Параметры семейства стандартов Wi-Max

Wi-MAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) в дословном переводе звучит как "глобальная совместимость для микроволнового доступа". IEEE 802.16 - это первый стандарт, предназначенный для создания территориально распределенных сетей широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access) в масштабе города (Wireless MAN). В стандарте описывается интерфейс для систем ШБД типа "точка-многоточка", работающих в диапазонах частот 2-11 ГГц и 10-66 ГГц и осуществляющих связь на расстояниях в десятки километров.

Под Wi-MAX понимается технология операторского класса, которая практически не имеет на сегодняшний день альтернативы по предоставлению населению высококачественных услуг мультисервисного ШБД. Новейшие системы с сертификацией Wi-MAX позволяют операторам сетей широкополосного доступа не только предоставить пользователям разнообразные типы сервисов как IP, так и Е1, но и заменить инфраструктуру ADSL-доступа и выделенных линий в целом.

В стандарте особое внимание уделяется планированию пользовательских потоков данных (Service Flow), на которых строится весь информационный обмен между базовой станцией и абонентскими устройствами, а также средствам защиты пользовательских данных (privacy sub layer) и безопасности связи.

Передача трафика от абонентских устройств к базовой станции (так называемое восходящее направление, uplink) основывается на комбинации двух методов многостанционного доступа: DAMA (доступ по запросу) и TDMA (доступ с временным разделением каналов). Структура пакетов физического уровня поддерживает переменную длину пакета MAC-уровня. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию по алгоритмам QPSK, 16 QAM и 64 QAM.

Таблица 2.1. – Семейство стандартов 802.16

Передача трафика от базовой станции к абонентским устройствам (так называемое нисходящее направление, downlink) ведется в режиме временного дуплекса (TDD) в едином потоке для всех абонентских устройств одного сектора. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию в соответствии с алгоритмами QPSK, 16 QAM и 64 QAM.

Модуляция. Особенности распространения радиоволн частотного диапазона 10 - 66 ГГц ограничивают возможности работы систем условиями прямой видимости. В типичной городской среде это позволяет подключить примерно половину абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой станции. Для остальных 50% прямой видимости, как правило, нет. В этой связи институт IEEE разработал дополнение к стандарту 802.16, которое относится к частотам 2 - 11 ГГц и, помимо одночастотной передачи (Single Carrier, SC), предусматривает режимы ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) и множественного доступа на основе такого мультиплексирования (OFD Multiple Access, OFDMA).

В режиме OFDM допускается одновременная передача на 256 поднесущих. За счет увеличения (примерно в такое же число раз) длительности элементарного символа можно одновременно принимать прямой и отраженные от препятствий сигналы, либо вообще работать только на отраженных сигналах вне пределов прямой видимости базовой станции.

Технология OFDM. В системах ШБД основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме. Разновидность технологи - метод COFDM (сочетание канального кодирования, аббревиатура C, и OFDM) - хорошо известен и широко используется в цифровых системах радиовещания (DAB) в Европе, Канаде и Японии.

При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей частоте.

Рисунок 16.1. – Спектр радиосигнала с одной несущей (а) и OFDM (б)

Частотный разнос Δf между соседними несущими f₁, f₂ ... f_n в групповом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов.

В первом случае частотный разнос между модулированными несущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Δf>2/T_U, где T_U - рабочий интервал информационного символа. Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой.

Напротив, стандарт OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значение частотного разноса и во столько же раз повысить плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц. Благодаря ортогональному методу демодуляции поднесущих группового спектра происходит компенсация помех от соседних частот, несмотря на то, что их боковые полосы взаимно перекрываются.

Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению Δf = 1/T_U, то есть на интервале T_U должно укладываться целое число периодов разностной частоты f₂ - f₁. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.

Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется "символом OFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков, длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.

Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока T_S делится на две части - защитный интервал T_G, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа T_U, за время которого принимается решение о значении принятого символа.

Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились в начале символов субпотоков, то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом.

Технически метод OFDM реализуется путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передатчика и прямого дискретного преобразования Фурье - в демодуляторе приемника приемопередающего устройства.

Технология TDM. Аппаратура TDM-сетей работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонент­ском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа або­нентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором.

Рисунок 16.2 – Коммутация на основе разделения канала во времени

Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скорос­тью 64 Кбит/с – 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:

· прием от каждого канала очередного байта данных;

· составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой;

· передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной Nх64 Кбит/с.

· Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия.

Демультиплексор выполняет обратную задачу – он разбирает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.

Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотненный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов. Так, например, если первый абонент левой части сети рисунке 16.2 должен соединиться со вторым абонентом в правой части сети, то байт, записанный в первую ячейку буферной памяти, будет извлекаться из нее вторым. «Перемешивая» нужным образом байты в обойме, коммутатор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети.

Однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал – выходной слот» в течение всего времени существования этого соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с.

Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом.

Сегодня практически все данные – голос, изображение, компьютерные данные – передаются в цифровой форме Поэтому выделенные каналы TDM-технологии, которые обеспечивают нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа, телефонных, телевизионных и компьютерных.

Оборудование, построенное на базе стандарта 802.16, обладает следующими характеристиками:

· гибкая динамическая настройка качества обслуживания (QoS), задание приоритетов различным видам трафика и одновременная поддержка интерфейсов IP и TDM E1 позволяют параллельно передавать голос, мультимедийную информацию и цифровые данные по одному каналу связи;

· оператор может за считанные часы предоставить услугу с пропускной способностью канала, сравнимой со скоростью кабельных систем. Соглашение об уровне обслуживания (SLA) строится по индивидуальному плану каждого заказчика, при этом QoS может изменяться динамически в соответствии с его потребностями;

· высокая эффективность использования радиочастотного спектра увеличивает пропускную способность и снижает удельные затраты на запуск и эксплуатацию;

· технология передачи OFDM обеспечивает устойчивую связь вне зоны прямой видимости приемопередатчиков;

· система динамически адаптируется к условиям связи с помощью автоматического подбора типа модуляции (BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM) и скорости кодирования;

· корректирование сигналов с прямым исправлением ошибок гарантирует надежность 99,999%.

Стандарт не рассчитан на "ячеистую" (mesh) топологию сети, связь между абонентскими устройствами возможна только через базовую станцию.

Динамическая адаптация. При передаче каждого пакета данных оборудование производит оценку состояния канала. Параметры соединения подстраиваются для каждого абонентского комплекса в отдельности. В результате поддерживается максимально возможная скорость для текущего состояния каждого соединения (интерференция, внешние помехи, наличие листвы на деревьях). Динамическая адаптация осуществляется на базе измерения отношения CINR (Carrier/Interference + Noise Ratio).

Дуплексное разделение во времени (TDD).

В устройстве используется разделение во времени приема и передачи по одному радиочастотному (РЧ) каналу. Этот способ хорошо подходит для организации эффективных и предсказуемых соединений по типу PTP и PMP. Базовая станция отвечает за планирование трафика в обоих направлениях. Она передает данные на абонентские комплексы и рассылает запросы и подтверждения на передачу, основываясь на анализе агрегатного потока от всех абонентов. Абонент может сам задать временное соотношение трафика в обоих направлениях. В автоматическом режиме настройку временного профиля выполняет базовая станция, которая всякий раз адаптируется к текущим условиям передачи.

Адаптивное кодирование.

Для повышения помехозащищенности в каждый пакет данных предаваемых по радиоканалу вводится некоторое количество избыточной информации. Отношение количества полезных данных к общему размеру пакета называется скоростью кодирования. Оборудование WiMAX поддерживает скорости 1/2, 2/3 и 3/4. Скорость кодирования может меняться от пакета к пакету на основании текущего значения CINR.

Адаптивная модуляция. Под модуляцией понимается способ кодирования несущих частот передаваемыми данными, образующими символ OFDM. Устройства поддерживают типы модуляции QPSK, 16 QAM и 64 QAM, которые могут меняться от пакета к пакету в зависимости от текущего значения CINR.

Автоматический запрос на повторную передачу (Automatic Repeat Request, ARQ).

При отсутствии подтверждения приема по истечении определенного промежутка времени ARQ автоматически осуществляет повторнуюпередачу данных.

Возможности LAN. Развертывание беспроводной системы связи между базовыми и абонентскими комплексами позволяет объединить территориально разнесенные сегменты локальной сети Ethernet. WiMAX оборудование может поддерживать следующие возможности LAN:

· классификации L2/L3/L4;

· транспортировка пакетов в соответствии с классификацией;

· возможности уровня L2 для транспортировки данных:

o режим прозрачного моста;

o метки 802.1q VLAN;

o приоритезация потока 802.1p;

o управление потоком 802.3x Ethernet;

o групповые рассылки (только на уровне L2).

Базовая станция может служить агентом-ретранслятором (Relay Agent) DHCP для подсети абонентских комплексов. Базовая и абонентские станции могут также осуществлять транзит (pass-through) DHCP для CPE.

Области применения. Сети WiMAX являются надежной и более экономичной альтернативой стандартным PDH РРС и незаменимы в случае топологии беспроводной сети связи типа "точка - многоточка".
WiMAX может использоваться для:

· доступа в Интернет;

· организации прозрачного моста (Transparent LAN Service, TLS);

· транспорта голосовых данных по IP (VoIP);

· транспорта потоков TDM.

Основные области применения стандарта:

· коммерческие беспроводные сети - решение проблемы "последней мили", доступ в Интернет;

· операторы мобильной связи - транспорт голосового трафика, связь между базовыми станциями;

· корпоративные сети - объединение локальных сетей филиалов учреждений в единую виртуальную сеть.

Развитые возможности классификации, резервирования (SLA, QoS) и управления пользовательскими потоками данных позволяют передавать средствами IP мультимедийную информацию - речь, видео и цифровые данные.

Система связи на базе WiMAX может быть развернута на крупных и средних предприятиях, использована в образовательных учреждениях, для нужд территориальных органов управления, для организации систем охраны и удаленного видеонаблюдения.

Специальная область применения - организация сверхдлинных пролетов (до 120 км), в том числе и над открытой водной поверхностью, в случае отсутствия прямой видимости, частичного перекрытия первой зоны Френеля, а также в случае сложной радиочастотной помеховой обстановки в зоне проектируемой РРС.

Широкая полоса частот, динамичная настройка качества обслуживания, IP- и TDM-интерфейсы делают это оборудование отличным выбором для альтернативных операторов и операторов сотовой связи.