Меню
Поиск

IEEE 802.16a, или Широкополосный беспроводной доступ для всех

23 декабрь, 2003 - 00:00Леонід Бараш
В январе 2003 г. IEEE Standards Authority одобрила спецификацию 802.16a, которая, как ожидают операторы, позволит им предоставлять широкополосный беспроводной доступ как корпоративным заказчикам, так и индивидуальным пользователям по довольно низким ценам. Эта технология станет привлекательной для миллионов людей во всем мире, кто по тем или иным причинам не может получить доступ к Internet посредством кабеля или xDSL.

Стандарт 802.16a описывает технологию фиксированных беспроводных сетей масштаба города (радиоинтерфейс WirelessMAN), способную, как предполагается, быть беспроводной альтернативой некоторым решениям широкополосного доступа для "последней мили" -- кабелю, xDSL и каналам Т1/Е1. Такие сети могут применяться также в качестве дополнительной технологии для подсоединения точек доступа 802.11 к Internet.

Принятая ранее спецификация 802.16 предусматривает использование полосы частот 10--66 GHz, что порождает ряд проблем, вызванных необходимостью наличия прямой видимости между антеннами и лицензирования частотного диапазона. Стандарт 802.16a описывает радиоинтерфейс в диапазоне частот 2--11 GHz, который не требует прямой видимости (Non-Line-of-Sight -- NLOS) между терминалом пользователя и базовой станцией (BS). Кроме этого, данный радиоинтерфейс обеспечивает низкую латентность для голосовых и видеоприложений и будет способен поддерживать на одной базовой станции сотни, если не тысячи абонентов.

История показывает, что одобрение стандарта компетентными организациями не всегда приводит к принятию технологии целевым рынком. Для этого необходимо, чтобы продукты были сертифицированы на их соответствие стандарту, а затем протестированы на взаимодействие. Последнее означает, что конечный пользователь может купить устройство с необходимыми ему характеристиками у того производителя, который ему нравится, и быть уверенным, что оно совместимо с другими сертифицированными продуктами. IEEE подобной деятельностью не занимается, предоставляя ее индустрии. В случае семейства стандартов 802.11 такую роль играет Wi-Fi Alliance. Для группы стандартов 802.16 эти функции выполняет Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum, сокращенно WiMAX Forum. Поэтому часто по аналогии с тем, как WLAN 802.11 называют Wi-Fi, для сетей WMAN 802.16 используют название WiMAX. Рассмотрим несколько детальнее особенности этой технологии.


Физический уровень IEEE 802.16a

IEEE 802.16a, или Широкополосный беспроводной доступ для всехКак упоминалось выше, главным отличием поправки 802.16a к основной версии 802.16 является полоса частот 2--11 GHz, что позволяет в случаях неустойчивой связи на высоких частотах переходить на более низкие и осуществлять обмен данными без прямой видимости между антеннами абонента и базовой станции. Следовательно, стандарт 802.16a потребовал ряда изменений в протоколе физического уровня для решения этих задач. Последнее достигается посредством введения трех новых спецификаций. Это физический уровень с одной несущей (Single Carrier PHY); уровень со множеством несущих и мультиплексированием с разделением по ортогональным частотам и 256-точечным дискретным быстрым преобразованием Фурье (256 point FFT OFDM PHY); а также подобный предыдущему уровень, но с 2048-точечным БПП (2048 point FFT OFDM PHY).

На первом этапе WiMAX Forum определил, что тестирование взаимодействия и сертификация будут проводиться только для уровня 256 point FFT OFDM PHY, который является общим для 802.16a и спецификации ETSI HiperMAN. Что касается остальных, то эти процедуры станут осуществлять по мере запросов рынка.

Отметим, что из двух схем мультиплексирования -- CDMA (разделение по кодам) и OFDM -- отдали предпочтение последней, поскольку она поддерживает режим NLOS и при этом обеспечивает высокий уровень спектральной эффективности. В случае же CDMA полоса частот должна быть намного шире, чем требуется для определенной скорости передачи данных, чтобы снизить эффект интерференции до приемлемого уровня. Это крайне непрактично в случае широкополосного доступа. К примеру, пропускная способность 70 Mbps требовала бы полосы частот более 200 MHz. Из других преимуществ физического уровня 802.16a назовем богатые возможности управления характеристиками канала: гибкий выбор его ширины, адаптивные профили пакетной передачи, прямое исправление ошибок совместно со схемой кодирования Рида--Соломона (Reed--Solomon encoding), динамическое выделение частоты (Dynamic Frequency Selection -- DFS) с целью минимизации интерференции, пространственно-временное кодирование (Space-Time Coding -- STC) для улучшения приема в случае высокого замирания сигнала.

Из всех упомянутых особенностей, которые входят в перечень обязательных требований для базовых операций широкополосного беспроводного доступа, гибкий выбор ширины полосы канала наиболее существенен для обеспечения всеобщего признания стандарта. Это связано с тем, что подход к лицензированию радиочастотного спектра изменяется от страны к стране. Когда необходимый спектр частот нужно лицензировать, оператор должен платить за каждый мегагерц. К примеру, если уплачено за канал 14 MHz, то невыгодно иметь каналы по 6 MHz, поскольку теряется 2 MHz спектра. Более удобной является система, которая позволяет использовать каналы шириной 7 MHz, 3,5 MHz или даже 1,75 MHz.


Канальный уровень 802.16a

Любая беспроводная сеть оперирует в разделяемой среде и поэтому требует механизма для управления доступом. Стандарт 802.16a использует для этого множественный доступ с разделением по времени (Time Division Multiple Access -- TDMA). Он реализуется на базовых станциях, с тем чтобы распределять емкость канала среди абонентов в сетевой топологии точка--многоточка. При интеллектуальном планировании порядка распределения временных слотов системы WiMAX способны обеспечить не только высокоскоростную доставку данных с установленным уровнем сервиса (Service Level Agreement -- SLA), но также передачу чувствительного к задержкам трафика, к примеру голоса или видео. Среди прочих особенностей протокола МАС-уровня отметим ориентированность на установку соединения, автоматический запрос на повторную передачу (Automatic Retransmission Request -- ARQ), поддержку адаптивного механизма модуляции, шифрование по алгоритму Triple DES и автоматическое управление мощностью излучения, что позволяет снизить интерференционные эффекты.


WiMAX vs. Wi-Fi

Подчеркнем некоторые наиболее существенные различия между стандартами 802.16a и 802.11x. Прежде всего, у WiMAX более интеллектуальный физический уровень. Важной особенностью здесь является возможность выбора ширины полосы пропускания канала и повторное использование каналов как способ увеличить емкость соты по мере роста сети. Стандарт предусматривает выбор ширины канала с шагом от 1,75 MHz до 20 MHz со множеством промежуточных вариантов. Дополнительными инструментами физического уровня для повышения эффективности использования радиоспектра служат измерение качества канала и автоматическое управление мощностью сигнала. Операторы могут перераспределять спектр посредством увеличения количества секторов антенны по мере роста числа абонентов.

Устройства 802.11 требуют по крайней мере 20 MHz для каждого канала (22 MHz в диапазоне частот 2,4 GHz для 802.11b) и оперируют только в полосах частот 2,4 GHz и 5 GHz. Далее, механизм управления доступом к среде базируется на протоколе CSMA/CA, который так же плохо масштабируется, как и протокол CSMA/CD. Аналогично проводной сети Ethernet увеличение числа одновременно работающих пользователей влечет экспоненциальное уменьшение эффективной полосы пропускания. В отличие от этого МАС-уровень в стандарте 802.16a способен без уменьшения пропускной способности обслуживать сотни пользователей.

Если Wi-Fi разрабатывалась как технология для локальных сетей, то WiMAX предназначена для сетей масштаба города. Несмотря на то что 802.11a и 802.11g используют для мультиплексирования тот же метод OFDM, что и 802.16a, реализованы они по-разному. Это и не столь жесткие требования по ограничению мощности сигнала позволяет WiMAX достигать радиуса действия в несколько десятков километров при пропускной способности до 70 Mbps в одном радиочастотном канале.

Безусловно, эти две беспроводные технологии предназначены для совершенно разных сегментов рынка и являются дополнительными. Так что данное сравнение преследовало цель лишь более четко определить их отличия.