Файл: Учебнопрактическое пособие Владимир 2021.pdf

117

IEEE 802.16 или IEEE 802.16-2001 – одобрен в декабре
2001 года, являлся первым стандартом «точка-многоточка» в области
WMAN, был ориентирован на работу в спектре от 10 до 66 ГГц. И, как следствие, требовал нахождения передатчика и приемника в об- ласти прямой видимости (LOS, Line of Sight), что является достаточно существенным недостатком, особенно при применении технологии в условиях города. Согласно описанным спецификациям, сеть 802.16 могла обслуживать до 60 клиентов со скоростью класса T-1 (1,554
Мб/с) при стоимости установленного оборудования менее $20 тыс.
Этот стандарт не был достаточно хорошо проработан, и даже после его утверждения осталось большое количество открытых вопросов.

IEEE 802.16а – одобрен в январе 2003 года, стал первым
«законченным» стандартом, где было устранено большинство недо- статков предыдущего стандарта. Также, в него было добавлено суще- ственное количество новых функциональных возможностей – в част- ности, одним из главных шагов по сравнению с предыдущим стан- дартом, было понижение рабочей частоты до 2-11 ГГц и, как след- ствие, реализация возможности функционирования в области непря- мой видимости (NLOS, Near Line of Sight), а так же обеспечение ра- боты в диапазонах лицензируемых и нелицензируемых частот спек- тра, используя принцип модуляции OFDM. Скорость передачи дан- ных в такой сети может достигать 75 Мбит/с.

IEEE 802.16REVd или IEEE 802.16-2004 – одобрен в июле
2004 года, является обновленной и доработанной версией стандарта
802.16а. Основные отличия данного стандарта от предыдущего: под- держка фиксированного офисного или домашнего оконечного терми- нального оборудования в диапазоне частот 2–11 ГГц и отсутствие необходимости наличия прямой видимости (NLOS) с поддержкой та- ких дополнительных функций, как формирование направленного сиг- нала на антенне и использование поднесущих OFDM. IEEE 802.16-
2004 предусматривает возможность обмена данными со скоростью до
70 Мб/с между передатчиком и стационарным абонентским оборудо- ванием, находящимся от него в радиусе до 50 км. Этот стандарт

118 больше всего подходит для построения корпоративных сетей, с до- статочно сильно распределенной структурой.

IEEE 802.16е – одобрен в декабре 2005 года, является раз- витием идей предыдущих стандартов с фокусом на мобильности око- нечного пользователя. Оборудование IEEE 802.16е работает на часто- тах 2–6 ГГц и обеспечивает возможность работы в условиях непря- мой видимости. Клиентское оборудование может быть удалено от ба- зовой станции на расстояние до 5 км при обеспечении максимальной скорости передачи данных порядка 20 Мбит/с. При этом, в среднем, пользователь получит в свое распоряжение канал с пропускной спо- собностью от 1 до 4 Мбит/с. Реально, в городах с высокой плотно- стью населения, дальность передачи данных может составлять сотни метров, а в малонаселенных пригородных районах – до 1,5-3 кило- метров. Несмотря на то, что существующие стандарты Wi-Fi обеспе- чивают не меньшую скорость передачи данных, они имеют ограниче- ние по дальности передачи данных, которая в условиях офиса, зача- стую, не превышает 15 метров. Иными словами, для обеспечения устойчивого покрытия в масштабах города на основе технологии Wi-
Fi потребуется установить, как минимум, несколько сотен точек до- ступа. Здесь и реализуется главное преимущество WiMax, которая, в отличие от Wi-Fi, задумывалась не как технология для связи в преде- лах помещения, но как широкополосная технология с повышенной дальностью связи.

119
Таблица 10. Семейство стандартов IEEE 802.16 802.16 802.16а
802.16
REVd (2004)
802.16е
Одобрен декабрь 2001 январь 2003 июль 2004 декабрь
2005
Спектр от 10 до 66
ГГц менее 1 1
ГГц менее 1 1 ГГц от 2 до 6 ГГц
Видимость прямая, LOS непрямая,
NLOS для ближней зоны непрямая,
NLOS, для ближней зоны, и офисных, домашних пользователей непрямая,
NLOS
Модуляция
QPSK,
16О.АМИ
64QAM
OFDM 256,
OFDMA +
802.16
OFDM
256, OFDMA
+ 802.16
OFDM
256, OFDMA
+ 802.16
Скорость
32 -134
Мбит/с
1 - 75 Мбит/с см. 802. 16а до 1 5 Мбит/с
Мобильность нет нет нет да, с возможностью регионального роуминга
Ширина канала
20, 25 и 28
МГц изменяемая от
1,25 до 20
МГц с 16 логическими подканалами см. 802. 16а более 5 МГц

120
Радиус ячейки от 1 до 5 км от 5 до 8 км; максимум 50 км с соотв. антенной и максимальной мощностью передачи см. 802. 16а от 1 до 5 км
Терминальное
оборудование внешнее с выносной антенной
Внешнее с встроенной антенной
PC-карта
Разные стандарты семейства 802.16 ориентированы на различ- ные сегменты рынка. Так, стандарт 802.16-2004 обеспечивает реше- ние «последней мили» для фиксированных пользователей, в то время как 802.16е ориентирован на обслуживание мобильных абонентов
(рис. 2.9). При этом такие параметры, как скорость передачи и даль- ность действия конкретного стандарта семейства IEEE 802.16 суще- ственно зависят от параметров настройки системы. Например, для
802.16-2004:

скорость передачи данных 75 Мбит/с на стороне базовой станции может быть обеспечена только при использовании канала шириной 20 МГц в идеальных условиях. Государственное регулиро- вание в области частот может накладывать ограничения на макси- мальную ширину канала таким образом, зачастую, существенно сни- жая максимальную скорость передачи данных;

максимальная дальность действия 50 км может быть до- стигнута лишь при установке оптимальных значений ряда параметров и достаточно низкой скорости передачи данных (в несколько Мбит/с); дальность действия коммерческой системы будет равна, в среднем, 5 километрам для офисных/домашних пользователей не находящихся в зоне прямой видимости (NLOS) и 15 для пользователей подключен- ных к внешней антенне находящейся в зоне прямой видимости с ба- зовой станцией (LOS).

121
Рис. 2.9. Сравнение областей применения стандартов
IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16e
Таким образом, к сожалению, для 802.16-2004 достижение мак- симальных значений скорости передачи данных в 75 Мбит/с при нахождении пользовательского оборудования на расстоянии более
15-20 км, учитывая физические параметры системы, на сегодня не представляется возможным даже при нахождении в области прямой видимости. Однако, операторы могут достаточно гибко настраивать системы WiMAX в соответствии со своими нуждами. Использование направленных антенн и правильная параметризация позволит опера- торам предоставлять каналы различной емкости для различных типов пользователей, например:

сильно удаленных от базовой станции (десятки километ- ров) пользователей можно обеспечить как телефонной связью, так и доступом в Интернет с достаточно высокой скоростью, для этого необходимо наличие внешней направленной антенны на стороне

122 пользователя в зоне прямой видимости базовой станции, причем ан- тенна может быть использована как точка коллективного доступа;

не сильно удаленных от базовой станции (от 5 до 20 км) пользователей можно обеспечить широкополосным доступом к услу- гам связи с использованием внешней антенны, для этого необходимо наличие внешней антенны на стороне пользователя в зоне прямой ви- димости базовой станции, причем антенна может быть использована как точка коллективного доступа;

находящихся достаточно близко к базовой станции (до 5 км) пользователей можно обеспечить широкополосным доступом к услугам связи с использованием внутренней антенны, при этом поль- зователь может быть ограниченно мобильным - в зависимости от уровня сигнала.
Структура сети беспроводного широкополосного доступа в сети
WiMAX, реализующей все три представленных выше сценария пока- зана на рис.2.10. Очевидно, что базовые станции могут объединяться в сеть как с использованием технологии WiMAX (необходимо чтобы базовые станции находились в области прямой видимости LOS), так и с использованием фиксированных сетей (например, оптический или медный кабель).
Еще одной особенностью WiMAX является встроенная под- держка QoS, что обеспечивает минимальное время задержки в канале передачи для сервисов типа VoIP, TDM Voice, оптимальный транс- порт VBR (Variable Bit Rate) трафика, а также возможность приорите- зации передаваемых данных. До настоящего времени поддержка QoS в Wi-Fi-сетях предусмотрена только в стандарте 802.11e. Кроме того, стандарты 802.16 предполагают поддержку различных методов шиф- рования (3DES, RSA и AES), а для обеспечения дополнительного уровня безопасности при подключении пользовательских устройств предусмотрен в интересах аутентификации обмен сертификатами по протоколу X.509, а также поддерживается аутентификация с исполь- зованием протокола EAR (Extensible Authentification Protocol, Расши- ряемый Протокол Аутентификации). В целом, как отмечают специа- листы, технология WiMAX более надежна в плане безопасности, чем

123
Wi-Fi. Несмотря на все достоинства, определенные неудобства может доставить использование лицензированного спектра частот.
Рис. 2.10. Организация беспроводного широкополосного доступа в сети WiMAX
В настоящее время рабочим комитетом IEEE 802.16 проводятся интенсивные исследования вопросов, связанных с разработкой новых спецификаций 802.16f и 802.16h. Эти спецификации должны быть предназначены для работы с MIB (Management Information Base, ба- зами управляющей информации) для сетей доступа, и обеспечивать поддержку работы мобильных (подвижных) клиентов при скорости их движения до 300 км/ч. Предполагается, что максимальная скорость передачи достигнет 10 Тб/с.
Специалисты полагают, что различные модификации WiMax смогут со временем полностью заменить не только беспроводные ло- кальные сети, но и мобильные сети. С бурным ростом передачи дан- ных через каналы сотовой связи выяснилось, что традиционная тех- нология сотовых сетей не может обеспечить необходимую пользова- телям пропускную способность, даже в сетях третьего поколения скорость передачи данных для отельного пользователя составляется

124 от 400 до 700 кбит в секунду. Мобильный WiMax обещает в отдель- ных случаях десятикратное увеличение этой скорости.
Участие в WiMAX форуме практически всех производителей систем фиксированного беспроводного доступа, в том числе и компа- нии InfiNet Wireless, начавшийся выпуск pre-WiMAX систем, разра- ботка компаниями Intel и Fujitsu чипсета для массового производства
WiMAX оборудования не оставляет сомнений в том, что результат будет достигнут. Вопрос о том, когда появятся WiMAX совместимые системы, остается открытым. Сроки постоянно сдвигаются, а это означает, что до 2006-2007 года наиболее совершенными остаются системы класса pre-WiMAX, некоторые из которых, в частности
SkyMAN, по ряду показателей уже превосходят будущие стандартные системы.
Беспроводные глобальные сети WWAN
Разработка стандарта IEEE 802.20 для мобильного доступа к данным еще не завершена. В отличие от WiMax, рассчитанного на ра- боту в городах при ограниченном числе базовых станций, 802.20 име- ет больше сходства с обычными сотовыми системами и предназначен для быстродействующих мобильных подключений на скоростях свыше 1 Мбит/с. в 3-ГГц частотном диапазоне. Данный стандарт за- нимает интересное положение среди остальных стандартов – с одной стороны, его называют ближайшим конкурентом WiMAX (802.16e), с другой стороны, он может использоваться в системах сотовой связи, заменяя GPRS или CDMA2000, а это уже WWAN. Возможно, в связи с этим, его можно выделить в отдельный класс беспроводных сетей связи MBWA (Mobile Broadband Wireless Access).
Главный сторонник спецификации 802.20 фирма Flarion
Technologies уже испытывала свою технологию FLASH-OFDM (Fast
Low-Latency Access with Seamless Handoff Orthogonal Frequency Divi-
sion Multiplexing) вместе с компанией Nextel Communications. Однако рассмотрение стандарта находится еще на довольно ранней стадии и нет никакой гарантии, что технология Flarion в конечном счете ляжет

125 в основу 802.20. Продвижению 802.16e, равно как и 802.20, также может помешать инерция операторов. Для поддержки массовых под- ключений владельцев мобильной аппаратуры потребуются значи- тельные вложения в инфраструктуру, и операторы могут решить, что трудоемкое развертывание новых технологий приведет лишь к дуб- лированию уже предоставляемых услуг. Соотношение перспективных беспроводных технологий показано на рис 2.11.
Рис. 2.11. Соотношение перспективных беспроводных технологий
Глобальная система мобильной связи (GSM)
Стандарт GSM является безусловным лидером по распростра- ненности на мировом рынке. В 1982 году Европейская конференция администраций почты и телеграфа (СЕРТ) создала рабочую группу
GSM (Group Special Mobile) для разработки общеевропейской систе-

126 мы подвижной сотовой связи. В 1989 году работы по GSM перешли под эгиду Европейского института стандартизации электросвязи
(ETSI), и в 1990 году были опубликованы спецификации первой фазы стандарта. К 1993 году в 22 странах мира уже действовало 36 сетей
GSM, а к 1995 году насчитывалось же около 5 млн абонентов – стан- дарт стал общемировым и расшифровывался уже как Global System
for Mobile Communications.
Стандарт GSM обеспечивает работу абонентов в диапазонах 900 и 1800 МГц (в США – 1900 МГц). В Европе и России в диапазоне 900
МГц мобильный телефон передает (восходящий канал) в полосе 890-
915 МГц, принимает (нисходящий канал) в интервале 935-960 МГц
(для GSM-1800 – 1710-1785 и 1805-1880 МГц соответственно). Весь диапазон делится на частотные каналы по 200 кГц – в GSM- 900 всего
124 канала (124 восходящих и 124 нисходящих), разнос между восхо- дящим и нисходящим каналом – 45/95 МГц (в диапазонах 900/1800
МГц, соответственно). Базовая станция поддерживает от 1 до 16 ча- стотных каналов. Таким образом, в GSM реализован частотный метод дуплексирования каналов (FDD).
Для доступа к среде передачи в GSM использован принцип вре- менного разделения канала – ТDМА. Частотные каналы разбиты на кадры по 8 временных интервалов (канальные интервалы) длительно- стью по 577 мкс. Каждому физическому каналу соответствует один определенный временной интервал на определенной частоте. Таким образом, мобильный терминал (МТ) передает базовой станции (БС) информацию в течение 577 мкс каждые 4615 мкс. БС связывается с
МТ точно так же, но на три временных интервала раньше МТ (и на частоте на 45 МГц выше), чтобы разнести во времени прием и пере- дачу. Это существенно упрощает аппаратуру МТ.
Временные интервалы в GSM бывают пяти типов – нормаль- ный, подстройки частоты, синхронизации, установочный и доступа.
Полезная информация передается двумя блоками по 57 бит. Между ними расположена тренировочная последовательность в 26 бит, огра- ниченная одноразрядными указателями РВ (Pointer Bit). Интервалы
ВВ (Border Bit) длиной 3 бита ограничивают всю передаваемую по-

127 следовательность. После трансляции всех 148 бит канального интер- вала передатчик «молчит» в течение защитного интервала ST (Shield
Time) длительностью 30,44 мкс, что по времени эквивалентно переда- че 8,25 бит.
Каждые 26 кадров объединены в мультикадр продолжительно- стью 120 мс. В мультикадре каждый 13-й кадр зарезервирован для ка- нала управления, а в течение каждого 26-го кадра вся система «мол- чит».
В GSM использован принцип медленных частотных скачков – прием/передача нового кадра может происходить на новой несущей частоте. При этом сохраняется дуплексный разнос в 45 МГц. Началь- ное значение несущей и последовательность изменения назначаются мобильному терминалу при установлении связи. Модуляция сигнала
– двоичная гауссова с минимальным частотным сдвигом GMSK (один бит на символ).
Радиус соты в GSM – до 35 км – ограничен возрастающей вре- менной задержкой распространения сигнала, к которой чувствительна технология TDMA. Сетевая инфраструктура GSM/MAP основана на системе сигнализации ОКС7 (SS7). Для кодирования речи применен кодек VCELP на основе алгоритма RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-
Long Term Prediction) со скоростью 13 кбит/с. Скорость передачи данных – до 9,6 кбит/с (по стандартной схеме).
Стандарт CDMA
CDMA расшифровывается как множественный доступ с кодо- вым разделением каналов (CodeDivision Multiple Access). Метод мно- жественного доступа с кодовым разделением каналов известен давно, однако, из-за сложности аппаратуры для обработки сигналов до опре- деленного момента CDMA находил применение только в военной и специальной технике благодаря таким своим свойствам, как высокая стойкость к помехам и скрытность передачи. С развитием микроэлек- троники в последнее десятилетие стало возможным создание недоро- гих портативных станций CDMA. Лидер в этой области – американ-