802.16 e стандарт широкополосной мобильной сети. Описание радиомаршрутизатора R5000. Функционирование сети WiMAX

В первом поколении радиолиний связи с БПЛА вооруженных сил стран НАТО использовалась существующая инфраструктура коммуникаций (например, JTIDS/Link 16). В частности, такой концепции придерживаются и разработчики автоматизированной системы противодействия террористическим угрозам в гаванях LEXXWAR, демонстрировавшейся на выставке TechDemo"08 . Однако недостаточная пропускная способность Link 16 – до 50 Кбит/с – не позволяет полностью реализовать потенциал БПЛА. Поэтому сегодня ведутся многочисленные разработки радиосредств для связи с БПЛА, причем они характеризуются многообразием подходов. Определенную долю международного рынка занимают системы с традиционными, проверенными на протяжении многих лет методами модуляции сигналов. Характерным примером тому является аналоговый канал передачи видеоданных с борта германского БПЛА "Луна" с полосой пропускания 5 МГц, по которому также транслируются изображения местности, полученные с бортовой РЛС с синтезированной апертурой MiSAR. Другой пример использования устаревших, с точки зрения STANAG 4609, аналоговых методов связи с традиционной частотной модуляцией сигналов GMSK – разработанный компанией Enerdyne (www.enerdyne.com) программируемый модем для тактических систем БПЛА EnerLinksIII (рис.1, 2). В режиме прямой видимости он передает видеоданные NTSC, PAL и RS170 в частотных диапазонах 1700–1850 MГц (L-диапазон), 2200–2500 MГц (S-диапазон), 4400–4950 MГц (нижний C-диапазон) и 5250–5850 MГц (верхний C-диапазон). Каждый из них может использоваться для восходящего и нисходящего каналов. При этом достигается эквивалентная скорость передачи данных 11 Мбит/с на расстоянии 75 морских миль (в дальнейшем планируется поднять скорость передачи до 22 Мбит/с) и 5 Мбит/с – на расстоянии до 100 морских миль. В типовом составе наземного оборудования предусмотрена зеркальная параболическая антенна диаметром 24 дюйма с автоматическим сопровождением БПЛА в пределах зоны прямой видимости. Для работы на незначительной дальности, где угловая скорость БПЛА может превысить возможности карданной подвески наземной антенной системы, используется всенаправленная антенна. Антенны переключаются автоматически. Кроме аналогового режима работы, разработчики рекламируют возможность перепрограммирования EnerLinksIII для цифровых методов модуляции, что свидетельствует о перспективности именно цифровых технологий передачи данных. В частности, именно цифровые версии EnerLinks используются фирмой DRS Technologies при модернизации ее БПЛА Sentry и Neptune. Недавно фирма Insitu объявила о планах применения EnerLinks в ее БПЛА Integrator и Scan Eagle .
Ширина полосы пропускания радиоканала системы EnerLinksIII связана со скоростью передачи данных и, к примеру, для 10 Мбит/с составляет менее 12 МГц по уровню  -20 дБс (т.е. относительно максимальной амплитуды сигнала на центральной частоте полосы), а по уровню -50 дБс – около 24 МГц. При компрессии изображения согласно стандарту H.264 обеспечивается передача данных двух каналов в режиме NTSC с максимальным разрешением видео 560×480 пикселов или 550×576 – в режиме PAL. При этом максимальная скорость передачи от одного такого источника видеосигналов составляет 3,5 Мбит/с.
Новая система передачи данных Starlink израильской компании Elisra предназначена для обеспечения связи с БПЛА на расстоянии до 100 км в С-диапазоне частот. Система использует временное дуплексирование (TDD), ширина каждого частотного канала – 4 МГц. Радиолиния может функционировать в одночастотном режиме или в режиме скачкообразного изменения частоты. Другая разработка этой же фирмы – система ADLS-2, предназначенная для работы одновременно с пятью малоразмерными БПЛА. Она способна обслуживать 24 IP-источника видео- и аудиоданных, в том числе аналоговых, бортовые РЛС с синтезированной апертурой, GPS-датчики и т.п.

Рис.1. Бортовой модем EnerLinksIII


Указанные в предыдущей публикации требования к пропускной способности вынуждают разработчиков радиолиний с БПЛА искать новые подходы к повышению скорости передачи данных от мультисенсорных бортовых платформ. Один из наиболее эффективных подходов – применение модуляции OFDM и C-OFDM. Среди первых проектов, в которых исследовалась возможность применения OFDM-модуляции на линии связи с БПЛА, – проект MinuteMan, который финансировался отделом перспективных исследований ВМФ США (Office of Naval Research – ONR). Он реализовывался в 2000–2005 годы в лабораториях отделов электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) . Целью проекта была разработка системы радиосвязи и обмена данными сил флота с беспилотными воздушными, надводными и наземными аппаратами (рис.3). Среди основных направлений проекта выделим разработку фундаментальных основ организации подвижной беспроводной интеллектуальной сети связи – "интернет в небе"; предоставление динамических услуг для сетевых вычислений; организацию отказоустойчивой связи и самореконфигурацию для распределения информации в реальном масштабе времени, управление задачами, ситуативное поведение; передачу голоса, видео, изображений, данных в реальном масштабе времени с адаптивным обеспечением качества услуг (QoS – Quality of Service) и управлением ресурсами.
Применение OFDM-сигналов в радиолиниях "БПЛА – наземные абоненты" предполагается в проекте Института электроники и связи Украинской академии наук по созданию системы передачи данных на базе высотного БПЛА (СПД „Фаэтон") . При передаче данных в восходящих каналах (с борта на землю) в этом проекте предлагается использовать стандарт DVB-S с модуляцией OFDM-256, а в нисходящих – методы множественного доступа с частотным и временным разделением. Диапазон частот OFDM-сигналов стандарта DVB-S составляет 11,7–12,5 ГГц, полоса одного радиоканала по уровню -30 дБс достигает 40 МГц. Предельный радиус зоны обслуживания одной центральной станции в условиях прямой видимости при мощности передатчика БПЛА 50 мВт и интенсивности осадков до 40 мм/ч заявлен в пределах 50–60 км. За счет увеличения мощности бортового передатчика радиус зоны покрытия может быть увеличен до 250 км.

Рис.2. Наземный модем EnerLinksIII


Использовать OFDM-модуляцию в сочетании с размещением плоских цифровых антенных решеток (ЦАР) на борту БПЛА предусмотрено в проекте Корейского космического университета по разработке системы передачи видеоданных с беспилотных платформ на основе технологии WiBro (Wireless Broadband, IEEE 802.16) . Адаптивное цифровое формирование луча с компенсацией пространственных эволюций планера БПЛА в случае прямой видимости позволяет ориентировать максимум диаграммы направленности бортовой ЦАР на наземный приемный пункт и тем самым повысить энергетику канала связи на 15 дБ и более. Это позволят увеличить высоту полета БПЛА при передаче данных без внесения изменений в наземную инфраструктуру.
Постоянно расширяется и военное направление применения OFDM-модуляции. В сухопутных войсках НАТО появились системы связи, использующие военную версию стандарта IEEE 802.11g, их производство освоила нидерландская фирма MobiComm. Компания Nova Engineering уже несколько лет предлагает серийные комплекты связи для ВМС США (HDR LOS Radio Modem), которые реализуют принцип OFDM.
Широкому распространению OFDM способствовал выбор данной технологии модуляции сигналов в качестве физической основы создания тактических широкополосных сетей (Wideband Networking Waveform, WNW) в рамках программы Joint Tactical Radio System (JTRS). Как отмечено в Перспективном плане развития беспилотных авиационных систем США , WNW планируется использовать в качестве радиолиний связи с БПЛА, например, в частотном диапазоне 225–400 МГц. При этом ожидается достижение скорости передачи данных 10 Мбит/с. При миграции на другие частоты в зависимости от полосы пропускания канала связи скорость передачи может быть увеличена. Например, WNW-модем SDR-4000 компании L-3 Communications Nova Engineering при ширине полосы 10 МГц обеспечивает скорость передачи до 23 Мбит/с. В перспективных планах повышения скорости передачи в транспортной среде WNW указывают 274 Мбит/с .
Для одновременной связи с несколькими БПЛА в простейшем случае используются кодированные OFDM-сигналы. Например, фирма Cobham Surveillance (GMS Products, www.gmsinc.com) продвигает систему связи на основе сигналов DVB-T с модуляцией C-OFDM и шестигранной антенной решетки . Система функционирует в диапазоне 1,7–1,85 и 1,99–2,5 ГГц. Ее приемник позволяет обеспечить связь с мобильными источниками сигналов. Так, при 2048 номинальных поднесущих и модуляции поднесущих методом 16-QAM допустим доплеровский сдвиг частот до 570 Гц, что соответствует максимальной скорости взаимного движения передатчика и приемника сигналов 280 км/ч при центральной несущей 2,2 ГГц. Каждая из шести панелей антенны (рис.4) работает с сигналами вертикальной поляризации, коэффициент усиления – 12 дБ, диаграмма направленности – 53° по азимуту и 20° по углу места (на уровне -3 дБ).

Рис.3. Сущность проекта MinuteMan


Американская компания Aeronix предлагает готовые модемные решения для двусторонней связи с БПЛА в стандарте IEEE 802.16-2004 (режим WirelessMAN_OFDM). При этом на расстоянии до 75 морских миль обеспечивается скорость передачи данных от 12 до 65 Mбит/с. Объем модема 802.16 EDL Digital Data Link – 24 куб. дюйма, масса – около 360 г. Выпускается и мини-версия модема (802.16 EDL Mini Digital Data Link) для снаряжения малых БПЛА. Ее объем 10 куб. дюймов, масса – около 150 г. Модемы работают в диапазонах 5,725–5,825 и 4,5–4,8 ГГц, в них выбирается один из четырех или девяти (в диапазоне 4,5–4,8 ГГц) каналов шириной 17 МГц с шагом 20 МГц. При обработке сигналов применяются две промежуточных частоты – 20 и 570 MГц. В зависимости от дальности связи, скорости движения БПЛА и помеховой обстановки могут применяться разные уровни амплитудно-фазовой модуляции поднесущих, с соответственным изменением скорости: 6 Mбит/с (BPSK); 15 Mбит/с (QPSK); 22,5 Mбит/с (8-PSK1); 30 Mбит/с (16‑QAM или 16-PSK1); 65,5 Mбит/с (64-QAM). Существенно, что надежная связь обеспечивается при максимальном доплеровском сдвиге частоты, соответствующем взаимной скорости пунктов приема и передачи данных 2500 миль/ч.

Рис.4. Антенная система фирмы Global Micriwave System (а), сечения ее диаграмм направленности в вертикальной (б) и горизонтальной (в) плоскостях при угле места 10°


При многолучевом распространении радиоволн на пересеченной местности и множественных переотражениях сигналов актуальна технология многоантенных систем MIMO, базирующихся на применении цифровых антенных решеток (ЦАР). Один из первых примеров использования технологии MIMO для связи с летательными аппаратами – двухантенная передача телеметрических данных с борта летательного аппарата на наземную станцию телеметрии . В работе была продемонстрирована эффективность применения простейшей схемы пространственно-временного кодирования по алгоритму Аламоути для варианта "2 бортовых антенны – один наземный приемник" (схема MISO, много входов – один выход) (рис.5). Наличие двух антенн на корпусе БПЛА позволило решить проблему поддержки надежной связи при разных ориентациях корпуса БПЛА относительно направления на наземную станцию. В последующем была экспериментально доказана стационарность коэффициентов передачи MISO-канала на протяжении нескольких секунд в отсутствие маневра летательного аппарата . Это создало предпосылки для разработки более продвинутых MIMO-решений, использующих многоэлементные антенные решетки.
Принцип MІMO используется, например, для приема данных от бортовых сенсоров вертолетного мини-БПЛА, разработанного Фраунгоферским институтом химических технологий (Германия). Соответствующая 4-элементная антенная система приемно-передающей станции связи с БПЛА в диапазоне частот 2,4 ГГц (рис. 6) была представлена на выставке TechDemo’08 .

Рис.5. Типовая система MIMO по схеме "2×1" при решении задач бортовой телеметрии


Основное условие успешного применения MIMO-систем – стационарность коэффициентов передачи радиоканала с момента их оценивания до завершения трансляции массива данных. Понятно, что для низкоскоростных БПЛА эти условия соблюсти намного проще, чем для высокоскоростных. Однако при приеме сигналов вне прямой видимости коэффициенты передачи канала можно считать псевдостационарными и для БПЛА, двигающихся с большой скоростью. Действительно, углы падения электромагнитных волн на поверхность рассеивания в районе наземной приемной станции мало изменяются при большом удалении источника сигналов. Например, угол прихода волны изменится на 1° при смещении БПЛА на 17,6 м на удалении 1 км или на 1746 м при удалении в 100 км.
Таким образом, при формировании требований к перспективным радиолиниям связи с БПЛА необходимо ориентироваться на предпочтительное применение сигналов с модуляцией C-OFDM в сочетании с технологиями цифрового диаграммообразования, MIMO и мультиMIMO (MultiUser MIMO). При OFDM-модуляции важен метод упреждающей компенсации эффекта Доплера по полученным с помощью пилот-сигналов оценкам доплеровских смещений частоты. Все это позволяет обеспечить максимальную спектральную эффективность каналов связи и их устойчивость к влиянию помех.

Литература
1. Слюсар В. Передача данных с борта БПЛА:
стандарты НАТО. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2010, № 3, с. 80–86.
2. Слюсар В. Электроника в борьбе с терроризмом: защита гаваней. Часть 1. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, № 5, с. 68–73.
3. Steven J. Zaloga, David Rockwell, Philip Finnegan.World Unmanned AerialVehicle Systems. Market Profile and Forecast, 2008 Edition. – www.dror-aero.com/link/UAV/WORLD_UNMANNED_AERIAL_VEHICLE_SYSTEMS_-_MARKET_PROFILE_AND_FORECAST_2008.pdf .
4. Enerdyne Introduces Programmable EnerLinksIII Advanced Data Link for Tactical UAV Systems. – www.enerdyne.com .
5. Elisra presents New UAV Data Link Technology Developments. – www.asd-network.com/press_detail/22216/Elisra_presents_New_UAV_Data_Link_Technology_Developments.htm .
6. Overview of UCLA MinuteMan-Project. – www.icsl.ucla.edu .
7. Илюшко В.М., Нарытник Т.М. Система передачи данных на базе высотного беспилотного летательного аппарата (СПД "Фаэтон"). – Зв’язок, 2004, № 7, с. 38–39.
8. Pyung-Joo Park et al. Performance of UAV (Unmanned Aerial Vehicle) Communication System Adapting WiBro with Array Antenna. – Proceedings of the 11th international conference on Advanced Communication Technology, Volume 2, Feb. 15–18 2009, p. 1233–1237.
9. Unmanned Aircraft Systems (UAS) Roadmap 2005–2030. – www.globalsecurity.org/intell/library/reports/2005/roadmap-final2.pdf .
10. Wideband Networking Waveform OFDM PHY. Physical Layer Implementation of WNW on the SDR-4000 Platform. – www.spectrumsignal.com/products/pdf/WNW_OFDM_web.pdf .
11. Messenger Antenna Array (MAA) 12 dB, 1.7–2.5 GHz, Six-Panel Array. – www.southwestantennas.com/images/maa-ds0212x1.pdf .
12. Aeronix 802.16 UAV EDL Digital Data Link. – www.aeronix.com/products/uav_sensor_data_link/ .
13. Tom Nelson. Space-Time Coding with Offset Modulations. A dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. – Department of Electrical and Computer Engineering, Brigham Young University, December, 2007. – contentdm.lib.byu.edu/ETD/image/etd2155.pdf.
14. R.C.Crummett, M.A.Jensen, and M.D.Rice. Transmit diversity scheme for dual-antenna aeronautical telemetry systems. – Proceedings of the 38th International Telemetering Conference, San Diego, CA, October 21–24, 2002, p. 113–121.
15. M. Jensen, M. Rice, T. Nelson, A. Anderson. Orthogonal dual-antenna transmit diversity for SOQPSK in aeronautical telemetry channels. – Proceedings of the International Telemetering Conference, San Diego, CA, October 2004, p. 337–344.
16. M. Jensen, M. Rice, A. Anderson. Comparison of Alamouti and differential space-time codes for aeronautical telemetry dual-antenna transmit diversity. – Proceedings of the International Telemetering Conference, San Diego, CA, October 2004, p. 345–354.
17. Tom Nelson, Michael Rice, Michael Jensen. Experimental Results for Space-Time Coding Using ARTM Tier-1 Modulation. – Proceedings of the International Telemetering Conference, Las Vegas, NV, October 2005, p. 90–100.

Знакомство с концепцией построения физического уровня системы Wimax. Виды радиоинтерфейса, блок-схемы физ. тракта формирования и приема сигналов 802.16.

Ещё одна самостоятельная работа, на тему WiMAX (модель системы 802.16). Итак, поехали!)

  1. Понятия и принцип

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для различного вида устройств. Основана на стандарте IEEE 802.16.

Название «WiMAX» (Worldwide Interoperability for Microwave Access, www.wimaxforum.org) создано WiMAX Forum - организацией, которая была основана в июне 2001 года корпорацией Intel. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям и DSL» со скоростью - до 1 Гбит/сек.

Сети 802.16 похожи на традиционные сети мобильной связи: есть базовые станции, действующие в радиусе нескольких километров (до 50 км), их не обязательно устанавливать на вышках - для этого вполне подходят крыши домов. Пользовательское оборудование аналогично обычному набору для спутникового телевидения, с его помощью осуществляется соединение с базовой станцией. Связь по стандарту 802.16 может реализоваться и через совместимое оборудование.

По технологии 802.16 базовая станция обслуживает тысячи пользователей и предоставлять им услуги разного уровня (Рисунок 1). Например, ее достаточно для одновременной работы 60 бизнес-пользователей с возможностями Т1 (скорость передачи до 2 Мбит/с) и сотен домашних пользователей. В отличие от Wi-Fi, действующего в пределах сотни метров, оборудование 802.16 обеспечивает связь в 30-50 км и даже больше с полосой пропускания до 70 Мбит/с.

Рисунок 1. Стандарт IEEE 802.16 предоставляет удобные решения для самых разных потребителей

Стандарт IEEE 802.16 регламентирует работу на физическом и канальном уровнях. Весь поток данных в сетях IEEE 802.16 – это поток пакетов. На основном подуровне MAC формируются пакеты данных (MAС PDU –MAC Protocol Data Unit, блоки данных МАС-уровня), которые передаются на физический уровень, где преобразуются в пакеты и транслируются через канал связи.

Первый вариант стандарта 802.16 работал в полосе частот 10-66 ГГц и обеспечивал соединение только в пределах прямой видимости. Расширение стандарта, 802.16a, принятое в январе 2003 г., работает на более низких частотах - от 2 до 11 ГГц, что позволяет организовывать связь вне пределов видимости.

WiMAX использует механизм на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS (Quality of Service - набор показателей качества работы сетевого устройства) для каждого соединения.

Стандарт 802,16 распространяется широкой полосой в спектре РФ и WiMAX функционирует на частотах ниже 66 ГГц (более высокие частоты привели бы к уменьшению диапазона действия базовой станции до нескольких сот метров в городской среде).

2.Стандарт 802.16 (стек протоколов)

Прежде чем говорить о главных разделах, с которыми должен познакомиться читатель, следует привести всю схему передачи информации.

Стек - структура данных с методом доступа к элементам LIFO (Last In - First Out, «последним пришёл - первым вышел»). Набор протоколов, используемый стандартом 802.16 (Рисунок 2).

Рисунок 2. Стандарт 802.16: стек протоколов

Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Используется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами модуляции сигнала. Над физическим уровнем находится подуровень сведения, скрывающий от уровня передачи данных различия технологий.

Уровень передачи данных состоит из трех подуровней. Нижний из них относится к защите информации, где передача данных осуществляется в эфире, физически не защищенном от прослушивания. На этом подуровне производится цифрация, дешифрация, а также управления ключами доступа. Затем следует общая часть подуровня МАС (канального уровня разработки сетевых протоколов). На этом уровне иерархии располагаются основные протоколы и протоколы управления каналом. Здесь станция контролируют всю систему. Она распределяет очередность передачи входящего трафика абонентам и в управлении исходящим трафиком. От всех стандартов 802.x МАС подуровень стандарта 802.16 отличается тем, что он полностью ориентирован на установку соединения. Таким образом, гарантировано определенное качество обслуживания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа.


Рисунок 3. Применение различных видов модуляции сигнала.

3. Концепция построения физического уровня

Раздел статьи связан с планом исследований самостоятельной работы.

Широкополосным беспроводным сетям необходим широкий частотный спектр, который можно найти в диапазоне от 10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают интересным свойством: они распространяются не во всех направлениях (как звук), а по прямым линиям (как свет). На базовой станции должно быть установлено множество антенн, покрывающих различные секторы окружающей территории. В каждом секторе свои пользователи. Поскольку мощность сигнала передаваемых миллиметровых волн сильно уменьшается с увеличением расстояния от передатчика, то и соотношение сигнал/шум понижается. По этой причине 802.16 использует три различных схемы модуляции в зависимости от удаления абонентской станции.

Применяются две схемы модуляции: FDD (дуплексная связь с частотным разделением) и ТDD (дуплексная связь с временным разделением) (Рисунок 4). Базовая станция периодически передает кадры, разделенные на временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится под входящий трафик. Затем следует разделитель, позволяющий станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним - интервалы исходящего трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет подстроить пропускную способность под трафик каждого из направлений.


Рисунок 4. Дуплексная связь с временным разделением

Как и в работе Минаева Ильи у меня так же присутствует понятие защитного интервала, всё тот же разделитель режима работы станции)

Интересным свойством физического уровня является его способность упаковывать несколько соседних кадров МАС в одну физическую передачу - возможность повысить эффективность распределения спектра.

Для непосредственного исправления ошибок на физическом уровне используется код Хэмминга (из группы блочных кодов, предусматривает ввод в сообщение проверочных бит). Все сетевые технологии просто полагаются на контрольные суммы и обнаруживают ошибки с их помощью, запрашивая повторную передачу испорченных фрагментов. Но при широкополосной беспроводной связи на больших расстояниях возникает много ошибок, так что их обработкой приходится заниматься физическому уровню.

4. Радио - интерфейс системы WIMAX

Поиск данных по радио-интерфейсу оказался самым трудным. Исходил из определения интерфейса - совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы.

Технология Мобильного WiMAX базируется на двух стандартах: на стандарте IEEE 802.16-2004 радио-интерфейс (Air Interface Standard) и на принятом 7 декабря 2005 года стандарте IEEE 802.16e-2005 (играет ключевую роль при построении фиксированной широкополосной радиосети города). На физическом уровне в стандарте IEEE 802.16-2004 определены три метода передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC), метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и метод множественного доступа на основе такого мультиплексирования (OFDMA).

Существует такое понятие как «система на кристалле» - под этим классом понимают устройства, на едином кристалле которых интегрированы один или несколько процессов, некоторый объём памяти, ряд интерфейсов, - то есть максимум того, что необходимо для решения поставленных перед системой задач. Разработка «систем» предполагает оптимитизацию разрабатываемой схемотехники. Мировые производители сосредоточились на разработке «систем», в которых интегрированы основные функции физического и МАС уровней стандарта WiMAX. Например, можно сделать так, чтобы на физическом уровне использовалась модуляция OFDM с 256 поднесущими и в тоже время была основная схема кодирования, в которой для внутреннего кода применялось бы сверточное кодирование и декодирование по заданному алгоритму, а для внешнего коды Рида-Соломона. Радио-интерфейс «системы на кристалле» содержит блоки АЦП/ЦАП для прямого аналогового соединения с внешним приемопередатчиком (Рисунок 5).


Рисунок 5. Блок-схема радиочастотного трансивера

Центральная частота и уровень выходной мощности, могут быть изменены через программное обеспечение.

На передатчике цифровой сигнал в форме синфазных (I) и квадратурных (Q) составляющих отправляется на широкополосный цифровой повышающий (понижающий) преобразователь (DUC) / (DDC). На стадии DUC сигнал отфильтрован и интерполирован. Результирующий передаваемый сигнал посылается в процессор уменьшения коэффициента гребня (CFR), где отношение пиковой мощности к средней (PAPR) в сигнале подстраивается. Затем передается на (ЦАП), чтобы преобразовать цифровой сигнал в аналоговую форму.

Центральная частота полосы сигнала на первой промежуточной частоте (IF) определяется ЦАП, так как он включает цифровые грубые и точные смесители. Аналоговый сигнал преобразуется вверх во вторую промежуточную частоту и далее - в радиочастоту (RF) при помощи двух ступеней аналогового повышающего преобразования (UC). Для того чтобы обеспечить большое покрытие, сигнал RF усиливается в двухкаскадном усилителе мощности (PA). Усиленный сигнал поступает в антенну через дуплексор (радиочастотный переключатель передача/прием (T/R) для осуществления временного дуплекса (TDD)).

На приемнике полученный сигнал усиливается малошумящим усилителем (LNA). С выхода LNA преобразуется вниз к оконечным каскадам IF при помощи двух ступеней понижающих преобразователей (DC). Затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, а составляющие I/Q генерируются на выходе аналого-цифрового преобразователя (ADC). Далее составляющие I/Q фильтруются и подвергаются децимации, а затем направляются в PHY-радио-интерфейс для последующей обработки.

По первому блогу моего товарища, надо сказать, что литературу искать достаточно трудно, а Интернет выдаёт кучу мусора) в список используемой литературы попала только одна книга: «Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G» В.Вишневский, С.Портной, издательство «Техносфера», Москва 2009 г. Скачивал её 30 минут, но там трудно искать точные формулировки, поэтому пока что оставляю ссылки в библиотеке своей темы для более полного ознакомления.

Установить одну большую антенну на горке где-нибудь рядом с населенным пунктом и расставить на крышах домов абонентов приемные антенны гораздо проще и дешевле, чем рыть траншеи и протягивать кабель. Таким образом, конкурирующие операторы связи оказались крайне заинтересованы в раз­витии многомегабитных беспроводных систем связи, реализующих услуги голо­совой коммуникации, доступа к Интернету, видео по заказу и т. д. Очень неплохо с задачей справляется система LMDS. Однако еще до недавних пор каждый оператор стремился использовать свою собственную систему. Отсутствие стандартов означало, что аппаратное и программное обеспечение не могли быть запущены в массовое производство. Это, в свою очередь, приводило к установке неоправданно высоких цен при низ­кой популярности.

Как было сказано ранее, широкополосным беспроводным сетям необходим ши­рокий частотный спектр, который можно найти только в диапазоне от 10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают одним интересным свойством, которое отсутствует у более длинных микроволн: они распространяются не во всех на­правлениях (как звук), а по прямым линиям (как свет). Следовательно, на базо­вой станции должно быть установлено множество антенн, покрывающих различ­ные секторы окружающей территории, как показано на рис. 4.29. В каждом секторе будут свои пользователи. Секторы не зависят друг от друга, чего не ска­жешь о сотовой радиосвязи, в которой сигналы распространяются сразу по всем направлениям.

Поскольку мощность сигнала передаваемых миллиметровых волн сильно уменьшается с увеличением расстояния от передатчика (то есть базовой стан­ции), то и соотношение сигнал/шум также понижается. По этой причине 802.16 использует три различных схемы модуляции в зависимости от удаления абонент­ской станции. Если абонент расположен недалеко от БС, то применяется QAM-64 с шестью битами на отсчет. На среднем удалении используется QAM-16 и 4 бита/бод. Наконец, если абонент расположен далеко, то работает схема QPSK с двумя битами на отсчет. Например, при типичной полосе спектра 25 МГц QAM-64 дает скорость 150 Мбит/с, QAM-16 - 100 Мбит/с, aQPSK - 50 Мбит/с. Други­ми словами, чем дальше находится абонент от базовой станции, тем ниже ско­рость передачи данных (то же самое мы наблюдали в ADSL, см. рис. 2.23). Фазо­вые диаграммы всех трех методов были показаны на рис. 2.21.

Перед разработчиками сетей 802.16 стояла трудная задача: необходимо было создать широкополосную систему с учетом приведенных ранее физических огра­ничений. Для этого следовало продумать наиболее эффективный способ исполь­зования доступного спектра. Схемы работы стандартов GSM и DAMPS были от­вергнуты сразу: и там, и там для входящего и исходящего трафика используются хоть и разные, но эквивалентные по ширине полосы частот. Для голосовой связи это действительно логично, но при работе в Интернете предоставление широкой полосы для исходящего трафика является непозволительной роскошью. Стан­дарт 802.16 обеспечивает гибкость распределения полосы пропускания. Приме­няются две схемы модуляции: FDD(FrequencyDivisionDuplexing - дуплексная связь с частотным разделением) и TDD(TimeDivisionDuplexing - дуплексная связь с временным разделением). Последний метод показан на рис. 4.30. Что здесь происходит? Базовая станция периодически передает кадры, разделенные на временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится под входящий трафик. Затем следует защитный интервал (разделитель), позволяю­щий станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним - интервалы исходящего трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет подстроить пропускную способность под трафик каждого из на­правлений.

Входящий трафик разбивается на временные интервалы базовой станцией. Она полностью контролирует это направление передачи. Исходящий трафик от абонентов управляется более сложным образом и зависит от требуемого качест­ва обслуживания. Мы еще вернемся к распределению временных интервалов, когда будем обсуждать подуровень MAC.

Еще одним интересным свойством физического уровня является его способ­ность упаковывать несколько соседних кадров MAC в одну физическую пере­дачу. Это дает возможность повысить эффективность распределения спектра путем уменьшения числа различных преамбул и заголовков, столь любимых фи­зическим уровнем.

Необходимо также отметить, что для непосредственного исправления оши­бок на физическом уровне используется код Хэмминга. Почти все сетевые тех­нологии просто полагаются на контрольные суммы и обнаруживают ошибки с их помощью, запрашивая повторную передачу испорченных фрагментов. Но при широкополосной беспроводной связи на больших расстояниях возникает столь­ко ошибок, что их обработкой приходится заниматься физическому уровню, хо­тя на более высоких уровнях и применяется метод контрольных сумм. Основная задача коррекции ошибок на физическом уровне состоит в том, чтобы заставить канал выглядеть лучше, чем он есть на самом деле (точно так же компакт-диски кажутся столь надежными носителями только лишь благодаря тому, что больше половины суммарного числа бит отводится под исправление ошибок на физиче­ском уровне).

43) Широкополосные беспроводные сети. Стандарт 802.16: протокол подуровня MAC.

Итак, уровень передачи данных разделен на три подуровня, как показано на рис. 2.28. Достаточно сказать, что для сокрытия передаваемых данных применяется шифрация, причем шифруются только сами данные; а заголовки не шифруются.

Когда абонент соединяется с базовой станцией, выполняется взаимная иден­тификация с использованием алгоритма RSA с открытым ключом (сертификат Х.509). Сама передаваемая информация шифруется с помощью симметричного криптографического ключа: либо DES с цепочкой цифровых блоков, либо трой­ной DES с двумя ключами. Вскоре, возможно, будет добавлен AES(Rijndael). Целостность данных проверяется алгоритмом SHA-1. Ну что, не очень страш­ный абзац получился?

Теперь перейдем к общей части подуровня MAC. Кадры MAC всегда занима­ют целое число временных интервалов физического уровня. Каждый кадр раз­бит на части, первые две из которых содержат карту распределения интервалов между входящим и исходящим трафиком. Там находится информация о том, что передается в каждом такте, а также о том, какие такты свободны. Карта распре­деления входящего потока содержит также разнообразные системные парамет­ры, которые важны для станций, только что подключившихся к эфиру.

Канал входящего трафика устроен довольно просто, поскольку есть базовая станция, которая определяет, что разместить в каждой части кадра. С исходя­щим каналом все несколько сложнее, поскольку имеются конкурирующие меж­ду собой станции, желающие получить доступ к нему. Его распределение тес­но связано с вопросом качества обслуживания. Определены четыре класса сер­висов:

1. Сервис с постоянной битовой скоростью.

2. Сервис реального времени с переменной битовой скоростью.

3. Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью.

Сервис с обязательством приложения максимальных усилий по предоставле­нию услуг.

Все предоставляемые стандартом 802.16 сервисы ориентированы на соедине­ние, и каждое соединение получает доступ к одному из приведенных ранее клас­сов сервиса. Это определяется при установке связи. Такое решение сильно отли­чается как от 802.11, так и от Ethernet, где отсутствовали какие-либо намеки на установление соединения на подуровне MAC.

Сервис с постоянной битовой скоростью предназначен для передачи несжа­той речи, такой, какая передается по каналу Т1. Здесь требуется передавать пре­допределенный объем данных в предопределенные временные интервалы. Это реализуется путем назначения каждому соединению такого типа своих интерва­лов. После того как канал оказывается распределенным, доступ к временным ин­тервалам осуществляется автоматически, и нет необходимости запрашивать ка­ждый из них по отдельности.

Сервис реального масштаба времени с переменной битовой скоростью приме­няется при передаче сжатых мультимедийных данных и других программных приложений реального времени. Необходимая в каждый момент времени пропу­скная способность может меняться. Та или иная полоса выделяется базовой станцией, которая опрашивает через определенные промежутки времени абонен­та с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала.

Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика - например, для передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже опрашивает абонентов до­вольно часто, но не в строго установленные моменты времени. Абонент, рабо­тающий с постоянной битовой скоростью, может установить в единицу один из специальных битов своего кадра, тем самым предлагая базовой станции опро­сить его (это означает, что у абонента появились данные, которые нужно пере­дать с новой битовой скоростью).

Если станция не отвечает на kопросов подряд, базовая станция включает ее в широковещательную группу и прекращает персональные опросы. Теперь если станции потребуется передать данные, то во время широковещательного опроса она должна ответить базовой станции, запрашивая тем самым сервис. Таким об­разом, станции с малым трафиком не отнимают у базовой станции ценное время на персональные опросы.

Наконец, сервис с обязательством приложения максимальных усилий исполь­зуется для всех остальных типов передачи. Никаких опросов здесь нет, а стан­ции, желающие захватить канал, должны соперничать с другими станциями, которым требуется тот же класс сервиса. Запрос пропускной способности осуще­ствляется во временных интервалах, помеченных в карте распределения исходя­щего потока как доступные для конкуренции. Если запрос прошел удачно, это будет отмечено в следующей карте распределения входящего потока. В против­ном случае абоненты-неудачники должны продолжать борьбу. Для минимиза­ции числа коллизий используется взятый из Ethernet алгоритм двоичного экс­поненциального отката.

Стандартом определены две формы распределения пропускной способности: для станции и для соединения. В первом случае абонентская станция собирает вместе все требования своих абонентов (например, компьютеров, принадлежа­щих жильцам здания) и осуществляет коллективный запрос. Получив полосу, она распределяет ее между пользователями по своему усмотрению. В последнем случае базовая станция работает с каждым соединением отдельно.

44) Широкополосные беспроводные сети. Стандарт 802.16: структура кадра.

Проблема распространения проводных сетей только в том, что прокладка волоконно-оптического кабеля, коаксиала или даже витой пары пятой категории к миллионам абонентов обходится очень дорого. Что же делать?

Ответ прост - нужны широкополосные беспровод­ные сети. Установить одну большую антенну на горке где-нибудь рядом с насе­ленным пунктом и расставить на крышах домов абонентов приемные антенны гораздо проще и дешевле, чем рыть траншеи и протягивать кабель. Таким обра­зом, конкурирующие операторы связи оказались крайне заинтересованы в раз­витии многомегабитных беспроводных систем связи, реализующих услуги голо­совой коммуникации, доступа к Интернету, видео по заказу и т. д. Очень неплохо с задачей справляется система LMDS. Однако еще до недавних пор каждый оператор стремился использовать свою собственную систему. Отсутствие стандартов означало, что аппаратное и программное обеспечение не могли быть запущены в массовое производство. Это, в свою очередь, приводило к установке неоправданно высоких цен при низ­кой популярности.

2.2. Wi-max в сетях связи с подвижными объектами

2.1. Параметры семейства стандартов Wi-Max

Wi-MAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) в дословном переводе звучит как "глобальная совместимость для микроволнового доступа". IEEE 802.16 - это первый стандарт, предназначенный для создания территориально распределённых 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 Wi-MAX понимается технология операторского класса, которая практически не имеет на сегодняшний день альтернативы по предоставлению населению высококачественных услуг мультисервисного ШБД. Новейшие системы с сертификацией Wi-MAX позволяют 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.

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.

Таблица 2.1. – Семейство стандартов 802.16

802.16-2004

Одобрен

декабрь 2001

январь 2003

декабрь 2005

Спектр

от 10 до 66 ГГц

менее 11 ГГц

менее 11 ГГц

от 2 до 6 ГГц

Видимость

прямая, LOS

непрямая, NLOS для ближней зоны

непрямая, NLOS, для ближней зоны, и офисных, домашних пользователей

непрямая, NLOS

Модуляция

QPSK, 16QAM и 64QAM

OFDM 256, OFDMA + 802.16

OFDM 256, OFDMA + 802.16

OFDM 256, OFDMA + 802.16

Скорость

32 – 134 Мбит/с

1 – 75 Мбит/с

до 15 Мбит/с

Мобильность

да, с возможностью регионального роуминга

Ширина канала

20, 25 и 28 МГц

изменяемая от 1,25 до 20 МГц с 16 логическими подканалами

более 5 МГц

Радиус ячейки

от 1 до 5 км

от 5 до 8 км; максимум 50 км с соотв. антенной и максимальной мощностью передачи

от 1 до 5 км

Терминальное оборудование

внешнее, с выносной антенной

внешнее, со встроенной антенной

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.

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.

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 частоте.

Рисунок 16.1. – Спектр радиосигнала с одной несущей (а) и OFDM (б)

Частотный разнос Δf между соседними несущими f 1 , f 2 ... 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 f 2 - f 1 . 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.

Технология TDM . Аппаратура TDM-сетей работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонент­ском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа або­нентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором.

Рисунок 16.2 – Коммутация на основе разделения канала во времени

Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скорос­тью 64 Кбит/с – 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:

    приём от каждого канала очередного байта данных;

    составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой;

    передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной Nх64 Кбит/с.

    Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия.

Демультиплексор выполняет обратную задачу – он разбирает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.

Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотненный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов. Так, например, если первый абонент левой части сети рисунке 16.2 должен соединиться со вторым абонентом в правой части сети, то байт, записанный в первую ячейку буферной памяти, будет извлекаться из нее вторым. «Перемешивая» нужным образом байты в обойме, коммутатор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети.

Однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал – выходной слот» в течение всего времени существования этого соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с.

Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом.

Сегодня практически все данные – голос, изображение, компьютерные данные – передаются в цифровой форме. Поэтому, выделенные каналы TDM-технологии, которые обеспечивают нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа, телефонных, телевизионных и компьютерных.

Оборудование, построенное на базе стандарта 802.16, обладает следующими характеристиками:

    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.

Динамическая адаптация . При передаче каждого пакета данных оборудование 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). 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. Оборудование WiMAX 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. Устройства поддерживают 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 повторнуюпередачу данных. Возможности LAN . Развертывание беспроводной системы связи между базовыми и абонентскими комплексами позволяет объединить территориально разнесенные сегменты локальной сети Ethernet. WiMAX оборудование может поддерживать 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;

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. Области применения . Сети WiMAX являются надежной и более экономичной альтернативой стандартным PDH РРС и незаменимы в случае топологии беспроводной сети связи типа "точка - многоточка". WiMAX может использоваться для:

    доступа в Интернет;

    организации прозрачного моста (Transparent LAN Service, TLS);

    транспорта потоков TDM.

Основные области применения стандарта:

  • коммерческие беспроводные сети - решение проблемы "последней мили", доступ в Интернет;

    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 WiMAX 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 это оборудование отличным выбором для альтернативных операторов и операторов сотовой связи.

WiMAX в сетях связи с подвижными объектами

Стандарт IEEE 802.16-2004 описывает широкополосный беспроводной доступ для систем, работающих на частотах от 2 до 10 ГГц. Он определяет как уровень контроля доступа к среде передачи (MAC), так и физический уровень, чтобы гарантировать возможность взаимодействия сетей, принадлежащих множеству различных операторов. Стандарт описывает три возможных варианта реализации физического уровня: SC (Single Carrier), OFDM256 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing с 256 поднесущими) и OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), но только OFDM256 сертифицирован консорциумом WiMAX Forum.

Технология WiMAX идеально подходит для скоростных радиосетей городского и регионального охвата - именно для них она и создана. Предполагается, что данное решение быстро станет стандартом для большинства производителей оборудования широкополосного беспроводного доступа к сетям связи, которые до этого использовали свои фирменные патентованные технологии. Переход на общий стандарт, по мнению разработчиков, должен способствовать появлению новых производителей, повышению конкуренции в отрасли, снижению цен, совместимости оборудования разных производителей, удешевлению оборудования и в конечном счете его массовому распространению.

Рисунок 16.3 - Структура сети WiMAX

Основные элементы WiMAX-систем - пользовательское оборудование (абонентский терминал или аппаратура, устанавливаемая в помещении пользователя - СРЕ) и базовая станция (БС). Одна базовая станция и один или несколько WiMAX-терминалов могут организовать ячейку со структурой «точка - многоточка». БС осуществляет контроль и управление процессом передачи внутри ячейки, а также имеет доступ к среде передачи данных через пользовательское оборудование, назначает параметры QoS и обеспечивает механизмы безопасности. Структура сети WiMAX представлена на рисунке 16.3.

Базовая станция Siemens Way-МАХ может работать с четырьмя секторами. Интерфейс БС с опорной сетью - 10/100/1000 BaseT.

Базовая станция способна функ­ционировать в режимах дуплексной передачи с частотным (FDD) и временным (TDD) разделением. Кроме того, возможна поддержка H-FDD (Half-duplex FDD). В случае режима TDD сеть может быть синхронизирована через GPS во избе­жание интерференции между базовыми станциями.

Разнесенный прием и разделение на подканалы позволяет увеличить мощность сигнала на приёмнике базовой станции. Радиомодем (WayMAX CPE) может работать с каналами шириной от 3,5 до 14 МГц (с шагом в 0,25 МГц), а также с каналом шириной 1,75 МГц. При этом используется один из следующих видов модуляции: ВР-SK, QPSK, I6QAM или 64QAM.

Контроль качества услуг (QoS) в стандарте IEEE 802.16 осуществля­ется с помощью четырёх разных механизмов формирования очередей: резервирования полосы частот (Unsolicited Grant Service, UGS); механизма опроса rt-PS (Real Time Polling Service) для услуг, требующих качества реального времени; механизма опроса nrt-PS (Non-Real Time Polling Service) для услуг, не требующих качества реального времени; обслуживания по остаточному принципу (Best Effort, BE). Поддержка всех этих классов качества предусмотрена в решении WayMAX компании Siemens. Такие параметры QoS, как пиковая скорость передачи данных (Peak Data Rate, PDR), гарантированная скорость передачи данных (Guaranteed Data Rate, GDR) и приоритет пользователя (категория обслуживания) могут быть сформированы для каждой отдельной услуги и независимо для направлений «вверх» и «вниз». Дополнительно в системе предусмотрена сигнализация для динамического включения услуги QoS и формирования параметров трафика. Параметры QoS могут варьироваться в процессе соединения посредством передачи служебных сообщений Dynamic Services. Решение WayMAX предполагает также возможность избыточного бронирования радиоресурсов.

Рисунок 16.4 - Сценарии использования технологии WiMAX

Говоря о WiMAX, не следует забывать и о потенциале для эволю­ции этой технологии. Основные этапы предстоящего пути показаны на рисунке 16.4.

На данный момент доступен сценарий использования технологии WiMAX для фиксированного доступа. Минимальный набор услуг, которые оказываются абонентам, выглядит примерно так:

    передача данных: высокоскоростной доступ в Интернет (HSIA), e-mail, пересылка файлов, расширение офиса, передача музыки, по­токовое аудио;

    высококачественные видеоуслуги: видео по запросу, телевещание, потоковое видео;

    видео в реальном времени: видеоконференции, видеосвязь сетевые/межсетевые игры, потоковое видео в реальном времени;

    услуги TDM.

Список возможных услуг ограничивается лишь пропускной способностью радиоканала (до 14 МГц на абонента) и воображением оператора, а не только перечисленными возможностями.

К преимуществам решения Way - МАХ можно отнести следующие его особенности:

    сеть стандарта WiMAX проста в развертывании и в наращивании площади покрытия;

    базовые станции сети действуют в радиусе до 50 км 2 ;

    полоса пропускания стандарта достигает 14 МГц на абонента;

    одна базовая станция Way-МАХ способна обслуживать большое число пользователей, предоставляя более чем приемлемые качество и скорость соединения.

Все вышеизложенное говорит не только о перспективности стандарта WiMAX, но и о его явных отличиях от существующих стандартов мобильной связи. Отличия эти заключаются прежде всего в предназначении самой техноло­гии: она может использоваться как для фиксированного доступа, так и для мобильной связи.

WiMAX, предлагает заведомо более высокие скорости передачи данных, чем даже самые последние стандарты сотовой связи (GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA, cdma2000/EV-DO/EV-DV), которые, однако, предлагают своим абонентам возможность передвигаться во время сеанса связи. Между тем WiMAX предназначался все-таки для фиксированной связи. Характеристики различных беспроводных стандартов относительно друг друга в координатах «Скорость передачи данных - Мобильность» схематически показаны на рисунке 16.5.

Как видно на рисунке, различные беспроводные технологии занимают свои ниши, предлагая разный уровень мобильности - от практически фиксированных Bluetooth и Wi-Fi до супермобильного UMTS. При этом WiMAX не конкурирует ни с одним из указанных стандартов, а, наоборот, дополняет их, занимая промежуточное положение.

Рисунок 16.5 - Позиционирование различных технологий в координатах «Скорость передачи данных - Мобильность»

Что касается взаимоотношений со стандартом Wi-Fi, то по замыслу WiMAX Forum, одним из основных сценариев использования WiMAX является обеспечение транспорта для Wi-Fi-точек доступа (рисунок 16.6).

Таким образом, технология WiMAX не замещает собой технологию доступа Wi-Fi, а дополняет возможности беспроводных сетей, соединяя центры доступа 802.11 с Интернетом и предоставляя альтернативное беспроводное решение «последней мили» для широкополосного подключения к Интернету офисов и жилых домов.

Что касается операторов подвижной связи, то для них могут быть два варианта использования WiMAX:

    в качестве транспорта для мобильных сетей GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA или cdma2000/EV-DO/EV-DV;

    для предоставления абонентам (прежним или новым) высоко­скоростного фиксированного доступа в Интернет.

При построении сети подвижной связи для покрытия определенной территории помимо коммутатора и опорного регистра требуется контролер базовых станций BSC (или контроллер радиосети RNC для сети 3G) и некоторое количество базовых станций BTS (Node В для 3G). Каждая базовая станция покрывает определенную территорию и обслуживает известное количество абонентов. В зависимости от количества абонентов, обслуживаемых одной базовой станцией в часы наибольшей нагрузки, уровня их активности и набора доступных сервисов, устанавливается пропускная способность канала связи базовой станции. Причем каждая станция в любом случае требует постоянного подключения к контроллеру, хотя иногда станции располагаются в очень неудобных для этого местах.

Рисунок 16.6 - WiMAX - транспорт для Wi - Fi

Например, при обеспечении покрытия сельских территорий базовые станции приходится ставить там, где не проложены ни медные, ни оптоволоконные кабели. Характерная особенность таких станций - небольшое количество обслуживаемых абонентов и, соответственно, невысокие требования к пропускной способности канала. В таких случаях часто используется радиорелейная технология. Один из ее недостатков - необходимость подключения каждой базовой станции отдельной парой радиорелейных приемопередатчиков по схеме «точка - точка».

Рисунок 16.6 - Сценарий использования решения WiMAX для подключения базовых станций сети подвижной связи

Компания Siemens предлагает использовать для подключения труднодоступных базовых станций решение WiMAX. Его главным преимуществом по сравнению с радиорелейным подключением является возможность обслуживания одной станцией нескольких пользовательских устройств по схеме «точка - многоточка». Таким образом, одна ВС WiMAX, подключённая к контроллеру сети GSM или 3G, может поддерживать со­единение с несколькими пользовательскими устройствами WiMAX,

которые подключены к базовым станциям той же сети GSM или 3G (рисунок 3.5.). Такое решение позволяет подключать по радиоканалу отдаленные базовые станции (BTS или Node В) и упрощает структуру сети.

Существует целый набор требований, которым должны удовле творять транспортные каналы, используемые для соединения базо вых станций и контроллера:

    процент ошибочных битов (BER) не выше 10 6 ;

    задержка - не больше 10 мс, джиттер - 1 мс;

    гарантированная доступность соединения – 99 %;

    пропускная способность на одну базовую станцию - 2 Мбит/с (Е I) + заголовок;

    класс качества - rt-PS;

    синхронизация через GPS.

Решение WiMAX удовлетворяет всем перечисленным требованиям.

Особый интерес представляет возможность подключения нано-базовых станций к нано-контроллеру базовых станций, В линейке продуктов для операторов GSM - сетей компания Siemens предлагает решения nanoGSM и nanoEDGE. Учитывая, что и нано-БС, и нано-контроллер используют для подключения интерфейсы Ethernet, методика внедрения WiMAX значительно упрощается. Ведь необходимости в конвертации TDM-потока в Ethernet больше нет. Рассматривая возможность подключения нано-станций через WiMAX нужно иметь в виду, что каждая базовая станция такого типа поддерживает в радиоинтерфейсе до восьми потоков по 64 кбит/с. Это говорит о небольшой нагрузке на канал связи с контроллером. В результате по одному каналу шириной 5 МГц можно подключить три - четыре нано-БС.

Высокие темпы роста рынка беспроводного широкополосного доступа и развитие технологии WiMAX не должны остаться незамеченными операторами мобильной связи. Перспективность их выхода на рынок широкополосного доступа становится тем очевиднее, чем сильнее замедляется рост рынка мобильной связи. К примеру, рост числа пользователей Wi-Fi в западных странах превышает рост абонентов 3G. Разворачивая сети WiMAX, операторы мобильной связи могут занять новую для себя рыночную нишу услуг фиксированного доступа и привлечь большое число новых абонентов.

Говоря о беспроводном широкополосном доступе, и о стандарте WiMAX в особенности, не стоит забывать об одном из его предназначений - услуге Voice over IP (VoIP). Предоставляя такие услуги, оператор должен быть способен не только брать фиксированную абонентскую плату, но и тарифицировать разговоры в зависимости от продолжительности, как это происходит в обычных мобильных сетях.

При построении сети WiMAX операторы мобильной связи изначально находятся в выгодном положении, так как могут использовать для этого значительную часть уже имеющегося оборудования, например регистры HLR, SMS-центры, центры тарификации и биллинга, prepaid-платформы. Для подключения сети широкополосного беспроводного доступа к пе­речисленным узлам компания Siemens разработала решение Wireless Integration Platform (WIP). Естественно, для абонентов мобильной связи и пользователей беспроводного широкополосного доступа может использоваться единая платформа IMS.

Решение WIP позволяет оператору включить сеть WiMAX в уже существующую сеть подвижной связи, а также предоставляет необходимую функциональность для легкой, быстрой и эффективной интеграции системы беспроводного широкополосного доступа (к примеру, решения WayMAX).

Ос новные характеристики решения WIP таковы:

    поддержка различных моделей и методов тарификации (prepaid, postpaid);

    возможность использования различных методов оплаты (электронный ваучер, бумажный ваучер, кредитная карта, единый счет);

    возможность аутентификации с помощью EAP-SIM в HLR подвижной сети

    поддержка роуминга в соответствии со стандартом WISP-R;

    поддержка различных видов доступа (WiMAX, Wi-Fi, Flash-OFDM) одновременно.

Пример включения решения системы широкополосного бес­проводного доступа в существую­щую сеть подвижной связи приве­ден на рис. 16.7.

Рисунок 16.7 - Интеграция решения беспроводного доступа

и сети подвижной связи

Одним из главных элементов будущих сетей, как мобильных, так и фиксированных, станет стандартизированная платформа для мультимедийных приложений IMS (IP Multimedia Solution). Изначально она была разработана организацией 3GPP для сетей мобильной связи третьего поколения. IMS расширяла их функциональность с помощью IP-приложений и сервисов, поддержка которых осуществлялась через протокол SIP (Session Initiation Protocol). Однако универсальность IMS-архитектуры привлекла к ней внимание и операторов фиксированной связи. В связи с этим организация TISPAN (подразделение ETSI) адаптировала архитектуру IMS в соответствии с их требованиями. Получившаяся архитектура является основой будущих конвергентных сетей.

Разработанный Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) стандарт 802.16 представляет собой рассчитанную на внедрение в городских беспроводных сетях технологию, задачей которого является обеспечения сетевого уровня между локальными сетями (IEEE 802.11) и региональными сетями (WAN), где планируется применение разрабатываемого стандарта IEEE802.20. Эти стандарты совместно со стандартом IEEE 802.15 (PAN - Personal Area Network - Bluetooth) и 802.17 (мосты уровня МАС) образуют взаимосогласованную иерархию протоколов беспроводной связи.

Краткие характеристики стандарта 802.16.

Пропускная способность до 135 Мбит/с при полосе несущей 28 МГц. Модуляция OFDM - 64-QAM.

Доступ к среде адаптивный, динамический.

Управление сетью централизованное.

Стандарт 802.16е предназначен для мобильных систем. Безопасность в сети обеспечивается на уровне протокола 3-DES.

Название стандарта 802.16 802.16a 802.16e
Дата принятия декабрь 2001 январь 2003 январь 2004
Частотный диапазон 10-66 ГГц 2-11 ГГц 2-6 ГГц
Быстродействие 32-135 Мбит/с для 28МГц-канала до 75 Мбит/с для 28МГц-канала до 15 Мбит/с для 5МГц-канала
Модуляция QPSK, 16QAM, 64QAM OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64QAM OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64QAM
Ширина канала 20, 25 и 28 МГц Регулируемая 1,5-20МГц Регулируемая 1,5-20МГц
Радиус действия 2-5 км 7-10 км макс. радиус 50 км 2-5 км
Условия работы Прямая видимость Работа на отражениях Работа на отражениях

Технические характеристики стандарта 802.16a, предусматривающие работу оборудования в диапазоне от 2 до 11 ГГц, являются расширенным вариантом технических характеристик стандарта IEEE 802.16, утвержденных в декабре 2001 г. Широкий диапазон частот, предусматриваемый стандартом 802.16, позволяет развертывать каналы передачи данных с высокой пропускной способностью с использованием передатчиков, устанавливаемых на мачтах сетей сотовой связи и высотных зданиях. Принимающее и передающее оборудование, работающее по этому стандарту, может находиться только в зоне прямой видимости.

Характеристики стандарта 802.16a.

Дальность действия: до 50 километров.

Покрытие: расширенные возможности работы вне прямой видимости позволяют улучшить качество покрытия обслуживаемой зоны.

Частота: от 2 ГГц до 11 ГГц.

Спектральная эффективность: до 5 бит/сек/Гц.

Максимальная скорость передачи данных на сектор: до 70 Мбит/с на сектор одной базовой станции.

Типовая базовая станция имеет до 6 секторов.

Качество обслуживания: качество обслуживания контролируется на уровне управления доступом к среде, что позволяет использовать дифференцированные уровни обслуживания. Это дает возможность предоставлять коммерческим предприятиям обслуживание типа T1, а домашним пользователям - типа DSL, а также осуществлять передачу голоса и видео.

Преимущества для поставщиков услуг:

Решение операторского класса: данный стандарт предоставляет широкие возможности для масштабирования, необходимого для обеспечения поддержки сотен тысяч пользователей силами одной базовой станции, и позволяет дифференцировать уровни предоставляемых услуг. Один сектор одной базовой станции способен обеспечить скорость передачи данных, достаточную для одновременного обслуживания более 60 предприятий, подключенных по каналам типа T1, и сотни жилых домов, подключенных по каналам типа DSL. Типовая базовая станция имеет до 6 секторов.

Малый инвестиционный риск: этот стандарт несет в себе для поставщиков услуг меньший риск неокупаемости инвестиций по сравнению с уникальными решениями по организации широкополосного доступа, проектируемыми на заказ. Совместимость оборудования, способного работать в этом стандарте, позволяет оператору сократить затраты на конечное клиентское оборудование и одновременно использовать оборудование разных производителей. Обслуживание клиентов и управление этим обслуживанием можно осуществлять удаленно, что позволяет сократить текущие расходы.

Качество обслуживания: управление доступом к среде стандарта 802.16 рассчитано на поддержку передачи голоса и видео.

Преимущества для конечных пользователей.

Широкая зона покрытия: расширенные возможности работы вне прямой видимости позволяют улучшить качество покрытия обслуживаемой зоны, а это значит, что большее количество конечных пользователей сможет получать высокоскоростной беспроводной доступ в Интернет.

Высокая скорость передачи данных: корпоративные пользователи могут получить сервис типа T1 по конкурентоспособным тарифам с ежемесячной оплатой без необходимости ожидания в течение нескольких месяцев, необходимых для организации канала.

Домашние пользователи, не имеющие возможности подключиться к широкополосным кабельным линиям или линиям DSL, могут воспользоваться эквивалентными беспроводными услугами по конкурентоспособным тарифам.

Менее дорогой широкополосный доступ в Интернет за счет использования альтернативного решения на этапе "последней мили" на рынке широкополосного беспроводного доступа, на котором в настоящее время доминирующее положение занимает доступ по проводным, кабельным линиям и линиям DSL.

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:

Unsolicited Grant Service (UGS) предназначен для поддержки потоков реального времени, генерирующих пакеты данных фиксированного размера, таких, как передача потоков Е1 и голоса поверх IP без подавления пауз.

Real-Time Polling Service (rtPS) предназначен для поддержки потоков реального времени, формирующих пакеты данных переменной длины, таких, как MPEG видео.

Non-Real-Time Polling Service (nrtPS) предназначен для поддержки потоков, требующих пакетов переменной длины, таких, как широкополосная FTP.

Best Effort (BE) service предназначен для эффективного обслуживания трафика best effort.

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 64QAM. 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.

Статьи по теме: