Широкополосный беспроводной доступ WiMAX

Беспроводные городские сети WiMAX охватывают значительно большие расстояния, чем сети WLAN стандарта IEEE 802.11, обеспечивая подключение точек, находящихся в разных зданиях и на большем расстоянии друг от друга. Развивающиеся технологии WiMAX способствуют повышению мобильности и уменьшению зависимости от проводного подключения.

Микроволновый доступ в всемирном масштабе WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - это беспроводная технология, которая обеспечивает широкополосные соединения с высокой пропускной способностью на большие расстояния. WiMAX является реализацией стандарта IEEE 802.16. Она обеспечивает функционирование региональных cетей MAN (Metropolitan Area Network,). Пропускная способность одной базовой станции достигает 75 Мбит/сек. Дальность действия одной базовой станции составляет от 2 до 10 км.

Благодаря такой пропускной способности одна базовая станция может обслуживать более 60 корпоративных пользователей на скоростях, сравнимых с соединениями Т1/Е1, или сотни домашних пользователей на скоростях, сравнимых с Digital Subscriber Line (DSL). Стандарт предоставляет большую свободу для разработчиков, включая поддержку лицензируемых и нелицензируемых радиочастот и поддержку каналов с шириной полосы пропускания от 1,5 МГц до 20 МГц. Он обеспечивает высокое качество и класс предоставляемых услуг передачи данных QoS (Quality of Service) для соединения и предусматривает всесторонний набор базисных элементов для обеспечения защиты данных. Стандарт 802.16 оптимизирован для обеспечения высоких импульсных скоростей передачи данных, позволяет одновременно поддерживать передачу мультимедийной информации в реальном времени и изохронные приложения, например, IP-телефонию. Это значит, что WiMAX предоставляет уникальные возможности для поддержки приложений, для которых необходимо повышенное качество и класс предоставляемых услуг передачи данных, таких как IP-телефония и передача видеопотоков.

Сети WiMAX используют пять типов доступа:

Фиксированный доступ (fixed access). Он предполагает, что пользовательское устройство находится в одном месте в течение всего времени действия контракта с оператором услуги. При этом оно может подключаться к сети или отсоединяться от нее, а также выбирать «наилучшую» базовую станцию во время входа в сеть. В типичном случае клиентское устройство будет связываться с одним и тем же сектором базовой станции или сотой, а любое подключение к другому сектору или соте, например в случае отказа будет управляться сетью.

Доступ из разных мест (nomadic access). Здесь подразумевается, что устройство пребывает в одном месте в течение всего времени сеанса. Если оно перемещается в другую точку в зоне той же беспроводной сети (например, меняется сота или сектор), то сеть определяет атрибуты подписки и устанавливается новая сессия. При этом сохраняются все возможности, упомянутые в предыдущем пункте.

Доступ в режиме переноса (portable access). В этом режиме устройство будет оставаться на связи во время перемещения со скоростью пешехода в ограниченной области, покрываемой беспроводной сетью. В период сессии при переходе к разным сотам или секторам одной соты обеспечиваются не все возможности передачи управления.

Упрощенный мобильный доступ (simple mobile access). Под этим понимается способность устройства не прерывать сессию для приложений, не требующих режима реального времени, при движении со скоростью транспортных средств в зоне покрытия беспроводной сети. Передача управления при перемещении между секторами или базовыми станциями делает сеанс непрерывным для всех приложений вышеупомянутого типа.

Полноценный мобильный доступ (full mobile access). Данный тип доступа обеспечивает непрерывный сеанс связи при движении устройства с высокой скоростью в зоне покрытия беспроводной сети. Гарантированная передача управления при перемещении между секторами или базовыми станциями позволяет всем приложениям работать непрерывно.

Итак, WiMAX является широкополосной беспроводной технологией, которая поддерживает все пять типов доступа, определенных выше. Для того чтобы удовлетворить всем необходимым требованиям, были предложены две версии WiMAX. Первая основывается на стандарте IEEE 802.16-2004, который затем был назван IEEE 802.16d и оптимизирована для фиксированного доступа из разных мест. Вторая версия разработана для поддержки остальных трех типов доступа и будет базироваться на модификации к первому стандарту IEEE 802.16е. Для стандарта IEEE 802.16е были разработаны системные профили. Профиль описывает набор несущих частот, ширину и способ разделения прямого и обратного каналов, выходную мощность, виды сервиса и некоторые другие параметры. Сертифицированные устройства WiMAX должны соответствовать этим профилям.

Как ожидается, наиболее вероятными частотами для первых мобильных профилей будут 2,3 Ггц и 2,5 Ггц. Дело в том, что при частотах ниже 3 Ггц можно добиться лучших покрытия и поддержки мобильных и портативных устройств внутри помещений. Однако к профилю могут быть добавлены более высокие частоты (3,3 Ггц, 3,5 Ггц и даже 5,8 Ггц), если запросы на них окажутся достаточно велики.

Две версии WiMAX отражают потребности рынка в продуктах, которые оптимизированы либо для фиксированного, либо для мобильного доступа. Требования для этих двух типов доступа различны, поэтому и реализующие их решения также будут разными. Несколько опциональных функций, которые поддерживаются в обеих спецификациях, с большой вероятностью будут включены в продукты 802.16е, поскольку мобильные сервисы только выиграют от добавленной функциональности. Среди этих функций - улучшенная поддержка MIM0 и адаптивных антенных систем (AAS), которые существенно повысят пропускную способность и прием в условиях непрямой видимости.

Ключевым различием между стандартами 802.16d и 802.16е является техника мультиплексирования: в первом используется мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (OFDM), тогда как во втором - множественный доступ с разделением по ортогональным частотам (OFDMA) или, что наиболее вероятно, масштабируемый OFDMA (Scalable OFDMA - SOFDMA).

Набор параметров 802.16d лучше подходит для фиксированного доступа, при котором применяются направленные антенны, поскольку OFDM по своей сути проще, чем SOFDMA.

Напомним, что OFDM является частным случаем техники передачи данных с помощью множества несущих МСМ (MultiCarrier Modulation). Главный принцип МСМ заключается в том, чтобы разделить основной поток битов на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции множества несущих (поднесущих). При этом, вообще говоря, к каждой из поднесущих может быть применена любая техника модуляции.

Преобразование Фурье позволяет разделить частотный диапазон на поднесущие, спектры которых перекрываются, но все же остаются ортогональными. Последнее обозначает, что каждая из поднесущих содержит целое число (уникальное) колебаний на период передачи символа. В методе же OFDMA множество несущих разделяется на N групп. Каждая группа содержит М поднесущих, из которых формируются М подканалов: по одной поднесущей из группы.

Концепция масштабируемости базируется на изменяемой структуре подканалов, другими словами, на переменном числе поднесущих, объединяемых в канал. При этом поднесущие не обязательно должны быть смежными. В зависимости от числа поднесущих в подканале используется преобразование Фурье (обычно быстрое - БПФ) с разным количеством членов в сумме, или разным числом точек.

Метод OFDMA позволяет получить большую гибкость при управлении различными пользовательскими устройствами с разными типами антенн. Он уменьшает взаимные помехи для устройств, использующих, всенаправленными антеннами и улучшает прием в условиях непрямой видимости, что весьма существенно для мобильных пользователей. Подканалы могут быть распределены между разными абонентами в зависимости от условий передачи и требуемой пропускной способности. Этим достигается более эффективное использование ресурсов.

Разбиение на подканалы для восходящего потока улучшает производительность, так как мощность передаваемого пользовательским устройством сигнала крайне ограничена. При применении OFDM устройство передает данные, используя весь набор поднесущих. OFDMA поддерживает множественный доступ, посредством которого передача ведется только на поднесущих выделенного пользователю подканала. К примеру, если OFDMA использует 2048 поднесущих и 32 подканала и пользователю выделяется только один подканал, то вся мощность передатчика будет сконцентрирована в 1/32 доступного спектра и может быть больше, чем при OFDM.

Другим важным дополнением в стандарте 802.16е является поддержка передачи управления при перемещении между сотами. При этом будет возможен как жесткий (hard), так и мягкий (soft) режим передачи управления. В первом случае устройство должно разорвать связь с текущей сотой, прежде чем подключиться к следующей. Этот метод достаточно прост, однако имеет длительную задержку. Мягкий режим работает аналогично сотовой связи и позволяет пользовательскому устройству оставаться на связи со старой станцией до тех пор, пока она не подключится к новой. Преимуществами этого режима могут воспользоваться игровые приложения и VoIP, тогда как для передачи данных вполне достаточно жесткого режима передачи управления.

Что касается перехода от одного оператора к другому (roaming), то эти возможности могут быть реализованы в обоих стандартах - 802.16d и 802.16е, хотя они особенно ценны для мобильного доступа. Возможности различных стандартов иллюстрирует рисунок 3.8.

Рисунок 3.8

Ожидается, что WiMAX сможет обеспечить высокоскоростной беспроводной доступ проще и дешевле, чем существующие технологии сотовой связи. Беспроводная инфраструктура WiMAX может расширяться, чтобы обеспечить поддержку карманных и мобильных устройств, которые появятся в будущем.

Приведем сравнительную характеристику существующих технологий сетевого доступа (таблица 3.5).

Таблица 3.5

Внедрение беспроводных технологий в мире идет высокими темпами. Высокоскоростное широкополосное соединение на базе беспроводной технологии WiMAX вскоре должно заменить существующие решения для доступа в Интернет.