Стандарт IEEE 802.16, WiMAX и pre-WiMAX
Авторы: разработчики сайта pbxlib.com.ua "Сервер систем связи"

Источник: http://www.pbxlib.com.ua/lan/article_90.html

Предпосылки разработки стандарта

Более чем двадцатилетнее развитие систем фиксированного беспроводного доступа позволило накопить большой опыт их построения и эксплуатации, который нуждался в систематизации, обобщении и выработке рекомендаций по построению таких систем. Положительные результаты подобной работы, полученные в области беспроводных локальных сетей (WLAN) и воплотившиеся в стандарт IEEE 802.11, известны всему миру: сотни производителей оборудования выпускают совместимое беспроводное оборудование, прошедшее сертификацию Wi-Fi альянса. Следствие массового выпуска стандартного совместимого оборудования – снижение его стоимости в десятки раз в течение нескольких лет.

Опыт, накопленный в процессе работы над стандартом беспроводных локальных сетей IEEE 802.11, в полной мере используется при разработке стандарта городских беспроводных сетей IEEE 802.16. Буквально сразу после разработки первой версии стандарта была создана общественная организация WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) форум, призванная сыграть роль Wi-Fi альянса для городских сетей.

Таким образом, существует достаточно оснований надеяться на успешное развитие городских беспроводных сетей в рамках стандарта IEEE 802.16, что должно привести к их повсеместному распространению и превращению таких сетей в массовое и широкодоступное, универсальное средство доступа.

Краткое описание стандарта

Текущая версия стандарта IEEE 802.16 на городские беспроводные сети ( Wireless Metropolitan Area Network - WMAN) принята в 2004 г. Стандарт разрабатывается IEEE в координации с Европейским институтом стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI, проект HIPERACCESS).

Стандарт содержит описание основных протоколов для систем фиксированного беспроводного доступа.

Подуровень конвергенции (Convergence Sublayer - CS)

Подуровень расположен над МАС уровнем и предназначен для организации взаимодействия между более высокими уровнями сети и МАС уровнем. В стандарте определены два типа уровня конвергенции: АТМ и пакетный. Первый обеспечивает взаимодействие МАС уровня 802.16 и АТМ протокола, второй – взаимодействие с пакетными протоколами.

Протокол MАС уровня

Протокол описывает порядок взаимодействия между МАС уровнем и подуровнем CS, формат фрейма MAC (MAC Protocol Data Units - PDU), сервисы и механизмы опроса (поллинга), обеспечивающие поддержку качества обслуживания - QoS:

В протоколе МАС уровня предусмотрена поддержка дуплекса (частотного или временного), синхронизации, разрешение коллизий, возможных на этапе установления системы или на интервалах запроса на передачу. На этом уровне также обеспечивается измерение дальности до абонентских станций (АС), необходимое для корректной работы протокола, обновление описания канала и разделение абонентского оборудования на абонентские группы.

Уровень безопасности

Описывает алгоритмы шифрования на участке между базовой станцией (БС) и АС. Уровень безопасности включает два протокола:

Протокол инкапсуляции для шифрования пакетов, включающий несколько вариантов пар шифрование-аутентификация и правила их применения к пакетам МАС уровня.

Протокол управления ключами шифрования PKM (Privacy Key Management), обеспечивающий распределение ключей от БС для АС.

Физический уровень

Протоколы физического уровня описывают методы организации дуплекса, способы адаптации, методы множественного доступа и модуляции.

Предусмотрены режимы временного и частотного дуплекса. Вид модуляции и кодирования могут изменяться адаптивно от пакета к пакету индивидуально для каждого абонента, что позволяет увеличить реальную пропускную способность примерно вдвое по сравнению с неадаптивными системами.

Передача от АС к БС строится на комбинации двух методов многостанционного доступа: DAMA – доступ по запросу и TDMA – доступ с временным разделением. Структура пакетов физического уровня поддерживает переменную длину пакета МАС уровня. Предусмотрена рандомизация, помехоустойчивое кодирование и три метода модуляции: QPSK, 16QAM и 64QAM. Два последних метода предусмотрены для АС как опциональные.

Передача от БС к АС ведется в режиме временного дуплекса в едином потоке для всех АС одного сектора. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию QPSK, 16QAM и 64QAM. Последний метод модуляции предусмотрен для БС как опциональный.

Информация в системе передается фреймами, которые делятся на два субфрейма. Первый используется для передачи БС, второй – АС.

Стандартом также рекомендуются полосы частот и соответствующие скорости передачи при различных видах модуляции. Максимальная скорость передачи, предусмотренная в стандарте – 134,4 Мбит/с при полосе 28 МГц и модуляции 64 QAM.

В первой версии стандарта предусматривалось использование диапазона частот 10-66 ГГц для которого рекомендовался режим передачи на одной несущей - single-carrier (SC). Особенности распространения радиоволн этого диапазона ограничивают возможности работы условиями прямой видимости. В типичных городских условиях это позволяет подключить около 50% абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой станции. До остальных 50% прямой видимости, как правило, нет. Поэтому в процессе работы над стандартом диапазон частот был расширен включением полосы 2-11 ГГц, в которой, помимо SC, предусмотрены еще и режимы ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) и множественного доступа на основе ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiply Access - OFDMA).

В режиме OFDM предусмотрена одновременная передача на 256 поднесущих, что позволяет, за счет увеличения примерно в такое же число раз длительности элементарного символа, одновременно принимать прямой и отраженные от препятствий сигналы или вообще работать только по отраженным сигналам вне пределов прямой видимости. Режим OFDMA предусматривает работу на 2048 поднесущих сразу с несколькими абонентами в режиме OFDM. При стандартном количестве поднесущих – 256, обеспечивается одновременная работа с 8 абонентами.

В стандарте также описаны модели сред распространения радиоволн и на этой основе сформулированы требования к параметрам радиооборудования. Предусмотрены возможности автоматической регулировки усиления, динамического выбора частоты в нелицензируемых диапазонах. Помимо топологии точка-многоточка стандартом опционально предусмотрена полносвязная топология - Mesh Mode, позволяющая обеспечить прямую связь между АС, преодолеть помехи, характерные для безлицензионных диапазонов, за счет выбора направления приема, свободного от них, создавать хорошо масштабируемые сети и работать вне прямой видимости даже в одночастотном режиме SC, за счет ретрансляции сигналов АС.

Современное состояние и перспективы

Участие в WiMAX форуме практически всех производителей систем фиксированного беспроводного доступа, в том числе и компании InfiNet Wireless, начавшийся выпуск pre-WiMAX систем, разработка компаниями Intel и Fujitsu чипсета для массового производства WiMAX оборудования не оставляет сомнений в том, что результат будет достигнут. Вопрос о том, когда появятся WiMAX совместимые системы, остается открытым. Сроки постоянно сдвигаются, а это означает, что до 2006-2007 года наиболее совершенными остаются системы класса pre-WiMAX, некоторые из которых, в частности SkyMAN, по ряду показателей уже превосходят будущие стандартные системы.