WiMAX - универсальное решение для последней мили
Юрий ПИСАРЕВ, главный эксперт компании InfiNet Wireless, Петр КОЧЕГАРОВ, директор по России и СНГ компании InfiNet Wireless
Источник: Электронный вариант статьи http://imc.org.ua/_old/lastm.php
Появление технологии WiMAX было вызвано естественным развитием потребностей в услугах широкополосного доступа к сетям передачи данных. Использование беспроводной технологии - наиболее быстрый путь построения систем и сетей, предоставляющих такие услуги. Особенно это касается стран и регионов с неразвитой наземной инфраструктурой связи. Развитие беспроводных широкополосных систем доступа привело к Появлению семейства стандартов IEЕЕ 802.11, которые, однако, изначально были ориентированы на решение несколько иной задачи. А именно, обеспечения широкополосного беспроводного доступа к локальной сети на работе, дома или в каком-нибудь публичном месте (hot-spot). При этом в одной зоне одновременно работает максимум несколько десятков человек, и единственный сервис, которым они пользуются, - ресурсы локальной сети (или доступ в Интернет).
Для решения другой задачи, пусть и несколько похожей, - обеспечения различными широкополосными услугами (данные, голос, видео, наложенные сети и пр.) потребителей на большой территории (город, район) - стали, как грибы, возникать системы различных производителей. Каждый разработчик использовал свой подход к созданию таких систем, и ни о какой совместимости между ними речи быть не могло.
Показательный успех технологии 802.11 (Wi-Fi) является примером важности принятия единого индустриального стандарта. С принятием стандарта обеспечивается совместимость оборудования различных производителей между собой, становится возможным использовать стандартные наборы микросхем (дешевые при больших тиражах), к производству подключаются фабрики Юго-Восточной Азии, изначально ориентированные на большие объемы выпуска. И технология становится массовой. WiMAX Forum - это инициатива лидеров индустрии побеспечению совместимости оборудования беспроводного широкопосного доступа.
Из взятого за основу стандарта IEEE 802.16 (а также европейского ETSI НyperMAN) участники WiMAX Forum выделяют подмножество (точнее, подмножества), которое обязуется поддерживать процедуры тестирования оборудования на совместимость. Точно такая же история с Wi-Fi. Wi-Fi - это подмножество IEEE -802.11, а до появления 802.11 различные производители делали несовместимое оборудование. Многие еще помнят "беспроводные адаптеры" ценой в $800.
Стандарт IEEE 802.16d и WiMAX
Стандарт разработан для беспроводных систем архитектуры "точка-многоточка" в диапазонах 11-60 ГГц и ниже ГГц и описывает требования к таким системам на физическом и канальном уровнях (PHY и MAC). В высоких диапазонах частот требование прямой видимости является необходимым и позволяет бороться с многолучевостью, особенно в случае каналов шириной больше 10 МГц. Что в свою очередь позволяет использовать высокие диапазоны для создания высокоскоростных соединений. Частоты ниже 11 ГГц предназначаются для систем, работающих вне прямой видимости. Требования к канальному уровню стандарта 802.16 предусматривают учет используемого физического уровня и предоставления сервисов, зависящих от физического уровня. Стандарт предполагает поддержку как временного, так и частотного разделения приемо-передающих каналов.
Канальный уровень разработан специально для поддержки беспроводных систем "точка- многоточка" и способен поддерживать различные протоколы сетевого и транспортного (IP, ATM или Ethernet). Особое внимание уделено в стандарте 802.16 поддержке различных типов сервисов гарантий качества обслуживания (UGS, rtPS, nrtPS и Best Effort). Предусматривается поддержка фрагментации/дефрагментации пакетов, учета физического состояния соединения с каждым абонентом (при выборе параметров соединения), динамических запросов и освобождения полосы пропускания каждым абонентом. Впрочем, МАС-уровень стандарта 802.16d - предмет для отдельной статьи.
Рассмотрим теперь различные профили стандарта 802.16, описывающие поддержку различных технологий физического уровня в разных диапазонах частот.
Профили 802.16
В стандарте предусмотрены четыре различные технологии физического канала, для которых разработано несколько десятков профилей, описывающих обязательные и опциональные требования к параметрам оборудования.
Технология SC
Технология передачи на одной несущей - Single Carrier (SC) - предназначена для построения сетей WirelessMAN в диапазоне 10 - 66 ГГц. Рекомендуемые типы модуляции: OPSK, 16ОАМ и 64QAM (опционально). Полоса частот для передачи - 25 или 28 МГц. Возможна работа в режиме частотного (FDD) или временного (TDD) дуплекса. Конкретные диапазоны частот, относящиеся во всех странах к числу лицензируемых, в стандарте не оговариваются и определяются национальным законодательством.
Максимальные скорости передачи для систем SC представлены в табл. 1, при этом речь идет о скорости передачи битов без учета затрат на кодирование. С учетом кодирования и оверхеда (непроизводительных затрат на передачу служебной информации и технологических временных затрат) пропускная способность составит в среднем не более половины от указанной скорости. Так же снизится спектральная эффективность.
Табл. 1. Основные характеристики технологии.
Раздел SC по сути отражает требования к системам класса LMDS. Судя по недостаточно глубокой проработке профилей в этой части стандарта, можно предположить, что пока не очень много компаний стремятся развивать беспроводные сети этого класса в рамках стандарта.
Остальные три технологии предназначены для создания систем в диапазоне частот ниже 11 ГГц.SCa Технология передачи на одной несущей Single Carrier версии "a" (SCa) предусмотрена для создания беспроводных сетей в лицензируемых (WirelessMAN - Wireless Metropolitan Area Networks) и нелицензируемых (WirelessHUMAN - Wireless High speed Unlicensed Metropolitan Area Networks) диапазонах частот, лежащих ниже 11 ГГц. Применяются модуляции BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM (опционально).
Для WirelessMAN были разработаны профили для полос частот 3,5 и 7 МГц. Предусмотрено использование в режиме частотного дуплекса FDD следующих лицензируемых диапазонов частот:
2523-2593 МГц, 2597-2667 МГц;
3410-3445 МГц, 3460-3495 МГц;
3500 - 3549 МГц, 3550-3599 МГц;
3600-3649 МГц, 3650-3699 МГц;
3700-3749 МГц, 3750-3799 МГц.
Для WirelessHUMAN разработаны профили для режима временного дуплекса TDD в полосах частот 10 и 20 МГц в нелицензируемых в большинстве стран частотных диапазонах:
5270-5340 МГц;
5735-5835 МГц;
5730-5850 МГц.
Значения скоростей передачи для технологии SCa, а также для рассматриваемых ниже технологий OFDM и OFDMA, в стандарте не приводятся, вместо этого представлены расчетные формулы. Использовав приводимые в стандарте значения переменных, входящих в эти выражения, можно вычислить значения скоростей передачи с учетом кодирования. Результаты расчетов представлены в таблице 2. Следует иметь в виду, что значения реальной пропускной способности будут на 20 - 50% ниже из-за неизбежного в пакетных системах оверхеда.
Табл. 2. Основные характеристики технологии SCa.
OFDM
Технология ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) предназначена для создания беспроводных сетей в лицензируемых (WirelessMAN) и нелицензируемых (WirelessHUMAN) диапазонах частот ниже 11 ГГц.
Конкретные диапазоны частот определяются правилами регионального частотного регулирования и в стандарте не оговариваются. Расчетные значения скоростей передачи для рекомендуемых в профилях стандарта полос частот представлены в табл. 3.
Табл. 3. Основные характеристики технологии OFDM.
OFDMA
Технология множественного доступа на основе ортогонального частотного мультиплексирования является развитием OFDM и использует в предусмотренном стандартом варианте передачу на 2048 поднесущих частотах, на которых одновременно может передаваться информация для/от 8 абонентов, каждый из которых использует 256 поднесущих. Технология OFDMA является более сложной для реализации, чем OFDM, и, по всей видимости, разработка систем, использующих эту технологию, начнется уже после широкого внедрения технологии OFDM. Для построения систем на базе OFDMA предусмотрено использование лицензируемых и нелицензируемых диапазонов частот ниже 11 ГГц.
Лицензируемые диапазоны при используемой полосе 1,25 МГц:
2150-2160 МГц;
2305-2321,25 МГц;
2361,25-2376,25 МГц;
2500-2688,75 МГц;
3400-3701,25 МГц.
При передаче в полосе 3,5; 7; 14 или 28 МГц предусмотрено использование следующих диапазонов в режиме частотного дуплекса FDD:
2523-2593 МГц, 2597-2667 МГц;
3410-3445 МГц, 3460-3495 Мгц;
3500-3599,75МГц, 3550-3649,75 МГц;
3600-3699,75 МГц, 3650-3749,75 МГц;
3700-3799,75 МГц, 3750-3849,75 МГц.
Для построения сетей типа WirelessHUMAN предусматривается использование полос частот 10 и 20 МГц в диапазоне 5 ГГц:
5270-5340 МГц;
5735-5835 МГц;
5730-5850 МГц.
Помимо этого разработаны профили, предусматривающие использование полос частот 8,75 и 17,5 МГц в диапазоне 2300 - 2400 МГц. Расчетные значения скоростей передачи на абонента для технологии OFDMA представлены в таблице 4.
Табл. 4. Расчетные значения скоростей передачи на абонента для технологии OFDMA.
Пути обеспечения частотным ресурсом систем WiMAX в России
Рассмотрим теперь, как предлагаемые профили оборудования WiMAX согласуются с российским национальным частотным распределением и реальной загруженностью частотных диапазонов. Анализ использования этих частотных диапазонов в России показывает:
2,5 - 2,7 ГГц запланирован для использования системами эфирного телевидения по технологии MMDS. Текущим регламентом допускается совместное использование этого диапазона системами двунаправленной передачи данных и интерактивного телевидения;
3,4 -3,6 ГГц используется система ми широкополосного беспроводного доступа (ШБД). Вместе с тем, развер тывание систем ШБД в этом диапазо не частот существенно ограничено со стороны систем космической связи компаний ФГУП "Космическая связь" и "Газком";
5,725-5,850 ГГц используется раз личными системами ШБД, а также устаревшими системами аналоговой и цифровой радиорелейной связи. Причем наличие систем радиорелейной связи может накладывать серьезные ограничения на развитие систем ШБД.
При планировании сценария внедрения систем WiMAX в России следует учитывать возможность использования диапазонов частот, рекомендованных WiMAX Forum. В этом случае на развертываемых сети ШБД могут использоваться абонентские устройства всех мировых производителей, а в будущем - терминалы со встроенными адаптерами WiMAX. Также возможно использование частотных диапазонов, которые не вошли в текущие рекомендации WiMAX, в регионах страны, где отсутствует ресурс в рекомендованных WiMAX частотных диапазонах.
Диапазон 2,5-2,7 ГГц
В настоящее время диапазон 2,5 -2,7 ГГц запланирован для использования системами эфирного телевидения по технологии MMDS. Текущим регламентом допускается совместное использование этого диапазона системаи двунаправленной передачи данных и интерактивного телевидения. Для изучения возможности использования данного диапазона необходимо провести следующие работы:
анализ текущего регулирования использования данного диапазона;
анализ текущей загрузки данного диапазона по документам;
подготовка документов и проведения работ для вынесения на ГКРЧ предложений по использованию данного диапазона системами WiMAX.
Диапазон 3,4-3,6 ГГц
В настоящее время диапазон 3,4-3,6 ГГц используется системами ШБД. Вместе с тем, их развертывание существенно ограничено со стороны систем космической связи компаний ФГУП "Космическая связь" и "Газком". Для изучения возможности работы в данном диапазоне следует провести следующие работы: o анализ текущей загрузки данного диапазона по регионам и ограничений, наложенных на системы ШБД состороны систем космической связи компаний ФГУП "Космическая связь" и "Газком"; o принятие решения о целесообраз ности развития WiMAX систем в данном диапазоне с учетом наложенных ограничений; o подготовка документов и проведение работ для вынесения на ГКРЧ предложений по использованию данного диапазона системами WiMAX.
Диапазон 5,725-5,850 ГГц
В настоящее время диапазон 5,725 - 5,850 ГГц используется различными системами ШБД, а также устаревшими системами аналоговой и цифровой радиорелейной связи. Причем наличие систем радиорелейной связи может накладывать серьезные ограничения на развитие систем ШБД.
Вместе с тем это единственный диапазон, в котором системы ШБД WiMAX могут использоваться сразу (при получении производителем частного решения ГКРЧ). Для ускоренного внедрения таких систем и снятия ограничений со стороны систем радиорелейной связи, также исторически использующих данный диапазон, целесообразно разработать процедуры гражданской конверсии систем радиорелейной связи с возможным переносом их в другой диапазон, например 11 ГГц, или цифровизации аналоговых систем радиорелейной связи с уплотнением используемого и высвобождением частотного ресурса под WiMAX системы. Эти работы могут проводиться за счет оператора связи, планирующего использовать высвободившийся частотный ресурс под вновь разворачиваемую систему WiMAX.
Необходимые работы:
анализ текущей загрузки данного диапазона по регионам и ограничений, наложенных на системы ШБД состороны систем цифровой и аналоговой радиорелейной связи, а также других систем;
разработка процедуры передачи высвобожденных частот под системы WiMAX и вынесение этой процедуры для рассмотрения на ГКРЧ. Цель данной процедуры - упрощение получе ния новых частотных присвоений подконвертированную систему радиорелейной связи и передача высвобожденных частот в диапазоне 5,8 ГГц;
оценка целесообразности принятияобобщенного решения ГКРЧ по использованию WiMAX систем в этомдиапазоне.
Другие диапазоны
WiMAX Forum в настоящее время определены три частотных профиля систем в диапазонах 2,5, 3,5 и 5,8 ГГц. Вместе с тем стандартом IЕЕ 802,16-2004 предусмотрено использование системами ШБД диапазонов 2 - 60 ГГц. Возможно обсуждение двух вариантов использования таких нестандартных, с точки зрения WiMAX Forum, диапазонов:
при разработке системы стандарта WiMAX в диапазоне частот, не опре деленном текущими рекомендациями WiMAX Forum, производитель этой системы (или его представитель) самостоятельно решает вопросы легализации этой системы на территории России в соответствии с существующей процедурой;
провести анализ национального распределения с целью поиска подходящего незагруженного частотного диапазона, перспективного для использования системами ШБД. Данный диапазон может быть заявлен для стандартизации в WiMAX Forum для поддержки его независимыми производителями, а также заявлен в МСЭ как позиция России.
Внедрение технологии ШБД WiMAX приведет к ускорению развития современных услуг связи в России, особенно в местах с неразвитой инфраструктурой. Снижение стоимости систем ШБД WiMAX позволит предоставлять такие услуги в сельских районах и в социально значимых областях.