WiMAX в сетях связи с подвижными объектами

Стандарт IEEE 802.16-2004 опи­сывает широкополосный беспроводной доступ для систем, работа­ющих на частотах от 2 до 10 ГГц. Он определяет как уровень кон­троля доступа к среде передачи (MAC), так и физический уровень, чтобы гарантировать возможность взаимодействия сетей, принадле­жащих множеству различных опе­раторов. Стандарт описывает три возможных варианта реализации физического уровня: SC (Single Carrier), OFDM256 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing с 256 поднесущими) и OFDMA (Or­thogonal Frequency Division Multi­ple Access), но только OFDM256 сертифицирован консорциумом WiMAX Forum.

Технология WiMAX идеально подходит для скоростных радио­сетей городского и регионально­го охвата - именно для них она и создана. Предполагается, что данное решение быстро станет стандартом для большинства про­изводителей оборудования широкополосного беспроводного до­ступа к сетям связи, которые до этого использовали свои фирмен­ные патентованные технологии. Переход на общий стандарт, по мнению разработчиков, должен способствовать появлению новых производителей, повышению кон­куренции в отрасли, снижению цен, совместимости оборудования разных производителей, удешев­лению оборудования и в конечном счете его массовому распростра­нению.

Рисунок 16.3 - Структура сети WiMAX

Основные элементы WiMAX-систем - пользовательское обо­рудование (абонентский терминал или аппаратура, устанавливаемая в помещении пользователя - СРЕ) и базовая станция (БС). Одна ба­зовая станция и один или несколь­ко WiMAX-терминалов могут ор­ганизовать ячейку со структурой «точка - многоточка». БС осуще­ствляет контроль и управление процессом передачи внутри ячей­ки, а также имеет доступ к среде передачи данных через пользова­тельское оборудование, назначает параметры QoS и обеспечивает механизмы безопасности. Структу­ра сети WiMAX представлена на рисунке 16.3.

Базовая станция Siemens Way-МАХ может работать с четырьмя секторами. Интерфейс БС с опор­ной сетью - 10/100/1000 BaseT.

Базовая станция способна функ­ционировать в режимах дуплекс­ной передачи с частотным (FDD) и временным (TDD) разделением. Кроме того, возможна поддержка H-FDD (Half-duplex FDD). В случае режима TDD сеть может быть син­хронизирована через GPS во избе­жание интерференции между ба­зовыми станциями.

Разнесенный прием и разделе­ние на подканалы позволяет уве­личить мощность сигнала на при­емнике базовой станции. Радиомо­дем (WayMAX CPE) может рабо­тать с каналами шириной от 3,5 до 14 МГц (с шагом в 0,25 МГц), а так­же с каналом шириной 1,75 МГц. При этом используется один из следующих видов модуляции: ВР-SK, QPSK, I6QAM или 64QAM.

Контроль качества услуг (QoS) в стандарте IEEE 802.16 осуществля­ется с помощью четырех разных механизмов формирования очере­дей: резервирования полосы час­тот (Unsolicited Grant Service, UGS); механизма опроса rt-PS (Re­al Time Polling Service) для услуг, требующих качества реального времени; механизма опроса nrt-PS (Non-Real Time Polling Service) для услуг, не требующих качества ре­ального времени; обслуживания по остаточному принципу (Best Effort, BE). Поддержка всех этих классов качества предусмотрена в реше­нии WayMAX компании Siemens. Такие параметры QoS, как пиковая скорость передачи данных (Peak Data Rate, PDR), гарантированная скорость передачи данных (Guar­anteed Data Rate, GDR) и приори­тет пользователя (категория обслуживания) могут быть сформи­рованы для каждой отдельной ус­луги и независимо для направле­ний «вверх» и «вниз». Дополни­тельно в системе предусмотрена сигнализация для динамического включения услуги QoS и форми­рования параметров трафика. Параметры QoS могут варьироваться в процессе соединения посредст­вом передачи служебных сообще­ний Dynamic Services. Решение WayMAX предполагает также возможность избыточного брониро­вания радиоресурсов.

Рисунок 16.4 - Сценарии использования технологии WiMAX

Говоря о WiMAX, не следует за­бывать и о потенциале для эволю­ции этой технологии. Основные этапы предстоящего пути показаны на рисунке 16.4.

На данный момент доступен сценарий использования техно­логии WiMAX для фиксирован­ного доступа. Минимальный на­бор услуг, которые оказываются абонентам, выглядит примерно так:

· передача данных: высокоско ростной доступ в Интернет (HSIA), e-mail, пересылка файлов, расши­рение офиса, передача музыки, по­токовое аудио;

· высококачественные видеоус­луги: видео по запросу, телевещание, потоковое видео;

· пакетированная передача го­лоса в реальном времени (VoIP, потоковое аудио в реальном вре­мени);

· видео в реальном времени: видеоконференции, видеосвязь сетевые/межсетевые игры, потоко­вое видео в реальном времени;

· услуги TDM.

Список возможных услуг ограничивается лишь пропу­скной способностью радиоканала (до 14 МГц на абонента) и вооб­ражением оператора, а не только перечисленными возможностями.

К преимуществам решения Way-МАХ можно отнести следующие его особенности:

· сеть стандарта WiMAX проста в развертывании и в наращивании площади покрытия;

· базовые станции сети действуют в радиусе до 50 км²;

· полоса пропускания стандарта достигает 14 МГц на абонента;

· одна базовая станция Way-МАХ способна обслуживать большое число пользователей, предоставляя более чем прием­лемые качество и скорость со­единения.

Все вышеизложенное говорит не только о перспективности стан­дарта WiMAX, но и о его явных отличиях от существующих стан­дартов мобильной связи. Отличия эти заключаются прежде всего в предназначении самой техноло­гии: она может использоваться как для фиксированного доступа, так и для мобильной связи.

WiMAX, предлагает заведомо более высокие скорости передачи данных, чем даже самые послед­ние стандарты сотовой связи (GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA, cdma2000/EV-DO/EV-DV), кото­рые, однако, предлагают своим абонентам возможность передви­гаться во время сеанса связи. Меж­ду тем WiMAX предназначался все-таки для фиксированной связи. Характеристики различных бес­проводных стандартов относи­тельно друг друга в координатах «Скорость передачи данных - Мобильность» схематически пока­заны на рисунке 16.5.

Как видно на рисунке, различ­ные беспроводные технологии за­нимают свои ниши, предлагая раз­ный уровень мобильности - от практически фиксированных Blue­tooth и Wi-Fi до супермобильного UMTS. При этом WiMAX не кон­курирует ни с одним из указанных стандартов, а, наоборот, дополня­ет их, занимая промежуточное по­ложение.

Рисунок 16.5 - Позиционирование различных технологий в координатах «Скорость передачи данных - Мобильность»

Что касается взаимоотношений со стандартом Wi-Fi, то по замыслу WiMAX Forum, одним из основных сценариев использования WiMAX является обеспечение транспорта для Wi-Fi-точек доступа (рисунок 16.6).

Таким образом, технология WiMAX не замещает собой техно­логию доступа Wi-Fi, а дополняет возможности беспроводных сетей, соединяя центры доступа 802.11 с Интернетом и предоставляя аль­тернативное беспроводное реше­ние «последней мили» для широ­кополосного подключения к Ин­тернету офисов и жилых домов.

Что касается операторов по­движной связи, то для них могут быть два варианта использования WiMAX:

· в качестве транспорта для мобильных сетей GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA или cdma2000/EV-DO/EV-DV;

· для предоставления абонентам (прежним или новым) высоко­скоростного фиксированного доступа в Интернет.

При построении сети подвижной связи для покрытия определенной территории помимо коммутатора и опорного регистра требуется кон­тролер базовых станций BSC (или контроллер радиосети RNC для се­ти 3G) и некоторое количество ба­зовых станций BTS (Node В для 3G). Каждая базовая станция покры­вает определенную территорию и обслуживает известное количество абонентов. В зависимости от коли­чества абонентов, обслуживаемых одной базовой станцией в часы на­ибольшей нагрузки, уровня их ак­тивности и набора доступных сер­висов, устанавливается пропускная способность канала связи базовой станции. Причем каждая станция в любом случае требует постоянного подключения к контроллеру, хотя иногда станции располагаются в очень неудобных для этого местах.

Рисунок 16.6 - WiMAX - транспорт для Wi-Fi

Например, при обеспечении по­крытия сельских территорий базо­вые станции приходится ставить там, где не проложены ни медные, ни оптоволоконные кабели. Характерная особенность таких стан­ций - небольшое количество об­служиваемых абонентов и, соот­ветственно, невысокие требования к пропускной способности канала. В таких случаях часто использует­ся радиорелейная технология. Один из ее недостатков - необ­ходимость подключения каждой базовой станции отдельной парой радиорелейных приемопередатчи­ков по схеме «точка - точка».

Рисунок 16.6 - Сценарий использования решения WiMAX для подключения базовых станций сети подвижной связи

Компания Siemens предлагает использовать для подключения труднодоступных базовых станций решение WiMAX. Его главным преимуществом по сравнению с радиорелейным подключением яв­ляется возможность обслуживания одной станцией нескольких поль­зовательских устройств по схеме «точка - многоточка». Таким об­разом, одна ВС WiMAX, подклю­ченная к контроллеру сети GSM или 3G, может поддерживать со­единение с несколькими пользова­тельскими устройствами WiMAX,

которые подключены к базовым станциям той же сети GSM или 3G (рисунок 3.5.). Такое решение позволяет подключать по радиоканалу отда­ленные базовые станции (BTS или Node В) и упрощает структуру се­ти по сравнению с радиорелейным решением.

Существует целый набор требо­ваний, которым должны удовле­творять транспортные каналы, ис­пользуемые для соединения базо­вых станций и контроллера:

· процент ошибочных битов (BER) не выше 10⁶;

· задержка - не больше 10 мс, джиттер - 1 мс;

· гарантированная доступность соединения – 99 %;

· пропускная способность на одну базовую станцию - 2 Мбит/с (Е I) + заголовок;

· класс качества - rt-PS;

· синхронизация через GPS.

Решение WiMAX удовлетво­ряет всем перечисленным требова­ниям.

Особый интерес представляет возможность подключения нано-базовых станций к нано-контроллеру базовых станций, В линейке продуктов для операторов GSM - сетей компания Siemens предлага­ет решения nanoGSM и nanoEDGE. Учитывая, что и нано-БС, и нано-контроллер используют для подключения интерфейсы Eth­ernet, методика внедрения WiMAX значительно упрощается. Ведь необходимости в конверта­ции TDM-потока в Ethernet боль­ше нет. Рассматривая возможность подключения нано-станций через WiMAX нужно иметь в виду, что каждая базовая станция такого ти­па поддерживает в радиоинтер­фейсе до восьми потоков по 64 кбит/с. Это говорит о неболь­шой нагрузке на канал связи с кон­троллером. В результате по одно­му каналу шириной 5 МГц можно подключить три - четыре нано-БС.

Высокие темпы роста рынка беспро­водного широкополосного доступа и развитие технологии WiMAX не должны остаться незамеченными операторами мобильной связи. Перспективность их выхода на рынок широкополосного доступа стано­вится тем очевиднее, чем сильнее замедляется рост рынка мобильной связи. К примеру, рост числа поль­зователей Wi-Fi в западных странах превышает рост абонентов 3G. Раз­ворачивая сети WiMAX, операторы мобильной связи могут занять новую для себя рыночную нишу услуг фиксированного доступа и привлечь большое число новых абонентов.

Говоря о беспроводном широко­полосном доступе, и о стандарте WiMAX в особенности, не стоит забывать об одном из его предназ­начений - услуге Voice over IP (VoIP). Предоставляя такие услуги, оператор должен быть способен не только брать фиксированную абонентскую плату, но и тарифици­ровать разговоры в зависимости от продолжительности, как это проис­ходит в обычных мобильных сетях.

При построении сети WiMAX операторы мобильной связи изна­чально находятся в выгодном по­ложении, так как могут использо­вать для этого значительную часть уже имеющегося оборудования, например регистры HLR, SMS-центры, центры тарификации и биллинга, prepaid-платформы. Для подключения сети широкополос­ного беспроводного доступа к пе­речисленным узлам компания Sie­mens разработала решение Wire­less Integration Platform (WIP). Естественно, для абонентов мобиль­ной связи и пользователей бес­проводного широкополосного доступа может использоваться единая платформа IMS.

Решение WIP позволяет опера­тору включить сеть WiMAX в уже существующую сеть подвижной связи, а также предоставляет необ­ходимую функциональность для легкой, быстрой и эффективной интеграции системы беспроводно­го широкополосного доступа (к примеру, решения WayMAX). Ос­новные характеристики решения WIP таковы:

· поддержка различных моделей и методов тарификации (prepaid, postpaid);

· возможность использования различных методов оплаты (электронный ваучер, бумажный ваучер, кредитная карта, единый счет);

· возможность аутентифика­ции/авторизации в уже установлен­ном в сети ААА-сервере;

· возможность аутентификации с помощью EAP-SIM в HLR подвижной сети

· поддержка роуминга в соответствии со стандартом WISP-R;

· поддержка различных видов доступа (WiMAX, Wi-Fi, Flash-OFDM) одновременно.

Пример включения решения системы широкополосного бес­проводного доступа в существую­щую сеть подвижной связи приве­ден на рис. 16.7.

Рисунок 16.7 - Интеграция решения беспроводного доступа

и сети подвижной связи

Одним из главных элементов бу­дущих сетей, как мобильных, так и фиксированных, станет стандартизи­рованная платформа для мультиме­дийных приложений IMS (IP Multi­media Solution). Изначально она бы­ла разработана организацией 3GPP для сетей мобильной связи третьего поколения. IMS расширяла их функ­циональность с помощью IP-прило­жений и сервисов, поддержка кото­рых осуществлялась через протокол SIP (Session Initiation Protocol). Од­нако универсальность IMS-архитек­туры привлекла к ней внимание и операторов фиксированной связи. В связи с этим организация TISPAN (подразделение ETSI) адаптировала архитектуру IMS в соответствии с их требованиями. Получившаяся архитектура является основой будущих конвергентных сетей.

WiMAX готов стать одним из ключевых стандартов будущих конвергентных сетей.