Глава 2. Описание и технические характеристики аппаратуры WiMAX

Введение

 

Существующие системы проводной цифровой связи уже не могут в полной мере удовлетворять растущим потребностям высокоскоростного широкополосного доступа. Важнейшими их недостатками являются длительные сроки прокладки, сложности расширения, высокие затраты, проблема "последней мили". Основной является так называемая проблема "последней мили". Высокоскоростные цифровые соединительные линии DSL (Digital Subscriber Line) не снимают этой проблемы.

Целью курсового проекта является проектирование сети беспроводного широкополосного доступа на основе технологии mobile WiMAX.

WiMAX — одна из технологий, призванных решить проблему широкополосного доступа к транспортным сетям, а вдобавок избавить пользователей от необходимости проводного подключения. WiMAX должен обеспечить высокоскоростной, защищенный беспроводной доступ с поддержкой контроля над качеством на периферии сети.

Эта технология не является воплощением принципиально новой концепции. Скорее, ее стоит рассматривать как эволюционное развитие появившихся ранее технологий широкополосного беспроводного доступа (ШБД).

Основное достоинство WiMAX — наличие общепринятого стандарта, который позволяет производителям работать над одной технологией, обеспечивая взаимную совместимость оборудования.

Цель технологии WiMAX заключается в том, чтобы предоставить универсальный беспроводный доступ для широкого спектра устройств (рабочих станций, бытовой техники "умного дома", портативных устройств и мобильных телефонов) и их логического объединения - локальных сетей.

Надо отметить, что технология имеет ряд преимуществ:

ü По сравнению с проводными (xDSL, T1), беспроводными или спутниковыми системами сети WiMAX должны позволить операторам и сервис-провайдерам экономически эффективно охватить не только новых потенциальных пользователей, но и расширить спектр информационных и коммуникационных технологий для пользователей, уже имеющих фиксированный (стационарный) доступ.

ü Стандарт объединяет в себя технологии уровня оператора связи (для объединения многих подсетей и предоставления им доступа к Интернет), а также технологии "последней мили" (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя), что создает универсальность и, как следствие, повышает надёжность системы.

ü Беспроводные технологии более гибки и, как следствие, более просты в развёртывании, так как по мере необходимости могут масштабироваться.

ü Простота установки как фактор уменьшения затрат на развертывание сетей в развивающихся странах, малонаселённых или удалённых районах.

ü Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. WiMAX благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами.

ü Технология WiMAX изначально содержит в себе протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать её в локальные сети.

ü Технология WiMAX подходит для фиксированных, перемещаемых и подвижных объектов сетей на единой инфраструктуре.

 

Глава 1. Сравнение существующих систем радиодоступа и обоснование выбора для проектируемой сети

 

На сегодняшний день существует огромное количество технологий беспроводной передачи данных, такие как Bluetooth, UWB, Wi-Fi, DECT и др. Характеристики данных технологий представлены в табл. 1.1.

Эти технологии имеют различные области применения. Они предназначены для организации небольших беспроводных сетей внутри помещений и построения беспроводных мостов. Технология WiMAX, в свою очередь, предназначена для организации широкополосной связи вне помещений и для организации крупномасштабных сетей. WiMAX разрабатывался как городская вычислительная сеть (MAN).

 

Табл. 1. 1. Характеристики технологий беспроводных систем доступа

WPAN
IEEE 802.15.3 (Bluetooth v 1.3)	от 11 до 55 Мбит/с	до 100 м
IEEE 802.15.3a (UWB)	100 Мб/с – 1,3 Гб/с	5 – 10 м
WLAN
IEEE 802.11a (Wi-Fi)	до 54 Мб/с	до 100 м
IEEE 802.11b	до 11 Мб/с	до 100 м
IEEE 802.11g	до 108 Мб/с	до 100 м
IEEE 802.11n	до 300 Мб/с	до 100 м
DECT	70 Кб/с	30-70 м
WMAN
IEEE 802.16.2004 (fixed WiMAX)	30-40 Мб/с (до 75 Мб/с)	до 50 км
IEEE 802.16e (Mobile WiMAX)	до 40 Мб/с

 

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.

 

 

Глава 2. Описание и технические характеристики аппаратуры WiMAX

 

К концу марта 2009 года WiMAX-форум зарегистрировал 94 модели сертифицированного WiMAX оборудования 36 различных производителей. Хотя в основном этот список содержит оборудование для фиксированного доступа, доля мобильного WiMAX постоянно растет. Широко представлено как базовое, так и абонентское оборудование.

Из наиболее значимых производителей оборудования для мобильного WiMAX отметим компании Alvarion (BreezeMAX 4Motion), Alcatel-Lucent (серия 97xx), Cisco System (BWX 8305 и BWX 2305), Huawei (DBTS 3900 и WASN9970), Motorola (wi4 WiMAX), Samsung (mobile WiMAX Udicell), ZTE и др. Оборудование большинства из них сертифицировано WiMAX-форумом.

Подробнее рассмотрим построение оборудования мобильного WiMAX на примере базовой и абонентской станций системы BreezeMAX 4Motion израильской компании Alvarion.

Система 4Motion – это полнофункциональное решение мобильного WiMAX операторского класса, с открытой архитектурой, позволяющее сопрягать оборудование различных производителей в одной сети.

Платформа BreezeMAX 4Motion включает четыре основные составляющие: абонентские и базовые станции, шлюзы сети доступа (ASN-шлюзы) и серверы системы управления авторизацией, аутентификацией и доступом (ААА-серверы). Последние представляют собой достаточно стандартные сетевые серверы (производители, которые не имеют своих AAA-серверов, обычно используют оборудование компаний Bridgewater и Cisco), вся их функциональность реализуется программно, поэтому я не буду рассматривать их. Остальные три элемента обеспечивают прохождение данных пользователя между оконечными устройствами (мобильными станциями, узлами IP-сетей и т.п.).

 

2.1 ASN шлюзы

 

Система BreezeMAX 4Motion может быть реализована с двумя типами ASN-шлюзов: распределенным и централизованным. В случае распределенной модели функции ASN-шлюзов реализуют устройства в составе БС (модуль устройства сетевой обработки NPU) для сетей с малой емкостью (рис.2.1.а). Централизованный ASN-шлюз предназначен для сетей большого масштаба с сотнями базовых станций и десятками тысяч абонентов внутри сети (рис.2.1.б). Шлюз ASN – это логическое устройство, связывающее БС с другими сетями доступа. Шлюз ASN обеспечивает связность как на уровне каналов передачи данных, так и на уровне управления.

 

2.2 Базовая станция BreezeMAX 4Motion

 

Базовая станция обеспечивает все необходимые функции для организации соединений по радиоканалу с абонентскими устройствами станции и по каналу GB Ethernet – для подключения к магистральному каналу сети провайдера. Она полностью соответствует всем требованиям стандарта IEEE 802.16e и сертификационным профилям WiMAX. Станция поддерживает режимы масштабируемой OFDMA, т.е. может работать с каналами шириной 20, 10 и 5 МГц (2048, 1024 и 512 формальных поднесущих, соответственно).

Базовая станция BreezeMAX обладает модульной архитектурой, что позволяет легко масштабировать систему и воплощать требуемую конфигурацию. Оборудование БС построено на основе шасси Compact PCI высотой 8U (рис. 2.2) предназначенного для установки инсталляции в 19- или 22-дюймовые стойки.

Компоненты базовой станции

•NPU –Модуль сетевой обработки (1+1).

Функции:

· Работа в прозрачном режиме (включает внешний ASNGW) или режиме ASN-GW (BWG-IS)

· Общие действия по управлению секцией

o Управление и диагностика AU

o Управление и контроль PSU и ACU

o Быстрое переключение & поддержка резервирования

· Управление сигнализацией, включая наружную сигнализацию

· Синхронизация

o Взаимодействие с GPS антенной.

o Синхронизация и IF настройки формирования/распределения сигнала

o Поддержка хэндовера

· Особенности безопасности

o Списки доступов

o Оценка ограничений доступа (DoS)

· QoS обозначение/присвоение для E2E QoS

· Используемые частоты для проектируемых устройств2.3ГГц: 2,300 – 2,360 МГц

o 2.5ГГц: 2,500 – 2,690 МГц

o 3.5ГГц: 3,400 – 3,800 МГц

o 3.3ГГц: 3,300 – 3,400 МГц

· Конфигурации 1Rx/1Tx, 2Rx/1Tx, 4Rx/2Tx, 4Rx/4Tx

o Выходная мощность : 34-39дБ

o Ширина канала до 20 МГц

o Разнесение антенн, технология MIMO и использование диаграммы направленности

•AU –Устройство доступа (6+1)

Выполняемые функции AU/BS:

· 802.16e многоканальная OFDMA PHY

· Выполняются функции R1/R6/R8

· гибкий размер FFT(быстрого преобразования Фурье)–до 2048 несущих частот

· Гибкая ширина канала – до 20 МГц

· Поддержка до 4 каналов (Tx/Rx)

· многообразие AAS

· высокоэффективный CDMA детектор

· IF подключается к RF ODU

· Широкий выбор повторного использования моделей

· Улучшенное шифрование каналов (CTC)

· HARQ

· Оценка приспособленности

· Фрагментация/ повторная сборка

· Экономия энергии

· Управление хэндовером(переключением абонентского устройства с одной БС на другую)

· Управление питанием

· Управление сигналом (сетевой вход, основы взаимодействия двух абонентов сети, аутентификация и регистрация, управление соединением)

· QoS PEP для воздушного интерфейсного трафика

· Составление расписания –вычисление лимита выделяемого ресурса при подключении для доставки всех типов данных

· Формирование кадров/пакетов

· Составление маршрута передачи данных R6 (GRE) и интерфейса 802.16e Аутентификация трафика и шифрование

· Аутентификация при помощи реле

· Приемник кода безопасности

· Взаимодействие клиент/сервер

· Процесс определения IP-адреса

•PIU –Модуль интерфейса питания (1+1)

•AVU –Модуль воздушной вентиляции

•PSU –Модуль источника питания (3+1)

 

Рис. 2.2. 19-ти дюймовое шасси базовой станции BreezeMAX со всеми установленными модулями

 

Таблица 2.1 Технические характеристики базовой станции BreezeMAX 4Motion

Частотный диапазон:	2.3 ГГц	2,305 - 2,360 МГц
	2.5 ГГц	2,305 - 2,360 МГц
	3.5 ГГц	3,399 - 3,600 МГц
	5.2 ГГц	5,150 - 5,350 МГц
Выходная мощность	34-39 дБ
Модуляция	OFDMА 1024/512 FFT с адаптивной саб-модуляцией: QPSK, 16QAM, 64QAM
Ширина канала	5 МГц, 10 МГц, 20 МГц (выбирается программно)
Разрешение центральной частоты	0.125 МГц
Чувствительность, типовые значения	-80 dBm для самого высокого уровня модуляции (QAM64)@5 МГц -98 dBm для самого высокого уровня модуляции (BPSK)@5 МГц

 

2.3 Антенные системы

 

В платформе 4Motion предполагается использовать несколько конфигураций антенн. Так, для формирования независимых потоков в каждом антенном канале предлагается три варианта: разнесенные антенны с различной поляризацией Антенны должны быть разнее сены на расстояние не менее 10 длин волн (l). Как правило, для этого используются две двухэлементные антенны с взаимной поляризацией элементов 90°, но подключаются только по одному элементу в антенне. Использование кросс поляризационных антенн с поляризацией ±45° относительно линии горизонта объясняется тем, что при переотражении сигналов изменяется их поляризация. Второй вариант подразумевает применение Х-образной антенны с двумя элементами со взаимно-ортогональной поляризацией. Такая поляризация обеспечивает разнесение каналов не менее чем на 20 дБ. Оба этих варианта позволяют организовать передачу по двум независимым каналам.

Для реализации передачи по четырем каналам рекомендована четырехэлементная антенная система – две Х-образные антенны (как в предыдущем варианте), разнесенные друг 0от друга не менее чем на 10l. Во всех этих вариантах подразумевается, что каждый антенный элемент формирует луч шириной 65° в азимутальной плоскости и 7° – в вертикальной (по уровню 3 дБ), уровень боковых лучей до -30 дБ в азимутальной плоскости и -17 дБ – в вертикальной. Для задач адаптивного формирования диаграммы направленности используют антенные массивы из четырех близко расположенных элементов с вертикальной поляризацией. Однако для смешанных режимов этот вариант не оптимален.

 

2.4 Абонентское оборудование

 

С платформой BreezeMAX 4Motion предлагается несколько вариантов оборудования конечного пользователя (CPE), которые позволяют операторам эффективно обслуживать разнообразных пользователей в деловых и жилых секторах (рис.11). Выпускается четыре варианта CPE: для наружного монтажа – устройства BreezeMAX PRO CPE (с наружным и внутренним модулями), для установки внутри помещений самостоятельно инсталлируемые устройства BreezeMAX 4Motion Si, а также модемы в формате PC Card и USB Dangle.

Устройство BreezeMAX 4Motion Si – это компактное, портативное устройство, инсталлируемое непосредственно конечным пользователем. Оно напрямую подключается к ПК и активируется через SIM-карту или с помощью специального приложения. Так же, как и абонентское устройство PRO, портативная абонентская станция выпускается в двух вариантах – на чипсете Intel RD2 и на чипсете компании Beceem. В первом случае устройство оснащено шестью антеннами, расположенными под корпусом.

Устройство на чипсете Beceem оснащено двумя небольшими всенаправленными антеннами. Выпускается несколько вариантов устройств BreezeMAX 4Motion Si для каждого из диапазонов 2,3; 2,5 и 3,5 ГГц. Все они включают обязательный интерфейс IEEE 802.3 Ethernet 10/100-BaseT (от 1 до 4 портов RJ-45). Опционально устройства оснащаются модулем IEEE 802.11b/g для организации локальной точки доступа, а также голосовым шлюзом для передачи VoIP.

BreezeMAX 4Motio PC Card – это сетевой адаптер на чипсете Beceem, позволяющий подключать к сети мобильного WiMAX переносной компьютер. Он выпускается для каждого из диапазонов 2,3; 2,5 и 3,5 ГГц и при ширине канала 10 МГц обеспечивает максимальную скорость в нисходящем канале до 20 Мбит/с, в восходящем – до 7 Мбит/с. Ширина канала задается при конфигурации и может составить 5; 7; 8,75 и 10 МГц. На карте находятся две выдвигающиеся антенны, регулирование положения которых, при необходимости, позволит улучшить прием сигнала. Возможна работа на удалении до 5 км от базовой станции.

Устройство US210 – это WiMAX USB-адаптер для ПК. Адаптер полностью соответствует стандарту IEEE 802.16e и поддерживает мобильное беспроводное соединение на скорости до 130 км/ч. Устройство инсталлируется и настраивается конечным пользователем, пиковая скорость в нисходящем канале – до 33 Мбит/с, в восходящем – до 7 Мбит/с. Работает в частотных диапазонах 2,3; 2,5 и 3,5 ГГц. Мощность передатчика – 23 дБм, усиление антенны – 2 дБ от изотропной мощности. Благодаря одной передающей и двум приемным антеннам US210 поддерживает MIMO-технологию. Энергопотребление – 2,4 Вт при мощности в антенне 23 дБм.