Проектирование беспроводных систем

Для работы в режиме АМС-AAS кадры могут объединяться в суперкадр длительностью не менее 20 обычных кадров. В суперкадр входит по крайней мере один широковещательный кадр, содержащий дескрипторы и карты DL/UL-каналов. Смысл такого объединения – обеспечить минимум управляющих сообщений для группы кадров.

Перечисленные методы работы с AAS используют так называемый механизм Diversity-Map Scan – сканирование (абонентскими станциями) разнесенных карт распределения канальных ресурсов. В режиме OFDMA предусмотрен и другой способ работы с AAS – метод прямой сигнализации (Direct Signaling Method).

Метод Direct Signaling использует механизм последовательного распределения несущих AMС. Его особенность – в каждом кадре в AAS-зоне выделяется от одного до четырех каналов доступа /распределения ресурсов (BWAA – bandwidth allocation/access). Каждый BWAA-канал состоит из двух субканалов, расположенных в верхней и нижней частях диапазона симметрично относительно центральной частоты (если BWAA-канал один, то он включает самый верхний и самый нижний подканалы). В этом канале передаются префикс нисходящего субкадра (для режима Direct Signaling Method), карты UL-MAP и DL-MAP для каждой из пространственно разделенных АС или групп АС. Благодаря точной пространственной настройке AAS данный метод позволяет в одном кадре передавать сообщения множеству пользователей.

В методе прямой сигнализации предусмотрены  четыре специальных кодовых сообщения  – обучения обратного соединения RLT (reverse link training), доступа в обратном соединении RLA (reverse link access), обучения прямого соединения FLT (forward link training) и инициирования прямого соединения FLI (forward link initiation). Первые два сообщения использует АС, вторые два – БС. Для начальной инициализации или запроса полосы АС посылает сообщение RLA в канале BWAA. Оно предшествует сообщениям запроса полосы или начального доступа и используется БС для точной настройки своей антенной системы на данную АС. В ответ БС передает сообщение FLI – уникальный код для каждой АС (БС может сама инициировать соединение, послав FLI). FLI транслируется в подканале, выделенном для данной АС. Каждая абонентская станция сканирует все подканалы и, обнаружив по кодовой последовательности адресованное ей сообщение начальной инициализации, отправляет в ответ в том же самом канале (в отведенном для нее временном интервале) последовательность RLT, предназначенную для точной настройки антенн БС на АС в данном подканале. В результате, выполнив все необходимые подстройки, БС и АС устанавливают соединение, в течение которого происходит обмен данными. Причем пакетам данных предшествуют тренировочные последовательности FLT (со стороны БС) и RLT (со стороны АС).

4.   Услуги и архитектура сетей Mobile WiMAX

4.1 Услуги сетей технологии Mobile WiMAX.

Сети WiMAX предназначены для предоставления сервисов как неподвижным, так и  подвижным пользователям. WiMAX поддерживает следующие виды мобильности:

1) фиксированный (fixed). В этом случае с оператором согласовывается положение пользователя, в котором он получает обслуживание, н-р, конкретная сота. Для этого хорошо подходят пользовательские терминалы с закрепленной снаружи здания антенной, направленной на базовую станцию.

2) блуждающий (nomadic), т.е. с изменяемым местоположением. Пользователь имеет возможность подключиться к сети оператора из любого места, где оператор предоставляет покрытие. В течение одной сессии пользователь должен быть неподвижен.

3) передвижной (portable). Пользователь имеет возможность передвигаться со скоростью до 5 км/ч без потери установленной сессии, в том числе (опциональная возможность сети) переходить из одной соты в другую (handover). Во время handover допускаются перерывы в передаче данных (вплоть до значения, максимального для обслуживания текущей TCP/IP сессии), до 2 с. Допускаются потери данных во время handover, заданное качество обслуживания, QoS, восстанавливается только после завершения handover.

4) ограниченная мобильность (simple mobility). Пользователь может передвигаться, в том числе переходить из соты в соту, со скоростью до 60 км/ч без ухудшения качества обслуживания, и до 120 км/ч с допускаемым постепенным ухудшением качества обслуживания. Для приложений нереального (non-real time) времени (работа с e-mail, c Интернет, просмотр видео с буферизацией данных, передача файлов по FTP, IPsec/VPN) качество обслуживания гарантируется. Время handover не должно превышать 1 с при переключении между IP подсетями и 150 мс в пределах одной подсети, время прерывания передачи данных не превышает 150 мс. Обязательна поддержка ждущего (idle), спящего (sleeping) режимов работы пользовательских терминалов, а также вызовов пользователя (paging), см. соответствующие разделы.

5) полная мобильность (full mobility). Пользователь может передвигаться, в том числе переходить из соты в соту, со скоростью до 120 км/ч без ухудшения качества обслуживания. Гарантируется качество обслуживания для приложений реального времени (VoIP, видео-телефония, просмотр видео без буферизации) и нереального времени (см. ограниченная мобильность). Время handover не превышает 50 мс, время прерывания передачи данных не более 5 мс (или не более длительности одного кадра).

4.2 Принципы построения  сетей WiMAX

Существуют следующие принципы построения сетей WiMAX (Release 1 version 4):

1) WiMAX основан на стандарте 802.16;

2) архитектура сети WIMAX включает  в себя 2 глобальные части: ASN - подсеть  доступа, CSN - подсеть, обеспечивающая  подключение к сетям IP, см. далее.  Поддержка стандарта 802.16 полностью  реализована в ASN. Обычно подсетью CSN владеет провайдер IP услуг, NSP - Network Server Provider, подсетью ASN - провайдер радиодоступа, NAP - Network Access Provider. NSP и NAP могут являться одним провайдером;

3) одна подсеть доступа, ASN, может  использоваться несколькими провайдерами  услуг (NSP), т.е. к одному ASN могут  быть подключены несколько CSN, а также один провайдер IP услуг, NSP, может использовать несколько разных подсетей доступа, т.е. к одному CSN может быть подключено несколько ASN;

4) в архитектуре определены стандартные  интерфейсы (опорные точки, Reference Points), см. далее, в частности между MS, ASN, CSN для обеспечения работоспособности при использовании оборудования разных производителей;

5) сеть должна подерживать мобильную телефонию на основе VoIP, мультимедийные услуги, а также обязательные функции, определяемые регулятором, такие как экстренный вызов, легальное прослушивание и т.д.;

6) сеть должна предоставлять  пользователю услуги в соответствие  с согласованным уровнем сервиса  (SLA), поддерживать, если требуется,  одновременно несколько голосовых  сессий для одного пользователя, одновременную передачу голоса  и данных, приоритезацию экстренных вызовов;

7) сеть должна быть способна  взаимодействовать с шлюзами, обеспечивающими существующие услуги, основанные на IP: SMS over IP, MMS, WAP и другие;

8) сеть должна поддерживать широковещательные  (broadcast) и многоабонентские (multicast) услуги;

9) сеть должна поддерживать взаимную  аутентификацию MS и сети, как определено  в стандарте 802.16;

10) сеть должна поддерживать  аутентификацию пользователя с  помощью логина/пароля, SIM, USIM, RUIM;

11) сеть должна поддерживать  конфиденциальность (confidentiality) и целостность (integrity) передаваемых данных с помощью функций, реализованных в ASN;

12) сеть должна поддерживать  установление/удаление VPN (Virtual Private Network), инициированное MS

13) сеть не должна препятствовать  переключению (handover) мультистандартной MS на сеть другой технологии — Wi-Fi, 3GPP, 3GPP2, DSL;

14) сеть должна поддерживать  мобильность IPv4 или IPv6;

15) сеть не должна препятствовать  роумингу между провайдерами  услуг (NSP). Сеть должна позволять  провайдеру доступа (NAP) обслуживать  MS, использующие различные доменные  имена, (обслуживаемые разными провайдерами  услуг) ;

16) сеть должна поддерживать  бесшовный handover при скоростях движения транспорта;

17) сеть должна поддерживать  разные уровни качества обслуживания  QoS;

18) сеть должна поддерживать  взаимодействие с другими беспроводными  (3GPP, 3GPP2) или проводными (DSL) сетями. Интерфейс, используемый для такого взаимодействия, должен быть основан на протоколах IETF и IEEE;

19) сеть должна поддерживать  роуминг с другими операторами  WiMAX;

20) сеть должна поддерживать  изменение параметров и обновление  ПО абонентских устройств через  радиоинтерфейс Over-the-Air (OTA) ;

21) архитектура сети должна обеспечивать  взаимную работоспособность устройств  разных производителей; 

внутри ASN (BS и транспортной сетью), между разными ASN, а также разными  элементами ASN и CSN;

22) архитектура сети должна поддерживать  следующие виды CS (из перечня CS, определенного в 802.16).

Укрупненно WiMAX сеть состоит из следующих логических объектов:

1) SS (Subscriber Station) ;

2) ASN (Access Service Network) ;

3) CSN (Connectivity Service Network) . 

Каждый объект может быть реализован в одном физическом модуле (н-р, SS) или в нескольких (ASN, CSN).

Несколько CSN могут быть подключены к одному ASN, и наоборот; несколько ASN могут быть подключены к одному CSN. ASN и CSN могут принадлежать одному оператору или разным:

Архитектура сети, согласно WiMAX, показана на рисунке 4.1

Рисунок 4.1 - Архитектура сети WiMAX

Рисунок 4.2 – Компоненты архитектура сети WiMAX

Оператор  может владеть WiMAX сетью полностью  или частично. Оператор, предоставляющий  радио-доступ, называется NAP — Network Access Provider. Ему может принадлежать один или несколько ASN. Оператор, предоставляющий сервисы сети (доступ в Интернет, передачу голоса, доступ к определенному контенту) называется NSP — Network Service Provider, ему могут принадлежать один или несколько CSN.

Более подробно архитектура сети показана на рисунке 4.2

Рисунок 4.3 - Элементы сети WiMAX

User terminal или Mobile Station, MS, или Subscriber Station, SS - устройство, обеспечивающее соединение между оборудованием пользователя (н-р, компьютером) и сетью. MS может представлять собой CPE, Customer Premises Equipment, обеспечивающее подключение к сети нескольких компьютеров.

Base Station, BS, базовая станция - логический элемент сети, выполняющий обработку физического и МАС уровней по стандарту 802.16. BS представляет один сектор с одной частотой. BS может подключаться к нескольким ASN GW для обеспечения резервирования и/или балансировки нагрузки. Одно физическое изделие может включать в себя несколько BS (логических объектов).

ASN-GW, шлюз радиоподсети - логический элемент сети, выполняющий агрегирование (объединение) сигнальных функций, а также, если необходимо, маршрутизацию потоков данных пользователей. ASN-GW может быть связан с другими ASN-GW для обеспечения резервирования и балансировки нагрузки.

AAA server, Authentication, Authorisation, Accounting, - устройство (сервер), выполняющий процедуры: 

- аутентификации пользователя, т.е.  проверки его подлинности и  возможности доступа в сеть 

- авторизации - выделение ему  ресурсов сети в соответствии  с услугами, на которые он подписан  

- аккаунта - подсчет потребленных пользователем ресурсов (кол-во времени или размер переданных данных) для формирования счета за пользование сетью.

MIP HA - Mobile IP Home Agent. Применяется для поддержки мобильности, заанкерной в CSN, см. гл. «Обеспечение мобильности». Он же обычно является edge-роутером - роутером-шлюзом, расположенном на границе WiMAX сети и внешних сетей.

IMS, Content services, Billing Support System (BSS), Operator Support System (OSS) - стандартные системы, не являющиеся специфичными для WiMAX, предоставляют вспомогательные функции оператору. 

Роуминг - это возможность предоставления абоненту сервисов при его нахождении в чужой сети (в visited network). Абонент может пользоваться теми услугами, которые определены соглашением между домашней (home network) и чужой сетью. Основным достоинством роуминга является бОльшая зона предоставления услуг при наличии единого счета на оплату.

Основные характеристики SI3000 Light ASN:

- Инфраструктура с наименьшими  затратами, базирующаяся на коммерческих маршрутизаторах;

- доступны услуги мобильной связи;

- доступны услуги стационарной связи;

- совместимость с будущими решениямислужит гарантией защиты инвестиций;

- взаимодействие SI3000 ASN-GW;

4.3 Решения WiMAX с усовершенствованными функциями  и рабочими характеристиками.

Рисунок 4.4 – Архитектура сети WiMAX с усовершенствованными функциями

Эффективные решения WiMAX с усовершенствованными функциями и рабочими характеристиками

Для достижения более высокого энергетического  потенциала линий связи (link budget), уменьшения затухания сигналов и лучшего покрытия микро-спотов (micro-spot), могут быть использованы различные технологии разнесения.

Примечание: Iskratel поддерживает обе технологии: STC/MRC в настоящее время и MIMO с ее платформами 16e. Прибыльная бизнес-модель WiMAX с более высоким покрытием пользователей, удовлетворенностью пользователей и улучшающая энергетические потенциалы линий связи (link budget) WiMAX может быть достигнута при использовании передовых антенных технологий (MIMO и AAS): MIMO A/B & STC: Эффект MIMO A/B заключается в ее способности переключаться между MIMO A и MIMO B.

Вариант MIMO A с одной принимающей  антенной известен также как режим STC (Space Time Coding – прием с пространственно-временным кодированием) и особенно пригоден в условиях NLOS.

ААS - адаптивные антенные системы: в AAS используется несколько антенн для динамического формирования направленного луча. Этот луч контролируется базовой станцией (BS) для направления его к абонентской станции (SS), с которой она (BS) осуществляет коммуникацию. Системы AAS особенно годятся для использования в сценариях

с ограниченными интерференциями  и могут обеспечить значительные выгоды в среде с прямой видимостью (LOS). Системы Iskratel по умолчанию поддерживают MIMO A/B & STC, а системы AAS будут добавляться там, где это будет технически и коммерчески выгодно.

Решением SI3000 Light ASN предусматривается простой сетевой дизайн и использование «commodity» элементов (т.е. однородных элементов, элементов массовой продукции с одинаковыми свойствами) для установления мобильных соединений на сети провайдера услуг. Результатом этого является наличие механизма хэндовера и продолжения IP-сеанса, обеспечивающего хэндовер не в реальном масштабе времени для фиксированной WiMAX сети и хэндовер операторского класса для мобильной WiMAX сети. Решение SI3000 Light ASN поддерживает также стандартные сетевые элементы, находящиеся за пределами ASN. Помимо этого, возможна миграция типа SI3000 ASN – GW Mobile WiMAX. Когда рынок и технология пересекутся, вы уже будете готовы предложить полную поддержку роуминга и взаимодействия с широким диапазоном приложений CSN.