WiMAX и фиксированный широкополосный беспроводной доступ

Когда объединяются ведущие производители какого-либо вида оборудования — это означает, что в скором времени появятся новые совместные решения, рекомендации и стандарты, а долгожданное оборудование вот-вот окажется на рынке. Именно так было со стандартами семейства 802.11 (Wi-Fi Alliance), похожая ситуация наблюдается сейчас со стандартами семейства 802.16 WiMAX.

WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) в дословном переводе звучит как «глобальная совместимость для микроволнового доступа». Так называется международный отраслевой Консорциум, который намерен способствовать достижению совместимости всего оборудования, применяемого для широкополосного беспроводного доступа (ШБД). Сюда вошли такие известные производители чипсетов, как Intel, Fujitsu и примкнувшая к ним Nokia, а также известные на российском рынке компании Asiros, Airspan, Alvarion, Aperto, Proxim и Wi-LAN. Сегодня Консорциум WiMAX объединяет 96 компаний.

Задачи. IEEE 802.16 — это первый стандарт, предназначенный для создания территориально распределенных сетей широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access) в масштабе города (Wireless MAN). В стандарте описывается интерфейс для систем ШБД типа «точка-многоточка», работающих в диапазонах частот 2-11 ГГц и 10-66 ГГц и осуществляющих связь на расстояниях в десятки километров.

Под WiMAX понимается технология операторского класса, которая практически не имеет на сегодняшний день альтернативы по предоставлению населению высококачественных услуг мультисервисного ШБД.

Именно мультисервисность и, как следствие, широкополосность характеризуют современные тенденции развития беспроводного доступа. В идеале, современный пользователь не должен испытывать ограничения на любые виды услуг, доступные в настоящее время через кабельные соединения, такие как SDH или Ethernet. Предполагается, что новейшие системы с сертификацией Wi-MAX позволят операторам сетей широкополосного доступа не только предоставить пользователям разнообразные типы сервисов как IP, так и Е1, но и заменить инфраструктуру ADSL-доступа и выделенных линий в целом.

Эволюция стандарта. Исходная версия стандарта, принятая в декабре 2001 г., охватывает диапазон частот 10 — 66 ГГц и предусматривает модуляцию на одной несущей частоте (Single Carrier, SC).

Однако в январе 2003 г. принято дополнение к стандарту 802.16а, рассчитанное на оборудование ШБД для городских сетей в диапазоне 2 — 11 ГГц. Помимо модуляции на одной несущей допускается использование более сложного вида модуляции — ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Предполагается, что оборудование 802.16a сможет успешно конкурировать с ADSL- и кабельными модемами. Развертывание таких систем должно обходиться дешевле, поскольку отпадает надобность в проводах.

Новая версия стандарта 802.16 была принята 24 июня 2004 г. Она вбирает в себя все предыдущие версии и будет опубликована под названием IEEE 802.16 — 2004 г. В процессе разработки находится дополнение — IEEE 802.16e, которое призвано обеспечить оборудование стандарта 802.16 поддержкой мобильных устройств. Сети стандарта 802.16e обещают большие возможности для мобильного широкополосного доступа, в связи с чем ожидается перетекание в них части абонентов сотовых 3G-сетей.

OFDM в России. Технология OFDM уже не только опробована на российских просторах, но и показала хорошие результаты. Например, системы широкополосного беспроводного доступа, использующие OFDM, успешно инсталлированы и работают сегодня в Барнауле, Екатеринбурге и Перми. Привлекательность новых технологий в том и состоит, что они рассчитаны на использование в условиях плотной городской застройки. То есть как раз внутри мегаполисов, таких как Москва, С.-Петербург, Екатеринбург, и других городов с миллионным населением, вокруг которых наиболее быстро развивается рынок ШБД.

Перспективы внедрения. Успех внедрения и коммерческого использования оборудования WiMAX во многом определяется наличием элементной базы — микросхемных наборов или чипсетов. Известные на сегодняшний день поставщики чипсетов для WiMAX — это корпорация Intel и компании Fujitsu и Asiros. Следующее поколение микросхем — так называемые system-on-chip — по сути, представляет собой готовые абонентские устройства стоимостью по 100-200 долл. за штуку. Массовое появление на рынке таких наборов ожидается уже в первой половине следующего, 2005 г. Аналитики из исследовательской фирмы Parks Associates предсказывают активное внедрение WiMAX-оборудования уже в 2006 г., когда во всем мире количество абонентов соответствующих сетей превысит 1 млн. За последующие три года, согласно прогнозам, их число должно увеличиться в 7 раз.

Краткое описание стандарта 802.16

Стандарт регламентирует два уровня — уровень доступа к среде (Media Access Control, MAC) и физический уровень (PHY) — применительно к базовым станциям и абонентским комплексам.

В таблице приведены основные технические данные стандарта 802.16 и его расширения 802.16a:

В стандарте особое внимание уделяется планированию пользовательских потоков данных (Service Flow), на которых строится весь информационный обмен между базовой станцией и абонентскими устройствами, а также средствам защиты пользовательских данных (privacy sub layer) и безопасности связи.

Передача трафика от абонентских устройств к базовой станции (так называемое восходящее направление, uplink) основывается на комбинации двух методов многостанционного доступа: DAMA (доступ по запросу) и TDMA (доступ с временным разделением каналов). Структура пакетов физического уровня поддерживает переменную длину пакета MAC-уровня. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию по алгоритмам QPSK, 16 QAM и 64 QAM (два последних метода модуляции предусмотрены в качестве опции).

Передача трафика от базовой станции к абонентским устройствам (так называемое нисходящее направление, downlink) ведется в режиме временного дуплекса (TDD) в едином потоке для всех абонентских устройств одного сектора. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию в соответствии с алгоритмами QPSK, 16 QAM и 64 QAM (последний вариант предусмотрен для базовых станций в качестве опции).

Модуляция. Особенности распространения радиоволн частотного диапазона 10 — 66 ГГц ограничивают возможности работы систем условиями прямой видимости. В типичной городской среде это позволяет подключить примерно половину абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой станции. Для остальных 50% прямой видимости, как правило, нет. В этой связи институт IEEE разработал дополнение к стандарту 802.16, которое относится к частотам 2 — 11 ГГц и, помимо одночастотной передачи (Single Carrier, SC), предусматривает режимы ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) и множественного доступа на основе такого мультиплексирования (OFD Multiple Access, OFDMA).

В режиме OFDM допускается одновременная передача на 256 поднесущих. За счет увеличения (примерно в такое же число раз) длительности элементарного символа можно одновременно принимать прямой и отраженные от препятствий сигналы, либо вообще работать только на отраженных сигналах вне пределов прямой видимости базовой станции.

Безопасность. В стандарте IEEE 802.16 каждый абонентский комплекс подписан цифровым сертификатом Х.509, который «зашит» производителем оборудования и не может быть изменен даже после окончания срока действия сертификата — 10 лет. На основании цифровой подписи происходит аутентификация абонентского комплекса на базовой станции, при этом базовая и абонентская станции обмениваются зашифрованными ключами и устанавливают безопасное (зашифрованное) соединение. Множество ключей для шифрования и сам алгоритм — 3-DES — обеспечивают сложность расшифровки даже при перехвате. Механизм шифрования трафика работает одновременно с двумя ключами для каждого виртуального соединения, что обеспечивает синхронизацию в среде с возможными потерями пакетов, а перекрывающиеся времена жизни ключей — надежность соединения.

Технология OFDM

В системах ШБД основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме. Разновидность технологи — метод COFDM (сочетание канального кодирования, аббревиатура C, и OFDM) — хорошо известен и широко используется в цифровых системах радиовещания (DAB) в Европе, Канаде и Японии.

При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей (см. рисунок).

Частотный разнос Δf между соседними несущими f₁, f₂ … f_n в групповом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов.

В первом случае частотный разнос между модулированными несущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Δf > 2/T_U , где T_U — рабочий интервал информационного символа. Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой.

Напротив, стандарт OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значение частотного разноса и во столько же раз повысить плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц. Благодаря ортогональному методу демодуляции поднесущих группового спектра происходит компенсация помех от соседних частот, несмотря на то, что их боковые полосы взаимно перекрываются.

Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению Δf = 1/T_U, то есть на интервале T_U должно укладываться целое число периодов разностной частоты f₂ — f₁. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.

Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется «символом OFDM». Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков, длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.

Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока T_S делится на две части — защитный интервал T_G, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа T_U, за время которого принимается решение о значении принятого символа. Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились в начале символов субпотоков, то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом.

Технически метод OFDM реализуется путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передатчика и прямого дискретного преобразования Фурье — в демодуляторе приемника приемопередающего устройства.

Система беспроводной связи Nateks-Multilink 3

НАТЕКС представляет одну из первых в мире систем стандарта 802.16a WiMAX — Nateks-Multilink 3. Это устройство операторского класса для сетей доступа и передачи данных с пропускной способностью до70 Мбит/с.

Nateks-Multilink 3 является беспроводным широкополосным коммутатором с рабочим диапазоном частот 3,4 — 3,8 ГГц и предназначен для организации каналов связи типа «точка-точка» (PTP) и «точка-многоточка» (PMP) как внутри, так и вне зоны прямой видимости приемопередающих антенн.

Устройство позволяет операторам и сервис — провайдерам передавать синхронный и IP-трафик на сверх дальние расстояния с высоким качеством связи.

Особенности Nateks-Multilink 3:

• гибкая динамическая настройка качества обслуживания (QoS), задание приоритетов различным видам трафика и одновременная поддержка интерфейсов IP и TDM E1 позволяют параллельно передавать голос, мультимедийную информацию и цифровые данные по одному каналу связи;
• оператор может за считанные часы предоставить услугу с пропускной способностью канала, сравнимой со скоростью кабельных систем. Соглашение об уровне обслуживания (SLA) строится по индивидуальному плану каждого заказчика, при этом QoS может изменяться динамически в соответствии с его потребностями;
• высокая эффективность использования радиочастотного спектра увеличивает пропускную способность и снижает удельные затраты на запуск и эксплуатацию;
• технология передачи OFDM обеспечивает устойчивую связь вне зоны прямой видимости приемопередатчиков;
• система динамически адаптируется к условиям связи с помощью автоматического подбора типа модуляции (BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM) и скорости кодирования;
• корректирование сигналов с прямым исправлением ошибок гарантирует надежность 99,999%.

Стандарт не рассчитан на «ячеистую» (mesh) топологию сети, связь между абонентскими устройствами возможна только через базовую станцию.

В Nateks-Multilink 3 используется технология OFDM, при которой данные кодируются по алгоритму быстрого преобразования Фурье (FFT) и передаются пакетами (символами) посредством множества частотных подканалов. OFDM обеспечивает высокую спектральную плотность и чрезвычайную устойчивость к помехам от многолучевой интерференции и к частотным выпаданиям.

Динамическая адаптация.

При передаче каждого пакета данных Nateks-Multilink 3 производит оценку состояния канала. Параметры соединения подстраиваются для каждого абонентского комплекса в отдельности. В результате поддерживается максимально возможная скорость для текущего состояния каждого соединения (интерференция, внешние помехи, наличие листвы на деревьях). В Nateks-Multilink 3 динамическая адаптация осуществляется на базе измерения отношения CINR (Carrier/Interference + Noise Ratio).

Дуплексное разделение во времени (TDD).

В устройстве используется разделение во времени приема и передачи по одному радиочастотному (РЧ) каналу. Этот способ хорошо подходит для организации эффективных и предсказуемых соединений по типу PTP и PMP.
Базовая станция отвечает за планирование трафика в обоих направлениях. Она передает данные на абонентские комплексы и рассылает запросы и подтверждения на передачу, основываясь на анализе агрегатного потока от всех абонентов. Абонент может сам задать временное соотношение трафика в обоих направлениях. В автоматическом режиме настройку временного профиля выполняет базовая станция, которая всякий раз адаптируется к текущим условиям передачи.

Адаптивное кодирование.

Для повышения помехозащищенности в каждый пакет данных предаваемых по радиоканалу вводится некоторое количество избыточной информации. Отношение количества полезных данных к общему размеру пакета называется скоростью кодирования. Nateks-Multilink 3 поддерживает скорости 1/2, 2/3 и 3/4. Скорость кодирования может меняться от пакета к пакету на основании текущего значения CINR.

Адаптивная модуляция.

Под модуляцией понимается способ кодирования несущих частот передаваемыми данными, образующими символ OFDM. Multilink 3 поддерживает типы модуляции QPSK, 16 QAM и 64 QAM, которые могут меняться от пакета к пакету в зависимости от текущего значения CINR.

Автоматический запрос на повторную передачу (Automatic Repeat Request, ARQ).

При отсутствии подтверждения приема по истечении определенного промежутка времени ARQ автоматически осуществляет повторную передачу данных.

Коррекция кодами Рида-Соломона.

Код Рида-Соломона — это очень эффективный и удобный в реализации код, позволяющий обнаруживать и исправлять ошибки в байтах. В Nateks-Multilink 3 для всего проходящего трафика применяется метод прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC) на основе кодов Рида-Соломона.

Тактовая синхронизация.

Внутренний тактовый генератор устройства может синхронизироваться от сигналов внешних источников с частотой 1 Гц. Порты синхронизации предусмотрены только в терминальных блоках базовых станций.

Возможности LAN.

Развертывание беспроводной системы связи между базовыми и абонентскими комплексами позволяет объединить территориально разнесенные сегменты локальной сети Ethernet. Nateks-Multilink 3 поддерживает следующие возможности LAN:

• классификации L2/L3/L4;
• транспортировка пакетов в соответствии с классификацией;
• возможности уровня L2 для транспортировки данных:
  • режим прозрачного моста;
  • метки 802.1q VLAN;
  • приоритезация потока 802.1p;
  • управление потоком 802.3x Ethernet;
  • групповые рассылки (только на уровне L2).

Базовая станция может служить агентом-ретранслятором (Relay Agent) DHCP для подсети абонентских комплексов. Базовая и абонентские станции могут также осуществлять транзит (pass-through) DHCP для CPE.

Конфиденциальность и безопасность.

В соответствии со стандартом IEEE 802.16, для предотвращения несанкционированного доступа к беспроводным службам и защиты пользовательских данных в Nateks-Multilink 3 осуществляется шифрование трафика в пределах всей беспроводной сети.

Базовые станции передают данные о ключах (DES/3DES) на абонентские комплексы с помощью протокола обмена ключами безопасности (Privacy Key Management, PKM). Этот протокол используется базовой станцией для предоставления условного доступа к сети и во время синхронизации информации о ключах с абонентской стороной. Авторизация абонентских комплексов осуществляется на базе сертификата X.509.

В системе предусмотрена защита паролем (до 16 различных символов) доступа к интерфейсу GUI-управления. Таким образом, обеспечивается защита служб управления, конфигурирования и обновления паролей и программного обеспечения системы.

В Nateks-Multilink 3 встроены дополнительные средства защиты, которые запрещают неопознанной удаленной станции посылать данные на порт Ethernet другой удаленной станции Nateks-Multilink 3. В результате уменьшается вероятность утечки данных с подключенного сегмента локальной сети.

Области применения.

Nateks-Multilink 3является надежной и более экономичной альтернативой стандартным PDH РРС и незаменим в случае топологии беспроводной сети связи типа «точка — многоточка».

Nateks-Multilink 3 может использоваться для:

• доступа в Интернет;
• организации прозрачного моста (Transparent LAN Service, TLS);
• транспорта голосовых данных по IP (VoIP);
• транспорта потоков TDM.

Основные области применения системы:

• коммерческие беспроводные сети — решение проблемы «последней мили», доступ в Интернет;
• операторы мобильной связи — транспорт голосового трафика, связь между базовыми станциями;
• корпоративные сети — объединение локальных сетей филиалов учреждений в единую виртуальную сеть.

Развитые возможности классификации, резервирования (SLA, QoS) и управления пользовательскими потоками данных позволяют передавать средствами IP мультимедийную информацию — речь, видео и цифровые данные.

Система связи на базе Nateks-Multilink 3 может быть развернута на крупных и средних предприятиях, использована в образовательных учреждениях, для нужд территориальных органов управления, для организации систем охраны и удаленного видеонаблюдения.

Специальная область применения — организация сверхдлинных пролетов (до 120 км), в том числе и над открытой водной поверхностью, в случае отсутствия прямой видимости, частичного перекрытия первой зоны Френеля, а также в случае сложной радиочастотной помеховой обстановки в зоне проектируемой РРС.

Широкая полоса частот, динамичная настройка качества обслуживания, IP- и TDM-интерфейсы делают Nateks-Multilink 3 отличным выбором для альтернативных операторов и операторов сотовой связи.