Технологія WiMAX

Офіційний логотип WiMax

WiMAX Стандарт IEEE 802.16 — стандарт безпровідного зв'язку, що забезпечує широкосмуговий зв'язок на значні відстані зі швидкістю, порівняною з кабельними з'єднаннями.

Назву «WiMAX» було створено WiMAX Forum — організацією, яку засновано в червні 2001 року з метою просування і розвитку WiMAX. Форум описує WiMAX як «засновану на стандарті технологію, яка надає високошвидкісний бездротовий доступ до мережі, альтернативній виділеним лініям і DSL»;

Введення

Під абревіатурою WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) розуміється технологія операторського класу, яка заснована на сімействі стандартів IEEE 802.16, розроблена міжнародним інститутом інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE). У стандартах IEEE 802.16 визначаються фізичний рівень і рівень управління доступом для систем фіксованого бездротового широкосмугового доступу масштабу міста.

Основні параметри стандартів IEEE 802.16 і IEEE 802.16-2004 представлені в табл. 1.

Таблиця 1. Основні параметри стандартів IEEE 802.16 і IEEE 802.16-2004

Опис стандарту

На фізичному рівні в стандарті IEEE 802.16-2004 визначені три методи передачі даних: метод модуляції однієї несучої (SC), метод ортогонального частотного мультиплексування (OFDM) і метод множинного доступу на основі такого мультиплексування (OFDMA). Специфікація фізичного рівня WirelessMAN-OFDM є найбільш цікавою з точки зору практичної реалізації. Вона базується на технології OFDM, що значно розширює можливості обладнання, зокрема, дозволяє працювати на відносно високих частотах в умовах відсутності прямої видимості. Крім того, в неї включена підтримка топології «кожен з кожним» (mesh), при якій абонентські пристрої можуть одночасно функціонувати і як базові станції, що сильно спрощує розгортання мережі та допомагає подолати проблеми прямої видимості. Технічні характеристики:

Модуляція OFDM

При формуванні OFDM-сигналу цифровий потік даних ділиться на кілька підпотоків, і кожна піднесуча зв'язується зі своїм під потоком даних. Амплітуда і фаза піднесучих обчислюються на основі зворотної схеми модуляції. Згідно стандарту, окремі піднесучі можуть модулюватися з використанням бінарної фазової маніпуляції (BPSK), квадратурної фазової маніпуляції (QPSK) або квадратурної амплітудної маніпуляції (QAM) порядку 16 або 64. Варіанти відображення біт на фазову площину для кожного виду маніпуляції представлені на рис. 1. У передавачі амплітуда як функція фази перетворюється на функцію від часу за допомогою зворотного швидкого перетворення Фур'є (ОБПФ). У приймачі за допомогою швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) здійснюється перетворення амплітуди сигналів як функції від часу в функцію від частоти.

Рис. 1. Варіанти відображення біт на фазову площину

Застосування перетворення Фур'є дозволяє розділити частотний діапазон на піднесучі, спектри яких перекриваються, але залишаються ортогональними. Ортогональність піднесучих означає, що кожна з них містить ціле число коливань на період передачі символу. Як видно з рис. 2, спектральна крива будь-якої з піднесучих має нульове значення для «центральної» частоти суміжної кривої. Саме ця особливість спектру піднесучих і забезпечує відсутність між ними інтерференції.

Рис. 2. Ортогональні поднесучі Однією з головних переваг методу OFDM є його стійкість до ефекту багатопроменевого поширення. Ефект викликається тим, що випромінений сигнал, відбиваючись від перешкод, приходить до прийомної антени різними шляхами (рис. 3), викликаючи міжсимвольні спотворення. Цей вигляд перешкод характерний для міст з різноповерховою забудовою через багатократні віддзеркалення радіосигналу від будівель і інших споруд. Для того щоб уникнути міжсимвольних спотворень, перед кожним OFDM-символом вводиться захисний інтервал, званий циклічним префіксом. Циклічний префікс являє собою фрагмент корисного сигналу, що гарантує збереження ортогональності піднесучих (але тільки в тому випадку, якщо відбитий сигнал при багатопроменевому поширенні затриманий не більше, ніж на тривалість циклічного префікса). Крім того, циклічний префікс дозволяє вибрати вікно для перетворення Фур'є в будь-якому місці тимчасового інтервалу символу (рис. 4).

Рис. 3. Ілюстрація ефекту багатопроменевого поширення

Рис. 4. Обробка OFDM-символу при багатопроменевому поширенні

Взагалі вся система WiMAX складається з двох основних частин: 1. Базова станція WiMAX, може розміщуватися на висотному об'єкті - будівлі або вишці. 2. Приймач WiMAX: антена з приймачем (рис. 5). З'єднання між базовою станцією і клієнтським приймачем проводиться в НВЧ діапазоні 2-11 ГГц. Дане з'єднання в ідеальних умовах дозволяє передавати дані зі швидкістю до 20 Мбіт / с і не вимагає, щоб станція знаходилася на відстані прямої видимості від користувача. Цей режим роботи базової станції WiMAX близький широко використовуваному стандарту 802.11 (Wi-Fi), що допускає сумісність вже випущених клієнтських пристроїв і WiMAX.

Рис. 5. Архітектура WiMAX Слід пам'ятати, що технологія WiMAX застосовується як на "останній милі" - кінцевій ділянці між провайдером і користувачем, - так і для надання доступу регіональним мережам: офісним, районним. Між сусідніми базовими станціями встановлюється постійне з'єднання з використанням надвисокої частоти 10-66 ГГц радіозв'язку прямої видимості. Дане з'єднання в ідеальних умовах дозволяє передавати дані зі швидкістю до 120 Мбіт / с. Обмеження по умові прямої видимості, зрозуміло, не є перевагою, проте воно накладається тільки на базові станції, що беруть участь в цілісному покритті району, що цілком можливо реалізувати при розміщенні обладнання. Як мінімум одна з базових станцій може бути постійно пов'язана з мережею провайдера через широкосмугове швидкісне з'єднання. Фактично, чим більше станцій мають доступ до мережі провайдера, тим вища швидкість і надійність передачі даних. Однак навіть при невеликій кількості точок система здатна коректно розподілити навантаження за рахунок стільникової топології. На базі стільникового принципу розробляються також шляхи побудови оптимальної мережі, що обгинає великі об'єкти (наприклад, гірські масиви), коли серія послідовних станцій передає дані по естафетному принципу (рис. 6.).

Рис. 6. Покриття WiMAX За структурою мережі стандарту IEEE 802.16 дуже схожі на традиційні мережі мобільного зв'язку: тут теж є базові станції, які діють в радіусі до 50 км, при цьому їх також необов'язково встановлювати на вишках. Для них цілком підходять дахи будинків, потрібно лише дотримання умови прямої видимості між станціями. Для з'єднання базової станції з користувачем необхідна наявність абонентського обладнання. Далі сигнал може надходити за стандартним Ethernet-кабелем, як безпосередньо на конкретний комп'ютер, так і на точку доступу стандарту 802.11 Wi-Fi або в локальну дротову мережу стандарту Ethernet. Це дозволяє зберегти існуючу інфраструктуру районних або офісних локальних мереж при переході з кабельного доступу на WiMAX. Крім того, це дає можливість максимально спростити розгортання мереж, використовуючи знайомі технології для підключення комп'ютерів.

Режими роботи WiMAX

MAC / канальний рівень

В мережах Wi-Fi всі користувальницькі станції, які хочуть передати інформацію через точку доступу (Аcccess Point), змагаються за «увагу» останньої. Такий підхід може викликати ситуацію, при якій зв'язок для віддаленіших станцій буде постійно обриватися на користь більш близьких станцій. Цей недолік робить поганим використання таких сервісів, як Voice over IP (VoIP), які дуже сильно залежать від безперервного з'єднання.

Що ж стосується мереж стандарту IEEE 802.16, у них MAC використовує алгоритм планування. Будь-якій користувальницькій станції варто лише підключитися до точки доступу і для неї буде виділений слот на точці доступу, недоступний іншим користувачам.

Архітектура

WiMAX Forum розробив архітектуру, яка визначає безліч аспектів роботи мереж WiMAX: взаємодії з іншими мережами, розподіл мережевих адрес, аутентифікація та багато іншого. Наведена ілюстрація дає певне уявлення про архітектуру мереж WiMAX.

WiMAX Архітектура

• SS / MS: (the Subscriber Station / Mobile Station)
• ASN: (the Access Service Network)
• BS: (Base station), базова станція, частина ASN
• ASN-GW: (the ASN Gateway), шлюз, частина ASN
• CSN: (the Connectivity Service Network)
• HA: (Home Agent, частина CSN)
• NAP: (a Network Access Provider)
• NSP: (a Network Service Provider)

ASN (Access Service Network) — мережа доступу.

ASN Gateway — призначений для об'єднання трафіку і повідомлень, сигналізації від базових станцій і подальшої їх передачі в мережу CSN.

BS (Base Station) — базова станція. Основним завданням є встановлення, підтримка і роз'єднання радіо сполук. Крім того, виконує обробку сигналізації, а також розподіл ресурсів серед абонентів.

CSN (Connectivity Service Network) — мережа забезпечення послуг.

HA (Home Agent) — елемент мережі, що відповідає за можливість роумінгу. Крім того, забезпечує обмін даними між мережами різних операторів.

Слід зауважити, що архітектура мереж WiMax не прив'язана до якоїсь певної конфігурації й має високу гнучкість та масштабованість. Стандарт 802.16e-2005 увібрав в себе всі раніше існуючі версії і на даний момент надає наступні режими:

1. Fixed WiMAX - фіксований доступ.

2. Nomadic WiMAX - сеансовий доступ.

3. Portable WiMAX - доступ в режимі переміщення.

4. Mobile WiMAX - мобільний доступ.

Fixed WiMAX

Фіксований доступ являє собою альтернативу широкосмуговим дротяним технологіям (xDSL, T1 і т. п.). Стандарт використовує діапазон частот 10-66 ГГц. Цей частотний діапазон через сильне загасання коротких хвиль вимагає прямої видимості між передавачем і приймачем сигналу (рис. 7.). З іншого боку, даний частотний діапазон дозволяє уникнути однієї з головних проблем радіозв'язку - багатопроменевого поширення сигналу. При цьому ширина каналів зв'язку в цьому частотному діапазоні досить велика (типове значення - 25 або 28 МГц), що дозволяє досягати швидкостей передачі до 120 Мбіт / с. Фіксований режим включався в версію стандарту 802.16d-2004 і вже використовується в ряді країн. Однак більшість компаній, що пропонують послуги Fixed WiMAX, очікують швидкого переходу на портативний і надалі на мобільний WiMAX.

Nomadic WiMAX

Сеансовий (мандрівний) доступ додав поняття сесій до вже існуючого Fixed WiMAX. Наявність сесій дозволяє вільно переміщати клієнтське обладнання між сесіями і відновлювати з'єднання вже за допомогою інших вишок WiMAX, ніж ті, що використовувалися під час попередньої сесії. Такий режим розроблений в основному для портативних пристроїв, таких як ноутбуки, КПК. Введення сесій дозволяє також зменшити витрату енергії клієнтського пристрою, що теж важливо для портативних пристроїв.

Рис. 7. Пряма видимість між передавачем і приймачем сигналу

Portable WiMAX

Для режиму Portable WiMAX додана можливість автоматичного перемикання клієнта від однієї базової станції WiMAX до іншої без втрати з'єднання. Однак для даного режиму все ще обмежена швидкість пересування клієнтського обладнання - 40 км / ч. Втім, вже в такому вигляді можна використовувати клієнтські пристрої в дорозі (в автомобілі при русі по житловим районам міста, де швидкість обмежена, на велосипеді, рухаючись пішки і т. д.). Введення даного режиму зробило доцільним використання технології WiMAX для смартфонів і КПК (рис. 8.). У 2006 році розпочато випуск пристроїв, що працюють в портативному режимі WiMAX.

Рис. 8. Використання технології WiMax для смартфонів і КПК

Mobile WiMAX

Цей режим був розроблений у стандарті 802.16e-2005 і дозволив збільшити швидкість переміщення клієнтського обладнання до 120 км / ч. Основні досягнення цього режиму: 1. Стійкість до багатопроменевого розповсюдження сигналу і власним перешкодам. 2. Масштабована пропускна здатність каналу. 3. Технологія Time Division Duplex (TDD), яка дозволяє ефективно обробляти асиметричний трафік і спрощує управління складними системами антен за рахунок естафетної передачі сесії між каналами. 4. Технологія Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), яка дозволяє зберігати стійке з'єднання при різкій зміні напряму руху клієнтського обладнання. 5. Розподіл виділених частот і використання субканалів при високому завантаженні дозволяє оптимізувати передачу даних з урахуванням сили сигналу клієнтського обладнання. 6. Управління енергозбереженням дозволяє оптимізувати витрати енергії на підтримку зв'язку портативних пристроїв в режимі очікування або простою. 7. Технологія Network-Optimized Hard Handoff (HHO), яка дозволяє до 50 мілісекунд і менше скоротити час на перемикання клієнта між каналами. 8. Технологія Multicast and Broadcast Service (MBS), яка об'єднує функції DVB-H, MediaFLO і 3GPP E-UTRA для: o досягнення високої швидкості передачі даних з використанням одночастотній мережі; o гнучкого розподілу радіочастот; o низького споживання енергії портативними пристроями; o швидкого перемикання між каналами. 9. Технологія Smart Antenna, підтримуюча субканали і естафетну передачу сесії між каналами, що дозволяє використовувати складні системи антен, включаючи формування діаграми спрямованості, просторово-часове маркування, просторове мультиплексування (ущільнення). 10. Технологія Fractional Frequency Reuse, яка дозволяє контролювати накладення / перетин каналів для повторного використання частот з мінімальними втратами. 11. Розмір фрейму в 5 мілісекунд забезпечує компроміс між надійністю передачі даних за рахунок використання малих пакетів і накладними витратами за рахунок збільшення числа пакетів (і, як наслідок, заголовків).

Завадостійке кодування

Багатопроменевого поширення радіосигналу може призводити до ослаблення і навіть повного придушення деяких піднесучих внаслідок інтерференції прямого і затриманого сигналів. Для вирішення цієї проблеми використовується завадостійке кодування. У стандарті IEEE 802.16-2004 передбачені як традиційні технології завадостійкого кодування, так і відносно нові методи. До традиційних відноситься сверточное кодування з декодуванням за алгоритмом Витерби і коди Ріда-Соломона. До відносно новим - блокові і сверточних турбокоди. Для збільшення ефективності кодування без зниження швидкості коду застосовується перемеженіє даних. Перемеженіє збільшує ефективність кодування, оскільки пакети помилок дробляться на дрібні фрагменти, з якими справляється система кодування.

Гнучкість

Важливою особливістю фізичного рівня є можливість вибору ширини для смуги пропускання каналу. Стандарт передбачає вибір ширини смуги з кроком від 1,25 МГц до 20 МГц з безліччю проміжних варіантів, що дозволяє більш ефективно використовувати радіочастотний спектр. Крім того, в стандарт закладена адаптивна сигнально-кодова конструкція, тобто система підлаштовується до характеристик каналу в кожний момент часу, «перекачуючи» швидкість в перешкодостійкість і навпаки. У відповідності зі стандартом, в залежності від відношення сигнал / шум (S / N) система вибирає метод модуляції, при якому може бути забезпечена стійка робота (рис. 9).

Рис. 9. Переважний метод модуляції в залежності від відношення сигнал / шум Додатковими інструментами фізичного рівня для підвищення ефективності використання радіоспектру служать вимірювання якості каналу і автоматичне керування потужністю сигналу.

Метод доступу

У стандарті IEEE 802.16-2004 використовується технологія множинного доступу з поділом за часом (TDMA), згідно з якою базова станція виділяє абонентським станціям тимчасові інтервали, щоб вони могли передавати дані в певній черговості, а не випадковим чином. Для реалізації дуплексного режиму обміну даними використовуються дві технології: дуплексний режим з розділенням за часом (TDD) низхідного і висхідного потоків і дуплексний режим з розділенням по частотах (FDD).

Захист інформації

У відповідності зі стандартом, для запобігання несанкціонованого доступу та захисту даних користувача здійснюється шифрування всього переданого по мережі трафіку. Базова станція (БС) WiMAX являє собою модульний конструктив, в який при необхідності можна встановити кілька модулів зі своїми типами інтерфейсів, але при цьому має підтримуватися адміністративне програмне забезпечення для управління мережею. Дане програмне забезпечення забезпечує централізоване управління всією мережею. Логічне додавання в існуючу мережу абонентських комплектів здійснюється також через цю адміністративну функцію. Абонентська станція (АС) являє собою пристрій, що має унікальний серійний номер, МАС-адресу, а також цифровий підпис Х. 509, на підставі якої відбувається аутентифікація АС на БС. При цьому, згідно зі стандартом, термін дійсності цифрового підпису АС становить 10 років. Після установки АС у клієнта і подачі живлення АС авторизується на базовій станції, використовуючи певну частоту радіосигналу, після чого базова станція, грунтуючись на перерахованих вище ідентифікаційних даних, передає абоненту конфігураційний файл по TFTP-протоколу. У цьому конфігураційному файлі знаходиться інформація про піддіапазоні передачі (прийому) даних, типи трафіку і доступні смуги, розклад розсилки ключів для шифрування трафіку і інша необхідна для роботи АС інформація. Необхідний файл з конфігураційними даними створюється автоматично, після занесення адміністратором системи АС в базу абонентів, з призначенням останньому певних параметрів доступу. Після процедури конфігурування аутентифікація АС на базовій станції відбувається наступним чином: • Абонентська станція надсилає запит на авторизацію, в якому міститься сертифікат Х.509, опис підтримуваних методів шифрування і додаткова інформація. • Базова станція у відповідь на запит на авторизацію (у разі достовірності запиту) надсилає відповідь, в якому міститься ключ на аутентифікацію, зашифрований відкритим ключем абонента, 4-бітний ключ для визначення послідовності, необхідний для визначення наступного ключа на авторизацію, а також час життя ключа . • У процесі роботи АС через проміжок часу, який визначається адміністратором системи, відбувається повторна авторизація та аутентифікація, і в разі успішного проходження аутентифікації та авторизації потік даних не переривається. У стандарті використовується протокол PKM (Privacy Key Management), відповідно до якого визначено декілька видів ключів для шифрування переданої інформації: • Authorization Key (АК) - ключ, що використовується для авторизації АК на базовій станції; • Traffi c Encryption Key (ТЕК) - ключ, використовуваний для криптозахисту трафіку; • Key Encryption Key (КЕК) - ключ, використовуваний для криптозахисту переданих в ефірі ключів. • Згідно стандарту, в кожен момент часу використовуються два ключі одночасно, з перекриванням часу життя. Дана міра необхідна в середовищі з втратами пакетів (а в ефірі вони неминучі) і забезпечує безперебійність роботи мережі. Є велика кількість динамічно змінних ключів, достатньо довгих, при цьому встановлення безпечних з'єднань відбувається за допомогою цифрового підпису. Згідно стандарту, криптозахист виконується відповідно до алгоритму 3-DES, при цьому відключити шифрування можна. Опціонально передбачено шифрування за більш надійним алгоритмом AES.

WiMAX в Україні

Перший WiMAX-оператор в Україні — Альтернет (Українські новітні технології). У березні 2008 про намір будувати національну мережу WiMAX оголосила компанія «ММДС-Україна», асоційована з СКМ Ріната Ахметова і Turkcell (торгова марка life:)). 9 вересня 2009 року було запущено мережу мобільного WiMAX Freshtel - проект компанії «Українські новітні технології». На момент запуску мережа функціонувала лише в центрі Києва. 17 травня 2010 року — початок роботи нової WiMAX-мережі у Києві від оператора Intellecom. Після запуску мережі в Києві Intellecom планує запустити WiMAX також в 10 інших великих містах України.Оператори WiMAX в Україні станом на березень 2012 року: UNTC (Київ), Квант-II (Коломия), NouHauNet (Дніпропетровськ), Alternet (Київ), Intellecom (Київ), Інтернет провайдер - Ведекон (Одеса), DATALINE (Київ), DCTel (Запоріжжя), K-NET (Одеса), INFOCOM (Київ).

Висновок

Стандарт WiMAX сьогодні перебуває на стадії тестування. Єдина конкурентоспроможна версія стандарту, для якої існує ліцензія на обладнання, - це Fixed WiMAX. Однак провайдери не поспішають замінювати дороге, але вже працююче обладнання новим, бо це вимагає істотних вкладень без можливості підняти продуктивність (і, відповідно, ціну на послуги) та повернути вкладені кошти швидко. При розгортанні WiMAX-мереж там, де доступу до Internet раніше не було, доводиться стикатися з проблемою наявності в малонаселених або віддалених регіонах достатнього числа потенційних користувачів, що володіють необхідним обладнанням або грошовими коштами на його придбання. Те ж стосується і переходу на Mobile WiMAX після його ліцензування, оскільки, крім витрат провайдерів на модернізацію операторського обладнання, слід враховувати витрати користувачів на модернізацію клієнтського обладнання: придбання WiMAX-карт і оновлення портативних пристроїв. Другим стримуючим фактором є позиція багатьох фахівців, які вважають неприпустимим використання надвисоких частот радіозв'язку прямої видимості, шкідливих для здоров'я людини. Наявність вишок на відстані десятків метрів від житлових об'єктів (а базові станції рекомендується встановлювати на дахах будинків) може згубно позначитися на здоров'ї жителів, особливо дітей. Однак результатів медичних експериментів, які підтверджують наявність або високу ймовірність шкоди, поки не опубліковано. Третім чинником є, як не дивно, швидкий розвиток стандарту. Поява нових, принципово різних версій стандарту WiMAX, призводить до питання про неминучу зміну обладнання через кілька років. Так, станції, зараз працюють в режимі Fixed WiMAX, не зможуть підтримувати Mobile WiMAX. При переході на наступний стандарт буде потрібно оновлення частини обладнання, що відлякує великих провайдерів. На даний момент впровадження та використання Fixed WiMAX на комерційній основі можуть дозволити собі тільки невеликі компанії, які не планують значного розширення (в тому числі територіального) і використовують нові технології для залучення клієнтів. І, нарешті, четвертим фактором є наявність конкурентного стандарту широкосмугового зв'язку, що використовує близькі діапазони радіочастот - WBro. Цей стандарт теж до кінця не ліцензований, проте він вже здобув певну популярність. А тому завжди існує ймовірність, що через кілька років кращим виявиться не WiMAX, а WBro. І компанії, які вклали кошти в розробку і впровадження WiMAX-систем, серйозно постраждають. Втім, через схожість стандартів існує також вірогідність злиття і надалі використання устаткування, що підтримує обидва стандарти одночасно. Таким чином, при видимих перевагах стандарту ще рано говорити про тотальне впровадження технології або навіть про можливість переходу на неї і відмови від існуючих мережевих рішень. Необхідно спочатку отримати результати польових випробувань, а потім можна очікувати затвердження стандартів версії 802.16f (Full Mobile WiMAX) і 802.16m. Перший з них включає в себе алгоритми обходу перешкод і оптимізацію стільникової топології покриття між базовими станціями. Другий стандарт повинен підняти швидкість передачі даних зі стаціонарним клієнтським обладнанням до 1 Гбіт / с і з мобільним клієнтським обладнанням - до 100 Мбіт / с. Далі можна очікувати ліцензування обладнання з підтримкою нових стандартів, конкуренції на ринку виробництва обладнання та послуг доступу через WiMAX. І тільки тоді можна буде говорити про дійсні переваги і недоліки цієї технології в порівнянні з нині існуючими.