Беспроводная технология WiMAX

1. Цель работы:

1.1. Научиться осуществлять расчеты основных параметров беспроводных сетей.

 

2. Литература:

2.1. Конспект лекций.

2.2. Приложение к данной работе.

 

3. Задание:

3.1. Изучить раздел методического материала к данной самостоятельной работе.

3.2 Ответить на контрольные вопросы:

3.2.1 Задачи технологии WiMAX;

3.2.2 Преимущества WiMAX;

3.2.3 Принципы работы WiMAX;

3.2.4 Режимы работы WiMAX (со схемами)

 

4. Методический материал:

Поколение беспроводных технологий WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) описывает стандарт IEEE 802.16.

Для продвижения и развития технологии WiMAX был сформирован WiMAX-форум на базе рабочей группы IEEE 802.16, созданной в 1999 году. В форум вошли такие фирмы, как Nokia, Harris Corporation, Ensemble, Crosspan и Aperto. К маю 2005 года форум объединял уже более 230 участников. В том же году Всемирный съезд по вопросам информационного сообщества (World Summit on Information Society, WSIS) сформулировал следующие задачи, которые были возложены на технологию WiMAX:

1) Обеспечить при помощи WiMAX доступ к услугам информационных и коммуникационных технологий для небольших поселений, удалённых регионов, изолированных объектов, учитывая при этом, что в развивающихся странах 1,5 миллиона поселений с числом жителей более 100 человек не подключены к телефонным сетям и не имеют кабельного сообщения с крупными городами.

2) Обеспечить при помощи WiMAX доступ к услугам информационных и коммуникационных технологий более половины населения планеты в пределах своей досягаемости, учитывая при этом, что общее число пользователей Интернета в 2005 году составляло приблизительно 960 млн. человек, или около 14,5 процента всего населения Земли.

Цель технологии WiMAX заключается в том, чтобы предоставить универсальный беспроводный доступ для широкого спектра устройств (рабочих станций, бытовой техники «умного дома», портативных устройств и мобильных телефонов) и их логического объединения - локальных сетей. Надо отметить, что технология имеет ряд преимуществ:

1) По сравнению с проводными (xDSL или широкополосным), беспроводными или спутниковыми системами сети WiMAX должны позволить операторам и сервис- провайдерам экономически эффективно охватить не только новых потенциальных пользователей, но и расширить спектр информационных и коммуникационных технологий для пользователей, уже имеющих фиксированный (стационарный) доступ.

2) Стандарт объединяет в себя технологии уровня оператора связи (для объединения многих подсетей и предоставления им доступа к Интернет), а также технологии «последней мили» (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя), что создает универсальность и, как следствие, повышает надёжность системы.

3) Беспроводные технологии более гибки и, как следствие, более просты в развёртывании, так как по мере необходимости могут масштабироваться.

4) Простота установки как фактор уменьшения затрат на развертывание сетей в развивающихся странах, малонаселённых или удалённых районах.

5) Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. WiMAX благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами.

6) Технология WiMAX изначально содержит в себе протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать её в локальные сети.

7) Технология WiMAX подходит для фиксированных, перемещаемых и подвижных объектов сетей на единой инфраструктуре.

8)

Принцип работы WiMAX

 

Система WiMAX состоит из двух основных частей:

1) Базовая станция WiMAX, может размещаться на высотном объекте: здании или вышке.

2) Приёмник WiMAX: антенна с приёмником (рис. 1).

 

 

 

 

Рисунок 1 - Архитектура WiMAX

 

 

Этот режим работы базовой станции WiMAX близок широко используемому стандарту 802.11 (Wi-Fi), что допускает совместимость уже выпущенных клиентских устройств и WiMAX.

Следует помнить, что технология WiMAX применяется как на «последней миле» - конечном участке между провайдером и пользователем, так и для предоставления доступа региональным сетям: офисным, районным.

Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использованием сверхвысокой частоты 10-66 ГГц радиосвязи прямой видимости.

Ограничение по условию прямой видимости, разумеется, не является плюсом, однако оно накладывается только на базовые станции, участвующие в цельном покрытии района, что вполне возможно реализовать при размещении оборудования.

Как минимум, одна из базовых станций может быть постоянно связана с сетью провайдера через широкополосное скоростное соединение. Фактически, чем больше станций имеют доступ к сети провайдера, тем выше скорость и надёжность передачи данных. Однако даже при небольшом количестве точек система способна корректно распределить нагрузку за счёт сотовой топологии.

На базе сотового принципа разрабатываются также пути построения оптимальной сети, огибающей крупные объекты (например, горные массивы), когда серия последовательных станций передаёт данные по эстафетному принципу. Подобные разработки планируется включить в следующую версию стандарта. Ожидается, что эти изменения позволят существенно поднять скорость (рис. 2).

 

 

Рисунок 2 - Пример покрытия WiMAX

 

 

По структуре сети стандарта IEEE 802.16 очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь тоже имеются базовые станции, которые действуют в определенном радиусе, при этом их также не обязательно устанавливать на вышках. Для них вполне подходят крыши домов, требуется лишь соблюдение условия прямой видимости между станциями. Для соединения базовой станции с пользователем необходимо наличие абонентского оборудования. Далее сигнал может поступать по стандартному Ethernet- кабелю, как непосредственно на конкретный компьютер, так и на точку доступа стандарта 802.11 Wi-Fi или в локальную проводную сеть стандарта Ethernet.

Это позволяет сохранить существующую инфраструктуру районных или офисных локальных сетей при переходе с кабельного доступа на WiMAX. Это позволяет также максимально упростить развёртывание сетей, позволяя использовать знакомые технологии для подключения компьютеров.

 

4.2 Режимы работы WiMAX

 

Стандарт 802.16e-2005 вобрал в себя все ранее выходившие версии и на данный момент предоставляет следующие режимы.

1) Fixed WiMAX - фиксированный доступ;

2) Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;

3) Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;

4) Mobile WiMAX - мобильный доступ.

Рассмотрим все эти режимы поподробнее.

 

 

4.2.1 Fixed WiMAX

Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям (xDSL, T1, т.п.). Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником, рис. 3.

 

 

Рисунок 3 - пример организации Fixed WiMAX

 

 

С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с. Фиксированный режим включался в версию стандарта 802.16d-2004 и уже используется в ряде стран. Однако большинство компаний, предлагающих услуги Fixed WiMAX, ожидают скорого перехода на портативный и в дальнейшем мобильный WiMAX.

 

4.2.2 Nomadic WiMAX

 

Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

 

4.2.3 Portable WiMAX

 

Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т. д.).

 

 

Рисунок 3 - пример организации Portable WiMAX

 

 

Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК (рис. 3.). В 2006 году начат выпуск устройств, работающих в портативном режиме WiMAX. Считается, что до 2008 года внедрение и продвижение на рынок именно этого режима будет приоритетным.

 

Mobile WiMAX

 

Был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч.

Основные достижения этого режима:

1) Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам.

2) Масштабируемая пропускная способность канала.

3) Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать асимметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счёт эстафетной передачи сессии между каналами.

4) Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования.

5) Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учётом силы сигнала клиентского оборудования.

6) Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя.

7) Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами.

8) Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:

- достижения высокой скорости передачи данных с использованием одночастотной сети;

- гибкого распределения радиочастот;

- низкого потребления энергии портативными устройствами;

- быстрого переключения между каналами.

9) Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы направленности, простанственно-временное маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение).

10) Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для повторного задействования частот с минимальными потерями.

11) Размер фрейма в 5 миллисекунд создает оптимальный компромисс между надёжностью передачи данных за счёт использования малых пакетов и накладными расходами за счёт увеличения числа пакетов (и как следствие, заголовков).

Стандарт WiMAX на данный момент находится на стадии тестирования. Единственная конкурентоспособная версия стандарта, для которой существует лицензия на оборудование, - это Fixed WiMAX. Однако провайдеры не спешат заменять дорогостоящее, но уже работающее оборудование на новое, ибо это требует существенных инвестиций без возможности поднять производительность (и как следствие, цену на услуги) и вернуть вложенные средства быстро.

Развёртывание WiMAX-сетей там, где доступа к Интернету ещё не было ранее, приводит к вопросу о наличии в малонаселенных или удалённых регионах достаточного числа потенциальных пользователей, обладающих оборудованием или денежными средствами на его приобретение. Та же проблема возникает при переходе на Mobile WiMAX после его лицензирования, так как, помимо затрат провайдеров на модернизацию операторского оборудования, следует учитывать затраты пользователей на модернизацию клиентского оборудования: приобретение WiMAX-карт, обновление портативных устройств.

Вторым останавливающим фактором является убеждённость многих специалистов, которые считают недопустимым использование сверхвысоких частот радиосвязи прямой видимости из-за вреда, наносимого при этом здоровью человека. Наличие вышек на расстоянии десятков метров от жилых объектов (а базовые станции рекомендуется устанавливать на крышах домов) может пагубно сказаться на здоровье жителей, особенно детей. Однако результатов медицинских экспериментов, способных чётко доказать наличие или высокую вероятность вреда, пока не опубликовано.

Третьим останавливающим фактором является, как ни странно, быстрое развитие стандарта. Появление новых, принципиально различных версий стандарта WiMAX приводит к вопросу о неизбежной смене оборудования через несколько лет. Так, станции, сейчас работающие в режиме Fixed WiMAX, не смогут поддерживать Mobile WiMAX. При переходе на следующий стандарт понадобится обновление части оборудования, что отпугивает крупных провайдеров. На данный момент внедрение и использование Fixed WiMAX на коммерческой основе могут позволить себе только небольшие компании, которые не планируют значительного расширения (в том числе территориального) и используют новизну технологии для привлечения клиентов.

И, наконец, четвертым фактором является наличие конкурентного стандарта широкополосной связи, использующего близкие диапазоны радиочастот - WiBro. Этот стандарт тоже до конца не лицензирован, однако он уже получил определённую известность. А потому всегда существует вероятность, что через несколько лет предпочтительным окажется не WiMAX, а WiBro. И компании, вложившие средства в разработку и внедрение WiMAX-систем, серьёзно пострадают. Впрочем, из-за схожести стандартов существует также вероятность слияния и в дальнейшем использования оборудования, поддерживающего оба стандарта одновременно.

Таким образом, при видимых преимуществах стандарта ещё рано говорить о тотальном внедрении технологии или даже о возможности перехода на неё и отказа от существующих сетевых решений. Необходимо сначала получить первое лицензированное оборудование стандарта Mobile WiMAX, а также результаты полевых испытаний. Затем можно ожидать утверждения стандартов версии 802.16f (Full Mobile WiMAX) и 802.16m.

Первый из них включает в себя алгоритмы обхода препятствий и оптимизацию сотовой топологии покрытия между базовыми станциями. Второй стандарт должен поднять скорость передачи данных со стационарным клиентским оборудованием до 1 Гбит/с и с мобильным клиентским оборудованием до 100 Мбит/с. Эти стандарты планируется утвердить в 2008 и 2009 годах, соответственно.

Далее можно ожидать лицензирования оборудования с поддержкой новых стандартов, появления конкуренции на рынке производства оборудования и услуг доступа через WiMAX. И только тогда можно будет говорить о действительных преимуществах и недостатках этой технологии по сравнению с ныне существующими.

Самостоятельная работа 6

Подготовка реферата на тему "Теоретические аспекты построения и развития радиоподсистем UMTS и LTE"

1. Цель работы:

1.1. Самостоятельно изучить функциональные особенности и базовые принципы построения радиоподсистем UMTS (UTRAN) и LTE (E-UTRAN)

1.2 Подготовить отчет по изученному материалу в качестве реферата.

 

2. Литература:

2.1. Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика

 

3. Задание:

3.1. Подготовить реферат на тему "теоретические аспекты построения и развития радиоподсистем UMTS и LTE"

3.2 В реферате отразить вопросы:

3.2.1 Базовые принципы построения радиоподсистем UMTS;

3.2.2 Архитектура радиоподсистемы UMTS (UTRAN);

3.2.3 Особенности функционирования радиоподсистемы UMTS;

3.2.4 Перспективы развития систем IMT. Стандартизация радиоинтерфейсов UMTS (ITU, 3GPP, ETSI)

3.2.5 Радиоинтерфейсы HSDPA, HSUPA, HSPA+,.

3.2.6 Радиоинтерфейс системы LTE, общие особенности, методы множественного доступа, структура передающих и приемных устройств LTE.

3.2.7 Особенности радиоинтерфейса LTE-Advanced.

3.2.8 Радиочастотное обеспечение технологий UMTS и LTE.

 

 

Список литературы.

 

[1]Основы информационных технологий. Беспроводные сети Wi-Fi. А.В. Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Чирков Д.Н. и др. - М.: Бином, 2007

[2] Энциклопедия мобильной связи: В 2 т. / Под. ред. С.Л. Корякина-Черняка. – СПб.: Наука и техника, 2001. Т. 1: Системы связи подвижной службы общего пользования. – 240 с.

[3] Радиосистемы передачи информации: Учебное пособие для вузов / В.А. Васин, В.В. Калмыков, Ю.Н. Себекин, А.И. Сенин, И.Б. Федоров; под ред. И.Б.Федорова и В.В.Калмыкова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 472 с.: ил.

 

[4] В.И. Попов. Основы сотовой связи стандарта GSM. – М.:Эко-трендз,2005. – 296с.:ил.

 

[5] Телекоммуникационные технологии: введение в технологии GSM: учеб.пособие для студ.высш.учеб.заведений / [С.Б. Макаров, Н.В. Певцов, Е.А. Попов, М.А. Сиверс]. – 2-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 256с.

[6] Всеселовский Кшиштоф. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И.Д. Рудинского; под ред. А.И. Ледовского. – М.:Горячая линия – Телеком, 2006. – 536с.

[7] 6. Принципы построения и помехоустойчивость систем передачи непрерывных и дискретных сообщений: учебное пособие по курсу «Системы передачи информации» / В.А. Борисов, Л.В. Когновицкий, Е.Е. Лазарева, П.И. Пенин; под ред. П.И. Пенина. –М.: Типография МЭИ, 1982. – 84с.

 

[8]. Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В. Соверменные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. – К.: «ЕКМО», 2009. – 672с.

[9]. Теория электрической связи: учебник / В.Н. Васюков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 392 с.

 

[10]. А.Н.Берлин. Цифровые сотовые системы связи. – М.: Эко-Трендз, 2007. – 296с.:ил.