WiMAX - стандарт беспроводной связи для широкополосной связи на большие расстояния

WiMAX от англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access Стандарт IEEE 802.16 - стандарт беспроводной связи, обеспечивающий широкополосную связь на значительные расстояния со скоростью, сравнимой с кабельными соединениями.

Название «WiMAX» было создано WiMAX Forum - организацией, которая основана в июне 2001 года с целью продвижения и развития WiMAX. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативной выделенным линиям и DSL».

 

Схема организации сетей WiMAX

Область применения

WiMAX подходит для решения следующих задач:

  • Соединение точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.
  • Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.
  • Предоставление высокоскоростных сервисов передачи данных (до 3 Мб/с) и телекоммуникационных услуг.
  • Создание точек доступа, не привязаны к географическому положению.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi сети. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL-и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать высокоскоростные сети в масштабах целых городов.

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 или 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 около 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурентную 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, «idle mode» 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 / час. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В отдельных случаях мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

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 позволяют 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 развертывании и по мере необходимости легко масштабируются. Этот фактор оказывается очень полезным, когда необходимо развернуть большую сеть в кратчайшие сроки. Например, WiMAX был использован для того, чтобы предоставить доступ в сеть выжившим после цунами, произошло 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.

Оборудование пользователя

Оборудование для использования сетей WiMAX поставляется несколькими производителями и может быть установлено как в помещении (устройства размером с обычный DSL модем), так и вне его (устройства размером с ноутбук). Следует отметить, что оборудование, которое рассчитано на размещение внутри помещений и не требует профессиональных навыков при установке, конечно, более удобно, способное 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 предусматривает использование гораздо 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 WiMAX

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 больше 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 удаленных станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Этот недостаток делает плохим использования 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 и для нее будет выделен слот на точке доступа, недоступный другим пользователям.

Архитектура

WiMAX Forum разработал архитектуру, которая определяет множество аспектов работы WiMAX сетей: взаимодействия с другими сетями, распределение сетевых адресов, аутентификация и многое другое. Приведенная иллюстрация дает 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)

ASN (Access Service Network) - сеть доступа.

ASN Gateway - предназначен для объединения трафика и сообщений сигнализации от базовых станций и дальнейшей их передачи в сеть CSN.

BS (Base Station) - базовая станция. Основной задачей является установление, поддержка и разъединение радио соединений. Кроме того, выполняет обработку сигнализации, а также распределение ресурсов среди абонентов.

CSN (Connectivity Service Network) - сеть обеспечения услуг.

HA (Home Agent) - элемент сети, отвечающий за возможность роуминга. Кроме того, обеспечивает обмен данными между сетями разных операторов.

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

Сравнение WiMAX и Wi-Fi

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

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. Различные 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 расположению).

Wi-Fi - это система более короткого действия, обычно покрывает 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 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 основан 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, гостиниц, вокзалов и аэропортов можно обнаружить бесплатную точку доступа Wi-Fi.

WiMAX-2

В октябре 2010 года институт инженеров электроники и электротехники (IEEE) утвердил стандарт IEEE 802.16m, известный только как WirelessMAN-Advanced и WiMAX-2. Он позволит повысить пропускную способность беспроводных сетей в несколько раз. Так, стационарное оборудование в сетях нового поколения сможет принимать данные на скорости до 1 Гбит / с, а мобильные гаджеты и портативные компьютеры - до 100 Мбит / с. При этом сохранится обратная совместимость с существующим оборудованием WiMAX.

Первая публичная демонстрация возможностей WiMAX 2 была осуществлена ​​на выставке CEATEC JAPAN 2010 в Токио: Samsung Electronics и UQ Communications показали в действии экспериментальную систему WiMAX 2 с пропускной способностью 330 Мб / с. Используя коммерческую базовую станцию ​​Mobile WiMAX производства Samsung партнеры осуществили одновременную трансляцию Full-HD 3D-видео и 16 Full-HD-видео на четыре крупноформатных (Large Format Display) телевизора.

Стандарт WiMAX 2 должен прийти на смену нынешнему WiMAX (802.16e) и стать достойным конкурентом LTE. Его поддерживает альянс компьютерных фирм, в числе которых Intel, Motorola и Samsung. Появление более скоростных стандартов беспроводной связи вполне востребовано рынком. По оценке аналитиков Cisco, мобильный интернет-трафик в мире будет ежегодно удваиваться и к 2013 году вырастет до 2,2 млн терабайт в месяц, в основном, за счет увеличения доли видео. За пять лет видеотрафик для мобильных устройств вырастет более чем в 100 раз.

WiMAX-3

Сразу после принятия стандарта IEEE 802.16m (WiMAX-2) инициативная группа под названием PAR (Project Authorization) начала работу над новой версией этого стандарта IEEE 802.16n (WiMAX 3.0), который должен обеспечить пользователям совершенно невероятные скорости доступа к сетям - 10 Гбит для каналов фиксированной связи и до 1 Гбит для мобильной связи. Планируется, что стандарт WiMAX 3 будет принят в течение ближайших 3-5 лет.

В октябре 2010 года орган IEEE одобрил стандарт 802.16m, как расширение стандарта IMT. Стандарт IEEE 802.16m предусматривает мобильный доступ к сетям передачи данных на скорости до 100 Мбит. Дополнительно стандарт IEEE 802.16m предлагает такие важные улучшения, как многопользовательскую очередь пакетов MIMO (многоканальный вход - многоканальный выход), обслуживание магистральных каналов в интересах сразу нескольких операторов, а также так называемые «кооперативные коммуникации», в которых каждый абонент вносит свой вклад в обслуживание расположенных вблизи других абонентов. Кроме всего прочего, новый стандарт предлагает полную поддержку фемтосот, сетей самоорганизацией и ретрансляторов. О внедрении стандарта WiMAX 2.0 уже заявили крупнейшие мировые организации по государственной и индустриальной сферы.

Стандарт WiMAX 3.0 (IEEE 802.16n), призванный прийти на смену только принятому стандарту WiMAX 2, будет еще более быстрым и универсальным. Пропускная способность сетей должна стать в десять раз больше, чем у самых современных действующих сетях, предлагая многоканальные очереди 4 × 8 MIMO и «сцепление каналов». Поскольку стандарт WiMAX 3.0 использует сразу 10 каналов шириной по 6 МГц, в вещательных станций появляется небывалая ранее возможность передавать телевизионный сигнал отличного качества из аппарата размером не больше чемодана. Фактически, это может означать конец привычного телевидения с эфирным вещанием, которое можно принимать на домашнюю антенну.

Стоит заметить, что сейчас развитие беспроводного широкополосного доступа в Интернет развивается очень быстро. По данным исследовательской компании ABI Research, сейчас уже более 2 млрд. человек на Земле живут в зоне высокоскоростных сетей. Сейчас в мире работает более 500 сетей 3G, в ближайшем будущем планируется официальный запуск более 300 сетей WiMAX и LTE. По оценкам компании In-Stat, к 2014 году в мире будет работать до 2 млрд. мобильных устройств со встроенной поддержкой широкополосной мобильной связи.

Рынок

Согласно данным консалтинговой компании J'son & Partners, представленными по результатам исследования мирового рынка WiMAX, в 2008 году суммарное количество фиксированных и мобильных абонентов приблизилось к 4 млн, а прирост с конца 2007 г. составил 120%.

Основная тенденция на мировом рынке беспроводного широкополосного доступа в 2008 г. - это его подготовка к появлению WiMAX-сетей с предоставлением мобильных услуг для большого количества пользователей. Основные проекты WiMAX сосредоточены в крупных городах США, Мексике и странах Центральной Европы, которые имеют высокую плотность населения. С учетом сравнительно небольших вложений в развертывание полноценных сетей в городах-миллионниках, наличия в них развитой канальной инфраструктуры и растущего спроса на доступ в интернет, большинство проектов WiMAX стартует с крупных городов, однако ситуация постепенно меняется.

Многие производители оборудования отказываются или уже отказались от разработки и производства систем 802.16d в пользу мобильной версии стандарта. В связи с этим будущее фиксированного WiMAX не вполне понятно.

Лидирующую позицию по выручке от продажи оборудования для мобильного WiMAX за 2008 г. занимает Alcatel-Lucent, оставил позади Motorola, Alvarion и Samsung. В 2009 г. звание лидеров по количеству проданного оборудования имеют возможность обжаловать компании Huawei и Cisco Systems, каждая из которых в конце 2008 г. сертифицировала по три устройства с поддержкой мобильного доступа к технологии WiMAX.

По состоянию на март 2009 г. международным WiMAX Forum'ом сертифицировано 44 модели базовых станций и 47 моделей абонентских терминалов. Эти значения почти в полтора раза превышают количество сертифицированных устройств с поддержкой WiMAX на конец первого полугодия 2008 г. - 18 базовых станций и 20 абонентских устройств. Количество производителей сертифицированного оборудования за последние восемь месяцев увеличилась более чем в два раза и составляет 33 компании.