Стандарт 802.16 основные параметры. Wi-max в сетях связи с подвижными объектами. WiMAX Пример внедрения

WiMAX IEEE 802.16

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) - телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов) и их логического объединения – локальную сеть.

Преимущества.

Преимущества технологии(кратко) :

Экономическая эффективность

Универсальность и надежность

Гибкость и простота в развертывании и масштабируемость

Создание зоны пкрытия в усовиях отсутствия прямой видимости

Изначально содержит протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать ее в глобальные сети

По сравнению с проводными (xDSL, T1), беспроводными или спутниковыми системами сети IEEE 802.16 должны позволить операторам и сервис-провайдерам экономически эффективно охватить 28 не только новых потенциальных пользователей, но и расширить спектр информационных и коммуникационных технологий для пользователей, уже имеющих фиксированный (стационарный) доступ.

Стандарт объединяет в себя технологии уровня оператора связи (для объединения многих подсетей и предоставления им доступа к Интернет), а также технологии "последней мили" (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя), что создает универсальность и, как следствие, повышает надёжность системы.

Беспроводные технологии более гибки и, как следствие, более просты в развёртывании, так как по мере необходимости могут масштабироваться.

Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. WiMAX благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами.

Технология WiMAX изначально содержит в себе протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать её в локальные сети.

Принцип работы.

Соединения с базовой станцией и клиентским приемник происходит в свч диапазоне от 2 до 11 ггц. Данное соединение при идеальных условиях позволяет передавать данные со скорость до 20 мбит в секунду и не требует, чтобы базовая станция и клиентский приемник находились на расстоянии прямой видимости. Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использование частоты от 6 до 66 ггц на расстояние прямой видимости. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные до 120 мбит/с. Ограничение прямой видимости является недостатком. Но оно накладывается только на базовые станции. Хотя бы одна базовая станция должна быть постоянно связана с сетью провайдера через проводное широкополосное скоростное соединение. Чем больше станций имеет доступ к сети провайдера через проводное соединение, тем выше скорость и надежность передачи. Сеть стандарта IEEE 802.16 очень похожа на традиционные сети мобильной связи.

Режимы работы .

Режимы работы(кратко)_:

Fixed WIMAX работает в реежиме от 6 до 66 ггц.Недостатки: требует прямой видимости базовой станции(для стационарных)

NomadicWiMax(для портативных, ноутбуков) сеансовый доступ позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сеансами и восстанавливает соединение с сетью провайдера и с локальной сетью с помощью других вышек WImax.

PortableWiMaxдобавлена возможность клиентского приемника автоматического переключения с одной базовой станции на другую без потри соединения. Ограничения на скорость передвижения приемника до 40 км/ч

MobileWiMaxСкорость перемещения клиентского приемника до 120 км/ч

1)Использование сверхвысокий частот вредных для человека.

2)В малонаселенных районах отсутсия потенциального числа пользователей.

3)Слишком быстрое развитие стандарта

4) Наличие конкурентных технологий

Fixed WiMAX - фиксированный доступ. Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала. С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с.

Nomadic WiMAX . Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и

восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

Portable WiMAX . Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т.д.). Введение данного режима

сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и карманных персональных компьютеров.

Mobile WiMAX позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до

более 120 км/ч. Основными достижениями мобильного режима можно считать нижеприведённые факторы:

Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам

Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать ассиметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счёт эстафетной передачи сессии между каналами.

Минусами данной технологии считаются:

Использование сверхвысоких частот, вредных для человека

Отсутствие потенциальных пользователей в малонаселенных районах

Слишком быстрое развитие стандарта

Наличие конкурентных технологий

Участники рынка широкополосного беспроводного доступа на протяжении нескольких последних лет продвигают единый стандарт беспроводного доступа для всех существующих сетевых технологий в рамках консорциума WiMAX. Аналитики пророчат ему светлое будущее и один проект, на базе такого оборудования, уже реализован. Возможно, что следующий состоится в России.

История вопроса

Около пяти лет назад участники рынка широкополосного беспроводного доступа (BWA) пришли к мнению о необходимости введения единого стандарта. Потребность возникла не на пустом месте «зоопарк» систем BWA, в которых используются несовместимые друг с другом протоколы физического и канального уровней и реализованы различные методы обеспечения сетевой безопасности, мало кого устраивал. Работа над новым стандартом для городских беспроводных сетей (Wireless MAN) в рамках института IEEE закипела…

IEEE 802.16 WirelessMAN стандарт для беспроводных городских сетей

Рабочая группа IEEE 802.16 по стандартам широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access, BWA) разрабатывает стандарты, дает рекомендации по практическому использованию и поддерживает развитие широкополосных беспроводных городских сетей (Wireless Metropolitan Area Networks). IEEE 802.16 является структурной единицей в рамках Комитета по стандартам локальных и городских сетей IEEE 802 (IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee, первого транснационального форума по стандартизации беспроводных сетей.

Разрабатывая стандарт IEEE 802.16, который описывает радиоинтерфейс для беспроводных городских сетей, Ассоциация стандартизации при институте инженеров по электротехнике и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association, IEEE-SA) намерена развивать технологию широкополосного беспроводного доступа, сделать ее более распространенной.

IEEE 802.16 описывает соединение на участке «первая миля последняя миля» в беспроводных городских сетях. Этот стандарт делает акцент на эффективном использовании частотного спектра в диапазоне от 10 до 66 ГГц (от 2 до 11 ГГц в более поздних версиях) и определяет уровень управления доступом к среде (Medium Access Control, MAC), который поддерживает спецификации на физическом уровне в рамках заданного диапазона частот. IEEE 802.16 призван обеспечить совместимость оборудования различных вендоров с тем, чтобы операторы могли использовать решения от различных поставщиков, что повышает уровень конкуренции и приводит к снижению стоимости оборудования.

Источник: The IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless Access Standards

Исходная версия выпущенного стандарта 802.16 охватывала диапазон частот 1066 ГГц. Особенности распространения радиоволн этого диапазона ограничивают возможности работы систем условиями прямой видимости, поэтому в обычной среде мегаполиса операторы неминуемо теряют порядка половины абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой станции (остальная половина, как правило, попадает «в тень» закрыта для радиосигнала зданиями и другими городскими конструкциями).

В этой связи институт IEEE разработал дополнение к стандарту 802.16 (802.16а), которое позволяет работать в более низкочастотной области спектра диапазоне 211 ГГц и, таким образом, позволяет операторам надеяться на увеличение радиуса действия базовых станций.

После создания первых версий стандарта 802.16 компании Fujitsu Microelectronics America, Intel и Nokia создали консорциум World Interoperability for Microwave Access Forum (WiMAX Forum). В настоящее время в его состав входит больше сотни компаний со всего мира, которые так или иначе связаны с рынком беспроводных технологий (см. врезку).

Консорциум WiMAX

Глобальная цель консорциума WiMAX (World Interoperability for Microwave Access дословно: «глобальная совместимость для микроволнового доступа») состоит в содействии продвижения технологий сетей широкополосного беспроводного доступа с использованием единого стандарта. При этом необходима сертификация оборудования и технологий различных производителей на предмет их совместимости между собой и соответствие этому единому стандарту, на роль которого претендует IEEE 802.16. В конечном итоге WiMAX намерен создать более конкурентную рыночную среду в сегменте ШБД и упростить развертывание таких сетей с использованием оборудования различных вендоров.

В состав консорциума WiMAX входят лидеры индустрии, которые ратуют за совместимость всех решений, использующихся в сетях широкополосного беспроводного доступа.

В настоящее время участниками WiMAX являются 104 компании во всего мира. Среди мировых брэндов Intel, Alcatel, Siemens, AT&T, WiLAN и др. есть и российский производитель оборудования для беспроводных сетей компания InfiNet Wireless Ltd. , созданная недавно на базе проекта Revolution компании CompTek.

Работа WiMAX базируется на следующих основных принципах:

Поддержка стандарта IEEE 802.16
Предложения и обеспечение шаблонов (профилей) доступа в рамках 802.16
Сертификация уровней совместимости как на уровне сети, так и на уровне ячейки
Достижение глобального признания стандарта
Продвижение повсеместного использования технологии широкополосного беспроводного доступа

Согласно концепции WiMAX, выиграть от нового стандарта должны все участники рынка широкополосного беспроводного доступа: операторы, которые смогут использовать оборудование от различных поставщиков; производители оборудования, которые получат возможность расширения модельного ряда своей продукции; производители компонент, которые смогут выпускать больше партий и, наконец, конечные пользователи, которые получат более широкие возможности для более быстрого и дешевого доступа.

Источник: WiMAX Forum

О своих планах по кардинальному снижению себестоимости и увеличению доступности технологий широкополосного беспроводного доступа, включая технологии беспроводных городских сетей (WMAN) 802.16 сообщал и такой гигант индустрии ИТ как Intel. В корпорации отводят Wi-MAX -сертифицированным системам роль движущей силы для подключения к интернету следующих пяти миллиардов пользователей что, по словам представителей Intel, «положит начало настоящей революции широкополосного беспроводного доступа».

Представленная Intel концепция предусматривает, в частности, создание стандартизированных полупроводниковых компонентов для недорогих и совместимых аппаратных средств для территориальных сетей стандарта 802.16. Полупроводниковые компоненты для оборудования стандарта 802.16, которое будет сертифицировать комитет WiMAX Forum, ответственный за совместимость и возможности взаимодействия технологии 802.16, будут разрабатывать и использовать компании из постоянно растущей экосистемы производителей беспроводного оборудования и провайдеров услуг.

INTEL призывает Россию к ускоренному внедрению беспроводных технологий

22 апреля 2004 года в ходе «Дня беспроводных технологий», проводимосго в рамках глобальной программы Intel в поддержку внедрения новейших телекоммуникационных решений во всем мире, старший вице-президент, главный директор корпорации Intel по технологиям Патрик Гелсингер (Patrick Gelsinger) призвал российские государственные структуры и IT-компании к ускоренному внедрению технологий беспроводного доступа. При этом он заявил о поддержке корпорацией инициативы по продвижению новейшей технологии WiMAX на российском рынке.

Это заявление одного из высших руководителей Intel, а также сам факт проведения в Москве «Дня беспроводных технологий», продемонстрировали заинтересованность Intel в работе в нашей стране и готовность содействовать развитию IT-инфраструктуры в России. И эта проблема не теряет своей актуальности.

Так недавно был опубликован рейтинг-лист 64 государств мира, составленный Economist Intelligent Unit (информационное подразделение издательства, выпускающего ведущий европейский деловой журнал The Economist). В нем Россия занимает 55-е место по степени деловой привлекательности, с точки зрения готовности к использованию передовых методов интернет-экономики. Характерно, что за истекший год позиции нашей страны в этом списке только ухудшились (в 2003 г. страна занимала 48-е место в этом рейтинг-листе). По этому показателю Россия отстает от таких государств, как Португалия, Эстония, Греция, Чехия, Венгрия, Южная Африка, Латвия, Польша, Литва, Словакия, Болгария, Таиланд, Турция, Индия, Перу, Румыния, Египет, Шри Ланка, Украина, не говоря уже о наиболее экономически развитых странах мира.

Новая инициатива Intel направлена на продвижение технологии WiMAX на российском рынке . Она осуществляется в тесном сотрудничестве с одним из ведущих российских общественно-государственных объединений в области инфо-коммуникаций Ассоциацией документальной электросвязи (АДЭ) через рабочую группу по беспроводным сетям передачи данных. В рамках этой рабочей группы Intel действует совместно с другими российскими и зарубежными IT-компаниями: Alvarion, Comptek и др., они работают над предложениями к государственным регулирующим структурам по выработке политики в области радиочастотного спектра для более широкого внедрения технологии WiMAX в России. Для того, чтобы российские пользователи могли в полной мере воспользоваться преимуществами этой технологии, необходимо обеспечить возможность взаимодействия WiMAX-сертифицированного оборудования с оборудованием разных производителей, а также соответствие тому радиочастотному спектру, который используются в нашей стране.

Напомним, что год назад Intel провела в Москве аналогичное мероприятие, направленное на развитие российского рынка беспроводных технологий. Тогда в столице России с докладами выступили исполнительный вице-президент корпорации Intel, генеральный менеджер подразделения Intel Communications Group Шон Мэлоуни и вице-президент подразделения Corporate Technology Group, директор программ промышленных технологий Intel Фрэнк Спиндлер. Такого рода мероприятия Intel проводит в течение трех с лишним лет и они ориентированы, в первую очередь, на развивающиеся рынки. Основная цель этих инициатив проинформировать представителей деловых кругов о перспективных научных разработках корпорации в области беспроводных технологий, кроме того укрепить сотрудничество с государственными организациями и ведомствами, курирующими сферу ИТ.

Внедрение технологии 802.16 представляют в Intel как трехэтапный процесс. Он начнется с установки неподвижных наружных антенн. Это позволит быстро сделать технологии беспроводных сетей доступными для развивающихся рынков и ускорить развертывание услуг широкополосного доступа без необходимости прокладки кабельных сетей. Затем, как полагают в корпорации, развитие технологии быстро приведет к появлению комнатных антенн, что сделает ее еще более привлекательной для операторов, стремящихся упростить установку оборудования у пользователей. Наконец, на третьем этапе появятся WiMAX-сертифицированные средства связи, встроенные в портативные решения и предназначенные для пользователей, которым необходимо перемещаться внутри одной зоны обслуживания или из одной зоны в другую.

Первые WiMAX-сертифицированные полупроводниковые компоненты Intel будут основаны на стандарте IEEE 802.16d , который предусматривает высокоскоростное беспроводное соединение с использованием неподвижных антенн.

Intel сотрудничает с рядом ведущих компаний телекоммуникационной отрасли, включая Airspan Networks, Alvarion, Aperto Networks и Redline, в сфере разработки и развертывания WiMAX-сертифицированных аппаратных средств стандарта 802.16 на базе полупроводниковых компонентов Intel. Переговоры с Intel о направлениях сотрудничества на рынке технологий WiMAX ведут также компании Siemens Mobile и Proxim. В конце марта было объявлено о том, что Intel и Alcatel заключили соглашение о совместной разработке и продвижении продуктов беспроводной широкополосной связи WiMAX. Плоды этого сотрудничества должны появиться уже во второй половине текущего, 2004 г.

Имеется значительный интерес к новой технологии и со стороны операторов. Ряд крупных телекомов рассматривает возможность испытаний оборудования 802.16 и его внедрения на обслуживаемых ими рынках. Речь идет о BT (Великобритания), Iberbanda (Испания), MVS Net (Мексика), Neotec (Бразилия), PCCW (Гонконг), Reliance Infocomm (Индия), UK Broadband (Великобритания) и других.

Продвигая новый стандарт в России, Intel работает с представителями правительства, Комитета по лицензированию радиочастот, с частными компаниями. «В области внедрения последних решений по широкополосной связи и беспроводному доступу у России есть уникальный шанс не просто учиться у западных партнеров, а, внедряя новейшие технологии, совершить гигантский скачок вперед и обогнать их, став в передних рядах пионеров использования этих инноваций», считает Джейсон Чжэн (Jason Chen), вице-президент и директор группы маркетинга и продаж (Sales and Marketing Group) Intel.

WiMAX Пример внедрения

Intel совместно с компаниями Siemens Business Services и Alvarion недавно осуществили в Уорнер-Робинсе (округ Хьюстон, США) пилотный проект по развертыванию технологии широкополосного беспроводного доступа WiMAX. По словам разработчиков, на расстоянии более двадцати километров фиксируется мощный сигнал, а скорость связи составляет более 6 Мбит/с, что эквивалентно четырем-пяти линиям стандарта T1 или 20 линиям стандарта DSL. Прием беспроводного широкополосного сигнала был протестирован в пяти точках округа.

С экономической точки зрения технология WiMAX также выглядит очень привлекательно. По оценкам представителей Siemens Business Services, использованное в пилотной программе оборудование, обеспечившее широкополосный беспроводной доступ на площади более 200 квадратных миль, стоило менее $20 тысяч. Чтобы обеспечить доступ такого же качества с помощью проводных технологий, пришлось бы потратить многие миллионы долларов.

В корпорации Intel надеются, что пилотный проект в округе Хьюстон послужит моделью для других городов и округов, которые захотят использовать беспроводные технологии. Тем временем компания Siemens Business Services проводит исследование рентабельности проекта и создает бизнес-модель для предоставления услуг широкополосного беспроводного доступа в округе Хьюстон. Это поможет местным властям подготовить план привлечения частных организаций, которые будут предлагать подобные услуги.

Напомним, что в конце 1990-х годов несколько крупных коммуникационных компаний вложили огромные средства в развертывание мощных широкополосных беспроводных сетей, но этот проект завершился финансовой катастрофой. Использование нестандартизированного оборудования разных производителей привело к высоким расходам и препятствовало росту сети. Поскольку оборудование WiMAX основано на принятых отраслевых стандартах и к тому же намного дешевле, корпорация Intel надеется добиться успеха в развертывании широкополосных беспроводных сетей, особенно в удаленных районах, где нет кабельных сетей и линий DSL. Корпорация Intel уже объявила о том, что будет производить полупроводниковые устройства WiMAX.

Новые особенности

"Основная цель консорциума WiMAX cоздание и продвижение стандарта беспроводного транспорта для всех существующих сетевых технологий: ATM, Ethernet, Ethernet, SDH и LocalLoop. При этом тип предоставляемой услуги конечному потребителю определяется только оборудованием абонентского комплекта, отметил в своем выступлении на семинаре по беспроводному доступу, который проходил в рамках выставки « Связь-Экспокомм 2004 », менеджер отдела продаж компании CompTek Сергей Марченко. WiMAX обеспечивает совместимость оборудования различных производителей, что в конечном итоге должно привести к снижению стоимости решений, которое, в свою очередь, повлечет за собой массовое внедрение сетей широкополосного беспроводного доступа".

Кроме того, по его мнению, для операторов сетей это еще и снижение инвестиционного риска ведь покупая оборудование у определенного вендора пользователь все еще остается в его власти и рискует потерять деньги в том случае, если производитель по какой-либо причине «закрывает» свою линейку. Действительно, согласно этому пессимистичному сценарию потребитель остается и без поддержки поставщика, и без возможности расширения своей сети. В случае же появления единого стандарта 802.16 у оператора, как ожидается, появятся дополнительные степени свободы в случае прекращения производства оборудования одного вендора он сможет переключиться на продукцию его конкурентов, которая будет совместима с ранее установленным оборудованием.

Комментируя основные особенности стандарта 802.16, Сергей Марченко отметил, что уровень доступа к среде сильно зависит от типа предоставляемых абоненту данных (поток, Ethernet или IP). При этом оборудование стандарта 802.16 (как и оборудование более ранних стандартов серии 802.x) работает на канальном уровне, то есть на втором уровне модели OSI.

Кроме того, стандартом 802.16 подразумевается централизованное управление сетью. Это означает, что для добавления какого-либо абонента в сеть оператора администратору этой сети достаточно занести в базу данных абонентское устройство (его серийный номер и MAC-адрес), назначить ему определенный уровень доступа, определенные полосы частот передачи данных (гарантированные или нет). Установленное на стороне абонента оборудование «зацепляется» за базовую станцию, получает с нее конфигурационный файл и все те настройки, которые занес в базу администратор. При этом интерфейс абонентского комплекта может быть любым аналоговая линия, цифровой поток, либо IP все зависит только от типа абонентского блока.

Стандарт 802.16 с расширениями закрывает весь частотный диапазон 266 ГГц, но на практике оборудование, которое претендует на сертификацию, по данным Сергея Марченко, будет работать в диапазонах частот 2,42,5; 3,5 и 56 ГГц то есть в тех диапазонах, которые в большинстве стран мира, за исключением России, не лицензируются. При этом в спецификациях 802.16а и 802.16е (еще не утвержден) возможна работа на отражениях, то есть не в пределах прямой видимости (Non-Line - of-Site , NLOS). Впрочем, в этом есть некоторая уловка производителей, и некоторые (возможно, более сознательные из них) трактуют аббревиатуру NLOS как « Near-Line - of-Site », что можно перевести как «практически не прямая видимость».

"Понятно, что если на пути распространения радиоволн стоит стена, либо другое препятствие, через которое им невозможно пройти, то установить связь в таких условиях просто невозможно, говорит Сергей Марченко. Хотя за счет переотражений, например, от зданий или других конструкций, связь может быть установлена и в непрямой видимости. За счет использования модуляции OFDM с 256-ю поднесущими, «вложенными» в эти 428 МГц, какая-нибудь из этих частот (а, следовательно, и какие-то данные), да и дойдет. По сравнению со стандартом 802.11, который использует всего 52 поднесущие, вероятность успешной связи в данном случае повышается. Однако в любом случае связь в непрямой видимости не гарантируется, и в этом случае лучше проверить возможность ее осуществления на месте".

Кроме того, расширение 802.16е предусматривает мобильность предполагается, что он будет поддерживать как фиксированные, так и мобильные беспроводные устройства (КПК, ноутбуки, сотовые телефоны и пр.). Помимо ширины канала скорость передачи данных, очевидно, сильно зависит от расстояний. Так, если в канале шириной 28 МГц максимальная скорость 135 Мбит/с достижима на расстояниях 25 км, то скорость порядка 60 Мбит/с при изменяемой полосе от 1,5 до 20 МГц обеспечивается на расстояниях 710 км. Мобильные сети, построенные в рамках расширения 802.16е позволят работать в 5-ти мегагерцовом канале со скоростью до 15 Мбит/с на расстояниях до 5 км.

Расширения WiMAX

Стандарт	802.16	802.16a	802.16e
Утвержден	Декабрь 2001	Январь 2003	~ середина 2004
Диапазон	10 66 ГГ	2 11 ГГц	2 6 ГГц
Условия работы	Прямая видимость		Возможна работа на отражениях
Скорость	32 135 Мбит/с в 28 МГц канале	До 75 Мбит/с в 20 МГц канале	До 15 Мбит/с в 5 МГц канале
Модуляция	QPSK, 16QAM end 64QAM	OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64QAM	OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64QAM
Мобильность	Фиксированный	Фиксированный, портативный	Мобильный
Ширина канала	20, 25 и 28 МГц	Измеряемая, 1.5 20 МГц	Измеряемая, 1.5 20 МГц
Типичный радиус покрытия	25 км	От 7 до 10 км, макс. радиус 50 км	25 км

Весь прошедший год в прессе то и дело появлялась информация об очередных успехах в области развития нового стандарта беспроводной связи 802.16, или, как его часто называют, WiMAX. А после осеннего Форума компании Intel для разработчиков (IDF), на котором был анонсирован первый в отрасли чип под кодовым названием Rosedale, поддерживающий технологию WiMAX, шумиха вокруг нового стандарта беспроводных сетей еще больше усилилась. Подлили масла в огонь и заявления о том, что новый стандарт (точнее, его расширение 802.16e) в недалеком будущем придет на смену уже ставшему популярным в России стандарту беспроводных сетей 802.11b/g. Путаницы также было предостаточно, что вполне естественно на этапе становления стандарта. Действительно, 802.16, 802.16a, 802.16d, 802.16c, 802.16e попробуй разберись в этих цифрах и буквах! Давайте попытаемся разобраться вместе, что это за новый стандарт беспроводной широкополосной связи, который, по прогнозам аналитических компаний, в недалеком будущем получит широкое распространение как среди операторов связи, так и среди конечных пользователей.

История развития

стория стандарта IEEE 802.16 ведется с 2001 года, когда, собственно, и была начата активная работа по созданию нового беспроводного стандарта широкополосной связи. В декабре 2001 года была принята первая версия стандарта IEEE 802.16-2001, который изначально предусматривал рабочую полосу частоты 10-66 ГГц.

Данный стандарт описывал организацию широкополосной беспроводной связи с топологией «точка-многоточие» и был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса (Metropolitan Area Network, MAN). Именно поэтому данный стандарт получил также название WirelessMAN. На физическом уровне стандарт IEEE 802.16-2001 предполагал использование всего одной несущей частоты (Single-Carrier, SC), вследствие чего в название протокола добавили буквы SC, то есть WirelessMAN-SC.

Организация связи в частотном диапазоне 10-66 ГГц возможна только в зоне прямой видимости между передатчиком и приемником сигнала из-за быстрого затухания коротких длин волн. Это было одной из особенностей протокола WirelessMAN-SC. Однако частотный диапазон с такими характеристиками (то есть с требованием прямой видимости приемника и передатчика и невозможностью работы на отражениях) позволял избежать одной из главных проблем радиосвязи многолучевого распространения сигнала. Ширина каналов связи, которые могут быть применены в этом частотном диапазоне, является достаточно большой (типичное значение 25 или 28 МГц), что позволяет достигать высокой (порядка 120 Мбит/с) скорости передачи данных.

Необходимость построения беспроводной сети только в зоне прямой видимости привела к тому, что устройства стандарта 802.16 так и не получили широкого распространения. Поэтому несколько позднее, в январе 2003 года, было принято расширение стандарта 802.16, получившее наименование 802.16a-2003. Оно предусматривало использование частотного диапазона от 2 до 11 ГГц. Этот стандарт также был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса. Предполагалось, что данный стандарт станет альтернативой традиционным решениям широкополосного доступа для последней мили кабельным модемам, xDSL и каналам Т1/Е1. Кроме того, сети стандарта 802.16a планировалось применять в качестве дополнительной технологии для подсоединения точек доступа стандарта 802.11b/g/a к Интернету.

Основным отличием стандарта 802.16a от базового стандарта 802.16 было использование другого частотного диапазона, который не требует прямой видимости между приемником и передатчиком. Зона покрытия таких беспроводных сетей значительно шире, чем сетей стандарта 802.16. Опуская пока детали протокола 802.16a, отметим лишь, что использование частотного диапазона 2-11 ГГц потребовало и существенного пересмотра техники кодирования и модуляции сигнала на физическом уровне.

Логическим продолжением стандарта 802.16a стал стандарт 802.16d, который предусматривал возможность реализации фиксированного доступа внутри помещений.

Окончательно стандарт 802.16d был принят в июле 2004 года и получил название 802.16-2004, после чего необходимость рассмотрения отдельных стандартов, то есть 802.16d и 802.16a, отпала, поскольку окончательная версия стандарта вобрала в себя и стандарт 802.16d, и 802.16a.

В настоящее время на стадии разработки находится стандарт IEEE 802.16е, который рассматривает вопросы роуминга между сетями различных беспроводных стандартов, чтобы пользователь без ущерба для сеанса связи мог переходить из беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 в сети IEEE 802.16 и обратно.

Решение вопросов роуминга представляется весьма важным для дальнейшего продвижения беспроводных технологий. Сегодня пользователи сетей стандарта IEEE 802.11 могут пользоваться услугами беспроводного доступа, только находясь на территории хот-спота, или зоны доступа. Покидая такую зону, они теряют возможность соединения. С помощью технологии IEEE 802.16e пользователи получат возможность оптимального соединения: посредством IEEE 802.11 находясь в пределах соответствующего хот-спота, посредством IEEE 802.16 находясь в зоне действия городской сети WMAN.

Если протокол IEEE 802.16 это протокол операторского класса, то протокол IEEE 802.16e ориентирован на конечных пользователей, причем мобильных, и в этом смысле он представляет собой альтернативу стандартам 802.11a/b/g. По мнению экспертов Intel, в недалеком будущем пользователь, имея ноутбук или КПК со встроенными возможностями стандарта IEEE 802.16e, сможет постоянно оставаться на связи в любой точке города. Мало того, принятие IEEE 802.16 в качестве общеевропейского стандарта позволит активным путешественникам пользоваться роумингом по всей Европе.

Наиболее активно продвижением IEEE 802.16 занимается сейчас WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) некоммерческая организация, образованная по инициативе корпорации Intel с участием ведущих производителей телекоммуникационного оборудования (Airspan Networks, Alvarion Ltd, Aperto Networks, Fujitsu Microelectronics America, Intel, OFDM Forum, Proxim Corporation, Wi-LAN, Inc. и др.).

Целью организации WiMAX является содействие разработке беспроводного оборудования для доступа к широкополосным сетям, скорейшее развертывание сетей во всем мире, сертификация оборудования 802.16, а также подготовка спецификаций, призванных обеспечить совместимость оборудования разных производителей. По данным аналитиков, члены WiMAX представляют собой более 75% рынка производителей оборудования широкополосного беспроводного доступа.

Преимущества стандарта 802.16

Самого начала стандарт 802.16 задумывался таким образом, чтобы развиваться как набор радиоинтерфейсов, базирующихся на общем протоколе управления доступом к среде передачи данных (Medium Access Control, МАС), но с различными спецификациями физического уровня, зависящими от используемой части спектра. МАС-уровень протокола разрабатывался для сетей доступа с топологией «точка-многоточие» (point-to-multipoint) с целью достижения высокой скорости передачи сигналов как в восходящем UpLink-потоке (поток от абонента к базовой станции), так и в нисходящем DownLink-потоке (поток от базовой станции к абоненту).

Широкополосный беспроводной доступ лишен недостатков, присущих DSL и кабельным соединениям. Сети стандарта IEEE 802.16 проще разворачивать и увеличивать площадь их покрытия; по структуре они очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь также присутствуют базовые станции, которые действуют в радиусе до 50 км, но при этом их необязательно устанавливать на вышках для них вполне подходят крыши домов. Для соединения же базовой станции с пользователем необходимо лишь устанавливаемое в помещении абонентское оборудование. С этого блока сигнал поступает по стандартному Ethernet-кабелю либо непосредственно на один компьютер, либо на точку доступа стандарта 802.11 или в локальную проводную сеть стандарта Ethernet.

Для многих домашних и корпоративных пользователей широкополосный доступ по линиям DSL и через кабельную инфраструктуру по-прежнему остается недосягаемым. Многие пользователи находятся за пределами зоны обслуживания компаний поставщиков услуг DSL и/или не охватываются кабельной инфраструктурой, способной обеспечивать широкополосный доступ (например, на территории предприятий торговли кабельная проводка зачастую не прокладывается). Преодолеть все эти препятствия поможет беспроводное широкополосное подключение. Благодаря своей беспроводной природе такие подключения требуют меньше времени на развертывание, они проще в масштабировании и более гибки, что позволяет использовать их для обслуживания пользователей, которые не охвачены проводными широкополосными альтернативами или не удовлетворены ими.

Стандарт 802.16 предоставляет неоспоримые преимущества бизнес-пользователям, особенно тем, кому часто приходится менять операторов связи, или тем, кто организует свой бизнес с нуля. Вместо того чтобы неделями ждать прокладки линий Т1 или DSL для организации широкополосного доступа, можно гораздо быстрее получить беспроводной широкополосный доступ.

Гибкость не единственное преимущество стандарта IEEE 802.16. Немалое восхищение вызывают возможности его масштабирования. Стандарт предоставляет широкие возможности для масштабирования, необходимого для обеспечения поддержки сотен тысяч пользователей силами одной базовой станции, и позволяет дифференцировать уровни предоставляемых услуг.

Одна базовая станция в сети стандарта IEEE 802.16 может обслуживать большое количество пользователей и предоставлять им разного рода услуги. Например, один сектор одной базовой станции способен обеспечить скорость передачи данных, достаточную для одновременного обслуживания более 60 предприятий, подключенных по каналам типа T1 (передача данных со скоростью до 2 Мбит/с), и сотни жилых домов, подключенных по каналам типа DSL. Типовая базовая станция имеет до шести секторов.

Детали физического уровня стандарта 802.16

ак уже отмечалось, одной из особенностей стандарта 802.16a/d является возможность работы в условиях непрямой видимости. Это достигается за счет использования технологии ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), которая позволяет эффективно бороться с таким негативным явлением, как многолучевая интерференция сигналов. Эффект многолучевой интерференции сигналов заключается в том, что в результате многократных отражений сигала от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но подобные пути распространения имеют и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом их них максимальная задержка между различными сигналами не превышает времени длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет межсимвольная интерференция. Поскольку символ это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, а значит, восстановить исходный сигнал крайне сложно.

Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо вследствие увеличения символьной скорости, либо из-за усложнения схемы кодирования эффективность использования эквалайзеров падает.

В результате при более высоких скоростях передачи применяется метод кодирования данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале вполне может быть невысокой.

Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу.

Важно, что хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции (рис. 1).

Рис. 1. Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис. 2).

Каждый отсчет IFFT представляет собой поднесущую, которая подвергается фазовой (BPSK, QPSK) или квадратурно-амплитудной (QAM16 или QAM64) модуляции, что позволяет повысить информационную скорость передачи данных.

Группа поднесущих частот, которая в данный момент переносит битовые потоки, называется символом OFDM.

Технология OFDM находит применение не только в протоколе 802.16. К примеру, в протоколе 802.11g также используется технология OFDM, однако, в сравнении с протоколом 802.11g, в протоколе 802.16 предусмотрено более гибкое распределение полосы частот, используемых для передач данных. Причем это можно сделать как за счет уменьшения количества поднесущих, так и с помощью их сужения. Минимальная ширина сигнала, предусмотренная стандартом, составляет 1,25 МГц, а максимальная 20 МГц. Естественно, что с уменьшением частотного ресурса скорость передачи уменьшается, но сама эта возможность позволяет использовать частотный спектр отдельными фрагментами, а не целиком, как это реализовано в протоколе 802.11g.

Для повышения помехоустойчивости при передаче данных в протоколе 802.16 предусмотрены такие традиционные технологии, как сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби, коды Рида-Соломона.

В итоге в стандарте 802.16a были выделены три типа физического уровня соединений, различающихся методом модуляции сигнала (табл. 1):

WirelessMAN-SC физический уровень с одной несущей частотой;
WirelessMAN-OFDM ортогональное частотное разделение на 256 каналов с мультиплексированием. Реализация множественного доступа к среде передачи данных происходит за счет технологии временного разделения (Time Division Multiple Access, TDMA);
WirelessMAN-OFDMA ортогональное масштабируемое частотное разделение каналов с мультиплексированием. Используется разделение на 2048 поднесущие частоты. Коллективный доступ к среде передачи данных реализуется за счет объединения нескольких поднесущих частот в один канал передачи и его выделения конкретному получателю (OFD Multiple Access, OFDMA).

Физический уровень WirelessMAN-SC предназначен для применения в зоне прямой видимости приемника и получателя сигналов. Остальные два уровня, основанные на ортогональном частотном разделении каналов, могут использоваться для построения сетей по топологии «точка-многоточие» в условиях отсутствия прямой видимости.

Из двух OFDM-уровней уровень WirelessMAN-OFDM несколько проще для реализации с технической точки зрения и потому пользуется большей поддержкой со стороны производителей оборудования.

В случае ортогонального частотного разделения на 256 каналов с мультиплексированием (WirelessMAN-OFDM) используется 256 отсчетов IFFT, из которых 192 поднесущие являются информационными, то есть применяются для передачи данных, 8 поднесущих предназначены для измерения характеристик канала связи и используются для передачи пилотных символов (pilot symbols), а остальные 56 поднесущих частот могут применяться для организации защитных интервалов, длительность которых составляет 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32 длительности OFDM-сигнала.

Ширина канала связи может быть различной и изменяется от 1,25 до 20 МГц.

Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием типа WirelessMAN-OFDMA представляет собой масштабируемое частотное разделение каналов, то есть количество поднесущих в данном случае не фиксировано и может составлять 512, 1024 и 2048. В зависимости от количества поднесущих меняется и ширина канала, и количество подканалов (табл. 2).

Одной из особенностей стандарта 802.16 является его адаптивность к внешним помеховым условиям. Система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени. Например, в идеальном по энергетике канале все поднесущие OFDM будут работать с модуляцией QAM64 и скоростью сверточного кодирования 3/4, обеспечивая максимальную скорость передачи 74,81 Мбит/с. В наихудших условиях передачи используются QPSK-модуляция для всех поднесущих и сверточное кодирование со скоростью 1/2. При этом скорость передачи составляет 1,04 Мбит/с. Всего протоколом предусмотрено семь различных комбинаций типов модуляции и скорости сверточного кодирования, в результате чего достигается требуемая помехоустойчивость протокола и большое разнообразие возможных скоростей передачи (табл. 3 и 4).

Таблица 4. Зависимость скорости передачи от ширины канала связи и типа модуляции

Существенным отличием стандарта 802.16 от 802.11 является возможность использования протокола с разрешением конфликтов. Устройства стандарта 802.11 работают по принципам Ethernet: все они имеют равные права на доступ к радиотракту, а попытавшись одновременно установить связь, разрешают конфликты, повторяя попытки захвата среды через случайное время. В сетях стандарта 802.16 имеется выделенное устройство базовая станция оператора, которая раздает своим подчиненным права доступа к радиосреде. В результате имеется возможность более эффективно использовать радиочастотный ресурс и обеспечить эффективную передачу данных.

Базовые станции (Base Station, BS), как правило, применяют мультиплексирование с разделением по времени (TDM), при котором каждой абонентской станции (Subscriber Station, SS) последовательно выделяются временные слоты. Абоненты же разделяют общий канал посредством схемы множественного доступа с разделением по времени (Time Division Multiple Access, TDMA).

Для реализации дуплексного режима обмена данными используются две технологии: дуплексный режим с разделением по времени (TDD) нисходящего (DownLink) и восходящего (UpLink) потоков (при этом задействуется общий канал связи) и дуплексный режим с разделением по частотам (FDD), когда нисходящий и восходящий потоки оперируют на разных каналах и обмен данными может выполняться одновременно.

Перспективы развития

о прогнозу исследовательской компании Intex Management Service (IMS), объемы продаж оборудования стандарта 802.16 составят в 2008 году до 2,8 млрд. долл.

Генеральный менеджер подразделения Intel Communications Group Шон Мэлоуни считает, что технология WiMAX может дополнять возможности беспроводных локальных сетей, соединяя центры доступа Wi-Fi с Интернетом и предоставляя альтернативное беспроводное решение последней мили для широкополосного подключения к Интернету офисов и жилых домов. «Провайдеры услуг беспроводного доступа и производители телекоммуникационного оборудования активно осваивают технологию WiMAX из-за колоссальных экономических преимуществ, которые дает ее применение для подключений последней мили в значительной части мира, где использование проводных подключений обошлось бы слишком дорого», говорит Шон Мэлоуни.

Первые образцы коммерческого оборудования WiMAX (а не pre-WiMAX) должны появиться на рынке до середины 2005 года. Однако российские операторы строят сети стандарта IEEE 802.16, не дожидаясь полномасштабного оборудования WiMAX. Первую в России сеть pre-WiMAX запустила компания «Ойл-Телеком». Сеть развернута в Удмуртии, а ее заказчиком является структурное подразделение нефтяной компании ТНК-ВР «Удмуртнефть». «Ойл-Телеком» применила оборудование производства американской фирмы Airspan Networks, Inc., работающее в диапазоне 3,4-3,8 ГГц. Сеть состоит из восьми базовых станций, которые установлены в крупнейших городах Удмуртии Ижевске, Воткинске, Игре, Сарапуле, а также на одном из основных месторождений «Удмуртнефти» Киенгопском.

Московский альтернативный оператор «Комет» начал подключение абонентов к сети широкополосного радиодоступа на основе новейшей технологии WiMAX. Сеть соответствует стандарту IEEE 802.16 (pre-WiMAX) и является первой подобной сетью в Москве. Столичная WiMAX-сеть «Комет» насчитывает 11 базовых станций, а в течение 2005 года оператор планирует установить еще десять базовых станций, доведя их общее количество до 21.

На подходе и первый проект в области WiMAX федерального масштаба его в 2005-2006 годах осуществит московская компания «МедиаСети» (торговая марка UNITLINE).

Стандарт 802.16 станет единой нормативной основой решения для операторов, возможности масштабирования которого позволят обеспечивать поддержку тысяч пользователей с помощью одной базовой станции и предоставлять обслуживание различного уровня.

Стандарт 802.16 обладает множеством преимуществ: сделав возможным более массовое производство основанной на стандартах продукции с меньшим количеством вариантов, он приведет к снижению стоимости оборудования, а наличие стандартизированного оборудования усилит конкуренцию, что, в свою очередь, позволит абонентам выбирать, за услуги какого поставщика платить свои деньги. Для регионов со слаборазвитой проводной инфраструктурой, включая многие развивающиеся страны, важность стандарта 802.16 будет обусловлена как простотой внедрения, так и низкой стоимостью решений на его основе.

Недавно была сформирована еще одна группа по работе над стандартом 802.16 специальный комитет по решетчатой структуре сети, который изучает возможности дальнейшего улучшения качества покрытия базовых станций. Решетчатая топология сети позволяет перебрасывать данные из точки в точку, огибая холмы и другие препятствия. Существенное улучшение качества покрытия одной базовой станции наблюдается даже при незначительной доле перебрасывания данных по схеме решетки. Если предложение этой группы будет принято, она будет преобразована в рабочую группу F и начнет заниматься разработкой стандарта 802.16f.

Еще один коллектив специалистов по вопросам роуминга, который изучает проблемы переключения между разнородными сетями семейства 802, это группа IEEE 802 Handoff Study Group, возглавляемая Д. Дж. Джонстоном, инженером по коммуникациям корпорации Intel. Самой важной задачей этой группы является разработка процедуры, позволяющей мобильным устройствам переключаться с одной базовой станции на другую, из одной сети типа 802 в другую (например, из сети стандарта 802.11b в сеть стандарта 802.16) и даже из проводной сети в сеть на основе стандарта 802.11 или 802.16. Задача состоит в стандартизации переключения, чтобы устройства по мере перемещения из сети одного типа в сеть другого типа могли работать совместно.

Сегодня пользователи сетей стандарта 802.11 могут передвигаться вокруг здания или точки доступа и оставаться при этом на связи, но стоит им отойти дальше и соединение будет разорвано. С оборудованием стандарта 802.16e пользователи смогут оставаться подключенными постоянно: по технологии 802.11, находясь в зоне покрытия точки доступа, а затем по технологии 802.16, выйдя из этой зоны и переключившись на сеть на основе WiMAX. Кроме того, наличие единого стандарта открывает простор для деятельности поставщиков компонентов массового использования, что позволит производителям оборудования сконцентрировать усилия только на проектировании систем, отказавшись от разработки решения от начала до конца.

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.

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).

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.

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.

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.

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).

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).

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

Полоса частот, МГц	Скорость передачи, QPSK, Мбит/с	Скорость передачи, 16-QAM, Мбит/с	Скорость передачи,64-QAM, Мбит/с

Для работы стандарт предусматривает начальную и периодическую частотно-временную синхронизацию. Предполагается, что она осуществляется по сигналу базовой станции.

Также предусмотрена регулировка мощности пользовательской станции.

Для адаптивного кодирования и модуляции, а также для регулировки мощности стандарт IEEE 802.16 предусматривает периодические измерения уровня принимаемого сигнала, а также отношения сигнал/(шум+помехи).

WIrelessMAN-SCA

Физический уровень WirelessMAN-SСa предназначен для работы в условиях не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц.

Предусмотрены следующие схемы кодирования: код Рида-Соломона+перемежитель+совместное кодирование и модуляция с переменной скоростью на основе свёрточного кода (rate-compatible TCM from K=7, R=1/2 CC); кодирование отсутствует; блочный турбокод; свёрточный код.

Предусмотрены следующие виды модуляции: BPSK с расширением спектра; BPSK;QPSK; 16-QAM; 64-QAM; 256-QAM.

В структуру кадра добавлены пилотные символы для оценки канала; есть возможность повторной передачи (ARQ); предусмотрена разнесённая передача на основе пространственно-временных кодов; существует поддержка адаптивных антенных систем.

WirelessMAN-OFDM

Физический уровень WirelessMAN-OFDM предназначен для работы в условиях не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц и основан на технологии OFDM.

OFDM-символ содержит 256 поднесущих,из которых используется 200 поднесущих. Из них на 8 поднесущих передают пилот-сигналы, а остальные используют для передачи данных.

Стандарт IEEE 802.16 жестко не регламентирует полосу частот для WirelessMAN-OFDM. Вместо этого приведены значения, одному из которых должна быть кратна полоса частот: 1,25; 1,5; 1,75; 2 и 2,75 МГц.

Физический уровень WirelessMAN-OFDM поддерживает два вида дуплекса: частотный и временной. В случае частотного дуплекса стандарт поддерживает как полнодуплексные пользовательские станции, так и полудуплексные пользовательские станции.

Стандарт регламентирует следующие размеры кадра для WirelessMAN-OFDM: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс.

Рассмотрим подробнее структуру кадров прямого и обратного каналов для режима «точка-многоточка».

Кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рисунке 1.6

Кадр прямого канала включает следующие основные элементы: преамбулу кадра прямого канала; FCH(Frame Control Header)- заголовок кадра, указывающий на местоположение и вид кодирования и модуляции сообщений DL-MAP и UL-MAP; DL burst #1- первый пакет прямого канала. Последний содержит DL-MAP-расписание кадра прямого канала; UL-MAP-расписание кадра обратного канала. DL burst #n-остальные пакеты прямого канала.

Вид кодирования и модуляции- одинаковый внутри пакеты прямого канала и может меняться от пакеты к пакету. Пакет может содержать данные, предназначенные как для одного, так и для разных пользователей.

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

Преамбула служит для измерений, частотно-временной синхронизации и оценки канала.

Кадр обратного канала имеет структуру, показанную на рисунке 1.7.

Как и в предыдущих физических уровнях, предусмотрены защитные интервалы для разделения кадров прямого и обратного каналов при использовании временного дуплекса и для разделения пакетов обратного канала разных пользовательских станций.

Длительность канала начального доступа и 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 стандарта IEEE 802.16 определяет три схемы кодирования: код Рида Соломона и блочный свёрточный код; блочный турбокод; свёрточный турбокод (Convolutional Turbo Code).Предусмотрено четыре вида модуляции: BPSK; QPSK; 16-QAM; 64-QAM. Несколько схем кодирования и видов модуляции позволяют осуществлять адаптивное кодирование и модуляцию.

Стандарт предусматривает начальную и периодическую частотно-временную синхронизацию. Предполагается, что она осуществляется по сигналу базовой станции. Также имеется регулировка мощности пользовательской станции.

Для адаптивного кодирования, модуляции и для регулировки мощности стандарт IEEE 802.16 предусматривает периодические измерения уровня принимаемого сигнала, а также отношения сигнал/(шум+помехи).

Существуют возможность повторной передачи (ARQ), а также разнесённая передача и поддержка адаптивных антенных систем.

WirelessMAN-OFDMA

Физический уровень WirelessMAN-OFDMA предназначен для работы в условиях не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц.

В качестве множественного доступа в прямом и обратном каналах данный физический уровень использует OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)-множественный доступ с частотно-временным разделением с использование технологии OFDM.

OFDM-символ содержит 2048 поднесущих, из которых для передачи используется только часть. Из них на части поднесущих передают пилот-сигналы, а остальные используют для передачи данных.

Стандарт IEEE 802.16 жестко не регламентирует полосу частот для WirelessMAN-OFDMA. Вместо этого приведены значения, одному из которых должна быть кратна полоса частот: 1,25; 1,5; 1,75; 2 и 2,75 МГц.

Физический уровень WirelessMAN-OFDMA поддерживает два вида дуплекса: частотный и временной. В случае частотного дуплекса стандарт поддерживает как полнодуплексные пользовательские станции, так и полудуплексные.

Стандарт регламентирует следующие размеры кадра для WirelessMAN-OFDMA: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс.

Кадры прямого и обратного каналов могут содержать одну или более зон (рисунок 1.8). Зоны в основном отличаются количеством пилот-сигналов и схемами перемежения поднесущих.

В прямом канале возможны следующие зоны:

PUSC (Partial Usage of Subcarriers)- зона, использующая частотное разнесение при передаче и предусматривающая три частотных сегмента, при этом базовая станция может использовать 1/3, 2/3 или всю полосу частот;
FUSC (Full Usage of Subcarriers)- зона, использующая частотное разнесение при передаче и предусматривающая только один частотный сегмент;
Optional FUSC- отличается от зоны FUSC только количеством пилот-сигналов;
AMC (Adaptive Modulation and Coding)- зона, не использующая частотного разнесения (предполагается использование многопользовательского разнесения).

В обратном канале возможны следующие зоны:

PUSC- зона, использующая частотное разнесение при передаче и предусматривающая три частотных сегмента, при этом базовая станция может использовать 1/3, 2/3 или всю полосу частот (для обратного канала);
Optional PUSC- отличается от зоны PUSC только количеством пилот-сигналов;
AMC - зона, не использующая частотного разнесения (предполагается использование многопользовательского разнесения).

Все зоны имеют приблизительно одинаковые логические структуры. Для примера рассмотрим зону PUSC прямого канала и зону PUSC обратного канала. При этом будем предполагать, что базовая станция (сектор) использует всю полосу частот. На рисунке 1.9 показана структура этих зон.

Зона PUSC прямого канала включает следующие основные элементы:

Преамбулу (так как это первая зона в кадре прямого канала);
FCH - заголовок кадра, указывающий на местоположение и вид кодирования и модуляции сообщения DL-MAP;
DL-MAP - расписание кадра прямого канала;
UL-MAP - расписание кадра обратного канала;
DL burst #n - пакеты прямого канала.

Зона PUSC обратного канала содержит пакеты обратного канала.

DL-MAP задаёт расписание зон внутри кадра прямого канала, а так же расписание пакетов данных внутри каждой зоны прямого канала. UL-MAP задаёт расписание зон внутри кадра обратного канала, а так же расписание пакетов данных внутри каждой зоны обратного канала.

Зоны PUSC и Optional PUSC обратного канала могут содержать каналы начального доступа и запроса частотно –временного ресурса.

Физический уровень WirelessMAN-OFDMA стандарта IEEE 802.16 определяет три схемы кодирования: блочный свёрточный код; блочный турбокод; свёрточный турбокод.

Предусмотрено три вида модуляции: QPSK; 16-QAM; 64-QAM.

Несколько схем кодирования и вдов модуляции позволяют осуществлять адаптивное кодирование и модуляцию.

Канальные скорости передачи для полос частот 6 и 7 МГц- для физического уровня WirelessMAN-OFDMA, для циклического префикса и для разных видов кодирования и модуляции приведены в таблице 1.4.

Стандарт предусматривает начальную и периодическую частотно-временную синхронизацию. Предполагается, что она осуществляется по сигналу базовой станции. Имеется регулировка мощности пользовательской станции.Для адаптивного кодирования и модуляции, а так же для регулировки мощности стандарт IEEE 802.16 предусматривает периодические измерения уровня принимаемого сигнала, а также отношения сигнал/(шум+помехи).

Предусмотрена возможность повторной передачи (ARQ) и гибридной повторной передачи (H-ARQ), а также разнесённая передача и поддержка адаптивных антенных систем.

Таблица 1.4 Канальные скорости передачи для WirelessMAN-OFDMA

MAC-уровень

Уровень МАС осуществляет управление доступом к среде передачи различных пользовательских станций, а также управление параметрами передачи.

Основные функции уровня МАС базовой станции и пользовательской станции показаны на рисунках 1.10, 1.11 и 1.12.

В стандарте IEEE 802.16 реализован уровень МАС с централизованным управлением. Управление передачей данных в прямом и обратном канале осуществляется на базовой станции. Уровни МАС пользовательских станций при передаче данных в обратном канале выполняют решения, принятые на базовой станции.

На базовую станцию и на пользовательские станции поступают пакеты данных SDU (Service Data Unit) с верхних уровней. При этом пакеты данных идут от разных источников или приложений. Поток данных от одного источника (приложения) называют сервисным потоком (Service Fow). Он характеризуется своим набором требований по качеству обслуживания QoS (Quality of Service). На уровне МАС каждый сервисный поток обрабатывается отдельно.

Уровень МАС базовой станции при управлении передачей в прямом канале выполняет следующие основные функции:

Принятие решения о том, сколько данных и из каких очередей будет передано в текущем кадре;
Преобразование пакетов данных SDU в пакеты данных PDU (Protocol Data Unit);
Отдельное назначение каждому набору пакетов данных PDU одного сервисного потока вида кодирования и модуляции, а также излучаемой мощности (при этом используется информация о требованияx QoS этого сервисного потока, количестве и структуре сформированных пакетов данных PDU, а также результатах измерений состояния канала передачи);
Логическое размещение сформированных наборов пакетов данных PDU сервисных потоков в кадре прямого канала.

Формирование сообщения DL-MAP, содержащего для текущего кадра прямого канала следующую информацию: количество наборов пакетов данных PDU; используемые при их передаче виды кодирования и модуляции; их положение в кадре прямого канала; передача сформированных наборов пакетов данных PDU на физически уровень.

Уровень МАС базовой станции при управлении передачей в обратном канале выполняет следующие основные функции:

Принятие решения о том, сколько данных и из каких очередей будет передано в текущем кадре (при этом используется информация о размере очередей на пользовательских станциях);
Назначение отдельно каждому сервисному потоку вида кодирования и модуляции, а также излучаемой мощности (при этом используется информация о требованиях QoS этого сервисного потока, размере его очереди на пользовательской станции, а также результатах измерений состояния канала передачи);
Выделение места для передачи сервисных потоков в кадре обратного канала.

Формирование сообщения UL-MAP, содержащего для текущего кадра обратного канала следующую информацию: количество выделенных мест; назначенные виды кодирования и модуляции; положение выделенных мест в кадре обратного канала.

Уровень МАС пользовательской станции при управлении передачей в обратном канале выполняет следующие основные функции:

Хранение пакетов данных SDU, поступивших с верхних уровней, в очередях (отдельная очередь для каждого сервисного потока);
Приём информации, содержащейся в сообщении UL-MAP;
Принятие решения о том, сколько данных будет взято из очередей, под которые выделено место для передачи в текущем кадре обратного канала;
Преобразование пакетов данных SDU в пакеты данных PDU;
Передача сформированных наборов пакетов данных PDU, а также информации из сообщения UL-MAP на физический уровень.

Рассмотрим подробнее механизмы уровня МАС стандарта IEEE 802.16, позволяющие осуществлять описанные функции.

Формирование пакетов данных PDU

Приходящие с верхних уровней пакеты данных SDU имеют в общем случае произвольный размер. Для увеличения эффективности их передачи на физическом уровне, на уровне МАС, они предварительно преобразуются в пакеты данных PDU.

Для этого в стандарте IEEE 802.16 предусмотрены следующие операции:

Фрагментация (Fragmentation)- разбиение пакета данных SDU на несколько фрагментов, каждый из которых включается в свой пакет данных PDU;
Упаковка (Packing)- объединение нескольких пакетов данных SDU или их фрагментов для включения в один пакет данных PDU;
Объединение(Concatenation) - объединение нескольких формированных пакетов данных PDU в один набор.

Сформированный пакет данных PDU включает в себя заголовок (MAC Header) и может включать в себя тело (Payload) и контрольную сумму (CRC). Если при формировании пакета данных PDU используются операции фрагментации или упаковки, тот тело содержит также подзаголовки фрагментации (Fragmentation Subheader) и подзаголовки упаковки (Packing Subheader).

Повторная передача ошибочно принятых пакетов

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает использование повторной передачи ARQ ошибочно принятых пакетов данных SDU.

Для этого каждому сервисному потоку, использующему повторную передачу ARQ, назначается размер блока ARQ. Все пакеты данных сервисного потока логически делятся на блоки ARQ заданного размера. Фрагментация осуществляется по границе блоков ARQ. Переданные блоки ARQ удаляются из очереди на передачу, только если пришло подтверждение на их успешный приём. Очевидно, что при использовании повторной передачи ARQ пакет данных PDU должен включать сумму для контроля правильности приёма содержащихся в нём блоков ARQ.

Кроме механизма повторной передачи ARQ, некоторые схемы кодирования части физических уровней стандарта IEEE 802.16 позволяют использовать механизм гибридной повторной передачи H- ARQ, который отличается более высокой сложностью реализации и более высокой эффективностью.

Средства запроса и выделения частотно-временного ресурса

Как отмечалось ранее, управление передачей в стандарте IEEE 802.16 осуществляется на уровне МАС базовой станции. Для управления передачей в обратном канале в стандарте предусмотрены следующие средства запроса и выделения частотно-временного ресурса:

Запросы (Request);
Выделение ресурса для передачи данных (Grant);
Выделение ресурса для передачи запроса (Poll);
Канал запроса ресурса (Bandwidth Request Subchannel).

Эти средства используются в соответствии с одной из предусмотренных в стандарте процедур (Scheduling Service). В стандарте IEEE 802.16 предусмотрено четыре процедуры:

Выделение ресурса без предварительного запроса UGS (Unsolicited Grant Service);
Выделение ресурса под запрос с высокой частотой rtPS (Real Time Polling Service);
Выделение ресурса под запрос со средней частотой nrtPS (non real time Polling Service);
Запросы со случайным доступом BE (Best Effort).

Каждому сервисному потоку в обратном канале назначается одна из четырёх процедур исходя из требований QoS и других параметров этого сервисного потока.

Процедура UGS предназначена для передачи сервисного потока с постоянной скоростью поступления пользовательских данных и постоянным размером пакетов данных SDU. Она заключается в том, что сервисному потоку на периодической основе выделяется ресурс в кадре обратного канала под передачу данных.

Процедуры rtPS и nrtPS очень схожи между собой. В соответствии с ними сервисному потоку на периодической основе выделяют в кадре обратного канала ресурс под передачу запроса, который держит информацию о размере очереди этого сервисного потока на пользовательской станции. После приёма этого запроса уровень МАС базовой станции выделяет ресурс в кадре обратного канала под передачу данных из очереди этого сервисного потока.

Отличия процедур rtPS и nrtPS перечислены ниже.

Как следует из названия, предполагается, что при использовании процедуры rtPS ресурс под запрос выделяется чаще, чем при использовании процедуры nrtPS.

Сервисным потокам, использующим процедуру nrtPS, дополнительно разрешается передавать сообщения в канале запроса ресурса.

Процедура BE предназначена для передачи сервисных потоков, практически не чувствительных к задержке. При этом минимальная скорость передачи также не гарантируется. В соответствии с процедурой ВЕ уровень МАС пользовательской станции передаёт сообщение в канале запроса ресурса. Этот канал использует случайный доступ. В случае успешного приёма сообщения на базовой станции она выделяет ресурс для передачи запроса в кадре обратного канала. Запрос содержит информацию о размере очереди сервисного потока. После приёма запроса уровень МАС базовой станции выделяет ресурс для передачи данных этого сервисного потока.

Вход в сеть и синхронизация

Для входа в сеть пользовательской станции предусмотрен канал начального доступа. Он идентичен каналу запроса ресурса за исключение того, что использует другой набор сообщений. Во время процедуры входа в сеть пользовательская станция осуществляет начальную частотно-временную синхронизацию и регулировку мощности (Initial Ranging). Также пользовательская и базовая станции обмениваются информацией о сервисных потоках, которые надо будет поддерживать в прямом и обратном каналах.

При входе в сеть происходит аутентификация пользовательской станции. Стандарт IEEE 802.16 поддерживает шифрование предаваемых данных для обеспечения безопасности.

В процессе работы пользовательская станция осуществляет периодическую частотно-временную синхронизацию (Periodic Ranging).

Стандарт IEEE 802.16e является дополнение к стандарту IEEE 802.16 для обеспечения мобильности. Рассмотрим основные дополнительные механизмы стандарта IEEE 802.16e.

Физический уровень

Стандарт IEEE 802.16e поддерживает работу мобильных пользователей со следующими физическими уровнями стандарта IEEE 802.16: WirelessMAN-SCa; WirelessMAN-OFDM; WirelessMAN-OFDMA.

Основные дополнения коснулись физического уровня WirelessMAN-OFDMA. Из них можно выделить два основных дополнения. Во-первых, кроме OFDM- символа с 2048 поднесущими, в стандарте IEEE 802.16e предусмотрены OFDM-символы с 1024, 512 и 128 поднесущими. Во-вторых, предусмотрен новый вид кодирования- код с низкой избыточностью и проверкой чётности LDPC (LowDensity Parity Check).

МАС-уровень

Уровень МАС стандарта IEEE 802.16e содержит ряд существенных дополнений для поддержки мобильных пользовательских станций.

Для экономии расхода батареи мобильных пользовательских станций предусмотрен спящий режим (Sleep Mode). В этом режиме мобильная пользовательская станция осуществляет приём и передачу только в заранее согласованные интервалы времени, а в остальное время отключается.

В стандарте IEEE 802.16e предусмотрены различные виды Handover (передача обслуживания мобильной пользовательской станции между базовыми станциями) для поддержания непрерывности соединений при движении мобильной пользовательской станции. Предусмотрены следующие виды Handover: жесткий (Hard); быстрая смена обслуживающей базовой станции (FBSS- Fast Base Station Switching); мягкий (Soft).

В стандарте IEEE 802.16e предусмотрен режим ожидания (Idle Mode). В случае если у мобильной пользовательской станции нет активных соединений, то она может перейти в режим ожидания. Это существенно уменьшает нагрузку на сеть как в прямом, так и в обратном каналах, а также экономит ресурс батареи мобильной пользовательской станции. В этом режиме предусмотрен поиск мобильной пользовательской станции (Paging).

1.3. Ключевые технологи стандарта

В стандарте IEEE 802.16 b IEEE 802.16e заложены технологии, которые являются обязательными для современных беспроводных сетей передачи данных. Нет сомнений, что все эти технологии будут использованы в сетях сотовой связи четвёртого поколения и включают в себя: обеспечение требований QoS; адаптивное кодирование и модуляцию; поддержку адаптивных антенных систем; поддержку мобильных пользователей.

Обеспечение требований QoS

При передаче данных и мультимедийной информации потоки пользовательских данных характеризуются различными требованиями по качеству сервиса (требования QoS). В отличие от сотовых сетей второго поколения, ориентированных на передачу голоса, обеспечение требований QoS является обязательным свойством беспроводных сетей передачи данных.

Для обеспечения требований QoS в стандарте предусмотрено понятие сервисного потока (Service Flow).Сервисный поток- поток пользовательских данных от одного источника или приложения, характеризующийся набором требований QoS, и других параметров. Стандарт IEEE 802.16 позволяет на каждой пользовательской станции обеспечивать поддержку нескольких разных сервисных потоков в прямом и обратном каналах.

Кроме этого, стандарт предусматривает ряд механизмов: запросы (Request), выделение ресурса для передачи данных (Grant) и для передачи запроса (Poll)- и ряд процедур их использования- UGS, rtPS, nrtPS, BE- для обеспечения самых разнообразных наборов требований QoS.

Адаптивное кодирование и модуляция.

Стандарт поддерживает механизм адаптивного кодирования и модуляции, а также механизм регулировки мощности. Это позволяет адаптивно подстраивать параметры передачи под изменяющиеся условия приёма для самых различных наборов требований QoS.

Адаптивное кодирование и модуляция является самой эффективной технологией повышения пропускной способности при передаче данных. Механизм регулировки мощности в прямом и обратном каналах позволяет в ряде случаев дополнительно увеличить эффективность передачи.

Поддержка адаптивных антенных систем.

В беспроводных сотовых сетях передачи данных основным фактором, ограничивающим пропускную способность, является наличие внутрисистемных помех. Использование адаптивных антенных систем, разнесённой передачи и приёма является одним из способов борьбы с внутрисистемными помехами.

Стандарт IEEE 802.16 обеспечивает поддержку широкого класса методов пространственно-временной обработки при передаче и приёме.

Поддержка мобильных пользователей

Стандарт IEEE 802.16e обеспечивает поддержку мобильности. При этом он предусматривает все ключевые механизмы, такие как: механизм поиска мобильной пользовательской станции (Paging); жесткий Handover; быстрая смена обслуживающей базовой станции (быстрый жесткий Handover); мягкий Handover; режим энергосбережения (Sleep Mode).

Всё это говорит о том, что семейство стандартов IEEE 802.16, несомненно, является ключевым кандидатом на роль базиса для создания беспроводных сетей передачи данных четвёртого поколения.

Технологии и решения, заложенные в текущую версию стандарта, позволяют обеспечить эффективную мобильную беспроводную передачу данных, мультимедийной информации, голоса, видео и Интернета.

Построение сети WiMAX предполагает использование трёх типов оборудования – базовые станции (БС), абонентский комплект (абонентская станция – АС) и оборудование для организации связи между базовыми станциями – ретрансляционные станции (РС).

Рассмотрим в качестве примера топологию сети SkyMAN (рисунок 2.13).Сеть ШБД SkyMAN может включать одну или несколько базовых станций (БС), объединенных беспроводными магистралями SkyMAN или другими каналами связи. Каждая БС содержит от одного до шести секторов.

Рис. 2.13. Топология сети SkyMAN

В состав сети могут быть включены ретрансляционные станции (РС), обеспечивающие увеличение дальности и позволяющие обходить крупные препятствия, закрывающие БС от отдельных АС. АС подключаются по радио к БС или РС. АС, находящаяся в зоне радиовидимости более чем одной БС, может быть зарегистрирована на каждой из них, при этом поддерживается адаптивный выбор БС, обеспечивающей лучшее качество обслуживания. Такое свойство системы позволяет обеспечить горячее резервирование канала АС-БС, повышая надежность сети в целом.

Базовая станция (БС)

БС системы SkyMAN Access предназначена для беспроводного подключения абонентов к Интернет и ТФОП, а также объединения территориально - разнесенных корпоративных сетей в единую сеть.

БС строится по модульному принципу (рисунок 2.14, 2.15) и может включать от одного до 6 модулей, в зависимости от требований к пропускной способности, дальности передачи, используемого частотного диапазона и наличия свободных частот. Каждый из модулей (или радиоинтерфейсов в двухмодульных моделях) обеспечивает обслуживание одного пространственного сектора в пределах диаграммы направленности используемой антенны. Типичные значения зоны охвата каждого сектора 360º (один сектор), 120º (три сектора), и 60º (шесть секторов). Оборудование БС не накладывает определенных требований к ширине сектора, которая в конкретных случаях может быть произвольной, определяемой конкретной топологией сети, наличием частотного ресурса и размещением абонентов.

В состав БС входят:

Беспроводные маршрутизаторы R5000 - от 1 до 6, по одному на сектор. Для маломощных БС могут использоваться двухмодульные беспроводные маршрутизаторы – по одному на два сектора. Односекторные БС обеспечивают скорость передачи до 54 Мбит/с. Многосекторные БС обеспечивают работу со скоростью до 48 Мбит/с на сектор.
Антенно-фидерные устройства - по количеству секторов базовой станции.
Лицензии для подключения специализированных абонентских станций, на каждый сектор базовой станции.
Программное обеспечение для управления сетью SkyMAN
Коммутатор Ethernet (опционально).
Шкаф для монтажа оборудования (опционально).
Источники бесперебойного питания (опционально).

Рис. 2.15. Типовая схема 6-секторной БС

Обычно поток от БС к АС (нисходящий) значительно превышает поток восходящий.
Ширина диаграммы направленности секторной антенны БС примерно в 10 раз больше ширины диаграммы направленности антенны АС.
Многосекторная БС работает одновременно с АС разных секторов.
БС размещаются на высоких строениях или антенных опорах, на которые устанавливают и другие радиосистемы, что приводит к повышению общего уровня помех. Кроме того, высокое расположение антенн БС само по себе приводит к увеличению уровня и количества помех. Как следствие, отношение сигнал/шум на БС существенно хуже чем на АС.
Повышение скорости передачи практически не ухудшает условий работы соседних систем.
Повышение скорости приема приводит к существенному снижению помехоустойчивости. Учет специфики работы систем фиксированного беспроводного доступа позволил выработать следующие рекомендациии:
На многосекторных БС скорость в направлении БС-АС не должна превышать 48 Мбит/с, в обратном направлении - 24 Мбит/с.
Необходимо ограничивать диапазон регулирования скорости передачи АС снизу, либо отслеживать деградацию скорости каждого клиента.
Использовать механизм автоматического выбора скорости.
В холодных регионах все оборудование БС и все устройства с опцией Р300 должно выбираться модификации ОТ, т.е. с расширенным температурным диапазоном.

Ретрансляционная станция (РС)

РС (рисунок 2.16) предназначена для повышения дальности действия БС, обхода крупных препятствий, а также для создания протяженных магистральных каналов точка-точка. Количество последовательно подключаемых РС не ограничено. К каждой РС может быть подключена одна или несколько РС и/или АС

В состав РС входят:

Двухмодульный беспроводный маршрутизатор R5000.
Направленная антенна для связи с БС (в случае РС без интегрированной антенны).
Всенаправленная, секторная или направленная антенна для подключения АС и/или РС.
Кабели для подключения антенн.
Лицензия для подключения специализированных АС к РС.

Для беспроводного объединения сетей диапазонов 2,4 и 5/6 ГГц выпускаются двухмодульные двух диапазонные беспроводные маршрутизаторы.

Ретрансляционная станция

Абонентская станция (АС)

АС (Рисунок 2.17)предназначена для беспроводного подключения абонентов к БС или РС, а также для создания магистральных каналов "точка-точка".

Состав АС:

Абонентский беспроводный маршрутизатор с интегрированной антенной или разъемом для подключения внешней антенны.
Направленная антенна и антенный кабель для моделей без интегрированной антенны.

Рис. 2.17. Типовые схемы АС

Система управления сетью

Система управления сетью (Рисунок 2.18) (Network Monitoring/Management System – NMS) предназначена для мониторинга сети в реальном времени с целью оперативного управления. Система базируется на программных средствах управления и мониторинга сетей типа HP OpenView, WhatsUp и т.п. и обеспечивает графическое представление карты сети и параметров БС, АС и РС. Помимо этого NMS позволяет вести системный журнал и планировать события с помощью планировщика. В состав системы также включен IWR Manager для настройки оборудования, реализующий в простой и интуитивно понятной форме основные настройки активных устройств сети. Для тонкой настройки используется командный язык системы SkyMAN. Основа серии – новая аппаратная платформа, основанная на мощном процессоре IBM PowerPC с тактовой частотой 200-400 МГц.

Особенности и преимущества

Скорость передачи шестисекторной базовой станции до 288 Мбит/с
Максимальная скорость передачи односекторной БС и в канале "точка-точка" – 54 Мбит/с.
Диапазоны частот 2,4-2,4835 ГГц (DSSS и 64OFDM), 5,15-5,35, 5,65-6,07 ГГц (64OFDM).
Протокол доступа к среде на основе адаптивного поллинга.
Встроенный маршрутизатор, IP роуминг.
Мощные возможности QoS и приоритезации трафика, поддержка VoIP.
Встроенные средства поддержки офисной VoIP телефонии.
Поддержка средств обеспечения безопасности, услуг VPN и брандмауэр.
Развитые инструменты управления сетью и средства диагностики.
Топология "точка-многоточка" и "точка-точка", возможность ретрансляции.
Наличие моделей с расширенным температурным диапазоном (от -55оС до +60оС).
Сохранение работоспособности в условиях конденсации влаги.
Встроенные средства грозозащиты тракта ODU-IDU.

Возможности

Система SkyMAN построена на основе архитектуры распределенных беспроводных сетей SkyMAN CA ™. Основой системы являются беспроводные маршрутизаторы R5000, разработанные и выпускаемые компанией InfiNet Wireless. При построении сетей ШБД на базе системы SkyMAN используются антенно-фидерные устройства и сетевое оборудование производства третьих фирм.

1.5. Описание радиомаршрутизатора R5000

Беспроводные маршрутизаторы серии O выполнены во внешнем (ODU) всепогодном корпусе (Рисунок 2.19), подключаемом к внутреннему блоку питания (IDU) специализированным кабелем. Устройства выпускаются для диапазонов 2,4 и 5 ГГц в одномодульном и двухмодульном исполнении.

Области применения R 5000:

Базовые станции
Ретрансляторы (двухмодульные устройства)
Возможно использование в качестве высокопроизводительных абонентских станций.

Радиотехнические параметры:

Частотный диапазон	2401-2494 МГц	5150 – 5350 МГц 5460 – 5735 МГц 5725 – 5875 МГц
Технология расширения спектра
Модуляция и скорость передачи	BPSK @ 1 Мбит/с QPSK @ 2 Мбит/с CCK @ 5.5&11 Мбит/с	BPSK @ 6&9 Мбит/с QPSK @ 12&18 Мбит/с 16QAM @ 24&36 Мбит/с 64QAM @ 48&54 Мбит/с
Реальная пропускная способность	4 Мбит/с @ 11 Мбит/с	25-26 Мбит/с @ 54 Мбит/с
Ширина канала
Антенный интерфейс
Мощность передатчика	20 дБм (стандарт) 23 дБм (модель P 200)	14-17 дБм (стандарт) 21 дБм (P 200) 23-25 дБм (P 300) 27 дБм (P 500)
Чувствительность приемника	94 дБм @ 1Мбит/с 91 дБм @ 2Мбит/с 89 дБм @ 5.5Мбит/с 85 дБм @ 11Мбит/с	90 дБм @ 6Мбит/с 89 дБм @ 9Мбит/с 87 дБм @ 12Мбит/с 84 дБм @ 18Мбит/с 81 дБм @ 24 Мбит/с 78 дБм @ 36 Мбит/с 73 дБм @ 48 Мбит/с 69 дБм @ 54 Мбит/с
Радиус зоны обслуживания БС
Максимальная длина пролета точка-точка

1.6. Функционирование сети WiMAX

При авторизации на базовой станции на нее отсылаются реквизиты абонентского комплекта (сертификат, цифровые подписи, запрос на авторизацию), после чего абонентское устройство получает свой конфигурационный файл и начинает работать в соответствии с ним. При этом сертификат уникален для каждого абонента, подписан hash- функцией SHA-1 и не может быть изменен, поскольку «зашит» в само устройство, имеющее уникальный номер и МАС-адрес. Срок действия этого сертификата составляет, согласно стандарту 802.16 – 10 лет.

Что касается обеспечения информационной безопасности, то, в отличие от стандартов серии 802.16, которые по сути дела не обеспечивали защиты от несанкционированного доступа, в стандарте 802.16 официально утверждены меры для предотвращения взлома. Так в процессе передачи данных от базовой станции к абоненту и обратно трафик шифруется. При этом используются одновременно два ключа с перекрывающимися временами жизни, и поэтому трафик никогда не бывает незашифрован. Одновременная работа двух ключей объясняется необходимостью работать в среде с возможной потерей пакетов. Происходит также периодическая реавторизация и периодическая смена ключей.

Стандарт описывает принципы построения сетей регионального масштаба в диапазонах до 66 ГГц – точнее, их физический и МАС-уровни. Для этого предусмотрено пять режимов (см. Таблица 1 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004). Из них только WirelessMAN-SC предназначен для работы в диапазоне 10-66 ГГц. Он ориентирован на магистральные сети (“точка-точка”, “точка-многоточка”), работающие в режиме прямой видимости (ибо затухание столь высокочастотных сигналов при отражении очень велико) с типичными скоростями потока данных (bit stream) 120 Мбит/с и шириной канала порядка 25 МГц. Это фактически описанный в документе IEEE 802.16-2001 радиоинтерфейс широкополосного доступа с модуляцией одной несущей на канал (SC – single carrier).

Остальные режимы разработаны для диапазонов менее 11 ГГц. Один из них – WirelessMAN-SCa – это “низкочастотная” вариация WirelessMAN-SC (с рядом дополнительных механизмов, в частности допускается 256-позиционная квадратурная модуляция 256-QAM). Другой, WirelessHUMAN, предназначен для работы в безлицензионных диапазонах (главным образом в США). Зато два оставшихся режима – WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA – это принципиально новые по отношению к IEEE 802.16-2001 методы.

Все режимы диапазона ниже 11 ГГц отличают три характерных детали – это механизмы автоматического запроса повторной передачи (ARQ – automatic repeat request), поддержка ра6оты с адаптивными антенными системами (AAS – adaptive antenna system) и пространственно-временное кодирование (STC – space time coding) при работе с AAS. Кроме того, помимо централизованной архитектуры “точка-многоточка”, в диапазоне ниже 11 ГГц предусмотрена поддержка архитектуры Mesh-сети (“сетки” – децентрализованной сети взаимодействующих друг с другом систем). Фактически Mesh-сеть является аналогом локальных ad-hoc-сетей стандарта IEEE 802.11.

Таблица 1 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Режим	Частотный диапазон, ГГц	Опции	Метод дуплексирования
WirelessMAN-SC	10-66		TDD / FDD
WirelessMAN-SCa	< 11	AAS / ARQ / STC /	TDD / FDD
WirelessMAN-OFDM	< 11	AAS / ARQ / STC / Mesh	TDD / FDD
WirelessMAN-OFDMA	< 11	AAS / ARQ / STC /	TDD / FDD
WirelessHUMAN	< 11, безлицен зионный диапазон*	DFS / AAS /ARQ / Mesh /STC	TDD

*В США и Европе.

Особенность стандарта IEEE 802.16-2004 – режим WirelessHUMAN (High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network). Фактически этот режим представляет собой адаптацию описанных в стандарте IEEE 802.16-2004 режимов для работы в безлицензионных диапазонах частот (в зоне 5-6 ГГц(в России этот диапазон лицензируется)). Основные отличия WirelessHUMAN – это использование только временного дуплексирования, режим динамического распределения частот (DFS – dynamic frequency selection) и механизм сквозной нумерации частотных каналов.

Существенное внимание в стандарте IEEE 802.16-2004 уделено качеству обслуживания (QoS), а также механизмам защиты данных и соединений. Учитывая, что IEEE 802.16 принципиально ориентирован на работу в лицензируемых диапазонах, а также его фактически общемировое признание (в Европе он принят ETSI под именем HiperMAN) и поддержку ведущих производителей СБИС и телекоммуникационного оборудования (объединившихся в WiMAX Forum), можно с большой степенью уверенности предположить, что в ближайшие годы нас ожидает новая волна “беспроводной революции”. И по своему размаху она может превзойти волны, порожденные появлением персональных компьютеров и сотовых телефонов. Здесь важно отметить, что европейский стандарт HiperMAN, равно как и WiMAX Forum, рассматривает лишь один из режимов стандарта IEEE 802.16-2004, а именно режим OFDM в диапазоне менее 11 ГГц.

МАС-уровень

Стандарт IEEE 802.16 регламентирует работу на физическом и канальном уровнях. Для поддержки протоколов верхнего уровня (АТМ, IP и др.) предусмотрен подуровень “преобразования сервиса”, основная задача процедур которого – распознать и классифицировать тип данных для эффективной их передачи через сети IEEE 802.16. Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS (Payload Header Suppression) пакетов или АТМ-ячеек верхних уровней.

Механизм PHS позволяет избавиться от передачи избыточной информации: на передающем конце пакеты приложений в соответствии с определенными правилами преобразуются в структуры данных МАС-уровня IEEE 802.16, на приемном – восстанавливаются.

Весь поток данных в сетях IEEE 802.16 – это поток пакетов. На основном подуровне MAC формируются пакеты данных (MAС PDU -MAC Protocol Data Unit, блоки данных МАС-уровня), которые затем передаются на физический уровень, инкапсулируются в физические пакеты и транслируются через канал связи. Пакет MAC PDU (далее – PDU) включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC. Заголовок PDU занимает 6 байт и может быть двух типов – общий и заголовок запроса полосы пропускания. Общий заголовок используется в пакетах, у которых присутствует поле данных. В этом заголовке указывается идентификатор соединения (CID), тип и контрольная сумма заголовка, а также приводится информация о наличии в поле данных подзаголовков и сообщений ARQ.

Заголовок запроса полосы (также 6 байт) применяется, когда АС просит у БС выделить или увеличить ей полосу пропускания в нисходящем канале. При этом в заголовке указывается CID и размер требуемой полосы (в байтах, без учета заголовков физических пакетов). Поля данных после заголовков запроса полосы нет.

Поле данных может содержать: подзаголовки МАС, управляющие сообщения и собственно данные приложений верхних уровней, преобразованные на CS-подуровне. МАС-подзаголовки могут быть пяти типов – упаковки, фрагментации, управления предоставлением канала, а также подзаголовки Mesh-сети и подзаголовок канала быстрой обратной связи (Fast Feedback).

Управляющие сообщения – это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Всего зарезервировано 256 типов управляющих сообщений, из них используются 48. Формат управляющих сообщений прост – поле типа сообщения (1 байт) и поле данных (параметров) произвольной длины.

Описание профилей пакетов, управление доступом, механизмы криптозащиты, динамическое изменение работы системы и т.д. (т.е. все функции управления, предоставления доступа, запроса и подтверждения) реализуются через управляющие сообщения. Рассмотренные ниже карты входящего/нисходящего каналов (UL-/DL-MAP) также являются управляющими сообщениями.

Доступ к каналу предоставляется исключительно базовой станцией по предварительному запросу. Начальная инициализация АС и запрос канала происходят на основе механизма конкурентного доступа в специально отведенных для этого временных интервалах. БС назначает АС время и длительность доступа к каналам в зависимости от типов данных и приоритетов. Канальный ресурс конкретной АС может изменяться посредством опроса (поллинга) со стороны БС (т.е. БС предоставляет АС окно для запроса ресурсов) или специальных управляющих сообщений со стороны АС при очередной передаче данных.

Режим WirelessMAN-OFDM

На физическом уровне стандарт IEEE 802.16 предусматривает три принципиально различных метода передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC, в диапазоне ниже 11 ГГц – SCa), метод модуляции посредством ортогональных несущих OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) и метод мультиплексирования (множественного доступа) посредством ортогональных несущих OFDMA (orthogonal frequency division multiple access).

Режим OFDM – это метод модуляции потока данных в одном частотном канале (шириной 1-2 МГц и более) с центральной частотой fc. Деление же на каналы, как и в случае SC – частотное.

Рисунок 2 OFDM-символ

Каждая поднесущая модулируется независимо посредством квадратурной амплитудной модуляции. Общий сигнал вычисляется методом обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ).

Начиная со второго пакета кадра генератор ПСП инициализируется на основе идентификационного номера базовой станции BSID, идентификатора профиля пакета DIUC (downlink interval usage code) и номера кадра (Рисунок 3 Формирование вектора инициализации генератора ПСП для рандомизации нисходящего потока OFDM). В восходящем потоке все происходит аналогично, с той лишь разницей, что инициализация генератора ПСП по схеме, приведенной на Рисунок 3 Формирование вектора инициализации генератора ПСП для рандомизации нисходящего потока OFDM, происходит с первого пакета (вместо DIUC используется UIUC – uplink interval usage code).

Рисунок 3 Формирование вектора инициализации генератора ПСП для рандомизации нисходящего потока OFDM

Кодирование данных предполагает каскадный код с двумя стадиями – кодер Рида-Соломона из поля Галуа GF (256) и сверточный кодер. В базовом виде код Рида-Соломона оперирует блоками исходных данных по 239 байт, формируя из них кодированный блок размером 255 байт (добавляя 16 проверочных байт). Такой код способен восстановить до 8 поврежденных байт. Поскольку реально используются блоки данных меньшей длины K, перед ними добавляются (239 – K) нулевых байт. После кодирования эти байты удаляются. Если необходимо сократить число проверочных слов, так чтобы уменьшить число восстанавливаемых байт Т, используются только 2Т первых проверочных байтов. Обязательные для поддержки в IEEE 802.16 варианты каскадного кода приведены в Таблица 2 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004.

Таблица 2 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Модуляция	Блок данных до кодирования, байт	Кодер Рида-Соломона	Скорость кодирования сверточного кодера	Суммарная скорость кодирования	Блок данных после кодирования, байт
BPSK	12	(12,12,0)	1/2	1/2	24
QPSK	24	(32,24,4)	2/3	1/2	48
QPSK	36	(40,36,2)	5/6	3/4	48
16-QAM	48	(64,48,8)	2/3	1/2	96
16-QAM	72	(80,72,4)	5/6	3/4	96
64-QAM	96	(108,96,6)	3/4	2/3	144
64-QAM	108	(120,108,6)	5/6	3/4	144

Рисунок 4 Схема сверточного кодера

Кодер Рида-Соломона не используется с двухпозиционной модуляцией BPSK (например, при начальной инициализации АС или запросе полосы). Он также пропускается, когда используется часть субканалов OFDM. В этом случае скорость сверточного кодирования принимается равной общей скорости кодирования (см. Таблица 2 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004) (соответственно, размер исходного блока данных умножается на число используемых субканалов, деленное на 16).

Помимо описанного механизма кодирования стандарт предусматривает опциональное применение блоковых турбо6кодов (основанных на кодах Хемминга и контроле четности) и сверточных турбо6кодов.

После кодирования следует процедура перемежения – перемешивания битов в пределах блока кодированных данных, соответствующего OFDM-символу. Эта операция проводится в две стадии. Цель первой – сделать так, чтобы смежные биты оказались разнесенными по несмежным несущим. На второй стадии смежные биты оказываются разнесенными в разные половины последовательности. Все это делается для того, чтобы при групповых ошибках в символе повреждались несмежные биты, которые легко восстановить при декодировании.

Рисунок 5 Векторные диаграммы Грея (представление модуляционных символов) для BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM

После перемежения начинается стадия модуляции. Исходя из выбранной схемы модуляции (BPSK / QPSK / 16-QAM / 64-QAM), блок представляется в виде последовательности групп бит, соответствующих модуляционным символам (по 1 / 2 / 4 / 6 бит). Каждой группе ставится в соответствие значения Q и I из векторных диаграмм Грея (Рисунок 5 Векторные диаграммы Грея (представление модуляционных символов) для BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM), которые затем используются при непосредственной модуляции несущей.

После определения модуляционных символов посредством ОБПФ вычисляется сам радиосигнал и передается в передатчик. При приеме все процедуры производят в обратном порядке.

В режиме OFDM на физическом уровне для сетей с архитектурой “точка-многоточка” кадровая структура передачи принципиально мало чем отличается от режима SC. Так же как и в высокочастотной области, информационный обмен происходит посредством последовательности кадров (фреймов). Каждый фрейм (Рисунок 6 Структура OFDM-кадров при временном дуплексировании) делится на два субкадра – нисходящий (DL – от БС к АС) и восходящий (UL – от АС к БС). Разделение на восходящий и нисходящий каналы – как временное (TDD), так и частотное (FDD). В последнем случае DL и UL транслируются одновременно, в разных частотных диапазонах.

Рисунок 6 Структура OFDM-кадров при временном дуплексировании

Нисходящий субкадр включает преамбулу, управляющий заголовок кадра (FCH – frame control header) и последовательность пакетов данных. Преамбула в нисходящем канале – посылка из двух OFDM-символов (длинная преамбула), предназначенная для синхронизации. Первый OFDM-символ использует несущие с индексами, кратными 4, второй – только четные несущие (модуляция – QPSK).

За преамбулой следует управляющий заголовок кадра – один OFDM-символ с модуляцией BPSK и стандартной схемой кодирования (скорость кодирования – 1/2). Он содержит так называемый префикс кадра нисходящего канала (DLFP – Downlink Frame Prefix), который описывает профиль и длину первого (или нескольких начальных) пакета в DL-субкадре.

В первый пакет входят широковещательные сообщения (предназначенные всем АС) – карты расположения пакетов DL-MAP, UL-MAP, дескрипторы нисходящего/восходящего каналов DCD/UCD, другая служебная информация. Каждый пакет обладает своим профилем (схема кодирования, модуляция и т.д.) и передается посредством целого числа OFDM-символов. Точки начала и профили всех пакетов, помимо первого, содержатся в DL-MAP.

Нисходящий субкадр содержит интервал конкурентного доступа, включающий периоды для начальной инициализации АС (вхождение в сеть) и для запроса полосы передачи. Далее следуют временные интервалы, назначенные базовой станцией определенным абонентским станциям для передачи. Распределение этих интервалов (точки начала) содержится в сообщении UL-MAP. АС в своем временном интервале начинает трансляцию с передачи короткой преамбулы (один OFDM-символ, использует только четные несущие). За ним следует собственно информационный пакет, сформированный на МАС-уровне.

Длительность OFDM-кадров может составлять 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5; и 20 мс. Заданный базовой станцией, период построения кадров не может изменяться, поскольку в этом случае потребуется ресинхронизация всех АС.

Запрос на установление соединения не отличается от общепринятого в стандарте IEEE 802.16, за исключением дополнительного режима “концентрированного” запроса (Region6Focused). Он предназначен только для станций, способных работать с отдельными субканалами. В этом режиме в интервалах конкурентного доступа (заданных в UL-MAP) АС может передать короткий 46-разрядный код на одном из 48 субканалов, каждый из которых включает четыре несущих. Всего предусмотрено восемь кодов. Таблица кодов и подканалов приведена в тексте стандарта IEEE 802.16. Код и номера канала АС выбирает случайным образом.

Получив кодовое сообщение, БС предоставляет АС интервал для передачи “обычного” запроса на предоставление доступа (заголовка запроса МАС-уровня) – если это возможно. Однако в отличие от других механизмов, БС в UL-MAP не указывает идентификатор запросившей ее станции, а приводит номера кода запроса, подканала, а также порядковый номер интервала доступа, в течение которого был передан запрос. По этим параметрам АС и определяет, что интервал для запроса полосы передачи предназначен ей. Выбор момента для передачи 4-разрядного кода запроса доступа происходит случайным образом, по описанному выше алгоритму обращения к каналу конкурентного доступа.

Отметим, что в режиме OFDM канальный ресурс может предоставляться не только во временной области, но в отдельных подканалах (группах подканалов), если БС и абонентские станции поддерживают такую возможность. Одно из наиболее важных применений такой опции – Mesh-сеть.

MESH-сеть

Формально Mesh-сеть – это вид топологии сети IEEE 802.16 в режиме OFDM, и ее физический уровень – это OFDM. Поэтому различия Mesh-сети с уже рассмотренными режимами проявляются не только, да и не столько на физическом уровне. Основное отличие Mesh-сети от рассматриваемой до сих пор архитектуры “точка-многоточка” – в том, что если в последнем случае АС может общаться только с БС, то в Mesh-сети возможно взаимодействие непосредственно между АС. Поскольку сети стандарта IEEE 802.16 ориентированы на работу с широкими частотными каналами, Mesh-сети вошли в стандарт вовсе не с целью создания одноранговых локальных сетей – для этого есть стандарты группы IEEE 802.11. Причина в ином – необходим инструмент построения широкополосной сети, в которой трафик может передаваться по цепочке из нескольких станций, ликвидируя тем самым проблемы передачи при отсутствии прямой видимости. Соответственно и все механизмы управления, в принципе позволяющие построить децентрализованную распределенную сеть, ориентированы все же на древовидную архитектуру, с выделенной базовой станцией (корневой узел) и доминирующими потоками БС-АС.

В Mesh-сети все станции (узлы) формально равноправны. Однако практически всегда обмен трафика Mesh-сети с внешним окружением происходит через один определенный узел (Рисунок 7 Пример Mesh-сети). Такой узел называют базовой станцией Mesh-сети, именно на него возлагается часть необходимых для управления Mesh-сетью функций. При этом управление доступом может происходить либо на основе механизма распределенного управления, либо централизованным способом, под управлением БС. Возможна и комбинация этих методов.

Рисунок 7 Пример Mesh-сети

Базовое понятие в Mesh-сети – соседи. Под соседями определенного узла понимают все узлы, которые могут устанавливать с ним непосредственное соединение. Все они образуют соседское окружение. Узлы, связанные с заданным узлом через соседские узлы, называют соседями второго порядка. Могут быть соседи третьего порядка и т.д.

В Mesh-сети нет понятия восходящих/нисходящих каналов. Весь обмен происходит посредством кадров. Станции передают сообщения либо в отведенные им временные интервалы (в соответствии с предшествующим назначением каналов), либо получают доступ к каналам произвольным (случайным) образом. Каждый узел имеет уникальный 48-разрядный МАС-адрес.

Кроме того, для идентификации внутри Mesh-сети станциям присваивается 16-разрядный сетевой идентификатор. Каждый узел постоянно хранит список данных обо всех своих соседях (с указанием удаленности, сектора для направленной антенны, примерной необходимой мощности передатчика для связи, задержки распространения сигнала и т.п.) и транслирует его в сеть с заданной периодичностью. На основании совокупности этих списков от каждого из узлов и происходит управление сетью.

Кадр Mesh-сети делится на управляющий субкадр и субкадр данных (Рисунок 8 Структура кадра Mesh-сети). Длина управляющего субкадра – переменная величина, задаваемая БС. Управляющий субкадр представляет собой набор пакетов МАС-уровня с тем отличием, что сразу после общего заголовка МАС-пакета следует подзаголовок Mesh-сети. Управляющий субкадр, в зависимости от реализуемых функций, может быть двух типов – управления сетью (network control) и управления очередностью доступа к каналам связи (schedule control). В субкадрах всегда используется модуляция QPSK со скоростью кодирования 1/2.

Рисунок 8 Структура кадра Mesh-сети

Субкадры управления включают интервалы для подключения к сети новых устройств (Network entry – “сетевой вход”) и следующие за ними сообщения “конфигурация сети”. Сообщения типа “конфигурация сети” содержат всю необходимую информацию о составе сети. Они же реализуют процедуры управления. Эти сообщения генерирует каждый узел и транслирует по сети через свое соседское окружение. Среди передаваемой информации – списки соседей каждого узла, идентификационный номер БС и число ее соседей, номер логического канала для передачи графика доступа к каналам, удаленность узла (ранг соседства) от БС и т.д.

Посредством таких сообщений с заданной периодичностью транслируется дескриптор сети – таблица, полностью описывающая текущие параметры сети. Среди них – длительность кадров, длина управляющего субкадра, число интервалов для сообщений децентрализованного распределения ресурсов, периодичность следования субпакетов распределения ресурсов, профили пакетов, тип кодирования, соответствие логических каналов физическим и т.п. Дескриптор сети передается от базовой станции ее соседскому окружению, от него – узлам со следующим рангом соседства и т.д. Периодичность передачи дескриптора сети нормирована.

“Сетевой вход” – это интервал, в течение которого новый узел может послать сообщение (NENT) о своем намерении подключиться к сети (аналог интервала конкурентного доступа в сети “точка-многоточка”). Перед этим он должен принять сообщение о конфигурации сети, выбрать узел для подключения, синхронизироваться с ним и лишь затем отправлять запрос. В ответ узел либо откажет в доступе, либо назначит новому узлу сетевой идентификатор, канал и временной интервал для проведения процедур аутентификации.

Распределение канальных ресурсов в Mesh-сети может быть централизованным и децентрализованным (распределенным). В свою очередь децентрализованное распределение бывает координированным с БС и не координированным

Децентрализованное распределение ресурсов подразумевает, что распределение происходит в пределах одной группы соседей (т.е. между станциями, способными непосредственно связываться друг с другом). При координированном децентрализованном распределении узлы обмениваются между собой специальными сообщениями управления распределением (distributed scheduling – DSCH). Координированность заключается в том, что период выдачи таких сообщений каждой станцией определен и известен ее соседям. Координированные DSCH-сообщения передаются в субкадрах управления очередностью доступа в оговоренных в сетевом дескрипторе интервалах. Некоординированные DSCH-сообщения передаются в субкадре данных.

DSCH-сообщения – это запросы на получение канального ресурса и ответные сообщения с предоставлением (подтверждением) свободного ресурса (временного интервала в субкадре данных). Ресурс предоставляется соседом под конкретное соединение.

Централизованное распределение ресурсов подразумевает древовидную топологию сети с БС в вершине. Оно реализовано посредством двух типов сообщений – централизованного конфигурирования CSCF и централизованного планирования CSCH. Эти управляющие сообщения размещаются в начале субкадра управления графиком доступа. Используя сообщения централизованного планирования CSCH, каждый узел определяет потребность в трафике своих дочерних узлов (т.е. трафик которых от (к) БС проходит через данный узел) и сообщает свою потребность вышестоящему узлу -вплоть до БС. Проанализировав потребность, БС рассылает сообщение CSCH, информируя каждый узел о выделенной ему полосе пропускания (в бит/с) в восходящем и нисходящем направлениях. Исходя из этих данных, каждый узел уже сам запрашивает (или назначает) расположение пакетов в субкадре данных у (для) своих соседских узлов посредством сообщений децентрализованного планирования DSCH.

Стандарт 802.16 основные параметры. Wi-max в сетях связи с подвижными объектами. WiMAX  Пример внедрения

История развития

Преимущества стандарта 802.16

Детали физического уровня стандарта 802.16

Перспективы развития

Вопросы частотного распределения для систем WiMAX

1.2. Техническая характеристика стандарта IEEE802.16

Физический уровень

WirelessMAN-SC

WIrelessMAN-SCA

WirelessMAN-OFDM

WirelessMAN-OFDMA

MAC-уровень

Формирование пакетов данных PDU

Повторная передача ошибочно принятых пакетов

Средства запроса и выделения частотно-временного ресурса

Вход в сеть и синхронизация

Физический уровень

МАС-уровень

1.3. Ключевые технологи стандарта

Обеспечение требований QoS

Адаптивное кодирование и модуляция.

Поддержка адаптивных антенных систем.

Поддержка мобильных пользователей

Базовая станция (БС)

Ретрансляционная станция (РС)

Ретрансляционная станция

Абонентская станция (АС)

Система управления сетью

Особенности и преимущества

Возможности

1.5. Описание радиомаршрутизатора R5000

Области применения R 5000:

Радиотехнические параметры:

1.6. Функционирование сети WiMAX

МАС-уровень

Режим WirelessMAN-OFDM

MESH-сеть

Стандарт 802.16 основные параметры. Wi-max в сетях связи с подвижными объектами. WiMAX Пример внедрения