Беспроводные сети связи 16 11 15

Технология WiMAX

Технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - протокол все-

мирной сети широкополосной радиосвязи) – это технология операторского класса, основанная на семействе стандартов IEEE 802.16. WiMAX относится к сетям класса MAN (Metropolitan Area Network), разрабатывается и поддерживается ассоциаци-

ей WiMAX Forum.

IEEE 802.16 - исходная версия стандарта, принятая в декабре 2001 г., охватывает диапазон частот 10 — 66 ГГц и предусматривает модуляцию на одной несущей частоте

(Single Carrier, SC).

Вянваре 2003 г. принято дополнение к стандарту 802.16а, рассчитанное на оборудование широкополосного беспроводного доступа для городских сетей в диапазоне 2

— 11 ГГц. Помимо модуляции на одной несущей допускается использование OFDM. 24 июня 2004 г. была принята версия IEEE 802.16 — 2004 г. (известна также как 802.16d и фиксированный WiMAX). Используется ортогональное частотное мультиплексирование, поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием или отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц.

Спецификация 802.16-2005 (известна также как 802.16e и мобильный WiMAX) утвержденная в 2005 году, оптимизирована для поддержки мобильных пользователей. Версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, «idle mode» и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX: 2,3, 2,5, 3,4-3,8 ГГц. В России для организации сетей WiMAX выделены следующие полосы частот: 2,3–2,4 ГГц и 2,496–2,69 ГГц.

Мобильный WiMAX ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при перемещении абонента. В отдельных случаях мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

Воктябре 2010 года IEEE одобрил стандарт 802.16m, известный как Wireless MANAdvanced и WiMAX-2. Стационарное оборудование в сетях IEEE 802.16m может принимать данные на скорости до 1 Гбит/с, а мобильные гаджеты и портативные компьютеры — до 100 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.16m предлагает такие важные улучшения, как многопользовательскую очередь пакетов MIMO, обслуживание магистральных каналов в интересах сразу нескольких операторов, а также «кооперативные коммуникации», в которых каждый абонент вносит свой вклад в обслуживание находящихся поблизости других абонентов. Новый стандарт предлагает полную поддержку фемтосот, сетей с самоорганизацией и ретрансляторов.

Стандарт WiMAX 3.0 (IEEE 802.16n), призванный прийти на смену стандарту WiMAX 2, будет еще более быстрым и универсальным и должен обеспечить пользователям совершенно невероятные скорости доступа – 10 Гбит/с для каналов фиксиро-

51

ванной связи и до 1 Гбит/с для мобильной связи. Новый стандарт предлагает многоканальные очереди 4×8 MIMO и «сцепление каналов».

Базовая модель (БМ) сети WiMAX

БМ подразделяет систему на три логические части:

абонентские станции (АС), используемые клиентами для получения доступа к сети;

ASN (Access Services Network) – сеть доступа к услугам, являющаяся собственностью оператора доступа к сети (NAP – Network Access Provider); ASN включает одну или

52

несколько базовых станций, которыми управляет один или несколько шлюзов ASN (ASN-GW).

CSN (Connectivity Services Network) – подсеть оператора, способствующая выходу на IP и другие сети для реализации абонентских услуг. Эта подсеть реализует необходимые коммутационные функции и функции безопасности. Абонента может обслуживать оператор домашней сети NSP (Network Services Provider). Кроме того, абонент может находиться в роуминге. В данном случае его обслуживает оператор визитной сети; при этом осуществляется обмен сигнальной информацией CSN визитного и домашнего оператора.

Функции ASN:

соединение на уровне L2 с абонентской станцией;

поиск и выбор сети, основываясь на предпочтениях абонента о CSN/NSP;

реализация безопасности: передача информации об устройствах, пользователях и услугах серверу безопасности, временное хранение профилей абонентов;

создание сквозных IP-соединений между АС и CSN;

управление радиоресурсом (RRM) в соответствии с классом трафика и требуемым

QoS;

поддержка мобильности, т.е. выполнение процедур хэндовера, локализации и пейджинга.

R1 — интерфейс между CPE и BS

R2 — виртуальный интерфейс между CPE и CSN

R3 — интерфейс между ASN-GW и CSN

R6 — интерфейс между BS и ASN-GW

Функционально базовая станция представляет собой один сектор с выделенным частотным диапазоном, обеспечивающим интерфейс IEEE 802.16х с абонентской станцией. Дополнительные функции, выполняемые базовой станцией, включают распределение для восходящего и нисходящего каналов, классификацию трафика и SFM (управление сервисным потоком). При этом должны быть выполнены требования по QoS для различных классов трафика, передаваемых по радиоинтерфейсу. Кроме того, базовая станция также управляет статусом абонентской станции (активный, неработающий), поддерживает туннельный протокол в направлении к шлюзу ASN, обеспечивает с помощью сервера DHCP динамическими адресами. БС также передает сигнальный обмен по протоколам MM (Mobile Management), обеспечивая все уровни защиты, предусмотренные стандартом. Базовая станция может быть подключена одновременно к двум шлюзам для баланса нагрузки.

Шлюз ASN – это основной элемент сети. Во время сеансов связи шлюз организует хэндовер абонентов и пейджинг абонентской станции, управляет доступом к сети. Для любого подсоединенного абонента в шлюзе открыта база данных, включающая профили абонента и ключи шифрования. На шлюз возложены задачи авторизации потока услуг согласно профилю абонентов и QoS. В направлении БС шлюз поддерживает туннельное соединение; в направлении ядра сети (CSN) шлюз осуществляет соединение по стандартному IP протоколу.

53

Возможные режимы работы:

TDD (Time Division Duplexing) – Режим временного разделения.

Абоненты и базовая станция передают на одной несущей частоте, но в разные промежутки времени

FDD (Frequency Division Duplexing) – Режим частотного разделения. Сигналы абонентов и базовой станции одновременно передаются на разных несущих частотах, обеспечивая максимальную пропускную способность в восходящем и нисходящем потоках

H-FDD (Half-Duplex FDD) – промежуточный вариант, когда абонент не может передавать и принимать одновременно.

В таблице указаны состав и функции, реализуемые на отдельных подуровнях уровня МАС.

подуровень безопасности:

поддержка режима шифрации

обмен данными при переходе к шифрации

обмен ключом авторизации

взаимная аутентификация

56

Физический уровень сетей WiMAX

На физическом уровне сетей WiMAX определяется вид используемых для передачи сигналов, способы манипуляции и помехоустойчивого кодирования, полоса занимаемых частот и способы формирования логических каналов связи.

В стандартах IEEE 802.16е-2005, 2009 определены пять различных типов физического уровня

WirelessMAN-SC

WirelessMAN-Sca WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA WirelessHUMAN

Режим WirelessMAN-OFDMA предназначен для работы в условиях отсутствия прямой видимости между БС и АС в диапазоне частот до 11 ГГц. Применяются сигналы с OFDM c 2048, 1024, 512 или 128 поднесущими.

Рис. - Вид сигнала с OFDM для N = 1024, Fs = 11,2 МГц

Возможны следующие длительности циклического префикса:

Tg = 1/4Т, 1/8Т, 1/16Т,1/32Т.

Выделяют следующие типы поднесущих:

информационные,

пилотные

нулевые.

Информационные поднесущие применяются для передачи данных. Они объединяются в группы, которые в стандарте называются подканалами.

57

На пилотных поднесущих передаются символы, предназначенные для служебных целей, например для оценки передаточной функции канала связи.

Нулевые поднесущие (около 200 нижних и 200 верхних частот) составляют защитный интервал, их амплитуда равна нулю.

Центральная частота канала (с индексом 1024) также не используется.

Структура кадра

Встандартах IEEE 802.16е-2005, 2009 предусмотрены временной и частотный методы дуплекса. В лицензируемых диапазонах частот может применяться временное или частотное разделение восходящего и нисходящего каналов (АС могут быть полудуплексными).

Внелицензируемых диапазонах частот метод дуплекса только временной.

Центральным понятием физического уровня сетей WiMAX является понятие частот- но-временного ресурса (ЧВР). При организации многостанционного доступа различным пользователям могут назначаться различные ЧВР или группы ЧВР.

В качестве минимально возможного ЧВР в системах WiMAX выступает слот — совокупность подканалов и временных интервалов.

58

Слоты объединяются в области данных, которые выделяются каждому абоненту, группе абонентов или предназначены для передачи служебных широковещательных сообщений.

По оси частот область данных состоит из Nлк последовательных логических подканалов, а по оси времени — из Nсл следующих друг за другом OFMA-символов. Области данных адресуются специальными служебными сообщениями DL-MAP и

UL-MAP для нисходящего и восходящего каналов. Эти сообщения являются широковещательными и содержат описание параметров каждой области данных, присутствующей в кадре.

После того, как АС выделена область данных определенного размера, данные в этой области размещаются по слотам сверху вниз и слева направо.

В режиме временного дуплекса каждый кадр состоит из подкадра базовой станции DL (нисходящий канал) и подкадра абонентских станций UL (восходящий канал). Каждый кадр начинается с преамбулы.

59

Нисходящий и восходящий подкадры разделяются временным интервалом TTG. В конце каждого кадра вставляется временной интервал RTG.

Преамбула служит для измерений, частотно-временной синхронизации и оценки канала.

FCH (Frame Control Header) - заголовок кадра, указывающий на местоположение, вид кодирования и модуляции сообщений DL-MAP и UL-MAP;

DL-MAP — карта канала вниз, это служебное сообщение МАС-уровня, в котором указываются моменты начала передачи данных для АС.

Сообщение DL-MAP задаѐт расписание пакетов разных пользователей внутри кадра прямого канала, а сообщение UL-MAP- внутри кадра обратного канала.

Области данных №№ это нисходящие/восходящие пакеты данных для/от разных АС.

Подкадр восходящего канала содержит сервисные подканалы, предназначенные для передачи к БС небольших служебных сообщений.

Например, сообщения HARQ, запросы от АС на выделение ЧВР и подключение к сети, сообщения передачи АС от одной БС к другой при выходе пользователя за пределы действия соты. Все запросы представляют собой 144-разрядные коды, передаваемые посредством ФМ-2.

Стандарт регламентирует следующие размеры кадра для WirelessMANOFDMA:

2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс.

Cкорости передачи зависят от ширины канала и профиля передачи