WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – уже достаточно популярный, активно развивающийся стандарт 802.16, базовые спецификации которого впервые были опубликованы IEEE в 2001 г. Это первый стандарт для построения беспроводных сетей масштаба города (Wireless MAN) с радиусом действия свыше 50 км и предоставления абонентам услуг широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access, BWA).

Технология WiMAX обеспечивает широкополосный доступ в тех случаях, когда цифровые линии DSL (Digital Subscriber Line) не могут использоваться по техническим или экономическим причинам. Она может применяться операторами голосовой и широкополосной связи для решения проблемы «последней мили», а также для мобильного доступа, дополняющего технологии GSM/Edge, Wi-Fi и 3G.

Доступные и планируемые частотные диапазоны для WiMAX

Своим названием, которое можно перевести как «всемирное взаимодействие сетей для беспроводного доступа в микроволновом диапазоне», технология обязана, во-первых, своей направленности на реализацию так называемой связи «последней мили» (отсюда «взаимодействие сетей»), а, во-вторых, тому, что изначально (в июне 2004 года, когда разрабатывался стандарт 802.16) планировалось использовать частотный диапазон от 10 до 66 ГГц (отсюда — «микроволновый диапазон»). Однако, впоследствии частотный диапазон был изменен на 2-11 ГГц (802.16d) и теперь частоты WiMAX перекрываются с частотами Wi-Fi (2,4 и 5,4 ГГц) и UWB, что, впрочем, не мешает им мирно сосуществовать в эфире, так как в каждой из этих технологий используются разные подходы к кодированию и передаче данных. Хотя, конечно, технология WiMAX во многом схожа с технологией Wi-Fi, впрочем, это объясняется тем, что подходов к увеличению пропускной способности при беспроводной передаче данных не так уж и много, так что у инженеров, продвигающих технический прогресс вперед, имеется достаточно ограниченный набор инструментов, из которых, тем не менее, удается каждый раз сделать что-то новое.

В то же время, WiMAX не должна будет стать прямым конкурентом Wi-Fi-сетей, скорее, эта технология претендует на роль сильного конкурента технологиям передачи данных в сетях мобильной связи. Мобильная связь сегодня уже достигла планетарных масштабов — по некоторым оценкам, покрытие сетей сотовой связи достигает 70% поверхности земной суши, а количество пользователей мобильной связи приближается к двум миллиардам абонентов, что соответствует примерно трети всего населения Земли.

WiMAX представляет собой целое семейство стандартов с шириной канала от 1,5 до 20 МГц. Согласно спецификациям IEEE 802.16d, принятым в июне 2004 года, предусмотрено три разных физических уровня (PHY): первый из них, 256-точечный FFT (FFT — Fast Fourier Transform, быстрое преобразование Фурье) OFDM, является обязательным. Также в семействе WiMAX представлены два необязательных стандарта: SC (Single-Carrier, одна несущая, что роднит этот стандарт с CDMA) и 2048 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA, к слову, представляет собой еще один, новый подход к мультиплексированию каналов связи и является развитием FDMA (Frequency Division Multiple Access), использовавшегося вместе с временным уплотнением (TDMA) в GSM.

Помимо мультиплексирования по ортогональным несущим (OFDM), в WiMAX заложена поддержка большего количества модуляционных схем — BPSK, QPSK, QAM16 и QAM64. В теоретическом случае максимального уровня сигнала, позволяющего использовать квадратурную модуляционную схему QAM64 и присутствия в системе только одного пользователя, которому будут предоставлены все 192 несущих шириной по 20 МГц каждая, пропускная способность связи такого пользователя с базовой станцией составит 75 Мбит/с. Однако, в реальности, конечно, так не бывает — в первую очередь, пользователю никогда не будет доступно такое количество свободных частотных диапазонов (192*20=3840 МГц). Наиболее распространенным на сегодняшний день является диапазон 3,5 ГГц (3,3-3,6 ГГц), максимальная пропускная способность в котором, как нетрудно подсчитать, достигает 5,86 Мбит/с.

Еще одним важным отличием WiMAX, является возможность осуществления связи между терминалами, не находящимися на линии видимости друг друга. Это достигается путем использования огибания и отражения сигнала от препятствий, а также ретрансляции данных, направленных одному терминалу, на несколько других терминалов, из которых один или несколько находятся на линии видимости с адресатом. В чем-то этот подход схож с mesh-сетями, однако, в случае с WiMAX есть ограничения в виде необходимости связи определенных терминалов (узлов доступа или маршрутизаторов) с глобальной сетью (WAN), в то время как mesh-сети, как предполагается, будут самодостаточны. Пока, впрочем, существующие mesh-технологии являются закрытыми, но есть надежда, что к 2008 году в IEEE появится первый стандарт mesh-сетей.

85% мирового рынка BWA-услуг составляют операторские сети, остальное – частные корпоративные (соотношение верно и для России, где большинство сетей являются публичными, хотя в стране и реализован ряд крупных проектов по строительству корпоративных сетей). Основная доля услуг приходится на диапазон 3,5 ГГц, где сосредоточено 40% всего установленного в мире оборудования, далее следует 5 ГГц: 5,2; 5,4; 5,6; 5,8. Развитие технологий WiMAX в России идет поступательно. На этом рынке работают, по данным аналитиков, около 160 региональных операторов беспроводных сетей.

Проблемы, встающие на пути WiMAX, – высокая цена абонентских устройств (около 1 тыс. долл.), сложность подключения, недостаток радиочастотного ресурса, а также – чисто российская проблема! – сложность регулирования использования радиочастотного спектра.

Фиксированный и мобильный вариант WiMAX

Набор преимуществ присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного применения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не удалось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами). Каждая из спецификаций WiMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. А потому WiMAX-системы, основанные на версиях стандарта IEEE 802.16 e и d, практически несовместимы. Краткие характеристики каждой из версий приведены ниже.

• 802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX). Спецификация утверждена в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.
• 802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX). Спецификация утверждена в 2005 году. Это — новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3; 2,5; 3,4–3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, а недавно оператор Sprint анонсировал старт проекта национального масштаба. Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения (например, EV-DO, HSXPA).

Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

Более подробное сравнение фиксированного и мобильного WiMAX можно прочесть здесь.

Широкополосный доступ

Многие телекоммуникационные компании делают большие ставки на использование WiMAX для предоставления услуг высокоскоростной связи. И тому есть несколько причин.

Во-первых, технологии семейства 802.16 позволят экономически более эффективно (по сравнению с проводными технологиями) не только предоставлять доступ в сеть новым клиентам, но и расширять спектр услуг и охватывать новые труднодоступные территории.

Во-вторых, беспроводные технологии многим более просты в использовании, чем традиционные проводные каналы. WiMAX и Wi-Fi сети просты в развёртывании и по мере необходимости легко масштабируемы. Этот фактор оказывается очень полезным, когда необходимо развернуть большую сеть в кратчайшие сроки. К примеру, WiMAX был использован для того чтобы предоставить доступ в Сеть выжившим после цунами, произошедшего в декабре 2004 года в Индонезии (Aceh). Вся коммуникационная инфраструктура области была выведена из строя и требовалось оперативное восстановление услуг связи для всего региона.

В сумме все эти преимущества позволят снизить цены на предоставление услуг высокоскоростного доступа в Интернет как для бизнес структур, так и для частных лиц.

Пользовательское оборудование

Оборудование для использования сетей WiMAX поставляется несколькими производителями и может быть установлено как в помещении (устройства размером с обычный DSL модем), так и вне него (устройства размером с ноутбук). Следует заметить что оборудование, рассчитанное на размещение внутри помещений и не требующее профессиональных навыков при установке, конечно, более удобно, однако способно работать на значительно меньших расстояниях от базовой станции, чем профессионально установленные внешние устройства. Поэтому оборудование, установленное внутри помещений требует намного больших инвестиций в развитие инфраструктуры сети, так как подразумевает использование намного большего числа точек доступа.

С изобретением мобильного WiMAX все больший акцент делается на разработке мобильных устройств. В том числе специальных телефонных трубок (похожи на обычный мобильный смартфон), и компьютерной периферии (USB радио модулей и PC card).

Принцип работы

Основные понятия

В общем виде WiMAX сети состоят из следующих основных частей — базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом.

Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приемником.

Как уже говорилось выше, WiMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям.

Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГЦ, скорость обмена данными может достигать 120 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надежность сети в целом.

Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 схожа с традиционными GSM сетями (базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки — допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями).

Режимы работы

MAC / канальный уровень

В Wi-Fi сетях все пользовательские станции, которые хотят передать информацию через точку доступа (АР), соревнуются за «внимание» последней. Такой подход может вызвать ситуацию при которой связь для более удалённых станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Подобное положение вещей делает затруднительным использование таких сервисов как Voice over IP (VoIP), которые очень сильно зависят от непрерывного соединения.

Что же касается сетей 802.16, в них MAC использует алгоритм планирования. Любой пользовательской станции стоит лишь подключиться к точке доступа, для нее будет создан выделенный слот на точке доступа, и другие пользователи уже не смогут повлиять на это

Архитектура

WiMAX Forum разработал архитектуру, которая определяет множество аспектов работы WiMAX сетей: взаимодействия с другими сетями, распределение сетевых адресов, аутентификация и многое другое. Приведённая иллюстрация даёт нам некоторое представление об архитектуре сетей WiMAX.

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

Следует заметить, что архитектура сетей WiMax не привязана к какой-либо определённой конфигурации, обладает высокой гибкостью и масштабируемостью.

Сопоставления WiMAX и Wi-Fi далеко не редкость, возможно, потому, что звучание терминов созвучно, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и используются для подключения к интернету (каналу обмена данными). Но несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно различных задач.

Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи

• WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению)
• Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая сотни метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.
• WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Из-за дешевизны и простоты установки, Wi-Fi часто используется для предоставления клиентам быстрого доступа в Интернет различными организациями. Например, в большинстве кафе, отелей, вокзалов и аэропортов можно обнаружить бесплатную точку доступа Wi-Fi.

Прогноз развития

По мнению экспертов, технологии Wi-Fi, WiMAX и 3G будут не конкурировать друг с другом, а сосуществовать, благодаря чему станут возможными многие новые приложения и бизнес-модели.

Технология WiMAX позволяет обеспечить широкополосную связь на больших расстояниях для компаний малого бизнеса и домашних пользователей, а также для требовательных сотовых и корпоративных мобильных приложений. Системы Wi-Fi по-прежнему останутся средствами связи для предприятий и домов. Иначе говоря, технология WiMAX соединит сети Wi-Fi с Интернетом.

С другой стороны, технология WiMAX ориентирована преимущественно на устройства, передающие большие объемы данных, например, ноутбуки, пользователи которых часто работают с графической и мультимедийной информацией. В решениях стандарта 802.16e технология WiMAX реализует возможность роуминга между областями обслуживания, но она не предназначена для использования в устройствах, отличающихся очень высокой мобильностью. В то же время технология 3G разработана для обеспечения максимальной мобильности и ориентирована на устройства, основной функцией которых является передача голоса, а обработка и передача данных относятся к дополнительным возможностям. Например, технология 3G прекрасно подходит для телефонов, обеспечивающих или поддерживающих ПО управления контактами. Мобильному компьютеру, используемому для замены настольного ПК или работы с мультимедийными данными, больше соответствует технология WiMAX, обеспечивающая высокоскоростной широкополосный беспроводной доступ в Интернет.

WiMAX является прекрасным расширением Wi-Fi: эта технология может предоставлять широкополосный доступ в дома конечных пользователей, но способна также выполнять роль магистральных каналов для Wi-Fi. Одно не отменяет другого: в доме может находиться беспроводная сеть Wi-Fi, а выход в Интернет жители дома получат через WiMAX. Заменой сотовых сетей 3G WiMAX не станет, потому что сети мобильной связи ориентированы на передачу голоса, а Wi-Fi и WiMAX – на передачу данных. Все эти технологии будут сосуществовать, предоставляя широкий выбор услуг корпоративным и индивидуальным пользователям.

WiMAX в России

Первая в России сеть pre WiMAX, ставшая крупнейшей в Европе, была запущена компанией «Ойл-Телеком» для сотрудников «Удмуртнефти» (подразделение ТНК-BP). Беспроводная сеть построена с применением оборудования производства компании Airspan. Всего было установлено 8 базовых станций, использующих прямоугловые секторные антенны. На каждой базовой станции находится от 1 до 4 антенн, работающих в диапазоне 3,4–3,8 ГГц. Базовые станции сети установлены в крупнейших городах республики – Воткинске, Игре, Ижевске, Сарапуле, а также на одном из крупнейших месторождений компании – Киенгопское. Расстояние составляет 35–40 км. Между собой они соединены цифровыми радиорелейными линиями пропускной способностью 155 Мбит/с.