Анализ дистаннционных и трассовых методов

 

WiMAX это система дальнего  действия, покрывающая километры  пространства, которая обычно использует  лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование  нелицензированных частот) для предоставления  соединения с Интернетом типа  точка-точка провайдером конечному  пользователю. Разные стандарты  семейства 802.16 обеспечивают разные  виды доступа, от мобильного (схож  с передачей данных с мобильных  телефонов) до фиксированного (альтернатива  проводному доступу, при котором  беспроводное оборудование пользователя  привязано к местоположению).

Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Из-за дешевизны и простоты установки, Wi-Fi часто используется для предоставления клиентам быстрого доступа в Интернет различными организациями. Например, во многих кафе, отелях, вокзалах и аэропортах можно обнаружить бесплатную точку доступа Wi-Fi.

 

 

2.3 Архитектура WiMAX

 

 

WiMAX Forum разработал архитектуру,  которая определяет множество  аспектов работы WiMAX сетей: взаимодействия  с другими сетями, распределение  сетевых адресов, аутентификация  и многое другое. Приведённая  иллюстрация даёт некоторое представление  об архитектуре сетей WiMAX.

 

                 

 

Рисунок 2.1  - WiMAX Архитектура

 

SS/MS: (the Subscriber Statio/Mobile Station)

ASN: (the Access Service Network)

BS: (Base station), базовая станция,  часть ASN

ASN-GW: (the ASN Gateway), шлюз, часть ASN

CSN: (the Connectivity Service Network)

HA: (Home Agent, часть CSN)

NAP:(a Network Access Provider)

NSP: (a Network Service Provider)

ASN (Access Service Network) — сеть доступа.

ASN Gateway — предназначен для объединения трафика и сообщений сигнализации от базовых станций и дальнейшей их передачи в сеть CSN.

BS (Base Station) — базовая станция. Основной задачей является установление, поддержание и разъединение радио соединений. Кроме того, выполняет обработку сигнализации, а также распределение ресурсов среди абонентов.

CSN (Connectivity Service Network) — сеть обеспечения услуг.

HA (Home Agent) — элемент сети, отвечающий за возможность роуминга. Кроме того, обеспечивает обмен данными между сетями различных операторов.

Следует заметить, что архитектура  сетей WiMax не привязана к какой-либо определённой конфигурации, обладает высокой гибкостью и масштабируемостью.

Система WiMAX состоит из двух основных частей:

- базовая станция WiMAX, может размещаться на высотном  объекте - здании или вышке.

- приемник WiMAX: антенна с  приемником (рис. 6.1).

Соединение между базовой  станцией и клиентским приемником производится в СВЧ диапазоне 2-11 ГГц. Данное соединение в идеальных условиях позволяет  передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с и не требует, чтобы станция  находилась на расстоянии прямой видимости  от пользователя. Этот режим работы базовой станции WiMAX близок широко используемому  стандарту 802.11 (Wi-Fi), что допускает  совместимость уже выпущенных клиентских устройств и WiMAX.

 

 

Рисунок 2.2 -  Архитектура WiMAX

 

Следует помнить, что технология WiMAX применяется как на "последней  миле" - конечном участке между  провайдером и пользователем, - так  и для предоставления доступа  региональным сетям: офисным, районным.

Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использованием сверхвысокой частоты 10-66 ГГц радиосвязи прямой видимости. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью  до 120 Мбит/с. Ограничение по условию  прямой видимости, разумеется, не является преимуществом, однако оно накладывается  только на базовые станции, участвующие  в цельном покрытии района, что  вполне возможно реализовать при  размещении оборудования.

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 надежность передачи данных. Однако даже при небольшом количестве точек система способна корректно  распределить нагрузку за счет сотовой  топологии.

На базе сотового принципа разрабатываются также пути построения оптимальной сети, огибающей крупные  объекты (например, горные массивы), когда  серия последовательных станций  передает данные по эстафетному принципу. Подобные разработки планируется включить в следующую версию стандарта. Ожидается, что эти изменения позволят существенно  поднять скорость.

 

Рисунок 2.3 -  Покрытие 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 необязательно 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.

Это позволяет сохранить  существующую инфраструктуру районных или офисных локальных сетей  при переходе с кабельного доступа  на WiMAX. Кроме того, это дает возможность  максимально упростить развертывание  сетей, используя знакомые технологии для подключения компьютеров.

 

 

2.4 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.

Рассмотрим все эти  режимы подробнее.

Fixed WiMAX

Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям (xDSL, T1 и т. п.). Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует  прямой видимости между передатчиком и приемником сигнала (рис. 6.3).

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 на мобильный 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 вышек WiMAX, нежели те, что использовались во время предыдущей сессии. Такой  режим разработан в основном для  портативных устройств, таких как  ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет  также уменьшить расход энергии  клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных  устройств.

 
Рисунок 2.4 - Прямая видимость между  передатчиком и приемником сигнала

 

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 все  еще 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 и т. д.).

Введение данного режима сделало целесообразным использование  технологии WiMAX для смартфонов и  КПК (рис. 6.4). В 2006 году начат выпуск устройств, работающих в портативном  режиме WiMAX. Считается, что до 2008 года внедрение и продвижение на рынок  именно этого режима будет приоритетным.

 
Рисунок 2.5 -  Использование технологии WiMax для смартфонов и КПК

 

Mobile WiMAX

Этот режим был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить  скорость перемещения клиентского  оборудования до 120 км/ч. Основные достижения этого режима:

- устойчивость к многолучевому  распространению сигнала и собственным  помехам.

- масштабируемая пропускная  способность канала.

Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать асимметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счет эстафетной передачи сессии между  каналами.

Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять  устойчивое соединение при резкой смене  направления движения клиентского  оборудования.

Распределение выделяемых частот и использование субканалов при  высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учетом силы сигнала  клиентского оборудования.

Управление энергосбережением  позволяет оптимизировать затраты  энергии на поддержание связи  портативных устройств в режиме ожидания или простоя.

Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд  и менее сократить время на переключение клиента между каналами.

Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:

- достижения высокой скорости  передачи данных с использованием  одночастотной сети;

- гибкого распределения  радиочастот;

- низкого потребления  энергии портативными устройствами;

- быстрого переключения  между каналами.

Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет  использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы  направленности, пространственно-временное  маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение).

Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для  повторного использования частот с  минимальными потерями.

Размер фрейма в 5 миллисекунд  обеспечивает компромисс между надежностью  передачи данных за счет использования  малых пакетов и накладными расходами  за счет увеличения числа пакетов (и, как следствие, заголовков).

 

 

2.5 Назначение технологии WiMAX

 

 

Существующие системы  проводной цифровой связи уже  не могут в полной мере удовлетворять  растущим потребностям высокоскоростного  широкополосного доступа. Важнейшими их недостатками являются длительные сроки прокладки, сложности расширения, высокие затраты, проблема "последней  мили". Основной является так называемая проблема "последней мили". Высокоскоростные цифровые соединительные линии DSL (Digital Subscriber Line) не снимают этой проблемы.  
        Технология WiMAX позволяет разрешить эту проблему в кратчайшие сроки, так как не требует прокладки соединительных линий к зданиям. Значительно проще развернуть по городу сеть базовых станций (наподобие сети станций сотовой связи). Каждая базовая станция в типовом варианте покрывает зону радиусом 6—8 км (возможны зоны радиусом до 30—50 км). В этой зоне каждая базовая станция (BS) по схеме "точка-многоточка" способна передавать/принимать сигналы от сотен зданий, внутри которых находится телекоммуникационное оборудование пользователей.  
        WiMAX — это технология операторского класса с высоким качеством сервиса. Обеспечивает мультисервисность, гибкое распределение частот, задание приоритетов различным видам трафика, возможность обеспечения разного уровня качества (QoS), поддержка интерфейсов IP, TDM E1/T1. Эта технология позволяет параллельно передавать голос, мультимедийную информацию и цифровые данные по одному каналу связи. Важным преимуществом является возможность быстро наращивать емкость и расширять территорию связи.  
        Одна базовая станция в сети стандарта 802.16 может обслуживать большое количество пользователей и предоставлять им услуги разного уровня: например, для 60 бизнес-пользователей — услуги по каналу Е1 (со скоростью 2,048 Мбит/с) и одновременно для сотен домашних пользователей с меньшими полосами требуемых частот.  
        Изначально стандарт 802.16 предусматривал возможность развертывания в диапазоне частот 10—66 ГГц в выделяемых для этого полосах частот и предусматривал соединение только в пределах прямой видимости. Расширение стандарта 802.16а, принятое в январе 2003 г., работает в диапазоне более низких частот: 2—11 ГГц, что позволяет организовывать связь на более обширных территориях. Кроме того, в данный момент специальная рабочая группа по продвижению 802.16а рассматривает возможность организации роуминга между разными сетями 802.16а, чтобы сделать этот тип связи аналогом мобильной телефонии.  
        Внедрение технологии WiMAX предполагается выполнять в три этапа.