1. Механизм и принципы функционирования сети стандарта IEEE 802.16

1.1. Развитие WiMAX в России

1.2. Техническая характеристика стандарта IEEE802.16

1.3. Ключевые технологи стандарта

1.4. Принципы построения сети WiMAX

1.5. Радиомаршрутизатора R5000

1.6. Функционирование сети WiMAX

1.1. Развитие WiMAX в России

Стандарт 802.16 (WiMAX) призван сыграть важную роль в развитии рынков систем и услуг беспроводного широкополосного доступа (БШД), обеспечив совместимость продуктов разных производителей и значительное снижение цен, главным образом на абонентское оборудование. В этом очень заинтересованы операторы связи, которые требуют от производителей дешевых абонентских устройств БШД, что позволит многократно увеличить число пользователей сетей.

Услуги и средства БШД востребованы индивидуальными потребителями, коммерческими предприятиями, государственными структурами и самими операторами связи (для соединения элементов сетевой инфраструктуры). Сегодня в нашей стране соединение базовых станций операторов сотовой связи является одной из основных областей применения систем БШД.

В 2004г. в мире насчитывалось 915 тыс. абонентов систем фиксированного БШД (всех типов), работающих на частотах ниже 11 ГГц, а к 2006 г. их число увеличилось примерно до трех миллионов, из которых около 100 тыс. абонентами систем WiMAX; число абонентов этих систем и сетей на базе фирменных средств БШД должно сравняться в 2010 г. Что же касается мирового рынка инфраструктурного оборудования WiMAX, то, он вырос с 15 млн. долл. в 2004г. до 115 млн. долл. в 2005г., а к 2008г. достигнет объема в 290 млн. долл.

По поручению Мининформсвязи России, в настоящее время на базе различных технологий БШД в нашей стране действуют около 300 сетей беспроводного доступа. Типичная сеть БШД имеет не менее трех базовых станций, обслуживающих до 500 абонентов или более. В основном абонентами этих сетей являются юридические лица, использующие их для доступа в Интернет и объединения удаленных филиалов своих предприятий с применением технологий VPN.

Основным сдерживающим фактором распространения сетей БШД и роста числа абонентских подключений является высокая стоимость абонентского комплекта оборудования — от 700 до 2000 долл. Уменьшение его стоимости до 400 долл. и ниже должно привести к значительному росту абонентской базы. Следующий этап развития сетей БШД начнется, когда стоимость абонентского комплекта упадет до 200—250 долл. При таком уровне цен станет возможным широкое использование систем БШД для предоставления услуг индивидуальным потребителям.

Технология WiMAX широко разрекламирована в мировой прессе, чему немало способствовали производители оборудования и компонентов для систем БШД. Много писалось о том, что системы WiMAX способны передавать данные на расстояние до 50 км со скоростью 70 Мбит/с, причем светлое WiMAX-будущее должно наступить очень скоро. Однако время завышенных ожиданий прошло. Так, по данным корпорации Intel, максимальная скорость передачи данных, примерно равная 70 Мбит/с, реализуется при использовании 20-МГц канала и высокоуровневой модуляции 64QAM 3/4, но при такой модуляции радиус соты не может быть равным 50 км (в системе SkyMAX фирмы Siemens он составляет только 4—6 км — в зависимости от условий распространения радиосигналов). Большинство же систем WiMAX будут работать в частотных полосах шириной от 3,5 до 10 МГц, а в полосе частот 10 МГц максимальная скорость передачи данных равна примерно 37 Мбит/с. Необходимо учесть и тот факт, что, по разным оценкам, реальная скорость передачи данных составляет 30—65% от максимальной. Таким образом, абонентам вряд ли стоит рассчитывать на скорость в 70 Мбит/с.

Общеизвестно, что благодаря использованию схемы модуляции OFDM системы WiMAX работают при отсутствии прямой видимости между антеннами базовой станции и абонентского устройства (по отраженным сигналам). Однако такая работа возможна только на небольшом расстоянии от базовой станции и сильно зависит от типа выбранной модуляции. Согласно материалам компании Redline Communications, её система RedMAX обеспечивает дальность связи до 45 км в условиях прямой видимости и до 3 км при ее отсутствии.

При прогнозе процесса развития технологии WiMAX, можно выделить в нём три этапа. На первом этапе (2004—2006 гг.), который, собственно, уже прошёл, выпущены системы на базе неспециализированных микросхем и появились первые специализированные наборы микросхем для средств WiMAX. Но здесь не следовало ожидать большого числа инсталляций систем WiMAX, поскольку они довольно дороги. Второй этап (2007—2008 гг.) будет характеризоваться развитием производства абонентских устройств в странах Юго-Восточной Азии, что приведет к снижению цен на абонентское оборудование наружного исполнения до 400—600 долл.; начнется массовое производство абонентских станций комнатного исполнения по 100—150 долл. и постепенное распространение технологии WiMAX по всему миру. На третьем этапе (с 2009 г.) будет принята спецификация 802.16e (на ограниченно мобильные решения для БШД), начнется интеграция систем WiMAX с сетями сотовой связи и реальная конкуренция этих систем с сетями доступа на базе технологий ADSL и кабельных модемов, появятся портативные устройства (ноутбуки, карманные ПК и смартфоны) со встроенными интерфейсами WiMAX.

Вопросы частотного распределения для систем WiMAX

От их решения напрямую зависят перспективы развертывания систем WiMAX в нашей стране. В стандарте IEEE 802.16-2004 для систем БШД предполагается задействовать частоты от 2 до 11 ГГц. В настоящее время WiMAX-форумом разработаны три профиля использования данных систем в частотных диапазонах 2,5—2,7; 3,4—3,6 и 5,725—5,850 ГГц. Что касается применения этих диапазонов в России в настоящее время, то диапазон 2,5-2,7 ГГц запланирован для работы систем эфирного телевидения по технологии MMDS, но текущим регламентом допускается совместное использование его системами двунаправленной передачи данных и интерактивного телевидения. В диапазоне частот 3,4—3,6 ГГц системы БШД уже работают, но дальнейшее их развертывание существенно ограничено из-за возникновения проблем с электромагнитной совместимостью со средствами космической связи ФГУП “Космическая связь” и ОАО “Газком”, функционирующими в C-диапазоне. Диапазон 5,725—5,850 ГГц в настоящее время используется различными системами БШД, а также аналоговыми и цифровыми радиорелейными станциями. Работа последних в этом диапазоне может накладывать серьезные ограничения на развитие систем БШД.

Для изучения возможности использования этих диапазонов необходимо проанализировать их загрузку по регионам. Некоторым представляется целесообразным разработать процедуру переноса систем радиорелейной связи, работающих в диапазоне частот 5,725—5,850 ГГц, в другой диапазон, например 11 ГГц, или цифровизации аналоговых систем радиорелейной связи с уплотнением используемого диапазона частот и высвобождением частотного ресурса под системы WiMAX. Возможно, стоит принять общее решение ГКРЧ по применению систем WiMAX в диапазоне 5,725—5,850 ГГц. Использование рекомендованных WiMAX-форумом диапазонов частот позволит эксплуатировать в сетях БШД абонентские устройства зарубежных производителей. Внедрение систем WiMAX ускорит развитие современных услуг связи в России, особенно в местах с плохо развитой телекоммуникационной инфраструктурой.

1.2. Техническая характеристика стандарта IEEE802.16

Из всего многообразия стандартов семейства IEEE 802.16 мы остановимся на двух: IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16е.

Первый стандарт описывает физический уровень и МАС- (Media Access Control- управление доступом к среде передачи) уровень для фиксированных сетей высокоскоростного беспроводного доступа FBWA (Fixed Broadband Wireless Access). Второй стандарт является дополнением к первому для обеспечения мобильности.

Физический уровень

Основными узлами сети по стандарту IEEE 802.16 являются базовая станция (Base Station) и пользовательская станция (Subscriber Station).

Предусмотрено две топологии взаимодействия между узлами сети : «точка-многоточка» РМР (Point-to-MultiPoint), при которой каждая пользовательская станция взаимодействует со своей базовой станцией и ячеистая (Mesh), при которой пользовательские станции могут взаимодействовать между собой. Первая топология подразумевает сотовую структуру организации зоны покрытия сети. При этом не исключен более простой способ организации связи — «точка-точка».

Стандарт IEEE 802.16 описывает четыре физических уровня:

• Single Carrier (WirelessMAN-SC)- символы модуляции передаются на несущей частоте- ориентирован на работу в условиях прямого распространения сигнала на частоте несущей в диапазоне 10-66 ГГц;
• Single Carriera (WirelessMAN-SCa)- модификация WirelessMAN-SC- для работы в условиях непрямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц;
• Orthogonal Frequency Division Multiplexing (WirelessMAN-OFDM) – символы модуляции передаются на множестве поднесущих с использованием технологии OFDM – предназначен для работы в условиях непрямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц;
• Orthogonal Frequency Division Multiple Access (WirelessMAN-OFDMA)- множественный доступ с частотно-временным разделением с использованием технологии OFDM- предназначен для работы в условиях непрямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц.

Таблица 1.1 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Где — ARQ (automatic repeat request) – автоматический запрос повторной передачи;

— AAS (adaptive antenna system) – работа с адаптивными антенными системами;

— STC (space time coding) – пространственно-временное кодирование;

— MESH – режим взаимодействия АС друг с другом;

— DFS (dynamic frequency selection ) – режим динамического распределения частот.

WirelessMAN-SC

Физический уровень WirelessMAN-SC предназначен для работы в условиях прямого распространения сигнала на частоте несущей в диапазоне 10-66 ГГц.

Стандарт IEEE 802.16 жестко не регламентирует полосу частот для WirelessMAN-SC. Вместо этого приведено три наиболее типичных значения- 20, 25 и 28 МГц.

Физический уровень WirelessMAN-SC поддерживает два вида дуплекса: частотный FDD (Frequency Division Duplex) и временной TDD (Time Division Duplex). В случае частотного дуплекса стандарт поддерживает как полнодуплексные пользовательские станции: которые могут принимать и передавать одновременно, так и полудуплексные пользовательские станции, которые одновременно могут либо передавать, либо принимать.Передача данных в прямом канале (от базовой станции к пользовательской ) и в обратном направлении имеет кадровую структуру. Стандарт регламентирует три размера кадра: 0.5, 1 и 2 мс.

Рассмотрим подробнее структуру кадра. Он содержит кадр прямого канала, и кадр обратного канала. В случае частотного дуплекса кадры прямого и обратного каналов передаются одновременно на различных частотах (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Кадры прямого и обратного каналов в случае частотного дуплекса

При использовании временного дуплекса в кадре сначала передают кадр прямого канала, а за ним кадр обратного канала (рис. 1.2). При этом кадр имеет фиксированный размер, а доли кадра, занимаемые кадрами прямого и обратного каналов, могут адаптивно меняться от кадра к кадру.

Рис. 1.2. Кадры прямого и обратного каналов в случае временного дуплекса

В случае частотного дуплекса кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рис. 1.3.

Кадр прямого канала при использовании частотного дуплекса включает следующие основные элементы: преамбулу кадра прямого канала; DL-MAP (Dowlink Map)- расписание кадра прямого канала; UL-MAP (Uplink Map)- расписание кадра обратного канала; TDM-часть; TDM-пакеты с пользовательскими данными; TDMA-часть; TDMA –пакеты с пользовательскими данными, перед каждым из которых передаётся преамбула.

Рис. 1.3. Структура кадра прямого канала в случае частотного дуплекса

Данные разных пользовательских станций в прямом канале разделяются по времени. При этом предусмотрено два подхода: TDM (Time Division Multiplexing) — временное мультиплексирование; TDMA (Time Division Multiple Access) — множественный доступ с временным разделением. Последний подход предусмотрен для поддержки полудуплексных станций.

Сообщение DL-MAP задаёт расписание пакетов разных пользователей внутри кадра прямого канала, а сообщение UL-MAP- внутри кадра обратного канала.

Преамбулы служат для измерений, частотно-временной синхронизации и оценки канала.

В случае временного дуплекса кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рисунке… Она проще, так как отсутствует TDMA-часть. Добавлен временной интервал TTG (Transmit/Receive Transition Gap)- защитный интервал, предназначенный для перестройки от передачи к приёму (на базовой станции) и от приёма к передаче (на пользовательской станции).

Рис. 1.4. Структура кадра прямого канала в случае временного дуплекса

Структура кадра обратного канала показана на рисунке.. Она практически одинакова для частотного и временного дуплекса. Отличие заключается в наличии временного интервала RTG (Receive/Transmit Transition Gap)- защитного интервала, предназначенного для перестройки от приёма к передаче (на базовой станции) и от передачи к приёму (на пользовательской станции).

Рис. 1.5. Структура кадра обратного канала

Кадр обратного канала включает следующие основные элементы: канал начального доступа; канал запроса частотно-временного ресурса; пакеты с пользовательскими данными . Последние состоят из SSTG (Subscriber Station Transition Gap)- защитного временного интервала между пакетами разных пользовательских станций; преамбулы; пользовательских данных; временного интервала RTG (только в случае временного дуплекса ).

Длительности канала начального доступа м канала запроса частотно-временного ресурса, а так же расписание пакетов с пользовательскими данными задаёт сообщение UL-MAP текущего или одного из предыдущих кадров прямого канала.

Физический уровень WirelessMAN-SC стандарта IEEE 802.16 определяет четыре схемы кодирования: код Рида-Соломона (Reed-Solomon Code);код Рида-Соломона и блочный свёрточный код (Block Convolutional Code ); код Рида-Соломона и проверка чётности (Parity Check); блочный турбокод (Block Turbo Code). Предусмотрено три вида модуляции: QPSK; 16-QAM; 64-QAM. Несколько схем кодирования и видов модуляции позволяют осуществлять адаптивное кодирование и модуляцию.

Канальные скорости передачи для размера кадра 1мс и трёх рекомендованных полос частот для физического уровня WirelessMAN-SC приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Канальные скорости передачи для WirelessMAN-SC