1.1. Развитие WiMAX в России

1.2. Техническая характеристика стандарта IEEE802.16

1.3. Ключевые технологи стандарта

1.4. Принципы построения сети WiMAX

1.5. Радиомаршрутизатора R5000

1.6. Функционирование сети WiMAX

1.1. Развитие WiMAX в России

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.

Таблица 1.1 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

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).

Рис. 1.1. Кадры прямого и обратного каналов в случае частотного дуплекса

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.

Рис. 1.2. Кадры прямого и обратного каналов в случае временного дуплекса

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.

Рис. 1.3. Структура кадра прямого канала в случае частотного дуплекса

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.

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

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).

Рис. 1.4. Структура кадра прямого канала в случае временного дуплекса

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).

Рис. 1.5. Структура кадра обратного канала

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

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

Рис. 1.6. Структура кадра прямого канала

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.

Рис. 1.7. Структура кадра прямого канала

Кадр обратного канала включает следующие основные элементы: канал начального доступа; канал запроса частотно-временного ресурса; пакеты с пользовательскими данными. Последние включают: преамбулу, пользовательские данные.

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.

Рис. 1.8. Структура кадров прямого и обратного канала

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.

Рис. 1.9. Структура зоны PUSC прямого и обратного каналов

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.

Рис. 1.10. Основные функции уровня МАС базовой станции при управлении передачей в прямом канале

Рис. 1.11. Основные функции уровня МАС базовой станции при управлении передачей в обратном канале

Рис. 1.12. Основные функции уровня МАС пользовательской станции при управлении передачей

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

• Хранение пакетов данных SDU, поступивших с верхних уровней, в очередях (отдельная очередь для каждого сервисного потока);
• 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.

1.4. Принципы построения сети WiMAX

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. 2.14. Типовая схема односекторной БС

Рис. 2.15. Типовая схема 6-секторной БС

Рекомендации по построению БС

Рекомендации по построению БС вытекают из анализа условий работы систем фиксированного беспроводного доступа:

• 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

Рис. 2.16 Типовая схема ретрансляционной станции

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.

Рис. 2.18. Диалоговое окно системы управления сетью

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.

Рис. 2.19. Беспроводный радиомаршрутизатор R5000 – O

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	DSSS	64OFDM
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	20 МГц	20 МГц
Антенный интерфейс	N - type female	N - type female
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	до 20 км	до 12 км
Максимальная длина пролета точка-точка	50 км	50 км
Рекомендуемое максимальное количество абонентов на сектор БС	50	150

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.