Взаимодействие технологий wimax и wi fi при построении сетей беспроводного широкополосного доступа

Обновлено: 01.07.2024

Этот справочный материал полезен не только для новичков, но и для опытных разработчиков беспроводных сетей, поскольку в нем излагаются основы технологии WiMAX: архитектура сетей, основные стандарты и общие принципы функционирования. В статье также рассматриваются такие более глубокие аспекты технологии WiMAX, как стек протокола, генератор случайных чисел, кодер/декодер Рида-Соломона, сверточное кодирование, перемежитель, QPSK-модуляция и коллективный доступ OFDMA.

По мере того как возрастает длина коммуникаций, становится экономически невыгодным использовать в качестве средств связи коаксиальные и оптоволоконные кабели. Однако беспроводные технологии могут обеспечить экономичный доступ к удаленным или труднодоступным районам.
Технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) — или IEE 802.16, или Wireless MAN (Wireless Metropolitan Area Network — беспроводная сеть для городских районов) — обеспечивает широкополосный беспроводной доступ на большей площади, чем 802.11 (Wireless LAN), и на высокой скорости.

Существуют следующие четыре определяющих элемента, которые отличают WiMAX от других беспроводных технологий:
– WiMAX — метод широкополосного беспроводного доступа, позволяющий устанавливать высокоскоростную связь на больших расстояниях. Эта технология основана на стандарте для оборудования IEEE 802.16/ETSI HiperMAN, который обеспечивает требования по совместимости, установленные Форумом WiMAX Forum. (В этот Форум входят лидеры отрасли, придерживающиеся принципа открытой совместимости всех продуктов, используемых для широкополосного беспроводного доступа).
– Технологию, составляющую основу этого стандарта, часто называют беспроводной технологией организации абонентского доступа (Wireless Local Loop), или WiMAX.
– Основной аспект технологии WiMAX — совместимость между продуктами различных поставщиков.
– На разных расстояниях WiMAX использует разные схемы модуляции между клиентом и базовой станцией (БС).

Рабочая группа 16-го комитета IEEE определила два варианта доступа к сети WiMAX: фиксированный (IEEE 802.16TM- 2004) и мобильный (IEEE 802.16eTM). Фиксированный доступ осуществляется с помощью стационарной антенны, как в случае со спутниковой ТВ-антенной абонентского терминала. В мобильном варианте доступа абонентский терминал очень похож на Wi-Fi-терминал IEEE 802.11.
Для соединения внутри ячеистых Wi-Fi-сетей с помощью ячеек, работающих в режимах Wi-Fi и WiMAX, используется протокол «Точка-точка».
Кроме того, с помощью этого протокола обеспечивается доступ к фиксированным абонентским терминалам в топологии «Точка-многоточка». «Ячейка» используется в в том случае, когда невозможно установить связь с пользователем иначе как с помощью БС. В ближайшее время будут поддерживаться мобильные абонентские пункты.
Архитектура WiMAX зависит от топологии и внутренних Wi-Fi-соединений. Сети WiMAX, которые появятся в ближайшее время, будут учитывать преимущества как технологии Wi-Fi, так и WiMAX. Наладится такое непрерывное взаимодействие между ячейками WiMAX и Wi-Fi, когда при максимальной пропускной способности сети будет выбираться оптимальный путь.
С появлением пяти следующих факторов этот сценарий станет все более сложным:
– PHY-радиоинтерфейс;
– метод дуплексной передачи (Frequency Division Duplexing — дуплексная связь с частотным разделением каналов) и (Time Division Duplexing — дуплексная связь с временным разделением каналов);
– режим передачи (полудуплексный/дуплексный);
– способ работы (по лицензии или без лицензии);
– адаптивные пакетные профили.

В течение ряда лет предлагались различные стандарты WiMAX, причем каждый из них отвечал определенным целям (см. таблицу 1).

Табл. 1. Стеки протокола для стандарта IEEE 802.16 MAC Внутренний широкополосный доступ для индивидуальных пользователей (высокоскоростной интернет, VoIP)

Действующую сеть WiMAX составляют два главных компонента:
– БС, которая может играть роль повторителя или подключаться к магистральной интернет-сети;
– абонент/конечный пользователь, получающий широкополосный доступ с помощью БС.
Сеть WiMAX обеспечивает два типа услуг по беспроводной связи:
– Зона вне прямой видимости. Стеки протокола соответствуют стандарту IEEE 802.16. MAC. Небольшая антенна на абонентском компьютере устанавливает Wi-Fi-связь с вышкой. В этом случае используется более низкий частотный диапазон, близкий к диапазону Wi-Fi — 2…11 ГГц. За счет больших длин волнам легче огибать препятствия.
– Зона прямой видимости. В этом случае связь осуществляется с помощью зеркальной антенны, расположенной на крыше или шесте и обращенной в сторону вышки. Такая связь более сильная и устойчивая; больший объем данных доставляется с меньшим числом ошибок. В зоне прямой видимости используются более высокие частоты — до 66 ГГц. На этих частотах эффект интерференции меньше, а ширина полосы — намного больше. Используя мощные антенны, передающая станция отправляет данные на компьютеры/маршрутизаторы, оснащенные оборудованием WiMAX, в радиусе до 30 миль — на максимально возможное для этой технологии расстояние.

Локальная сеть, обычно реализованная на основе Wi-Fi, работает в тандеме с объектами WiMAX. Зона вне прямой видимости, как правило, устанавливается между абонентскими локальными сетями и БС, тогда как зона прямой видимости существует между БС.
Стандарт IEEE 802.16-2001, подготовленный в октябре 2001 г. и опубликованный 8 апреля 2002 г., определяет спецификацию радиоинтерфейса Wireless MAN для беспроводных городских сетей. Принятие этого стандарта ознаменовало собой появление широкополосного доступа как основного средства, позволяющего подключить отдельных пользователей и организации к главным линиям связи всего мира.
В соответствии с действующим стандартом IEEE 802.16 абонентский доступ осуществляется с помощью внешних антенн и сетей MAN, устанавливающих связь с центральными БС.
Беспроводные сети MAN являются альтернативой доступу с помощью кабельных сетей, в которых используются, например, оптоволоконные или коаксиальные кабели, модемы и DSL-линии. В силу того, что беспроводные системы обеспечивают возможность связи с большими географическими зонами и не требуют дорогостоящей инфраструктуры (как в случае с кабельными сетями), эта технология может обеспечить более распространенный широкополосный доступ.
Несмотря на то, что беспроводные системы используются уже на протяжении ряда лет, появление нового стандарта указывает на зрелость отрасли и успешное внедрение оборудования второго поколения. Благодаря технологии Wireless MAN, домашние компьютеры могут подключаться к сети, используя такие стандарты, как, например, Ethernet IEEE 802.3 и IEEE 802.11. Кроме того, базовый вариант этого стандарта предусматривает эффективное расширение сетевых протоколов Wireless MAN для обеспечения прямого доступа индивидуальных пользователей.

Эталонная модель протокола IEEE 802.16 состоит из трех плоскостей: пользователя, контроля и управления, как показано на рисунке 2.

Стандарт IEEE 802.16TM-2004 относится к уровням пользователя и контроля. Он определяет два уровня в этих плоскостях: MAC и PHY. MAC-уровень имеет три подуровня: сходимости (Convergence Sublayer — CS), общей части MAC-протокола (MAC CPS — Common Part Sublayer) и безопасности. CS-уровень обеспечивает требуемую настройку на входящий трафик верхнего уровня, тогда как назначение MAC CPS состоит в решении некоторых задач широкополосной беспроводной связи.

Корректирующие коды Рида-Соломона основаны на полиномиальных операциях в полях Галуа. Кодеры преобразуют информационные слова, представленные в виде полинома, в кодовые слова. При декодировании кодовое слово делится на известный обеим сторонам полином. Благодаря вычислительной сложности и низкому энергопотреблению кодеров/декодеров Рида-Соломона, они являются идеальными устройствами для систем связи с выделенными аппаратными блоками.

Код с прямым исправлением ошибок (ПИО) можно улучшить благодаря методам чередования битов. Чередование битов включает перестановку кодированного потока таким образом, что соседние биты распределяются по каналу как можно дальше по разным областям. Цель метода заключается в улучшении производительности ПИО-декодера при подавлении импульсной помехи.
Несмотря на то, что перемежитель достаточно хорошо выполняет свои функции при перестановке, у него имеются два следующих недостатка:
– иногда соседние биты не удается чередовать;
– обращенный перемежитель не знает порядка перестановки и, следовательно, предпочтительно, чтобы он работал в соответствии с некоторой математической формулой, описывающей перестановку входящих битов.

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying — квадратурная фазовая манипуляция) представляет собой метод, в котором генерируется сложная последовательность двоичных цифр, соответствующая символам более высокого порядка.
На первом этапе преобразуются символы более высокого порядка модуляции, и генерируется выходной сигнал QPSK-модуляции, соответствующий первым точкам созвездия.
На втором этапе модуляции происходит преобразование символов более высокого порядка во вторые точки созвездия, и генерируется выходной сигнал, соответствующий вторым точкам созвездия. Точки созвездия более высокого порядка модуляции получаются путем сложения выходных сигналов первого и второго этапов модуляции.
В QPSK-модуляции оценка качества связи проводится с помощью пороговых значений. Оценочный блок выдает пороговые значения компонентов QPSK-модуляции. В этом методе осуществляется последовательный прием сигналов, и рассчитывается псевдобитовый коэффициент ошибок при передаче шестнадцатеричных QAM-сигналов.

Коллективный доступ при ортогональном разделении частоты (OFDMA)

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) является многопользовательской версией схемы цифровой OFDM-модуляции. Подмножества поднесущих назначаются отдельным абонентам, чтобы обеспечить одновременную низкоскоростную передачу данных от нескольких пользователей.
БС получает пакеты с более высокого уровня, транслирует их на несколько мобильных станций (МС) и выполняет кодирование каналов отдельно для каждого пакета, который будет передаваться на разные МС. БС самостоятельно чередует и модулирует закодированные пакеты широковещательной службы.
По завершении модуляции БС сегментирует каждый из пакетов широковещательной службы на некоторое количество блоков передаваемых данных, причем число этих блоков перераспределяется внутри пакета, чтобы изменить содержание.
После сегментации БС выполняет мультиплексирование, благодаря которому сегментированный сигнал передается последовательно или через заранее установленные интервалы времени.
При передаче сигнала с временным разделением МС избирательно получает только единичный кадр передачи. После этого МС объединяет весь сигнал для формирования требуемого пакета.
Для распознания пакетов МС использует метод назначения уникальных идентификаторов соединения (CID) широковещательным службам. БС записывает информацию с соответствующим идентификатором CID в информационную часть физического уровня (DL-MAP), присутствующую в каждом кадре передачи.
МС (приняв специальный кадр) получает информацию о передаче на физическом уровне соответствующего кадра и определяет CID, соответствующий заданным службам. МС может получить требуемый символ широковещательной службы.

Существуют три вида очередей: очередь низких приоритетов для оптимального трафика (Best Effort — BE); очередь средних приоритетов для потоковых данных, например видеоданных, и очередь высокого приоритета для голосового трафика.
Бит устанавливается так, чтобы, например, в случае BE-трафика (низкоприоритетная очередь) назначалось состояние ожидания. При таком способе задания бита он обслуживает сначала очередь с низким приоритетом. Трафик с низким и средним приоритетами управляется на основе взвешенного кругового обслуживания, тогда как трафик с высоким приоритетом имеет самую высокую важность. Очереди передачи и приема управляются на основе циклически присваиваемого приоритета.

Планировщик пакетов обеспечивает высокую степень равнодоступности при распределении пакетов для различных сеансов. Планировщик минимизирует задержку при передаче пакетов при большом количестве сеансов, требования к которым и к скорости передачи, возможно, различные.
При получении пакета планировщик назначает для него момент передачи, что зависит от того, имеются ли в сеансе ожидающие пакеты или нет, от значений времени окончания доставки предыдущего пакета и от времени получения пакетов. Затем планировщик определяет время окончания передачи пакета, что зависит от его длины и скорости передачи.
Далее пакет, на отправку которого требуется минимальное время, планируется к отправке. При выборе пакетов для отправки подобным образом имеющаяся ширина полосы пропорционально делится на гарантированную скорость сеанса, благодаря чему планировщик обеспечивает высокую степень равнодоступности при минимизации времени ожидания пакетов перед обслуживанием.
Время от времени планировщик пакетов использует процедуру обращения к маркеру, получает его и фиксирует это событие. Затем он захватывает маркер и планирует передачу пакета в последующем цикле. Если планировщик получает маркер, но не фиксирует событие, он передает этот маркер следующему планировщику. В конце каждого пакетного цикла захвативший маркер планировщик передаст его на следующий узел, логически связанный с этим пакетом.

Идентификатор служебного потока и идентификатор порядкового номера помещаются в каждый пакет потока для последующей правильной сборки. Полученные пакеты хранятся в буфере. Если хранящийся пакет подлежит отправке, он передается. В противном случае приемник ожидает заданного момента времени, пока следующий для отправки пакет не будет получен. Если этот пакет не получен, отправляется ранее сохраненный пакет.

Для дефрагментации при повторной сборке блоков MSDU (MAC Service Data Unit — блок служебных данных MAC-уровня) или MPDU (MAC Protocol Data Unit — протокольный блок данных MAC-уровня) требуются устройства с высокой пропускной способностью.
Передаваемые данные могут быть или не быть фрагментированы. WTRU (Wireless Transmit/Receive Unit — блок беспроводной передачи/приема) содержит блок дефрагментации любых фрагментированных данных, поступивших в этот блок.
Однако WTRU не передает фрагментированные данные. В состав этого блока входит процессор, блок фрагментации данных, передатчик и блок выбора фрагментированных данных.
Процессор определяет, должен ли передатчик отправлять фрагментированные данные. При необходимости передать фрагментированную информацию процессор контролирует блок выбора фрагментированных данных таким образом, чтобы блок фрагментации обрабатывал данные, поступающие от процессора на последующую отправку.
Фрагментация и повторная сборка туннелировавших пакетов выполняются в исполнительных устройствах центрального процессора (ЦП), чтобы без буферизации пакетов обеспечить соответствующую скорости сети обработку потока, что обычно происходит на главном ПК или сопроцессоре.
Исполнительные устройства ЦП могут осуществлять фрагментацию пакетов и повторную сборку, посегментно выполняя шифрование с использованием зашифрованных туннелей. Сетевое устройство, производящее фрагментацию пакетов, может фрагментировать пакеты между входной памятью устройства и MAC-уровнем, а также шифровать/туннелировать исходящие фрагменты.

Возрастающий спрос на беспроводной широкополосный доступ и постоянно расширяющийся ряд приложений требуют организации фиксированного и мобильного доступа к данным, а также к голосовым службам и потоковому контенту. Технология WiMAX способна удовлетворить требования всех этих приложений.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Абдуллаев И.Х., Асиновский А.В., Мясникова А.И.

Описывается один из самых перспективных широкополосных беспроводных технологий XXI века. Показана эволюция развития стандарта WiMAX с описанием соответствующих преимуществ. Также в данной статье рассматриваются все компоненты широкополосной мобильной сети.

Текст научной работы на тему «Широкополосный беспроводной доступ по технологии WiMAX»

СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА

Абдуллаев И.Х., Асиновский А.В., Мясникова А.И.,

Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики

Сегодня трудно себе представить сотовую связь без передачи данных. Для абонентов уже стало привычным проверить почту или посетить пару web-страниц. Многие услуги, предоставляемые оператором, используют подключение к сети Интернет. Передачу данных через сотовые системы связи часто используют для доступа в сеть Интернет с мобильных компьютеров, что делает их по-настоящему мобильными. Однако удовлетворительные скорости передачи данных были не всегда доступны для абонентов.

На заре сотовой связи, когда сотовый телефон использовался в первую очередь как телефон, т.е. для того чтобы совершать звонки, для стандарта NMT (1981 г.) была предложена новая услуга — передача данных. Максимальная скорость была ограничена 1,2 кбит/с. В те времена еще не было сети Интернет, и основное назначение данной услуги было передача текста. Однако в то время эта услуга не нашла особого интереса к себе и лишь несколько операторов решили реализовать ее на практике.

Стандарт GSM — это стандарт сотовой связи, в котором предполагалась услуга передачи данных еще до начала разработки. Она реа-лизовывалась на основе технологии CSD (Circuit Switched Data) с максимальной скоростью 9,6 кбит/с. Данные передавались внутри разговорных каналов. Соответственно, ско-

рость была ограничена пропускной способностью одного таймслота. С помощью технологии HSCSD (High Speed Circuit Switch Data) скорость передачи данных может быть увеличена до 57,6 кбит/ с. Это было достигнуто за счет возможности объединения нескольких свободных таймслотов для передачи данных одного абонента.

Cuslomer Premise (Home. Business or HOTSPOT)

Рис. 1. Внедрение технологии WiMAX стандарта IEEE 802.16-2004

Broadband wireless access on the WiMax technology

Abdullaev I.H., Asinovsky A.V., Myasnikova A.I.

North-Caucasian branch of the Moscow technical university relationship and informatics

In article one of the most perspective broadband wireless technologies of XXI centuries is described. Evolution of development standard WiMAX with the description of corresponding advantages is shown. Also in article given all components of a broadband mobile network.

Keywords: WiMAX, broadband access, introduction WiMAX, classification.

Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2010

STANDARDS FOR BROADBAND WIRELESS ACCESS

Рис. 2. Вторая фаза использование технологии WiMAX

на потребителей в фиксированных направлениях.

Вторая фаза (рис. 2) подразумевает использование внутренних антенн, упрощенное и более гибкое использование технологии WiMAX для обеспечения доступа.

Споры о том, относятся ли 802.16e и 802.16m к стандартам сотовой связи ведутся уже давно. С одной стороны они разработаны на основе немобильных стандартов. Но с другой стороны эти стандарты имеют много внешних признаков сотовых систем связи. Главным из таких признаков является ячеистая структура радиопокрытия с возможностью переиспользования частот в другой географической зоне.

Кроме того, Mobile WIMAX предоставляет возможность хэндовераа между сотами, т.е. соединение установленное в области покрытия одной базовой станции может быть без разрыва передано в соседнюю соту. Также стандарты 802.16e и 802.16m позволяют пользоваться услугами сети во время движения, что является также схожим признаком с сотовыми системами связи. В заключение необходимо отметить большой радиус покрытия одной базовой станции (до 50 км), что в отличии от сетей стандарта WI-FI также позволяет отнести Mobile WIMAX к сетям сотовой мобильной связи.

Если стандарты 802.16e и 802.16m относятся к сотовым системам связи, то возникает следующий вопрос: к какому поколению они относятся? Их классификацию можно сделать на основе двух отличительных признаков: Во-первых, эти стандарты поддерживают скорости передачи данных в несколько сотен мегабит в секунду, что дает право поставить их в один ряд со стандартом LTE, т.е. отнести их к стандартам 4G. Во-вторых, Mobile WIMAX не предоставляют услугу голосовой передачи данных по

коммутируемым соединениям. Этот сервис реализован в оконечных абонентских устройствах на программном уровне, а передача и коммутация осуществляется на основе IP-технологии, т.е. в Mobile WIMAX реализована поддержка технологии Voice over IP (VoIP). Этот факт также является отличительной чертой стандартов четвертого поколения.

Стандарты Mobile WIMAX. Рассмотрим основные отличия стандартов 802.16e и 802.16m. Релиз 802.16e предусматривает скорость передачи данных до 37 Мбит/сек в downlink (от базовой станции) и 17 Мбит/сек в uplink. Уже тогда была предусмотрена возможность хэндоверов между соседними базовыми станциями, а также роуминга, в том числе и международного в сетях других операторов. Максимально на одной несущей (10 МГц) может быть до 30 VoIP-соединений.

В релизе 802.16e 2009 г. были введены ряд новшеств: полоса одного канала расширена до 20 МГц. Кроме того, теперь возможно использование до двух частотных каналов для одного соединения. Это позволило увеличить максимальную скорость передачи данных в downlink до 141 Мбит/с, а uplink — до 138 Мбит/с. Теперь может быть до 43 одновременно установленных голосовых соединений на одной несущей.

Indoor/Outdoor modems Portable Indoor/Outdoor Residential Gateways modems 1 aptops IIHs 1 aptops HHs

^Fixed Access ^^^^JN от ad ¡city portability

■ Indoor f Outdoor

• VoIP and other apps.

■ Limited No inter operator roaming ■VofP and other apps

* Brea k-before-make handovers

* VoIP bent when stationary

- Mu№ operator roaming

* Interworking wf Best Lffwt handovers

• Optimized Make-before-break handovers (latency, QoS, data Говв)

■ Intcrworfcing w! sea mica» handovers

■ Optimized low power operation

■ VoIP - good stationary Of mobile

РИС. 3. Внедрение спецификаций IEEE 802.16e

High technologies in Earth space research № 1-2010

СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА

Сеть Mobile WIMAX состоит из 2-х основных подсистем (рис. 4): ASN (Access Service Network) — сеть доступа и CSN (Connectivity Servce Network) — сеть обеспечения услуг.

Сеть CSN. Согласно спецификациям WIMAX Forum определяется как набор функций, предоставляющих абонентам сети функции IP соединений.

К основным функциям CSN относятся:

— распределение IP-адресов и параметров между пользователями сети;

— доступ к сети Internet;

— контроль доступа абонентов в сеть, основанный на профилях пользователей;

—туннелирование между сетями ASN-CSN;

— биллинг и межоператорское взаимодействие;

— туннелирование между CSN и роуминг;

— мобильность между различными ASN, т.е. хэндовер между различными сетями доступа;

В сеть CSN могут входить такие элементы как роутеры, AAA сервер, базы данных абонентов, устройства преобразования сигнализации.

AAA (Authentication, Authorization, Accounting) сервер — устройство обеспечения авторизации, аутентификации и аудита пользователей сети. Служит для контроля доступа абонентов в сеть, назначения ключей шифрования, регистрации параметров соединений. Кроме того, хранит профили качества обслуживания абонентов.

PF (Policy Function) — база данных содержащая сценарии выполнения приложений для различных услуг, предоставляемых сетью WIMAX.

HA (Home Agent) — элемент сети отвечающий за возможность роуминга. Отвечает за обмен данными между сетями разных операторов.

Сеть ASN — это набор сетевых элементов, предназначенных для организации доступа абонентов WIMAX в сеть.

ASN выполняет следующие основные функции:

— доступ абонентов в сеть по радиосоединению;

— установление сигнальных соединений между и абонентским оборудованием;

— пейджинг, т.е. поиск абонентов в сети при поступлении входящего соединения;

— мобильность абонентов (управление хэндоверами);

— туннелирование между сетями ASN-CSN.

В состав сети ASN входят 2 основных

BS (Base Station) — базовая станция. Основной задачей является установление, поддержание и разъединение радиосоединений. Кроме того, выполняет обработку сигнализации, распределения ресурсов среди абонентов. В отличии от сетей LTE, UMTS и GSM базовая станция

сети WIMAX берет на себя большую часть функций сети абонентского доступа.

Также неотъемлемым элементом сети Mobile WIMAX является абонентское оборудование. В качестве такового могут выступать мобильный телефон, КПК, ноутбук/стационарный компьютер с встроенным или внешним адаптером и др.

Таким образом, сеть Mobile WIMAX является полноценным представителем сетей сотовой связи, предоставляющая большие возможности, высокое качество и безопасность соединений. Это дает возможность предсказывать дальнейшее развитие этого стандарта и широкое распространение на практике.

1. Летков К.Е., Кисляков МА Эксперимент по сбору трафика в сети беспроводного широкополосного доступа стандарта IEEE 802.16е // Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 49-55.

2. Летков К.Е., Донченко АА Анализ существующих алгоритмов распределения частотного ресурса беспроводных сетей специального назначения //Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 50-52.

3. Донченко АА., Летков К.Е. Анализ эффективности применения алгоритмов динамического управления пропускной способностью канала сети беспроводного широкополосного доступа //Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 69-72.

4. Летков К.Е., Донченко МА Требования к показателям качества информационного обмена в сетях беспроводного широкополосного доступа // Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 59-64.

5. Летков К.Е. Методы оценки качества информационного обмена в сетях беспроводного широкополосного доступа // Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 64-68.

К концу 2000-х годов многим российским пользователям стали доступны две популярные беспроводные технологии: Wi-Fi и WiMAX. Первая появилась чуть раньше и сейчас распространена более широко, вторая - чуть позже и развивается преимущественно в крупных городах России. Рассмотрим их по порядку, обратив внимание на особенности применения, плюсы и минусы, сходства и различия. Мы не будем рассматривать стандарты существующих мобильных беспроводных сетей - это тема для отдельной статьи. Зато вкратце расскажем о перспективах развития Wi-Fi и WiMAX.

Начнем с преимуществ и недостатков беспроводных сетей по сравнению с традиционными. Главный плюс, что явствует из названия, - отсутствие проводов. Значит, не нужно прокладывать кабели, сверлить стены, монтировать каналы и короба и т. п. Сеть легко расширяется в отличие от проводных, где ограничением служит количество свободных портов в маршрутизаторах и концентраторах (хабах). Немаловажна и быстрота подключения нового абонента. Но больше всего в беспроводных сетях людей привлекает мобильность. К примеру, в настоящее время можно в течение получаса развернуть в квартире или офисе локальную сеть на базе Wi-Fi и обеспечить всем устройствам выход в Интернет.

Минусы тоже присутствуют. Во-первых, это проблемы со стабильностью связи. Стандартные домашние Wi-Fi-маршрутизаторы имеют радиус действия порядка нескольких десятков метров в помещении и до 100-200 метров снаружи. Однако некоторые электронные устройства (СВЧ-печь), различные препятствия (железобетонные стены), а также погодные явления (дождь) ослабляют уровень сигнала Wi-Fi- и WiMAX-сетей. Таким образом, будет сложно или даже невозможно обеспечить связь между абонентами, находящимися в соседних зданиях или на разных этажах. Для Wi-Fi-сетей можно купить мощный передатчик, но устройства мощностью свыше 100 мВт по российским законам нельзя использовать без регистрации в соответствующих надзорных органах. Так мы приходим ко второму минусу - юридическим аспектам использования частотного диапазона и параметров передатчиков/приемников беспроводных сетей, которые различны в разных странах.

Существует и проблема безопасности, в частности Wi-Fi-сетей. Дело в том, что популярный стандарт шифрования WEP относительно легко взламывается, а более совершенные протоколы WPA и WPA2 не поддерживают многие старые точки доступа. Четвертый минус - это достаточно высокое энергопотребление устройств при использовании Wi-Fi и WiMAX-сетей. Тем не менее плюсы в целом перевешивают минусы.

Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity/"беспроводная точность") - это торговая марка для беспроводных сетей, созданных на базе семейства стандартов IEEE 802.11. Начало протоколу было положено в Нидерландах в 1991 году, когда одна фирма представила беспроводные системы кассового обслуживания WaveLAN со скоростью передачи данных от 1 до 2 Мбит/с.

С тех пор IEEE 802.11 сильно эволюционировал. К примеру, популярный ныне стандарт протокола IEEE 802.11n, утвержденный 11 сентября 2009 года, позволяет передавать данные на теоретической скорости до 600 Мбит/с при одновременном использовании четырех антенн или 150 Мбит/с - при одной антенне. Реальная скорость, разумеется, оказывается в два-три раза меньше. При этом можно задействовать один из двух рабочих диапазонов частот - 2,4 или 5 ГГц. Кроме того, для 802.11n разработчики сохранили обратную совместимость с устаревшими стандартами 802.11a и 802.11b/g.

Работает сеть Wi-Fi следующим образом. Первым делом устанавливается Wi-Fi-передатчик или, по-другому, точка доступа (хотспот), к которому любым доступным способом подводится Интернет (кабель, спутник, WiMAX, мобильный Интернет). Далее точка доступа сама становится источником раздачи Интернета устройствам-клиентам: компьютерам, ноутбукам, нетбукам, смартфонам и другим мобильным устройствам. Единственное, они все должны иметь встроенный либо внешний W-Fi-адаптер (приемник).

Wi-Fi-приемники уже давно встраиваются в ноутбуки и многие мобильные устройства. Для стационарных ПК либо устаревших моделей ноутбуков придется купить специальный модуль. Это может быть плата под слоты PCI, MiniPCI, PCMCIA или USB-адаптер. Встречаются и миниатюрные приемники размером с карту памяти формата SD. Стоят такие Wi-Fi-адаптеры всего несколько сотен рублей. Модули могут быть встроены в другие устройства, например медиаплееры. Стоимость Wi-Fi-передатчиков (маршрутизаторов) начинается от одной тысячи рублей, некоторые интернет-провайдеры предоставляют подобное оборудование бесплатно.

Интернет в Wi-Fi-сетях делится между всеми абонентами, поэтому при большом количестве подключенных устройств скорость передачи данных будет снижена. Сами сети подразделяются на публичные и частные. Первые создаются в местах общественного пользования (вокзалы, гостиницы, кафе, парки и т. п.) и обычно не требуют идентификации для подключения. В ряде зарубежных городов публичные беспроводные Wi-Fi-сети объединяют в общие и они покрывают почти всю городскую территорию.

Частные сети используются в личных или корпоративных целях ограниченной группы лиц и защищаются паролем или ключом. Однако из-за неопытности администраторов сетей, забывающих установить пароль, к ним может подключиться любой. Существуют даже подпольные карты подобных точек, благодаря которым в крупных городах найти халявный Интернет несложно.

В настоящее время разрабатываются стандарты IEEE 802.11ac и IEEE 802.11ad. Первая технология позволяет раздавать Интернет параллельными потоками более чем трем пользователям на скорости в несколько гигабит в секунду каждому в диапазоне 5 ГГц, вторая - одному абоненту до 7 Гбит/с в диапазоне 60 ГГц, что ограничивает область покрытия до масштаба одного помещения.

Кроме того, разрабатывается стандарт IEEE 802.22 WRAN. В так называемом Super Wi-Fi обещается скорость до 22 Мбит/с в радиусе до 100 км от ближайшего передатчика. При этом данные будут передаваться на незанятых частотах телевизионного вещания (VHF/UHF). В перспективе стандарт 802.22 должен обеспечить Интернетом малонаселенные территории и развивающиеся страны.

WiMAX

Кроме Wi-Fi, существует другой стандарт беспроводной связи - WiMAX, который развивается не менее быстрыми темпами, но во многом от него отличается.

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) базируется на стандарте IEEE 802.16. Сеть на базе этой технологии строится из базовых и абонентских станций и оборудования, связывающего между собой базовые станции с поставщиком Интернета и других сервисов. Используемый диапазон частот - от 1,5 до 13,6 ГГц. Радиус действия - 6-10 км для "статичных" абонентов и 1-5 км - для "мобильных", передвигающихся на скорости до 120 км/ч. Скорость передачи данных может достигать 40-75 Мбит/с. WiMAX создавался в качестве универсальной беспроводной связи для широкого спектра устройств (от ПК и ноутбуков до мобильных телефонов и планшетов), действующей на больших расстояниях.

Следует сразу отметить, что под названием WiMAX объединяются два стандарта - 802.16d (фиксированный WiMAX) и 802.16e (мобильный WiMAX), разработчикам их так и не удалось объединить. Каждая спецификация имеет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала и другие характеристики. Потому WiMAX-системы, основанные на различных версиях стандарта IEEE 802.16, практически несовместимы.

В стандарте 802.16d (он же 802.16-2004) используются стационарные модемы и PCMCIA-карты для ноутбуков. Связь возможна только с неподвижными абонентами. При этом могут достигаться следующие характеристики: скорость до 75 Мбит/с, дальность связи - 25-80 км, используемый диапазон частот - 1,5-11 ГГц (чаще применяются 3,5 и 5 ГГц).

Стандарт 802.16e (802.16-2005) оптимизирован для работы с мобильными пользователями. Характеристики таковы: скорость до 40 Мбит/с, дальность связи - 1-5 км, используемый диапазон частот - 2,3-13,6 ГГц (чаще - 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц). Также 802.16e применяется и для обслуживания фиксированных пользователей. Именно его чаще всего предлагают пользователям различные провайдеры.

Таким образом, мобильный WiMAX является конкурентом современным мобильным технологиям, а фиксированный WiMAX - проводному широкополосному доступу DSL. Конечные абоненты, желающие подключиться к сетям WiMAX, должны в первую очередь выбрать провайдера и заключить договор. После этого они получат USB-модем, ExpressCard-модем либо аналогичное устройство. WiMAX-приемник можно купить самостоятельно, кроме того, ряд мобильных устройств и ноутбуков уже имеют встроенную поддержку технологии WiMAX.

В будущем на смену двум спецификациям должен прийти единый стандарт 802.16m (WiMAX 2). Он будет производительнее, быстрее (скорость до 100 Мбит/с у мобильного варианта и до 1 Гбит/с - у фисированного). Также появится поддержка новейших коммуникационных технологий.

Напоследок рассмотрим качественные различия Wi-Fi и WiMAX. Wi-Fi - система короткого действия (десятки метров), с ее помощью удобно создавать локальные сети, необязательно подключенные к Интернету. WiMAX - система дальнего действия (километры), соединяющая провайдера и конечного пользователя. Домашнюю сеть на ее базе построить сложнее, зато сеть, охватывающую большие пространства, - проще. При сравнении часто применяется такая аналогия: WiMAX сравнивается с мобильной связью, а Wi-Fi - со стационарным беспроводным телефоном.

Если вы являетесь ярым сторонником беспроводных сетей, для вас оптимальным вариантом будет следующая схема (см. рисунок выше): в качестве магистрального канала от провайдера использовать WiMAX, а далее распределять Интернет между потребителями на основе локальной Wi-Fi-сети.

В статье рассматриваются возможности технологии широкополосного беспроводного доступа в сетях WiMAX

The article discusses the possibility of broadband wireless access technologies in WiMAX networks

Широкополосный доступ — ключевой элемент современных телекоммуникаций, которые невозможно представить без наличия разнообразных услуг, основанных на передаче различных типов трафика — данных, голоса, видео, мультимедиа. Беспроводные технологии, обладающие рядом уникальных преимуществ, играют важную роль в развитии систем широкополосного доступа.

Российский рынок широкополосного беспроводного доступа (ШБД) можно разделить на три больших сегмента. Первый — это мобильная(сотовая) связь. Здесь продолжают доминировать услуги обычной телефонной связи, однако ими уже охвачено практически все население России, рынок сотовой телефонной связи входит в стадию насыщения, и операторы начинают активно искать новые возможности для получения дополнительных доходов на базе построенных инфраструктур. В настоящее время сотовые компании активно развивают такие технологии, как EDGE (для сетей GSM) и EV-DO (для сетей CDMA); например построенная на основе EV-DO услуга Sky Turbo сети «Скай Линк» обеспечивает передачу данных на скоростях до 2,4 Мбит/с. Второй сегмент рынка ШБД — это спутниковая связь; этот рынок относительно невелик и стабилен, никаких серьезных изменений за последнее время там не происходило. Наконец, третий сегмент рынка ШБД — это фиксированная радиосвязь. В этой области — масса интересных событий, и именно им мы уделим основное внимание.

Технологии и оборудование.

Как уже говорилось, изначально сети фиксированного беспроводного доступа строились на основе 2,4-ГГц систем стандарта IEEE 802.11 (WiFi). Однако практически неконтролируемое увеличение числа радиосредств, работающих в указанном частотном диапазоне, привело к резкому росту уровню помех, препятствующие предоставлению качественных услуг. Это обстоятельство, наряду с рядом серьезных недостатков технологии IEEE 802.11, привело к постепенному переходу операторов на другие технические решения. В результате сегодня на рынке систем фиксированного ШБД доминируют нестандартные (часть из них производители относят к категории pre-WiMAX) решения ряда производителей. По сути, в России этот рынок делят две компании: отечественная InfiNet Wireless со своим знаменитым продуктом Revolution (за границей он продвигается под торговой маркой SkyMAN) и израильская Alvarion — остальные компании занимают незначительную долю рынка.

В чем принципиальное отличие указанных решений от обычных систем IEEE 802.11 (WiFi)? Рассмотрим их на примере продуктов Revolution. Если в системах IEEE 802.11 используется случайный доступ абонентских станций к среде передачи, то системы Revolution используют динамический и адаптивный опрос абонентов. В продуктах Revolution реализованы механизмы управления полосой пропускания (MIR, CIR, MPD), многоуровневой приоритизации трафика, централизованной регистрации и авторизации (RADIUS, RAPS) — в обычных решениях IEEE 802.11 такие механизмы отсутствуют. Все это позволяет операторам повышать надежность, плотность и качество обслуживания, гарантировать нормальные условия для передачи речи и другого «чувствительного» к задержкам трафика — короче говоря, Revolution — это мультисервисные решения, обеспечивающие гибкость в реализации различных схем тарификации и обслуживании приложений, генерирующих разные типы трафика (данные, голос, видео, показания датчиков).

WiMAX — это стандартизованная беспроводная технология операторского класса для обеспечения высокоскоростного мультисервисного широкополосного доступа на «последней миле» для конечных пользователей, домашних офисов, малых и средних предприятий и для мобильных сетей связи.

В настоящее время участниками WiMAX являются более ста компании во всего мира: Intel, Alcatel, Siemens, AT&T, WiLAN и др., а также известные на российском рынке компании Asiros, Airspan, Alvarion, Aperto, Proxim и Wi-LANи др.

Термин WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) является коммерческим названием стандарта региональных (городских) сетей широкополосного беспроводного доступа WMAN − IEEE 802.16, в нем описаны нижние уровни модели OSI: физический и уровень доступа к среде передачи MAC (Medium Access Control). А именно: радиоинтерфейсы, методы модуляции и доступа к каналам, системы управления потоками и взаимодействие с протоколами высших уровней. Структурная схема сети стандартаWiMAX представлена на рис. 1, здесь же представлены основные протоколы, по которым осуществляется взаимодействие элементов сети.

Рис. 1. Структурная схема беспроводной широкополосной сети типа WiMAX

Первоначально для стандарта WiMAX были выделены полосы частот в диапазоне до 66 ГГц, но в России в настоящее время выданы разрешения на полосы частот в соответствии с табл. 1.

Читайте также: