Взаимодействие технологий wimax и wi fi при построении сетей беспроводного широкополосного доступа

Обновлено: 05.02.2023

Часто сравнивают такие современные технологии передачи данных, как WiMAX и Wi-Fi. Несмотря на то, что обе технологии имеют созвучные названия и WiMAX технология появилась позже, то можно предположить, что WiMAX это усовершенствованная модель Wi-Fi, но это не так. Эти технологии имеют различные области применения. WiFi является технологией, в основном предназначенной для организации небольших беспроводных сетей внутри помещений и построения беспроводных мостов. Технология Wi MAX, в совою очередь, предназначена для организации широкополосной связи вне помещений и для организации крупномасштабных сетей. WiMAX разрабатывался как городская вычислительная сеть (MAN). Рассмотрим некоторые другие различия между этими технологиями. У WiMAX лучше качество связи , чем у WiFi. Когда несколько пользователей подключены к точке доступа Wi-Fi, они буквально «дерутся» за доступ к каналу связи. В свою очередь, технология WiMAX обеспечивает каждому пользователю постоянный доступ. Построенный на технологии WiMAX алгоритм устанавливает ограничение на число пользователей для одной точки доступа. Когда базовая станция WiMAX приближается к максимуму своего потенциала, она автоматически перенаправляет «избыточных» пользователей на другую базовую станцию.

Но Wi Max по-прежнему находится в зачаточном состоянии, и потребуются значительные вложения в данную инфраструктуру для получения коммерческой выгоды. Wi-Fi является уже самодостаточной системой и быстрое развертывание сетей WiFi не проблема сейчас.

Предприятия с огромными площадями, возможно, захотят перейти на WiMAX, чтобы избежать покупки большого количества репитеров, требуемых при установке Wi-Fi сети. На данный момент, в России такое оборудование отсутствует в широкой продаже.

Стоимость устройств

Wi-Fi технология является более зрелой нежели WIMAX и сегодня Вы вряд ли найдете новый ноутбук без встроенного Wi-Fi модуля.Также, возможно только временным недостатком является то, WIMAX оборудование стоит дороже WIFI оборудования и ассортимент WIMAX оборудования более скудный. Это вызвано тем, что технология WiMAX более молодая. Производство устройств, оборудованных WiMAX модулем, только начало развиваться и до уровня оборотов WiFi устройств ему еще далеко. Стоимость базовых станций WiMAX также выше из-за дополнительных дорогостоящих компонентов.

Области применения

Как и во многих других областях, в беспроводной передачи данных нет универсальной технологии. Под каждые конкретные задачи больше подходит WiMAX или WIFI. Если стоит задача предоставить широкополосный доступ к сети для пользователей – то больше, конечно подходит WiMAX, так как эта технология изначально была разработана именно с этой целью. Однако если стоит задача предоставить широкополосный доступ в ограниченном помещении, то технологии WIFI и WiMAX одинаково хорошо подходят для решения, при условии что низкий уровень помех или помехи вовсе отсутствуют. А для внедрения беспроводных систем безопасности или видеонаблюдения больше подходит WiFi, так как это направление уже достаточно неплохо развито.

Охват и масштабы

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Беспроводные технологии – подкласс информационных технологий, которые служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Wi-Fi – торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей. Принцип работы.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 30.08.2017
Размер файла 50,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки РФ

Wi-Fi и WiMAX сети

Скодтаев Борис Арсенович

Введение

Беспроводные технологии - подкласс информационных технологий, служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi и WiMAX. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Wi-Fi - торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как "высокая точность беспроводной передачи данных") в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.

Любое оборудование, соответствующее стандарту IEEE 802.11, может быть протестировано в Wi-Fi Alliance и получить соответствующий сертификат и право нанесения логотипа Wi-Fi.

Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T (впоследствии - Lucent Technologies и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi - Вик Хейз (Vic Hayes) находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, IEEE 802.11a и IEEE 802.11g. В 2003 году Вик ушёл из Agere Systems. Agere Systems не смогла конкурировать на равных в тяжёлых рыночных условиях, несмотря на то, что её продукция занимала нишу дешёвых Wi-Fi решений. 802.11abg all-in-one чипсет от Agere (кодовое имя: WARP) плохо продавался, и Agere Systems решила уйти с рынка Wi-Fi в конце 2004 года.

Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с.

27 июля 2011 года Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) выпустил официальную версию стандарта IEEE 802.22. Системы и устройства, поддерживающие этот стандарт, позволят передавать данные на скорости до 22 Мб/с в радиусе 100 км от ближайшего передатчика.

Происхождение названия

Термин "Wi-Fi" изначально был придуман как игра слов для привлечения внимания потребителя "намёком" на Hi-Fi (англ. High Fidelity - высокая точность). Несмотря на то, что поначалу в некоторых пресс-релизах WECA фигурировало словосочетание "Wireless Fidelity" ("беспроводная точность"), на данный момент от такой формулировки отказались, и термин "Wi-Fi" никак не расшифровывается.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров "напрямую". Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID (англ.)русск.) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с - наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Более подробно принцип работы описан в официальном тексте стандарта. информационный беспроводный сеть

Однако, стандарт не описывает всех аспектов построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по-своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения. Поэтому возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей.

По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

· Автономные точки доступа (называются также самостоятельные, децентрализованные, умные)

· Точки доступа, работающие под управлением контроллера (называются также "легковесные", централизованные)

· Бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера)

По способу организации и управления радиоканалами можно выделить беспроводные локальные сети:

· Со статическими настройками радиоканалов

· С динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов

· Со "слоистой" или многослойной структурой радиоканалов

Преимущества Wi-Fi

· Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

· Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

· Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.

· Мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете пользоваться Интернетом в комфортной для вас обстановке.

· В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.

· Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона.

Недостатки Wi-Fi

· В диапазоне 2.4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др, и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость.

· Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные "накладные расходы". Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в Wi-Fi сети всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п.

· Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.

· Как было упомянуто выше - в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.

· Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями.

· Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.

· В режиме точка-точка (Ad-hoc) стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легко взламываемый WEP.

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) - телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN (WiMAX следует считать жаргонным названием, так как это не технология, а название форума, на котором Wireless MAN и был согласован).

Название "WiMAX" было создано WiMAX Forum - организацией, которая была основана в июне 2001 года с целью продвижения и развития технологии WiMAX. Форум описывает WiMAX как "основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям иDSL". Максимальная скорость - до 1 Гбит/сек на ячейку.

WiMAX подходит для решения следующих задач:

· Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.

· Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.

· Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.

· Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению.

· Создания систем удалённого мониторинга (monitoring системы), как это имеет место в системе SCADA.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi-сетей. 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 масштабируемые высокоскоростные сети в рамках городов.

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 приёмником.

Как уже говорилось выше, WiMAX применяется как для решения проблемы "последней мили", так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям[3].

Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 140 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 надёжность 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)[3].

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 неё будет создан выделенный 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. Приведённая иллюстрация даёт некоторое представление об архитектуре сетей WiMAX.

WiMAX Форум WiMAX Архитектура

· SS/MS: (the Subscriber Station/Mobile Station)

· ASN: (the Access Service Network)[4]

· 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.

BS (Base Station) - базовая станция. Основной задачей является установление, поддержание 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 различных операторов.[5]

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

Сегодня, в период активного развития беспроводных сетей, эта тема становится все более популярной в телекоммуникационном сообществе. Как только технология окончательно сформируется, производители предложат широкий выбор продукции по приемлемым ценам, что приведет и к росту спроса на неё, и к увеличению объема продаж. В свою очередь, это вызовет дальнейшее совершенствование и развитие беспроводной среды. Словосочетание "беспроводная среда" может ввести в заблуждение, поскольку означает полное отсутствие проводов в сети, в действительности это не так. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью в которой - как среда передачи используется кабель, такая сеть со смешенными компонентами называется гибридной.

Для обеспечения беспроводного соединения каждый компьютер должен иметь сетевую карту беспроводного доступа, а в случае более современных машин - встроенное устройство беспроводного доступа, что предпочтительнее. Сетевые карты для портативных ПК вставляются в специальные разъемы и имеют антенны. Некоторые PDA имеют встроенные устройства беспроводного доступа, другие - специальные разъемы для подключения таких устройств. Стационарные ПК могут оборудоваться небольшими, размером с мышку, приемопередатчиками, соединяемыми с USB-портом, или внутренними картами. Для стационарных ПК часто требуется PCMCIA карта (сменная карта размером с кредитную карточку для портативных компьютеров, обеспечивающая дополнительные функции, в том числе беспроводное соединение).

Wi-Fi (IEEE 802.11)

WiMAX (IEEE 802.16)

беспроводные решения внутри зданий

беспроводные решения вне зданий

Точка – точка (PtP -Point to point)

Точка – много точек (PtMp – Point to multipoint)

сети небольшого масштаба (примерно 100м)

огромные беспроводные сети ( 7-10 км)

проблема «скрытого» узла (CSMA\CA)

Отсутствие проблемы «скрытого» узла (DAMA-TDMA)

Простые модуляции (64 бит) в стандартах a,g

Комплексная техника модуляции (256 бит)

Построение беспроводных мостов на дальние

расстояния с применением множества

Дальние беспроводные мосты без применения множества ретрансляторов

Масштабируемость и пропускная способность

WiMAX (IEEE 802.16)

Фиксированная ширина полосы пропускания канала (20МГц)

Гибкая ширина полосы пропускания (1.5 - 20 МГц)

Несколько непересекающихся каналов (3-5)

Множество непересекающихся каналов

Максимальная скорость передачи данных – 54Мбит\с

(зависит от ширины полосы)

Максимальная скорость передачи данных –

70Мбит\с при ширине полосы 20 МГц

IEEE 802.11 (Wireless LAN) представляет собой семейство стандартов "Wireless Ethernet". WiMAX (802.16) призван стать технологией широкополосного доступа вне помещений, в то время как стандарт WiFi (802.11) предназначен для Беспроводных решений, в основном внутри помещений.

Компания «Гет Вайфай» предоставляет весь спектр услуг, связанных с построением беспроводных сетей связи, начиная от установки Wi-Fi и LTE оборудования в небольших помещениях и заканчивая построением территориально распределенных беспроводных сетей.


Интенсивное развитие беспроводных сетей передачи данных вызвано потребностью в организации оперативного обмена данными, и в обеспечении качественной связью с подвижными и удаленными абонентами. Отсутствие проводных подключений позволяет пользователям сети более рационально использовать пространство, позволяет быть мобильными, не теряя при этом возможности доступа к необходимым для них сетевым услугам и данным на достаточно высоких скоростях.

Возникает задача эффективного коллективного пользования ресурсами радиоканала. Основные сложности при ее решении связаны с ограниченностью радиоспектра, с воздействием радиопомех и самой организацией множественного доступа (МД).

Не так давно был опубликован стандарт широкополосного мобильного беспроводного доступа IEEE 802.16e [8], который вместе с предыдущим стандартом IEEE 802.16-2004 [7] (коммерческое название - WiMAX) позволяет реализовывать единые беспроводные сети для передачи различных типов информации (потоки голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.д.) с заданным качеством обслуживания (QoS) каждого сервиса. Такие сети в ближайшем будущем станут прекрасной альтернативой существующим беспроводным и сотовым сетям. Разработка адекватных методов анализа и оптимизации работы протокола IEEE 802.16 становится актуальной задачей, в связи с необходимостью повышать эффективность и производительность этого перспективного протокола для беспроводного доступа.

Такие задачи анализа вероятностно-временных характеристик (ВВХ) протоколов с фиксированными форматами кадров класса WiMAX не аналитичны в реалистической постановке, т.е. имеют аналитические решения лишь при сильных упрощающих допущениях.

Наиболее распространенным методом расчета ВВХ беспроводный систем является имитационное моделирование [3;4], а также аналитические методы, которые носят обычно вероятностный характер и строятся на основе понятий аппарата теории телетрафика, вероятностей и Марковских процессов [5;6].

Для решения описанных задач нами был развит численно-аналитический метод баланса интенсивностей нагрузок [1], который позволяет учесть влияние ошибок, времени распространения, величины затрат на управление и других факторов на показатели качества и производительности протоколов.

Главная идея метода заключается в сведении модели единой многомерной очереди к эквивалентной сумме линейно независимых (парциальных) очередей с помощью эквивалентных законов распределения времени обслуживания в парциальных очередях. Такое сведение единой многомерной очереди к сумме эквивалентных парциальных очередей, или нахождение эквивалентных распределений, выполняется с помощью предложенного метода баланса интенсивностей нагрузок[1]. Далее определяются функционалы для каждой парциальной очереди и находятся векторы характеристик ВВХ - QoS для каждой парциальной очереди.

MAC-уровень стандарта IEEE802.16

На MAC-уровне протокола WiMAX реализуются функции, связанные с формированием структур данных, передаваемых между базовой (БС) и абонентскими станциями (АС), а также управлением множественным доступом в беспроводную среду. Механизмы доступа MAC-уровня должны также решать задачи обеспечения заданного качества обслуживания QoS самых разных приложений, предоставляемых верхними уровнями.

На основном подуровне MAC формируются пакеты данных (MAC PDU – MAC Protocol Data Unit), структура которых представлена на рис. 1.


Рис.1. Пакет данных MAC-уровня стандарта IEEE 802.16

Заголовок PDU состоит из 6 байт и может быть двух видов – общий и заголовок запроса на выделение полосы (Bandwidth Request - BR). Если пакет содержит поле данных, то используется общий заголовок, содержащий идентификатор соединения (CID), тип и контрольную сумму заголовка, а также информацию о поле данных (например, длина пакета).

Передача данных на физическом уровне осуществляется посредством непрерывной последовательности кадров фиксированной длины. Каждый кадр состоит из двух субкадров – субкадр нисходящего (DL – Downlink – от БС к АС) и восходящего (UL – Uplink – от АС к БС) каналов. Стандартом предусматривается как частотное (FDD – frequency division duplex), так и временное (TDD – time division duplex) разделение трафиков восходящего и нисходящего каналов. Формат суперкадра при временном дуплексировании (TDD) представлен на рисунке 2.


Рис. 2. Формат суперкадра при временном дуплексировании TDD

В восходящем субкадре для всех передающих абонентов БС резервирует временные интервалы (тайм-слоты), информация о распределении которых закладывается в карте восходящего канала UL-MAP.

Главный принцип предоставления доступа к ресурсам среды – это выделение канала по требованию (DAMA – Demand Assigned Multiple Access). Стандартом предусмотрено два вида доступа – свободный и контролируемый. В первом случае станции на конкурентной основе в специально выделенном интервале передают свои запросы ресурсов, соответственно, возможны коллизии, вызванные одновременной передачей запросов несколькими АС. Механизм борьбы с коллизиями в этом случае аналогичен механизму backoff в стандарте IEEE 802.11.

В рамках данной статьи мы более подробно рассматриваем систему WiMAX с контролируемым доступом, при котором БС опрашивает (polling) абонентские станции, определяя их потребности в ресурсах среды передачи данных.

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает пять режимов организации работы сети – WirelessMAN-SC, WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM, WirelessMAN-OFDMA и WirelessHUMAN. WirelessMAN-SC предназначен для работы в диапазоне 10-66 ГГц и ориентирован на магистральные сети, функционирующие в режиме прямой видимости. Остальные режимы разработаны для диапазонов менее 11 ГГц. WirelessMAN-SCa – «низкочастотная» версия WirelessMAN-SC (с расширенным набором дополнительных механизмов). WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA – новые методы, в основе которых лежит применение OFDM модуляции. WirelessHUMAN – режим, адаптированный для безлицензионного в США диапазона 5-6 ГГц, в основе которого те же методы, что используются в режимах WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA.

Расчетная модель протокола WiMAX

В данной статье приводятся характеристики времени задержки системы WiMAX в восходящем канале, полученные для режима WirelessMAN-SCa с каналом 25 МГц и скоростью физического потока данных 40 Мбит/с (модуляция QPSK). Рассматривается система с топологией «точка-многоточка» (БС – абонентские станции). Соотношение между нисходящим и восходящим субкадрами в кадре принималось равным 1:1 (причем при определении пропускной способности восходящего канала не учитывался).


Рис. 3. Пространственно временная диаграмма стандарта IEEE 802.16

С точки зрения анализа системы WiMAX, наиболее важными характеристиками производительности являются характеристики времени доставки абонентских данных, так как именно этот параметр отображает эффективность работы сети. В данной статье представлены зависимости времени доставки пакетов, построенные от интенсивности входной нагрузки, при изменении числа пакетов абонентских данных в восходящем субкадре J (при небольшом времени распространения, меньшим, чем длительность кадра), а также при изменении величины затрат на передачу одного запроса полосы пропускания, которая по стандарту составляет 6 байт (Bandwidth Request).

Подробное математическое описание постановки и решения задачи анализа ВВХ численно-аналитическим методом баланса интенсивностей нагрузок можно найти в [1;9].

Для расчета характеристик размер пакета абонентских данных полагался равным 1024 битам, а число активных абонентов задавалось равным 128. Так как интерес представляло, прежде всего, влияние размера кадра (изменение числа информационных пакетов от абонентов J и изменение длительности запроса полосы пропускания BR) на характеристики задержки при изменении входной нагрузки, то для простоты при расчетах не учитывалось влияние ошибок. Шумы в канале, приводящие к ошибкам и, соответственно, к повторным передачам пакетов, привели бы к сильной деградации характеристик времени доставки, особенно при увеличении времени распространения, но в рамках данной статьи эта проблема не рассматривается.

Численный анализ

На рис.4 представлены характеристики времени задержки пакетов, передаваемых от абонентов, построенные в зависимости от интенсивности входной нагрузки (нормированной) при изменении количества этих пакетов J. Очевидно, что при увеличении числа информационных тактов, время начальной задержки возрастает (за счет увеличения длительности суперкадра WiMAX). Возрастает и пропускная способность, за счет изменения соотношения количества служебных и информационных тактов. В данном случае полагается, что помех в канале нет, и пропускная способность достигается за счет увеличения вероятности переполнения кадра при увеличении входной нагрузки и нехватки слотов для передачи всех данных, имеющихся у абонентов.


Рис. 4. Зависимость времени задержки пакетов в восходящем канале от интенсивности входной нагрузки при изменении числа пакетов данных J

Анализируя характеристики, приведенные на рис.4, несложно заметить, что увеличение интенсивности входной нагрузки требует динамической адаптации формата кадра, увеличения числа информационных тактов. Пунктирной огибающей линией на рисунке отображена характеристика именно такого динамически оптимизирующегося под нагрузку кадра. Предусмотренные стандартом IEEE 802.16 три формата кадра (0,5; 1; 2 мкс), очевидно, не будут оптимальными во всем диапазоне нагрузок, а это означает, что система WiMAX работает недостаточно эффективно, использует не все свои ресурсы из-за того, что на MAC-уровне не предусмотрена адаптация размера кадра под нагрузку абонентов. Таким образом, остается актуальной задача оптимизации характеристик, которая состоит в нахождении лучшего соотношения интенсивности входной нагрузки и формата кадра.

Еще один способ повысить пропускную способность протокола WiMAX, а, соответственно, и его эффективность – это уменьшить затраты на управление доступом. Величина запроса полосы пропускания (Bandwidth Request) по стандарту [7] составляет 6 байт для каждой абонентской станции.


Рис. 5. Зависимость времени задержки пакетов в восходящем канале от интенсивности входной нагрузки при изменении размера запроса полосы пропускания BR

На рисунке 5 представлены зависимости времени задержки от интенсивности входной нагрузки при изменении размера запроса полосы пропускания. Графики подтверждают логичный вывод о том, что уменьшение затрат на управление доступом приводит к улучшению характеристик задержки, за счет снижения времени начальной задержки (из-за уменьшения размера кадра) и увеличения пропускной способности (благодаря тому, что доля абонентских данных в кадре увеличивается). Численный анализ показывает, что в зависимости от того, сколько тактов в кадре выделяется под передачу информационных пакетов, уменьшение размера запроса полосы пропускания BR с 6 до 3 байт улучшает пропускную способность на 2-11%.

В настоящее время к системам широкополосного доступа приковано особое внимание операторов связи и разработчиков нового оборудования. Беспроводные сети на базе технологии WiMAX обладают исключительными преимуществами по оперативности развертывания, стоимости, охвату территории, а также мобильности.

В данной статье были приведены вероятностно-временные характеристики протокола WiMAX с фиксированным форматом кадра, полученные с помощью численно-аналитического метода баланса интенсивностей нагрузок [1], отображающие некоторые возможности для повышения эффективности этого протокола. Зависимость времени задержки от интенсивности входной нагрузки при изменении числа тактов, отведенных под абонентские данные, наглядно демонстрирует необходимость динамической адаптации формата кадра в процессе изменения нагрузки. Аналогичная зависимость при изменении размера управляющих пакетов, также показывает возможность увеличения пропускной способности канала за счет уменьшения этого размера (это возможно при использовании более эффективных методов множественного доступа).

Таким образом, необходимо продолжать работать над совершенствованием стандарта перспективной беспроводной сети WiMAX, чтобы максимально производительно использовать все ее ресурсы, ведь даже не рассматривая (в рамках данной статьи) влияние времени распространения, ошибок и прочих факторов на характеристики протокола, очевидно, что есть слабые стороны на MAC-уровне, нуждающиеся в устранении.

Автор признательна проф. Мархасину Александру Беньяминовичу за помощь в постановке и решении задачи анализа ВВХ протокола WiMAX.

1. Мархасин А. Б. Задачи анализа и оптимизации мультисервисных мобильных сетей // Автометрия, 2008, т. 44, №5, с.123-134.

2. Шахнович И. В. Современные технологии беспроводной связи. Москва: Техносфера, 2006. – 288 с.

3. S. Ramachandran, C. W. Bostian, and S. F. Midkiff, Performance Evaluation of IEEE 802.16 for Broadband Wireless Access, Proceedings of OPNETWORK, 2002.

4. A. Syed, M. Ilyas. WiMAX: technologies, performance analysis, and QoS. CRC Press, London, 2008.

5. Ni Q., Vinel A., Xiao Y., Turlikov A., Jiang T. Investigation of Bandwidth Request Mechanisms under Point-to-Multipoint (PMP) Mode of WiMAX Networks // IEEE Communications Magazine, № 5, 2007.

6. Винель А.В. Разработка методов анализа протоколов управления доступом к среде в централизованных беспроводных сетях. Автореферат, Москва, 2007, 18 с.

7. IEEE Std IEEE 802.16-2004 (Revision of IEEE Std IEEE 802.16-2001). IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Access Systems// IEEE. 2004. 1 October.

8. IEEE Std IEEE 802.16e-2005. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Access Systems// IEEE. 2006. 28 February.

9. Дроздова В.Г. Анализ вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей класса WiMAX с фиксированными форматами кадров, 10-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM’2009, с. 153-156.

Основные термины (генерируются автоматически): IEEE, входная нагрузка, MAC, TDD, UL-MAP, восходящий канал, пропускная способность, PDU, восходящий субкадр, стандарт.


В статье рассматриваются возможности технологии широкополосного беспроводного доступа в сетях WiMAX

The article discusses the possibility of broadband wireless access technologies in WiMAX networks

Широкополосный доступ — ключевой элемент современных телекоммуникаций, которые невозможно представить без наличия разнообразных услуг, основанных на передаче различных типов трафика — данных, голоса, видео, мультимедиа. Беспроводные технологии, обладающие рядом уникальных преимуществ, играют важную роль в развитии систем широкополосного доступа.

Российский рынок широкополосного беспроводного доступа (ШБД) можно разделить на три больших сегмента. Первый — это мобильная(сотовая) связь. Здесь продолжают доминировать услуги обычной телефонной связи, однако ими уже охвачено практически все население России, рынок сотовой телефонной связи входит в стадию насыщения, и операторы начинают активно искать новые возможности для получения дополнительных доходов на базе построенных инфраструктур. В настоящее время сотовые компании активно развивают такие технологии, как EDGE (для сетей GSM) и EV-DO (для сетей CDMA); например построенная на основе EV-DO услуга Sky Turbo сети «Скай Линк» обеспечивает передачу данных на скоростях до 2,4 Мбит/с. Второй сегмент рынка ШБД — это спутниковая связь; этот рынок относительно невелик и стабилен, никаких серьезных изменений за последнее время там не происходило. Наконец, третий сегмент рынка ШБД — это фиксированная радиосвязь. В этой области — масса интересных событий, и именно им мы уделим основное внимание.

Технологии и оборудование.

Как уже говорилось, изначально сети фиксированного беспроводного доступа строились на основе 2,4-ГГц систем стандарта IEEE 802.11 (WiFi). Однако практически неконтролируемое увеличение числа радиосредств, работающих в указанном частотном диапазоне, привело к резкому росту уровню помех, препятствующие предоставлению качественных услуг. Это обстоятельство, наряду с рядом серьезных недостатков технологии IEEE 802.11, привело к постепенному переходу операторов на другие технические решения. В результате сегодня на рынке систем фиксированного ШБД доминируют нестандартные (часть из них производители относят к категории pre-WiMAX) решения ряда производителей. По сути, в России этот рынок делят две компании: отечественная InfiNet Wireless со своим знаменитым продуктом Revolution (за границей он продвигается под торговой маркой SkyMAN) и израильская Alvarion — остальные компании занимают незначительную долю рынка.

В чем принципиальное отличие указанных решений от обычных систем IEEE 802.11 (WiFi)? Рассмотрим их на примере продуктов Revolution. Если в системах IEEE 802.11 используется случайный доступ абонентских станций к среде передачи, то системы Revolution используют динамический и адаптивный опрос абонентов. В продуктах Revolution реализованы механизмы управления полосой пропускания (MIR, CIR, MPD), многоуровневой приоритизации трафика, централизованной регистрации и авторизации (RADIUS, RAPS) — в обычных решениях IEEE 802.11 такие механизмы отсутствуют. Все это позволяет операторам повышать надежность, плотность и качество обслуживания, гарантировать нормальные условия для передачи речи и другого «чувствительного» к задержкам трафика — короче говоря, Revolution — это мультисервисные решения, обеспечивающие гибкость в реализации различных схем тарификации и обслуживании приложений, генерирующих разные типы трафика (данные, голос, видео, показания датчиков).

WiMAX — это стандартизованная беспроводная технология операторского класса для обеспечения высокоскоростного мультисервисного широкополосного доступа на «последней миле» для конечных пользователей, домашних офисов, малых и средних предприятий и для мобильных сетей связи.

В настоящее время участниками WiMAX являются более ста компании во всего мира: Intel, Alcatel, Siemens, AT&T, WiLAN и др., а также известные на российском рынке компании Asiros, Airspan, Alvarion, Aperto, Proxim и Wi-LANи др.

Термин WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) является коммерческим названием стандарта региональных (городских) сетей широкополосного беспроводного доступа WMAN − IEEE 802.16, в нем описаны нижние уровни модели OSI: физический и уровень доступа к среде передачи MAC (Medium Access Control). А именно: радиоинтерфейсы, методы модуляции и доступа к каналам, системы управления потоками и взаимодействие с протоколами высших уровней. Структурная схема сети стандартаWiMAX представлена на рис. 1, здесь же представлены основные протоколы, по которым осуществляется взаимодействие элементов сети.

Рис. 1. Структурная схема беспроводной широкополосной сети типа WiMAX

Рис. 1. Структурная схема беспроводной широкополосной сети типа WiMAX

Первоначально для стандарта WiMAX были выделены полосы частот в диапазоне до 66 ГГц, но в России в настоящее время выданы разрешения на полосы частот в соответствии с табл. 1.


К концу 2000-х годов многим российским пользователям стали доступны две популярные беспроводные технологии: Wi-Fi и WiMAX. Первая появилась чуть раньше и сейчас распространена более широко, вторая - чуть позже и развивается преимущественно в крупных городах России. Рассмотрим их по порядку, обратив внимание на особенности применения, плюсы и минусы, сходства и различия. Мы не будем рассматривать стандарты существующих мобильных беспроводных сетей - это тема для отдельной статьи. Зато вкратце расскажем о перспективах развития Wi-Fi и WiMAX.

Начнем с преимуществ и недостатков беспроводных сетей по сравнению с традиционными. Главный плюс, что явствует из названия, - отсутствие проводов. Значит, не нужно прокладывать кабели, сверлить стены, монтировать каналы и короба и т. п. Сеть легко расширяется в отличие от проводных, где ограничением служит количество свободных портов в маршрутизаторах и концентраторах (хабах). Немаловажна и быстрота подключения нового абонента. Но больше всего в беспроводных сетях людей привлекает мобильность. К примеру, в настоящее время можно в течение получаса развернуть в квартире или офисе локальную сеть на базе Wi-Fi и обеспечить всем устройствам выход в Интернет.

Минусы тоже присутствуют. Во-первых, это проблемы со стабильностью связи. Стандартные домашние Wi-Fi-маршрутизаторы имеют радиус действия порядка нескольких десятков метров в помещении и до 100-200 метров снаружи. Однако некоторые электронные устройства (СВЧ-печь), различные препятствия (железобетонные стены), а также погодные явления (дождь) ослабляют уровень сигнала Wi-Fi- и WiMAX-сетей. Таким образом, будет сложно или даже невозможно обеспечить связь между абонентами, находящимися в соседних зданиях или на разных этажах. Для Wi-Fi-сетей можно купить мощный передатчик, но устройства мощностью свыше 100 мВт по российским законам нельзя использовать без регистрации в соответствующих надзорных органах. Так мы приходим ко второму минусу - юридическим аспектам использования частотного диапазона и параметров передатчиков/приемников беспроводных сетей, которые различны в разных странах.

Существует и проблема безопасности, в частности Wi-Fi-сетей. Дело в том, что популярный стандарт шифрования WEP относительно легко взламывается, а более совершенные протоколы WPA и WPA2 не поддерживают многие старые точки доступа. Четвертый минус - это достаточно высокое энергопотребление устройств при использовании Wi-Fi и WiMAX-сетей. Тем не менее плюсы в целом перевешивают минусы.

Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity/"беспроводная точность") - это торговая марка для беспроводных сетей, созданных на базе семейства стандартов IEEE 802.11. Начало протоколу было положено в Нидерландах в 1991 году, когда одна фирма представила беспроводные системы кассового обслуживания WaveLAN со скоростью передачи данных от 1 до 2 Мбит/с.

С тех пор IEEE 802.11 сильно эволюционировал. К примеру, популярный ныне стандарт протокола IEEE 802.11n, утвержденный 11 сентября 2009 года, позволяет передавать данные на теоретической скорости до 600 Мбит/с при одновременном использовании четырех антенн или 150 Мбит/с - при одной антенне. Реальная скорость, разумеется, оказывается в два-три раза меньше. При этом можно задействовать один из двух рабочих диапазонов частот - 2,4 или 5 ГГц. Кроме того, для 802.11n разработчики сохранили обратную совместимость с устаревшими стандартами 802.11a и 802.11b/g.


Работает сеть Wi-Fi следующим образом. Первым делом устанавливается Wi-Fi-передатчик или, по-другому, точка доступа (хотспот), к которому любым доступным способом подводится Интернет (кабель, спутник, WiMAX, мобильный Интернет). Далее точка доступа сама становится источником раздачи Интернета устройствам-клиентам: компьютерам, ноутбукам, нетбукам, смартфонам и другим мобильным устройствам. Единственное, они все должны иметь встроенный либо внешний W-Fi-адаптер (приемник).

Wi-Fi-приемники уже давно встраиваются в ноутбуки и многие мобильные устройства. Для стационарных ПК либо устаревших моделей ноутбуков придется купить специальный модуль. Это может быть плата под слоты PCI, MiniPCI, PCMCIA или USB-адаптер. Встречаются и миниатюрные приемники размером с карту памяти формата SD. Стоят такие Wi-Fi-адаптеры всего несколько сотен рублей. Модули могут быть встроены в другие устройства, например медиаплееры. Стоимость Wi-Fi-передатчиков (маршрутизаторов) начинается от одной тысячи рублей, некоторые интернет-провайдеры предоставляют подобное оборудование бесплатно.

Интернет в Wi-Fi-сетях делится между всеми абонентами, поэтому при большом количестве подключенных устройств скорость передачи данных будет снижена. Сами сети подразделяются на публичные и частные. Первые создаются в местах общественного пользования (вокзалы, гостиницы, кафе, парки и т. п.) и обычно не требуют идентификации для подключения. В ряде зарубежных городов публичные беспроводные Wi-Fi-сети объединяют в общие и они покрывают почти всю городскую территорию.

Частные сети используются в личных или корпоративных целях ограниченной группы лиц и защищаются паролем или ключом. Однако из-за неопытности администраторов сетей, забывающих установить пароль, к ним может подключиться любой. Существуют даже подпольные карты подобных точек, благодаря которым в крупных городах найти халявный Интернет несложно.

В настоящее время разрабатываются стандарты IEEE 802.11ac и IEEE 802.11ad. Первая технология позволяет раздавать Интернет параллельными потоками более чем трем пользователям на скорости в несколько гигабит в секунду каждому в диапазоне 5 ГГц, вторая - одному абоненту до 7 Гбит/с в диапазоне 60 ГГц, что ограничивает область покрытия до масштаба одного помещения.

Кроме того, разрабатывается стандарт IEEE 802.22 WRAN. В так называемом Super Wi-Fi обещается скорость до 22 Мбит/с в радиусе до 100 км от ближайшего передатчика. При этом данные будут передаваться на незанятых частотах телевизионного вещания (VHF/UHF). В перспективе стандарт 802.22 должен обеспечить Интернетом малонаселенные территории и развивающиеся страны.

WiMAX

Кроме Wi-Fi, существует другой стандарт беспроводной связи - WiMAX, который развивается не менее быстрыми темпами, но во многом от него отличается.

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) базируется на стандарте IEEE 802.16. Сеть на базе этой технологии строится из базовых и абонентских станций и оборудования, связывающего между собой базовые станции с поставщиком Интернета и других сервисов. Используемый диапазон частот - от 1,5 до 13,6 ГГц. Радиус действия - 6-10 км для "статичных" абонентов и 1-5 км - для "мобильных", передвигающихся на скорости до 120 км/ч. Скорость передачи данных может достигать 40-75 Мбит/с. WiMAX создавался в качестве универсальной беспроводной связи для широкого спектра устройств (от ПК и ноутбуков до мобильных телефонов и планшетов), действующей на больших расстояниях.

Следует сразу отметить, что под названием WiMAX объединяются два стандарта - 802.16d (фиксированный WiMAX) и 802.16e (мобильный WiMAX), разработчикам их так и не удалось объединить. Каждая спецификация имеет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала и другие характеристики. Потому WiMAX-системы, основанные на различных версиях стандарта IEEE 802.16, практически несовместимы.

В стандарте 802.16d (он же 802.16-2004) используются стационарные модемы и PCMCIA-карты для ноутбуков. Связь возможна только с неподвижными абонентами. При этом могут достигаться следующие характеристики: скорость до 75 Мбит/с, дальность связи - 25-80 км, используемый диапазон частот - 1,5-11 ГГц (чаще применяются 3,5 и 5 ГГц).

Стандарт 802.16e (802.16-2005) оптимизирован для работы с мобильными пользователями. Характеристики таковы: скорость до 40 Мбит/с, дальность связи - 1-5 км, используемый диапазон частот - 2,3-13,6 ГГц (чаще - 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц). Также 802.16e применяется и для обслуживания фиксированных пользователей. Именно его чаще всего предлагают пользователям различные провайдеры.

Таким образом, мобильный WiMAX является конкурентом современным мобильным технологиям, а фиксированный WiMAX - проводному широкополосному доступу DSL. Конечные абоненты, желающие подключиться к сетям WiMAX, должны в первую очередь выбрать провайдера и заключить договор. После этого они получат USB-модем, ExpressCard-модем либо аналогичное устройство. WiMAX-приемник можно купить самостоятельно, кроме того, ряд мобильных устройств и ноутбуков уже имеют встроенную поддержку технологии WiMAX.

В будущем на смену двум спецификациям должен прийти единый стандарт 802.16m (WiMAX 2). Он будет производительнее, быстрее (скорость до 100 Мбит/с у мобильного варианта и до 1 Гбит/с - у фисированного). Также появится поддержка новейших коммуникационных технологий.


Напоследок рассмотрим качественные различия Wi-Fi и WiMAX. Wi-Fi - система короткого действия (десятки метров), с ее помощью удобно создавать локальные сети, необязательно подключенные к Интернету. WiMAX - система дальнего действия (километры), соединяющая провайдера и конечного пользователя. Домашнюю сеть на ее базе построить сложнее, зато сеть, охватывающую большие пространства, - проще. При сравнении часто применяется такая аналогия: WiMAX сравнивается с мобильной связью, а Wi-Fi - со стационарным беспроводным телефоном.

Если вы являетесь ярым сторонником беспроводных сетей, для вас оптимальным вариантом будет следующая схема (см. рисунок выше): в качестве магистрального канала от провайдера использовать WiMAX, а далее распределять Интернет между потребителями на основе локальной Wi-Fi-сети.

Читайте также: