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 счете 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 Way-МАХ 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 прием 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 WayMAX 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 WayMAX 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 WiMAX 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 Way-МАХ 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 Way-МАХ 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 определенную 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. Причем 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, подключённая 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 отдаленные базовые станции (BTS или Node В) и упрощает структуру сети.

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 счет);

· 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 приве­ден 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.

Поиск по сайту: