Формирование каналов и основные процедуры

Введение

В настоящем разделе дан краткий обзор системы мобильной связи — мобильного WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access — всемирный доступ для взаимодействия микроволновых сетей) на основе стандарта 802.16e, приводятся рабочие характеристики минимальной основной конфигурации на основе [62, 103, 127]. Мобильный WiMAX может обеспечить скорость десятки мегабит в секунду для основных конфигураций базовых станций, реализованных согласно системе стандартов (системному профилю^{1Профиль — совокупность требований, ориентированных на выполнение определенной прикладной функции или на построение конкретной системы. Профиль базируется на требованиях определенного стандарта, но не повторяет его спецификации, а только ссылается на них. Русский аналог — руководящие указания (РУК).} ) IEEE 802.16, известной также под общим названием WiMAX.

Ниже будут рассмотрены основные новые технические решения, например, адаптивные антенные системы (AAS — Adaptive Antenna System), которые значительно улучшают рабочие характеристики (но без подробного анализа последних).

Сервисные службы, которые могут поддержать такие системы, включают широкополосные услуги, которые требуют высоких скоростей передачи данных, в том числе потоки видео и VoIP с высоким качеством обслуживания.

Характеристики мобильного WiMAX предполагают взаимодействие между мобильным WiMAX и широкополосными проводными услугами, например, по кабельным и цифровым абонентским линиям типа DSL. Важным требованием для успеха проекта является обеспечение услуг мобильного Интернета.

Наращиваемая архитектура, высокая производительность при передаче данных и низкая стоимость установки на сети делают мобильный WiMAX лидером беспроводных широкополосных услуг. Другие преимущества WiMAX включают открытый подход структуры стандартов, "дружественные" интерфейсы и обеспечение здоровой экосистемы.

Множество компаний внесли вклад в развитие технологии, и много компаний объявили о своих планах в этом направлении.

Такая растущая конкуренция гарантирует удовлетворение другого важного требования для успеха технологии — низкую стоимость мобильного Интернета.

8.1. Основные технические характеристики

Для общего представления ниже перечислены основные характеристики системы мобильного WiMAX, после чего они будут рассмотрены более детально.

Технология Мобильного WiMAX базируется на двух стандартах: на стандарте IEEE 802.16-2004 радиоинтерфейс (Air Interface Standard) и на принятом 7 декабря 2005 года стандарте IEEE 802.16e-2005 (он будет играть ключевую роль при построении фиксированной широкополосной радиосети города). Первая лаборатория для сертификации систем этого стандарта развернута в лаборатории Cetecom Labs (Малага, Испания).

7 декабря 2005 IEEE [62 ] ратифицировал поправки, названные IEEE 802.16e, к стандартам 802.16. Эти поправки добавляют требования и характеристики, необходимые для обеспечения работы мобильных абонентов WiMAX [53 ]. WiMAX Forum, базируясь на поправках IEEE 802.16e, касающихся мобильности, определил основные характеристики и профиль сертификации ( рис. 8.1). Для наземной сети он определил архитектуру сети, необходимую, чтобы осуществлять мобильные соединения WiMAX "из конца в конец".

Рис. 8.1. Принцип организации мобильного профайла WiMAX

Мобильный WiMAX — это система беспроводной связи, которая позволяет конвергенцию (постепенное сближение) мобильной широкополосной и стационарной сетей на основе технологии радиодоступа и гибкой архитектуры сети.

В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обеспечивает хорошие характеристики в условиях многолучевости и при отсутствии прямой видимости. Этот метод доступа [3 , 22 ] заключается в том, что последовательный поток информации из N символов разбивается на n блоков по N/n символов в каждом, причем символы разных блоков передаются "параллельно", каждый на своей поднесущей. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет снизить до минимума или полностью исключить межсимвольные искажения, возникающие в радиоканале. Чтобы дать возможность наращивать пропускную способность канала от 1,25 к 20 МГц, поправками IEEE 802.16e был введен метод "наращиваемый OFDMA" (SOFDMA — Scalable OFDMA) [109 ]. Группа WiMAX-Форума, занимающаяся обеспечением мобильности, разработала системные профили, которые оговаривают обязательные и дополнительные характеристики, необходимые для построения гибкого радиоинтерфейса. Системный профиль мобильного WiMAX позволяет создавать мобильные системы на основании общей базы и общего набора характеристик, которые гарантируют полностью совместимые основные функциональные возможности для терминалов и базовых станций [90 -92 ].

Некоторые из характеристик системных профилей необязательны, но они обеспечивают гибкость для создания сетей и устройств на базе различных сценариев и оптимизируют их характеристики в конкретных условиях.

Группа WiMAX Forum NWG (Network Working Group), занимающаяся сетевыми вопросами, определила спецификации высшего уровня, помимо тех, которые определены в стандартах IEEE 802.16 для радиоинтерфейса. объединение усилий IEEE 802.16 и форума WiMAX помогло найти решения для установления WiMAX-соединения "из конца в конец" для мобильных объектов.

Мобильные системы WiMAX предлагают технологии и архитектуру, реализующие наращиваемость радиодоступа и сетевых услуг, таким образом, обеспечивая большую гибкость построения сетей.

Некоторые из существенных характеристик мобильного WiMAX приведены ниже.

Высокая скорость передачи данных за счет применения системы антенн MIMO^{2Технология MIMO предполагает использование двух или более передающих и принимающих антенн, что позволяет увеличить скорость передачи и применять новые технологии для улучшения качества.} (Multi Input — Multi Output) антенны в сочетании с гибкими схемами каналообразования, усовершенствованным кодированием и модуляцией. Все это позволяет технологии мобильного WiMAX поддержать пиковую скорость данных по направлению "вниз" до 63 Мбит/с и в направлении "вверх" — до 28 Мбит/с.

Качество обслуживания (QoS) является фундаментальным условием архитектуры протоколов доступа к среде (IEEE 802.16 MAC — Media Access Control). Оно определяется применением метода DiffServ — дифференцированного обслуживания. Это стандартизированный метод для поддержки служб с различными уровнями качества. При этом трафик разделяется с помощью меток на несколько групп в зависимости от QoS.

Мобильный WiMAX предусматривает применение многопротокольной коммутации с использованием меток (MPLS — Multiprotocol Label Switching). Эта технология работает с метками в пакетах данных и позволяет создавать выделенные коммутируемые потоки. Применение этих методов позволяет осуществлять IP-соединения с учетом QoS. Оптимальное использование времени, пространства и частоты обеспечивается механизмом образования подгрупп каналов на заданное время (subcanalization) и сигнализацией по отдельным каналам связи (ОКС), применяющей специальные сигнальные протоколы прикладного уровня (MAP — Mobile Application Part).

Наращиваемость. Технология WiMAX разработана так, что она способна наращивать каналы и работать при различных методах формирования каналов от 1,25 до 20 МГц, чтобы удовлетворить различные требования к использованию диапазона.

Все это позволяет достичь выгодных экономических решений в конкретной географической зоне, например, обеспечить доступный беспроводной Интернет в сельской местности, предоставлять мобильную связь в пригородах с малой плотностью абонентов и т. п.

Безопасность. Применяемые средства безопасности являются лучшими в классе расширяемых протоколов аутентификации (EAP — Extensible Authentication Protocol). Эти методы основаны на применении дополнительных средств помимо SIM-карты (одноразовые маркеры, цифровые подписи и пр.). Схемы шифрования основаны на усовершенствованном стандарте шифрования AES (Advanced Encryption Standard) и коде аутентификации сообщений на основе хеширования^{3Хеширование – метод шифрования с помощью табдицы, отображающей фрагменты открытого сообщения в шифрованную строку фиксированной длины.} (HMAC — Hash based Message Authentication Code). Эти методы поддерживают различные средства аутентификации: SIM- или USIM-карты, интеллектуальные карты (Smart Card), цифровые подписи, схемы "пользователь — пароль".

Мобильность. Мобильный WiMAX поддерживает оптимальные схемы передачи соединения (хэндовера) со временем задержки меньше чем 50 миллисекунд, чтобы гарантировать работу приложений, таких как VoIP, в реальном масштабе времени. Они выполняются без ухудшения обслуживания. Гибкие схемы управления ключами гарантируют безопасность в процессе передачи соединения.