Беспроводная технология WIMAX

Основные понятия WiMAX. Архитектура сетей WiMAX IEEE 802.16

WiMAX - семейство стандартов IЕЕЕ 802.16 - это радиотехнология, которая обеспечивает двусторонний доступ к Интернету на дальнем расстоянии со скоростями до75 Мбит/с, а также QoS [6].

WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access, стандартизированная институтом IEEE технология широкополосной беспроводной связи, дополняющая линии DSL и кабельные технологии в качестве альтернативного решения проблемы "последней мили" на больших расстояниях. Технологию WiMAX можно использовать для реализации широкополосных соединений "последней мили", развертывания точек беспроводного доступа, организации высокоскоростной связи между филиалами компаний и решения других подобных задач.

Базовая станция (БС, BS — Base Station) размещается в здании или на вышке и осуществляет связь с абонентскими станциями (АС, SS —Subscriber Station) по схеме: “точка – мультиточка” (Point to Multipoint —PMP). Возможен сеточный режим связи (Mesh — сетка связей ―точка – точка — PTP), когда любые клиенты (АС) могут осуществлять связь между собой непосредственно, а антенные системы, как правило, являются ненаправленными. БС предоставляет соединение с основной сетью и радиоканалы к другим станциям. Радиус действия БС может достигать 30 км (в случае прямой видимости) при типовом радиусе сети 6–8 км. АС может быть радиотерминалом или повторителем, который используется для организации локального трафика. Трафик может проходить через несколько повторителей, прежде чем достигнет клиента. Антенны в этом случае являются направленными.

Канал связи предполагает наличие двух направлений передачи: восходящий канал (АС – БС, uplink) и нисходящий (БС – АС, downlink). Эти два канала используют разные неперекрывающиеся частотные диапазоны при частотном дуплексе и различные интервалы времени при временном дуплексе.

Простейший способ представления архитектуры сетей WiMAX заключается в их описании как совокупности БС, которые располагаются на крышах высотных зданий или вышках, и клиентских приемо-передатчиков (см. рисунок 5.1).

Радиосеть обмена данными между БС и АС работает в СВЧ-диапазоне от 2 до 11 ГГц. Такая сеть в идеальных условиях может обеспечить техническую скорость передачи информации до 75 Мбит/с и не требует того,

чтобы БС находилась на расстоянии прямой видимости от пользователя.

Рисунок 5.1 – Схематичное изображение сети WiMAX

Диапазон частот от 10 до 66 ГГц используется для установления соединения между соседними базовыми станциями при условии, что они располагаются в зоне прямой видимости друг от друга. Так как в городской среде это условие может оказаться невыполнимым, связь между базовыми станциями иногда организуют посредством прокладки кабелей.

При более детальном рассмотрении сеть WiMAX можно описать как совокупность беспроводного и базового (опорного) сегментов. Первый описывается в стандарте IEEE 802.16, второй определяется спецификациями WiMAX Forum. Базовый сегмент объединяет все аспекты, не относящиеся к абонентской радиосети, т. е. связь базовых станций друг с другом, связь с локальными сетями (в том числе, интернетом) и т. п. Базовый сегмент основывается на IP-протоколе и стандарте IEEE 802.3-2005 (Ethernet). Однако само описание архитектуры в части, не относящейся к беспроводной клиентской сети, содержится в документах WiMAX Forum, объединенных под общим названием – "Network Architecture".

В этих спецификациях к сетям WiMAX предъявляются такие требования, как независимость архитектуры от функций и структуры транспортной IP-сети. В то же время, должны обеспечиваться услуги, основанные на применении IP-протокола (SMS over IP, MMS, WAP и др.), а также мобильная телефония на основе VoIP и мультимедийные услуги. Обязательным является условие поддержки архитектурой протоколов IPv4 и IPv6. Сети WiMAX должны быть легко масштабируемыми и гибко изменяемыми и основываться на принципе декомпозиции (строиться на основе стандартных логических модулей, объединяемых через стандартные интерфейсы). Свойства масштабируемости и гибкости необходимо обеспечивать по таким эксплуатационным характеристикам, как плотность абонентов, географическая протяженность зоны покрытия, частотные диапазоны, топология сети, мобильность абонентов. Сети WiMAX должны поддерживать взаимодействие с другими беспроводными (3GPP, 3GPP2) или проводными (DSL) сетями. Большое значение имеет способность обеспечивать различные уровни качества обслуживания QoS.

Режимы WiMAX

Стандарт 802.16e. На данный момент предоставляет следующие режимы [6]:

–FixedWiMAX–фиксированный доступ.

–NomadicWiMAX– сеансовый доступ.

–PortableWiMAX– доступ в режиме перемещения.

–MobileWiMAX– мобильный доступ.

FixedWiMAX. 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 (см. рисунок 5.2).

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 FixedWiMAX, ожидают скорого перехода на портативный и в дальнейшем на мобильный WiMAX.

Рисунок 5.2 – Fixed WiMAX

Nomadic WiMAX. Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующемуFixedWiMAX. 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.

PortableWiMAX. Для режима PortableWiMAX 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 (см. рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 - Технология WiMАХ для смартфонов и КПК

MobileWiMAX. 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 TimeDivisionDuplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать асимметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счет эстафетной передачи сессии между каналами;

–технология Hybrid–AutomaticRepeatRequest (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 – OptimizedHardHandoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами и т.д.

Протокол V.5

Основные понятия

Разработка универсального протокола V5 между сетью доступа и АТС была начата ETSI в 1991 г., первые спецификации V5 были изданы в 1993 г., а в 1995 г. ITU-T утвердил рекомендации для V5.1 и V5.2. Местоположение универсального интерфейса V5, поддерживающего различные виды абонентского доступа, согласно рекомендации I.411, определено в опорной точке V, которая находится на границе между станционным окончанием ЕТ и линией цифрового доступа [7, 8].

Интерфейс V5.1 позволяет подключить к АТС по цифровому тракту 2048 Кбит/с до 30 аналоговых абонентских линий или В-каналов без концентрации. Сигнализация осуществляется по общему каналу.

Интерфейс V5.2 ориентирован на группу до 16 трактов 2048 Кбит/с и поддерживает концентрацию, например, с коэффициентом 8. В каждом тракте может быть предусмотрено несколько каналов сигнализации.

Модель V5: Услуги и порты пользователя

Интерфейс V5 расположен между сетью доступа (AN — access network). и оконечной АТС (см. рисунок 6.1)[7, 8].

Рисунок 6.1 - Функциональная модель доступа через интерфейс V5

Для переноса через интерфейс пользовательской, сигнальной и служебной информации в нем имеются информационные системы передачи 2048 Кбит/с, которые впоследствии будут именоваться трактами 2048 Кбит/с.

Тракты обеспечивают связь между оконечной АТС и пользовательскими портами, как входящими в сеть доступа, так и находящимися вне этой сети. Пользовательские порты, связанные с интерфейсом V5, поддерживают услуги разных типов, причем одни и те же физические порты могут поддерживать разные услуги. Имеется четыре общих типа услуг, которые могут поддерживать пользовательский порт, связанный с интерфейсом V5, причем одновременно могут поддерживаться не более трех типов услуг.

Первые два типа услуг относятся к обслуживанию по запросу (on-demand services), когда соединение устанавливается АТС при поступлении очередного телефонного вызова или вызова ISDN.

Телефонный вызов может инициироваться абонентом ТфОП, имеющим аппарат с декадным набором номера или с DTMF, пользующимся или не пользующимся дополнительными услугами. Телефонный вызов может также инициироваться включенной в ТфОП малой АТС, тоже оборудованной средствами декадного набора номера или DTMF и пользующейся или не пользующейся дополнительными услугами.

Вызов ISDN может поступить от сетевого окончания NT, являющегося элементом сети доступа, или от других элементов, соответствующих рекомендациям G.960 и G.961. При этом не накладываются никакие ограничения на использование В-каналов и каких-либо дополнительных услуг, а также на передачу пакетных данных в В- и D-каналах.

Другие два типа услуг — это услуги арендованной линии, когда соединение не устанавливается для каждого вызова отдельно, а задается средствами управления конфигурацией сети.

Первый из этих двух типов услуг — услуги постоянной (закрепленной) арендованной линии (permanent leased line). Эти услуги реализуются сетью арендованных линий, фактически независимых от АТС и, следовательно, от интерфейса V5.

Второй тип услуги арендованной линии — услуги полупостоянной арендованной линии (semi-permanent leased line), когда нагрузка маршрутизируется через АТС. Интерфейс V5 позволяет использовать для организации полупостоянной арендованной линии либо один, или два В-канала базового доступа ISDN, либо аналоговую или цифровую линию без выделенного канала сигнализации.

Пользовательские порты, которые связаны с интерфейсом V5 и поддерживают обслуживание по запросу, делятся на пользовательские порты ТфОП и пользовательские порты ISDN. Последние могут поддерживать также и услуги арендованной линии.

Пользовательские порты, которые связаны с интерфейсом V5 и не поддерживают услуги по запросу, классифицируются как арендованные порты. Они должны поддерживать либо услугу полупостоянной арендованной линии, либо комбинацию услуг полупостоянной и постоянной арендованной линии, поскольку арендованный порт, который поддерживает только услугу закрепленной арендованной линии, вообще не подключается к станции через интерфейс V5. Арендованные порты, которые требуют только одного несущего канала в интерфейсе V5, обслуживаются так же, как порты ТфОП. Арендованные порты, которые требуют более одного несущего канала, обслуживаются как порты ISDN.

Интерфейс V5.1 содержит один тракт 2048 кбит/с. Интерфейс V5.2 содержит несколько таких трактов (до шестнадцати). В дополнение к функциям интерфейса V5.1, интерфейс V5.2 предусматривает концентрацию нагрузки и динамическое назначение канальных интервалов. Тракты 2048 кбит/с обоих интерфейсов разделены (как обычно) на 32 канальных интервала, при этом КИО используется для цикловой синхронизации. Один интерфейс V5.1 может поддерживать до 30 портов ТфОП (или до 15 портов базового доступа ISDN), в то время как один интерфейс V5.2 может поддерживать до двух тысяч портов ТфОП (или до 1000 портов базового доступа ISDN). В обоих случаях порты ТфОП и порты ISDN могут использовать один и тот же тракт интерфейса V5.

Таблица 6.1 - Характеристики интерфейсов V5.1 и V5.2

Протоколы и пропускная способность

В интерфейсе V5 действует совокупность различных протоколов. Это — протокол управления базовыми соединениями ISDN, протокол управления соединениями ТфОП и служебные протоколы (управления, управления трактами интерфейса, назначения несущих каналов и защиты). Протокол ТфОП и протокол управления действуют в обоих интерфейсах V5.1 и V5.2, а остальные служебные протоколы — только в интерфейсе V5.2 [7, 8].

В рекомендации Q.921 для ISDN были определены три типа данных, передаваемых по D-каналу, которые соответствуют различным адресам уровня 2 интерфейса V5. Информация D-канала пользовательских портов ISDN включает в себя сигнальную информацию управления соединениями (s-тип), данные трансляции кадров от пользователя к пользователю (f-тип) и передаваемые от пользователя к пользователю пакетные данные (р-тип). Данные р-и f-типов обычно маршрутизируются к коммутаторам пакетов и трансляции кадров.

Выполнение каждого из перечисленных протоколов сопровождается передачей через интерфейс V5 данных соответствующего типа. Таким образом, через интерфейс V5.2 передаются данные:

- р-типа — данные D-канала ISDN с SAPI==16;

- f-типа — данные D-канала ISDN с SAPI= 32-64;

- Ds-типа — сигнальная информация D-канала ISDN (SAPI не равен ни одному из приведенных выше);

- сигнальная информация ТфОП;

- информация служебного протокола управления;

- информация служебного протокола управления трактами;

- информация служебного протокола назначения несущих каналов (ВСС-протокола);

- информация служебного протокола резервирования.

Ресурс, выделяемый в интерфейсе V5 для передачи данных одного типа, называется С-путем. Группа из одного или нескольких С-путей в интерфейсе V5.2 таких, что каждый из них отличается от остальных С-путей в этой группе типом передаваемых данных и что среди них отсутствует С-путь, передающий информацию протокола резервирования, составляет логический С-канал. Канал 64 кбит/с в тракте интерфейса V5, предназначенный для передачи данных логического С-канала, называется физическим С-каналом.

С-пути для передачи информации служебных протоколов управления, назначения В-каналов, управления трактами и резервирования всегда должны размещаться в канальном интервале 16 первого тракта. С-пути, по которым передаются данные р-, f-и Ds-типов от пользовательского порта ISDN, могут размещаться в одном логическом С-канале или разделяться для передачи по разным С-каналам. При этом данные р-, f- и Ds-типов от одного пользовательского порта не должны передаваться по разным логическим С-каналам. Каждый пользовательский порт ISDN для данных каждого из трех типов всегда использует один и тот же канальный интервал V5, но может использовать разные канальные интервалы V5 для данных различных типов. Для данных одного типа разные пользовательские порты ISDN могут использовать разные С-пути в разных канальных интервалах V5. Протокол управления соединениями ТфОП также использует только один канальный интервал, но ни он, ни С-пути с данными D-канала ISDN не могут занимать канальный интервал, используемый служебными протоколами, для увеличения ресурса, требующегося протоколу управления базовыми соединениями, когда возрастает количество пользовательских портов или нафузка D-канала ISDN.

В интерфейсе V5.1 имеется только один С-путь для данных сигнализации ISDN (Cs-путь) с соответствующим уникальным канальным интервалом, который может быть разделен или не разделен с другими протоколами или с другими типами С-путей ISDN, каковыми могут быть Ср-пути ISDN (пакетные данные) и Cf-пути ISDN (трансляция кадров), использующие до трех канальных интервалов.

В интерфейсе V5.2 действуют и другие служебные протоколы, которые используют тот же канальный интервал, что и протокол служебного управления. В интерфейсе V5.2 предусмотрена возможность резервирования логических С-каналов, по которым между сетью доступа и оконечной станцией передается сигнальная информация и данные служебных протоколов.

Протокол управления трактами в интерфейсе V5.2 позволяет идентифицировать тракты, блокировать и разблокировать их. Блокировка и разблокировка трактов нужны для обеспечения нормального обслуживания потоков нагрузки в интерфейсе и наращивания его пропускной способности по мере роста нагрузки.

Протокол назначения несущих каналов (ВСС — bearer channel connection) работает с несущими канальными интервалами интерфейса V5, использующимися для передачи со скоростью 64 кбит/с информации пользователей между пользовательскими портами и АТС. Эти канальные интервалы назначаются для пользовательских портов таким образом, чтобы и сеть доступа, и станция знали, какие именно канальные интервалы используются для конкретного пользовательского порта. В интерфейсе V5.1 предусматривается статическое, не меняющееся от вызова к вызову назначение несущих канальных интервалов; оно может быть изменено средствами протокола служебного управления. В интерфейсе V5.2 назначение несущих канальных интервалов для пользовательских портов — динамическое, производящееся для каждого вызова. Отображение несущих каналов пользовательских портов на несущие канальные интервалы интерфейса V5.2 и обеспечивается протоколом ВСС. Динамическое назначение несущих канальных интервалов в интерфейсе V5.2 также обеспечивает концентрацию информационной нагрузки. С учетом того, что обычно применяется коэффициент концентрации 8, одним интерфейсом V5.2, имеющим 16 трактов, можно обслуживать сеть доступа примерно на 4000 портов ТфОП. Один интерфейс V5.1 может поддерживать только до 30 портов ТфОП, поскольку по меньшей мере, один канальный интервал тракта требуется для сигнализации и один - для цикловой синхронизации.