WiMAX в сетях связи с подвижными объектами

Стандарт IEEE 802.16-2004 описывает широкополосный беспроводной доступ для систем, работающих на частотах от 2 до 10 ГГц. Он определяет как уровень контроля доступа к среде передачи (MAC), так и физический уровень, чтобы гарантировать возможность взаимодействия сетей, принадлежащих множеству различных операторов. Стандарт описывает три возможных варианта реализации физического уровня: SC (Single Carrier), OFDM256 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing с 256 поднесущими) и OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), но только OFDM256 сертифицирован консорциумом WiMAX Forum.

Технология WiMAX идеально подходит для скоростных радиосетей городского и регионального охвата - именно для них она и создана. Предполагается, что данное решение быстро станет стандартом для большинства про­изводителей оборудования широкополосного беспроводного доступа к сетям связи, которые до этого использовали свои фирменные патентованные технологии. Переход на общий стандарт, по мнению разработчиков, должен способствовать появлению новых производителей, повышению конкуренции в отрасли, снижению цен, совместимости оборудования разных производителей, удешевлению оборудования и в конечном счёте его массовому распростра­нению.

Рисунок 16.3 - Структура сети WiMAX

Основные элементы WiMAX-систем - пользовательское оборудование (абонентский терминал или аппаратура, устанавливаемая в помещении пользователя - СРЕ) и базовая станция (БС). Одна базовая станция и один или несколь­ко WiMAX-терминалов могут организовать ячейку со структурой «точка - многоточка». БС осуществляет контроль и управление процессом передачи внутри ячейки, а также имеет доступ к среде передачи данных через пользова­тельское оборудование, назначает параметры QoS и обеспечивает механизмы безопасности. Структура сети WiMAX представлена на рисунке 16.3.

Базовая станция Siemens WiMAX может работать с четырьмя секторами. Интерфейс БС с опорной сетью - 10/100/1000 BaseT.

Базовая станция способна функционировать в режимах дуплексной передачи с частотным (FDD) и временным (TDD) разделением. Кроме того, возможна поддержка H-FDD (Half-duplex FDD). В случае режима TDD сеть может быть синхронизирована через GPS во избежание интерференции между ба­зовыми станциями.

Разнесенный приём и разделение на подканалы позволяет увеличить мощность сигнала на приёмнике базовой станции. Радиомодем (WayMAX CPE) может работать с каналами шириной от 3, 5 до 14 МГц (с шагом в 0, 25 МГц), а также с каналом шириной 1, 75 МГц. При этом используется один из следующих видов модуляции: ВР-SK, QPSK, I6QAM или 64QAM.

Контроль качества услуг (QoS) в стандарте IEEE 802.16 осуществляется с помощью четырёх разных механизмов формирования очередей: резервирования полосы частот (Unsolicited Grant Service, UGS); механизма опроса rt-PS (Real Time Polling Service) для услуг, требующих качества реального времени; механизма опроса nrt-PS (Non-Real Time Polling Service) для услуг, не требующих качества реального времени; обслуживания по остаточному принципу (Best Effort, BE). Поддержка всех этих классов качества предусмотрена в решении Wi-MAX компании Siemens. Такие параметры QoS, как пиковая скорость передачи данных (Peak Data Rate, PDR), гарантированная скорость передачи данных (Guaranteed Data Rate, GDR) и приоритет пользователя (категория обслуживания) могут быть сформированы для каждой отдельной услуги и независимо для направлений «вверх» и «вниз». Дополнительно в системе предусмотрена сигнализация для динамического включения услуги QoS и формирования параметров трафика. Параметры QoS могут варьироваться в процессе соединения посредством передачи служебных сообщений Dynamic Services. Решение Wi-MAX предполагает также возможность избыточного бронирования радиоресурсов.

Рисунок 16.4 - Сценарии использования технологии WiMAX

Говоря о WiMAX, не следует забывать и о потенциале для эволюции этой технологии. Основные этапы предстоящего пути показаны на рисунке 16.4.

На данный момент доступен сценарий использования технологии Wi-MAX для фиксированного доступа. Минимальный набор услуг, которые оказываются абонентам, выглядит примерно так:

· передача данных: высокоскоростной доступ в Интернет (HSIA), e-mail, пересылка файлов, расширение офиса, передача музыки, потоковое аудио;

· высококачественные видеоуслуги: видео по запросу, телевещание, потоковое видео;

· пакетированная передача голоса в реальном времени (VoIP, потоковое аудио в реальном времени);

· видео в реальном времени: видеоконференции, видеосвязь сетевые/межсетевые игры, потоковое видео в реальном времени;

· услуги TDM.

Список возможных услуг ограничивается лишь пропускной способностью радиоканала (до 14 МГц на абонента) и воображением оператора, а не только перечисленными возможностями.

К преимуществам решения WiMAX можно отнести следующие его особенности:

· сеть стандарта WiMAX проста в развертывании и в наращивании площади покрытия;

· базовые станции сети действуют в радиусе до 50 км²;

· полоса пропускания стандарта достигает 14 МГц на абонента;

· одна базовая станция WiMAX способна обслуживать большое число пользователей, предоставляя более чем приемлемые качество и скорость соединения.

Все вышеизложенное говорит не только о перспективности стандарта WiMAX, но и о его явных отличиях от существующих стандартов мобильной связи. Отличия эти заключаются прежде всего в предназначении самой технологии: она может использоваться как для фиксированного доступа, так и для мобильной связи.

WiMAX, предлагает заведомо более высокие скорости передачи данных, чем даже самые последние стандарты сотовой связи (GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA, cdma2000/EV-DO/EV-DV), которые, однако, предлагают своим абонентам возможность передвигаться во время сеанса связи. Между тем, WiMAX предназначался все-таки для фиксированной связи. Характеристики различных беспроводных стандартов относительно друг друга в координатах «Скорость передачи данных - Мобильность» схематически показаны на рисунке 16.5.

Как видно на рисунке, различные беспроводные технологии занимают свои ниши, предлагая разный уровень мобильности - от практически фиксированных Bluetooth и Wi-Fi до супермобильного UMTS. При этом WiMAX не конкурирует ни с одним из указанных стандартов, а, наоборот, дополняет их, занимая промежуточное положение.

Рисунок 16.5 - Позиционирование различных технологий в координатах «Скорость передачи данных - Мобильность»

Что касается взаимоотношений со стандартом Wi-Fi, то по замыслу WiMAX Forum, одним из основных сценариев использования WiMAX является обеспечение транспорта для Wi-Fi-точек доступа (рисунок 16.6).

Таким образом, технология WiMAX не замещает собой технологию доступа Wi-Fi, а дополняет возможности беспроводных сетей, соединяя центры доступа 802.11 с Интернетом и предоставляя альтернативное беспроводное решение «последней мили» для широкополосного подключения к Интернету офисов и жилых домов.

Что касается операторов подвижной связи, то для них могут быть два варианта использования WiMAX:

· в качестве транспорта для мобильных сетей GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA или cdma2000/EV-DO/EV-DV;

· для предоставления абонентам (прежним или новым) высоко­скоростного фиксированного доступа в Интернет.

При построении сети подвижной связи для покрытия определенной территории помимо коммутатора и опорного регистра требуется контролер базовых станций BSC (или контроллер радиосети RNC для сети 3G) и некоторое количество базовых станций BTS (Node В для 3G). Каждая базовая станция покры­вает определённую территорию и обслуживает известное количество абонентов. В зависимости от количества абонентов, обслуживаемых одной базовой станцией в часы наибольшей нагрузки, уровня их активности и набора доступных сервисов, устанавливается пропускная способность канала связи базовой станции. Причём каждая станция в любом случае требует постоянного подключения к контроллеру, хотя иногда станции располагаются в очень неудобных для этого местах.

Рисунок 16.6 - WiMAX - транспорт для Wi-Fi

Например, при обеспечении покрытия сельских территорий базовые станции приходится ставить там, где не проложены ни медные, ни оптоволоконные кабели. Характерная особенность таких станций - небольшое количество обслуживаемых абонентов и, соответственно, невысокие требования к пропускной способности канала. В таких случаях часто используется радиорелейная технология. Один из ее недостатков - необходимость подключения каждой базовой станции отдельной парой радиорелейных приемопередатчиков по схеме «точка - точка».

Рисунок 16.6 - Сценарий использования решения WiMAX для подключения базовых станций сети подвижной связи

Компания Siemens предлагает использовать для подключения труднодоступных базовых станций решение WiMAX. Его главным преимуществом по сравнению с радиорелейным подключением является возможность обслуживания одной станцией нескольких пользовательских устройств по схеме «точка - многоточка». Таким образом, одна ВС WiMAX, подключенная к контроллеру сети GSM или 3G, может поддерживать со­единение с несколькими пользовательскими устройствами WiMAX,

которые подключены к базовым станциям той же сети GSM или 3G (рисунок 3.5.). Такое решение позволяет подключать по радиоканалу отдалённые базовые станции (BTS или Node В) и упрощает структуру сети по сравнению с радиорелейным решением.

Существует целый набор требований, которым должны удовлетворять транспортные каналы, используемые для соединения базовых станций и контроллера:

· процент ошибочных битов (BER) не выше 10⁶;

· задержка - не больше 10 мс, джиттер - 1 мс;

· гарантированная доступность соединения – 99 %;

· пропускная способность на одну базовую станцию - 2 Мбит/с (Е I) + заголовок;

· класс качества - rt-PS;

· синхронизация через GPS.

Решение WiMAX удовлетворяет всем перечисленным требованиям.

Особый интерес представляет возможность подключения нано-базовых станций к нано-контроллеру базовых станций, В линейке продуктов для операторов GSM - сетей компания Siemens предлагает решения nanoGSM и nanoEDGE. Учитывая, что и нано-БС, и нано-контроллер используют для подключения интерфейсы Ethernet, методика внедрения WiMAX значительно упрощается. Ведь необходимости в конвертации TDM-потока в Ethernet больше нет. Рассматривая возможность подключения нано-станций через WiMAX нужно иметь в виду, что каждая базовая станция такого типа поддерживает в радиоинтер­фейсе до восьми потоков по 64 кбит/с. Это говорит о небольшой нагрузке на канал связи с контроллером. В результате по одному каналу шириной 5 МГц можно подключить три - четыре нано-БС.

Высокие темпы роста рынка беспроводного широкополосного доступа и развитие технологии WiMAX не должны остаться незамеченными операторами мобильной связи. Перспективность их выхода на рынок широкополосного доступа становится тем очевиднее, чем сильнее замедляется рост рынка мобильной связи. К примеру, рост числа пользователей Wi-Fi в западных странах превышает рост абонентов 3G. Разворачивая сети WiMAX, операторы мобильной связи могут занять новую для себя рыночную нишу услуг фиксированного доступа и привлечь большое число новых абонентов.

Говоря о беспроводном широкополосном доступе, и о стандарте WiMAX в особенности, не стоит забывать об одном из его предназначений - услуге Voice over IP (VoIP). Предоставляя такие услуги, оператор должен быть способен не только брать фиксированную абонентскую плату, но и тарифицировать разговоры в зависимости от продолжительности, как это происходит в обычных мобильных сетях.

При построении сети WiMAX операторы мобильной связи изначально находятся в выгодном положении, так как могут использовать для этого значительную часть уже имеющегося оборудования, например регистры HLR, SMS-центры, центры тарификации и биллинга, prepaid-платформы. Для подключения сети широкополосного беспроводного доступа к перечисленным узлам компания Siemens разработала решение Wireless Integration Platform (WIP). Естественно, для абонентов мобильной связи и пользователей беспроводного широкополосного доступа может использоваться единая платформа IMS.

Решение WIP позволяет оператору включить сеть WiMAX в уже существующую сеть подвижной связи, а также предоставляет необходимую функциональность для легкой, быстрой и эффективной интеграции системы беспроводного широкополосного доступа (к примеру, решения WayMAX). Основные характеристики решения WIP таковы:

· поддержка различных моделей и методов тарификации (prepaid, postpaid);

· возможность использования различных методов оплаты (электронный ваучер, бумажный ваучер, кредитная карта, единый счёт);

· возможность аутентификации/авторизации в уже установленном в сети ААА-сервере;

· возможность аутентификации с помощью EAP-SIM в HLR подвижной сети;

· поддержка роуминга в соответствии со стандартом WISP-R;

· поддержка различных видов доступа (WiMAX, Wi-Fi, Flash-OFDM) одновременно.

Пример включения решения системы широкополосного беспроводного доступа в существующую сеть подвижной связи привдён на рис. 16.7.

Рисунок 16.7 - Интеграция решения беспроводного доступа

и сети подвижной связи

Одним из главных элементов будущих сетей, как мобильных, так и фиксированных, станет стандартизированная платформа для мультимедийных приложений IMS (IP Multimedia Solution). Изначально она была разработана организацией 3GPP для сетей мобильной связи третьего поколения. IMS расширяла их функциональность с помощью IP-прило­жений и сервисов, поддержка которых осуществлялась через протокол SIP (Session Initiation Protocol). Однако универсальность IMS-архитектуры привлекла к ней внимание и операторов фиксированной связи. В связи с этим организация TISPAN (подразделение ETSI) адаптировала архитектуру IMS в соответствии с их требованиями. Получившаяся архитектура является основой будущих конвергентных сетей.

WiMAX готов стать одним из ключевых стандартов будущих конвергентных сетей.