Аналіз можливості побудови радіо мережі спеціального призначення з використанням технології WiMAX

ASN-GW, шлюз радіопідмережі – логічний елемент мережі, що виконує агрегування (об'єднання) сигнальних функцій, а також, якщо необхідно, маршрутизацію потоків даних користувачів. ASN-GW може бути пов'язаний з іншими ASN-GW для забезпечення резервування і балансування навантаження.

AAA server, Authentication, Authorisation, Accounting – пристрій (сервер), що виконує такі процедури:

- автентифікації користувача, тобто перевірки його справжності та можливості доступу в мережу;

- авторизації - виділення йому ресурсів мережі відповідно з послугами, на які він підписаний

- аккаунту - підрахунку спожитих користувачем ресурсів (кількість в часі або розмір переданих даних) для формування рахунку за користування мережею.

MIP HA – Mobile IP HomeAgent. Застосовується для підтримки мобільності, заанкерной в CSN. Він же зазвичай є EDGE-роутером – роутером-шлюзом, розташованим на кордоні WiMAX мережі і зовнішніх мереж.

IMS, Contentservices, Billing Support System (BSS), Operator Support System (OSS) – стандартні системи, що не є специфічними для WiMAX, надають допоміжні функції оператора.

 

Рис. 2.4. - Архітектура мережі WiMAX з удосконаленими функціями.

Ефективні рішення WiMAX з удосконаленими функціями і робочими характеристиками.

Для досягнення більш високого енергетичного потенціалу ліній  зв'язку, зменшення загасання сигналів і кращого покриття мікро-спотів, можуть бути використані різні технології рознесення.

Прибуткова бізнес-модель WiMAX з більш високим покриттям  користувачів, задоволеністю користувачів і поліпшує енергетичні потенціали ліній зв'язку WiMAX може бути досягнута при використанні передових антенних технологій (MIMO і AAS). Ефект MIMO полягає в здатності перемикатися між MIMO A і MIMO B.

Варіант MIMO A з одною приймальною антеною відомий також як режим STC (Space Time Coding – прийом з просторово-часовим кодуванням) і особливо придатний в умовах NLOS.

ААS – адаптивні антенні системи. В AAS використовується кілька антен для динамічного формування спрямованого променя. Цей промінь контролюється базовою станцією (BS) для направлення його до абонентської станції (SS), з якою вона (BS) здійснює комунікацію.

 

Рис. 2.5. - Фізичне з'єднання мережі WiMAX

Light ASN від Iskratel можете запропонувати:

- Мобільні послуги зі  значно меншими витратами на  інфраструктуру.

- SI3000 Light ASN - нова мережева архітектура

- У вирішенні SI3000 Light ASN використовується нова мережева архітектура (New Network Architecture), що представляє собою унікальну структуру, що дозволяє використовувати недорогі і однорідні мережні елементи для створення керованих, мобільних, насичених мультимедійними послугами мереж.

Нова мережева архітектура SI3000 Light ASN, заснована на простій ієрархії зі сконфігурованими однорідними (commodity) мережевими елементами, забезпечує структуру між базовою мережею CSN і радіомережа WiMAX.

 

 

Рис. 2.6. Логічні з'єднання мережі WiMAX

 

2.2. Аналіз існуючих  WiMax стандартів

Бурхливий розвиток різноманітних  мобільних телекомунікацій і  лякаюче різноманіття стандартів ефірного міжмережевого обміну продиктував розробку стандарту, що вирішує проблему сумісності.

Стандарт 802.16 (січень 2003) рівня  МАС призначений для реалізації широкосмугових каналів останньої  милі в міських мережах (MAN). У відмінності  від 802.11 він орієнтований для з'єднання  стаціонарних, а не мобільних об'єктів. Його завданням є забезпечення мережевого рівня між локальними мережами (IEEE 802.11) і регіональними мережами (WAN), де планується застосування стандарту IEEE 802.20, що розробляється. Ці стандарти спільно із стандартом IEEE 802.15 (PAN – Personal Area Network  - Bluetooth) і 802.17 (мости рівня МАС) утворюють взаємоузгоджену ієрархію протоколів безпровідного зв'язку.

Стандарт покриває діапазон частот від 2 до 11 ГГц. Стабільність частоти  повинна лежати в межах ±10^-6. Базова станція (BS), що відповідає стандарту 802.16, розміщується в будівлі або на вежі і здійснює зв'язок із станціями клієнтів (SS – Subscriber Station) по схемі точка-мультиточка. Можливий сітковий режим зв'язку (Mesh – сітка зв'язків точка-точка), коли будь-які клієнти (SS) можуть здійснювати зв'язок між собою безпосередньо, а антенні системи, як правило, є всенаправленими. Базова станція надає з'єднання з основною мережею і радіоканали до інших станцій. Діапазон робочих відстаней може досягати 30 миль (у разі прямої видимості) при типовому радіусі мережі 4-6 миль (для режиму Mesh при висоті розміщення антени BS – 50 м), де пропускна спроможність може бути гарантованою. Передбачений також режим мультиточка-мультиточка. Клієнтська станція (SS) може бути радіо терміналом або повторювачем (типовіше) для організації локального трафіку. Трафік може проходити через декілька повторювачів, перш ніж досягне клієнта. Антени в цьому випадку є направленими з можливістю дистанційної настройки. Термінальна станція клієнта (SS) зазвичай має гостронаправлену антену. З цієї причини положення антени повинне бути жорстко фіксоване і стійко до вітру і інших потенційних джерел вібрації. Широкосмугові системи доступу до радіомережі крім BS і SS містять клієнтське термінальне обладнання (TE), обладнання основної мережі, міжвузлові канали і повторювачі (RS). Повторювачі використовуються часто тоді, коли між кінцевими точками каналу немає прямої видимості. Повторювач передає сигнал від BS до одного або декількох SS.

Канал зв'язку припускає  наявність двох практично незалежних напрямів обміну: відправник-одержувач (uplink – висхідний канал) і одержувач-відправник (downlink – низхідний канал; по аналогії з супутниковими каналами). Ці два субканали використовують різні частотні діапазони, що не перекриваються. Даний стандарт відноситься до рівня L2, хоча його взаємозв'язок з фізичним рівнем (PHY) достатньо тісний.

Схема взаємодії радіомереж у разі використання стандарту IEEE 802.16 показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Місце стандарту IEEE 802.16 в системі радіокомунікацій

 

Стандарт 802.16 може вирішувати завдання, які виникають в каналах  з асиметричним трафіком. Зараз вони часто вирішуються клієнтами і сервіс-провайдерами шляхом замовлення виділених ліній. Впровадження нового стандарту дозволить відмовитися від виділених каналів, обходячись у багатьох випадках виключно безпровідними засобами.

Просуванням стандарту 802.16 займається консорціум WIMAX (World Interoperability for Microwave Access), куди входять Fujitsu, Intel і Nokia.

Порівняльна характеристика WIMAX стандартів представлена в табл. 2.1.

 

Таблиця 2.1

Порівняльна характеристика  WIMAX стандартів

Стандарт	Використання	Пропускна здатність	Радіус дії	Частота
WiMax	802.16d	WMAN	до 75 Мбiт/с 25-80 км	1,5-11 ГГц
WiMax	802.16e	Mobile WMAN	до 40 Мбiт/с 1-5 км	2,3-13,6 ГГц
WiMax-2	802.16m	WMAN, Mobile WMAN	до 1 Гбiт/с (WMAN), до 100 Мбiт/с (Mobile WMAN)	20 ГГц
WiMax-3	802.16n	WMAN, Mobile WMAN	до 10 Гбiт/с (WMAN)	Стандарт в розробці

 

2.3. Реалізація фізичного та канального рівня

Набір протоколів, використовуваний стандартом 802.16, зображений на рис. 2.8. Загальна структура подібна іншим стандартам серії 802, але більше підрівнів. Нижній підрівень займається фізичною передачею даних. Використовується звичайна вузькосмугова радіосистема з звичайними схемами модуляції сигналу. Над фізичним рівнем знаходиться підрівень відомості (з наголосом на другий склад), що приховує від рівня передачі даних відмінності технологій.

Рівень передачі даних  складається з трьох підрівнів. Нижній з них відноситься до захисту  інформації, в яких передача Даних  здійснюється в ефірі, фізично ніяк не захищеному від прослуховування. На цьому подрівні проводиться шифрування/дешифрування даних, а також управління ключами доступу.

Рис. 2.8. Стандарт 802.16: стек протоколів

Потім слід загальна частина  підрівня МАС. Саме на цьому рівні  ієрархії розташовуються основні протоколи, зокрема, протоколи управління каналом. Тут станції контролюють всю систему. Вона дуже ефективно розподіляє черговість передачі вхідного трафіку абонентам, чималу роль відіграє і в управлінні вихідним трафіком (від абонента до базової станції). Від усіх інших стандартів 802.x МАС підрівень стандарту 802.16 відрізняється тим, що він повністю орієнтований на встановлення з'єднання. Таким чином, можна гарантувати певну якість обслуговування при наданні послуг телефонного зв'язку і при передачі мультимедіа.

Аналіз стандарту 802.16: фізичний рівень. Широкосмуговим безпроводовим мережам необхідний широкий частотний спектр, який можна знайти тільки в діапазоні від 10 до 66 ГГц. Міліметрові хвилі володіють властивістю поширюються не на всіх напрямках (як звук), а по прямих лініях (як світло). Отже, на базовій станції повинно бути встановлено багато антен, що покривають різні сектори навколишньої території, як показано на рисунку 2.9. У кожному секторі будуть свої користувачі. Сектори не залежать один від одного, чого не скажеш про стільниковий радіозв'язок, в якому сигнали поширюються відразу в усіх напрямках.

Рис. 2.9. Оперативне середовище передачі даних мереж 802.16.

Оскільки потужність сигналу  переданих міліметрових хвиль сильно зменшується зі збільшенням відстані від передавача (тобто базової  станції), то й співвідношення сигнал / шум також знижується. З цієї причини 802.16 використовує три різні  схеми модуляції в залежності від видалення абонентської станції. Якщо абонент розташований недалеко від БС, то застосовується КАМ-64 з  шістьма бітами на відлік. На середньому віддаленні використовується КАМ-16 і 4 біта/бод. Якщо абонент розташований далеко, то працює схема ФМ-4 з 2 бітами на відлік. Наприклад, при типовій смузі спектра 25 МГц КАМ-64 дає швидкість 150 Мбіт/с, КАМ-16 – 100 Мбіт / с, а ФМ-4 – 50 Мбіт/с. Таким чином чим далі знаходиться абонент від базової станції, тим нижча швидкість передачі даних. Фазові діаграми всіх трьох методів показані на рисунку 2.10.

Рис. 2.10. Фазові діаграми застосовуваних методів

Стандарт 802.16 забезпечує гнучкість  розподілу смуги пропускання. Застосовуються дві схеми модуляції: FDD (дуплексний зв'язок з частотним розділенням) і ТDD (дуплексний зв'язок з часовим розділенням). Останній метод показаний на рис. 2.11. Базова станція періодично передає кадри, розділені на часові інтервали. Перша частина часових інтервалів відводиться під вхідний трафік. Потім слід захисний інтервал (роздільник), що дозволяє станціям перемикати режими прийому і передачі, а за ним – інтервали вихідного трафіка. Число тактів,що відводяться, може динамічно змінюватися, що дозволяє підстроїти пропускну здатність під трафік кожного з напрямів.

Рис. 2.11. Дуплексний зв'язок з часовим поділом: кадри і часові інтервали

Вхідний трафік розбивається на тимчасові інтервали базовою станцією. Вона повністю контролює цей напрямок передачі. Вихідний трафік від абонентів управляється більш складним чином і залежить від необхідної якості обслуговування. Ми ще повернемося до розподілу часових інтервалів, коли будемо обговорювати підрівень МАС.

Ще однією цікавою властивістю фізичного рівня є його здатність упаковувати декілька сусідніх кадрів МАС в одну фізичну передачу. Це дає можливість підвищити ефективність розподілу спектру шляхом зменшення кількості різних преамбул та заголовків на фізичному рівні.

Для безпосереднього виправлення  помилок на фізичному рівні використовується код Хеммінга. Усі мережні технології просто покладаються на контрольні суми і виявляють помилки з їх допомогою, запитуючи повторну передачу зіпсованих фрагментів. Але при широкосмуговому безпроводовому зв'язку на великих відстанях виникає багато помилок, так що їх обробкою доводиться займатися на фізичному рівні, хоча на більш високих рівнях і застосовується метод контрольних сум. Основне завдання корекції помилок на фізичному рівні полягає в тому, щоб змусити канал виглядати краще, ніж він є насправді (точно так само компакт-диски здаються настільки надійними носіями тільки лише завдяки тому, що більше половини сумарного числа біт відводиться під виправлення помилок на фізичному рівні).

Кадри МАС завжди займають ціле число часових інтервалів фізичного  рівня. Кожен кадр розбитий на частини, перші дві з яких містять карту  розподілу інтервалів між вхідним  і вихідним трафіком. Там знаходиться інформація про те, що передається в кожному такті, а також про те, які такти вільні. Карта розподілу вхідного потоку містить також різноманітні системні параметри, які важливі для станцій, які тільки що підключилися до ефіру.

Канал вхідного трафіку складається з базової станції, яка визначає, що розмістити в кожній частині кадру. Вихідний канал має конкуруючі між собою станції, які бажають отримати доступ до нього. Його розподіл тісно пов'язаний з питанням якості обслуговування. Визначено чотири класи сервісів: з постійною бітовою швидкістю; реального часу зі змінною бітовою швидкістю; сервіс, що працює не в реальному масштабі часу, зі змінною бітовою швидкістю; сервіс із зобов'язанням надання максимальних зусиль з надання послуг.

Усі надані стандартом 802.16 Сервіси  орієнтовані на з'єднання, і кожне  з'єднання отримує доступ до одного з наведених раніше класів сервісу.