Безпека та аналіз фізичного рівня WiMax

Перше перемеження:

тк = (Ncpc / 2)* kmod12 + floor(до / 12), до = 0, 1... Ncpc - 1, де floor — найменше ціле від виразу в дужці. Друге перемежение:

jk = s* floor(Mk / s)+ (тк + Ncpc - floor(12 • тк / Ncbps)) mod(s)
к = 0, 1,..., Ncbps-1

Деперемежитель в приймачі виконує операцію, зворотну перемежителю в передавачі, і також визначається двома перемеженнями. В межах отриманого блоку з Ncbps блоків хай j буде індексом прийнятого біта до першого перемеження, т. — після першого перемеження до другого і kj— індекс біту після другого перемеження безпосередньо перед доставкою блоку на декодер. Тоді індекси бітів після деперемежений в приймачі визначаються виразами.

Перше перемеження:

mj = S floor ( j / s ) + ( j+ floor(12*j/Ncbps))mod(s), j=0.1.Ncbs-1

Друге перемежение:

Kj=12*mj –( Ncbps-1)* floor(12* mj / Ncbps), j=0.1. Ncbps-1.

Перший біт з виходу перемежителя відобразить старший біт (MSB) в сузір'ї.

Застосування OFDM сигналу на фізичному рівні мережі WIMAX

Технологія широкосмугових радіосигналів (ШПС) була розроблена в середині минулого століття і спочатку застосовувалася військовими з метою підвищення скритності і перешкодостійкості зв'язку. Найважливішою гідністю широкосмугових систем є висока швидкість передачі даних. При цьому поняття широкосмугової (broadband) трактується не тільки як використання радіосигналу з широким частотним спектром, але і як здатність системи забезпечити високу швидкість передачі даних, необхідну для мультисервісного обслуговування (доступ в Інтернет, передача даних, голосу, відео і ін.).

У системах WIMAX застосовується широкосмуговий Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) сигнал, утворений з безлічі рознесених по частотному спектру вузько смугових сигналів. Застосування OFDM сигналу забезпечує системі WIMAX найвищу в класі BWA спектральну ефективність (швидкість передачі даних в одному Герці смуги частотного спектру), можливість роботи поза прямою видимістю, найвищі енергетичні параметри зв'язку забезпечують високу дальність зв'язку, можливість ефективного обслуговування мобільних абонентів.

Спектральна ефективність OFDM сигналу системи WIMAX

Спектральна ефективність системи оцінюється максимальною можливою швидкістю передачі даних (кількість передавальних бит/c) системи в одиниці смуги займаних частот в один Герц. Висока спектральна ефективність системи WIMAX досягається за рахунок розподілу передачі інформації по паралельних півканалах тих, що піднесуть сигналу OFDM.

OFDM є множиною вузько смугових рознесених по частоті сигнало-несучих (subcarrier) (рис.5).

Рис.5. Спектр радіосигналу з однією несучою (а) і OFDM (б)

OFDM сигнал формується таким чином. Деяка високошвидкісна послідовність імпульсів спочатку ділиться на безліч паралельних цифрових потоків з імпульсами більшої тривалості.

Кожна знов освічена послідовність імпульсів модулюється по амплітуді і по фазі QAM корисним сигналом (constellation mapping), що несе інформацію про передавальні дані. Отримана безліч модульованих послідовностей імпульсів за допомогою частотного мультиплексора об'єднується в сукупність розділених по частоті ортогональних каналів (що піднесуть), утворюючи єдиний широкосмуговий сигнал. Далі сигнал з безліччю тих, що піднесуть перетвориться за допомогою Digital Analog Converter (DAC) у високочастотний аналоговий радіо сигнал і передається по безпровідному каналу зв'язку.

Операція ортогонального частотного мультиплексування з математичної точки зору є операцією FFT - дискретного зворотного швидкого перетворення Фур’є. З фізичної точки зору мультиплексування переводить тимчасові імпульси time domain в частотний розподіл frequency domain (рис 6). На приймальній стороні відбувається зворотна операція перетворення в проміжну частоту, де мультиплексування і демодуляції широкосмугового сигналу.

Рис. 6. Принцип формування рознесених по частоті тих, що піднесуть

Найважливішою відмінністю OFDM технології від простого розділення радіосигналу по декількох паралельних частотних каналах є ортогональність тих, що піднесуть в груповому спектрі OFDM сигналу. Фізичний сенс ортогональності полягає в підмішуванні в структуру кожної спеціальної мітки, що піднесе, - певної унікальної кількості синусоїдальних коливань сигналу, що розрізняються по фазі на 90 град. (ортогональних функцій), що дозволяє демультиплексору на основі аналізу даних влучний розділяти сигнали, що піднесуть, навіть у разі часткового перекриття їх частотних спектрів. Виділення тих, що несуть в загальному спектрі звичайного багатоканального сигналу унаслідок обмежених технологічних можливостей сучасних смугових частотних фільтрів вимагає достатньо великого частотного рознесення тих, що несуть, що обмежує збільшення їх кількості в заданій смузі частот. Виділення тих, що несуть в груповому спектрі OFDM сигналу при де мультиплексуванні проводиться за допомогою ортогональних перетворень сигналів. Це допускає можливість перекриття спектрів що сусідніх піднесуть, що дозволяє значно збільшити частотну щільність їх розміщення в спектрі сигналу і підвищити спектральну ефективність.

Метод селекції сигналів і перешкод (шуму) на основі аналізу їх структури застосовується в технології широкосмугового радіозв'язку з середини 1990-х років. Вперше даний метод був використаний в технології розширення спектру DSSS для формування і виділення на тлі перешкод широкосмугового шумоподібного сигналу, що утворюється шляхом множення (мультиплексування) вузько смугового сигналу на випадкову швидкісну послідовність імпульсів. Дана технологія була реалізована в безпровідних локальних мережах першого покоління Wireless LАN (WLAN) стандарту IEEE 802.11, системах супутникової навігації GPS. Метод виділення сигналів по закладених при їх формуванні цифрових кодах також реалізований в мобільному зв'язку стандарту Сode Division Multiply Access (CDMA).

Застосування OFDM сигналу дозволяє WIMах мережам забезпечити вищу швидкість передачі даних по порівнянню системами з тією, що однією несе, що досягається за рахунок розподілу передачі інформації по безлічі паралельних частотних каналів.

Використання OFDM, в принципі, не є специфічною особливістю технології WIMах. Модуляція OFDM також застосовується, наприклад, в системах Wi-Fi стандарту IEEE 802.11a/g. Проте OFDM в технології WIMах стандарту IEEE 802.16 має значно більше число тих, що піднесуть, визначають вищу спектральну ефективність систем WIMах в порівнянні з системами стандарту IEEE 802.11a/g.

OFDM сигнал в WIMах мережах фіксованого доступу стандарту IEEE 802.16-2004 має до що 256 піднесуть, в мережах мобільного WIMах стандарту IEEE 802.16e - до що 2048 піднесуть, а в системах Wi-Fi стандарту IEEE 802.11a/g - що всього лише 64 піднесуть. Слід зазначити, що більшість систем широкосмугового безпровідного доступу BWA попереднього покоління (так звані preWiMах системи) базуються на чіпсеті стандарту IEEE 802.11a. Всі модифікації і удосконалення систем Wi-Fi, що дозволяють їх використовувати для цілей BWA, виконуються на програмному рівні. Тим самим, сигнали preWiMах, також як і Wi-Fi, мають тих, що всього 64 піднесуть. Це означає, що WIMAX мережі мають приблизно в три і більше разів велику спектральну ефективність в порівнянні з Wi-Fi і preWIMах системами. Тим самим, межа швидкості передачі даних на фізичному рівні мережі при використанні каналу зв'язку однакової ширини в системах WIMAX більш ніж в три рази вище, ніж в системах preWiMах і Wi-Fi. Так теоретична межа швидкості передачі каналу WIMAX стандарту IEEE 802.16-2004 шириною 10 Мгц (що 128 піднесуть) складає близько 36 Mbps. Межа швидкості передачі даних системи на базі чіпсета Atheros стандарту IEEE 802.11a, використовуваного в Wi-Fi і pre-WiMAX в каналі зв'язку 20 Мгц (що 64 піднесуть) складає приблизно 30 Mbps, і, відповідно, в каналі зв'язку шириною 10 Мгц (що 32 піднесуть ) - менше 15 Mbps.

Моделі безпровідних каналів

Модель ідеального каналу, званого каналом з «адитивним білим шумом» (AWGN) Гауса, - звичайна відправна крапка при аналізі роботи системи радіозв'язку. Згідно цієї моделі, передані зразки даних вражаються поряд статистично незалежних шумових джерел, які представлені головним чином тепловими шумами, що виникають в приймачі. Теплові шуми виникають із-за випадкового руху електронів унаслідок теплової активності в приймачі. Термін «Гаус» використовується, щоб підкреслити, що ці теплові перешкоди мають розподіл Гауса. Струм, наведений випадковим рухом електронів, може бути оцінений як сума нескінченно великої кількості малих індивідуальних струмів, проведених рухом дуже великої кількості електронів, і, оскільки всі джерела поводяться незалежно, передбачається, що повний струм є сумою великої кількості незалежних і ідентично розподілених (i.i.d) випадкових струмів. Якщо застосувати центральну граничну теорему, яка стверджує, що розподіл суми великої кількості i.i.d випадкових змінних наближається до розподілу Гауса, то цей повний струм матиме поведінку Гауса. Термін «білий» (white) використовується, щоб вказати, що цей шум має рівну потужність для всіх частотних компонент, тобто спектральна щільність потужності шуму постійна для всіх частот і рівна N0/2, при цьому N0/2 називають двосторонньою шумовою спектральною щільністю. Термін «адитивний» має на увазі, що шумові зразки додані до переданих зразків даних і вражають їх. Таким чином, в цілому прийнятий в каналі AWGN сигнал, може бути представлений як

де s (t) - переданий сигнал, і n(t) - шумовий сигнал, зразки якого мають середнє значення 0 і варіюються в межах N0/2.

На жаль, модель AWGN не є цілком відповідною для безпровідних каналів, тому що переданий сигнал схильний також явищу «завмирань», що додаються безпровідним каналом на додаток до шуму, що виникає в приймачі. Завмирання представляють собою флуктуації миттєвих значень напруженості сигналу в місці розташування приймача із-за безлічі трас розповсюдження при проходженні сигналу.

Сигнал відбивається різними об'єктами, розташованими на його трасі, оскільки він йде від передавача до приймача, проходячи через безліч трас. Ці компоненти багатопроменевого розповсюдження впливають на приймач позитивно або негативно залежно від їх коефіцієнтів ослаблення і фазових кутів, примушуючи таким чином рівень прийнятого сигналу коливатися залежно від часу і відстані.

Основні механізми, які зачіпають сигнал, що розповсюджується в безпровідному середовищі, - це Віддзеркалення, Дифракція і Розсіювання.

Віддзеркалення відбувається, коли сигнал, що розповсюджується, відбивається від об'єкту з розмірами достатньо великими по відношенню до довжини хвилі сигналу.

Дифракція відбувається, коли траса розповсюдження між передавачем і приймачем перекрита щільною перешкодою з розмірами, які є великими по відношенню до довжини хвилі сигналу, що приводить до формування позаду перешкоди вторинних хвиль. Розсіювання відбувається, коли сигнал, що розповсюджується, натрапляє на об'єкт, розміри якого порядку довжини хвилі сигналу або менш, що приводить до переизлучению енергії сигналу по всіх напрямах.

Ці три види завмирань разом утворюють загальну картину завмирань в каналі, що достатньо повно представляється як Замірання Крупного масштабу і Дрібномасштабні Завмирання.

Великомасштабні завмирання

Великомасштабні завмирання є середнім ослабленням потужності сигналу або втрати на трасі при проходженні трас великої протяжності. Втрати на трасі і Затінювання – ось два основні механізми, які приводять до ефектів завмирань крупного масштабу.

Втрати на трасі розповсюдження

Втрати на трасі розповсюдження краще всього описуються моделлю втрат на трасі вільного розповсюдження. Модель втрат на трасі вільного розповсюдження припускає, що передавальна антена є ізотропною, тобто, передавач випромінює енергію з рівною інтенсивністю на всіх напрямках, і немає ніяких об'єктів на трасі розповсюдження між передавачем і приймачем, які могли б блокувати сигнал або створювати умови для його віддзеркалення. Також передбачається, що середовище передачі не поглинає енергію. Потужність, прийнята приймальнею антеною в моделі вільного простору визначається виразом Friis для вільного простору [1]:

де Pt - передана потужність, Pr (d) – прийнята потужність, яка є функцією відстані між передавачем і приймачем, Gt - посилення передавальної антени, Gr - посилення приймальної антени, є довжиною хвилі сигналу, d – це відстань між передавачем і приймачем, і L - коефіцієнт втрат системи, не пов'язаних з розповсюдженням.

Можна бачити, що потужність прийнятого сигналу назад пропорційна квадрату відстані між передавальною і приймальною антенами. Отже, якщо відстань між передавачем і приймачем збільшується, потужність сигналу, що приймається, зменшується. Рівняння 2 може бути записано у такому вигляді

де d0 – гранична відстань для дальньої області антени. Втрати на трасі, PL (d) – це ослаблення сигналу між передавальною і приймальною антенами і визначається як

У децибелах приведений вище вираз може бути записане так

А в загальному вигляді верхній вираз можна записати так

де n- це так звана «експонента втрат на трасі», яка рівна 2 для вільного простору і більше 2 для реальних каналів.

Висновок

Безпека WiМax мереж

Чи достатньо захищений стандарт WIMAX в плані інформаційної безпеки? Якщо відповісти коротко: так, як жоден з попередніх безпровідних стандартів. Вже добре відомі переваги мереж на базі технології WIMAX. Вони забезпечують високу швидкість передачі даних - до 70 Мбіт/с, тобто, як говорять фахівці, достатню швидкість для надання більш ніж 60 компаніям доступу в Інтернет за стандартом Т1 або сотням приватних будинків - за стандартом DSL, використовуючи всього один сектор покриття базової станції. Технології WIMAX з радіусом дії в декілька десятків кілометрів здатні забезпечити безпровідним зв'язком ціле місто, а потім довести широкосмуговий доступ до кожного користувача за допомогою хот-спотів Wi-fi. В деяких випадках можна безпосередньо використовувати доступ через WIMAX, наприклад, для передачі голосового трафіку за технологією VOIP.

Широкосмуговий безпровідною доступ позбавлений недоліків, властивих DSL і кабельним з'єднанням. Мережі стандарту 802.16 простіше розгортати і збільшувати площу їх покриття, по структурі вони дуже схожі на традиційні мережі мобільного зв'язку: тут також присутні базові станції, які діють в радіусі до 50 км., але при цьому їх не обов'язково встановлювати на вежах - для них цілком підходять дахи будинків, водонапірні башти або елеватори. Призначене для користувача устаткування, за допомогою якого здійснюється з'єднання з базовою станцією, включає антену і термінальну частину.