Скоростная связь без проводов, или Стандарт 802.16
Детали физического уровня стандарта 802.16
Весь прошедший год в прессе то и дело появлялась информация об очередных успехах в области развития нового стандарта беспроводной связи 802.16, или, как его часто называют, WiMAX. А после осеннего Форума компании Intel для разработчиков (IDF), на котором был анонсирован первый в отрасли чип под кодовым названием Rosedale, поддерживающий технологию WiMAX, шумиха вокруг нового стандарта беспроводных сетей еще больше усилилась. Подлили масла в огонь и заявления о том, что новый стандарт (точнее, его расширение 802.16e) в недалеком будущем придет на смену уже ставшему популярным в России стандарту беспроводных сетей 802.11b/g. Путаницы также было предостаточно, что вполне естественно на этапе становления стандарта. Действительно, 802.16, 802.16a, 802.16d, 802.16c, 802.16e — попробуй разберись в этих цифрах и буквах! Давайте попытаемся разобраться вместе, что это за новый стандарт беспроводной широкополосной связи, который, по прогнозам аналитических компаний, в недалеком будущем получит широкое распространение как среди операторов связи, так и среди конечных пользователей.
История развития
стория
стандарта IEEE 802.16 ведется с 2001 года, когда, собственно, и была начата
активная работа 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 частоты 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 получил также название WirelessMAN. На физическом уровне стандарт IEEE 802.16-2001 предполагал использование всего одной несущей частоты (Single-Carrier, SC), вследствие чего в название протокола добавили буквы SC, то есть WirelessMAN-SC.
Организация связи в частотном диапазоне 10-66 ГГц возможна только в зоне прямой видимости между передатчиком и приемником сигнала из-за быстрого затухания коротких длин волн. Это было одной из особенностей протокола WirelessMAN-SC. Однако частотный диапазон с такими характеристиками (то есть с требованием прямой видимости приемника и передатчика и невозможностью работы на отражениях) позволял избежать одной из главных проблем радиосвязи — многолучевого распространения сигнала. Ширина каналов связи, которые могут быть применены в этом частотном диапазоне, является достаточно большой (типичное значение — 25 или 28 МГц), что позволяет достигать высокой (порядка 120 Мбит/с) скорости передачи данных.
Необходимость построения беспроводной сети только 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, получившее наименование 802.16a-2003. Оно предусматривало использование частотного диапазона от 2 до 11 ГГц. Этот стандарт также был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса. Предполагалось, что данный стандарт станет альтернативой традиционным решениям широкополосного доступа для последней мили — кабельным модемам, xDSL и каналам Т1/Е1. Кроме того, сети стандарта 802.16a планировалось применять 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 использование другого частотного диапазона, который не требует прямой видимости между приемником и передатчиком. Зона покрытия таких беспроводных сетей значительно шире, чем сетей стандарта 802.16. Опуская пока детали протокола 802.16a, отметим лишь, что использование частотного диапазона 2-11 ГГц потребовало и существенного 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, то есть 802.16d и 802.16a, отпала, поскольку окончательная версия стандарта вобрала в себя и стандарт 802.16d, и 802.16a.
В настоящее время на 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 802.11 в сети IEEE 802.16 и обратно.
Решение вопросов роуминга представляется весьма важным для дальнейшего продвижения беспроводных технологий. Сегодня пользователи сетей стандарта IEEE 802.11 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 — 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.
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.
 |
|
Преимущества 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-многоточие» (point-to-multipoint)
с целью достижения высокой скорости передачи сигналов как в восходящем UpLink-потоке
(поток от абонента к базовой станции), так и в нисходящем DownLink-потоке (поток
от базовой станции к абоненту).
Широкополосный беспроводной доступ лишен недостатков, присущих DSL и кабельным соединениям. Сети стандарта IEEE 802.16 проще разворачивать и увеличивать площадь их покрытия; по структуре они очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь также присутствуют базовые станции, которые действуют в радиусе до 50 км, но при этом их необязательно устанавливать на вышках — для них вполне подходят крыши домов. Для соединения же базовой станции с пользователем необходимо лишь устанавливаемое в помещении абонентское оборудование. С этого блока сигнал поступает по стандартному Ethernet-кабелю либо непосредственно на один компьютер, либо на точку доступа стандарта 802.11 или в локальную проводную сеть стандарта Ethernet.
Для многих домашних и корпоративных пользователей широкополосный доступ по линиям DSL и через кабельную инфраструктуру по-прежнему остается недосягаемым. Многие пользователи находятся за пределами зоны обслуживания компаний — поставщиков услуг DSL и/или не охватываются кабельной инфраструктурой, способной обеспечивать широкополосный доступ (например, на территории предприятий торговли кабельная проводка зачастую не прокладывается). Преодолеть все эти препятствия поможет беспроводное широкополосное подключение. Благодаря своей беспроводной природе такие подключения требуют меньше времени на развертывание, они проще в масштабировании и более гибки, что позволяет использовать их для обслуживания пользователей, которые не охвачены проводными широкополосными альтернативами или не удовлетворены ими.
Стандарт 802.16 предоставляет неоспоримые преимущества бизнес-пользователям, особенно тем, кому часто приходится менять операторов связи, или тем, кто организует свой бизнес с нуля. Вместо того чтобы неделями ждать прокладки линий Т1 или DSL для организации широкополосного доступа, можно гораздо быстрее получить беспроводной широкополосный доступ.
Гибкость — не единственное преимущество стандарта IEEE 802.16. Немалое восхищение вызывают возможности его масштабирования. Стандарт предоставляет широкие возможности для масштабирования, необходимого для обеспечения поддержки сотен тысяч пользователей силами одной базовой станции, и позволяет дифференцировать уровни предоставляемых услуг.
Одна базовая станция в сети стандарта IEEE 802.16 может обслуживать большое количество пользователей и предоставлять им разного рода услуги. 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 сотни жилых домов, подключенных по каналам типа DSL. Типовая базовая станция имеет до шести секторов.
|
|
Детали физического уровня стандарта 802.16
ак
уже отмечалось, одной из особенностей стандарта 802.16a/d является 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.
Эффект многолучевой интерференции сигналов заключается в том, что в результате
многократных отражений сигала от естественных преград один и тот же сигнал может
попадать в приемник различными путями. Но подобные пути распространения имеют
и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала
будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет
собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные амплитуды
и смещенных относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов
с разными фазами.
Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.
Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом их них максимальная задержка между различными сигналами не превышает времени длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).
Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет межсимвольная интерференция. Поскольку символ — это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, а значит, восстановить исходный сигнал крайне сложно.
Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо вследствие увеличения символьной скорости, либо из-за усложнения схемы кодирования эффективность использования эквалайзеров падает.
В результате при более высоких скоростях передачи применяется метод кодирования данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале вполне может быть невысокой.
Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.
При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой — достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу.
Важно, что хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции (рис. 1).
Рис. 1. Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими
Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис. 2).
Рис. 2. Реализация метода OFDM
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 с помощью их сужения. Минимальная ширина сигнала, предусмотренная стандартом, составляет 1,25 МГц, а максимальная — 20 МГц. Естественно, что с уменьшением частотного ресурса скорость передачи уменьшается, 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 были выделены 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 поднесущие частоты. 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 применения 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, то есть применяются для передачи данных, 8 поднесущих предназначены для измерения характеристик канала связи и используются для передачи пилотных символов (pilot symbols), а остальные 56 поднесущих частот могут применяться для организации защитных интервалов, длительность которых составляет 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32 длительности OFDM-сигнала.
Ширина канала связи может быть различной и изменяется от 1,25 до 20 МГц.
Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием типа WirelessMAN-OFDMA представляет собой масштабируемое частотное разделение каналов, то есть 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
Одной из особенностей стандарта 802.16 является его адаптивность к внешним помеховым условиям. Система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени. 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 составляет 1,04 Мбит/с. Всего протоколом предусмотрено семь различных комбинаций типов модуляции и скорости сверточного кодирования, в результате чего достигается требуемая 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 802.11 является возможность использования протокола с разрешением конфликтов. Устройства стандарта 802.11 работают по принципам Ethernet: все они имеют равные права на доступ к радиотракту, а попытавшись одновременно установить связь, разрешают конфликты, повторяя попытки захвата среды через случайное время. В сетях стандарта 802.16 имеется выделенное устройство — базовая станция оператора, которая раздает своим подчиненным права доступа к радиосреде. В результате имеется возможность более эффективно использовать радиочастотный ресурс и обеспечить эффективную передачу данных.
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 (DownLink) и восходящего (UpLink) потоков (при этом задействуется 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
о
прогнозу исследовательской компании Intex Management Service (IMS), объемы продаж
оборудования стандарта 802.16 составят в 2008 году до 2,8 млрд. долл.
Генеральный менеджер подразделения Intel Communications Group Шон Мэлоуни считает, что технология WiMAX может дополнять возможности беспроводных локальных сетей, соединяя центры доступа Wi-Fi с Интернетом и предоставляя альтернативное беспроводное решение последней мили для широкополосного подключения к Интернету офисов и жилых домов. «Провайдеры услуг беспроводного доступа и производители телекоммуникационного оборудования активно осваивают технологию WiMAX из-за колоссальных экономических преимуществ, которые дает ее применение для подключений последней мили в значительной части мира, где использование проводных подключений обошлось бы слишком дорого», — говорит Шон Мэлоуни.
Первые образцы коммерческого оборудования WiMAX (а не pre-WiMAX) должны появиться на рынке до середины 2005 года. Однако российские операторы строят сети стандарта IEEE 802.16, не дожидаясь полномасштабного оборудования WiMAX. Первую в России сеть pre-WiMAX запустила компания «Ойл-Телеком». Сеть развернута в Удмуртии, а ее заказчиком является структурное подразделение нефтяной компании ТНК-ВР — «Удмуртнефть». «Ойл-Телеком» применила оборудование производства американской фирмы Airspan Networks, Inc., работающее в диапазоне 3,4-3,8 ГГц. Сеть состоит из восьми базовых станций, которые установлены в крупнейших городах Удмуртии — Ижевске, Воткинске, Игре, Сарапуле, а также на одном из основных месторождений «Удмуртнефти» — Киенгопском.
Московский альтернативный оператор «Комет» начал подключение абонентов к сети широкополосного радиодоступа на основе новейшей технологии WiMAX. Сеть соответствует стандарту IEEE 802.16 (pre-WiMAX) и является первой подобной сетью в Москве. Столичная WiMAX-сеть «Комет» насчитывает 11 базовых станций, а в течение 2005 года оператор планирует установить еще десять базовых станций, доведя их общее количество до 21.
На подходе и первый проект в области WiMAX федерального масштаба — его в 2005-2006 годах осуществит московская компания «МедиаСети» (торговая марка UNITLINE).
Стандарт 802.16 станет единой нормативной основой решения для операторов, возможности масштабирования которого позволят обеспечивать поддержку тысяч пользователей с помощью одной базовой станции и предоставлять обслуживание различного уровня.
Стандарт 802.16 обладает множеством преимуществ: сделав возможным более массовое производство основанной на стандартах продукции с меньшим количеством вариантов, он приведет к снижению стоимости оборудования, а наличие стандартизированного оборудования усилит конкуренцию, что, в свою очередь, позволит абонентам выбирать, за услуги какого поставщика платить свои деньги. Для регионов со слаборазвитой проводной инфраструктурой, включая многие развивающиеся страны, важность стандарта 802.16 будет обусловлена как простотой внедрения, так и низкой стоимостью решений на его основе.
Недавно 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 незначительной доле 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, — это группа IEEE 802 Handoff Study Group, возглавляемая Д. Дж. Джонстоном, инженером по коммуникациям корпорации Intel. Самой важной задачей этой группы 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 стандарта 802.11 или 802.16. Задача состоит в стандартизации переключения, 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 и оставаться при этом на связи, но стоит им отойти дальше — 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 сконцентрировать усилия только на проектировании систем, отказавшись от разработки решения от начала до конца.
