 6 Мбит/с.
Стандартом предусматривается несколько вариантов построения сети: "точка-точка", "точка-многоточка" или "каждый с каждым".
Оба метода широкополосной передачи имеют свои сильные и слабые стороны. Режим DSSS позволяет достигать значительно большей производительности (2 Мбит/с на один канал, 6 Мбит/с на весь диапазон 2,4 ГГц), а кроме того, обеспечивает большую устойчивость к узкополосным помехам (поскольку выбором поддиапазона для передачи часто удается отстроиться от помех), большую дальность связи и не создает помех узкополосным устройствам. С другой стороны, оборудование для DSSS несколько сложнее и дороже, чем для FHSS. Оборудование для FHSS выпускают значительно больше. Еще одно достоинство FHSS-устройств состоит в том, что они, в отличие от DSSS, могут сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех, например, создаваемых DSSS-передатчиками.
Канальный уровень системы на основе стандарта 802.11
В качестве случайной величины выбрана, так называемая "доступная (действующая) мощность системы" (System Available Power - SAP). Медианные ее значения (при р= 50%) соответствуют табличным средним значениям потерь на излучение ( см. табл. 2.2 ).
На рис.2.3 б,г,е приведены пространственные флуктуации потерь на излучение (по оси абсцисс расстояние 1, м). Отметим совпадение средних значений потерь на излучение на графиках с данными, приведенными в табл.2.2.
Если основываться на данных, приведенных фирмой - производителем триаксиальных кабелей, то можно сделать вывод, что графики рис.2.3 описывают «идеализированную радиолинию», когда величина SAP равна энергетическому потенциалу (отношению мощности передатчика к чувствительности приемника) и учитывается лишь переходное затухание между ИК и антенной мобильного измерительного комплекса. Таким образом не учитываются затухания и усиления, вносимые различными элементами реальной радиолинии, в том числе и затухание в ИК.
Это дает возможность при проектировании использовать распределения вероятностей рис. 2.3 а, в, д путем введения затуханий и усилений, вносимых различными элементами реальной радиолинии.
При любом значении надежности связи энергетический потенциал «идеализированной радиолинии» полностью расходуется на компенсацию переходного затухания между ИК и антенной мобильного измерительного комплекса.
Стремление подчеркнуть это обстоятельство привело к неточности, допущенной фирмой - производителем, в отображении зависимостей рис.2.3 б, г, е - значения потерь на излучение CL, дБ (переходного затухания) должны быть положительными (что соответствовало бы их представлению в табл.2.2).
Данные табл.2.2 и рис.2.3 свидетельствуют о малой зависимости значений CL и SAP при смене диапазона и фиксированном значении надежности связи р. В особенности это относится к переходам от диапазона 450 МГц к диапазону 900 МГц и к диапазону 2,4 ГГц. Это дает возможность использовать в первом приближении данные рис.2.3 д в расчетах и для диапазона 2,4 ГГц.
Затухание в ИК и потери на излучение контролируются за счет разделения отдельных экранов в конструкции nuRAC, которое приводит к переносу малого количества энергии между разделенными экранами. Эта технология оптимизирует соотношение между затуханием и потерями на излучение при обеспечении малой чувствительности к окружающим условиям и условиям установки. Данные рис.2.3 характерны для типовых условий установки и практически не меняются при изменении окружающей среды и условий монтажа.
В завершение параграфа предложим аппроксимацию зависимости надежности связи от доступной мощности системы. Для кривых графиков рис.2.3 а,в,д могут быть использованы аппроксимации (2.1), (2.2), (2.3) для диапазонов 160, 450 и 900 МГц соответственно.
1 .Систематизированы исходные данные к расчету радиолинии, использующей симбиоз технологии Radio-Ethernet и технологии триаксиальных излучающих кабелей. Устранены неточности в представлении зависимостей потерь на излучения от длины пути мобильного объекта вдоль излучающего кабеля. Введено понятие « идеализированная радиолиния ».
2.Предложена аппроксимация зависимости от доступной мощности системы надежности связи радиолинии, использующей триаксиальные излучающие кабели, для диапазонов 160, 450 и 900 МГц.
Целью расчета любой радиолинии является определение надежности связи Р, то есть определение процента точек уверенного приема, в которых уровень сигнала превышает или равен чувствительности приемника.
При использовании для этой цели графиков рис.2.3 а,в,е необходимо вычесть сумму потерь (PSV) всех пассивных и активных компонентов линии связи, включая компоненты кабельной линии, и коэффициента усиления мобильной антенны из мощности передатчика (ХМТ).
Полученная разность определяет мощность сигнала на входе приемника. Вычитание из нее чувствительности (RCV) приемника дает, так называемую доступную (действующую) мощность системы (SAP).
Общепринятой характеристикой радиолинии является ее энергетический потенциал Э, представляющий разность между мощностью передатчика и чувствительностью приемника. Таким образом [13] SAP = ХМТ - RCV - PSV = Э - PSV. (3.1) Для затуханий (усилений), вносимых элементами радиолинии, согласно схеме рис.2.1 введем следующие обозначения [64-66,69,71]: -А тр, дБ - затухание, вносимое загрязнением, обледенением ИК, антенны, элементов корпуса мобильного объекта; -ас, дБ/м - погонное затухание коаксиального кабеля фидера на стороне стационарной точки доступа;
Исследование зависимости вероятности потери пакета VoIP от надежности связи, обеспечиваемой радиолинией
Исходя из изложенного выше можно сделать вывод, что обеспечивая абсолютно надежную радиолинию, гарантируем отличное качество воспроизведения(реконструкции) речи при IP-телефонии. Но можно, несколько снизив качество, уменьшить экономические затраты на организацию радиолинии(например, за счет уменьшения длины усилительного участка ИК).
На рис. 4.5 представлены зависимости слоговой разборчивости S,% от длины усилительного участка в кабельной линии. Тпор=30мс, Г=60км/ч, іпак=20мс, GA=55JXB, Кг25дБ, Ng=5. s,% Рис. 4. 95 Кривые на рис.4.5 представлены штриховой (алгоритм без адаптации) и сплошной (алгоритм с адаптацией) линиями для следующих исходных данных: диапазон 2,4 ГГц, Lc,Lm =30и 15м соответственно; А пер=2дБ; ас=ат=0,222 дБ/м (коаксиальный кабель LMR400); Ас,Ат= 0,8 дБ; «,=0,108 дБ/м (триаксиальный кабель TRC-850 ); а„ер= 74/6,1=12,13 дБ/м (триаксиальный кабель TRC-850); 4,,,=36, 39 дБ; GA=55 дБ; К=25 дБ; = 0,8 дБ; ЛЯФ=ААФ=0,8 дБ; к=5; К=60 км/час, #7ак=20мс,.длительность речевого пакета используемый кодек - G.711, Ng=5 в буфере (при адаптации) может быть размещено не более пяти пакетов,
Время блокирования радиолинии, при превышении которого пакеты начинают буферироваться равно 30 мс. Сплошными горизонтальными линиями на рис.4.5 отмечены границы между градациями качества речи (см.рис.4.3). Из анализа кривых графика рис.4.5 следует:
l.He используя алгоритм с адаптацией, можно, снижая качество воспроизведения речи от отличного до хорошего или удовлетворительного, увеличить длину усилительного участка от 191 до 210м или до 227м, то есть на 9,9 или 18,9% соответственно.
2.Используя алгоритм с адаптацией можно, снижая качество воспроизведения речи от отличного до хорошего или удовлетворительного, увеличить длину усилительного участка от 191 до 215м или до 260м, то есть на 12,6 или 36,1% соответственно. В обоих случаях обеспечивается существенная экономия в затратах на оборудовании. Рис.4.6-4.9 иллюстрируют влияние основных параметров передачи Тпор, V, GA, кі на зависимость S(l).
При увеличении скорости движения подвижного объекта теряются преимущества алгоритма передачи с адаптацией (рис.4.6). Так, например, при увеличении средней скорости движения от 30 до 60 км/ч требуемое при хорошем качестве связи значение длины усилительного участка уменьшается с 223 до 215 м (при 210 м для алгоритма без адаптации).
Уменьшение порогового значения Тпор приводит к существенному увеличению предоставляемого алгоритмом с адаптацией выигрыша в значении требуемой длины усилительного участка (рис.4.7). Так, например, при уменьшении значения Тпор от 30 до 10 мс требуемое при хорошем качестве связи значение длины усилительного участка увеличивается от 215 до 245 м, то есть на 14%.
Увеличение коэффициента усиления kt не приводит к изменению абсолютного выигрыша в значении требуемой длины усилительного участка предоставляемого алгоритмом с адаптацией (рис.4.8). Так, например, при увеличении значения к{ от 20 до 30 дБ абсолютное значение выигрыша при хорошем качестве связи не меняется и составляет 25 м, а относительный выигрыш уменьшается от 16,7 до 10,6%.
То же относится и к влиянию изменений коэффициента GA усиления антенны на требуемое значение длины усилительного участка (рис.4.9). Так, например, при увеличении значения GA ОТ 45 до 55 дБ абсолютное значение выигрыша, предоставляемого алгоритмом с адаптацией хорошем качестве связи, не меняется и составляет 25 м, а относительный выигрыш уменьшается с 11,9 до 10,8%.
