ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральноегосударственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I»
(ФГБОУ ВО ПГУПС)
Факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии»
Кафедра «Электрическая связь»
РФЕРАТИВНАЯ РАБОТА
по дисциплине
«Сотовая и транкинговая связь»
ТЕМА РАБОТЫ
«Стандарт IEEE 802.16 (WiMAX)»
| Обучающийся | ________________ Подпись, дата | Капарин Ф.А. гр.АР609 И.О. Фамилия, группа | ||
| Сдан на проверку | ________________ Подпись, дата | Плеханов П.А. Должность, И.О.Фамилия | ||
| Исправить замечания:__________________________ | ||||
| Защита:________________ Оценка | ________________ Подпись, дата | Плеханов П.А. Должность, И.О.Фамилия | ||
Санкт-Петербург
Оглавление
Введение. 3
1. Стандарт IEEE 802.16 WiMAX.. 4
2. Область использования. 7
3. Фиксированный и мобильный вариант WiMAX.. 8
4. Модуляция OFDM... 9
5. Помехоустойчивое кодирование. 12
6. Гибкость. 13
7. Метод доступа. 14
8. Защита информации. 14
9. Разработка оборудования WiMAX на базе «систем на кристалле». 16
10. Абонентское оборудование. 17
11. Базовые станции. 19
12. Развертывание систем WiMAX.. 21
13. Топология сети. 21
14. Диапазон частот. 22
15. Уровень МАС стандарта IEEE 802.16. 23
16. Принцип работы.. 27
17. Режимы работы.. 28
18. Архитектура. 29
19. Общие подходы к выбору системы WiMAX.. 30
20. Прогноз развития. 32
21. WiMAX в России. 33
22. Заключение. 33
Список используемой литературы.. 34
Введение
Стандарт WiMAX – Worldwide interoperability for Microwave Access, вышел в свет в конце 2001г. В соответствии с иерархией стандартов беспроводного доступа он относится к классу MAN (Metropolitan Area Network). По ряду показателей, таких как пропускная способность, покрытие территории и предоставляемые услуги, WiMAX превосходит стандарт Wi-Fi (IEEE802.11) класса LAN (Local Area Network), позволяя при развитой инфраструктуре строить региональные, национальные и даже глобальные сети.
На физическом уровне в стандарте WiMAX применяют две принципиально разные технологии. Данные можно передавать, модулируя одну несущую частоту (SC – Single Carrier) или множество поднесущих – технология OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В режиме SC к радиоканалам предъявляют те же требования, что и в радиорелейных сетях: использование только прямых лучей и применение узконаправленных антенн, подавление всех отраженных лучей с целью устранения межсимвольной интерференции. В связи с этим технологию SC невозможно использовать в сетях массового пользования с многолучевым распространением радиоволн в каналах связи.
Переход к технологии OFDM произошел в 2004г при появлении нового стандарта WiMAX: 802.16-2004. Данная технология позволяет устранить межсимвольную интерференцию. В следующей версии стандарта были существенно изменены параметры OFDM. В частности, перешли к масштабируемой OFDM: число используемых поднесущих стало зависеть от рабочей полосы (SOFDM), а абоненту стали выделять определенное число подканалов (SOFDMA ‒ Scalable OFDM Access). Также появилась возможность реализации хэндоверов. Данному варианту стандарта WiMAX дали название мобильного WiMAX или стандарта 802.16е. Вариант 802.16е является базовым в действующих сетях WiMAX. Последние несколько лет его постоянно усовершенствовали. Например, он был дополнен стандартами 802.16i и 802.16j. Последний позволяет расширять существующие сети, применяя ретрансляторы.
В 2011 году был утвержден новый вариант стандарта WiMAX – 802.16m. Он предназначен для построения сетей с пропускной способностью выше 100 Мбмит/с и для реализации ряда новых перспективных услуг. Базовый вариант спецификаций WiMAX: “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems”. Этапы усовершенствования стандарта WiMAX приведены в табл. 1.
Таблица 1- Этапы усовершенствования стандарта WiMAX
| Стандарт | Принят | Полосы частот, ГГц | Мобильность | Технологии | Ширина канала, МГц |
| 802.16 | 12.2001 | 11 - 66 | нет | Одна несущая (SC) | 20, 25, 28 |
| 802.16-2004 | 06.2004 | 2 - 11 | нет | SC или OFDM (256)[1] | 1,75; 3,5; 7; 14; 1,25; 5; 10; 15; 8,75 |
| 802.16е | 12.2005 | 11 - 66 2 - 11 (фикс.) 2 - 6 (моб.) | есть | SC или OFDM (256), или SOFDM (128, 512, 1024, 2048) | 1,25; 5; 10; 20 |
| 802.16k | 11 - 66 2 – 11 (моб.) | есть | SC или OFDM (256), или SOFDM (128, 512, 1024, 2048) | 1,25; 5; 10; 20 | |
| 802.16-2009 | Те же | есть | Те же + 802.16i | Та же | |
| 802.16j | Те же | есть | Те же + ретрансляция | Та же | |
| 802.16m | Ниже 3,6 | есть | SOFDMA | 1‒ 20 |
Стандарт IEEE 802.16 WiMAX
Своим названием, которое можно перевести как «всемирное взаимодействие сетей для беспроводного доступа в микроволновом диапазоне», технология обязана, во-первых, своей направленности на реализацию так называемой связи «последней мили» (отсюда «взаимодействие сетей»), а, во-вторых, тому, что изначально (в июне 2004 года, когда разрабатывался стандарт 802.16) планировалось использовать частотный диапазон от 10 до 66 ГГц (отсюда — «микроволновый диапазон»). Однако, впоследствии частотный диапазон был изменен на 2-11 ГГц (802.16d) и теперь частоты WiMAX перекрываются с частотами Wi-Fi (2,4 и 5,4 ГГц) и UWB, что, впрочем, не мешает им мирно сосуществовать в эфире, так как в каждой из этих технологий используются разные подходы к кодированию и передаче данных. Хотя, конечно, технология WiMAX во многом схожа с технологией Wi-Fi, впрочем, это объясняется тем, что подходов к увеличению пропускной способности при беспроводной передаче данных не так уж и много, так что у инженеров, продвигающих технический прогресс вперед, имеется достаточно ограниченный набор инструментов, из которых, тем не менее, удается каждый раз сделать что-то новое.
В то же время, WiMAX не должна будет стать прямым конкурентом Wi-Fi-сетей, скорее, эта технология претендует на роль сильного конкурента технологиям передачи данных в сетях мобильной связи. Мобильная связь сегодня уже достигла планетарных масштабов — по некоторым оценкам, покрытие сетей сотовой связи достигает 70% поверхности земной суши, а количество пользователей мобильной связи приближается к двум миллиардам абонентов, что соответствует примерно трети всего населения Земли.
WiMAX представляет собой целое семейство стандартов с шириной канала от 1,5 до 20 МГц. Согласно спецификациям IEEE 802.16d, принятым в июне 2004 года, предусмотрено три разных физических уровня (PHY): первый из них, 256-точечный FFT (FFT — Fast Fourier Transform, быстрое преобразование Фурье) OFDM, является обязательным. Также в семействе WiMAX представлены два необязательных стандарта: SC (Single-Carrier, одна несущая, что роднит этот стандарт с CDMA) и 2048 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA, к слову, представляет собой еще один, новый подход к мультиплексированию каналов связи и является развитием FDMA (Frequency Division Multiple Access), использовавшегося вместе с временным уплотнением (TDMA) в GSM.
Помимо мультиплексирования по ортогональным несущим (OFDM), в WiMAX заложена поддержка большего количества модуляционных схем — BPSK, QPSK, QAM16 и QAM64. В теоретическом случае максимального уровня сигнала, позволяющего использовать квадратурную модуляционную схему QAM64 и присутствия в системе только одного пользователя, которому будут предоставлены все 192 несущих шириной по 20 МГц каждая, пропускная способность связи такого пользователя с базовой станцией составит 75 Мбит/с. Однако, в реальности, конечно, так не бывает — в первую очередь, пользователю никогда не будет доступно такое количество свободных частотных диапазонов (192*20=3840 МГц). Наиболее распространенным на сегодняшний день является диапазон 3,5 ГГц (3,3-3,6 ГГц), максимальная пропускная способность в котором, как нетрудно подсчитать, достигает 5,86 Мбит/с.
Еще одним важным отличием WiMAX, является возможность осуществления связи между терминалами, не находящимися на линии видимости друг друга. Это достигается путем использования огибания и отражения сигнала от препятствий, а также ретрансляции данных, направленных одному терминалу, на несколько других терминалов, из которых один или несколько находятся на линии видимости с адресатом. В чем-то этот подход схож с mesh-сетями, однако, в случае с WiMAX есть ограничения в виде необходимости связи определенных терминалов (узлов доступа или маршрутизаторов) с глобальной сетью (WAN), в то время как mesh-сети, как предполагается, будут самодостаточны. Пока, впрочем, существующие mesh-технологии являются закрытыми, но есть надежда, что к 2008 году в IEEE появится первый стандарт mesh-сетей.
85% мирового рынка BWA-услуг составляют операторские сети, остальное – частные корпоративные (соотношение верно и для России, где большинство сетей являются публичными, хотя в стране и реализован ряд крупных проектов по строительству корпоративных сетей). Основная доля услуг приходится на диапазон 3,5 ГГц, где сосредоточено 40% всего установленного в мире оборудования, далее следует 5 ГГц: 5,2; 5,4; 5,6; 5,8. Развитие технологий WiMAX в России идет поступательно. На этом рынке работают, по данным аналитиков, около 160 региональных операторов беспроводных сетей.
Проблемы, встающие на пути WiMAX, – высокая цена абонентских устройств (около 1 тыс. долл.), сложность подключения, недостаток радиочастотного ресурса – сложность регулирования использования радиочастотного спектра.
Область использования
WiMAX подходит для решения следующих задач:
¾ Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.
¾ Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.
¾ Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.
¾ Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению.
¾ Создания систем удалённого мониторинга (monitoring системы), как это имеет место в системе SCADA.
WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi-сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках городов.
3. Фиксированный и мобильный вариант WiMAX
Набор преимуществ присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного применения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не удалось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами).
Каждая из спецификаций WiMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. А потому WiMAX-системы, основанные на версиях стандарта IEEE 802.16 e и d, практически несовместимы. Краткие характеристики каждой из версий приведены ниже.
802.16-2004 (известен также как 802.16d, фиксированный WiMAX и WiMAXpre) — спецификация, утвержденная в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.
802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX) — спецификация, утвержденная в 2005 году. Это — новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, idle mode и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3—2,5; 2,5—2,7; 3,4—3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, в том числе первым в России свою сеть развернул «Скартел». В Казахстане реализован проект FlyNet. Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения (например, EV-DO, HSDPA).
Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 150 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.
Модуляция OFDM
При формировании OFDM-сигнала цифровой поток данных делится на несколько подпотоков, и каждая поднесущая связывается со своим подпотоком данных. Амплитуда и фаза поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции. Согласно стандарту, отдельные поднесущие могут модулироваться с использованием бинарной фазовой манипуляции (BPSK), квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) или квадратурной амплитудной манипуляции (QAM) порядка 16 или 64. Варианты отображения бит на фазовую плоскость для каждого вида манипуляции представлены на рис. 1. В передатчике амплитуда как функция фазы преобразуется в функцию от времени с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). В приемнике с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) осуществляется преобразование амплитуды сигналов как функции от времени в функцию от частоты.
Рис. 1. Варианты отображения бит на фазовую плоскость
Применение преобразования Фурье позволяет разделить частотный диапазон на поднесущие, спектры которых перекрываются, но остаются ортогональными. Ортогональность поднесущих означает, что каждая из них содержит целое число колебаний на период передачи символа. Как видно из рис. 2, спектральная кривая любой из поднесущих имеет нулевое значение для «центральной» частоты смежной кривой. Именно эта особенность спектра поднесущих и обеспечивает отсутствие между ними интерференции.
Рис. 2. Ортогональные поднесущие
Одним из главных преимуществ метода OFDM является его устойчивость к эффекту многолучевого распространения. Эффект вызывается тем, что излученный сигнал, отражаясь от препятствий, приходит к приемной антенне разными путями (рис. 3), вызывая межсимвольные искажения. Этот вид помех характерен для городов с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений. Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым OFDM-символом вводится защитный интервал, называемый циклическим префиксом. Циклический префикс представляет собой фрагмент полезного сигнала, что гарантирует сохранение ортогональности поднесущих (но только в том случае, если отраженный сигнал при многолучевом распространении задержан не больше, чем на длительность циклического префикса). Кроме того, циклический префикс позволяет выбрать окно для преобразования Фурье в любом месте временного интервала символа (рис. 4).
Рис. 3. Иллюстрация эффекта многолучевого распространения
Рис. 4. Обработка OFDM-символа при многолучевом распространении
5. Помехоустойчивое кодирование
Многолучевое распространение радиосигнала может приводить к ослаблению и даже полному подавлению некоторых поднесущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Для решения этой проблемы используется помехоустойчивое кодирование. В стандарте IEEE 802.16-2004 предусмотрены как традиционные технологии помехоустойчивого кодирования, так и относительно новые методы. К традиционным относится сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби и коды Рида-Соломона. К относительно новым — блочные и сверточные турбокоды. Для увеличения эффективности кодирования без снижения скорости кода применяется перемежение данных. Перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.
6. Гибкость
Важной особенностью физического уровня является возможность выбора ширины для полосы пропускания канала. Стандарт предусматривает выбор ширины полосы с шагом от 1,25 МГц до 20 МГц со множеством промежуточных вариантов, что позволяет более эффективно использовать радиочастотный спектр. Кроме того, в стандарт заложена адаптивная сигнально-кодовая конструкция, то есть система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени, «перекачивая» скорость в помехоустойчивость и наоборот. В соответствии со стандартом, в зависимости от отношения сигнал/шум (S/N) система выбирает метод модуляции, при котором может быть обеспечена устойчивая работа (рис. 5).
Рис. 5. Предпочтительный метод модуляции в зависимости от отношения сигнал/шум
Дополнительными инструментами физического уровня для повышения эффективности использования радиоспектра служат измерение качества канала и автоматическое управление мощностью сигнала.
7. Метод доступа
В стандарте IEEE 802.16-2004 используется технология множественного доступа с разделением по времени (TDMA), согласно которой базовая станция выделяет абонентским станциям временные интервалы, чтобы они могли передавать данные в определенной очередности, а не случайным образом.
Для реализации дуплексного режима обмена данными используются две технологии: дуплексный режим с разделением по времени (TDD) нисходящего и восходящего потоков и дуплексный режим с разделением по частотам (FDD).
8. Защита информации
В соответствии со стандартом, для предотвращения несанкционированного доступа и защиты пользовательских данных осуществляется шифрование всего передаваемого по сети трафика. Базовая станция (БС) WiMAX представляет собой модульный конструктив, в который при необходимости можно установить несколько модулей со своими типами интерфейсов, но при этом должно поддерживаться административное программное обеспечение для управления сетью. Данное программное обеспечение обеспечивает централизованное управление всей сетью. Логическое добавление в существующую сеть абонентских комплектов осуществляется также через эту административную функцию.
Абонентская станция (АС) представляет собой устройство, имеющее уникальный серийный номер, МАС-адрес, а также цифровую подпись Х. 509, на основании которой происходит аутентификация АС на БС. При этом, согласно стандарту, срок действительности цифровой подписи АС составляет 10 лет. После установки АС у клиента и подачи питания АС авторизуется на базовой станции, используя определенную частоту радиосигнала, после чего базовая станция, основываясь на перечисленных выше идентификационных данных, передает абоненту конфигурационный файл по TFTP-протоколу. В этом конфигурационном файле находится информация о поддиапазоне передачи (приема) данных, типе трафика и доступной полосе, расписание рассылки ключей для шифрования трафика и прочая необходимая для работы АС информация. Необходимый файл с конфигурационными данными создается автоматически, после занесения администратором системы АС в базу абонентов, с назначением последнему определенных параметров доступа.
После процедуры конфигурирования аутентификация АС на базовой станции происходит следующим образом:
Абонентская станция посылает запрос на авторизацию, в котором содержится сертификат Х.509, описание поддерживаемых методов шифрования и дополнительная информация.
Базовая станция в ответ на запрос на авторизацию (в случае достоверности запроса) присылает ответ, в котором содержится ключ на аутентификацию, зашифрованный открытым ключом абонента, 4-битный ключ для определения последовательности, необходимый для определения следующего ключа на авторизацию, а также время жизни ключа.
В процессе работы АС через промежуток времени, определяемый администратором системы, происходит повторная авторизация и аутентификация, и в случае успешного прохождения аутентификации и авторизации поток данных не прерывается.
В стандарте используется протокол PKM (Privacy Key Management), в соответствии с которым определено несколько видов ключей для шифрования передаваемой информации:
¾ Authorization Key (АК) — ключ, используемый для авторизации АК на базовой станции;
¾ Traffi c Encryption Key (ТЕК) — ключ, используемый для криптозащиты трафика;
¾ Key Encryption Key (КЕК) — ключ, используемый для криптозащиты передаваемых в эфире ключей.
Согласно стандарту, в каждый момент времени используются два ключа одновременно, с перекрывающимися временами жизни. Данная мера необходима в среде с потерями пакетов (а в эфире они неизбежны) и обеспечивает бесперебойность работы сети. Имеется большое количество динамически меняющихся ключей, достаточно длинных, при этом установление безопасных соединений происходит с помощью цифровой подписи. Согласно стандарту, криптозащита выполняется в соответствии с алгоритмом 3-DES, при этом отключить шифрование нельзя. Опционально предусмотрено шифрование по более надежному алгоритму AES.
Разработка оборудования WiMAX на базе «систем на кристалле»
Современные тенденции развития телекоммуникационного рынка диктуют разработку так называемых «систем на кристалле». Под устройствами класса «система на кристалле» в общем случае понимаются устройства, на едином кристалле которых интегрированы один или несколько процессоров, некоторый объем памяти, ряд периферийных устройств и интерфейсов, — то есть максимум того, что необходимо для решения поставленных перед системой задач. Разработка «систем на кристалле» предполагает оптимизацию разрабатываемой схемотехники, что непосредственно сказывается на потребляемой мощности, площади кристалла и, как следствие, стоимости.
На текущий момент ведущие мировые производители сосредоточились на разработке «систем на кристалле», в которых интегрированы основные функции физического и MAC уровней стандарта WiMAX. Первые образцы, разработанные на основе спецификации IEEE 802.16-2004, представили компании Fijitsu, Intel, Sequans Communications, Wavesat и PicoChip. В предлагаемых этими компаниями решениях на физическом уровне используется модуляция OFDM с 256 поднесущими и основная схема кодирования, в которой для внутреннего кода применяется сверточное кодирование и декодирование по алгоритму Витерби, а для внешнего — коды Рида-Соломона.
Функционально оборудование WiMAX разделяется на базовое и абонентское. Первое поколение чипов для базовых станций обладает меньшим уровнем интеграции, чем для абонентских станций. Для реализации MAC-протокола базовой станции требуется увеличение производительности этих решений. Для этой цели используются внешние процессоры, служащие для выполнения верхнего уровня MAC-протокола. Таким образом, чипсеты WiMAX реализуют функции физического уровня и функции нижнего уровня MAC-протокола.