文摘

移动网络正在经历一个伟大的城市发展在世界范围内,和发展中国家也不例外。然而,在发展中地区人烟稀少的地区通常没有任何接触地面通信网络因为运营商不能保证足够的收入来证明所需的投资。因此,选择低成本的解决方案需要访问网络和回程网络。从这个意义上讲,为了提供3 g覆盖在小农村,最先进的方法建议使用小细胞访问网络和廉价的多次反射无线网络基于WiFi长途(野生)或WiMAX回程。这些技术提供大部分所需的能力;然而,并没有完全了解无线网络的性能和WiMAX在长途服务质量约束下链接。这项工作的目的是提供一个详细的概述不同的用于构建农村无线回程网络的选择。我们比较两个IEEE 802.11 n和IEEE 802.16 distance-aware分析模型和验证他们的广泛的模拟和田间试验。实验还基于wifi TDMA专有的解决方案进行评估和比较。最后,结果是用来模拟一个真实的案例研究秘鲁亚马逊地区为了说明这些技术提供的性能可以满足农村3 g接入网络的回程网络基于小细胞。

1。介绍

虽然用户想要环球和无处不在的3 g服务无处不在,运营商限制部署基础设施领域收入补偿资本支出(资本支出,主要是相关的基础设施)的部署和操作支出(OPEX,包括维护、操作、许可证等)。因此,许多大型农村在发展中地区人烟稀少的缺乏3 g覆盖,通常他们甚至没有任何电信服务。因此,在当前的背景下,全球趋势无处不在的通信,需要更多的负担得起的3 g接入和回程解决方案变得明显。

小细胞,最初构思解决方案覆盖洞在城市地区,现在农村接入网络成为一种很有前途的解决方案。家庭基站通常被用在建筑和设计是低成本、适用性强,灵活,具有低功耗,住宅不对称数字用户线(ADSL)可能是用作回程。3 g毫微微蜂窝可能是一个合适的解决方案的访问网络的一个小村庄,因为它的成本和功耗使它更便宜比普通eNodeB操作员。因此,几个小细胞可能确保细胞覆盖在大多数人类居住在一个人烟稀少的地区以非常低的成本。

然而,这些3 g回程家庭基站可能变得具有挑战性。许多人口稀少的地区可能过于远离任何单陆地链接人脉广泛的位置。这个隐式地只剩下两个选择:多次反射宽带无线网络或卫星通信。虽然非常小的孔径终端(网络连线)系统具有较高的运营成本和往返延迟500 ms(如果使用地球同步通信卫星),它们通常用作远程移动点回程解决方案;选择地面多次反射无线网络可能被认为是,但成本是一个重要的限制。这种权衡吸引利息nonlicensed低成本技术符合无线宽带标准IEEE 802.11 [1)(WiFi)和IEEE 802.16 -2009 (2](俗称WiMAX WiMAX论坛(虽然没有WirelessHUMAN物理层的概要描述操作在nonlicensed乐队))。

这正是项目TUCAN3G(采用的方法3)提出了技术上可行,但在经济上可持续的解决方案的逐步引入语音和宽带数据服务在发展中国家的农村地区的小社区,使用传统的3 g移动终端。虽然4 g小细胞(和5 g点)可能是一个更好的解决方案提供的服务水平,他们也更要求在回程的能力方面,对成本效率有直接的影响,所以本文只考虑3 g覆盖。

尽管上述替代指出越来越一致的和被广泛接受的4),还有缺乏准确的了解的行为替代地面回程技术下使用运营商级的QoS(服务质量)需求在长途链接。为此,本文分析和比较了WiFi的预期性能,基于WiFi时分多址(TDMA)解决方案,和WiMAX在远距离联系并确定为这些技术条件适当的回程技术3 g为农村家庭基站。这是由第一次学习distance-aware分析模型,然后比较它们的性能通过广泛的模拟和几个在一个真正的农村网络进行实地测试。作为一个方面的贡献,我们提供仿真平台用于测试这些技术作为农村回程网络。

这个工作的提醒组织如下。首先,部分2介绍了农村网络的问题,给出了低成本的交通需求的一般概述农村回程网络。部分3提出了三种技术的特点与使用相关的3 g农村家庭基站的回程:WiFi-TDMA, WiMAX无线网络。部分4提出了理论模型适应长途链接WiFi和WiMAX系统,包括具体的简化为点对点(PtP)链接。部分5总结了用于验证理论模型和方法和条件获得的性能结果提出了部分6。最后,部分7使用性能结果验证所引用的技术用在真实场景的农村回程网络等3 g家庭基站(绒毛网络)。部分8本文总结道。

2。动机:农村无线回程网络

农村3 g接入网络的基于家庭基站需要回程解决方案有足够的能力和有界延迟、抖动、包丢失一个可接受的家庭基站之间的通信质量和运营商的网络HNB(主节点B)控制器驻留。

支持的交通回程在两个方向上都包含三个主要聚合交通类:高优先级信号流量交换HNB和控制器中,语音实时交通,和数据。当然,一个更复杂的分类是有可能的,因为“数据”可能包括交通非常不同的性质,但这三个类视觉一般足够了本文的范围。回程必须具有可用资源超过高质量交通流量或,或者,它必须能够区分信号和语音流量更密集的数据流量,形成延迟,抖动和丢包所需的每个交通类。

为了获得所需的能力首先概述农村家庭基站的回程在发展中地区,未来的研究做的框架TUCAN3G项目(3)基于使用数据获得在秘鲁的覆盖地区。虽然该研究及其结果超出了本文的范围,有一些相关的结果模型提供的负载回程交通网络。

2.1。语音流量

大约50%的人在农村地区潜在用户的电话,生成交通强度15 mEr /用户忙时。与阻塞概率对运营商的监管领域,这使得计算对于一个给定的访问网络所需的通道数量同时电话的覆盖范围。取决于所使用的编解码器生成的吞吐量和同步调用的数量。AMR语音编解码器在假设12.2 kbps, UL和电路开关应用多路复用。除了负载,每个包还包含几个标题的所有层协议栈:RTP, UDP, IPSec, IP。基于这些考虑,链路层吞吐量大约是22 kbps的UL和60 kbps DL /电话。对秘鲁监管环境的情况下,一个小村庄只有500居民需要9语音频道,生成一个吞吐量736 kbps的语音流量在忙时。高达5000的大村居民需要48语音频道,忙时生成3936 kbps。为其他人口数据直接计算。

2.2。数据流量

对于数据流量,潜在市场大约5%的人口。峰值吞吐量3 Mbps的每个用户必须保证高质量的体验。每个用户的最小容量是15 kbps (DL) + 5 kbps (UL)。这意味着大约3000 kbps必须用于所有情况下,能力需要增加人口比例超过3000居民。

2.3。交通信号

信号HNB和HNB控制器已经仔细研究,是低于1%的流量(3]。

与前面的假设,它可以估计所需的回程3 g毫微微蜂窝的容量小于500的一个小村庄居民必须至少4.5 Mbps,以及这个需求成长略超过10 Mbps的5000人口的居民。事实上,数据分析来自3 g覆盖已经存在的地区,人口的平均收入高于在偏远地区。因此,投影高估了预期的需求非常偏远地区。

ITU建议特定的端到端性能指标的值在电话5]。150 ms是最大限度的单向延迟,和2%的最大容许包丢失。然而,回程分享这些端到端值。接入网和核心网也可能引入包丢失和延迟,在本文中,这些最大值的回程的贡献被认为是限制在0.8%的丢包和延迟60 ms,这代表总数的60%的贡献值。

最后,在本文中,我们集中在生我们的研究能力和延迟在MAC层。因此,我们考虑上层工作的范围。一方面,QoS提供已经研究了农村回程网络Simo-Reigadas et al。6,7),因此,我们假设DiffServ等机制,MPLS或MPLS-TE存在保证每个交通的需求类型和不同的应用程序。另一方面,多次反射路由不解决,因为它可以很容易突破实现与标准研究主动路由协议如OSPF甚至与静态路由。最后,尽管我们认为MAC链接与记者L2安全加密协议,我们主要在提供的安全继电器IPSec隧道建立Iuh 3 gpp核心网络和HNB之间的接口。因此,认证程序也转移到HNB和访问网络。

3所示。使用野生和WiMAX回程技术在农村地区

3.1。野生长途(WiFi)

IEEE 802.11标准(1),俗称WiFi(准确来说,无线网络是一个商业面额为无线联盟认证的产品满足特定需求的IEEE 802.11兼容的系统),被设计为当地和市区网络操作在2.4 GHz和5 GHz nonlicensed乐队。使用的介质访问控制(MAC)协议与避碰载波监听多路访问(CSMA / CA),不适合长途通信。然而,一些研究人员表明,无线也可能用于长途链接在农村地区,只要视线(LOS)可能向8,9]。此外,Reigadas et al。9]提出调整CSMA / CA为获得最佳性能和显示在什么条件下通用分析模型也适用于长距离。无线网络可以正常使用20 MHz频道,但5,10,40和80 MHz渠道也是允许的。物理层的标准包括几个备选方案(体育)的高吞吐量(HT)正交频分多路(OFDM)体育的最佳性能。此外,空间的多样性和多输入多输出(MIMO)可以被使用,和许多商业户外WiFi系统准备和双天线MIMO 2×2。根据接收到的信号强度,不同的调制和编码方案(mcs)也可以使用允许不同的物理比特率。例如,米姆2×了802.11 n系统可以从6.5 Mbps的比特率(MCS0 20 MHz频道,单输入单输出(输出),800 ns的警卫在OFDM符号间隔)高达300 Mbps (MCS15 40 MHz频道,MIMO 2×2, 400 ns的保护间隔)。然而,实际的饱和吞吐量在MAC层是PHY比特率只有一小部分。其他有趣的属性提供的无线帧聚合,它允许集成在一个大的包包含许多帧头,和交通分化,它允许一些交通类优先于他人。

无论如何使用MAC协议,任何通信解决方案与无线硬件可以受益于HT PHY空间的多样性,这就提出了这样一个问题,这些好处是否适用于长距离洛杉矶链接。有一个灵活的分集增益和复用增益之间的权衡10]。为了受益于其中任何一个,多个空间数据流并行传输必须高度独立。可以实现远距离的高级洛杉矶MIMO信道,然而,成本的过度塔的大小来保证天线之间的必要的分离(11,12]。尽管如此,交叉极化,可以获得两个正交通道,尤其是在洛杉矶场景和长途(仅略有恶化13- - - - - -15]。

3.2。802.11使用TDMA MAC n-based专有的解决方案

一些制造商的宽带无线系统和IEEE 802.11接口包括一个选择另一个专有的MAC协议在户外产品改进的性能对长途链接。通常这些专有MAC协议发表的所有技术细节。只有有限的信息是可用的数据从供应商提供的和公正的原始数据通常很难获得,因为这可能最终导致数据被用来对付发行公司本身。然而,实现学术建议这种类型的喜欢16)允许猜这些系统做什么。乍一看,这些产品使用常见的802.11 n卡修改驱动程序禁用CSMA / CA的MAC,因此将无线网络接口使用802.11体育的原始数据收发器。除此之外,一个简单的TDMA时分双工(TDD)解决方案似乎被编程。这TDMA协议避免争用,使得无线信道的使用更有效的在很长一段距离。

因此,这些系统显示类似WiMAX的行为(见部分3.3),有较低的频谱效率,但潜在的高容量由于他们可以使用更宽的通道。一些研究人员等(16,17提出了这些基于wifi户外长途链接和解决方案(18)表明,在类似的情况下,这种类型的解决方案往往是比常见的无线网络很长距离,而无线可以调整为短期和中期的距离是更好的。

在众多国家中,Ubiquiti AirMAX [19)和Mikrotik NV2 [20.)产品的家庭是非常受欢迎的远程链接作为低成本的强大的解决方案。这些系统可以通过实验测试,但是,由于这些解决方案的所有权性质,不可能从理论上进行比较或实验结果扩展到其他类似的解决方案。

3.3。WiMAX的长途

IEEE 802.16标准(2),俗称WiMAX(至于WiFi, WiMAX是一个认证的WiMAX论坛IEEE 802.16兼容的产品,通过一定的互操作性测试,适合在特定的配置文件;本文使用WiMAX教派正式是错误的,因为没有任何配置文件在WiMAX论坛产品使用IEEE 802.16 WirelessHUMAN PHY;然而,这个术语用于纸的同义词标准,增加代码的可读性),是市区网络构想,虽然农村宽带网络解决方案同样也有一定道理。标准描述了操作的WirelessHUMAN PHY 5 GHz nonlicensed乐队。其他WiMAX配置文件允许在许可的乐队,这是非常相关的这些国家的使用许可的乐队在回程网络是强制性的。然而,尽管5 g Hz乐队比许可乐队更容易干扰,其用于carried-grade服务不能忽视由于使用高增益定向天线和射频有限排放出现在无人居住的农村地区。

WiMAX在PHY层使用OFDM和TDM / TDMA与TDD contention-free操作。不同的交通类是公认的,可以得到不同的QoS保证。在WirelessHUMAN、通道可能是10 MHz。WirelessHUMAN链接的能力取决于MCS (BPSK 1/2和64 QAM 3/4的最快最慢),警卫在OFDM符号间隔(1/4-1/32),帧大小(2.5 -20 ms),等等。一个稳定的WiMAX 1.6 Mbps之间的链接可能生能力和36 Mbps。距离影响的链接链接预算,确定MCS可以使用,但对性能影响不大。关于使用空间的多样性,同一考虑先前解释WiMAX无线网络也可以扩展。

尽管WiFi-TDMA野生和WiMAX看起来有前途的解决方案农村回程,没有以前的系统分析旨在了解真正的MAC能力远程链接,不存在任何作品,比较他们的性能取决于距离和真正的上述不同的特性的影响。我们所知,这工作是第一次这样做。

4所示。性能分析的IEEE 802.11和802.16 WirelessHUMAN长链接

4.1。802.11模型的性能很长一段距离

单等。9)提出了一个分析模型对长途WiFi链接基于[21]。在给出的提示(9]WiFi的适应长距离有效期为802.11家族的任何标准,性能802.11 n模型本身是无效的,因为某些局限性继承自比安奇的模型(21]。比安奇修正他的模型,提出了一种新的201022),可以应用于不同的体育在-2012年IEEE 802.11,可归纳为如下方程: 在哪里和分别是,条件碰撞概率和概率站传输的任何位置;是一个常数,相应的可能值最高的包被传播的竞争窗口第一次;和或者是(不考虑第一传输)之前删除帧和尝试下一个;和是无线电台的数量。

前面的分析假设一个理想的通道在这只包丢失而发生碰撞时,两个或两个以上的站同时发送。然而,在现实环境中,无线通道可能造成严重的包丢失由于通道错误和干扰。因此,它也必须考虑在包错误率(每)模型如前所做的其他工作23,24]。当使用802.11作为回程技术在农村地区,干扰并不常见,和包丢失也不因为调制和编码方案是选择之间有一个巨大的利润RSSI(接收信号强度指示)和敏感度。然而,我们可以进行一个简单的和实际分析考虑到一个传输无线电台无法区分传输数据包是否还没有达到目的地由于碰撞或包已经到达但错误。在这两种情况下,发射台采取相同的行动,重新发送数据包(25,26]。因此,我们可以重新定义p作为一个数据包的概率应该转播的通道,通过碰撞或错误和(2)成为

猫这组方程数值求解。为理想的渠道的情况下,表1显示最重要的结果W的值,可以考虑在这里(默认值为不同的物理),为标准的(7为基本模式,4 RTS / CTS模式),以及5台。为真正的渠道的情况下,表2和3显示相应的结果考虑/ = 0.01和0.1,分别。重要的是要注意,每= 0.1实际上是一个最大值,因为标准使用它灵敏度的定义和确定一个链接不应该建立每值高。

这个模型是有效的远程链接,习惯于SlotTime的调整,ACKTimeout, CTSTimeout MAC参数显示在[9]。

基于的值p和τ获得(1)和(3),方程提出了部分5(22)的饱和吞吐量和延迟是有效的和一些备注:(我)的SlotTimeδ在所有表达式必须更换吗在[迹象后9]。(2)时间持续时间用于吞吐量方程必须考虑到传播时间重新定义 ,始终与计算9]。

然后, 为基本模式,或 RTS / CTS模式。

该模型在9)修改前面的方程许可获得饱和吞吐量和延迟WiFi链接在任何距离。这个结果在链接级别提供了最大容量。以下部分将使用饱和作为参考来找到一个最佳的不饱和操作点,使得延迟下一个阈值,对回程链路来说是足够的。模型将被用作参考验证NS3模拟器,这是准确的研究工具,允许远程连接的性能在一个灵活的方式。

以下4.4.1。野生简化模型的设置

前面的模型是有效的n站,做 ,我们获得20元模型(3)成为

这导致性能验证结果PtP在饱和条件下野生链接。虽然使用的模型是基于的假设n高,仿真证明,使用模型增量误差n= 2(点对点)是微不足道的。

4.2。造型WiMAX的性能

在本节中,我们建立一个理论模型计算IEEE 802.16 WirelessHUMAN的性能。首先,我们提出一个一般模型占不同数量的电台,几个包装策略在MAC层的信息,和包括MIMO无线接口的可能性。所有的计算都是基于信息收集的iee802.16 - 2009标准(2)和分析(27]。表4收集分析中使用的主要参数。

802.16 WirelessHUMAN概要文件(2]假定OFDM调制N= 256副载波。只有用于数据。循环前缀的长度是用来避免码间和载波间干扰。考虑到采样频率这取决于信道带宽B和采样因子 ,一个OFDM符号的持续时间 。每个OFDM符号传递只有一个MCS调制的订单米和编码率r。定义的函数部分由一个OFDM符号,原始比特率得到了OFDM调制的支持

可用mcs如表所示5。如果使用天线系统,最大复用增益可以,在哪里和分别是发射机和接收机天线的数量。假设一个以上的天线存在发射机和接收机,实际的多路复用增益G将取决于天线系统配置(2)和通道之间的统计依赖,所以 。然后,原始物理速度将由 。

原始物理率下降是由于框架结构。首先,时间差距轮胎式龙门吊(接收/发送过渡差距)和TTG(发送/接收过渡Gap)允许收发器发射和接受之间切换。如果使用TDD,时间分为下行(DL)和上行(UL)可以修改。我们表示有用的一部分用于DL和传输时间帧持续时间。然后,OFDM符号的数量在DL和UL可以计算

DL,帧开始序言(2符号)和帧控制头(FCH)字段(1)象征。然后,广播(BC)破裂传播包含UL-MAP, DL-MAP,下行和上行信道描述符(分别论证和UCD)。这些字段的长度取决于数量的调节和用户活跃在一个框架,和可选的变长消息的数量。因此,最相关的开销在公元前的破裂是由于(我)UL-MAP:位(强制每一帧),在这个框架活动用户的数量;(2)DL-MAP:位(可选每一帧);(3)UCD,以便:位在哪里和是脉冲的数量安排在DL和UL、分别和通常是不同的。

注意,信道的传输频率描述符取决于信道相干时间和实现。公元前的OFDM符号用于破裂 在哪里和公元前的调制和编码顺序的破灭,分别。BC破裂,用户的爆发之前选择短1-symbol序言。如果我们考虑到每个用户分配一个破灭,DL符号的数量可以用于MAC数据

DL,以下字段减少可用的OFDM符号:(我)包括( )。数量可变的机会给出了用户等。每个人的时间取决于细胞中允许的最大用户距离和特定的实现。(2)带宽请求( )。数量可变的长度2-symbol带宽请求将在UL允许用户为每个连接请求的带宽。(3)在每个UL破裂之前放置一个1-symbol序言。

如果我们考虑到每个用户被分配给一个不同的破裂,UL标志的数量可以用于MAC数据

在一个特定的框架 ,脉冲传输的x方向,一个变量引入简化符号。每个破裂携带OFDM符号,每一个MCS定义的编码速率和调制秩序 ,与b破裂指数。为每一个破裂的数量和MCS取决于QoS需求和为每个用户信道状态,和下面的等式必须持有: 。然后,提供的净利率PHY MAC水平计算 与可用于MAC pdu的比特数x的方向,这是由

一旦PHY操作模型,本节的其余部分将集中在MAC层。随后的分析是有效的DL和UL。MAC层中引入的主要开销(i) MAC PDU头(6字节)和CRC(4字节),所以开销比特和(2)包装小标题(比特)在每个信号分配装置之前,如果启用了包装。同时,一些管理消息被发送MAC pdu,包括功能,如ARQ和H-ARQ。最后,其他次要subheaders描述标准对不同信号的程序。自管理信息和次要subheaders不是很频繁,我们只考虑PDU头和CRC和包装subheaders。

在MAC层,每个破裂可能携带一个或多个pdu,取决于MAC sdu包装功能启用。如果启用了包装,装在一个独特的PDU,几种MAC sdu通常只存在一个MAC PDU /破裂。如果不是这样,一个MAC信号分配装置是封装使用一个MAC PDU,和几个PDU存在于一个破裂。让我们表示的pdubth破裂,sdu数量pth PDU的bth破裂。在这些假设下,MAC的开销bth破裂的x方向是计算 在哪里填充位为了完成最后的OFDM符号bth破裂。

最后,MAC率x方向是计算

4.2.1。准备WiMAX简化模型的设置

如果使用WiMAX在PtP链接,只有一个用户连接到基站( ),和一些简化的模型可以完成。此外,为了比较模型模拟和实验中,我们使用特定的配置中使用的测试。首先,对于只有一个用户,DL-MAP下行帧中进行优化调度信息前缀(DLFP)和减少DL-MAP只有32位的长度。关于民国UCD,固定数量的和破裂,分别被认为是由硬件。然而,只有一帧,每1200毫秒,有这两个字段。UL,一个包括机会和两个带宽请求提供机会在默认情况下,尽管这些都是可配置的软件。因为只有一个用户是活跃的,破裂的数量是1,和用于MAC PDU的比特数(13)简化为 ,符号的数量在哪里通过计算考虑的假设之上,然后呢和是编码速率和调制用于每个方向。

启用了在MAC层、信号分配装置包装在我们的设备,且只有一个PDU子帧中唯一的破裂。因此,现在被计算为MAC开销 ,在哪里占补位是MAC信号分配装置的数量的子帧的打包。后者可以计算 装天花板运营商在哪里因为我们假设启用了分裂和使用最大传输单位,等于信号分配装置长度设置。最后,MAC率计算

5。测量技术的性能评估

一次野外和WiMAX性能模型描述,我们验证他们比较理论结果与外部参考。一方面,使用作为一个基本变量的距离,用客观值0-60公里范围,使得几乎不可能运行大量的测试与实际设备在任意距离。另一方面,有必要扩展测量性能指标的能力在任何距离,与任何配置和在任何交通负荷。

由于这些原因,模拟器可以使用交叉验证的模型,获得的结果更现实的和广泛的场景和配置。事件驱动的NS-3网络模拟器(30.)被选为研究中最广泛使用的无线网络(这项工作的代码和脚本实现远距离点对点测试链接的野生和WiMAX NS-3可在https://github.com/emunicio/long-distance-tucan3g)。最后,实验室和现场测试,虽然限于0公里(5米)和30公里(29.8公里),将另外允许交叉检查这些仿真结果。注意,在这项工作中,我们使用术语0公里,我们总是意味着5米,30公里的实验,我们实际上的意思是29.8公里。

NV2和AirMAX系统,缺乏信息这些专有的解决方案的实现协议和算法理论分析和软件模拟是不可能的。实验在实验室已经允许在短距离测量性能,和小知识技术一起准时测量几个长途真正链接预测的基础,允许在任何距离估计预期的性能感兴趣的范围。Mikrotik RouterBoard R52Hn与MIMO 2×2功能已被用于实验802.11 n PHY层,都与标准的CSMA / CA MAC层和专有NV2 MAC层,和Ubiquiti火箭AirMAX M5系统已经用于测试。

我们已经完成所有测试5 GHz乐队,注入流量与D-ITG [31日]。因为NV2和AirMAX等效性能在实验中,只有NV2已经保留了野生与WiMAX。几个WiMAX实验也为了验证理论计算和模拟运行在短距离,使用Albentia亚专业4900 - 5875 MHz基站和用户站。

模拟野生与NS-3 AckTimeout和CTSTimeout值已经正确设置为解释(9]。表5显示了典型的规范在野生、WiMAX和NV2设备。表6显示了参数估计链路预算。我们使用一个双向UDP静态流模拟和实验测试。我们关注性能分析原始身份回程链接。为不同的应用程序性能分析和交通类型和在农村回程网络QoS约束下,我们指的是我们之前的工作6,7]。最后,其他性能指标可以很容易地获得相同的工具完成的作品(32,33]。

6。性能结果

6.1。交叉验证图谱分析模型和NS-3野生

在本节中,我们目前的模型之间的比较结果,NS-3模拟器,并进行实验测试。饱和的测试已经完成点对点链路双向与1372字节的UDP数据包的有效载荷,没有帧聚合和Block-ACK,使用20 MHz带宽和调整SlotTime中所示的距离(9]。卫兵间隔设置为800 ns在所有情况下。每个样本对应的平均价值20样品(模拟和实验)。

图1(一)显示了饱和吞吐量达到野生的距离增加。为了清晰起见,我们只代表最低和最高MCS的结果输出和MIMO 2×2,即。MCS0 MCS7,分别和MCS8 MCS15。连续和虚线代表通过分析模型获得的结果和NS-3模拟器,分别。可以看出,分析模型和模拟之间的差异可以忽略不计,专门为mcs越低。图1(一)显示了饱和吞吐量也在实验测试在实验室条件下0公里的距离。虽然在NS-3 IEEE 802.11实现已经广泛验证的工作(34,35),我们表明,我们的初步结果也证实三种方法之间的匹配。

6.2。WiMAX和NS-3交叉验证图谱分析模型

测试和计算已经完成饱和点对点链路双向与1372字节的UDP数据包的有效载荷,使用最有效的帧持续时间和循环前缀:帧20 ms和循环前缀的长度的1/32。UL / DL比率设置为50%。试验得到的结果是0公里(5米)的距离在实验室,和所有距离的分析模型和NS-3。图1 (b)UL代表聚合的饱和吞吐量和DL从BPSK 1/2 MCS 64 QAM 3/4。在远处0公里,实验测量和模拟匹配良好,和分析模型的结果也非常接近实验结果(误差在1%以下为最坏的情况下,帧持续时间20 ms)。方便表明WiMAX系统有更多实现特定选项条件性能重要的是,只有制造商知道确切的调整他们的产品。

6.3。结果野生

本节的目的是确定的最优性能IEEE 802.11 n根据距离长点对点的链接和如何实现它。主要有两个问题需要回答:在框架上的依赖是什么能力聚合和什么是预期的延迟根据负载水平。

图2(一个)介绍了饱和吞吐量达到不同的帧聚合的水平。保护间隔是800 ns, 20 MHz带宽,和UDP数据包的有效载荷1372字节是注入了一个以饱和链接。N聚合/传输的数据包数量。虽然标准允许实现更高水平的聚合,许多实现的最大阈值8192字节/块,结果显示的优势方面的能力。从图2(一个)的利益使用帧聚合最高的可能值变得明显。

以代表平均延迟如何改变帧聚合级别,已经固定到30公里的距离,给出了图的结果2 (b)。的X轴代表提供的负载的比例名义比特率,100%代表一个给定的PHY吞吐量MCS在给定的距离。MCS0在这种情况下,使用和其他参数使用的前图2(一个))。

可以看出,利用帧聚合的能力是免费的延迟。延迟(对数尺度)的曲线非常特点和一些明确的结论。延迟较低(约3女士在模拟和实验)在某种程度上,它长大后的值超过1秒。这高增加延迟是由于排队延迟是CDMA / CA时(尽管其限制和碰撞 ,交通是双向的)减少渠道效率。这表明,虽然吞吐量可以大幅增加到最大饱和吞吐量值(链路容量的100%),建议保持链接的负载低于饱和(即。实际最大吞吐量的50%以下,在平图的一部分2 (b)),所以,保持有界延迟在低延迟数据。

此外,包丢失是0到饱和,增加线性超越这一点。这是特别重要的,如果链接用于回程交通从3 g细胞,在电话的QoS要求执行链接的使用只在低延迟区域(见前面的小节)。例如,理论MCS0比特率为5.5 Mbps在MAC级别,但是30公里的最大负载提供链接,使得平均延迟下5女士是3.3 Mbps,大约55%的名义上的比特率。通过限制的交通联系和保持它在饱和点,能力会降低,但允许获得一个低延迟和丢包交换可以忽略不计。阈值必须以所有MCS和距离。这些值(以下小节所示)可以获得与NS-3并允许关联任何链接(给定的距离和MCS)网络最大允许流量负载(6,7]。

6.4。WiMAX的结果

WiMAX长途连接的性能取决于许多参数,和长时间的调整点对点的链接直接对他们中的许多人来说。例如,有不同带宽的选择,被10 MHz最高的5 GHz nonlicensed乐队。这是最宽的带宽,这将在所有情况下使用的带宽。其他参数,如循环前缀可能取决于特定的上下文:最低的循环前缀(1/32)许可获得最高的能力,但它只能用于如果反映不明显。帧持续时间必须更仔细地研究。一方面,更高的帧持续时间减少了开销,提高了效率。另一方面,帧的时间越长,越高的平均延误。

数据3(一个)和3 (b)展示能力和延迟演变为不同的帧持续时间增加的距离。图3(一个)获得与BPSK 1/2,代表了聚合UL + DL饱和吞吐量注入1372字节UDP数据包,循环前缀的1/4和10 MHz带宽。最短帧的饱和吞吐量较低;然而,图3 (b)显示了延迟(对数尺度)nonsaturation地区非饱和WiMAX链接和帧持续时间增加处罚。虽然帧持续时间20 ms驱动器最高能力,缺点是延迟高达42女士为最优交通。

相反,最短帧开车去很短的延迟,7毫秒左右,但能力下降超过30%。这个取舍应该解决第一次看多少延迟可以花在WiMAX链接,然后选择帧持续时间最长的限制下仍保持平均延迟。本文选择女士4帧持续时间的比较。最后,值得强调的是,由于WiMAX是TDMA技术,增加延迟饱和点后几乎只由于排队延迟体育起源的瓶颈。

6.5。结果NV2(基于TDMA解决方案)

在前一节中解释说,除了制造商(即。,为NV2 Mikrotik)可以提出一个分析模型。然而,根据对其性质和小现有知识也基于许多用户的经验(36,37),众所周知,长NV2链接的能力下降非常缓慢和线性距离,WiMAX。在缺乏理论模型和仿真器,只有实验测量允许获得NV2不同MCS的性能。性能测量了0公里的距离在实验室(5米)和30公里链接字段(实际距离29.8公里)。测量完成类似的调整对于野生和帧持续时间2女士,由于链路预算的限制,只能测试16 QAM 3/4(即。,MCS4输出和MCS12 MIMO)。

表7显示了不同的饱和吞吐量mcs为NV2 0到30公里。野生的也值显示为参考。在这种情况下,使用8192字节的帧聚合,这高度推进器性能模型相比,特别在mcs就越高。可以看到,在短距离比野生的行为不同的mcs NV2;然而,在30公里,NV2呈现更高的吞吐量由于其MAC层TDMA, WiMAX一样。这是由于NV2和WiMAX可以调整计时器high-propagation次这样距离吞吐量的影响最小化,而对于NV2,出现性能下降10%左右的30公里,在野外,这性能下降超过50%。这表明对于长距离,TDMA MAC层效率高于CSMA MAC层。

最后,图4显示NV2延迟的函数提供的负载在30公里。可以看出,低延迟提供负载的范围约为60%,相当于野生帧聚合中的值 ,如图2 (b)。注意,与野生和WiMAX,相当于100%的交通负载的最大名义汇率的联系。

6.6。对比不同的技术

一旦三个技术特征在不同距离的性能,我们比较他们的条件,允许使用它们作为3 g农村网络回程。

出于这个原因,图5比较802.11 n(野生)、WiMAX和NV2支持的最大吞吐量和延迟低于5(即女士。不饱和条件)。由于交通网络可能多次反射,累积延迟执行的性质我们强烈限制单延迟。这意味着2.5毫秒的帧时间选择为NV2 WiMAX和2 ms。

野生的帧聚合将因为它不影响非饱和区域的延迟。结果,和之前一样,为双向UDP流量1372字节负载大小。野生和NV2,我们使用GI = 800 ns和循环前缀WiMAX的1/4。通道是20 MHz宽度对野生和NV2 WiMAX和10 MHz。自线性行为预计NV2的性能(如发生与WiMAX)由于其tdma协议,我们有插值NV2值介于0到30公里,30公里至60公里,所以所有NV2值估计的值,但值在0和30公里。

获得最佳的性能在短距离与野生,2 - 3公里。重要的是要注意,除此之外的距离,NV2总是比野生已经表所示7。然而,WiMAX的性能总是低于野生和NV2。这基本上是由于这一事实在IEEE 802.16标准允许的最大带宽WirelessHUMAN是10 MHz,所以真正的能力是远远低于所获得的能力与IEEE 802.11 n PHY使用20 MHz频道。虽然对于所有帧大小,较短的距离和WiMAX展览的最大频谱效率,它不是一个有趣的替代回程网络因为其性能可以很容易超过20 MHz的野生和NV2渠道。只有非常特殊场景高容量不是必需的,但一个强大的QoS策略是至关重要的,这可能对建筑WiMAX的链接。否则,通常在回程网络QoS需求相当可以使用野生或NV2完成。

一般来说,链接可以获得45 Mbps在20公里的距离与延迟界5 NV2当使用米姆和MCS11女士。这不再吞吐量通常是在更远的距离,因为链接实现预算成为一个重要的约束。对于55公里,NV2可以支持多达20 Mbps。野生只能提供37 Mbps和10 Mbps 20公里和55公里,分别与延迟界5 ms,习惯于使用帧聚合。最后,WiMAX可以只提供28 Mbps 20公里和8 Mbps 55公里。

7所示。示例用例

7.1。回程3 g家庭基站的解决方案:多次反射网络绒毛河沿岸

为了说明评估的技术可以用在一个真正的背景下,本节提出了网络尺寸短茸毛的网络使用情况,选择的场景之一TUCAN3G项目概念证明(3]。图6显示了该网络的拓扑结构与野生目前部署和NV2链接连接农村医疗设施与伊基托斯的医院。因此,网络是一个长途链接链20-55公里的范围,覆盖总端到端距离大约450公里。TUCAN3G正在部署一个平行示范网络复用从圣诞Clotilde塔伊基托斯,与3 g家庭基站在几个村庄。交通荷载产生的潜在村庄内第一个5年的使用已经计算并显示在表中8与能力相比,野生,WiMAX或NV2可以提供在每一跳。

网络中使用的链路预算参数的表所示6,敏感数据如表所示5。Friis传播模型用于链路预算,和20 dB的衰落余量已经使用在所有情况下选择最高的调制和编码方案的性能在每一跳。同时,抛物线与27使用dBi获得双极化天线。

农村回程网络也不同的特点,需要特别注意。农村电网的缺乏使基本的使用替代能源,如太阳能电池板和不同的机制来应对一个不可靠的电力供应。同时,附件必须最低4-4X NEMA类型以妥善保护设备免受天气条件和塔必须身体安全。这些问题就都解决了GTR研究小组,这证明了经验部署和操作农村网络(38]。

结果在表8表明,野生和NV2主要提供足够的容量为3 g的回程要求供应商在这些村庄,旨在提供服务。相反,WiMAX是一个有效的解决方案的四个链接最远的城市,而不是三个最亲密的人。在线性多次反射网络链接需要更多的能力,因为他们更接近网关,因为他们携带交通背后的所有细胞。纳波网络目前操作与NV2自2016年底。

当然,这只是一个说明性的例子的多次反射交通网络基于这些技术的可行性,这取决于特定场景的具体要求。一起Balsapuerto网络解释(6,7),这两个概念验证网络目前操作的混合引用技术支持3 g家庭基站回程交通从不同的孤立的村庄。

7.2。成本和操作

关于这些技术的成本是回程,即使802.11和802.16的操作系统是便宜的自己nonlicensed乐队,都可能需要昂贵的长途链接在平坦的农村地区由于基础设施所需的高楼为了保证洛杉矶。这是特别重要的在nonlicensed乐队,最大传输功率是严格限制9]。这可能意味着较高的资本支出对于一些场景,而这些成本可能大大降低在山区景观塔可能放置在自然升高点。另一方面,运营成本极低,这可能导致总体积极平衡WiFi和WiMAX在大多数实际情况比其他更昂贵的替代品,如网络连线通信。更详细的分析可以发现在6]。

关于使用nonlicensed乐队,他们的开发运营级服务意味着免费的额外成本,规定在许多发展中国家正朝着允许运营商发展在贫困地区中使用它们。Nonlicense乐队更容易干扰比许可的乐队,甚至在农村情况射频排放稀缺。然而,由于high-directive天线使用,nondesired功率在RX天线可以被忽视。的场景位于国家许可的乐队是强制回程carried-grade服务,WiMAX是唯一的低成本的选择,因为它是唯一的技术分析了工作中有一个配置文件,运行许可。尽管使用许可乐队意味着额外的巨大的成本,操作员仍然可以采用低成本的基础设施基于WiMAX的好处。

8。结论和未来的工作

3 g提供者通常的基础设施运营级回程接入网技术和宏单元,开车去扎实的专业解决方案,结果是成本有效的人口密集地区。然而,偏远农村地区需要低成本的技术,允许运营商部署的基础设施在人烟稀少的地区,仍然保证经济效益。

无线宽带技术操作5 GHz nonlicensed乐队无疑是便宜的比传统的运营商级回程技术和共享频谱可能不是难以忽视的农村地区。然而,没有常识对无线网络的实际表现,WiMAX,或基于WiFi TDMA方案在远程链接,尤其是在回程网络,交通的形状保持联系工作在饱和为了延迟绑定。

这项工作表明,这些技术和专门802.11基于TDMA的解决方案,是农村的3 g的固溶体回程链接,提供足够的容量和可接受的延迟,只要外部机制限制的流量通过这些链接(7]。

正如上面提到的,标准化的身体如ETSI麸皮后这种方法。本文有助于证明其可行性,特别集中在寻找最优操作点曲线延迟/提供负载中的一环。这一点通常不是的最大吞吐量达到但是提供最大吞吐量在边界延迟低于5 ms。结果提出了感兴趣的可以在设计这样的农村回程网络和实现和运行他们的交通控制系统。

数据可用性

源代码用于支持本研究的结果包括在本文中。仿真和实验数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认