Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Темой данного выпускной квалификационной работы является проектирование многоканальной телекоммуникационной сети в г. Егорьевск Егорьевского района Московской области. Для организации вышеуказанной сети, я выбрала технологию, основанную на базе стандарта WiMAX IEEE 802.16.

Беспроводные сети обладают не малыми преимуществами, по сравнению с проводными, традиционными сетями. Такими преимуществами являются:

- простота развертывания сети;

- гибкость архитектуры;

- быстрота проектирования и реализации, что необходимо при жестких требованиях (например, к времени построения сети);

- нет необходимости прокладки кабелей.

Актуальность темы исследования состоит в интенсивном развитии беспроводных сетей и ставит задачи увеличения их производительности - и в том числе - разработки алгоритмов функционирования МАС-слоев, обеспечивающих своевременную и надежную передачу информации, уменьшающих время на выделение ресурсов абонентским станциям и позволяющих эффективно управлять их мощностью и распределять пропускную способность сети между ними при соблюдении регламентированного уровня качества обслуживания различных видов трафика.

Механизмы распределения ресурсов в сетях WiMAX становятся критически важными для обеспечения требуемого качества обслуживания и надежности функционирования этих сетей. Сети WiMAX, функционирующие на основе рекомендаций IEEE 802.16, реализуют механизм обеспечения, требуемого для различных видов трафика качества обслуживания путём предоставления определённого ресурса -- полосы передачи -- в соответствии с запросом абонентской станции. Для реализации механизма запроса полосы стандартом предусмотрен конкретный временной интервал в кадре восходящей связи, который может варьироваться по длительности, и величина которого отражается на общей длительности слотов для передачи пользовательских данных. Поэтому задача поиска эффективных методов управления величиной интервала запроса полосы и разработка алгоритма построения сетей WiMAX представляется актуальной.

Системы беспроводной сети передачи данных существуют уже значительное время. Однако в последние 15-20 лет развиваются чрезвычайно интенсивно, став одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии. Название «WiMAX» было создано WiMAX Forum -- организацией, основанной в июне 2001 года с целью продвижения и развития технологии беспроводного широкополосного доступа.

WiMAX имеет огромные преимущества в организации современной беспроводной сети. Пропускная способность каналов данной сети нисколько не уступает проводным технологиям. Дальность распространения радиоволн в несколько раз превышает, обыденных Wi-Fi сетей, что позволяет организовать крупномасштабные сети в рамках города. Главное преимущество технологии WiMAX является то, что возможно обслуживать не только статичных пользователей услуги, но и тех, кто постоянно находятся в пути.

Объектом исследования является передача информации по радиоканальному доступу современных телекоммуникационных сетей на основе широкополосной беспроводной технологии WiMAX.

Предметом исследования выступает сеть широкополосного доступа в Интернет на базе WIMAX территории Егорьевского района г. Егорьевск.

Целью данного проекта является организация сети широкополосного доступа в Интернет на территории Егорьевского района г. Егорьевск. В ходе проектирования данной сети требуется рассмотреть и проанализировать все факторы, для обеспечения абонентов качественной услугой. Для реализации сети WIMAX в выпускной квалификационной работе решаются следующие задачи:

- разработать схему организации на основе технологии WiMAX, обеспечивающую услугами передачи данных в Егорьевском районе;

- выбрать аппаратуру приемо-передающих станций;

- рассчитать зоны покрытия каждой базовой станции, а также произвести расчет пропускной способности сети связи.

1. Развитие сетей WIMAX

1.1 История WiMAX

К концу прошлого столетия существовало много закрытых решений в области развертывания глобальных беспроводных сетей. Устройства, ориентированные на каждое из решений, конфликтовали между собой, а построение сети обходилось слишком дорого. Преодолеть эти проблемы можно было, только избавившись от закрытости форматов, что и было сделано в 1999 году.

Крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования совместно с ассоциацией IEEE договорились о выработке единого стандарта беспроводной широкополосной связи. Так появился IEEE 802.16, а в 2001 году организации, развивающие его, образовали WiMAX Forum. Тогда же новый стандарт и назвали по имени этого консорциума.

Во-первых, на базе новой технологии создаются магистральные каналы передачи данных, заменяющие собой привычные «выделенки» и DSL-соединения. Wi-Fi же, при всем многообразии вариантов организации локальных беспроводных сетей, -- практически всегда лишь посредник между узлом связи провайдера и пользовательским устройством. Поэтому нередки случаи, когда точки доступа Wi-Fi (так называемые хотспоты) и даже целые сети таких хот-спотов объединяются между собой посредством технологии WiMAX.

Во-вторых, из-за достаточно большой дальности действия передатчиков (до 50 км) и очень низкой чувствительности радиосигнала к различного рода препятствиям WiMAX-точки доступа в Интернете можно создавать без привязки к географическому положению (что, собственно, и отражает название WiMAX).

Все эти факторы позволили создателям WiMAX заявить, что их детище пригодно для развертывания вычислительных беспроводных сетей городского масштаба -- Wireless Metropolitan Access Network (WMAN).

1.2 Технологические особенности WiMAX

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) -- это технология высокоскоростной беспроводной передачи данных, имеющая в настоящее время широкое распространение в качестве способа предоставления широкополосного абонентского доступа. 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, основанной в июне 2001 года с целью продвижения и развития технологии беспроводного широкополосного доступа. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, которая предоставляет высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям и DSL». Максимальная скорость -- до 1 Гбит/сек на ячейку.

Особенности WiMAX:

1) В сетях WiMAX реализован принцип разделения приоритета доступа, так называемый «Quality of Service» (уровень обслуживания -- QoS). Не вникая в технологические тонкости, можно сказать, что на практике это выглядит следующим образом: каждый абонент получает канал связи, который закрепляется только за ним. В то же время передача пакетов информации осуществляется с определенной временной задержкой (джиттером). Благодаря такой раздельной схеме работы канал не «забивается» и сохраняется устойчивая связь. Когда же подключенное устройство выходит из зоны действия конкретной базовой станции, его канал связи передается следующей.

2) Для обеспечения связи используется технология ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), а также ее варианты множественного доступа абонентов - OFDMA и SOFDMA.

В этом случае ширина канала делится между несколькими поднесущими (до 2048), а широкополосный сигнал передается посредством независимой модуляции узкополосных поднесущих. Главное преимущество OFDM заключается в том, что продолжительность символа в поднесущей значительно больше в сравнении с задержкой распространения, чем в традиционных схемах модуляции. Это делает OFDM гораздо устойчивее к межсимвольной интерференции.

3) В сетях WiMAX доступно несколько видов модуляции и значений ширины канала, что позволяет динамически определять пропускную способность.

1.3 Этапы развития стандарта WiMAX

Стандарт WiMAX - Worldwide interoperability for Microwave Access, вышел в свет в конце 2001г. В соответствии с иерархией стандартов беспроводного доступа он относится к классу MAN (Metropolitan Area Network). По ряду показателей, таких как пропускная способность, покрытие территории и предоставляемые услуги, WiMAX превосходит стандарт Wi-Fi (IEEE802.11) класса LAN (Local Area Network), позволяя при развитой инфраструктуре строить региональные, национальные и даже глобальные сети.

На физическом уровне в стандарте WiMAX применяют две принципиально разные технологии. Данные можно передавать, модулируя одну несущую частоту (SC - Single Carrier) или множество поднесущих - технология OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

В режиме SC к радиоканалам предъявляют те же требования, что и в радиорелейных сетях: использование только прямых лучей и применение узконаправленных антенн, подавление всех отраженных лучей с целью устранения межсимвольной интерференции. В связи с этим технологию SC невозможно использовать в сетях массового пользования с многолучевым распространением радиоволн в каналах связи.

Переход к технологии OFDM произошел в 2003г при появлении нового стандарта WiMAX: 802.16-2003 (802.16a). Данная технология позволяет устранить межсимвольную интерференцию. Логическим продолжением стандартов 802.16 и 802.16a стал стандарт 802.16-2004 (802.16d), который предусматривал возможность реализации фиксированного доступа внутри помещений. 802.16-2004 заменил собой все существовавшие прежде версии.

В следующей версии стандарта 802.16e были существенно изменены параметры OFDM, также появилась возможность реализации хэндоверов. В настоящее время стандарт 802.16е является базовым в действующих сетях WiMAX. Данный стандарт предусматривает кроме фиксированного (стационарного) еще и мобильный доступ. Именно поэтому стандарт IEEE 802.16e-2005 иногда называют Mobile WiMAX, хотя это не совсем верно.

Всего в стандарте IEEE 802.16e-2005 четыре режима работы:

- Fixed WiMAX -- фиксированный доступ;

- Nomadic WiMAX -- сеансовый доступ (свободное перемещение клиентского оборудования между сессиями);

- Portable WiMAX -- доступ в режиме перемещения (возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения при передвижении со скоростью до 40 км/ч);

- Mobile WiMAX -- мобильный доступ (скорость перемещения клиентского оборудования до 120 км/ч).

Отличительной особенностью стандарта 802.16e является применение масштабируемого OFDM-доступа (SOFDMA), что позволяет выделять определенным базовым и абонентским станциям не полный ресурс, а его часть в соответствующей полосе рабочих частот. Кроме того, число поднесущих зависит от ширины канала, что дает возможность сохранить постоянным разнос частот между поднесущими и активную длину символа

Последние несколько лет 802.16е постоянно совершенствовали. Например, он был дополнен стандартами 802.16i и 802.16j. Последний позволяет расширять существующие сети, применяя ретрансляторы.

В 2011 году был утвержден новый вариант стандарта WiMAX - 802.16m (полноценный 4G). Он предназначен для построения сетей с пропускной способностью выше 100 Мбит/с и для реализации ряда новых перспективных услуг.

Этапы усовершенствования стандарта WiMAX приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Этапы развития стандарта WiMAX

Стандарт	Дата	Полосы частот, ГГц	Мобильность	Технологии	Модуляция	Наличие прямой видимости	Ширина канала, МГц
802.16	12.2001	10 - 66	нет	SC (одна несущая)	QPSK, 16QAM, 64QAM	да	25; 28
802.16a	01.2003	2 - 11	нет	SC (одна несущая)	BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM	да	3,5; 7 (license) 10; 20 (no license)
				OFDM (256 несущих)	BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM	нет	1,75; 3; 3,5; 5,5; 7; 10
				OFDMA (2048 несущих)	QPSK, 16QAM, 64QAM	нет	1,25; 3,5; 7; 14; 28 (license) 10; 20 (no license
802.16-2004 (802.16d)	06.2004	Аналогично 802.16a
802.16е	12.2005	10 - 66 2 - 11 (фикс.)2 - 6 (моб.)	есть	SOFDMA (128, 512, 1024, 2048 несущих)	BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM	нет	1,25; 5; 10; 20
802.16k, i, j	2007-2009	Аналогично 802.16е
802.16m	2011	Ниже 3,6	Аналогично 802.16е

1.4 Покрытие Московского региона сетью WiMAX

WiMAX в регионах России представлен двумя крупными компаниями, это Yota, созданная на основе ОАО Мегафон и ООО Скартел, а также компания ОАО «Комстар -- Объединённые ТелеСистемы».

По состоянию на 2016 год, международная компания Yota Devices никак не связана с ООО Скартел. В коммерческую эксплуатацию запущены сети 4G в 39 регионах России. Ожидается запуск 4G в других городах. По данным на конец 2014 года, абонентская база Yota составляла 1,2 млн пользователей.

ОАО «Комстар -- Объединённые ТелеСистемы», сокращенно именуется в деловом обороте -- «Комстар-ОТС».

«Комстар-ОТС» обслуживает более 4 млн абонентов, оказывая услуги голосовой связи, передачи данных, доступа в Интернет (в том числе по технологии WiMAX) и платного телевидения. «Комстару» принадлежала цифровая волоконно-оптическая транспортная сеть общей протяжённостью свыше 6000 км, охватывающая всю территорию Москвы.

Доля компании на рынке широкополосного доступа а Интернет в Москве (1-й квартал 2009) -- 30 %.

У компании имеются филиалы и региональные представительства в разных регионах России.



Рисунок 1.1 - Карта покрытия WIMAX Московского региона

На сайте обоих московских WiMAX-операторов вывешено предупреждение о том, что представленное на карте качество сигнала может отличаться от заявленного.

Сети фиксированного WiMAX, рассмотренные в выпускной квалификационной работе не конкурируют с сетями Wi-Fi, предназначенными для построения внутриофисных локальных беспроводных WLAN сетей.

Сегмент рынка индивидуальных пользователей общий как для фиксированного, так для мобильного WiMAX. В данном сегменте рынка сети фиксированного WiMAX в основном конкурируют с сетями DSL. При этом сети фиксированного WiMAX имеют конкурентные преимущества по обеспечиваемой скорости передачи данных по сравнению с сетями DSL при обслуживании индивидуальных абонентов, расположенных на больших (более 5 км) дальностях от операторского оборудования доступа.

В первой главе освещены вопросы развития сетей WiMAX, ее технологические особенности, этапы развития данной технологии и покрытие Московского региона сетью WiMAX.

2. Обзор технологии WiMAX

2.1 Фиксированный и мобильный вариант доступа в интернет

Основным недостатком систем мобильной связи второго поколения (2G) является низкая скорость передачи данных: при использовании технологии GPRS - 172 кбит/с, технологии EDGE - 474 кбит/с.

Для удовлетворения возрастающего мирового спроса на высокоскоростные технологии и переходу к мобильным сетям третьего поколения на основе пакетной передачи данных, были сформированы два глобальных партнерских объединения - 3GPP и 3GPP2.

В результате работы первого объединения была сформирована технология WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), которая легла в основу проекта наземного мобильного сегмента европейской универсальной системы телекоммуникаций UMTS как эволюции сетей GSM. Членами объединения 3GPP2 был предложен эволюционный путь развития стандарта CDMAOne - CDMA 2000, который в настоящее время широко распространен в США.

В соответствии со спецификациями 3GPP для стандарта UMTS с частотным дуплексом выделена основная рабочая полоса частот 1920-1980 МГц для восходящего направления и 2110-2170 МГц для нисходящего направления передачи. UMTS развертывается путем внедрения технологий радиоинтерфейса WCDMA на ядро сети GSM. Система поддерживает скорости передачи данных до 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и до 384 кбит/с для мобильных абонентов. В основе WCDMA лежит кодовое разделение каналов и расширение спектра методом прямой последовательности в полосе 5 МГц, что позволяет передавать сигналы множества пользователей за счет использования ортогональных кодовых последовательностей.

Дальнейшим развитием сетей стандарта UMTS на основе радиоинтерфейса WCDMA стало появление семейства технологий высокоскоростной передачи данных HSPA (High Speed Packet Access), в которую входят HSDPA (высокоскоростная передача в нисходящем канале от базовой станции к абоненту) и HSUPA (высокоскоростная передача в восходящем канале от абонента к базовой станции).

Увеличение скорости достигается за счет использования нового вида модуляции 16QAM. В нисходящем канале (HSDPA) максимальная теоретическая скорость составляет 14,4 Мбит/с, а в восходящем - 5,76 Мбит/с.

Эволюцией HSPA (в частности HSDPA) стало появление технологии HSPA+. В данном случае добавлен новый вид модуляции 64QAM (максимальная теоретическая скорость достигает 21,1 Мбит/с) и технология MIMO (в сочетании с 64QAM максимальная теоретическая скорость 42,2 Мбит/с).

Сети с использованием технологии HSPA/HSPA+ называют сетями «3,75G» и рассматривают как переходный этап к сетям четвертого поколения 4G.

Сети LTE и WiMAX 802.16e относят к промежуточному этапу между сетями 3,75G и полноценными сетями 4G.

Четвертое поколение мобильной связи 4G - это наиболее перспективное направление, которое развивается по линии частотного уплотнения.. К четвёртому поколению принято относить технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с - подвижным (с высокой мобильностью) и 1 Гбит/с - стационарным абонентам (с низкой мобильностью). Технологии LTE Advance (LTE-A) и WiMAX (WMAN-Advanced, IEEE 802.16m) были официально признаны беспроводными стандартами связи четвёртого поколения 4G Международным союзом электросвязи на конференции в Женеве в 2012 году.

Технология WiMAX подходит для решения следующих задач:

- беспроводное соединение точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими элементами Интернета;

- обеспечение беспроводного широкополосного доступа в Интернет как альтернатива выделенным линиям и линиям DSL;

- предоставление высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг;

- создание точек доступа, не привязанных к географическому положению;

- создание систем удалённого мониторинга (мониторинг системы), как это имеет место в системе SCADA.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у современных 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 населенных пунктов (город, село, поселок).

При построении сетевой инфраструктуры мобильного и фиксированного доступа применяются две принципиально различные стратегии.

Для эффективного предоставления фиксированного доступа применяется стратегия размещения базовых станции WiMAX, обеспечивающая покрытие услугой максимальных по площади территорий с обеспечением требуемой плотности потока данных, оцениваемую пропускной способностью (скоростью передачи данных), приходящуюся на единицу площади обслуживаемой территории. Обычно для каждого сектора WiMAX станции фиксированного доступа потребная плотность потока данных необходима для обслуживания относительно небольшого количества корпоративных и домашних пользователей. В большинстве практических случаев один сектор (60-120 град) WiMAX базовой станции фиксированного доступа с производительностью примерно 30 Mbps в канале шириной 10 МГц обеспечивает достаточную для обслуживания до нескольких десятков корпоративных абонентов и домашних пользователей. В случае увеличения потребной плотности потока данных (при увеличении количества обслуживаемых абонентов, либо повышения их потребностей в скорости передачи данных) определенные направления могут обслуживаться двумя и более секторами базовой станции.

Для эффективного предоставления широкополосного мобильного доступа WiMAX применяется стратегия максимизации плотности потока данных, обеспечивающая конкурентные преимущества по сравнению с системами 3G и проводными системами широкополосного проводного DSL доступа. Высокая плотность потока данных обеспечивается повышением плотности размещения базовых станций и увеличением количества частотных каналов (секторов), обслуживающих единицу площади обслуживаемой территории. При этом увеличение количества частотных каналов требует наличия соответствующего частотного ресурса. Сама по себе высокая пропускная способность оборудования WiMAX (равно как и любого другого оборудования, например, 3G или LTE) не дает каких-либо гарантий, что любой абонент получит высокую скорость передачи данных (производительность своего индивидуального канала связи) при массовом обслуживании абонентов. А вот достижение высокой плотности потока данных, обусловленную наличием достаточного частотного ресурса, позволяет предоставлять высокую скорость передачи данных для каждого из абонентов, обслуживаемых на данной территории.

Технология WiMAX за счет высокой спектральной эффективности при наличии достаточного частотного ресурса в десятки и сотни мегагерц способна обеспечить требуемую (конкурентную) плотность потока данных для оказания массовой услуги передачи данных, голоса и видео. Плотность потока частотного спектра.

Таким образом, мобильные сети WiMAX характеризуются:

- высокой мощностью передатчиков базовых станций, что необходимо для обслуживания мобильных индивидуальных абонентов с встроенными маломощными антеннами в условиях плотной городской застройки и отсутствия прямой видимости;

- высокой плотностью размещения базовых станций с небольшим радиусом обслуживания (до 2 км) и высоким потреблением частотного ресурса на единицу обслуживаемой территории, что необходимо для предоставления высоких конкурентных скоростей передачи данных для каждого обслуживаемого абонента.

Сети WiMAX фиксированного доступа характеризуются:

- относительно невысокой мощностью передатчиков базовых станций, достаточной для обслуживания в условиях прямой видимости стационарных корпоративных и домашних пользователей, оснащенных антеннами с высоким усилением;

- невысокой плотностью размещения базовых станций с большим радиусом обслуживания и невысоким потреблением частотного ресурса на единицу обслуживаемой территории в условиях отсутствия конкуренции со стороны проводных систем.

Главным различием двух технологий является то, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч, что способствует улучшению удобства при использовании услуги Интернет в настоящее время. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями (хэндовер) при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). На рисунке 2.1 представлены различные сегменты рынка широкополосного доступа и обслуживающие их конкурирующие проводные и беспроводные сети.



Рисунок 2.1 - Сегменты рынка широкополосного доступа

В выпускной квалификационной работе будет рассматриваться построение сети WiMAX 802.16 фиксированного доступа в городе Егорьевск Егорьевского района Московской области.

Рассматриваемая сеть не конкурирует с сетями Wi-Fi, предназначенными для построения внутриофисных локальных беспроводных WLAN сетей.

2.2 Сравнение WiMAX с другими технологиями

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 WiMAX, в свою 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. Качество связи у WiMAX несколько лучше, чем у Wi-Fi сети. Например, когда некоторое количество пользователей подключены к одной точке доступа Wi- Fi, они буквально «дерутся» за доступ к каналу связи. В свою очередь, технология WiMAX обеспечивает каждому пользователю постоянный доступ. Алгоритм, построенный на технологии WiMAX, устанавливает ограничение на число пользователей для одной точки доступа. Когда базовая станция WiMAX приближается к максимуму своего потенциала, она автоматически перенаправляет «избыточных» пользователей на соседнюю базовую станцию.

Но WiMAX 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 Wi-Fi не составляет проблем.

Сравнение LTE и WiMAX представлено в таблице 2.1, из которой видно, что стандарт LTE превосходит по ряду параметров стандарт WiMAX. Это в первую очередь связано с тем, что стандарт LTE был разработан на несколько лет позднее технологии WiMAX, в котором были учтены и исправлены ряд недостатков стандарта WiMAX.

Таблица 2.1 - Сравнение сетей LTE и WiMAX

Характеристика	LTE	WiMAX	Влияние на систему
Многостационарный доступ	OFDMA на DLSC-FDMA на UL	OFDMA на DL и UL	Снижается пик-фактор, упрощается терминал, повышается КПД
Диспетчирезация частотных ресурсов	Селективная	Радиомизированная	Частотная селективная диспетчеризация- дополнительный энергетический выигрыш
Заголовки/служебная информация	Сравнительно малые заголовки	Достаточно большие заголовки	Снижение заголовков повышает спекральную эффективность
Объединение пакетов в HARQ	IncrementalRedundancy	Chase combining	Дополнительный энергитическийвыинрыш при использовании IncrementalRedundancy
Задержка на обработку пакетов	10мс	30 мс	Упрощенная архитектура сети LTE позволяет снизить задержку
Адаптация системы к каналу	Высокая точность (1-2 дБ)	Грубая настройка (2-3 дБ)	Адаптация системы с высокой точностью повышает спектральную эффективность
Управление мощностью	Частичное управление мощностью	Классический алгоритм	Частичное управление мощностью- компромисс между пропускной способностью на краю и в сумме по соте
Переиспользование частот	Коэффициент 1	Коэффициент 3	Меньше коэфф., выше спектр. эффективность

Существует ряд стандартов и технологий, касающихся каждого поколения беспроводных сетей - GSM, cdmaOne, GPRS, EDGE, CDMA2000, UMTS (также называемый 3GSM), HSDPA и другие.

Стоит отметить, что в настоящее время союз ITU (International Telecommunication Union) еще не утвердил набор стандартов для 4G. Однако на его роль уже предлагается парочка конкурирующих технологий - LTE и WiMAX. Многие провайдеры зачастую используют термин 4G для описания предлагаемых сейчас технологий, иногда даже искажая при этом действительность. Однако текущие реализации 4G по большей части относятся к pre-4G, т.к. они не полностью удовлетворяют скоростным требованиям 4G - в 1Гбит/сек для стационарного приема и в 100Мбит/сек для мобильного.

Помимо скоростей, для квалификации сети как 4G она должна удовлетворять и ряду других принципов. Вкратце, сеть должна быть чрезвычайно спектрально эффективной, должна динамически распределять и использовать свои ресурсы для поддержки большего одновременного числа пользователей на ячейку, должна предлагать высокое качество обслуживания для поддержки следующего поколения мультимедиа и должна быть основанной на коммутируемой сети all-IP.

Сегодняшние дебаты по поводу сетей 4G основываются на том, какая технология имеет наиболее выгодное положение. WiMAX доступен уже сейчас, но даже высшие руководители Sprint и Clearwire подтверждают, что LTE может, в конце концов, стать доминирующей мировой технологией 4G. Нельзя сказать, что они бьются в уже проигранной битве. Пока они верят, что WiMAX обладает большим потенциалом, и планируют продвигать технологию, но все-таки ее поддержка является, похоже, лишь вопросом времени. Интересно, но к тому моменту, как LTE придет на рынок, WiMAX будет доступен уже во многих городах.

2.3 MAC-уровень

Физический уровень стандарта IEEE 802.16 обеспечивает непосредственную доставку потоков данных между БС и АС. Все задачи, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы решаются на MAC (Medium Access Control) - уровне.

Оборудование стандарта IEEE 802.16 формирует транспортную среду для различных услуг (сервисов).

Первая задача, решаемая в IEEE 802.16, - это механизм поддержки разнообразных сервисов верхнего уровня. Разработчики стандарта стремились создать единый для всех приложений протокол MAC-уровня, независимо от особенностей физического канала (рисунок 2.2). Это существенно упрощает связь терминалов конечных пользователей с городской сетью передачи данных.

Физически среды передачи в разных фрагментах WMAN могут быть различны, но структура данных едина. В одном канале могут работать (не единовременно) сотни различных терминалов большого числа конечных пользователей.

Этим пользователям необходимы самые разные сервисы (приложения): передача голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.п. Качество услуг (QoS) каждого отдельного сервиса не должно изменяться при работе через сети IEEE 802.16. Алгоритмы и механизмы доступа МАС-уровня должны решать все эти задачи.

Рисунок 2.2 - Структура МАС-уровня стандарта IEEE 802.16

Структурно МАС-уровень IEEE 802.16 разделен на три подуровня (рисунок 2.2:

- подуровень преобразования сервиса CS (Convergence Sublayer);

- основной подуровень CPS (Common Part Sublayer);

- подуровень защиты PS (Privacy Sublayer)

Технологии, используемые в стандарте 802.16, требуют соответствующего управления радиоканалом, особенно управления характеристиками физического уровня передачи в зависимости от индивидуальных особенностей канала конкретного абонента и его потребностей в пропускной способности. Уровень управления радиоканалом RLC (Radio Link Control) обеспечивает как эти возможности, так и традиционные функции управления мощностью излучения.

2.4 Частотные диапазоны стандарта IEEE 802.16

В стандарте 802.16 предусмотрена работа в диапазонах 2…11 ГГц и 10-66 ГГц. При этом в диапазоне 10-66 ГГц радиосвязь возможна лишь в случае прямой видимости между фиксированными точками. Характеристики стандарта приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Характеристики стандарта IEEE 802.16

Стандарт	Дата	Полосы частот, ГГц	Наличие прямой видимости
802.16	12.2001	10 - 66	Да
802.16a	01.2003	2 - 11	Нет
802.16-2004 (802.16d)	06.2004	2 - 11	Нет
802.16е	12.2005	10 - 66, 2 - 11 (фикс.) 2 - 6 (моб.)	Нет

Поскольку технология WiMAX относится к беспроводным технологиям, передача информации осуществляется по радиоканалам, образованным между антеннами устройств, являющимися составными частями сети. При передаче излученного антенной радиосигнала за счет влияния среды меняются те или иные параметры сигнала. В результате принятый сигнал всегда отличается от переданного. Земная атмосфера для передачи электромагнитных волн является не самой лучшей средой. Радиоволны способны огибать препятствия (явление дифракции), размеры которых порядка длины волны и меньше. На рабочих частотах систем WiMAX длина волны менее 15 см, поэтому явление дифракции пренебрежимо мало. Представляют интерес два вида распространения сигнала: в условиях прямой видимости (LOS - Line of Sight) и в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS - Non Line of Sight). В условиях городской застройки характерно отсутствие прямой видимости.

В стандарте 802.16 используют технологии передачи (таблица 2.3).

В таблице 2.3 введены следующие обозначения:

- AAS - adaptive antenna system; адаптивная антенная система использования более, чем одной антенны на станциях для увеличения емкости сети и улучшения покрытия;

- ARQ - automatic repeat request; технология и используемый в ней информационный пакет, обеспечивающие повторную передачу непринятых пакетов;

- HARQ - hybrid automatic repeat request; гибридная технология повторной передачи непринятых пакетов;

- STC - space/time coding; пространственно-временное кодирование.

Таблица 2.3 - Технологии передачи в стандарте 802.16

Технология передачи	Диапазоны, ГГц	Технология (несущие)	Наличие прямой видимости	Дополнительные технологии	Варианты дуплекса
WirelessMAN-SC	10 - 66	SC (1)	да	-	Временной, частотный
WirelessMAN-SCa	2 - 11	SC (1) точка - многоточка	да	AAS, ARQ, STC, Мобильный	Временной, частотный
WirelessMAN-OFDM	2 - 11	OFDM (256) точка - многоточка	нет	AAS, ARQ, Mesh, STC, Мобильный	Временной, частотный
WirelessMAN-OFDMA	2 - 11	OFDMA (128, 512, 1024, 2048) точка - многоточка	нет	AAS, ARQ, HARQ, STC, Мобильный	Временной, частотный
WirelessMAN	2 - 11 (no license)	-	нет	AAS, ARQ, Mesh, STC	Временной

2.5 Дифференциация качества обслуживания QoS в сети WiMAX

На сетевом уровне сети WiMAX используют IP протокол передачи данных. Данный протокол повсеместно используется в компьютерных сетях, и в том числе, в сети Интернет. Тем самым, сеть WiMAX по своей сути является компьютерной сетью и предназначена для обмена данными между компьютерами. Использование IP протокола передачи данных на сетевом уровне систем BWA, и в том числе WiMAX, является традиционным и естественным. В то же время для других типов беспроводных сетей, ориентированных не на передачу данных, а, например, на оказание услуг мобильной телефонной связи, использование IP протокола на сетевом уровне является новым технологических решением. При использовании IP протокола любая информация, такая как данные, голос, видео для передачи по сети упаковывается в IP пакеты. Тем самым IP сеть является универсальной транспортной инфраструктурой для передачи всех видов информации- данных, голоса, видео и оказания соответствующих услуг.

Сети BWA фиксированного доступа предыдущего поколения, использующие сетевую IP инфраструктуру, имели ограниченные возможности по обеспечению качества обслуживания, требуемого для различных бизнес приложений, а также для передачи мультимедийного трафика. Что касается мультимедиа, то мало просто перепаковать голосовой или видео трафик в IP пакеты данных. Для оказания, например, голосовых и видео услуг необходимо еще обеспечить требуемые значения параметров канала связи, например, задержки пакетов, jitter, уровень ошибок и др. Cети WiMAX, благодаря реализации новых типов QoS по стандарту IEEE 802.16, впервые способны реально обеспечить необходимые параметры связи в топологии multipoint для всех возможных типов трафика независимо от загрузки каналов связи.

Возможность обеспечения требуемых параметров канала связи для различных категорий пользователей, поддержки работы различных приложений, критичных к качеству канала связи, например, VoIP телефонии, корпоративных программных систем, мультимедийных услуг и др. является одной из основных технических новинок WiMAX как технологии беспроводного доступа.

Сети BWA фиксированного доступа предыдущего поколения, в частности, preWiMAX или сети RadioEthernet не имеют возможности гарантировать параметры качества канала связи, задержку delay и колебания задержки jitter. Как правило, эти системы также реально не могут обеспечить и минимальную гарантированную скорость передачи данных CIR, не говоря уже о Constant Bit Rate (CBR). Устаревшие технологии BWA (preWiMAX, RadioEthernet) для поддержки требуемых параметров канала связи не имеет иных механизмов, кроме простейшей приоритизации пакетов данных на MAC и IP уровне, что принципиально не может гарантировать качество обслуживания QoS.

Для дифференциации сервиса и поддержки качества обслуживания система WiMAX имеет специальный механизм, унаследованный от технологии ATM, называемый подуровнем конвергенции Convergent Sublayer (CS). Подуровень конвергенции WiMAX представляет собой программный интерфейс канального уровня к сетевому уровню сети. Работа подуровня конвергенции основана на фильтрации в общем сетевом трафике по специальным идентификаторам, называемых классификаторами Classifier, так называемых сервисных потоков Service Flow (SF), c предоставлением каждому выделенному SF на канальном MAC уровне сети требуемого качества обслуживания QoS.

Сервисный поток SF является ключевой концепцией MAC уровня технологии WiMAX. Каждый SF описывает однонаправленный нисходящий Downlink или восходящий Uplink трафик, для которого задается и обеспечивается определенный тип класса обслуживания QoS c требуемыми параметрами по скорости передачи данных, задержке, колебанию задержки.

Помимо Service Flow в WiMAX опционально используется понятие класс обслуживания Service Class (CS), представляющее собой описание используемого типа QoS и его параметров (атрибутов), например:

- обеспечиваемая гарантированная (резервируемая) скорость передачи данных Minimum Reserved Traffic Rate ( MRTR);

- максимальная поддерживаемая скорость передачи данных Maximum Sustained Traffic Rate (MSTR);

- maximum Latency, определяющая допустимую задержку delay в канале;

- допустимое значение колебаний задержки Tolerated Jitter и др.

Таким образом, в сети WiMAX, во-первых, весь трафик может быть классифицирован и разделен на множество сервисных потоков SF, во-вторых, для каждого сервисного потока, обслуживающего работу того или иного приложения и/или пользователя задается уровень качества QoS обслуживания с требуемыми параметры канала связи.

Сервисные потоки Service Flow проводят дифференциацию типа трафика, приложений, пользователей и сетевых устройств по:

- MAC адресам источника и получателя пакетов данных Ethernet;

- Типу Ethernet пакетов;

- Идентификаторам виртуальных локальных сетей VLAN по стандарту IEEE 802.11Q- 1998;

- Типу сервиса на IP уровне сети IP Type of Service;

- IP адресам источника и получателя IP пакета данных;

- типу протокола, типу порта источника и получателя данных (TCP, UDP, FTP, mail, HTTP и др).

В сетях WiMAX тип качества обслуживания QoS поддерживается только в UL канале. В поддержке того или иного типа QoS в DL канале нет необходимости, поскольку протокол конкурентного множественного доступа TDMA работает только в UL канале. При этом в некоторых реализациях тип QoS может задаваться в Service Flow UL канала, но реально базовая станция поддерживает только приоритизацию и другие параметры канала связи, а сам тип QoS игнорируется. В таблице 2.4. представлены типы QoS, поддерживаемые в сетях WiMAX.

Таблица 2.4 - Типы качества обслуживания в сетях WiMAX

Тип QoS	Абревиатура	Функциональность	Применение
Unsolicited Grant Service	UGS	Передача пакетов данных фиксированной длины с гарантированной скоростью (Constant Bit Rate CBR ) и гарантированной maх задержкой latency и jitter.	Передача TDM потоков цифровой E1 телефонии
Extended Real-time Polling Service	ertPS	Передача пакетов данных переменной длины с гарантированной минимальной CIR скоростью и ограничением максимальной MIR скорости, гарантированной maх задержкой latency и jitter c приоритизацией трафика	Телефония VoIP
Real-time Polling Service	rtPS	Передача пакетов данных переменной длины с гарантированной минимальной CIR скоростью и ограничением максимальной MIR скорости, гарантированной maх уровнем задержки latency с приоритизацией трафика. Уровень колебания задержки jitter не гарантируется	Передача цифрового MPEG видео
Non-real-time Polling Service	nrtPS	Передача пакетов данных переменной длины с гарантированной минимальной CIR и ограничением максимальной MIR скорости и приоритизацией трафика. Значения задержки latency не гарантируются	Передача FTP с гарантированной минимальной скоростью

При обслуживании индивидуальных пользователей классификаторы трафика и QoS позволяют дифференцировать сервиc c поддержкой качества обслуживания как для различных категорий индивидуальных беспроводных абонентов сети WiMAX (пользователей, оснащенных абонентским терминалом WiMAX), так и для различных категорий пользователей, сетевых устройств и приложений в проводном сегменте сети (ЛВС, подключенной к абонентскому терминалу WiMAX), например, для пользователей домовой сети в многоквартирном доме, подключенном в сеть WiMAX через один абонентский WiMAX терминал.

2.6 Архитектура WiMAX

Достаточно бегло рассмотрены основные принципы организации WiMAX-сетей. При этом вне пределов нашего внимания остались столь важные вопросы, как реализация процедур ААА для различных конфигураций WiMAX-сетей, механизмы назначения IP-адресов, процедуры соединения, хендовера и т. п.

Отметим, что многие вопросы пока вообще не отражены в стандартах WiMAX-сети, но это, видимо, - лишь дело времени. Процесс стандартизации WiMAX-сетей отстает от их практической реализации только потому, что сама по себе технология WiMAX чрезвычайно нова, однако весьма востребована рынком. Архитектура сети WiMAX представлена на рисунке 2.3.



Рисунок 2.3 - Архитектура WiMAX:

SS/MS - Subscriber Station/Mobile Station;

BS - Base Station, базовая станция, часть ASN;

R1 - физический интерфейс пользователя;

R2 - виртуальный (логический) интерфейс пользователя;

R3, R6 - внутренние служебные интерфейсы сети;

ASN - Access Service Network -- сеть доступа;

ASN-GW - ASN Gateway, шлюз, часть ASN;

CSN - Connectivity Service Network;

HA - Home Agent, часть CSN;

PF - Policy Function, часть CSN;

NAP - Network Access Provider;

NSP - Network Service Provider;

Подсистема ASN. Сеть ASN - это набор сетевых элементов, предназначенных для организации доступа абонентов WIMAX в сеть.

ASN выполняет следующие основные функции:

- доступ абонентов в сеть по радиосоединению;

- передача ААА-сообщений между CSN и абонентским оборудованием для обеспечения функций аутентификации, авторизации и аккаутинга соединений (Authentication, Authorization, and Accounting);

- установление сигнальных соединений между станцией и абонентским оборудованием;

- управление радиоресурсами;

- пейджинг, т.е. поиск абонентов в сети при поступлении входящего соединения;

- мобильность абонентов (управление хэндоверами);

- туннелирование между сетями ASN-CSN.

Для оказания голосовых и видео услуг необходимо обеспечить требуемые значения параметров канала связи, например, задержки пакетов, jitter, уровень ошибок и др. Cети WiMAX, благодаря реализации новых типов QoS по стандарту IEEE 802.16, впервые способны реально обеспечить необходимые параметры связи в топологии multipoint для всех возможных типов трафика независимо от загрузки каналов связи.

Таблица 2.5 - Протоколы канального уровня в сети WiMAX.

QoS	Функциональность	Применение
Unsolicited Grant Service (UGS)	Передача пакетов данных фиксированной длины с гарантированной скоростью (Constant Bit Rate CBR) и гарантированной maх задержкой latency и jitter	Передача TDM потоков поверх IP, передача Real Video, VoIP
Continuous Grant (CG)	Передача пакетов данных фиксированной длины с гарантированной скоростью (Constant Bit Rate CBR) и гарантированной maх задержкой latency и jitter	Передача TDM потоков поверх IP, передача VoIP по протоколу DRAP
Extended Real-time Polling Service (ertPS)	Передача пакетов данных переменной длины с гарантированной минимальной CIR скоростью и ограничением максимальной MIR скорости, гарантированной maх задержкой latency и jitter c приоритизацией трафика. Предполагается возможность запроса дополнительной полосы BW при её доступности.	Стандартная телефония VoIP
Real-time Polling Service (rtPS)	Передача пакетов данных переменной длины с гарантированной минимальной CIR скоростью и ограничением максимальной MIR скорости, гарантированной maх уровнем задержки latency с приоритизацией трафика. Уровень колебания задержки jitter не гарантируется.	Передача цифрового MPEG видео.
Non-real-time Polling Service (nrtPS)	Передача пакетов данных переменной длины с гарантированной минимальной CIR и ограничением ограничением максимальной MIR скорости и приоритизацией трафика. Значения задержки latency не гарантируются.	Передача FTP с гарантированной минимальной скоростью.
Best Effort (BE)	Передача пакетов данных переменной длины с ограничением максимальной MIR скорости передачи данных и приоритизацией трафика.	Сервис HTTP (просмотр web страниц).

Поддержка данных типов QoS позволяет обeспечить требуемое качество обслуживания при предоставлении сервисов IP телефонии (Voice over IP), передачи данных (доступ в Интернет) и сервисов Video over IP, IPTV для индивидуальных мобильных и стационарных домашних пользователей, сервисов VoIP, TDM, передачи данных с гарантированной пропускной способностью и параметрами канала связи для стационарных корпоративных пользователей.

Технология WiMAX для поддержки QoS имеет специальный механизм, называемый подуровнем конвергенции - CONVERGENT SUBLAYER. Подуровень в WiMAX представляет собой программный интерфейс канального уровня c сетевым IP и физическим (радио) уровнями сети. Работа подуровня конвергенции основана на использовании в пакетах данных MAC уровня так называемых классификаторов, идентифицирующих тип трафика (сервисный поток Service Flow). При конфигурировании базовой станции

WiMAX для каждого типа трафика, которому необходимо обеспечить то или иное качество обслуживания, определяется сервисный поток Service Flow, идентифицируемый тем или иным классификатором, для которого задается соответствующий класс облуживания QoS. Различают классификаторы трафика по IP, Ethernet адресу источника и получателя пакета данных, идентификатору используемой виртуальной локальной сети VLAN ID и др. Таким образом, весь трафик в сетях WiMAX может быть классифицирован по типу предоставляемого сервиса с заданием для каждого из них сервисного потока с определенным классом обслуживания QoS.

Качество обслуживания QoS для каждого заданного типа трафика в сетях WiMAX обеспечивается подуровнем конвергенции путем управления многоуровневыми очередями обслуживания на канальном уровне сети. Для каждого абонента (абонентского устройства) сети WiMAX можно, например, определить несколько сервисных потоков, различающихся классификаторами

- идентификаторами VLAN ID корпоративной ЛВС, Ethernet или IP адресами компьютеров этой ЛВС, IP или Ethernet адресами внешних сетей и серверов, с которыми работают корпоративные пользователи, с заданием для каждого из них класса обслуживания с требуемыми параметрами скорости передачи данных и задержки delay и jitter [9].

На базе сотового принципа разрабатываются также пути построения оптимальной сети, огибающей крупные объекты (например, горные массивы), когда серия последовательных станций передает данные по эстафетному принципу (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Топология сети WiMAX

3. Описание проекта

3.1 Анализ существующей сети связи

В состав Егорьевского района входит один город, двести населенных пунктов, и один дополнительный субъект, названия которых указаны в списках ниже.

Координатами центра Егорьевского района можно считать 55°17' с.ш. и 39°18' в.д.

Егорьевский район является муниципальным образованием и административно-территориальной единицей в составе Московской области России. Административным центром Егорьевского района является город Егорьевск. Район включает в свой состав 5 муниципальных образований, площадь района составляет 1729 кв.км. Район был образован в 1929 году, ранее территория района после реформы Екатерины II входила в состав Коломенского уезда, а после 1778 года - в состав Егорьевского уезда Рязанской губернии.

Район богат своими лесами (более 60% территории), многочисленными озерами, реками и чистейшими родниками. В реках Поля и Гуслица водятся различные сорта рыб, такие как окунь, налим, язь, плотва. В здешних лесах обитают лисицы, кабаны, рыси, куницы, лоси, из птиц тетерева, глухари и рябчики. Также здесь водятся многие звери и птицы, входящие в Красную книгу. Насладиться красотой здешних пейзажей можно посетив зону отдыха «Любляна». Желающие здесь могут заняться охотой и рыбалкой, а также покататься на лошадях.

Среди достопримечательностей Егорьевского района можно отметить собор Александра Невского, построенный и освященный в 1897 году во имя князя Александра Невского. Храм построен в русском стиле, увенчан позолоченными куполами. Строился храм на протяжении 20 лет, чуть позже к нему пристроили колокольню. Храм был закрыт в начале 1939 года, но в 1946 богослужения вновь возобновились.

Среди других достопримечательностей Егорьевского района можно отметить Николо-Родовицкий мужской монастырь, Казанский монастырь, церковь Воскресения и многие другие.

Рисунок 3.1 - Карта г. Егорьевска Егорьевского района

При расположении каждой базовой станции нужно учитывать множество факторов, которые будут влиять на работу БС и уровень сигнала сети, среди которых важнейшими являются условия распространения сигнала (рельеф местности, плотность застройки, антропогенные факторы, зеленые насаждения, наличие радиопомех и т.д.) При планировании также нужно учесть возможное будущее строительство новых базовых станций, чтобы в последующем новые базовые станции не оказывали влияния на старые, учесть воздвигаемые новые здания, которые могут перекрыть сигнал, учесть погодные условия в конкретной местности и многое другое.

Чем сложнее условия распространения радиосигнала и выше плотность населения, тем меньше зона покрытия базовой станции.

В этих случаях устанавливаются БС с более высокой мощностью сигнала, и располагаются они на небольшом расстоянии друг от друга. Например, «закрытие» парков производится установкой БС с нескольких сторон, при этом сектора у БС могут работать не одинаково. Листва деревьев очень сильно экранируют сигнал связи, мешая его прохождению.

По разным данным, от 55 до 60% территории Егорьевского района составляют леса. Все реки на территории района относятся к категории малых (наиболее известны Гуслянка, на которой стоит райцентр, и Цна). Около 6% территории - заболоченные земли. Около 20 кв. км. занимают искусственные водоемы, крупнейший из которых - Шалаховское вдхр. В Егорьевском районе функционирует база отдыха "Березовка". В Егорьевском районе находится 12 природных заказников, самый большой из которых - "Цна" - занимает площадь 51 кв. км.

В Егорьевском районе расположена часть крупнейшего в Московской области месторождения фосфоритов, есть крупные торфяники (совокупная емкость оценивается в 800 млн. кубометров), ведется добыча глины.

Отличным местом для установки БС могут стать существующие высотные сооружения -- жилые дома, бизнес центры, трубы, элеваторы и т.д., если, конечно, таковые имеются. Использование полезной площади различных высотных конструкций позволяет ощутимо сэкономить время на строительство мачты.

3.2 Целесообразность организации WiMAX в г. Егорьевск Егорьевского района Московской области

Перечень населённых пунктов, их наименование и тип даны в соответствии с Законом Московской области от 25 ноября 2004 года № 152/2004-ОЗ «О статусе и границах Егорьевского муниципального района и вновь образованных в его составе муниципальных образований». Численность населения дана по результатам Всероссийской переписи 2010 года.