Wi-MAX технологиясы

Следующим шагом  эволюции систем 3GPP, являются системы  Long Term Evolution (LTE). Их отличает технология OFDMA в нисходящем канале и SC-FDMA – в восходящем. Модуляция – до 64-QAM, ширина канала – до 20 МГц, дуплексирование TDD и FDD. Применены адаптивные антенные системы, гибкая сеть доступа. Сетевая архитектура полностью IP – сеть. В системе LTE применяются технологии и методы, уже применяемые в мобильном WiMAX, поэтому следует ожидать схожей эффективности систем LTE (таблица 1-2 и 1-3).

Таблица 3. Сравнение  параметров реальных систем LTE и мольного WiMAX (релиз 1.5) в одинаковых частотных условиях при FDD с полосами 2х20 МГц

Параметры	LTE			WiMAX Релиз 1.5
	Motorolla	T-Mobile	Qualcomm
Нисходящий канал
Антенна БС	2х2	2х4	4х2	2х2	4х4
Модуляция и скорость кодирования	64 QAM 5/6	64 QAM 5/6	64 QAM 5/6	64 QAM 5/6
Скорость Мбит/с	226	144	277	144,6	289
Восходящий канал	Нет данных
Антенна АС		1х2	1х2	1х2
Модуляция и скорость кодирования		64 QAM 5/6	64 QAM 5/6	64 QAM 5/6
Скорость Мбит/с		50,4	75	69,1

Системы LTE – это  революционное улучшение 3G. LTE представляет переход от систем CDMA к системам OFDMA, а также переход к полностью IP – системе к коммуникацией пакетов. Поэтому внедрение этой технологии на существующих сетях сотовой связи означает необходимость новых радиочастотных ресурсов для получения преимущества от широкого канала. Для обеспечения обратной совместимости необходимы двухрежимные абонентские устройства. Поэтому плавный переход от систем 3G к LTE весьма сложен.

Таблица 4. Сравнение  ключевых параметров LTE и WiMAX

Параметры	LTE	WiMAX Релиз 1.5
1	2	3
Дуплексирование	FDD и TDD	FDD и TDD
Частотный диапазон для анализа	2000 МГц	2500МГц
Ширина канала	До 20 МГц	До 20 МГц
От базы	OFDMA	OFDMA
Кбазе	SC-FDMA	OFDMA
Спектральная эффективность, бит/Гц/с
Нисходящий канал, MIMO (2х2)	1,57	1,59
Восходящий канал, SIMO (1х2)	0,64	0,99
Максимальная скорость мобильной  станции км/ч	350	120
Длительность кадра, мс	1	5
Антенные системы
Нисходящий канал	2х2, 2х4, 4х2, 4х4	2х2, 2х4, 4х2, 4х4
Нисходящий канал	1х2, 1х4, 2х2, 2х4	1х2, 1х4, 2х2, 2х4

Рисунок 1 – Сравнение  средней спектральной эффективности.

 

Отметим, что преимущество в спектральной эффективности означает выигрыш в стоимости развертывания  сети (в том числе в удельной стоимости по отношению к пропускной способности сети). Кроме того, возрастает канальная емкость, что позволяет  операторам вводить дополнительные сервисы. Мобильный WiMAX представляет гладкую IP-сеть, сеть LTE более сложна (рисунок 2).

Рисунок 2 - Сравнение  системных архитектур сетей WiMAX и LTE

Если сеть WiMAX основывается полностью на IP-протоколах IEEE, то сеть LTE более сложна, включает больше протоколов, в том числе проприетарные протоколы 3G. Немаловажно, что интеллектуальная собственность в области технологий WiMAX, соответствующие патенты распределены среди многих компаний, создан открытый патентный альянс, что позволяет снижать цены абонентских устройств.

Выводы сравнения  WiMAX и LTE:

- WiMAX, и LTE отвечают целям IMT-Advanced;

- спецификации IMT-Advancedеще не полностью определены;

- стандарт IEEE802.16m будет  полностью отражать спецификации  и требования IMT-Advanced;

- мобильный WiMAX релиз 1.5 и LTE имеют похожие характеристики. В обоих на линии от базы используется OFDMAс многоуровневой модуляцией и кодированием. Пиковые скорости практически одинаковы при одинаковых кратностях модуляции и скоростях корректирующего кода. В обоих используется и FDD, и TDD дуплексированиепри ширине канала до 20 МГц. В обоих используется MIMO большой кратности и уменьшение задержки;

- мобильный WiMAX имеет двухлетний выигрыш по времени выхода на рынок и гладкую e2e IP архитектуру сети;

- пропускная способность  и спектральная эффективность  мобильного WiMAX по релизу 2.0 имеет лучшие параметры, чем LTE;

- мобильный WiMAX релиз 2.0 совместим с релизами 1.0 и 1.5;

- инвестиции для  преобразования сетей из 2G/3Gв  LTEи в мобильный WiMAXпримерно одинаковы;

- и для сетей  LTE, и для сетей WiMAX необходим новый спектр;

- для обоих сетей нужны многорежимные абонентские приборы;

1.3 Сравнение ключевых  технологий WiMAX и Wi-Fi.

Сравнения и путаница между WiMAX и Wi-Fi являются частыми, поскольку оба они связаны с беспроводной связью и доступом в Интернет.

WiMAX использует спектр, чтобы доставить "точка-точка подключения к Интернету. Различные 802,16 стандарты предусматривают различные виды доступа с портативных коммутаторов (по аналогии с беспроводным телефоном) для фиксированного (альтернатива проводного доступа, где беспроводные точки подключения конечных пользователей зафиксирована в регионе.)

Wi-Fi использует нелицензионное спектр для предоставления доступа к сети. Wi-Fi более популярна в устройствах конечных пользователей.

WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно различные качества обслуживания (QoS) механизмов. WiMAX использует механизм, основанный на связи между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на конкретных алгоритмов планирования. Wi-Fi имеет механизм QoS аналогичные фиксированной Ethernet, где пакеты могут получать различные приоритеты на основе их тегов.

Wi-Fi работает на Media Access Control 'S CSMA / CA протокол, который не гарантирует доставку и утверждения основаны, в то время как WiMAX работает ориентированный на соединение ПДК.

Стандарт 802,16 распространяется через широкую полосу в спектре  РФ и WiMAX может функционировать на любых частотах ниже 66 ГГц, (более высоких частотах, привело бы к уменьшению диапазона действия базовой станции до нескольких сот метров в городской среде).

WiMAX профили определения размера канала, TDD / FDD и другими необходимыми атрибутами для того, чтобы иметь Inter-операционных продуктов. Нынешний фиксированный профили определяются как для FDD и TDD профилей. На данный момент, все мобильные профиль TDD только. Профили имеют фиксированные размеры канала 3,5 МГц, 5 МГц, 7 МГц и 10 МГц. Мобильные профили 5 МГц, 8,75 МГц и 10 МГц. (Примечание: 802,16 стандарт позволяет гораздо более широкий круг каналов, но только выше подмножества поддерживаются профили WiMAX.)

Ожидается, что WiMAX сможет обеспечить высокоскоростной беспроводной доступ проще и дешевле, чем существующие технологии сотовой связи. Эта технология также имеет возможности масштабирования, благодаря которым можно организовать недорогой широкополосный доступ по всей Индии. Беспроводная инфраструктура WiMAX может расширяться, чтобы обеспечить поддержку карманных и мобильных устройств, которые появятся в будущем. Это дает дополнительные преимущества для стран с развивающейся экономикой, подобным Индии, которые пока не имеют развитой широкополосной инфраструктуры.

Благодаря тому, что  технология WiMAX основана на стандартах, она допускает положительный эффект масштаба, который сможет уменьшить стоимость широкополосного доступа, обеспечить возможность взаимодействия и упростить реализацию. В случае отсутствия стандартов производители специализированного оборудования предлагают полный комплекс аппаратных и программных компонентов, и из-за ограничительного лицензирования увеличиваются расходы. Поставщикам услуг выгоднее работать со стандартной продукцией, т.к. совместимость различных устройств и большие объемы выпуска позволяют сократить стоимость оборудования.

 

2. ШИРОРОКОПОЛОСНЫЙ  МОБИЛЬНЫЙ ДОСТУП ПОД УПРАВЛЕНИЕМ  СТАНДАРТА IEEE 802.16

2.1 Стандарт 802.16: стек  протоколов.

Набор протоколов, используемый стандартом 802.16, показан  на рисунке 3. Общая структура подобна  другим стандартам серии 802, но больше Подуровней. Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Используется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами модуляции  сигнала. Над физическим уровнем  находится подуровень сведения (с  ударением на второй слог), скрывающий от уровня передачи данных различия технологий.

Уровень передачи данных состоит из трех подуровней. Нижний из них относится к защите информации, в которых передача Данных осуществляется в эфире, физически никак не защищенном от прослушивания. На этом подуровне производится цифрация, дешифрация данных, а также управления ключами доступа.

Рисунок 3 - Стандарт 802.16: стек протоколов.

Затем следует общая  часть подуровня МАС. Именно на этом уровне иерархии располагаются основные протоколы - в частности, протоколы  управления каналом. Здесь станция  контролируют всю систему. Она очень  эффективно распределяет очередность  передачи входящего трафика абонентам, немалую роль играет и в управлении исходящим трафиком (от абонента к  базовой станции). От всех остальных  стандартов 802.x МАС подуровень стандарта 802.16 отличается тем, что он полностью  ориентирован на установку соединения. Таким образом, можно гарантировать определенное качество обслуживания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа.

2.2 Стандарт 802.16: физический  уровень

Широкополосным  беспроводным сетям необходим широкий  частотный спектр, который можно  найти только в диапазоне от 10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают одним интересным свойством, которое  отсутствует у более длинных  микроволн: они распространяются не во всех направлениях (как звук), а  по прямым линиям (как свет). Следовательно, на базовой станции должно быть установлено  множество антенн, покрывающих различные  секторы окружающей территории, как  показано на рисунок 4. В каждом секторе  будут свои пользователи. Секторы  не зависят друг от друга, чего не скажешь  о сотовой радиосвязи, в которой  сигналы распространяются сразу  по всем направлениям.

Рисунок 4 - Оперативная  среда передачи данных сетей 802.16.

Поскольку мощность сигнала передаваемых миллиметровых  волн сильно уменьшается с увеличением  расстояния от передатчика (то есть базовой  станции), то и соотношение сигнал/шум  также понижается. По этой причине 802.16 использует три различных схемы  модуляции в зависимости от удаления абонентской станции. Если абонент  расположен недалеко от БС, то применяется  ЦАМ-64 с шестью битами на отсчет. На среднем удалении используется ОДМ-16 и 4 бита/бод. Если абонент расположен далеко, то работает схема ЦР5К с Двумя битами на отсчет. Например, при типичной полосе спектра 25 МГц ОДМ-64 дает скорость 150 Мбит/с, СЭАМ-16 - 100 Мбит/с, а СФ5К - 50 Мбит/с. Таким образом чем дальше находится абонент от базовой станции, тем ниже скорость передачи данных. Фазовые диаграммы всех трех методов были показаны на риске 5.

Рисунок 5 - Фазовые  диаграммы применяемых методов.

Стандарт 802.16 обеспечивает гибкость распределения полосы пропускания. Применяются две схемы модуляции: FDD (дуплексная связь с частотным  разделением) и ТDD (дуплексная связь с временным разделением). Последний метод показан на рисунок 6. Базовая станция периодически передает кадры, разделенные Иа временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится под входящий трафик. Затем следует защитный интервал (разделитель), позволяющий станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним - интервалы исходящего трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет подстроить пропускную способность под трафик каждого из направлений.

Рисунок 6 - Дуплексная связь с временным разделением: кадры и временные интервалы

Входящий трафик разбивается на временные интервалы  базовой станцией. Она полностью  контролирует это направление передачи. Исходящий трафик от абонентов управляется  более сложным образом и зависит  от требуемого качества обслуживания. Мы еще вернемся к распределению  временных интервалов, когда будем  обсуждать подуровень МАС.

Еще одним интересным свойством физического уровня является его способность упаковывать  несколько соседних кадров МАС в  одну физическую передачу. Это дает возможность повысить эффективность  распределения спектра путем  уменьшения числа различных преамбул и заголовков, столь любимых физическим уровнем.

Для непосредственного  исправления ошибок на физическом уровне используется код Хэмминга. Все сетевые  технологии просто полагаются на контрольные  суммы и обнаруживают ошибки с  их помощью, запрашивая повторную передачу испорченных фрагментов. Но при широкополосной беспроводной связи на больших расстояниях возникает много ошибок, что их обработкой приходится заниматься физическому уровню, хотя на более высоких уровнях и применяется метод контрольных сумм. Основная задача коррекции ошибок на физическом уровне состоит в том, чтобы заставить канал выглядеть лучше, чем он есть на самом деле (точно так же компакт-диски кажутся столь надежными носителями только лишь благодаря тому, что больше половины суммарного числа бит отводится под исправление ошибок на физическом уровне).

2.3 Стандарт 802.16 протокол  подуровня МАС

Уровень передачи данных разделен на три подуровня, как показано на рисунке 7.

Кадры МАС всегда занимают целое число временных  интервалов физического уровня. Каждый кадр разбит на части, первые две из которых содержат карту распределения  интервалов между входящим и исходящим  трафиком. Там находится информация о том, что передается в каждом такте, а также о том, какие  такты свободны. Карта распределения  входящего потока содержит также  разнообразные системные параметры, которые важны для станций, только что подключившихся к эфиру.

Канал входящего  трафика состоит из базовая станция, которая определяет, что разместить в каждой части кадра. Исходящий канал имеет конкурирующие между собой станции, желающие получить доступ к нему. Его распределение тесно связано с вопросом качества обслуживания. Определены четыре класса сервисов:

1. Сервис с постоянной  битовой скоростью;

2. Сервис реального  времени с переменной битовой  скоростью;

3. Сервис, работающий  не в реальном масштабе времени,  с переменной битовой скоростью;