Информационные сети и системы

Массовому распространению этих систем до сих пор мешает отсутствие индустриальных стандартов и, как следствие, несовместимость продуктов разных производителей.

В начале 2000 г. для изучения различных решений и выработки единых правил построения систем широкополосной беспроводной связи (BWA, Broadband Wireless Access) в IEEE был создан рабочий комитет 802.16, который изначально занималась разработкой технологии WLL (Wireless Local Loop). В первую очередь 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:

• рабочая 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);
• рабочая группа 802.11.3 – разрабатывает спецификации радиоинтерфейса для лицензируемых систем диапазона 2-11 ГГц, главной целью создания группы стало содействие ускоренному развертыванию систем MMDS путем предоставления производителям возможности создавать совместимые продукты на основе единого стандарта.

Все стандарты разрабатываются комитетом 802.16 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.

В апреле 2003 году фирмами Nokia, Harris Corp., Ensemble и Crosspan был основан некоммерческий консорциум WiMAX Forum (Worldwide Interoperability for Microwave Access, Глобальная Совместимость для Микроволнового Доступа). Главной задачей этого консорциума стало создание стандарта для технологии беспроводного широкополосного доступа с такой пропускной способностью, чтобы современный пользователь не чувствовал бы разницы по сравнению с любой существующей транспортной технологией. На сегодня в консорциум WiMAX Forum входит 180 компаний-производителей современного телекоммуникационного оборудования. Главной задачей WiMAX Forum можно определить выполнение тех же шагов, которые были сделаны альянсом WiFi Alliance для технологии IEEE 802.11 WLAN (Wireless Local Area Networks, Беспроводные Локальные Сети):

• определение и гармонизация стандартов;
• сертификация взаимодействия оборудования различных поставщиков;
• продвижение технологии WiMAX.

Сегодня термин WiMAX стал коммерческим именем стандарта IEEE 802.16 WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks, Беспроводные Городские Сети Связи).

В целом, рабочим комитетом IEEE 802.16 по стандартам широкополосного доступа совместно с консорциумом WiMAX Forum к концу 2005 года были разработаны следующие стандарты серии 802.16 (таб. 1.9):

• 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 области 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 недостатков предыдущего стандарта. Также, в него было добавлено существенное количество новых функциональных возможностей – в частности, одним из главных шагов по сравнению с предыдущим стандартом, было понижение рабочей частоты до 2-11 ГГц и, как следствие, реализация возможности функционирования в области непрямой видимости (NLOS, Near Line of Sight), а так же обеспечение работы в диапазонах лицензируемых и нелицензируемых частот спектра, используя принцип модуляции OFDM. Скорость передачи данных 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: поддержка фиксированного офисного или домашнего оконечного терминального оборудования в диапазоне частот 2–11 ГГц и отсутствие необходимости наличия прямой видимости (NLOS) с поддержкой таких дополнительных функций, как формирование направленного сигнала 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 оборудованием, находящимся от него в радиусе до 50 км. Этот стандарт больше всего подходит для построения корпоративных сетей, с достаточно сильно распределенной структурой.
• IEEE 802.16е – одобрен в декабре 2005 года, является развитием идей предыдущих стандартов с фокусом на мобильности оконечного пользователя. Оборудование IEEE 802.16е работает на частотах 2–6 ГГц и обеспечивает возможность работы в условиях непрямой видимости. Клиентское оборудование может быть удалено от базовой 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 способностью от 1 до 4 Мбит/с. Реально, в городах с высокой плотностью населения, дальность передачи данных может составлять сотни метров, а в малонаселенных пригородных районах – до 1,5-3 километров. Несмотря на то, что существующие стандарты Wi-Fi обеспечивают не меньшую скорость передачи данных, они имеют ограничение по дальности передачи данных, которая в условиях офиса, зачастую, 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 доступа. Здесь и реализуется главное преимущество WiMax, которая, в отличие от Wi-Fi, задумывалась не как технология для связи в пределах помещения, но как широкополосная технология с повышенной дальностью связи.

Таблица 1.9

Семейство стандартов IEEE 802.16

Разные стандарты семейства 802.16 ориентированы на различные сегменты рынка. Так, стандарт 802.16-2004 обеспечивает решение «последней мили» для фиксированных пользователей, в то время как 802.16е ориентирован на обслуживание мобильных абонентов (рис. 1.15). При этом такие параметры, как скорость передачи и дальность действия конкретного стандарта семейства IEEE 802.16 существенно 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 регулирование в области частот может накладывать ограничения на максимальную ширину канала таким образом, зачастую, существенно снижая максимальную скорость передачи данных;
• максимальная дальность действия 50 км может быть достигнута 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 подключенных к внешней антенне находящейся в зоне прямой видимости с базовой станцией (LOS).

Рис. 1.15. Сравнение областей применения стандартов

IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16e

Таким образом, к сожалению, для 802.16-2004 достижение максимальных 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 операторам предоставлять каналы различной емкости для различных типов пользователей, например:

• сильно удаленных от базовой станции (десятки километров) пользователей можно обеспечить как телефонной связью, так и доступом в Интернет с достаточно высокой скоростью, для этого необходимо наличие внешней направленной антенны на стороне пользователя в зоне прямой видимости базовой станции, причем антенна может быть  использована как точка коллективного доступа;
• не сильно удаленных от базовой станции (от 5 до 20 км) пользователей можно обеспечить  широкополосным  доступом к услугам связи с использованием внешней антенны, для этого необходимо наличие внешней антенны на стороне пользователя в зоне прямой видимости 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 пользователь может быть ограниченно мобильным - в зависимости от уровня сигнала.

Структура сети беспроводного широкополосного доступа в сети WiMAX, реализующей все три представленных выше сценария показана на рис.1.16. 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 поддержка QoS, что обеспечивает минимальное время задержки в канале передачи для сервисов типа VoIP, TDM Voice, оптимальный транспорт VBR (Variable Bit Rate) трафика, а также возможность приоритезации 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 шифрования (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 использованием протокола EAR (Extensible Authentification Protocol, Расширяемый Протокол Аутентификации). В целом, как отмечают специалисты, технология WiMAX более надежна в плане безопасности, чем Wi-Fi. Несмотря на все достоинства, определенные неудобства может доставить использование лицензированного спектра частот.

Рис. 1.16. 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, базами 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 локальные сети, но и мобильные сети. С бурным ростом передачи данных через каналы сотовой связи выяснилось, что традиционная технология сотовых сетей не может обеспечить необходимую пользователям пропускную способность, даже в сетях третьего поколения скорость передачи данных для отельного пользователя составляется от 400 до 700 кбит в секунду. Мобильный WiMax обещает в отдельных случаях десятикратное увеличение этой скорости.

Участие в WiMAX форуме практически всех производителей систем фиксированного беспроводного доступа, в том числе и компании InfiNet Wireless, начавшийся выпуск pre-WiMAX систем, разработка 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.