Развитие WiMAX
История развития стандарта IEEE 802.16
Детали физического уровня стандарта 802.16
Корпорация Intel представила новое решение с поддержкой WiMAX
Выступая с докладом на конгрессе 3GSM World Congress 2004, крупнейшем ежегодном мероприятии отрасли беспроводной связи, президент и главный директор по операциям Intel Пол Отеллини (Paul Otellini) отметил, что 2006-2008 годы должны стать переломным моментом для WiMAX аналогично тому, как это произошло в последнее время с технологией Wi-Fi, и заявил, что поддержка WiMAX будет к 2006 году реализована в ноутбуках, а к 2007 году и в мобильных телефонах. По прогнозу исследовательской компании Intex Management Service (IMS), объемы продаж оборудования стандарта 802.16 составят в 2008 году до 2,8 млрд. долл.
История развития стандарта IEEE 802.16
азвитие стандарта IEEE 802.16 началось в 2001 году — с активной работы по созданию нового беспроводного стандарта широкополосной связи. В декабре 2001 года была принята первая версия стандарта IEEE 802.16-2001, который изначально предусматривал рабочую полосу частот 10-66 ГГц.
Данный стандарт описывал организацию широкополосной беспроводной связи с топологией «точка—многоточие» и был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса (metropolitan area network, MAN). Именно поэтому данный стандарт называли также WirelessMAN. На физическом уровне стандарт IEEE 802.16-2001 предполагал использование всего одной несущей частоты (Single-Carrier, SC), поэтому в название протокола стали добавлять SC, то есть WirelessMAN-SC.
Организация связи в частотном диапазоне 10-66 ГГц из-за наличия сильного затухания коротких длин волн возможна только в зоне прямой видимости между передатчиком и приемником сигнала. В этом заключалась одна из особенностей протокола WirelessMAN-SC. В то же время использование такого частотного диапазона (то есть требование именно прямой видимости приемника и передатчика и невозможность работы на отражениях) позволяло избежать одной из главных проблем радиосвязи — многолучевого распространения сигнала. Ширина каналов связи, которые могут быть использованы в этом частотном диапазоне, является довольно большой (типичное значение — 25 или 28 МГц), что позволяет достигать высоких (порядка 120 Мбит/с) скоростей передачи.
Необходимость построения беспроводной сети в зоне прямой видимости привела к тому, что устройства стандарта 802.16 так и не получили широкого распространения. Поэтому несколько позднее, в январе 2003 года, было принято расширение стандарта 802.16 под названием 802.16a-2003, которое предусматривало использование частотного диапазона от 2 до 11 ГГц. Данный стандарт также был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса. Предполагалось, что он станет альтернативой традиционным решениям широкополосного доступа для последней мили — кабельным модемам, xDSL и каналам Т1/Е1. Кроме того, сети стандарта 802.16a планировались для использования в качестве дополнительной технологии для подсоединения точек доступа стандарта 802.11b/g/a к Интернету.
Основным отличием стандарта 802.16a от базового стандарта 802.16 было применение иного частотного диапазона, который не требует прямой видимости между приемником и передатчиком. Зона покрытия таких беспроводных сетей значительно шире, чем сетей стандарта 802.16. Опуская детали протокола, отметим лишь, что использование частотного диапазона 2-11 ГГц потребовало и принципиального пересмотра техники кодирования и модуляции сигнала на физическом уровне.
Логическим продолжением стандарта 802.16a стал стандарт 802.16d, который предусматривал возможность реализации фиксированного доступа внутри помещений.
Окончательно стандарт 802.16d был принят в июле 2004 года и получил название 802.16-2004, после чего необходимость рассмотрения отдельных стандартов, 802.16d и 802.16a, стала неактуальной, поскольку итоговая версия охватывала и стандарт 802.16d, и 802.16a.
Наиболее активно продвижением IEEE 802.16 занимается сейчас WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) — некоммерческая организация, образованная по инициативе корпорации Intel с участием ведущих производителей телекоммуникационного оборудования (Airspan Networks, Alvarion Ltd, Aperto Networks, Fujitsu Microelectronics America, Intel, OFDM Forum, Proxim Corporation, Wi-LAN, Inc. и др.).
Целью организации WiMAX является содействие разработке беспроводного оборудования для доступа к широкополосным сетям, скорейшее развертывание сетей во всем мире, сертификация оборудования 802.16, а также подготовка спецификаций, призванных обеспечить совместимость оборудования разных производителей. По данным аналитиков, члены WiMAX представляют собой более 75% рынка производителей оборудования широкополосного беспроводного доступа.
В настоящее время в стадии разработки находится стандарт IEEE 802.16е, который рассматривает вопросы роуминга между сетями различных «беспроводных» стандартов, чтобы пользователь без ущерба для сеанса связи мог переходить из беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11a/b/g в сети IEEE 802.16 и обратно.
Решение вопросов роуминга представляется весьма важным для дальнейшего продвижения беспроводных технологий. Сегодня пользователи сетей стандарта IEEE 802.11a/b/g могут пользоваться услугами беспроводного доступа только находясь на территории хот-спота или зоны доступа. Покидая такую зону, они теряют возможность соединения. С помощью технологии IEEE 802.16e пользователи получат возможность оптимального соединения: посредством IEEE 802.11 a/b/g — находясь в пределах соответствующего хот-спота, посредством IEEE 802.16 — находясь в зоне действия «городской» сети WMAN.
Если протокол IEEE 802.16 — это протокол операторского класса, то протокол IEEE 802.16e ориентирован на конечных пользователей, причем мобильных, и в этом смысле он представляет собой альтернативу стандартам 802.11a/b/g. По мнению экспертов Intel, в недалеком будущем пользователь, имея ноутбук или КПК со встроенными возможностями стандарта IEEE 802.16e, сможет постоянно оставаться на связи в любой точке города. Мало того, принятие IEEE 802.16 в качестве общеевропейского стандарта позволит активным путешественникам пользоваться роумингом по всей Европе.
 |
|
Особенности стандарта 802.16
самого начала стандарт 802.16 задумывался таким образом, чтобы развиваться как набор радиоинтерфейсов, базирующихся на общем протоколе управления доступом к среде передачи данных (Medium Access Control, МАС), но с различными спецификациями физического уровня, зависящими от используемой части спектра. МАС-уровень протокола разрабатывался для сетей доступа с топологией «точка—многоточка» (point-to-multipoint) с целью достижения высокой скорости передачи сигналов как в восходящем Up Link-потоке (поток от абонента к базовой станции), так и в нисходящем Down Link-потоке (поток от базовой станции к абоненту).
По структуре сети стандарта IEEE 802.16 очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь также имеются базовые станции, которые действуют в радиусе до 50 км, но при этом их не обязательно устанавливать на вышках — для них вполне подходят крыши домов. А для соединения базовой станции с пользователем необходимо всего лишь устанавливаемое в помещении абонентское оборудование. С этого блока сигнал поступает по стандартному Ethernet-кабелю либо непосредственно на конкретный компьютер, либо на точку доступа стандарта 802.11, либо в локальную проводную сеть стандарта Ethernet.
Одна базовая станция в сети стандарта IEEE 802.16 может обслуживать большое количество пользователей и предоставлять им услуги различного уровня. Например, один сектор одной базовой станции способен обеспечить скорость передачи данных, достаточную для одновременного обслуживания более 60 предприятий, подключенных по каналам типа T1 (передача данных со скоростью до 2 Мбит/с), и 100 жилых домов, подключенных по каналам типа DSL. Типовая базовая станция имеет до шести секторов.
|
|
Детали физического уровня стандарта 802.16
ак уже отмечалось, одна из особенностей стандарта 802.16a/d — возможность работы в условиях непрямой видимости. Это достигается за счет использования технологии ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), которая позволяет эффективно бороться с таким негативным явлением, как многолучевая интерференция сигналов.
Для деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное.
Каждый отсчет IFFT представляет собой поднесущую, которая подвергается фазовой (BPSK, QPSK) или квадратурно-амплитудной (QAM16 или QAM64) модуляции, что позволяет повысить информационную скорость передачи данных.
Группа поднесущих частот, которая в данный момент переносит битовые потоки, называется символом OFDM.
Технология OFDM находит применение не только в протоколе 802.16. К примеру, в протоколе 802.11g также используется технология OFDM, однако в сравнении с протоколом 802.11g в протоколе 802.16 предусмотрено более гибкое распределение полосы частот, используемых для передач данных. Причем это можно сделать как за счет уменьшения количества поднесущих, так и при помощи их сужения. Минимальная ширина сигнала, предусмотренная стандартом, составляет 1,25 МГц, а максимальная — 20 МГц. Естественно, что с уменьшением частотного ресурса снижается и скорость передачи, но сама эта возможность позволяет использовать частотный спектр отдельными фрагментами, а не целиком, как это реализовано в протоколе 802.11g.
Для повышения помехоустойчивости при передаче данных в протоколе 802.16 предусмотрены такие традиционные технологии, как сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби, коды Рида-Соломона.
В итоге в стандарте 802.16a было определено три типа «физического уровня» соединений, различающихся методом модуляции сигнала (табл. 1):
- WirelessMAN-SC — физический уровень с одной несущей частотой;
- WirelessMAN-OFDM — ортогональное частотное разделение на 256 каналов с мультиплексированием. Реализация множественного доступа к среде передачи данных происходит за счет технологии временного разделения (Time Division Multiple Access, TDMA);
- WirelessMAN-OFDMA — ортогональное масштабируемое частотное разделение каналов с мультиплексированием. Используется разделение на 2048 поднесущих частот. Коллективный доступ к среде передачи данных реализуется за счет объединения нескольких поднесущих частот в один канал передачи и его выделения конкретному получателю (OFD Multiple Access, OFDMA).
Таблица 1. Характеристики стандартов 802.16
Физический уровень WirelessMAN-SC предназначен для использования в зоне прямой видимости приемника и получателя сигналов. Остальные два уровня, основанные на ортогональном частотном разделении каналов, могут использоваться для построения сетей по топологии «точка—многоточие» в условиях отсутствия прямой видимости.
Из двух OFDM-уровней уровень WirelessMAN-OFDM несколько проще для реализации с технической точки зрения и потому пользуется большей поддержкой со стороны производителей оборудования.
В случае ортогонального частотного разделения на 256 каналов с мультиплексированием (WirelessMAN-OFDM) используется 256 отсчетов IFFT, из которых 192 поднесущие являются информационными (используются для передачи данных), 8 поднесущих предназначены для измерения характеристик канала связи и применяются для передачи пилотных символов (pilot symbols), а остальные 56 поднесущих частот могут использоваться для организации защитных интервалов, длительность которых составляет 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32 длительности OFDM-сигнала.
Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием типа WirelessMAN-OFDMA представляет собой масштабируемое частотное разделение каналов. Таким образом, количество поднесущих в данном случае не фиксировано и может составлять 512, 1024 и 2048. В зависимости от количества поднесущих меняется и ширина канала, и количество подканалов (табл. 2).
Таблица 2. Характеристики OFDMA
Одна из особенностей стандарта 802.16 — его адаптивность к внешним помеховым условиям. Система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени. Так, например, в идеальном по энергетике канале все поднесущие OFDM будут работать с модуляцией QAM64 и скоростью сверточного кодирования 3/4, обеспечивая максимальную скорость передачи 74,81 Мбит/с. В наихудших условиях передачи используются QPSK-модуляция для всех поднесущих и сверточное кодирование со скоростью 1/2. При этом скорость передачи составит 1,04 Мбит/с. Всего протоколом предусмотрено семь различных комбинаций типов модуляции и скорости сверточного кодирования, что обеспечивает требуемую помехоустойчивость протокола и большое разнообразие возможных скоростей передачи (табл. 3 и 4).
Таблица 3. Возможные режимы передачи
Таблица 4. Зависимость скорости передачи от ширины канала связи и типа модуляции
Существенным отличием стандарта 802.16 от семейства стандартов 802.11 является возможность использования протокола с разрешением конфликтов. Устройства 802.11 работают по принципам Ethernet, все они имеют равные права на доступ к радиотракту, а в случае возникновения коллизий разрешают конфликты, повторяя попытки захвата среды через случайное время. В 802.16 имеется выделенное устройство — базовая станция оператора, которая раздает своим подчиненным права доступа к радиосреде. В результате удается более эффективно использовать радиочастотный ресурс и обеспечить эффективную передачу данных.
Корпорация Intel представила новое решение с поддержкой WiMAX19 апреля этого года корпорация Intel объявила о выпуске своего первого продукта с поддержкой стандарта WiMAX, который обеспечит производителям оборудования и операторам телекоммуникационных услуг возможность развертывания широкополосных беспроводных сетей нового поколения во всем мире. Одновременно ряд сервис-провайдеров в разных странах мира объявил о планах приступить к коммерческим испытаниям сетей WiMAX на базе полупроводниковой продукции Intel уже в этом году, что предоставит потребителям и предприятиям возможность испытать новую технологию высокоскоростного беспроводного широкополосного доступа к Интернету. Тем временем крупнейшие поставщики оборудования объявили о планах выпуска решений WiMAX на базе продукции Intel. Микросхема с поддержкой широкополосного беспроводного доступа Intel PRO/Wireless 5116 (ранее была известна под кодовым названием Rosedale) основана на стандарте IEEE 802.16-2004, что дает операторам и конечным пользователям уверенность в совместимости оборудования различных производителей. Решения WiMAX на базе стандарта 802.16-2004 позволяют создавать фиксированные высокоскоростные широкополосные беспроводные сети, обеспечивающие доступ в Интернет, поддержку протокола IP, телефонной связи и передачи изображения в реальном времени по протоколу IP на высокой скорости. Intel PRO/Wireless 5116 представляет собой первое решение класса «система на одном кристалле» на базе стандарта 802.16-2004, оптимизированное для создания экономичных модемов WiMAX и домашних шлюзов. Эти устройства могут устанавливаться как домашними пользователями, так и компаниями для приема и передачи широкополосного беспроводного сигнала. Новый коммуникационный продукт Intel отличается высоким уровнем интеграции, что позволит производителям оборудования ускорить разработку и сократить затраты. Кроме того, он имеет программируемую архитектуру, позволяющую производителям оборудования создавать инновационные уникальные решения на базе основанного на стандартах компонента Intel. Чтобы обеспечить возможность использования сетей WiMAX широким кругом пользователей, широкополосный интерфейс Intel PRO/Wireless 5116 поддерживает не только наружные, но и внутренние решения, например абонентские модемы WiMAX и домашние шлюзы. О выпуске собственной продукции на базе Intel PRO/Wireless 5116 объявили ведущие производители оборудования, в том числе Airspan, Alvarion, Aperto Networks, Axxcelera Broadband Wireless, Gemtek, Huawei, Proxim Corporation, Redline Communications, Siemens Mobile, SR Telecom и ZTE. Использование нового интерфейса для широкополосного беспроводного доступа Intel PRO/Wireless 5116 позволит этим компаниям принять участие в сертификационном тестировании организации WiMAX Forum, которая представляет собой отраслевую группу, занимающуюся тестированием и сертификацией совместимости продукции WiMAX разных производителей. |
||
Базовые станции (Base Station, BS), как правило, применяют мультиплексирование с разделением по времени (TDM), при котором каждой абонентской станции (Subscriber Station, SS) последовательно выделяются временные слоты. Абоненты же разделяют общий канал посредством схемы множественного доступа с разделением по времени (Time Division Multiple Access, TDMA).
Для реализации дуплексного режима обмена данными используются две технологии: дуплексный режим с разделением по времени (TDD) нисходящего (Down Link) и восходящего (Up Link) потоков (при этом применяется общий канал связи) и дуплексный режим с разделением по частотам (FDD), когда нисходящий и восходящий потоки оперируют на разных каналах и обмен данными может выполняться одновременно.
|
|
Перспективы развития
едавно была сформирована еще одна группа по работе над стандартом 802.16 — специальный комитет по решетчатой структуре сети, который изучает возможности дальнейшего улучшения качества покрытия базовых станций. Решетчатая топология сети позволяет перебрасывать данные из точки в точку, огибая холмы и другие препятствия. Существенное улучшение качества покрытия одной базовой станции наблюдается даже при незначительном объеме перебрасывания данных по схеме решетки. Если предложение этой группы будет принято, она будет преобразована в Рабочую группу F и начнет заниматься разработкой стандарта 802.16f.
Еще один коллектив специалистов по вопросам роуминга, который изучает проблемы переключения между разнородными сетями семейства 802, — группа IEEE 802 Handoff Study Group, возглавляемая Д.Дж.Джонстоном, инженером по коммуникациям корпорации Intel. Самым важным здесь является разработка процедуры, позволяющей мобильным устройствам переключаться с одной базовой станции на другую, из одной сети типа 802 в другую (например, из сети стандарта 802.11b в сеть стандарта 802.16) и даже из проводной сети в сеть на основе 802.11 или 802.16. Задача здесь заключается в необходимости стандартизировать переключение, чтобы устройства по мере перемещения из сети одного типа в сеть другого типа могли работать совместно.
Сегодня пользователи сетей стандарта 802.11 могут передвигаться вокруг здания или точки доступа, оставаясь при этом на связи, но стоит им отойти подальше — и соединение будет разорвано. С оборудованием стандарта 802.16e пользователи смогут оставаться подключенными постоянно — по технологии 802.11, находясь в зоне покрытия точки доступа, а затем по технологии 802.16, выйдя из этой зоны и переключившись на сеть на основе WiMAX. Кроме того, наличие единого стандарта открывает простор для деятельности поставщиков компонентов массового использования, что позволит производителям оборудования в полном объеме сосредоточить усилия на проектировании систем, отказавшись от разработки решения от начала и до конца.
Еще в 2004 году в рамках форума Intel Developer Forum компания Intel анонсировала чип под кодовым названием Rosedale, который будет устанавливаться на плату, называемую Intel ProWireless 5116 Broadband Interface.
Анонсированный корпорацией Intel чип Rosedale стал первым в отрасли чипом, поддерживающим технологию WiMAX. Новый чип представляет собой решение, обладающее высокой степенью интеграции и позволяющее не только создавать самое современное оборудование для потребностей конечных пользователей, но и значительно снизить затраты на производство и разработку беспроводных устройств. Беспроводной контроллер Rosedale включает 802.16-2004 MAC-уровень (уровень доступа к среде передачи данных) и физический OFDM PHY-уровень. Наряду с этим в контроллер интегрирован MAC-уровень Ethernet 10/100 Мбит/с, имеются модуль, обеспечивающий шифрование/дешифрование данных, и TDM-контроллер (временное разделение каналов), позволяющий одновременно реализовывать прием/передачу данных и голоса.
Объединение всех этих функций в одном кристалле позволяет значительно уменьшить размеры беспроводных устройств, поскольку в этом случае требуется не несколько чипов, реализующих отдельную функцию, а всего один. Кроме того, при таком подходе значительно сокращается и время, необходимое для тестирования и внедрения в эксплуатацию готовых решений, что создает предпосылки для быстрого развития беспроводной технологии WiMAX.
