Если вы не знаете что такое WiMAX как оно работает, то вы действительно много потеряли.

Это очень высококачественная технология связи (расшифровывается как ), которая предоставляет беспроводную связь.

Cодержание:

Возможно, вы когда-то слышали о таких понятиях, как GSM, UMTS и так далее.

Так вот, здесь речь идет о такой же технологии, которая активно используется в самых разных устройствах и системах. Ее можно увидеть в рабочих станциях, ПК и мобильных телефонах.

При этом она достаточно скоростная и мобильная, но между этими двумя характеристиками найден идеальный баланс. На рисунке 1 это показано на графике.

Другими словами, WMAX обеспечивает одновременно , передачу информации и услуги телефонной связи.

Есть в мире и другие решения данной задачи, но такая технология является наиболее простым и удобным из них.

А теперь мы будем более подробно рассматривать различные характеристики и принципы работы Wireless MAX.

Краткая история развития технологий связи

Чтобы больше понимать, как работает WMAX, необходимо разобрать, каким образом она вообще появилась. Поэтому вот вам небольшой экскурс в историю:

Сначала появляется AMPS , стандарт, который позволяет связываться с другими абонентами с помощью простого приемника. Это первое поколение. От приемов, используемых в нем, уже давно отказались.

Затем появляется GSM , которым все мы пользуемся для осуществления звонков по мобильному телефону. Также в то же время появляется CDMA, который уже давал возможность получать интернет услуги. Это второе поколение.

Сочетание GSM и CDMA позволило создать GPRS, а потом и . Наверняка, многие из нас помнят, как в середине 2000-х мы начали заходить на различные сайты со своих сотовых аппаратов. Тогда это было настоящей сенсацией, но страницы были сильно сжаты и адаптированы под такие телефоны. Со временем мы начали видеть страницы такими же, как они представлены на компьютерах. Это благодаря тому, что появились сильно переработанные версии GPRS и CDMA – HSUPA, CDMA 2000 1x и впоследствии CDMA EVDO.

Так вот, Wireless MAX можно отнести к третьему поколению. Вместе с ним появляется и LTE.

Что касается истории самой рассматриваемой нами технологии, то там все развивалось следующим образом:

• В 2004 году появляется самая первая версия. Основной ее особенностью было то, что сигнал передавался на расстояния до 50 км. Но сами устройства для передачи и приема были достаточно громоздкими и неудобными. Их было очень сложно перемещать.
• В 2005 году появляется MobileWiMAX, которая используется и по сей день. Слово «Mobile» в названии свидетельствует не о том, что данное понятие используется в мобильных телефонах, а то, что сама технология стала более мобильной. Это означает, что устройства для приема и передачи стали мобильнее - их стало легче перемещать и управлять ими.
• Со временем разработчики придумывают preWiMAX , который работает на частотах в 6 ГГц или около того. MobileWiMAX же работает на частоте 2-5 ГГц. При этом в preWiMAX между устройствами приема и передачи недопустимы какие-либо помехи, к примеру, здания. Они должны находиться в видимости друг у друга.

Для сравнения: GSM-сети работают на частоте 0,8-1,9 ГГц, а CDMA – 0,45 ГГц. Поэтому они несколько мобильнее – устройствам необязательно находиться в прямой видимости.

И тем не менее Wireless MAX обрел огромную популярность и сегодня используется очень активно. Связано это с предназначением и характеристиками.

Разница с Wi-Fi и 3G

Важно! Сравнение WiMAX с 3 G или даже Wi - Fi совершенно некорректно. Они предназначены для разных нужд и относятся к разным отраслям технической деятельности. Сравнивать их можно разве что по скорости, пропускной способности и некоторым другим характеристикам. Но они все равно не используются в одних местах.

Если быть более конкретными, то Wireless MAX используется только в беспроводных сетях масштаба города , называемых WMAN.

Приблизительное наглядное представление таких сетей можно видеть на рисунке 2.

Как видим, сигнал интернета попадает не от одного устройства к другому, а . Другие здания принимают его сигнал благодаря соответствующим устройствам.

В принципе, картина та же, что и в Wi-Fi, но выполняемые задачи в Ваймакс совершенно разные. Эта технология обеспечивает передачу огромных потоков данных в городах.

Вай фай же передает информацию на небольшие расстояния.

То же касается и 3G. Эта технология также имеет большие передатчики, но сигнал от них попадает на смартфоны, планшеты и другие аппараты с SIM-картами , которые могут ловить такой сигнал. А вот в Worldwide Interoperability for Microwave Access интернет ловят специальные приемники.

Более подробно о том, где используется

Итак, рассматриваемая технология применяется для передачи интернет-сигнала в масштабах города. То есть вы можете передавать такой сигнал в здание, которое находится на большом расстоянии.

Если говорить более конкретно, то Ваймакс подойдет для таких задач:

1 Альтернатива выделенным линиям, а также DSL. Таковые обычно представляют собой проводные технологии, которые в большинстве случаев используются для обеспечения телефонной связи. Так вот, Wireless MAX может заменить их, причем без использования проводов.

2 Передача данных и общий доступ в интернет. Здесь имеется в виду стандартный пользовательский доступ во всемирную сеть для работы, учебы, просмотра видео, нахождения в социальных сетях и так далее. Хотя ресурсов для таких задач у Ваймакс даже слишком много.

3 Соединение точек доступа, а также создание таковых. При этом точки доступа не будут привязаны к физическому местонахождению (как у роутера). Что касается соединения, то можно взять, к примеру, несколько устройств Wi-Fi и соединить их с различными сегментами сети или друг с другом. Это полезно, когда их радиуса действия не хватает для связи.

4 Системы типа «monitoring» , в рамках которых происходит наблюдение за какими-либо параметрами сетей и их контроль. В крупных фирмах всегда есть такие системы.

А вообще, Worldwide Interoperability for Microwave Access – это чрезвычайно высокоскоростная и универсальная технология, поэтому вовсе неудивительно, что сейчас ее применяет все больше людей.

Основные характеристики Wireless MAX

Вот список особенностей данной технологии:

• для приема и передачи сигнала применяется несколько антенн;
• чтобы преобразовать цифровой сигнал в аналоговый, применяется формула Фурье (чем лучше сигнал, тем );
• благодаря TDD отпадает необходимость выполнения лишней операции в виде выбора частоты для приема и передачи;
• на данный момент работа регламентируется стандартом IEEE 802.16;
• благодаря некоторым технологиям есть возможность работать даже в плотно застроенных районах;
• стоимость оборудования выше , чем при Wi-Fi, а тем более 3G.

Конечно, это далеко не все, что можно было бы сказать, но даже из этого видно, что у WMAX есть огромное количество преимуществ перед другими технологиями связи.

Технология WiMax изначально задумывалась как альтернативное беспроводное широкополосное соединение, которое придет на замену выделенным линиям. Вначале такое соединение использовало для неподвижных терминалов и стационарных персональных компьютеров, но сейчас некоторые мобильные операторы строят свои сети на основе WiMax-технологии.

Маркетологи компании Intel утверждают, что уже в ближайшем будущем более миллиарда пользователей по всей планете будут подключены к интернету именно по технологии WiMax по стандарту IEEE 802.16. Но что же такое технология?

1. Что такое WiMax

Свое название технология получила благодаря WiMax Forum. Это некоммерческая организация, которая была основана в 2001 года с единой целью – продвижение и развитие новой технологии беспроводной широкополосной связи по стандарту Wirelwss в частотном спектре 10-66 ГГц.

В основе технологии WiMax (World wide Interoperability for Microwave Access) лежит протокол IEEE 802.16, который и обеспечивает широкополосную связь – одновременную высокоскоростную передачу данных и доступ в интернет. Сразу стоит отметить, что WiMax не относится к четвертому поколению связи. И хотя в рекламах часто можно встретить название сети WiMax 4G, но это всего лишь маркетинговый ход.

Помимо доступа к интернету WiMax предоставляет возможность голосовой связи между абонентами. Главная отличительная черта этой технологии заключается в том, что она рассчитана для работы в городских условиях при плотной застройке. При этом для связи нет необходимости прямой видимости базовой станции. Именно по этой причине многие мобильные операторы строят современные сети по технологии WiMax. Это позволяет им расширить спектр предоставляемых услуг и улучшить качество связи.

1.1. Поддержка WiMax

Учитывая тот факт, что технология WiMax считается относительно новой и только внедряется в действующие сети стоит понимать, что не все мобильные устройства способны работать в данной сети. Конечно, учитывая рост количества потребителей и активное внедрение и развитие технологии, многие компании уже сегодня выпускают абонентские устройства, поддерживающие технологию WiMax.

Кроме мобильных телефонов, планшетов и ноутбуков, которые могут иметь встроенный модем WiMax, производители также выпускают мобильные роутеры, которые подключаются к данной сети и раздают интернет всем окружающим по Wi-Fi-технологии. Таким образом, при помощи такого роутера вы сможете открыть доступ к интернету любым устройствам, которые оснащены модулем Wi-Fi. А такой модуль имеется в любом современном устройстве.

Стоит отметить, что на этих же частотах строятся и сети LTE, которые также активно развиваются и внедряются. Это означает, что устройства, поддерживающие эти частоты, смогут работать как в сетях WiMax, так и в зоне покрытия LTE. Кроме этого такие сети поддерживают технологию «бесшовного» перехода между базовыми станциями. Другим словами связь не обрывается когда абонент выходит из зоны покрытия одной станции и попадает под радиус действия другой. Этот же принцип действует и при переходе между WiMax и 3G сетями, а также LTE. При этом современные устройства, как правило, способны одновременно работать в сетях 3G, 2G и WiMax, а некоторые даже поддерживают LTE. Более того, такие сети поддерживают роуминг.

1.2. WiMax в России

В России независимый национальный оператор связи Synterra начал подключение первых абонентов с 2005 года. Сеть строиться на стандарте IEEE 802.16. В основе данной сети лежат мультиплексоры израильского производства от компании EIC Telecom. Их пропускная способность составляет 2,4 Гбит/с, 633 Мбит/с и 155 Мбит/с. При этом для работы сети используется оборудование американской компании Next Net Wireless Inc. Данная компания является участником консорциума WiMax Forume, а в 2006 году она вошла в состав Motorola.

1.2.1. Частоты WiMax

В России заключаются в диапазоне от 2,5 ГГц, до 2,7 ГГц. При этом скорость доступа в интернет составляет от 64 Кбит/с до 1,3 Мбит/с. На сегодняшний день Компания Synterra покрывает около 90% территории Москвы. Кроме этого данная компания получила лицензию на строительство сетей WiMax в 17 городах Российской Федерации.

1.2.2. Покрытие WiMax

Одна из причин, по которой WiMax является отличным вариантом для построения городских сетей в мегаполисах с плотным населением и застройкой, заключается в том, что дальность действия WiMax (одной вышки) может достигать 50 км. При этом каждая вышка способна работать одновременно с большим количеством пользователей. Каждое подключение имеет одинаковый приоритет. Другими словами каждый пользователь получает одинаковую скорость подключения и передачи данных.

Помимо независимой компании сотовой связи Synterra существуют и другие телефонные компании, которые строят сети на стандарте WiMax. Конечно, учитывая относительную новизну технологии, и тот факт, что на данный момент она только начинает распространяться по территории страны, стоит понимать, что далеко не в каждом городе существует такая связь. Однако уже в скором будущем такие сети будут доступны по всей территории РФ.

2. WiMax уже в Москве: Видео

2.1. Преимущества WiMax

Конечно же, первое, что хочется отметить, - это более высокую скорость передачи данных и стабильность сети WiMax. Однако помимо этого, данная технология обеспечивает высокий уровень безопасности. В устройства мобильной связи встраиваются специальные чипы ASIC, которые предотвращают какие-либо попытки нарушения конфиденциальности. Кроме этого они обеспечивают целостность данных, а также абсолютно исключают отказ в обслуживании.

Технология WiMax позволяет предприятиям, имеющим множество филиалов, строить свои частные беспроводные сети. К примеру, один комплект оборудования предоставляет до 8 телефонных номеров, которые имеют выход в городские сети телефонной связи, а также высокоскоростной доступ к интернету.

В настоящее время в России наиболее целесообразно строить и использовать сети WiMax в пределах больших городов. Это объясняется особенностями технологии, а также высокими ценами на предоставляемые услуги. Однако в будущем такие сети станут экономически выгодными благодаря росту количества абонентов. Это означает, что создание сети WiMax в крупных масштабах (в масштабах страны и даже более) – это всего лишь вопрос времени.

В современном мире происходит настоящая информационная революция. Технологии беспроводной связи активно развиваются, постоянно появляются новые виды связи, которые заменяют друг друга. Это объясняется тем, что к технологиям передачи данных выдвигаются определенные требования – высокая скорость передачи данных, надежность и мобильность. Эти требования и заставляют разработчиков постоянно работать, создавая новые виды соединений, превосходящие все старые технологии. На сегодняшний день данным требованиям наилучшим образом соответствует технология WiMax. Но что это такое?

1. Описание технологии WiMax

Прежде всего, необходимо ответить на вопрос, что это такое? ТехнологияWiMax (от англ.World wide Interoperability for Microwave Access) – это технология беспроводной передачи данных. Главная цель разработки такой технологии заключается в том, чтобы предоставлять пользователям универсальную мобильную связь на достаточно больших расстояниях для наиболее широкого списка устройств – от целых станций и персональных компьютеров, до мобильных телефонов и планшетов.

Технология ВайМакс основывается на протоколе IEEE 802.16, который имеет название Wireless MAN. Современное название технология получила благодаря WIMAX Forum. Это специальная организация, которая была основана именно для продвижения и развития нового вида связи. Форум представляет новый вид мобильной связи WiMax как технологию, предоставляющую высокоскоростной доступ к беспроводным сетям, который является альтернативой выделенным линиям и DSL.

Если говорить просто, то это новый вид мобильной связи, который по скорости и качеству не уступает проверенным кабельным соединениям с выделенными линиями. Более того, новая технология даже превосходит старые.

1.1. Область применения технологии WiMax

Данное соединение открывает перед пользователями новые возможности. Такую технологию можно применять для выполнения следующих задач:

• Соединение разных точек доступа Wi-Fi меду друг другом и с другими сегментами сети интернет;
• Предоставление мобильного широкополосного соединения с высокой скорость, как альтернатива выделенным линиям и DSL;
• Возможность операторам предоставления новых видов услуг, требующих наличие высокоскоростного интернет-подключения;
• Создание точек доступа к интернету, не привязанных к географическому расположению.

Технология ВайМакс открывает возможность выполнять выход в высокоскоростной интернет. При этом радиус действия таких сетей гораздо больше, чем у технологии Wi-Fi. Это в свою очередь позволяет использовать связь в качестве неких магистральных каналов, которые могут переходить в обычные выделенные и DSL-линии, либо локальные сети. Таким образом, данная технология позволяет создавать целые сети в городских масштабах. При этом пользователи получают высокую скорость передачи данных.

2. Сравнение WiMax и LTE

Для того, чтобы выполнить объективное сравнение этих технологий, необходимо более подробно рассмотреть оба вида соединений. Это позволит наглядно увидеть отличие WiMax от LTE и понять, что лучше, и какая из технологий имеет больше перспектив.

Стоит отметить, что технология WiMax появилась несколько раньше, чем LTE. Изначально она разрабатывалась как альтернатива выделенным линиям, и первым ее применением стали неподвижные терминалы и стационарные модемы. В теории скорость передачи данных в современной беспроводной сети WiMax составляет 1 Гбит/с, однако на практике эта цифра существенно меньше.

Не лучше дела обстоят и с технологией LTE, которая также обещает пользователям высокую скорость соединения, достигающую 1 Гбит/с, но на практике предоставляет максимальную скорость около 20-30 Мбит/с. Это объясняется тем, что обе технологии являются относительно новыми и активно развиваются. Кроме этого мобильные операторы только начинают строить сети четвертого поколения, которым относятся обе технологии.

2.1. Стандарт WiMax

Технология ВайМакс также известна как IEEE-стандарт 802.16 – беспроводная широкополосная связь. Можно сказать, что WiMax является неким расширением всем известной технологии Wi-Fi, которое ориентировано на рынки мобильных коммуникаций. Кроме этого WiMax поддерживает технологию Multiple Input/Multiple Output (MIMO), что крайне важно для возможности одновременной работы множества пользователей.

Данная технология позволяет сотням пользователей подключаться к одной базовой станции, что обеспечивает отличную мобильность пользователям, переключаясь с одной станции, на другую в одном коммуникационном цикле. Помимо этого радиус действия каждой станции достигает нескольких километров.

2.1.1. Отличие Wi-Fi от WiMax

Технологии WiMax и Wi-Fi сопоставляются достаточно часто. Возможно это потому, что их названия созвучны, а также схожи названия стандартов, которые являются основой эти технологий – оба они начинаются с «802». Кроме этого оба вида связи используются для выхода в интернет. Однако, несмотря на схожесть, данные технологии имеют различия и направлены на выполнения разных задач.

WiMax – это технология дальнего действия, которая способна покрывать целые километры. Для работы WiMax использует исключительно лицензированные частоты. Также существуют разные стандарты семейства 802.16, которые способны предоставлять разные виды доступа – от мобильного, схожего с технологиями передачи данных с мобильных телефонов, до фиксированного, выполняющего роль альтернативы обычным выделенным линиям.

В свою очередь технология Wi-Fi является системой малого радиуса действия. Как правило, такая сеть способна покрыть до нескольких сотен (чаще десятков) метров. Для работы такой сети используются нелицензированные спектры частот. В подавляющем большинстве случаев Wi-Fi используется для создания частной локальной сети, к примеру, в домашних условиях или в офисах. Такая сеть может работать как автономно (без подключения к глобальной сети), так и с выходом в интернет.

Если сравнивать WiMax и Wi-Fi, то первую технологию можно сравнить с мобильной связью, а вторую – с обычным стационарным беспроводным телефоном, который используется только в пределах дома или квартиры. Эти технологии имеют различный принцип Quality of Service (QoS). К примеру, WiMax работает по принципу, основанному на установлении соединения между базовой станцией и мобильным устройством пользователя. Каждое такое соединение основывается на специальном алгоритме планирования, который гарантирует параметр QoS. То есть каждое соединение получает одинаковый приоритет, и, как следствие, одинаковую стабильную скорость передачи данных.

В свою очередь технология Wi-Fi основывается на механизме QoS, который подобен тому, что используется в Enternet. То есть пакеты получают различный приоритет. Это означает, что при таком соединении нет гарантий одинакового QoS для каждого соединения.

Благодаря дешевизне технологии и простоте установки Wi-Fi роутера такое соединение часто используется в кафе и других общественных заведениях, а также в частных целях (для создания домашней сети). WiMax в свою очередь является более глобальной технологией, которая используется мобильными операторами.

3. Mobile WiMAX от YOTA: Видео

3.1. Стандарт LTE

Технология LTE, так же как и WiMax предоставляет беспроводной широкополосный выход в интернет, отличающийся высокой скоростью. И хотя он поддерживается сетями третьего поколения (3G), он все же отвечает всем требованиям четвертого поколения связи. Построена эта технология на базе IP-технологий, что и обеспечивает повышенную скорость передачи информации.

Технология LTE уже сегодня активно внедряется в действующие сети. Именно она имеет наибольшие перспективы. Однако это всего лишь переходная технология, которая позволяет плавно и незаметно для потребителей перейти к сетям четвертого поколения (4G).

3.2. Отличие WiMax от LTE

Итак, в чем же заключаются отличия этих технологий? Стоит отметить, что изначально технология WiMax внедрялась с целью плавного перехода от 3G к LTE. Однако на сегодняшний день, несмотря на активную интеграцию технологии LTE, WiMax также продолжает использоваться и развиваться.

Главное различие между технологиями заключается в скорости передачи данных, а также в стоимости тарификации. К примеру, нынешние тарифы в сетях LTE обеспечивают скорость передачи данных от 500 Кбит/с до 20 Мбит/с, при этом стоимость услуг колеблется соответственно от 400, до 1400 рублей.

Для сравнения тарифы в сетях WiMax предоставляют выбор скорости от 284 Кбит/с, до 10 Мбит/с, стоимость услуг соответственно от 500, до 1400 рублей. Кроме этого отличие WiMax от LTE заключается в используемых частотах. Таким образом, мобильные телефоны, которые поддерживают WiMax не смогут работать в сетях LTE.

Рассматриваемый в статье стандарт IEEE 802.16-2004 является расширением базового стандарта IEEE 802.16, который описывает работу в диапазоне 10…66 ГГц. В стандарте IEEE 802.16-2004 предусмотрена работа в диапазоне 2…11 ГГц, а также более широкие возможности как на физическом уровне, так и на уровне управления доступом.

Введение

Под аббревиатурой WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) понимается технология операторского класса, которая основана на семействе стандартов IEEE 802.16, разработанных международным институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). В стандартах IEEE 802.16 определяются физический уровень и уровень управления доступом для систем фиксированного беспроводного широкополосного доступа масштаба города.

Основные параметры стандартов IEEE 802.16 и IEEE 802.16-2004 представлены в табл. 1 .

Таблица 1. Основные параметры стандартов IEEE 802.16 и IEEE 802.16-2004

Описание стандарта

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).

Спецификация физического уровня WirelessMAN-OFDM является наиболее интересной с точки зрения практической реализации. Она базируется на технологии OFDM, что значительно расширяет возможности оборудования, в частности, позволяет работать на относительно высоких частотах в условиях отсутствия прямой видимости. Кроме того, в нее включена поддержка топологии «каждый с каждым» (mesh), при которой абонентские устройства могут одновременно функционировать и как базовые станции, что сильно упрощает развертывание сети и помогает преодолеть проблемы прямой видимости.

Модуляция OFDM

При формировании OFDM-сигнала цифровой поток данных делится на несколько подпотоков, и каждая поднесущая связывается со своим подпотоком данных. Амплитуда и фаза поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции. Согласно стандарту, отдельные поднесущие могут модулироваться с использованием бинарной фазовой манипуляции (BPSK), квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) или квадратурной амплитудной манипуляции (QAM) порядка 16 или 64. Варианты отображения бит на фазовую плоскость для каждого вида манипуляции представлены на рис. 1. В передатчике амплитуда как функция фазы преобразуется в функцию от времени с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). В приемнике с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) осуществляется преобразование амплитуды сигналов как функции от времени в функцию от частоты.

Рис. 1. Варианты отображения бит на фазовую плоскость

Применение преобразования Фурье позволяет разделить частотный диапазон на поднесущие, спектры которых перекрываются, но остаются ортогональными. Ортогональность поднесущих означает, что каждая из них содержит целое число колебаний на период передачи символа. Как видно из рис. 2, спектральная кривая любой из поднесущих имеет нулевое значение для «центральной» частоты смежной кривой. Именно эта особенность спектра поднесущих и обеспечивает отсутствие между ними интерференции .

Рис. 2. Ортогональные поднесущие

Одним из главных преимуществ метода OFDM является его устойчивость к эффекту многолучевого распространения. Эффект вызывается тем, что излученный сигнал, отражаясь от препятствий, приходит к приемной антенне разными путями (рис. 3), вызывая межсимвольные искажения. Этот вид помех характерен для городов с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений. Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым OFDM-символом вводится защитный интервал, называемый циклическим префиксом. Циклический префикс представляет собой фрагмент полезного сигнала, что гарантирует сохранение ортогональности поднесущих (но только в том случае, если отраженный сигнал при многолучевом распространении задержан не больше, чем на длительность циклического префикса). Кроме того, циклический префикс позволяет выбрать окно для преобразования Фурье в любом месте временного интервала символа (рис. 4) .

Рис. 3. Иллюстрация эффекта многолучевого распространения

Рис. 4. Обработка OFDM-символа при многолучевом распространении

Помехоустойчивое кодирование

Многолучевое распространение радиосигнала может приводить к ослаблению и даже полному подавлению некоторых поднесущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Для решения этой проблемы используется помехоустойчивое кодирование. В стандарте IEEE 802.16-2004 предусмотрены как традиционные технологии помехоустойчивого кодирования, так и относительно новые методы. К традиционным относится сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби и коды Рида-Соломона. К относительно новым - блочные и сверточные турбокоды. Для увеличения эффективности кодирования без снижения скорости кода применяется перемежение данных. Перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.

Гибкость

Важной особенностью физического уровня является возможность выбора ширины для полосы пропускания канала. Стандарт предусматривает выбор ширины полосы с шагом от 1,25 МГц до 20 МГц со множеством промежуточных вариантов, что позволяет более эффективно использовать радиочастотный спектр. Кроме того, в стандарт заложена адаптивная сигнально-кодовая конструкция, то есть система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени, «перекачивая» скорость в помехоустойчивость и наоборот. В соответствии со стандартом, в зависимости от отношения сигнал/шум (S/N) система выбирает метод модуляции, при котором может быть обеспечена устойчивая работа (рис. 5) .

Рис. 5. Предпочтительный метод модуляции в зависимости от отношения сигнал/шум

Дополнительными инструментами физического уровня для повышения эффективности использования радиоспектра служат измерение качества канала и автоматическое управление мощностью сигнала.

Метод доступа

В стандарте IEEE 802.16-2004 используется технология множественного доступа с разделением по времени (TDMA), согласно которой базовая станция выделяет абонентским станциям временные интервалы, чтобы они могли передавать данные в определенной очередности, а не случайным образом.

Для реализации дуплексного режима обмена данными используются две технологии: дуплексный режим с разделением по времени (TDD) нисходящего и восходящего потоков и дуплексный режим с разделением по частотам (FDD).

Защита информации

В соответствии со стандартом, для предотвращения несанкционированного доступа и защиты пользовательских данных осуществляется шифрование всего передаваемого по сети трафика. Базовая станция (БС) WiMAX представляет собой модульный конструктив, в который при необходимости можно установить несколько модулей со своими типами интерфейсов, но при этом должно поддерживаться административное программное обеспечение для управления сетью. Данное программное обеспечение обеспечивает централизованное управление всей сетью. Логическое добавление в существующую сеть абонентских комплектов осуществляется также через эту административную функцию.

Абонентская станция (АС) представляет собой устройство, имеющее уникальный серийный номер, МАС-адрес, а также цифровую подпись Х. 509, на основании которой происходит аутентификация АС на БС. При этом, согласно стандарту, срок действительности цифровой подписи АС составляет 10 лет. После установки АС у клиента и подачи питания АС авторизуется на базовой станции, используя определенную частоту радиосигнала, после чего базовая станция, основываясь на перечисленных выше идентификационных данных, передает абоненту конфигурационный файл по TFTP-протоколу. В этом конфигурационном файле находится информация о поддиапазоне передачи (приема) данных, типе трафика и доступной полосе, расписание рассылки ключей для шифрования трафика и прочая необходимая для работы АС информация. Необходимый файл с конфигурационными данными создается автоматически, после занесения администратором системы АС в базу абонентов, с назначением последнему определенных параметров доступа.

После процедуры конфигурирования аутентификация АС на базовой станции происходит следующим образом:

• Абонентская станция посылает запрос на авторизацию, в котором содержится сертификат Х.509, описание поддерживаемых методов шифрования и дополнительная информация.
• Базовая станция в ответ на запрос на авторизацию (в случае достоверности запроса) присылает ответ, в котором содержится ключ на аутентификацию, зашифрованный открытым ключом абонента, 4-битный ключ для определения последовательности, необходимый для определения следующего ключа на авторизацию, а также время жизни ключа.
• В процессе работы АС через промежуток времени, определяемый администратором системы, происходит повторная авторизация и аутентификация, и в случае успешного прохождения аутентификации и авторизации поток данных не прерывается.

В стандарте используется протокол PKM (Privacy Key Management), в соответствии с которым определено несколько видов ключей для шифрования передаваемой информации:

• Authorization Key (АК) - ключ, используемый для авторизации АК на базовой станции;
• Traffi c Encryption Key (ТЕК) - ключ, используемый для криптозащиты трафика;
• Key Encryption Key (КЕК) - ключ, используемый для криптозащиты передаваемых в эфире ключей.
• Согласно стандарту, в каждый момент времени используются два ключа одновременно, с перекрывающимися временами жизни. Данная мера необходима в среде с потерями пакетов (а в эфире они неизбежны) и обеспечивает бесперебойность работы сети. Имеется большое количество динамически меняющихся ключей, достаточно длинных, при этом установление безопасных соединений происходит с помощью цифровой подписи. Согласно стандарту, криптозащита выполняется в соответствии с алгоритмом 3-DES, при этом отключить шифрование нельзя. Опционально предусмотрено шифрование по более надежному алгоритму AES .

Разработка оборудования WiMAX на базе «систем на кристалле»

Современные тенденции развития телекоммуникационного рынка диктуют разработку так называемых «систем на кристалле». Под устройствами класса «система на кристалле» в общем случае понимаются устройства, на едином кристалле которых интегрированы один или несколько процессоров, некоторый объем памяти, ряд периферийных устройств и интерфейсов, - то есть максимум того, что необходимо для решения поставленных перед системой задач. Разработка «систем на кристалле» предполагает оптимизацию разрабатываемой схемотехники, что непосредственно сказывается на потребляемой мощности, площади кристалла и, как следствие, стоимости.

На текущий момент ведущие мировые производители сосредоточились на разработке «систем на кристалле», в которых интегрированы основные функции физического и MAC уровней стандарта WiMAX. Первые образцы, разработанные на основе спецификации IEEE 802.16-2004, представили компании Fijitsu, Intel, Sequans Communications, Wavesat и PicoChip. В предлагаемых этими компаниями решениях на физическом уровне используется модуляция OFDM с 256 поднесущими и основная схема кодирования, в которой для внутреннего кода применяется сверточное кодирование и декодирование по алгоритму Витерби, а для внешнего - коды Рида-Соломона.

Функционально оборудование WiMAX разделяется на базовое и абонентское. Первое поколение чипов для базовых станций обладает меньшим уровнем интеграции, чем для абонентских станций. Для реализации MAC-протокола базовой станции требуется увеличение производительности этих решений. Для этой цели используются внешние процессоры, служащие для выполнения верхнего уровня MAC-протокола. Таким образом, чипсеты WiMAX реализуют функции физического уровня и функции нижнего уровня MAC-протокола.

Абонентское оборудование

Для разработчиков абонентского оборудования WiMAX наиболее перспективными являются «системы на кристалле» от четырех производителей: Fujitsu, Intel, Sequans и Wavesat.

Компания Intel первой предложила разработчикам «систему на кристалле» PRO/Wireless 5116 для абонентских станций WiMAX, в которой были интегрированы функции как физического, так и MAC уровней. Чип MB87M3400 компании Fujitsu предназначен для более широкого диапазона приложений и позволяет разрабатывать как базовое, так и абонентское оборудование. Компания Sequans разработала отдельные чипы SQN1010 и SQN2010 - для базового и абонентского оборудования соответственно.

«Системы на кристалле» от Fujitsu, Intel и Sequans полностью реализуют функции MAC-протокола для абонентских станций WiMAX. Другой подход к разработке предложила компания Wavesat, выпустив две микросхемы: OFDM-модем DM256 (реализует функции физического уровня) и MC336 (представляет собой вычислительное ядро, реализующее нижний уровень MAC-протокола). Для разработки абонентского модема на базе «системы на кристалле» от Fujitsu, Intel и Sequans не требуется дополнительного внешнего процессора.

Характеристики рассматриваемых чипов, определяемые типом дуплекса, шириной канала и другими параметрами, сильно отличаются. Для организации полнодуплексной работы на базе решения Fujitsu MB87M3400 требуется использование двух чипов. Микросхема Sequans SQN1010 является первой «системой на кристалле», которая поддерживает полнодуплексный режим работы. Решение компании Wavesat DM256/MC336 также позволяет организовывать полнодуплексный режим работы на основе одной микросхемы OFDM-модема DM256.

Микросхемы компаний Fujitsu и Sequans позволяют организовывать каналы шириной до 20 и 28 МГц соответственно, тогда как максимальная ширина канала для чипов Intel и Wavesat составляет 10 МГц с промежуточными значениями 3,5 и 7 МГц.

Радиоинтерфейс рассмотренных «систем на кристалле» содержит блоки АЦП/ЦАП для прямого аналогового соединения с внешним приемопередатчиком. В табл. 2 представлены основные параметры решений для разработки абонентского оборудования WiMAX .

Таблица 2. Основные параметры решений для разработки абонентского оборудования WiMAX

Базовые станции

Рассмотрим варианты разработки базовых станций WiMAX на основе известных чипов. Компания Fujitsu разработала чип MB87M3400 как для базовых, так и для абонентских станций. Однако, в отличие от решения Intel, чип Fujitsu имеет интерфейс для внешнего процессора. Для реализации полнодуплексного режима требуется использовать два чипа, один из которых выполняет функции физического уровня и нижнего уровня MAC-протокола, а второй представляет собой внешний процессор (сторонней фирмы) для реализации верхнего уровня MAC-протокола. Для разработки базовых станций компания Fujitsu предоставляет отладочный комплект, реализующий полнодуплексный режим работы, с процессором Freescale MPC8560, но не поставляет программное обеспечение, обеспечивающее функции верхнего уровня MAC-протокола.

Компания PicoChip предлагает решение PC102/PC8520, построенное на двух своих параллельных процессорах PC102. Компания предоставляет программное обеспечение, реализующее физический уровень и функции нижнего уровня MAC-протокола на чипах PC102. Так же как и Fujitsu, компания PicoChip использует процессор Freescale MPC8565 для реализации верхнего уровня MAC-протокола в своем отладочном комплекте. Однако в отличие от Fujitsu, PicoChip лицензировала свое программное обеспечение для верхнего уровня MAC-протокола. Так как в решение PC102/PC8520 не заложены функции шифрования-дешифрования, для их выполнения должен быть использован внешний процессор.

Чип для разработки базовых станций SQN2010 компании Sequans является первой «системой на кристалле», имеющей полнодуплексный режим. SQN2010 реализует все функции физического и MAC уровней, необходимые для полнодуплексной работы базовой станции. Чип SQN2010 отличается от SQN1010 наличием второго центрального процессора, реализующего верхний уровень MAC-протокола. На чипе SQN1010 предусмотрен интерфейс PCI для обеспечения возможности подключения внешнего процессора.

Решение DM256/MC336 компании Wavesat может быть использовано и для разработки базовых станций. Это решение поддерживает полнодуплексный режим работы, но следует отметить, что для реализации функций шифрования-дешифрования оно требует подключения внешнего процессора. Так же как и Fujitsu, Wavesat не предоставляет программное обеспечение для верхнего уровня MAC-протокола, необходимое для разработки базовых станций.

Из четырех описанных решений только чипы PicoChip PC102 не интегрируют в себе функций АЦП/ЦАП. Поэтому для разработок, в которых используется аналоговый радиоинтерфейс, дополнительно потребуются устройства АЦП/ЦАП. Основные параметры рассмотренных решений для разработки базовых станций представлены в табл. 3 .

Таблица 3. Основные параметры рассмотренных решений для разработки базовых станций WiMAX

Выбор производителя чипов для разработки систем WiMAX является важным стратегическим решением. Для быстрой и эффективной разработки системы требуется максимально полная программная и аппаратная поддержка и средства для разработки и отладки. Наличие отладочных комплектов позволяет значительно увеличить скорость и уменьшить стоимость разработки оборудования WiMAX, что является одним из главных критериев при выборе того или иного продукта.

Развертывание систем WiMAX

Построение сети фиксированного беспроводного доступа предполагает использование трех типов оборудования - базовых станций, абонентских станций и оборудования для организации связи между базовыми станциями. В сетях доступа на базе WiMAX найдут применение как узконаправленные антенны, так и антенны с более широким сектором охвата, вплоть до всенаправленных.

Топология сети

Для соединения «точка–точка» (рис. 6а) используются две направленные друг на друга антенны; так строятся, например, радиорелейные линии передач, в которых расстояние между соседними релейными вышками может исчисляться десятками километров. При топологии «точка–многоточка» (рис. 6б) в центре «ячейки» помещается базовая станция со всенаправленной или секторной антенной, а все обслуживаемые ей абоненты снабжаются сфокусированными на нее направленными антеннами.

Рис. 6. Возможные топологии сети WiMAX

Другой тип связи получится при использовании только всенаправленных антенн. В этом случае будет достигнута возможность соединения «каждого с каждым», или «многоточка–многоточка» (mesh) (рис. 6в).

Базовая станция WiMAX представляет собой модульное решение, которое может по мере необходимости дополняться различными блоками, например, модулями для связи с магистральной сетью провайдера. В минимальной конфигурации устанавливается модуль радиоинтерфейса и модуль соединения с проводной сетью.

Диапазон частот

При выборе оборудования WiMAX кроме его технических характеристик и цены важное и зачастую определяющее значение представляет такой фактор, как специфические для России трудности оформления частотных разрешений. Дело в том, что в России практически не существует «безлицензионных» диапазонов. Для разных типов оборудования предусмотрен различный порядок получения частотных разрешений. Для работы в любых диапазонах операторы связи должны получить достаточно сложные и многоуровневые разрешения как частотных служб, так и служб надзора за связью .

Очевидно, что в нашей стране главным фактором, влияющим на скорость внедрения систем WiMAX, являются вопросы регулирования спектра, так как развитие рынка услуг WiMAX напрямую зависит от выделения операторам необходимого частотного ресурса. Сегодня наиболее перспективными с точки зрения будущего развития технологии WiMAX являются диапазоны в районе 2,4, 3,5 и 5,6 ГГц.

Следует учитывать, что распространение радиоволн в различных участках спектра имеет свои особенности, которые во многом определяют дальность действия оборудования, а также устойчивость к многолучевости.

Общие подходы к выбору системы WiMAX

Перед тем, как приступить к рассмотрению доступных систем WiMAX, необходимо проработать следующие системные вопросы :

• Выбор диапазона частот.
• Определение величины необходимого частотного ресурса.
• Разработка процедур выделения и присвоения радиочастот.
• Проработка вопросов законодательства.
• Прежде чем переходить к рассмотрению конкретных систем, целесообразно рассмотреть общие вопросы выбора систем, что поможет на предварительном этапе анализа отбросить явно неприемлемые варианты. Сформулируем критерии, которыми следует руководствоваться при выборе оборудования фиксированного беспроводного доступа WiMAX :
• Оборудование должно производиться специализированной компанией, имеющий опыт разработки и производства беспроводного оборудования, что является некоторой гарантией качества.
• Технические характеристики оборудования, предоставляемые производителем, должны быть достаточно полными, для того чтобы по ним можно было сделать вывод о его возможностях. Представление таких характеристик говорит о профессионализме сотрудников и в определенной мере гарантирует, что речь идет об оригинальном продукте, а не о перепродаже малоизвестного бренда под торговой маркой продавца.
• Желательно, чтобы базовая станция имела возможность секторирования и поэтапного наращивания производительности, для чего она должна иметь возможность подключения внешней антенны. Тогда на первом этапе достаточно одной базовой станции с всенаправленной антенной, на следующем - двух, с антеннами с шириной диаграммы 180°, и так далее.
• Оборудование должно быть сертифицировано.
• Должна быть возможность получения разрешения на использование частот в диапазонах, используемых оборудованием.
• Система должна обладать приемлемой стоимостью, причем в первую очередь важна минимальная стоимость абонентского оборудования.

Заключение

Очевидно, что сегодня WiMAX является одной из самых передовых и перспективных технологий беспроводной передачи данных. При объединении усилий производителей оборудования и операторов связи WiMAX может стать реальной заменой DSL и кабельных соединений, предоставив абонентам необходимый сервис в крупных городах и на периферии.

Литература

1. www.wimaxforum.org
2. Wide-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (W-OFDM), www.wi-lan.com
3. Марченко С. Источники уязвимостей в сетях беспроводной связи // АДЭ. 2004. № 13.
4. IEEE Std 802.16™-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, www. ieee. org.
5. Власов В. А. Частотное регулирование и обеспечение информационной безопасности для оборудования Wi-Fi и WiMAX, //«Вестник связи». 2005. № 9.
6. Bob Wheeler. How to choose the best SoC for your WiMAX design // Wireless Net DesignLine. Oct 17, 2005.
7. Писарев Ю. Выбор системы фиксированного беспроводного доступа: попытка системного подхода // «Информационные телекоммуникационные сети» (Казахстан). 2003. № 4.