CC BY
270
His
СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
Абдуллаев И.Х., Асиновский А.В., Мясникова А.И.,
Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики
Сегодня трудно себе представить сотовую связь без передачи данных. Для абонентов уже стало привычным проверить почту или посетить пару web-страниц. Многие услуги, предоставляемые оператором, используют подключение к сети Интернет. Передачу данных через сотовые системы связи часто используют для доступа в сеть Интернет с мобильных компьютеров, что делает их по-настоящему мобильными. Однако удовлетворительные скорости передачи данных были не всегда доступны для абонентов.
На заре сотовой связи, когда сотовый телефон использовался в первую очередь как телефон, т.е. для того чтобы совершать звонки, для стандарта NMT (1981 г.) была предложена новая услуга — передача данных. Максимальная скорость была ограничена 1,2 кбит/с. В те времена еще не было сети Интернет, и основное назначение данной услуги было передача текста. Однако в то время эта услуга не нашла особого интереса к себе и лишь несколько операторов решили реализовать ее на практике.
Стандарт GSM — это стандарт сотовой связи, в котором предполагалась услуга передачи данных еще до начала разработки. Она реа-лизовывалась на основе технологии CSD (Circuit Switched Data) с максимальной скоростью 9,6 кбит/с. Данные передавались внутри разговорных каналов. Соответственно, ско-
рость была ограничена пропускной способностью одного таймслота. С помощью технологии HSCSD (High Speed Circuit Switch Data) скорость передачи данных может быть увеличена до 57,6 кбит/ с. Это было достигнуто за счет возможности объединения нескольких свободных таймслотов для передачи данных одного абонента.
Mobile WIMAX. Стандарт WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) — это технология высокоскоростной беспроводной передачи данных, которая в настоящее время нашла широкое распространение в качестве способа предоставления широкополосного абонентского доступа. Разработкой этого стандарта занимается WIMAX Forum, а релизы публикуются со следующей нумерацией: "802.16x", где "x" — это буквенное обозначение версии. Они отличаются друг от друга, в первую очередь, способами модуляции и кодирования сигнала на радио-интерфейсе.
Внедрение WiMAX подразделено на три основных фазы. Первая фаза (рис. 1) внедрения подразумевает внедрение и широкое распространение технологии WiMAX стандарта IEEE 802.16-2004, заменившего собой ранние версии IEEE 802.16a и 802.16d, при котором используются внешние антенны по типу "сотовой тарелочки", фактически нацеленные
Cuslomer Premise (Home. Business or HOTSPOT)
Рис. 1. Внедрение технологии WiMAX стандарта IEEE 802.16-2004
Broadband wireless access on the WiMax technology
Abdullaev I.H., Asinovsky A.V., Myasnikova A.I.
North-Caucasian branch of the Moscow technical university relationship and informatics
Abstract
In article one of the most perspective broadband wireless technologies of XXI centuries is described. Evolution of development standard WiMAX with the description of corresponding advantages is shown. Also in article given all components of a broadband mobile network.
Keywords: WiMAX, broadband access, introduction WiMAX, classification.
б
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2010
STANDARDS FOR BROADBAND WIRELESS ACCESS
His
Рис. 2. Вторая фаза использование технологии WiMAX
на потребителей в фиксированных направлениях.
Вторая фаза (рис. 2) подразумевает использование внутренних антенн, упрощенное и более гибкое использование технологии WiMAX для обеспечения доступа.
Третья фаза, как показывает практика, нашла широкое внедрение спецификаций IEEE 802.16e (рис. 3), ратификация которых произошла в начале 2006 года, и появление первых сетей в России — в 2008 г. (ООО "Скар-тел"). Это означает возможность работы решений с пометкой WiMAX-Certified даже в составе портативных устройств, перемещающихся по определенной "зоне покрытия" сети, по образу и подобию современных сотовых и Wi-Fi сетей.
Разработка столь сложных стандартов подразумевает сосуществование с другими беспроводными стандартами, включая сотовые сети, разработку новых поколений "умных" антенн, применение новых видов модуляции вроде OFDMA, новых типов сервисов вроде QoS, защиту данных и множество других параметров. В этом обзорном материале по WiMAX изложение подробностей о всех тонкостях новых стандартов не предусмотрено, но на самом деле это длительный и кропотливый процесс.
Стандарты с индексами "e" и "m" можно отнести к мобильным технологиям. Главное их отличие от предыдущих релизов заключатся в возможности хэндовера между двумя сотами.
Споры о том, относятся ли 802.16e и 802.16m к стандартам сотовой связи ведутся уже давно. С одной стороны они разработаны на основе немобильных стандартов. Но с другой стороны эти стандарты имеют много внешних признаков сотовых систем связи. Главным из таких признаков является ячеистая структура радиопокрытия с возможностью переиспользования частот в другой географической зоне.
Кроме того, Mobile WIMAX предоставляет возможность хэндовераа между сотами, т.е. соединение установленное в области покрытия одной базовой станции может быть без разрыва передано в соседнюю соту. Также стандарты 802.16e и 802.16m позволяют пользоваться услугами сети во время движения, что является также схожим признаком с сотовыми системами связи. В заключение необходимо отметить большой радиус покрытия одной базовой станции (до 50 км), что в отличии от сетей стандарта WI-FI также позволяет отнести Mobile WIMAX к сетям сотовой мобильной связи.
Если стандарты 802.16e и 802.16m относятся к сотовым системам связи, то возникает следующий вопрос: к какому поколению они относятся? Их классификацию можно сделать на основе двух отличительных признаков: Во-первых, эти стандарты поддерживают скорости передачи данных в несколько сотен мегабит в секунду, что дает право поставить их в один ряд со стандартом LTE, т.е. отнести их к стандартам 4G. Во-вторых, Mobile WIMAX не предоставляют услугу голосовой передачи данных по
коммутируемым соединениям. Этот сервис реализован в оконечных абонентских устройствах на программном уровне, а передача и коммутация осуществляется на основе IP-технологии, т.е. в Mobile WIMAX реализована поддержка технологии Voice over IP (VoIP). Этот факт также является отличительной чертой стандартов четвертого поколения.
Стандарты Mobile WIMAX. Рассмотрим основные отличия стандартов 802.16e и 802.16m. Релиз 802.16e предусматривает скорость передачи данных до 37 Мбит/сек в downlink (от базовой станции) и 17 Мбит/сек в uplink. Уже тогда была предусмотрена возможность хэндоверов между соседними базовыми станциями, а также роуминга, в том числе и международного в сетях других операторов. Максимально на одной несущей (10 МГц) может быть до 30 VoIP-соединений.
В релизе 802.16e 2009 г. были введены ряд новшеств: полоса одного канала расширена до 20 МГц. Кроме того, теперь возможно использование до двух частотных каналов для одного соединения. Это позволило увеличить максимальную скорость передачи данных в downlink до 141 Мбит/с, а uplink — до 138 Мбит/с. Теперь может быть до 43 одновременно установленных голосовых соединений на одной несущей.
Стандарт 802.16m появился в начале 2010 г. Он предусматривает ряд изменений, которые позволяют более эффективно использовать частотный диапазон: несколько механизмов управления мощностью и смягчения интерференции на краю соты, 4x4 MIMO, улучшенная система автоматического перезапроса ошибочных сообщений HARQ и др.
802.1 Be —
802.16-2004
Indoor/Outdoor modems Portable Indoor/Outdoor Residential Gateways modems 1 aptops IIHs 1 aptops HHs
^Fixed Access ^^^^JN от ad ¡city portability
■ Indoor f Outdoor
• DSL-lte service
■ No Mobility
• VoIP and other apps.
■ DSL from different 'points of attachment'
» Mo mobility
■ Limited No inter operator roaming ■VofP and other apps
♦Limited mobility
* Brea k-before-make handovers
* VoIP bent when stationary
- Mu№ operator roaming
* Interworking wf Best Lffwt handovers
Full Mobility
• Optimized Make-before-break handovers (latency, QoS, data Говв)
■ Intcrworfcing w! sea mica» handovers
■ Optimized low power operation
■ VoIP - good stationary Of mobile
РИС. 3. Внедрение спецификаций IEEE 802.16e
High technologies in Earth space research № 1-2010
His
СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
Все эти нововведения дают возможность передачи данных в downlink до 365 Мбит/с, а uplink — до 376 Мбит/с. На одной полосе 20 МГц теперь могут одновременно поддерживаться до 80 VoIP соединений. Стандарт 802.16m также включает улучшенный сервис определения местоположения по базовым станциям, расширенные возможности рассылки широковещательных сообщений, более строгие меры безопасности. Теперь услуги Mobile WIMAX можно получить на скоростях до 350 км/час, а в некоторых случая (в зависимости от частотного диапазона) до 500 км/час.
Сеть Mobile WIMAX состоит из 2-х основных подсистем (рис. 4): ASN (Access Service Network) — сеть доступа и CSN (Connectivity Servce Network) — сеть обеспечения услуг.
Сеть CSN. Согласно спецификациям WIMAX Forum определяется как набор функций, предоставляющих абонентам сети функции IP соединений.
К основным функциям CSN относятся:
— распределение IP-адресов и параметров между пользователями сети;
— доступ к сети Internet;
— функции AAA;
— контроль доступа абонентов в сеть, основанный на профилях пользователей;
—туннелирование между сетями ASN-CSN;
— биллинг и межоператорское взаимодействие;
— туннелирование между CSN и роуминг;
— мобильность между различными ASN, т.е. хэндовер между различными сетями доступа;
— обеспечение сервисов WIMAX, а именно определение местоположение, предоставление соединений типа "точка-точка", резервирование соединений и т.п.
В сеть CSN могут входить такие элементы как роутеры, AAA сервер, базы данных абонентов, устройства преобразования сигнализации.
MS
AAA (Authentication, Authorization, Accounting) сервер — устройство обеспечения авторизации, аутентификации и аудита пользователей сети. Служит для контроля доступа абонентов в сеть, назначения ключей шифрования, регистрации параметров соединений. Кроме того, хранит профили качества обслуживания абонентов.
PF (Policy Function) — база данных содержащая сценарии выполнения приложений для различных услуг, предоставляемых сетью WIMAX.
HA (Home Agent) — элемент сети отвечающий за возможность роуминга. Отвечает за обмен данными между сетями разных операторов.
Сеть ASN — это набор сетевых элементов, предназначенных для организации доступа абонентов WIMAX в сеть.
ASN выполняет следующие основные функции:
— доступ абонентов в сеть по радиосоединению;
— передача ААА-сообщений между CSN и абонентским оборудованием для обеспечения функций аутентификации, авторизации и аудита соединений;
— установление сигнальных соединений между и абонентским оборудованием;
— управление радиоресурсами;
— пейджинг, т.е. поиск абонентов в сети при поступлении входящего соединения;
— мобильность абонентов (управление хэндоверами);
— туннелирование между сетями ASN-CSN.
В состав сети ASN входят 2 основных
элемента.
BS (Base Station) — базовая станция. Основной задачей является установление, поддержание и разъединение радиосоединений. Кроме того, выполняет обработку сигнализации, распределения ресурсов среди абонентов. В отличии от сетей LTE, UMTS и GSM базовая станция
сети WIMAX берет на себя большую часть функций сети абонентского доступа.
ASN Gateway — предназначен для объединения трафика и сообщений сигнализации от базовых станций и дальнейшей их передачи в сеть CSN. В одной ASN может быгть несколько ASN Gateway. Причем к разным ASN Gateway могут быпъ подключены одни и те же BS для распределения нагрузки. ASN Gateway — это, по-сути, агрегатор нагрузки сети доступа.
Также неотъемлемым элементом сети Mobile WIMAX является абонентское оборудование. В качестве такового могут выступать мобильный телефон, КПК, ноутбук/стационарный компьютер с встроенным или внешним адаптером и др.
Таким образом, сеть Mobile WIMAX является полноценным представителем сетей сотовой связи, предоставляющая большие возможности, высокое качество и безопасность соединений. Это дает возможность предсказывать дальнейшее развитие этого стандарта и широкое распространение на практике.
Литература
1. Летков К.Е., Кисляков МА Эксперимент по сбору трафика в сети беспроводного широкополосного доступа стандарта IEEE 802.16е // Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 49-55.
2. Летков К.Е., Донченко АА Анализ существующих алгоритмов распределения частотного ресурса беспроводных сетей специального назначения //Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 50-52.
3. Донченко АА., Летков К.Е. Анализ эффективности применения алгоритмов динамического управления пропускной способностью канала сети беспроводного широкополосного доступа //Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 69-72.
4. Летков К.Е., Донченко МА Требования к показателям качества информационного обмена в сетях беспроводного широкополосного доступа // Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 59-64.
5. Летков К.Е. Методы оценки качества информационного обмена в сетях беспроводного широкополосного доступа // Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. — С. 64-68.
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2010
