Как работает технология WiMax. WiMAX - стандарт беспроводной связи для широкополосной связи на большие расстояния

Оставьте комментарий 6,950

Рассматриваемый в статье стандарт IEEE 802.16-2004 является расширением базового стандарта IEEE 802.16, который описывает работу в диапазоне 10…66 ГГц. В стандарте IEEE 802.16-2004 предусмотрена работа в диапазоне 2…11 ГГц, а также более широкие возможности как на физическом уровне, так и на уровне управления доступом.

Введение

Под аббревиатурой WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) понимается технология операторского класса, которая основана на семействе стандартов IEEE 802.16, разработанных международным институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). В стандартах IEEE 802.16 определяются физический уровень и уровень управления доступом для систем фиксированного беспроводного широкополосного доступа масштаба города.

Основные параметры стандартов IEEE 802.16 и IEEE 802.16-2004 представлены в табл. 1 .

Таблица 1. Основные параметры стандартов IEEE 802.16 и IEEE 802.16-2004

Описание стандарта

На физическом уровне в стандарте IEEE 802.16-2004 определены три метода передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC), метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и метод множественного доступа на основе такого мультиплексирования (OFDMA).

Спецификация физического уровня WirelessMAN-OFDM является наиболее интересной с точки зрения практической реализации. Она базируется на технологии OFDM, что значительно расширяет возможности оборудования, в частности, позволяет работать на относительно высоких частотах в условиях отсутствия прямой видимости. Кроме того, в нее включена поддержка топологии «каждый с каждым» (mesh), при которой абонентские устройства могут одновременно функционировать и как базовые станции, что сильно упрощает развертывание сети и помогает преодолеть проблемы прямой видимости.

Модуляция OFDM

При формировании OFDM-сигнала цифровой поток данных делится на несколько подпотоков, и каждая поднесущая связывается со своим подпотоком данных. Амплитуда и фаза поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции. Согласно стандарту, отдельные поднесущие могут модулироваться с использованием бинарной фазовой манипуляции (BPSK), квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) или квадратурной амплитудной манипуляции (QAM) порядка 16 или 64. Варианты отображения бит на фазовую плоскость для каждого вида манипуляции представлены на рис. 1. В передатчике амплитуда как функция фазы преобразуется в функцию от времени с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). В приемнике с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) осуществляется преобразование амплитуды сигналов как функции от времени в функцию от частоты.

Рис. 1. Варианты отображения бит на фазовую плоскость

Применение преобразования Фурье позволяет разделить частотный диапазон на поднесущие, спектры которых перекрываются, но остаются ортогональными. Ортогональность поднесущих означает, что каждая из них содержит целое число колебаний на период передачи символа. Как видно из рис. 2, спектральная кривая любой из поднесущих имеет нулевое значение для «центральной» частоты смежной кривой. Именно эта особенность спектра поднесущих и обеспечивает отсутствие между ними интерференции .

Рис. 2. Ортогональные поднесущие

Одним из главных преимуществ метода OFDM является его устойчивость к эффекту многолучевого распространения. Эффект вызывается тем, что излученный сигнал, отражаясь от препятствий, приходит к приемной антенне разными путями (рис. 3), вызывая межсимвольные искажения. Этот вид помех характерен для городов с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений. Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым OFDM-символом вводится защитный интервал, называемый циклическим префиксом. Циклический префикс представляет собой фрагмент полезного сигнала, что гарантирует сохранение ортогональности поднесущих (но только в том случае, если отраженный сигнал при многолучевом распространении задержан не больше, чем на длительность циклического префикса). Кроме того, циклический префикс позволяет выбрать окно для преобразования Фурье в любом месте временного интервала символа (рис. 4) .

Рис. 3. Иллюстрация эффекта многолучевого распространения

Рис. 4. Обработка OFDM-символа при многолучевом распространении

Помехоустойчивое кодирование

Многолучевое распространение радиосигнала может приводить к ослаблению и даже полному подавлению некоторых поднесущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Для решения этой проблемы используется помехоустойчивое кодирование. В стандарте IEEE 802.16-2004 предусмотрены как традиционные технологии помехоустойчивого кодирования, так и относительно новые методы. К традиционным относится сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби и коды Рида-Соломона. К относительно новым - блочные и сверточные турбокоды. Для увеличения эффективности кодирования без снижения скорости кода применяется перемежение данных. Перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.

Гибкость

Важной особенностью физического уровня является возможность выбора ширины для полосы пропускания канала. Стандарт предусматривает выбор ширины полосы с шагом от 1,25 МГц до 20 МГц со множеством промежуточных вариантов, что позволяет более эффективно использовать радиочастотный спектр. Кроме того, в стандарт заложена адаптивная сигнально-кодовая конструкция, то есть система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени, «перекачивая» скорость в помехоустойчивость и наоборот. В соответствии со стандартом, в зависимости от отношения сигнал/шум (S/N) система выбирает метод модуляции, при котором может быть обеспечена устойчивая работа (рис. 5) .

Рис. 5. Предпочтительный метод модуляции в зависимости от отношения сигнал/шум

Дополнительными инструментами физического уровня для повышения эффективности использования радиоспектра служат измерение качества канала и автоматическое управление мощностью сигнала.

Метод доступа

В стандарте IEEE 802.16-2004 используется технология множественного доступа с разделением по времени (TDMA), согласно которой базовая станция выделяет абонентским станциям временные интервалы, чтобы они могли передавать данные в определенной очередности, а не случайным образом.

Для реализации дуплексного режима обмена данными используются две технологии: дуплексный режим с разделением по времени (TDD) нисходящего и восходящего потоков и дуплексный режим с разделением по частотам (FDD).

Защита информации

В соответствии со стандартом, для предотвращения несанкционированного доступа и защиты пользовательских данных осуществляется шифрование всего передаваемого по сети трафика. Базовая станция (БС) WiMAX представляет собой модульный конструктив, в который при необходимости можно установить несколько модулей со своими типами интерфейсов, но при этом должно поддерживаться административное программное обеспечение для управления сетью. Данное программное обеспечение обеспечивает централизованное управление всей сетью. Логическое добавление в существующую сеть абонентских комплектов осуществляется также через эту административную функцию.

Абонентская станция (АС) представляет собой устройство, имеющее уникальный серийный номер, МАС-адрес, а также цифровую подпись Х. 509, на основании которой происходит аутентификация АС на БС. При этом, согласно стандарту, срок действительности цифровой подписи АС составляет 10 лет. После установки АС у клиента и подачи питания АС авторизуется на базовой станции, используя определенную частоту радиосигнала, после чего базовая станция, основываясь на перечисленных выше идентификационных данных, передает абоненту конфигурационный файл по TFTP-протоколу. В этом конфигурационном файле находится информация о поддиапазоне передачи (приема) данных, типе трафика и доступной полосе, расписание рассылки ключей для шифрования трафика и прочая необходимая для работы АС информация. Необходимый файл с конфигурационными данными создается автоматически, после занесения администратором системы АС в базу абонентов, с назначением последнему определенных параметров доступа.

После процедуры конфигурирования аутентификация АС на базовой станции происходит следующим образом:

Абонентская станция посылает запрос на авторизацию, в котором содержится сертификат Х.509, описание поддерживаемых методов шифрования и дополнительная информация.
Базовая станция в ответ на запрос на авторизацию (в случае достоверности запроса) присылает ответ, в котором содержится ключ на аутентификацию, зашифрованный открытым ключом абонента, 4-битный ключ для определения последовательности, необходимый для определения следующего ключа на авторизацию, а также время жизни ключа.
В процессе работы АС через промежуток времени, определяемый администратором системы, происходит повторная авторизация и аутентификация, и в случае успешного прохождения аутентификации и авторизации поток данных не прерывается.

В стандарте используется протокол PKM (Privacy Key Management), в соответствии с которым определено несколько видов ключей для шифрования передаваемой информации:

Authorization Key (АК) - ключ, используемый для авторизации АК на базовой станции;
Traffi c Encryption Key (ТЕК) - ключ, используемый для криптозащиты трафика;
Key Encryption Key (КЕК) - ключ, используемый для криптозащиты передаваемых в эфире ключей.
Согласно стандарту, в каждый момент времени используются два ключа одновременно, с перекрывающимися временами жизни. Данная мера необходима в среде с потерями пакетов (а в эфире они неизбежны) и обеспечивает бесперебойность работы сети. Имеется большое количество динамически меняющихся ключей, достаточно длинных, при этом установление безопасных соединений происходит с помощью цифровой подписи. Согласно стандарту, криптозащита выполняется в соответствии с алгоритмом 3-DES, при этом отключить шифрование нельзя. Опционально предусмотрено шифрование по более надежному алгоритму AES .

Разработка оборудования WiMAX на базе «систем на кристалле»

Современные тенденции развития телекоммуникационного рынка диктуют разработку так называемых «систем на кристалле». Под устройствами класса «система на кристалле» в общем случае понимаются устройства, на едином кристалле которых интегрированы один или несколько процессоров, некоторый объем памяти, ряд периферийных устройств и интерфейсов, - то есть максимум того, что необходимо для решения поставленных перед системой задач. Разработка «систем на кристалле» предполагает оптимизацию разрабатываемой схемотехники, что непосредственно сказывается на потребляемой мощности, площади кристалла и, как следствие, стоимости.

На текущий момент ведущие мировые производители сосредоточились на разработке «систем на кристалле», в которых интегрированы основные функции физического и MAC уровней стандарта WiMAX. Первые образцы, разработанные на основе спецификации IEEE 802.16-2004, представили компании Fijitsu, Intel, Sequans Communications, Wavesat и PicoChip. В предлагаемых этими компаниями решениях на физическом уровне используется модуляция OFDM с 256 поднесущими и основная схема кодирования, в которой для внутреннего кода применяется сверточное кодирование и декодирование по алгоритму Витерби, а для внешнего - коды Рида-Соломона.

Функционально оборудование WiMAX разделяется на базовое и абонентское. Первое поколение чипов для базовых станций обладает меньшим уровнем интеграции, чем для абонентских станций. Для реализации MAC-протокола базовой станции требуется увеличение производительности этих решений. Для этой цели используются внешние процессоры, служащие для выполнения верхнего уровня MAC-протокола. Таким образом, чипсеты WiMAX реализуют функции физического уровня и функции нижнего уровня MAC-протокола.

Абонентское оборудование

Для разработчиков абонентского оборудования WiMAX наиболее перспективными являются «системы на кристалле» от четырех производителей: Fujitsu, Intel, Sequans и Wavesat.

Компания Intel первой предложила разработчикам «систему на кристалле» PRO/Wireless 5116 для абонентских станций WiMAX, в которой были интегрированы функции как физического, так и MAC уровней. Чип MB87M3400 компании Fujitsu предназначен для более широкого диапазона приложений и позволяет разрабатывать как базовое, так и абонентское оборудование. Компания Sequans разработала отдельные чипы SQN1010 и SQN2010 - для базового и абонентского оборудования соответственно.

«Системы на кристалле» от Fujitsu, Intel и Sequans полностью реализуют функции MAC-протокола для абонентских станций WiMAX. Другой подход к разработке предложила компания Wavesat, выпустив две микросхемы: OFDM-модем DM256 (реализует функции физического уровня) и MC336 (представляет собой вычислительное ядро, реализующее нижний уровень MAC-протокола). Для разработки абонентского модема на базе «системы на кристалле» от Fujitsu, Intel и Sequans не требуется дополнительного внешнего процессора.

Характеристики рассматриваемых чипов, определяемые типом дуплекса, шириной канала и другими параметрами, сильно отличаются. Для организации полнодуплексной работы на базе решения Fujitsu MB87M3400 требуется использование двух чипов. Микросхема Sequans SQN1010 является первой «системой на кристалле», которая поддерживает полнодуплексный режим работы. Решение компании Wavesat DM256/MC336 также позволяет организовывать полнодуплексный режим работы на основе одной микросхемы OFDM-модема DM256.

Микросхемы компаний Fujitsu и Sequans позволяют организовывать каналы шириной до 20 и 28 МГц соответственно, тогда как максимальная ширина канала для чипов Intel и Wavesat составляет 10 МГц с промежуточными значениями 3,5 и 7 МГц.

Радиоинтерфейс рассмотренных «систем на кристалле» содержит блоки АЦП/ЦАП для прямого аналогового соединения с внешним приемопередатчиком. В табл. 2 представлены основные параметры решений для разработки абонентского оборудования WiMAX .

Таблица 2. Основные параметры решений для разработки абонентского оборудования WiMAX

Базовые станции

Рассмотрим варианты разработки базовых станций WiMAX на основе известных чипов. Компания Fujitsu разработала чип MB87M3400 как для базовых, так и для абонентских станций. Однако, в отличие от решения Intel, чип Fujitsu имеет интерфейс для внешнего процессора. Для реализации полнодуплексного режима требуется использовать два чипа, один из которых выполняет функции физического уровня и нижнего уровня MAC-протокола, а второй представляет собой внешний процессор (сторонней фирмы) для реализации верхнего уровня MAC-протокола. Для разработки базовых станций компания Fujitsu предоставляет отладочный комплект, реализующий полнодуплексный режим работы, с процессором Freescale MPC8560, но не поставляет программное обеспечение, обеспечивающее функции верхнего уровня MAC-протокола.

Компания PicoChip предлагает решение PC102/PC8520, построенное на двух своих параллельных процессорах PC102. Компания предоставляет программное обеспечение, реализующее физический уровень и функции нижнего уровня MAC-протокола на чипах PC102. Так же как и Fujitsu, компания PicoChip использует процессор Freescale MPC8565 для реализации верхнего уровня MAC-протокола в своем отладочном комплекте. Однако в отличие от Fujitsu, PicoChip лицензировала свое программное обеспечение для верхнего уровня MAC-протокола. Так как в решение PC102/PC8520 не заложены функции шифрования-дешифрования, для их выполнения должен быть использован внешний процессор.

Чип для разработки базовых станций SQN2010 компании Sequans является первой «системой на кристалле», имеющей полнодуплексный режим. SQN2010 реализует все функции физического и MAC уровней, необходимые для полнодуплексной работы базовой станции. Чип SQN2010 отличается от SQN1010 наличием второго центрального процессора, реализующего верхний уровень MAC-протокола. На чипе SQN1010 предусмотрен интерфейс PCI для обеспечения возможности подключения внешнего процессора.

Решение DM256/MC336 компании Wavesat может быть использовано и для разработки базовых станций. Это решение поддерживает полнодуплексный режим работы, но следует отметить, что для реализации функций шифрования-дешифрования оно требует подключения внешнего процессора. Так же как и Fujitsu, Wavesat не предоставляет программное обеспечение для верхнего уровня MAC-протокола, необходимое для разработки базовых станций.

Из четырех описанных решений только чипы PicoChip PC102 не интегрируют в себе функций АЦП/ЦАП. Поэтому для разработок, в которых используется аналоговый радиоинтерфейс, дополнительно потребуются устройства АЦП/ЦАП. Основные параметры рассмотренных решений для разработки базовых станций представлены в табл. 3 .

Таблица 3. Основные параметры рассмотренных решений для разработки базовых станций WiMAX

Выбор производителя чипов для разработки систем WiMAX является важным стратегическим решением. Для быстрой и эффективной разработки системы требуется максимально полная программная и аппаратная поддержка и средства для разработки и отладки. Наличие отладочных комплектов позволяет значительно увеличить скорость и уменьшить стоимость разработки оборудования WiMAX, что является одним из главных критериев при выборе того или иного продукта.

Развертывание систем WiMAX

Построение сети фиксированного беспроводного доступа предполагает использование трех типов оборудования - базовых станций, абонентских станций и оборудования для организации связи между базовыми станциями. В сетях доступа на базе WiMAX найдут применение как узконаправленные антенны, так и антенны с более широким сектором охвата, вплоть до всенаправленных.

Топология сети

Для соединения «точка–точка» (рис. 6а) используются две направленные друг на друга антенны; так строятся, например, радиорелейные линии передач, в которых расстояние между соседними релейными вышками может исчисляться десятками километров. При топологии «точка–многоточка» (рис. 6б) в центре «ячейки» помещается базовая станция со всенаправленной или секторной антенной, а все обслуживаемые ей абоненты снабжаются сфокусированными на нее направленными антеннами.

Рис. 6. Возможные топологии сети WiMAX

Другой тип связи получится при использовании только всенаправленных антенн. В этом случае будет достигнута возможность соединения «каждого с каждым», или «многоточка–многоточка» (mesh) (рис. 6в).

Базовая станция WiMAX представляет собой модульное решение, которое может по мере необходимости дополняться различными блоками, например, модулями для связи с магистральной сетью провайдера. В минимальной конфигурации устанавливается модуль радиоинтерфейса и модуль соединения с проводной сетью.

Диапазон частот

При выборе оборудования WiMAX кроме его технических характеристик и цены важное и зачастую определяющее значение представляет такой фактор, как специфические для России трудности оформления частотных разрешений. Дело в том, что в России практически не существует «безлицензионных» диапазонов. Для разных типов оборудования предусмотрен различный порядок получения частотных разрешений. Для работы в любых диапазонах операторы связи должны получить достаточно сложные и многоуровневые разрешения как частотных служб, так и служб надзора за связью .

Очевидно, что в нашей стране главным фактором, влияющим на скорость внедрения систем WiMAX, являются вопросы регулирования спектра, так как развитие рынка услуг WiMAX напрямую зависит от выделения операторам необходимого частотного ресурса. Сегодня наиболее перспективными с точки зрения будущего развития технологии WiMAX являются диапазоны в районе 2,4, 3,5 и 5,6 ГГц.

Следует учитывать, что распространение радиоволн в различных участках спектра имеет свои особенности, которые во многом определяют дальность действия оборудования, а также устойчивость к многолучевости.

Общие подходы к выбору системы WiMAX

Перед тем, как приступить к рассмотрению доступных систем WiMAX, необходимо проработать следующие системные вопросы :

Выбор диапазона частот.
Определение величины необходимого частотного ресурса.
Разработка процедур выделения и присвоения радиочастот.
Проработка вопросов законодательства.
Прежде чем переходить к рассмотрению конкретных систем, целесообразно рассмотреть общие вопросы выбора систем, что поможет на предварительном этапе анализа отбросить явно неприемлемые варианты. Сформулируем критерии, которыми следует руководствоваться при выборе оборудования фиксированного беспроводного доступа WiMAX :
Оборудование должно производиться специализированной компанией, имеющий опыт разработки и производства беспроводного оборудования, что является некоторой гарантией качества.
Технические характеристики оборудования, предоставляемые производителем, должны быть достаточно полными, для того чтобы по ним можно было сделать вывод о его возможностях. Представление таких характеристик говорит о профессионализме сотрудников и в определенной мере гарантирует, что речь идет об оригинальном продукте, а не о перепродаже малоизвестного бренда под торговой маркой продавца.
Желательно, чтобы базовая станция имела возможность секторирования и поэтапного наращивания производительности, для чего она должна иметь возможность подключения внешней антенны. Тогда на первом этапе достаточно одной базовой станции с всенаправленной антенной, на следующем - двух, с антеннами с шириной диаграммы 180°, и так далее.
Оборудование должно быть сертифицировано.
Должна быть возможность получения разрешения на использование частот в диапазонах, используемых оборудованием.
Система должна обладать приемлемой стоимостью, причем в первую очередь важна минимальная стоимость абонентского оборудования.

Заключение

Очевидно, что сегодня WiMAX является одной из самых передовых и перспективных технологий беспроводной передачи данных. При объединении усилий производителей оборудования и операторов связи WiMAX может стать реальной заменой DSL и кабельных соединений, предоставив абонентам необходимый сервис в крупных городах и на периферии.

Литература

www.wimaxforum.org
Wide-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (W-OFDM), www.wi-lan.com
Марченко С. Источники уязвимостей в сетях беспроводной связи // АДЭ. 2004. № 13.
IEEE Std 802.16™-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, www. ieee. org.
Власов В. А. Частотное регулирование и обеспечение информационной безопасности для оборудования Wi-Fi и WiMAX, //«Вестник связи». 2005. № 9.
Bob Wheeler. How to choose the best SoC for your WiMAX design // Wireless Net DesignLine. Oct 17, 2005.
Писарев Ю. Выбор системы фиксированного беспроводного доступа: попытка системного подхода // «Информационные телекоммуникационные сети» (Казахстан). 2003. № 4.

Технология WiMax изначально задумывалась как альтернативное беспроводное широкополосное соединение, которое придет на замену выделенным линиям. Вначале такое соединение использовало для неподвижных терминалов и стационарных персональных компьютеров, но сейчас некоторые мобильные операторы строят свои сети на основе WiMax-технологии.

Маркетологи компании Intel утверждают, что уже в ближайшем будущем более миллиарда пользователей по всей планете будут подключены к интернету именно по технологии WiMax по стандарту IEEE 802.16. Но что же такое технология?

1. Что такое WiMax

Свое название технология получила благодаря WiMax Forum. Это некоммерческая организация, которая была основана в 2001 года с единой целью – продвижение и развитие новой технологии беспроводной широкополосной связи по стандарту Wirelwss в частотном спектре 10-66 ГГц.

В основе технологии WiMax (World wide Interoperability for Microwave Access) лежит протокол IEEE 802.16, который и обеспечивает широкополосную связь – одновременную высокоскоростную передачу данных и доступ в интернет. Сразу стоит отметить, что WiMax не относится к четвертому поколению связи. И хотя в рекламах часто можно встретить название сети WiMax 4G, но это всего лишь маркетинговый ход.

Помимо доступа к интернету WiMax предоставляет возможность голосовой связи между абонентами. Главная отличительная черта этой технологии заключается в том, что она рассчитана для работы в городских условиях при плотной застройке. При этом для связи нет необходимости прямой видимости базовой станции. Именно по этой причине многие мобильные операторы строят современные сети по технологии WiMax. Это позволяет им расширить спектр предоставляемых услуг и улучшить качество связи.

1.1. Поддержка WiMax

Учитывая тот факт, что технология WiMax считается относительно новой и только внедряется в действующие сети стоит понимать, что не все мобильные устройства способны работать в данной сети. Конечно, учитывая рост количества потребителей и активное внедрение и развитие технологии, многие компании уже сегодня выпускают абонентские устройства, поддерживающие технологию WiMax.

Кроме мобильных телефонов, планшетов и ноутбуков, которые могут иметь встроенный модем WiMax, производители также выпускают мобильные роутеры, которые подключаются к данной сети и раздают интернет всем окружающим по Wi-Fi-технологии. Таким образом, при помощи такого роутера вы сможете открыть доступ к интернету любым устройствам, которые оснащены модулем Wi-Fi. А такой модуль имеется в любом современном устройстве.

Стоит отметить, что на этих же частотах строятся и сети LTE, которые также активно развиваются и внедряются. Это означает, что устройства, поддерживающие эти частоты, смогут работать как в сетях WiMax, так и в зоне покрытия LTE. Кроме этого такие сети поддерживают технологию «бесшовного» перехода между базовыми станциями. Другим словами связь не обрывается когда абонент выходит из зоны покрытия одной станции и попадает под радиус действия другой. Этот же принцип действует и при переходе между WiMax и 3G сетями, а также LTE. При этом современные устройства, как правило, способны одновременно работать в сетях 3G, 2G и WiMax, а некоторые даже поддерживают LTE. Более того, такие сети поддерживают роуминг.

1.2. WiMax в России

В России независимый национальный оператор связи Synterra начал подключение первых абонентов с 2005 года. Сеть строиться на стандарте IEEE 802.16. В основе данной сети лежат мультиплексоры израильского производства от компании EIC Telecom. Их пропускная способность составляет 2,4 Гбит/с, 633 Мбит/с и 155 Мбит/с. При этом для работы сети используется оборудование американской компании Next Net Wireless Inc. Данная компания является участником консорциума WiMax Forume, а в 2006 году она вошла в состав Motorola.

1.2.1. Частоты WiMax

В России заключаются в диапазоне от 2,5 ГГц, до 2,7 ГГц. При этом скорость доступа в интернет составляет от 64 Кбит/с до 1,3 Мбит/с. На сегодняшний день Компания Synterra покрывает около 90% территории Москвы. Кроме этого данная компания получила лицензию на строительство сетей WiMax в 17 городах Российской Федерации.

1.2.2. Покрытие WiMax

Одна из причин, по которой WiMax является отличным вариантом для построения городских сетей в мегаполисах с плотным населением и застройкой, заключается в том, что дальность действия WiMax (одной вышки) может достигать 50 км. При этом каждая вышка способна работать одновременно с большим количеством пользователей. Каждое подключение имеет одинаковый приоритет. Другими словами каждый пользователь получает одинаковую скорость подключения и передачи данных.

Помимо независимой компании сотовой связи Synterra существуют и другие телефонные компании, которые строят сети на стандарте WiMax. Конечно, учитывая относительную новизну технологии, и тот факт, что на данный момент она только начинает распространяться по территории страны, стоит понимать, что далеко не в каждом городе существует такая связь. Однако уже в скором будущем такие сети будут доступны по всей территории РФ.

2. WiMax уже в Москве: Видео

2.1. Преимущества WiMax

Конечно же, первое, что хочется отметить, - это более высокую скорость передачи данных и стабильность сети WiMax. Однако помимо этого, данная технология обеспечивает высокий уровень безопасности. В устройства мобильной связи встраиваются специальные чипы ASIC, которые предотвращают какие-либо попытки нарушения конфиденциальности. Кроме этого они обеспечивают целостность данных, а также абсолютно исключают отказ в обслуживании.

Технология WiMax позволяет предприятиям, имеющим множество филиалов, строить свои частные беспроводные сети. К примеру, один комплект оборудования предоставляет до 8 телефонных номеров, которые имеют выход в городские сети телефонной связи, а также высокоскоростной доступ к интернету.

В настоящее время в России наиболее целесообразно строить и использовать сети WiMax в пределах больших городов. Это объясняется особенностями технологии, а также высокими ценами на предоставляемые услуги. Однако в будущем такие сети станут экономически выгодными благодаря росту количества абонентов. Это означает, что создание сети WiMax в крупных масштабах (в масштабах страны и даже более) – это всего лишь вопрос времени.

На сегодняшний день технология беспроводной связи «WiMAX» является наиболее передовой из всех существующих. Появившись в далеком 2003 году, она была направлена на удовлетворение рынка широковещательных устройств.

По всему миру большое количество операторов начали создавать сети беспроводной связи. Такие сети существуют сейчас в США, Японии, Корее, России и многих других. Если принять во внимание слова ведущих аналитиков в сфере коммуникаций, то в «WiMAX» в скором времени общее количество пользователей сети составит больше 100 миллионов человек.

На сегодняшний день можно смело сказать, что у «WiMAX» нет альтернативной технологии, что и делает ее передовым продуктом. В этой статье мы подробно рассмотрим особенности данной технологии, ее преимущества и недостатки.

Что это такое?

«WiMAX» («Международное взаимодействие для микроволнового доступа») – технология, разработанная в 2003 году, целью которой является предоставление беспроводной связи для рабочих станций, стационарных компьютеров, портативных компьютеров и мобильных устройств. Базируется на стандарте связи «IEEE 802.16».

Какие задачи решает «WiMAX»:

обеспечение широкополосной связи, взамен выделенным линиям и «DSL/ADSL»;
обеспечение системами удаленного мониторинга;
создание точек удаленного доступа, которые не имеют привязки к географическому местоположению;
обеспечение точек доступа «Wi-Fi» и соединение их друг с другом, а также других зон интернет сети.

Также хочется кратко рассказать о основных этапах разработки данной технологии:

Область и целесообразность применения

На сегодняшний день перед разработчиками всего мира остро стоит проблема «последней мили» (канала, который соединяет конечное оборудование пользователя с узлом доступа провайдера). К счастью, сейчас появилось много разновидностей технологии «последней мили», благодаря чему каждый провайдер может решить задачу выбора этой технологии.

На сегодняшний день проблема последней мили не имеет четкого и универсального решения. Абсолютно у каждой существующей технологии есть своя область применения, плюсы и минусы.

На выбор определенной технологи и могут влиять большое количество факторов и вот основные из них:

способ достижения намеченных целей, эффективное использование ресурсов, целевая аудитория,
выделение инвестиций, которые впоследствии пойдут на развитии сети;
наличие и работоспособность имеющийся сетевой инфраструктуры, а также определенные ресурсы, которые будут направлены на поддержку технической эксплуатаций сети.

Каждый из вышеперечисленный факторов играет особую роль в выборе технологического решения.

Также хочется отметить, сравнивая Wi-Fi и WiMAX, что последний позволяет пользователям осуществлять выход в интернет на достаточно высокой скорости. Покрытие территории сетей WiMAX значительно больше, чем у Wi-Fi.

видео: WiMax технология

Варианты технологии

Все семейство технологии WiMAX обладает достаточно широким спектром достоинств, которые имеют определенные различия друг от друга. Разработчики технологии WiMAX пытались найти наиболее целесообразный вариант, предназначенный для мобильного и фиксированного использования.

Однако стоит отметить тот факт, что совмещение требований в рамках одного стандарта по-прежнему не решенная задача. Стандартные требования имеют полную схожесть между собой, но при этом каждая технология имеет определенную нацеленность на различные сферы рынка. Поэтому это стало толчком к тому, чтобы создать две обособленные версии стандарта.

Фото: технология стандарта IEEE 802.16 e и d

Каждая спецификация WiMAX имеет свои технические характеристики: мощности излучения, частоты, доступ и передача, повторное использование радиочастот. И именно из-за данных особенностей системы-WiMAX, находящихся на базе стандарта IEEE 802.16 e и d, практически не имеют совместимости.

802.16-2004 — была утверждена в 2004 году. При работе используется частотное мультиплексирование. Ко всему прочему имеется поддержка так называемого фиксированного доступа в тех зонах, где отсутствует и присутствует прямая видимость. В большинстве случаев используются частоты 3,5 и 5 ГГц.
802.16-2005 — была утверждена в 2005 году. Новая версия является большим шагом в эволюции фиксированного доступа. Новая версия получила поддержку мобильных абонетов, а ее отличительной чертой является поддержка ряда особых функций, таких как: «Idle mode», «Handover».

Отличительными чертами между двумя спецификациями является то, что за счет фиксированного WiMAX (802.16-2004) работают исключительно статичные абоненты, а при работе 802.16-2005 (мобильного WiMAX) работают абоненты, которые передвигаются со скоростью до 110 километров в час.

Также хочется отметить то, что за счет мобильности обеспечиваются все функции роуминга и так называемое «бесшовное подключение» между основными рабочими станциями в то время, когда абонент находится в движении. Также существуют исключительные случаи, когда 802.16-2005 может достаточно хорошо использоваться при обслуживании статичных абонентов.

Также хочется отметить то, что большинство компаний отдают свое предпочтение именно WiMAX, предоставляя услуги высокоскоростной связи.

И на это есть свои причины:

в первую очередь 802.16 эффективен с экономической точки зрения при предоставлении своим клиентам доступа в сеть, а также расширении услуг и охватывании новых территорий;
во-вторых – это простота в использования в отличии от проводных каналов. WiMAX и Wi-Fi достаточно просты в использовании, развертывании и, конечно же, масштабировании. Довольно удобный способ при создании достаточно крупной сети в кротчайшие сроки.

WiMAX абонентское оборудование

В настоящее время оборудование для использования сетей WiMAX можно устанавливать в помещениях (такие устройства обычно не превышают своими размерами традиционные DSL модемы), так и на улицах (устройства размером с ноутбук).

Устройства для работы внутри помещений более удобны в использовании, но могут работать только на небольших расстояниях от базовой станции.

Из-за этого оборудование, которое устанавливается внутри помещений, нуждается в более крупных инвестициях, так как для обеспечения качественной работы потребуется большое количество точек доступа.

Принцип работы и понятия

WiMAX состоит из следующих элементов: станции (базовые и клиентские), оборудование, которое является связующим между станциями, интернет-сеть. Для соединение базовой станции и клиентской используются частоты от 2 до 11 ГГц.

Между базовыми станциями, как правило, устанавливается прямая видимость и при этом используется рабочий диапазон частот от 10 до 66 ГГц. Прямая видимость между рабочими станциями и диапазон частот позволяют добиться скорости обмена данными до 120 Мбит/сек. Но при этом необходимо одну из рабочих станций подключить к сети провайдера используя стандартный метод проводного соединения.

Стандарты IEEE 802.16 имеет структуру GSM сети. Дальность действия базовых станций в несколько километров и возведение каких-либо дополнительных вышек, усиливающих сигнал, совершенно не требуется.

Режимы

В стандарт wimax 802.16e-2005 входят все версии, которые выходили ранее:

MAC / канальный уровень

В сетях 802.16 MAC применят так называемый алгоритм планирования. Принцип действия данного алгоритма основывается на следующем: абсолютная любая клиентская станция может подключиться к точке доступа и после подключения для нее автоматически будет созданный отдельный слот непосредственно на точке доступа. Ко всему прочему остальные пользователи не могут оказывать влияние на это и таким образом это исключает обрыв связи.

WiMAX Архитектура

На WiMAX Forum была создана спецификация архитектуры, благодаря которой является возможный определить огромное количество нюансов работы. В это число входит распределение сетевых адресов, взаимодействие с другими сетями, аутентификация.

Хочется отметить, что архитектура сетей не имеет строгой привязки к той или иной отдельной конфигурации, поэтому обеспечивается довольно высокая гибкость и масштабируемость.

Преимущества и недостатки

К преимуществам относится:

К недостаткам относитс я:

дефицит устройств частот;
неподготовленность законодательной базы;
сложности при внедрении новой технологии, из-за чего на данный момент отсутствует возможность обеспечения качественной связи по низкой стоимости.

В данной статье мы подробно рассмотрели WiMAX. Можно с уверенностью сказать, что на данный момент WiMAX является передовой технологией беспроводной связи. На сегодняшний день она приобрела довольно широкую популярность в современном мире.

Что это такое?

Какие задачи решает «WiMAX»:

обеспечение широкополосной связи, взамен выделенным линиям и «DSL/ADSL»;
обеспечение системами удаленного мониторинга;
создание точек удаленного доступа, которые не имеют привязки к географическому местоположению;
обеспечение точек доступа «Wi-Fi» и соединение их друг с другом, а также других зон интернет сети.

Также хочется кратко рассказать о основных этапах разработки данной технологии:

Область и целесообразность применения

На выбор определенной технологи и могут влиять большое количество факторов и вот основные из них:

способ достижения намеченных целей, эффективное использование ресурсов, целевая аудитория,
выделение инвестиций, которые впоследствии пойдут на развитии сети;
наличие и работоспособность имеющийся сетевой инфраструктуры, а также определенные ресурсы, которые будут направлены на поддержку технической эксплуатаций сети.

Каждый из вышеперечисленный факторов играет особую роль в выборе технологического решения.

видео: WiMax технология

Варианты технологии

802.16-2004 - была утверждена в 2004 году. При работе используется частотное мультиплексирование. Ко всему прочему имеется поддержка так называемого фиксированного доступа в тех зонах, где отсутствует и присутствует прямая видимость. В большинстве случаев используются частоты 3,5 и 5 ГГц.
802.16-2005 - была утверждена в 2005 году. Новая версия является большим шагом в эволюции фиксированного доступа. Новая версия получила поддержку мобильных абонетов, а ее отличительной чертой является поддержка ряда особых функций, таких как: «Idle mode», «Handover».

И на это есть свои причины:

в первую очередь 802.16 эффективен с экономической точки зрения при предоставлении своим клиентам доступа в сеть, а также расширении услуг и охватывании новых территорий;
во-вторых – это простота в использования в отличии от проводных каналов. WiMAX и Wi-Fi достаточно просты в использовании, развертывании и, конечно же, масштабировании. Довольно удобный способ при создании достаточно крупной сети в кротчайшие сроки.

WiMAX абонентское оборудование

Устройства для работы внутри помещений более удобны в использовании, но могут работать только на небольших расстояниях от базовой станции.

Принцип работы и понятия

Режимы

В стандарт wimax 802.16e-2005 входят все версии, которые выходили ранее:

MAC / канальный уровень

WiMAX Архитектура

Преимущества и недостатки

К преимуществам относится:

К недостаткам относитс я:

дефицит устройств частот;
неподготовленность законодательной базы;
сложности при внедрении новой технологии, из-за чего на данный момент отсутствует возможность обеспечения качественной связи по низкой стоимости.

Система WiMAX состоит из двух основных частей.

Базовая станция WiMAX , может размещаться на высотном объекте: здании или вышке.

Приёмник WiMAX : антенна с приёмником, в форм-факторе карты PC Card, карты расширения ПК или внешней карты.

Соединение между базовой станцией и клиентским приёмником производится в диапазоне 2-11 ГГц. Данное соединение позволяет передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с и не требует наличия прямой видимости между станцией и пользователем. Технология WiMAX применяется как на “последней миле”, так и для предоставления доступа региональным сетям: офисным, районным. Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использованием режима СВЧ (сверхвысокие частоты 10-66 ГГц) радиосвязи прямой видимости (line-of-sight). Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 120 Мбит/с. Ограничение по условию прямой видимости не является плюсом, однако оно накладывается только на базовые станции, участвующие в цельном покрытии района, что вполне возможно реализовать при размещении оборудования.

Рис. 2.1 - Организация сети связи по технологии WiMax.

Как минимум, одна из базовых станций может быть постоянно связана с сетью провайдера через широкополосное скоростное соединение. Фактически, чем больше станций имеют доступ к сети провайдера, тем выше скорость и надёжность передачи данных. Однако даже при небольшом количестве точек система способна корректно распределить нагрузку за счёт сотовой топологии.

На базе сотового принципа разрабатываются также построения оптимальной сети, огибающей крупные объекты (многоэтажную городскую застройку, горные массивы), когда серия последовательных станций передаёт данные по эстафетному принципу.

Рис. 2.2 - Схема организации районированной сети по технологии WiMAX.

По структуре сети стандарта IEEE 802.16 очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь тоже имеются базовые станции, которые действуют в радиусе до 50 км, при этом их также не обязательно устанавливать на вышках - для них вполне подходят крыши домов, требуется лишь соблюдение условия прямой видимости между станциями. Для соединения базовой станции с пользователем необходимо наличие абонентского оборудования. Далее сигнал может поступать по стандартному Ethernet-кабелю, как непосредственно на конкретный компьютер, так и на точку доступа стандарта 802.11 Wi-Fi или в локальную проводную сеть стандарта Ethernet.

2.3. Режимы работы WiMax.

Стандарт 802.16e-2005 вобрал в себя все ранее выходившие версии и на данный момент предоставляет следующие режимы.

Fixed WiMAX - фиксированный доступ;

Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;

Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;

Mobile WiMAX - мобильный доступ.

Fixed WiMAX . Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям (xDSL, T1, т.п.). Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала. С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с. Фиксированный режим включался в версию стандарта 802.16d-2004 и уже используется в ряде стран. Однако большинство компаний, предлагающих услуги Fixed WiMAX , ожидают скорого перехода на портативный и в дальнейшем мобильныйWiMAX .

Рис 2.3. – Организация сети в режиме Fixed WiMAX.

Nomadic WiMAX . Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX . Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других базовых станций WiMAX , нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет уменьшить расход энергии клиентского устройства, что немаловажно для портативных устройств.

Portable WiMAX . Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т.д.). Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК. В 2006 году начат выпуск устройств, работающих в портативном режиме WiMAX .

Mobile WiMAX был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч.

Рис 2.4. – Организация сети в режиме Mobil WiMAX.

Используемая в этом режиме технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования. А Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO) позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами.