l_472_12078122
.pdfСтандарт IEEE 802.16, описаний в розділі 7, є більш придатним, оскільки визначає загальні принципи використання частотного діапазону, методи мультиплексування й надані послуги, що дає змогу врахувати інтереси різних виробників обладнання WLL та забезпечити гнучкість таких систем. У даний час інтенсивно освоюються діапазони 2.5, 3.5 і 5.8 Ггц.
Специфікація IEEE 802.16 стала, по суті, стандартом для побудови мереж широкосмугового доступу наступного покоління, які дають змогу не тільки покрити всі зони "останньої милі", але й охопити безпроводовим зв'язком цілі регіони.
Технологія WiMAX
Відразу ж після прийняття стандарту IEEE 802.16 провідні виробники комунікаційного обладнання створили WiMAX-Forum, головним завданням якого було забезпечити сумісність обладнання різних виробників та розробити специфікації для його стандартизації, в результаті чого виникла технологія WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – глобальна взаємодія мереж з мікрохвильовим доступом .
Технологія WiMAX цілком базується на групі стандартів
IEEE 802.16. Усі стандарти групи IEEE 802.16 (IEEE 802.162004, IEEE 802.16-2005) описують фізичний рівень й рівень контролю доступу до середовища передавання (МАС-рівень).
Методом доступу до середовища в технології WiMAX є
ортогональний багатостанційний доступ з частотним
411
розподіленням каналів (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) і частот-підносіїв, який є найбільш придатним в умовах багатопроменевості та відсутності прямої видимості. Суть методу полягає в тому, що послідовний потік інформації з М символів розбивається на m блоків, і символи різних блоків передаються паралельно, кожен на своїй частотіпідносії. Використання великої кількості частот-підносіїв дає можливість передавати дані на кожній з них з меншою швидкістю. При цьому за рахунок збільшення тривалості передавання елементарного символу вдається одночасно приймати прямі й відбиті від перешкоди сигнали або працювати тільки на відбитих сигналах за межами прямої видимості базової станції. Перевага такого методу доступу полягає в тому, що він дає змогу мінімізувати або зовсім усунути міжсимвольні спотворення, які виникають у радіоканалі.
Іншою прикметною особливістю технології WiMAX є багаторівнева масштабованість, заснована на частотнотериторіальному плануванні, що дає змогу забезпечити максимальну пропускну здатність мереж. Технологія WiMAX може, з метою задоволення різних вимог до використання діапазону, нарощувати кількість каналів і працювати при різних методах формування каналів. Для фіксованих програм використовують частотні плани з смугами частот 3.5 і 7 МГц при частотному дуплексі та до 10 МГц при тимчасовому дуплексі.
Мережі WiMAX організовуються як незалежні, так і як інтегровані в наявні мережі операторів, їх застосовують Інтернет-сервіс-провайдери, оператори широкосмугового
412
безпроводового доступу, оператори традиційних стільникових мереж (GMS, CDMA, WCDMA). Упровадження технології WiMAX у всіх цих мережах знижує загальне навантаження, надаючи широкосмуговий доступ. Слід зазначити, що для успішного вирішення завдань взаємодії перерахованих мереж необхідною є IP-орієнтована архітектура мережі.
Технологію 802.11 також можна використовувати для безпроводового доступу. Але її застосовують не так часто, тому що вона орієнтована тільки на комп'ютерний трафік та ігнорує особливості мовленнєвого й телевізійного трафіків, а саме доступ з постійною бітовою швидкістю. Метод доступу CSMA/CA, застосований у 802.11, не може забезпечити необхідного рівня якості (QoS) для чутливого до затримок трафіку. Проте деякі провайдери обирають технологію 802.11 для фіксованого доступу в Інтернет тих абонентів, яких задовольняє невизначена пропускна здатність. Цю технологію також широко використовують для мобільного доступу в зонах тимчасового перебування абонентів: у аеропортах, на залізничних вокзалах.
10.3 Мережі мобільного доступу
Мобільний доступ абонентам надають, у основному, оператори стільникового зв'язку.
Специфікації технологій стільникового зв'язку
Перше покоління стільникового зв'язку (1G) – це аналогова технологія телефонних систем мобільного зв'язку стандарту AMPS (Advanced Mobile Phone System).
413
У Європі спеціальна група Group Special Mobile (GSM)
розробила стандарт GSM, для якого було виділено діапазон 900 МГц та 1800 МГц. Стандарт GSM відомий як технологія другого покоління (2G). На відміну від аналогових технологій першого покоління 1G, технологія 2G є цифровою.
Разом з Європою, створенням стільникових мереж другого покоління займалися й США. На відміну від Європи, в США не було виділено нові частотні діапазони, а створювана цифрова система стільникового зв'язку повинна була працювати в смузі, яку використовують для аналогової системи (800 МГц). Так з'явився стандарт D-AMPS (Digital
AMPS).
Одночасно американська компанія Qualcomm почала розробку нового стандарту стільникового зв'язку, заснованого на технології шумоподібних сигналів і кодового розподілення каналів (Code Division Maltiple Access, CDMA).
Перевагою стандарту CDMA є можливість використання однієї й тієї ж частоти по всій мережі, у всіх стільниках. Це означає, що коефіцієнт повторного використання частот для CDMA дорівнює одиниці, і відносно AMPS це дає збільшення ємності в 7 – 10 разів. У порівнянні з цифровими стільниковими мережами, мережі стандарту CDMA забезпечують удвічі більшу пропускну здатність. Завдяки можливості об'єднання до восьми каналів трафіку CDMA швидкість передавання даних може досягати 115 Кбіт/с, причому виробники устатковання можуть поступово нарощувати кількість каналів, яку підтримує інфракструктурне обладнання.
414
Подальшим розвитком стандартів GSM і CDMA стала
універсальна мобільна телекомунікаційна система
(Universal Mobile Telecommunication System, UMTS),
розроблена в Європі. Вона повністю сумісна з системами другого і третього поколінь.
З точки зору користувача, UMTS є мережею для надання якісних сучасних послуг по всьому ланцюжку від одного кінцевого користувача до іншого. Концепція гарантування та керування якістю послуг зв'язку в UMTS є гнучкою й забезпечує їх саморозвиток на основі служби обміну даними в мережі. Вона містить кілька системних рівнів, які мають свої особливості в забезпеченні якості надаваних послуг і реалізується у вигляді апаратно-програмної платформи.
Стандарт CDMA в системі UMTS еволюціонує від вузькосмугового до широкосмугового – WCDMA (Wideband CDMA) зі швидкістю передавання до 2.4 Мбіт/с.
Використання кодового розділення каналів у радіоінтерфейсі широкосмугового цифрового стандарту, який охоплює Інтернет, мультимедіа, відео та інші широкосмугові програми, зумовив необхідність спеціальної організації каналів цього радіоінтерфейсу.
Радіоінтерфейс WCDMA містить канали трьох рівнів: логічного, транспортного та фізичного. Логічні канали визначають тип інформації, яка передається в мережі. Вони не є реальними каналами й організовуються в мережі лише в потрібні моменти часу для виконання конкретних завдань. Транспортні канали визначають, яким чином перетворюється й здійснюються обмін інформацією між елементами мережі. Фізичні канали забезпечують реальне передавання сигналів у
415
лініях зв'язку між абонентським обладнанням і базовими станціями мережі радіодоступу UMTS. З фізичними каналами працюють базові станції, а контролери мережі радіодоступу розрізняють і працюють тільки з транспортними каналами. У мережі UMTS передбачено також такі фізичні канали, які виконують функції сигналізації і не містять інформацію транспортних каналів.
Лінії зв'язку в UMTS складаються з ліній "вгору" US-BS
(User Equipment - Base Station) – від абонентського обладнання до базової станції та ліній "униз" BS-US (Base Station - User Equipment) – від базової станції до абонентського обладнання. Транспортні канали радіоінтерфейсу WCDMA в лініях US-BS і BS-US мають певні відмінності.
Безпроводовий мобільний доступ до Інтернету надають переважно оператори мобільних телефонних мереж з використанням для передавання пакетного трафіку протоколу
служби пакетного радіозв'язку загального призначення
(General Packet Radio Service, GPRS), який працює в рамках стандарту GSM (Global System for Mobile Communication) в
діапазоні 1800 МГц .
Технологію GPRS називають технологією покоління 2.5G. GPRS використовує принцип розподілення каналів для передавання голосового трафіку й трафіку даних, а також забезпечує можливість прийому під час GPRS-з'єднання як телефонних дзвінків, так і SMS-повідомлень. Додатково оператори пропонують послуги мультимедійних ММSповідомлень. Користувачі мобільних телефонів можуть мати також доступ в Інтернет. Однак швидкість такого доступу є невисокою (2 400 – 9800 Кбіт/с).
416
Мобільні мережі третього покоління 3G
задекларовано ITU в концепції IMT-2000 (Internstional Mobile Telecommunications). Їх відмінною рисою є значне перевищення трафіку даних над голосовим трафіком. Роботу над стандартами 3G зосереджено на розширенні займаної смуги частот та удосконаленні принципів побудови радіоінтерфейсу. Це дало змогу досягти в стільникових мережах третього покоління таких переваг, як глобальний роумінг, підвищена ємність, покращена якість передавання мовлення та високошвидкісне передавання даних для підтримки мультимедійного трафіку. Якісна зміна принципів побудови радіоінтерфейсу відкриває шлях для подальшого прогресу в сфері технологій CDMA і створення перспективних програм.
У мережах 3G забезпечено такі швидкості передавання даних:
•для абонентів, які рухаються зі швидкістю 120 км/год,
– 144 кбіт/с;
• для абонентів, які рухаються зі швидкістю до
3 км/год, – 384 кбіт/с;
•для стаціонарних абонентів – до 2 Мбіт/с.
Мережі 3G містять широкий спектр безпроводових технологій як UMTS, так і CDMA. Однак 3G є проміжним етапом розвитку стільникового зв'язку. У Японії вже запропоновано комерційне рішення супер 3G або 3.5G. Це
технологія високошвидкісного передавання даних з комутацією пакетів по лінії "вниз" (High Speed Downlink Packet Access, HSDPA), що підтримує швидкість 10 Мбіт/с.
417
Для роботи в мережах мобільного доступу використовують абонентські багатофункціональні пристрої (АБП), що є повноцінними продуктами конвергенції, якими є мобільний телефон, плата для комп'ютера, блок, інтегрований в ноутбук. Нові методи захисту інформації дають змогу використовувати мобільний телефон як кредитну картку (мобільний банкінг). Важливим напрямком розвитку АБП є їх конвергенція з іншими технологіями безпроводового доступу, наприклад, використання SIM-картки пристрою, призначеного для роботи в мережі GSM, в пристроях що працюють за технологією Wi-Fi.
Отже, стільниковий зв'язок є сектором ринку телекомунікацій, який найбільш динамічно розвивається .
Мобільний WiMAX
Мобільний WiMAX – це значний крок у розвитку конвергентних систем широкосмугового радіодоступу на основі взаємодії безпроводових стаціонарних і мобільних мереж доступу. Крім того, перехід від архітектури фіксованого WiMAX до мобільного не вимагає докорінної перебудови й заміни обладнання безпроводового доступу.
Мобільний варіант технології WiMAX представлено стандартом IEEE 802.16e. Методом доступу до середовища є метод ортогонального частотного ущільнення OFDMA з 256 і 1024 частотами-підносіями.
Для забезпечення нарощування пропускної здатності каналу від 1.25 до 20 МГц стандартом IEEE 802.16e рекомендовано метод, який отримав назву масштабований
418
або нарощуваний OFDMA (Scalable OFDMA, S-FDMA).
Використовуючи 1024 частоти-підносії, запропоновано механізм масштабування, що дає змогу призначати групи підносіїв для окремих користувачів, створюючи підгрупи каналів на певні часові інтервали й забезпечувати тим самим більшу гнучкість керування смугою пропускання. Цей механізм підтримує сигналізація по загальному каналу сізналізації (ЗКС), використовуючи спеціальні сигнальні протоколи прикладного рівня (Mobile Application Part, MAP).
Технологія WiMAX забезпечує високі швидкості передавання даних для основних конфігурацій базових станцій, реалізованих на основі стандартів безпроводового зв'язку IEEE 802.16. Пікова швидкість потоку даних по лінії «вниз» становить 63 Мбіт/с, а потоку даних по лінії «вгору» – 28 Мбіт/с.
Мережеві служби на основі WiMAX підтримують такі широкосмугові послуги, як потоки відео й VoIP, а також забезпечують послуги мобільного Інтернету.
Висока якість обслуговування QoS є фундаментальною умовою архітектури протоколів доступу до середовища стандарту IEEE 802.16е та базується на принципах диференційованого обслуговування, що є стандартизованим методом підтримки служб з різними рівнями якості.
Специфікації мобільного WiMAX допускають його взаємодію з широкосмуговими провідними мережами, зокрема з такими, як цифрові абонентські лінії, які використовують технології хDSL, а також можливість застосування технології
MPLS.
419
Об'єднання зусиль розробників IEEE 802.16 і WiMAXForum дозволили знайти рішення для налаштування WiMAX- з'єднання мобільних об'єктів "з кінця в кінець".
Мобільний WiMAX підтримує також оптимальні схеми хендоверів (естафетного передавання з'єднання) з часовою затримкою менше ніж 50 мс. Це гарантує роботу застосовань реального масштабу часу.
Архітектура мобільного WiMAX базується на так званій платформі All-IP, тобто тільки на передаванні та комутації пакетів без використання каналів телефонії. Таким чином, не постає необхідність підтримувати в мережі дві технології комутації. Відмінними принципами архітектури WiMAX також є:
•відокремлення мережі доступу від послуг IP-зв'язку;
•побудова масштабованої мережі з різним кроком нарощування;
•ієрархічність топології з використаними додаткових вузлів або без них;
•глобальний роумінг між операторами WiMAX, зокрема забезпечення повторного використання частот, послідовного застосування системи аутентифікації, білінгу й урегульовування претензій;
•підтримка взаємодії устаткування різних виробників у процесі реалізації функцій мережевого доступу.
Нарощувана й гнучка архітектура, висока продуктивність і порівняно невисока вартість послуг забезпечують мобільному WiMAX лідерство серед
420