Широкополосная беспроводная связь уже давно
рассматривается в качестве реальной
альтернативы традиционным способам
высокоскоростного абонентского доступа, в том
числе и новым "проводным" технологиям, таким
как DSL и кабельные модемы. Местные и
многоканальные многоточечные распределительные
системы LMDS и MMDS (которые называют также
"сотовым телевидением" и "беспроводным
КТВ"), первоначально предначавшиеся для
трансляции телепрограмм в районах, не имеющих
кабельной инфраструктуры, в последнее время все
чаще используются для организации
широкополосной беспроводной передачи данных на
"последней миле". Радиус действия
передатчиков MMDS, работающих в диапазоне 2,1 - 2,7
ГГц, может достигать 40-50 км, в то время как
максимальная дальность передачи сигнала в
системах LMDS, использующих значительно более
высокие частоты в области 27 - 31 ГГц, составляет 2,5-3
км.
Массовому распространению этих систем до сих пор
мешает отсутствие индустриальных стандартов и,
как следствие, несовместимость продуктов разных
производителей. Стандарты важны для
беспроводной промышленности, потому что они
позволяют производить элементную базу в больщих
объемах, что приводит к снижению стоимости
конечеого оборудования, гарантировать
совместимость (бесконфликтность устройств), и,тем
самым, уменьшать инвестиционный риск для
операторов. Без стандартов производители должны
бы были делать все от "а до я", вплоть до
ПО, что, естественно, сильно увеличило бы цену
конечного продукта
В начале 2000 г. для изучения различных решений и
выработки единых правил построения систем
широкополосной беспроводной связи в IEEE был
создан рабочий комитет 802.16. Первоначально он
сосредоточился на вопросах стандартизации
систем LMDS диапазона 28 - 30 ГГц, однако вскоре
полномочия комитета были распространены на
область частот от 2 до 66 ГГц и в его составе
образовано несколько рабочих групп.
Группа 802.16.1 разрабатывает спецификации
радиоинтерфейса для систем, использующих
диапазон 10 - 66 ГГц.
Рабочая группа 802.16.2 занимается вопросами
"сосуществования" сетей фиксированного
широкополосного доступа в нелицензируемых
диапазонах 5 - 6 ГГц (в частности, с беспроводными
ЛС на базе стандарта 802.11а).
Наконец, группа 802.11.3 готовит спецификации
радиоинтерфейса для лицензируемых систем
диапазона 2 - 11 ГГц. Главной целью создания этой
группы стало содействие ускоренному
развертыванию систем MMDS путем предоставления
производителям возможности создавать
совместимые продукты на основе единого
стандарта.
Стандарты разрабатываются на базе единой
эталонной модели, объединяющей интерфейсы трех
типов в тракте связи между абонентскими
устройствами или сетями (например, ЛС или
учрежденческими АТС) и транспортной сетью (ТфОП
или Internet).
Первый радиоинтерфейс определяет
взаимодействие абонентского приемо-передающего
узла с базовой станцией,
второй включает в себя два компонента,
охватывающие обмен сигналами между радиоузлами
и "находящимися за ними" сетями -
абонентской и транспортной (в детальной
проработке спецификаций этого интерфейса
участвуют и другие комитеты IEEE).
Спецификации третьего, дополнительного,
радиоинтерфейса определяют использование
повторителей или отражателей для увеличения
зоны охвата системы и обхода препятствий на пути
распространения сигнала. 802.16 затрагивает 2
уровня эталонной модели OSI - физический и
канальный.
Интерфейс - система унифицированных связей и
сигналов, посредством которых устройства
соединяются друг с другом.
Канальный уровень
Канальный уровень (формально называемый
информационно-канальным уровнем) обеспечивает
надежный транзит данных через физический канал.
Выполняя эту задачу, канальный уровень решает
вопросы физической адресации (в
противоположность сетевой или логической
адресации), топологии сети, линейной дисциплины
(каким образом конечной системе использовать
сетевой канал), уведомления о неисправностях,
упорядоченной доставки блоков данных и
управления потоком информации.
Физический уровень
Физический уровень определяет
электротехнические, механические, процедурные и
функциональные характеристики активации,
поддержания и дезактивации физического канала
между конечными системами. Спецификации
физического уровня определяют такие
характеристики, как уровни напряжений,
синхронизацию изменения напряжений, скорость
передачи физической информации, максимальные
расстояния передачи информации, физические
соединители и другие аналогичные характеристики
Уровень 1, физический
Физический уровень
получает пакеты данных от вышележащего
канального уровня и преобразует их в оптические
или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1
бинарного потока. Эти сигналы посылаются через
среду передачи на приемный узел. На физическом
уровне определяются механические и
электрические/оптические свойства среды
передачи.
Сюда включаются:
• Тип кабелей и разъемов
• Разводку контактов в разъемах
• Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1
Уровень 2, канальный
Канальный уровень обеспечивает
создание, передачу и прием кадров данных. Этот
уровень обслуживает запросы сетевого уровня и
использует сервис физического уровня для приема
и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят
канальный уровень на два подуровня: управление
логическим каналом (LLC) и управление доступом к
среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого
уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к
разделяемой физической среде.
Образована с целью содействия разработке
беспроводного оборудования доступа к
широкополосным сетям на основе спецификации IEEE
802.16 для беспроводных зональных сетей,
сертификации такого оборудования на
совместимость и взаимодействие, а также
ускорению его выхода на рынок. К WiMAX -
присоединяются ведущие изготовители
коммуникационных средств и компонентов. В
настоящее время организация WiMAX объединяет такие
компании, как Airspan Networks, Alvarion Ltd., Aperto Networks, EnseМбle
Communications Inc., Fujitsu Microelectronics America, Intel Corporation, Nokia, OFDM
Forum, Proxim Corporation и Wi-LAN Inc. Усилия участников группы
сосредоточены на ускорении темпов выхода на
рынок беспроводного широкополосного
коммуникационного оборудования, отвечающего
требованиям стандарта 802.16, разработанного
Институтом инженеров по электротехнике и
электронике (IEEE), с целью скорейшего
развертывания широкополосных сетей во всем мире
и, в частности, решения проблемы "последней
мили".
Многие операторы и провайдеры могут быть
незнакомы с деталями IEEE 802.16* стандарта, но эта
беспроводная технология, собирается перевернуть
индустрию широкополосного радиодоступа. 802.16
стандарт, "Воздушный интерфейс для
фиксированных широкополосных беспроводных
систем доступа", также известны как IEEE WirelessMAN*
воздушный интерфейс. Эта технология разработана
"от и до" для обеспечения беспроводного
"последне-мильного" широкополосного
доступа в условиях сетей городского масштаба
(Metropolitan Area Network (MAN)), осуществляя работу, сравнимую
с работой традиционного кабелея, цифровой
абонентской линии, или T1 предложения.
Принципиальные преимущества систем, основанных
на 802.16 множественны:
1. высокие скорости передачи данных, даже в
областях, которые тяжелы для освоения проводной
инфраструктурой;
2. дешевизна установки оборудования;
3. способность преодолеть физические
ограничения, свойственные традиционной
проводной инфраструктуре.
Обеспечение проводного соединения к
широкополосной сети в труднодоступной области
через кабель или цифровую абонентскую линию
может отнимать много времени, быть дорогим. К
примеру, очень большое количество областей в США
да и во всем мире, не имеет возможности доступа к
широкополосным сетям. Беспроводная технология
802.16 обеспечивает гибкие, рентабельные,
стандартизированные средства заполнения
существующих промежутков в охвате
широкополосной сети, и создании новых услуг
широкополосной сети, не предполагаемых в
"проводном" мире.
Привлекая сотни инженеров от коммуникационной
промышленности, IEEE установил иерархию
дополнительных беспроводных стандартов (рис.1).
Они включают:
- IEEE 802.15 для личной сети (Personal Area Network (PAN),
- IEEE 802.11 для локальной сети (Local Area Network (LAN),
- IEEE 802.16 для городской сети
- и предложенный IEEE 802.20 для "широкой" сети (Wide
Area Network (WAN). Суть 802.20 - в обеспечении возможности
высокоскоростного соединения к мобильному
телефону, устройствам потребителя, которыми
могут быть сотовые телефоны, PDAs или ноутбуки.
Каждый стандарт представляет собой
оптимизированную технологию для своих задач и
дополняет другие стандарты. Хороший пример -
быстрое увеличение домашних и коммерческих
беспроводных LAN и точек доступа, основанных на IEEE
802.11 стандарте. Это быстрое увеличение WLANs ведет к
росту спроса на возможность широкополосного
соединения с Интернетом, что и может обеспечить
802.16. Как видно из рисунка, IEEE 802.16 стандарт - один
из множества взаимодействующих беспроводных
стандартов, созданных IEEE.
В январе 2003, IEEE одобрил 802.16a стандарт, который
охватывает полосы частот между 2 ГГц и 11 ГГц. Этот
стандарт является расширением IEEE 802.16, изданного
в апреле 2002 и предназначенного для 10 - 66
ГГц.(Широкий диапазон частот, предусматриваемый
стандартом 802.16, позволяет развертывать каналы
передачи данных с высокой пропускной
способностью с использованием передатчиков,
устанавливаемых на мачтах сетей сотовой связи и
высотных зданиях. Принимающее и передающее
оборудование, работающее по этому стандарту,
может находиться только в зоне прямой видимости.)
802.16a стандарт - оптимальная технология для
"последне-мильных" применений, где часто
присутствуют препятствия подобно деревьям и
зданиям и где основные станции, возможно, должны
быть скромно установлены на крышах домов или
зданий, а не на башнях или в горах. Условие прямой
видимости отсутствует.
При скорости передачи данных до 75 Mbps, отдельный
"сектор" базовой станции - где сектор
определен, как отдельный передающий/принимающий
радиопару на базовую станцию - обеспечивает
достаточную пропускную способность, чтобы
одновременно поддержать свыше 60 корпоративных
локальных сетей с подключением по типу T1, наряду
с сотнями домашних пользователей, подключенных
по типу DSL, используя 20 МГЦ канал. На одной базовой
станции может быть до 6 секторов. Для большей
своей выгоды операторы и провайдеры должны
осуществлять соединения как для богатых
бизнес-клиентов, так и для большого количества
обычных абонентов. 802.16a помогает выполнять это
требование, поддерживая дифференцированные
уровни сервиса, которые могут включить
гарантируемые услуги T1-уровня для бизнеса, или
DSL-уровня для домашних потребителей.
Большой интерес представляет 802.16e, в котором
будет реализована мобильность беспроводных
сетей. Как сообщают специалисты IEEE, вряд ли 802.16e
станет стандартом, конкурентным сетям сотовой
связи, тем более что такой цели и не преследуется
- для мобильных пользователей, предпочитающих
высокую скорость передачи и приема данных,
разработаны услуги 3G. Стандарт 802.16e будет
рассчитан на медленно передвигающихся
пользователей, которым хотелось бы оставаться на
связи в пределах зоны действия офисного узла
MANСтандарт 802.16a касается оборудования для
диапазона 2 - 11 ГГц и закрепляет три режима его
работы на физическом уровне ЭМВОС - без
поднесущих и с применением ортогонального
частотного уплотнения (OFDM) 256 или 2000 каналов. Одна
из главных задач нового стандарта - обеспечить
работу оборудования без прямой видимости между
антеннами базовой и абонентских станций. Первый
режим вряд ли предоставит такую возможность,
хотя представители компании Aperto утверждают, что
в их оборудовании эта задача решена. Другое дело
OFDM. Этот вид модуляции обеспечивает значительное
снижение скорости передачи данных на каждой
поднесущей и тем самым уменьшает уровень помех,
возникающих в результате многолучевого
распространения сигнала. В этом плане 2000
поднесущих, конечно, лучше, чем 256. Но их
увеличение усложняет оборудование и,
соответственно, увеличивает его цену. Поэтому
эксперты полагают, что на первом этапе
наибольшее распространение получит
оборудование, работающее на 256 поднесущих.
По-видимому, участники консорциума WiMAX Forum,
созданного для продвижения нового стандарта,
согласны с этим прогнозом, поскольку они уже
разработали первый набор тестов будущего
оборудования на соответствие спецификациям 802.16a
с учетом именно 256 поднесущих.
IEEE 802.16 стандарт разработан для
залицензированного и освобожденного лицензией
спектра, чтобы легко планировать ячейки сети по
всему миру.
Пока что претенденты на сертификаты WiMAX Forum будут
работать в диапазонах частот 2,5; 3,5 и 5,8 ГГц.
Наиболее обычная конфигурация 802.16a состоит из
основной станции, установленной на здании или
башне, которая связывается с точкой, имеющей, в
свою очередь, связь со станциями абонента,
расположенными в домах или офисах. 802.16a
подразумевает дальность связи до 30 миль (50км) с
типичным радиусом ячейки 4 - 6 миль. Посредством
802.16a представляется возможным соединять 802.11 -
беспроводные LAN и коммерческие точки доступа с
Интернетом. Причем сделать это можно в местах,
где традиционные проводные линии связи могут
быть недоступными или затратными по времени.
1. Широкополосная сеть по требованию. Организация
корпоративной сети с доступом по типу Т1 занимает
сегодня до трех месяцев и более. Беспроводные
широкополосные технологии на основе стандарта
802.16, обеспечивающие скорость сетевого доступа,
аналогичную кабельным широкополосным решениям,
позволят сократить сроки развертывания такой
сети до нескольких дней, а ее стоимость упадет в
несколько раз. У провайдеров появится
возможность предоставлять средства
высокоскоростного подключения "по
требованию" организаторам таких мероприятий,
как, например, торговые ярмарки, обслуживать
сотни тысяч пользователей через общественные
точки доступа, соответствующие спецификации 802.11,
или же организовать временное широкополосное
подключение в местах производства текущих работ
(например, на строительных площадках). Технология
позволяет провайдеру изменять уровни услуг (по
сути скорость доступа) буквально в пределах
секунд запроса клиента.
2. Организация доступа в малонаселенных районах.
Стоимость развертывания кабеля - также
существенное средство против "проводного"
обслуживания широкополосной сети в областях с
низкой плотностью абонента. Кроме того, широкий
диапазон 802.16a решений, таких как: отсутствие
требования прямой видимости, высокой полосы
пропускания, гибкость и низкая цены - помогает
преодолевать ограничения традиционных
проводных и уже существующих беспроводных
технологий. "Организация беспроводного
широкополосного доступа в Интернет в более чем
2500 регионах США, где все еще ощущается дефицит
обслуживания интернет-провайдерами, сейчас идет
с применением решений на основе индивидуально
разработанных технологий, - отмечает президент
WiMAX Маргарет Лябрек (Margaret LaBrecque). - Внедрение
решений на основе стандарта 802.16 приведет к
наращиванию производительности и надежности
коммуникационных систем одновременно со
снижением стоимости оборудования и
инвестиционного риска".
3. Труднодоступные районы. Практические
ограничения не дают возможности использовать
кабель и DSL для обеспечения многим потенциальным
клиентам доступа к сети. Традиционная DSL может
обеспечить связью площади только на расстоянии 18
000 футов (3 мили) от АТС, и это ограничение
означает, что много городских и пригородных
территорий не могут обслуживаться DSL. Кабель
также имеет ограничения. Много старых кабельных
сетей не были оборудованы, чтобы обеспечить
return-канал, и модернизация этих сетей для
поддержки быстродействующей широкополосной
сети может быть дорога. Беспроводная технология
Интернета, основанная на IEEE 802.16 - также
естественный выбор для труднодоступных сельских
и отдаленных областей с низкой плотностью
населения.
4. "Best-connected" беспроводной сервис. Число IEEE
802.11 точек доступа (hotspots) растет, но пользователи
будут естественно хотеть быть связанным "без
прооводоов", даже когда они - вне диапазона
самой близкой точки доступа. IEEE 802.16e расширение к
802.16a вводит позволит пользователям соединяться с
провайдером (WISP - Wireless Internet Service Provider), даже когда
они находятся вне их дома или офиса, или едут в
другой город, который также имеет WISP.
Производительность, Масштабируемость, QoS и
Безопасность.
1. Производительность. Используя оптимальную
схему модуляции, IEEE 802.16 обеспечивает высокую
производительность на длинных расстояниях с
высоким уровнем спектральной эффективности,
которая является также терпимой к отражениям
сигнала. Динамическая адаптивная модуляция
позволяет основной станции подбирать
оптимальный режим работы с абонентом. Например,
если основная станция не может установить
оптимальную связь отдаленному абоненту,
использующему самую высокую схему модуляции
порядка 64 QAM (квадратурная амплитудная
модуляция), порядок модуляции уменьшен до 16 QAM или
QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), который
уменьшает производительность и увеличивает
эффективный радиус.
2. Масштабируемость. Для легкости планирования
ячейки во всем мире и в лицензированном, и в
освобожденном лицензией спектре, 802.16
поддерживает гибкие диапазоны канала. Например,
если оператор назначил 20 МГЦ спектра, тот же
оператор мог бы делить это на два сектора по 10 МГЦ
каждый, или 4 сектора по 5 МГЦ каждый.
Сосредотачивая мощность на все более и более
узких секторах, оператор может увеличить число
пользователей при поддержании хорошего
диапазона и производительности. Чтобы увеличить
число пользователей, оператор может повторно
использовать тот же самый спектр в двух или
больше секторах, создавая надлежащую изоляцию
между основными антеннами станции.
3.Охват. В дополнение к поддержке оптимальной и
динамической схемы модуляции, IEEE 802.16 стандарт
также поддерживает технологии, которые
увеличивают охват, используя "адаптивные
антенны" и продуманные топологии сети.
Поскольку радио-технология улучшает и снижает
затраты, способность увеличивать охват и
производительность, используя составные антенны
для "передачи", и/или "разнообразного
приема", растет даже в экстремальных средах. 4.
Качество Обслуживания. качество обслуживания
контролируется на уровне управления доступом к
среде (Media Access Controller (MAC)), что позволяет
использовать дифференцированные уровни
обслуживания. Это дает возможность
предоставлять коммерческим предприятиям
обслуживание типа Т1, а домашним пользователям -
типа DSL, а также осуществлять передачу голоса и
видео в пределах той же самой ячейки базовой
станции.
5. Безопасность. Секретность и характеристики
шифрования включены в 802.16 стандарт, чтобы
поддержать безопасную передачу данных, а также
обеспечить шифрование данных и установление
подлинности.
Выгоды от Стандартов.
* Дальность действия: до 50 километров.
* Покрытие: расширенные возможности работы вне
прямой видимости позволяют улучшить качество
покрытия обслуживаемой зоны.
* Частота: от 2 ГГц до 11 ГГц.
* Спектральная эффективность: до 5 бит/сек/Гц.
* Максимальная скорость передачи данных на
сектор: до 70 Мбит/с на сектор одной базовой
станции. Типовая базовая станция имеет до 6
секторов.
* Качество обслуживания: качество обслуживания
контролируется на уровне управления доступом к
среде, что позволяет использовать
дифференцированные уровни обслуживания. Это
дает возможность предоставлять коммерческим
предприятиям обслуживание типа T1, а домашним
пользователям - типа DSL, а также осуществлять
передачу голоса и видео.
* Решение операторского класса: данный стандарт
предоставляет широкие возможности для
масштабирования, необходимого для обеспечения
поддержки сотен тысяч пользователей силами
одной базовой станции, и позволяет
дифференцировать уровни предоставляемых услуг.
Один сектор одной базовой станции способен
обеспечить скорость передачи данных,
достаточную для одновременного обслуживания
более 60 предприятий, подключенных по каналам
типа T1, и сотни жилых домов, подключенных по
каналам типа DSL. Типовая базовая станция имеет до
6 секторов.
* Малый инвестиционный риск: этот стандарт несет
в себе для поставщиков услуг меньший риск
неокупаемости инвестиций по сравнению с
уникальными решениями по организации
широкополосного доступа, проектируемыми на
заказ. Совместимость оборудования, способного
работать в этом стандарте, позволяет оператору
сократить затраты на конечное клиентское
оборудование и одновременно использовать
оборудование разных производителей. Базовая
станция 802.16 будет стоить около 10000$, первые модемы
можно будет купить за 1000$. Cтоимость модема в
будущем упадет до 300$. Обслуживание клиентов и
управление этим обслуживанием можно
осуществлять удаленно, что позволяет сократить
текущие расходы.
* Качество обслуживания: управление доступом к
среде стандарта 802.16 рассчитано на поддержку
передачи голоса и видео.
* Широкая зона покрытия: расширенные возможности
работы вне прямой видимости позволяют улучшить
качество покрытия обслуживаемой зоны, а это
значит, что большее количество конечных
пользователей сможет получать высокоскоростной
беспроводной доступ в Интернет.
* Высокая скорость передачи данных:
корпоративные пользователи могут получить
сервис типа T1 по конкурентоспособным тарифам с
ежемесячной оплатой без необходимости ожидания
в течение нескольких месяцев, необходимых для
организации канала. Домашние пользователи, не
имеющие возможности подключиться к
широкополосным кабельным линиям или линиям DSL,
могут воспользоваться эквивалентными
беспроводными услугами по конкурентоспособным
тарифам.
Технология 802.11 является первой прорывной (disruptive)
технологией, уменьшающей на порядок стоимостные
показатели передачи по радиоканалам одного
мегабайта информации. Технология 802.16 обещает
стать второй прорывной технологией, значительно
улучшающей экономику сетевого обмена
информацией.
