Marigold.cz         Chronomag.cz         Kancelářská krysa běhá         FotonMag     

metropolitne_siete_zalozene_na_standarde_802.16

Metropolitné siete založené na štandarde 802.16

Pracovná skupina IEEE 802.16

Pracovná skupina IEEE 802.16 založená v roku 1999 sa zaoberá širokopásmovým bezdrôtovým pripojením BWA (Broadband Wireless Access). Táto pracovná skupina, respektíve štandardy, ktorými sa táto skupina zaoberá, je označovaná okrem 802.16 tiež ako WMAN alebo WirelessMAN. Prvá norma, ktorá v tejto pracovnej skupine vznikla, bola označená ako 802.16. Bola zverejnená 8. apríla 2001 a rieši rádiové rozhranie (air interface) pre bezdrôtové metropolitné siete. V apríli 2002 vznikla norma 802.16a, ktorá obsahuje rozšírenie pre frekvencie 2-11 GHz. Štandard 802.16c vznikol v januári 2003 a rieši podrobné špecifikácie normy 802.16 (požiadavky na jednotlivé zariadenia).

Najnovší prírastok do skupiny týchto štandardov bol v roku 2004 - 802.16d, ktorý v podstate zhrňuje normy 802.16/a/c. V júni 2004 bola ratifikovaná norma 802.16-2004, ktorá zhrňuje a nahradzuje všetky predchádzajúce varianty. Práve verzia 802.16-2004 je označovaná ako WiMAX. Ďalej sa pripravuje norma 802.16e, ktorá sa zameriava hlavne na mobilitu užívateľov (k dispozícii na trhu v roku 2007). Posledným pripravovaným dokumentom je 802.16g, ktorý by mal špecifikovať podporu operačných systémov.

Stručný prehľad vlastností:

  • Dosah cca. 50 km, 70 Mbps; 256 Mbps na fyzickej vrstve
  • QoS (Quality of Service)
  • Jednoduchá škálovateľnosť
  • Nevyžaduje priamu viditeľnosť (2-11 GHz)
  • Využíva licencované a nelicencované pásma

Širokopásmové bezdrôtové technológie štandardu 802.16 sú navrhnuté pre poskytovanie kvalitných a spoľahlivých služieb s vyspelým riadením QoS. Oproti dnes masovo využívaným technológiám Wi-Fi ponúka 802.16 vhodné riešenie pre využitie v malých firmách ako aj pre domácich užívateľov žijúcich na vidieku a v malých mestách. WiMAX je teda reálnou alternatívou pre širokopásmové pripojenie, kde je technicky nereálne využívať služby DSL.

Popis základných vlastností WMAN

WMAN má veľkú šancu preniknúť na náš trh a zaplaviť veľké územia práve vďaka škálovateľnosti. Sieť nie je problém rozširovať a zvyšovať jej kapacitu aj bez výmeny už inštalovaných zariadení. Je to presne technológia stavaná na mieru pre použitie v rôznych podmienkach. Aj na vidieku, aj v meste. Najväčšou výhodou je práve adaptívna modulácia a možnosť rozdelenia pásma na menšie pásma, prípadne rozdeliť vyťažený sektor na dva menšie sektory. A tiež veľkým pozitívom je QoS. To všetko umožňuje rozvíjať sieť postupne a pritom poskytnúť pripojenie na väčšom území. Toto nedokáže žiadna „káblová“ technológia.

Najväčšími devízami štandardu 802.16 sú prenosová rýchlosť, dosah signálu a možnosť šírenia signálu v hustých zástavbách, kde nie je priama viditeľnosť medzi vysielačom a prijímačom, čiže šírenie signálu v NLOS prostredí. Rýchlosť, dosah a NLOS spolu veľmi úzko súvisia a tvoria akýsi magický trojuholník (obr. 3.2.1). Nemôžeme mať všetky tri parametre naraz v najlepšej kvalite. Takže neexituje možnosť, ako dosiahnuť naraz vysokú rýchlosť, veľký dosah a NLOS.

Tieto parametre musia byť neustále v rovnováhe. Keď sa pokúsime zvýšiť napríklad rýchlosť, tak nám automaticky klesne dosah. Vztah kvality těchto parametrů je vidět na obrázku:

Trojúhelník kvality WiMax služeb

Rýchlosť

Rýchlosť je vždy závislá priamo od šírky pásma a od použitej modulácie. Výhodou WMANu je používanie adaptívnej modulácie, ktorá umožňuje podľa kvality spojenia meniť typ modulácie. V praxi to znamená, že ak je rádiové spojenie kvalitné, použije sa „lepšia“ modulácia a ak je nekvalitné použije sa „horšia“ modulácia. WMAN vie pracovať so 64 QAM, 16 QAM, QPSK a BPSK moduláciami.

modulácia počet stavov počet bitov rýchlosť v Mbps kódovane/nekódované využiteľných b/Hz kódované/ nekódované
64 QAM 64 6 70/50 5/3,6
16 QAM 16 4 46/34 3,3/2,4
QPSK 4 2 22/17 1,6/1,2
BPSK 2 1 11/8 0,8/0,6

Tabuľka 3.2 Prehľad modulácii

Použitie modulácie závisí od ďalších dvoch faktorov: NLOS a od vzdialenosti od základňovej stanice (BS). Ak je viditeľnosť slabá a vzdialenosť od BS je vysoká, neostáva iná možnosť, ako časť vyhradeného pásma použiť pre vzdialené obydlia pomocou BPSK. Základnou myšlienkou je do rovnakej šírky pásma namodulovať viacej bitov a tým aj schopnosť rozpoznávať viacej stavov. Lenže ako sa s pribúdajúcou vzdialenosťou od BS zhoršuje SNR (pomer signál-šum), nie je možné rozoznať na prijímacej strane jednotlivé stavy spoľahlivo, a preto sa používa „slabšia“ modulácia.

Sieť WMAN ponúka veľkú škálu diferenciácie tohto pásma na menšie pásma (od 1,5 MHz do 20 MHz s rôznymi medzistupňami a kombináciami). Takže sa bude môcť poskytovateľ rozhodnúť, na čo použije to pásmo a ako ho rozdelí, aby čo najefektívnejšie využil celú šírku. Napríklad 3,5 MHz bude môcť použiť pre pripájanie v blízkosti bázovej stanice (64 QAM) a zvyšok pre vzdialenejšie prípojky alebo celú šírku pásma použije iba pre najbližšie okolie BS. V tabuľke 3.2 sú uvedené údaje pre danú moduláciu pri využití celého 14 MHz frekvenčného pásma. Samozrejme, že tieto rýchlosti platia pre jeden sektor BS. Bežne má bázová stanica aspoň tri sektorové antény, takže prenosové kapacity sa týmto spôsobom zvyšujú.

NLOS

To, že nie je potrebný priamy výhľad na bázovú stanicu, je síce pravda, ale na druhej strane sa tým znižuje dosah signálu od BS. Je to však výhodné v husto osídlených oblastiach v mestách, kde je veľa vysokých budov a prípadne aj nerovností v teréne. V takýchto lokalitách je potrebné budovať bázové stanice hustejšie a samozrejme bázová stanica musí mať viacej sektorových antén, aby sa kapacita zvýšila. Ak by BS boli príliš ďaleko od seba, nebolo by možné používať dostatočne silnú moduláciu a využitie pásma by nebolo také efektívne. Prostredie NLOS je podrobnejšie popísané v ďalšej kapitole.

Dosah

Môžeme uvažovať o dosahu pri priamej viditeľnosti (LOS) a pri nepriamej viditeľnosti (NLOS). Na obrázku 3.2.2 je vidieť porovnanie týchto dvoch prístupov. Z uvedeného obrázku je jasné, že NLOS veľmi znižuje dosah signálu, a preto je potrebné stavať BS blízko k sebe, aby sa zaručila už spomínaná efektivita. Ale nič samozrejme nebráni postaviť BS ďalej od seba a neskôr, keď vzrastie počet zákazníkov a kapacity už nebudú stačiť, zhustiť sieť základňových staníc.

WiMax LOS a NLOS šíření

Obr. 3.2.2 Dosah signálu pre LOS a NLOS šírenie

Porovnanie WMAN s technológiou DSL

WirelessMAN stavia svoj úspech hlavne na tom, že je lacnejší a je jednoduchšie inštalovať vysielač a antény ako kopať ulice a klásť optické káble. Okrem toho ako najmodernejšia prístupová technológia sprístupňuje všetky moderné širokopásmové služby vďaka flexibilnému využívaniu rádiového spektra a podpore riadenia kvality služby (QoS), ktorá umožňuje uprednostňovanie citlivého dátového prenosu (hlas, streaming video).

WMAN vo svojich začiatkoch, ktorých sme práve svedkami, podporuje pevný bezdrôtový prístup, ale v blízkej budúcnosti bude vedieť ponúknuť svoje služby taktiež mobilným užívateľom.

CHARAKTERISTIKY xDSL WMAN (802.16)
Typ média Vyhradené Zdieľané
Typické maximálne pokrytie 5km(ADSL)/7km(SHDSL) 15km(LOS), 1-2km(NLOS)
Architektura Prevádzkovateľ- DSLAM
Zákazník- xDSL NT
Prevádzkovateľ- Base Station(BS)
Zákazník- Subscriber Station(SS)
PtP, PtM a mesh topológia
Maximálna rýchlosť ADSL- 8Mbps/800kbps BS- 70Mbps
SS-4Mbps
Roaming Nie Áno
QoS QoS podobné ako u ATM Podpora MAC QoS
Škálovateľnosť V závislosti na kapacite DSLAM Stovky zákazníkov v jednej bunke
Napájanie u zákazníka Zo siete Zo siete alebo batérie

Tabuľka 3.3 Porovnanie technológií WMAN a DSL

Vďaka tomu bude možné postaviť rýchle metropolitné bezdrôtové prístupové siete pre užívateľov, ktorí môžu byť on-line aj pri pohybe so svojim koncovým zariadením (laptop, PDA), pričom ich kapacita bude porovnateľná s kapacitou káblových prípojok a DSL. Hlavnými prednosťami WMAN oproti súčasným prístupovým technológiám sú nízke investičné náklady do sieťovej infraštruktúry a možnosť pracovať v licenčných a bez licenčných pásmach.

Porovnanie WMAN s WLAN

 
Na prvý pohľad sa môže zdať, že medzi sieťami 802.16 (WMAN) a 802.11 (WLAN) existuje pomerne veľká podobnosť a že sa vlastnosti a využitie týchto technológií do veľkej miery prekrývajú, ale celá podobnosť začína a v podstate končí v tom bode, že v obidvoch prípadoch sa jedná o bezdrôtovú technológiu.

Základný rozdiel je už v názve oboch štandardov:

  • WLAN (často označovaná názvom WiFi) je bezdrôtová lokálna sieť, teda sieť kde jej pokrytie vo väčšine prípadov nepresiahne jednu budovu (blok budov) a jej maximálny dosah je približne do 10 km. Prenosové rýchlosti sú od 1 do 54 Mbps.
  • WMAN je naproti tomu metropolitná sieť, ktorej maximálny dosah je cca 50 km a dosahované rýchlosti sú okolo 70 Mbps.
Typ Fr. pásmo Kapacita na fyz. vrstve užívateľská rýchlosť Mechanizmus prenosu
802.11b 2,4-2,485 GHz 11 Mbit/s Do 6 Mbit/s DSSS
802.11g 2,4-2,485 GHz 54 Mbit/s Do 22Mbit/s OFDM/DSSS
802.11a 5,1-5,3 GHz a 5,725-5,825 GHz 54 Mbit/s Do 25 Mbit/s OFDM

Tabuľka 3.4 Druhy WLAN (WiFi) štandardov

Štandard pre WLAN sa začal vyvíjať v polovici 90. rokov a v roku 1999 (keď bola vytvorená pracovná skupina 802.16) už bol základný štandard 802.11a/b k dispozícii. Naproti tomu návrh WMAN je podstatne modernejší a obsahuje prvky, ktoré u WLAN nie sú zahrnuté. WMAN podporuje väčší počet užívateľov, má väčší dosah a priepustnosť. Okrem toho na rozdiel od WiFi obsahuje podporu pre QoS na MAC úrovni a súčasťou štandardu je aj kvalitnejšie zabezpečenie. Prístup k médiu u WLAN je založený na CSMA/CA a pri WMAN vždy prebieha plánovanie, ktoré akékoľvek kolízie v podstate vylučuje. Obidve technológie používajú pre zvýšenie kapacity siete technológiu OFDM.

Základná výhoda WLAN oproti WMAN je nepochybne to, že WLAN (WiFi) je dnes bežne používaná technológia, zatiaľ čo zariadenia určené pre WMAN sa len začínajú objavovať na trhu. Práve vďaka obdobiu, počas ktorého je už WiFi na trhu, sú ceny koncových zariadení veľmi priaznivé (niekoľkonásobne nižšie ako pri nástupe WiFi). Pri sieťach WMAN sa očakáva podobný pokles cien v nasledujúcich rokoch, kedy by sa mal začať zväčšovať jeho podiel na trhu.

Pravdepodobne môžeme očakávať, že obe technológie budú úspešne existovať vedľa seba a ich funkcie sa budú skôr dopĺňať ako navzájom prekrývať. Ako už bolo napísané, technológia WiFi svojimi vlastnosťami nie je určená pre metropolitné siete a jej využívanie pre tieto účely v našich podmienkach je v podstate zastupovaním a vyplňovaním medzery na trhu, ktorý doteraz neponúkal vhodné technológie. V ideálnom prípade bude v najbližšej dobe technológia WiFi (WLAN) vrátená do sektoru sietí, pre ktoré bola pôvodne navrhnutá a vonkajšie siete charakteru MAN budú využívať práve technológiu na štandarde 802.16.

Využitie:

Prostredníctvom siete WMAN sa bude pripájať napríklad malá firma. V rámci objektu bude konektivita zaistená pomocou WLAN. Technológia WMAN je ideálna napríklad pre lokálnych poskytovateľov internetových služieb, ktorí môžu s jej pomocou

vybudovať “chrbticové spojenie” v rámci mesta a technológiu WLAN použiť až na konečnú distribúciu k užívateľom do domácností. K firemným zákazníkom je vhodné použiť klientsku stanicu WMAN, aby bolo možné ponúknuť dostatočnú kapacitu a zaistiť príslušnú kvalitu.

Porovnanie WMAN so sieťami tretej generácie

Základné UMTS, ktoré sú v súčasnosti nasadené už v 80 sieťach na svete, využívajú na vysielanie a príjem iné frekvenčné pásma (uplink/downlink), čiže frekvenčne delený duplex FDD. Dnes dostupné terminály podporujú prístupové rýchlosti do 384 kbps. Pre nepárované pásma vypracovalo 3GPP špecifikácie s časovo deleným duplexom TDD (Time Division Duplex). TDD mobil vysiela a prijíma na tej istej frekvencii, ale pre vysielanie sa používajú iné časové sloty ako pre príjem. Výhodou TDD je možnosť regulácie využitia časových slotov pre príjem a pre vysielanie.

Takto dokážeme vytvoriť asymetrický prenos dát, čo je dôležité napríklad pri sťahovaní súborov alebo pri prehliadaní internetových stránok. Zatiaľ komerčné UMTS siete väčších mobilných operátorov využívajú UMTS s prístupom FDD. Prístup TDD sa vďaka svojim vlastnostiam bude využívať najmä na prenos dát. Plnohodnotné TDD UMTS aj s hlasovými službami nasadia mobilní operátori pravdepodobne až vtedy, keď začnú mať problémy s kapacitou v pásmach vyhradených pre FDD UMTS.

Mnohonásobný prístup TD-CDMA
Šírka pásma 5 MHz
Rozprestierací factor 1, 2, 4, 8, 16
Modulácia QPSK, QAM
Čipová rýchlosť 3,84 Mčipov/s
Handover Hard
Max. prenosová rýchlosť 2Mb/s (pri HSDPA v móde FDD až 14,4Mb/s)
Dĺžka rámca 10ms
Trvanie časového intervalu 667 μs

Tabuľka 3.5 Vlastnosti UMTS TDD

Základná výhoda UMTS oproti WMAN je nepochybne to, že UMTS je technológia s ktorou sa už dlho „počíta“. Licencia na prevádzku tejto siete je už viac rokov (najmä v západnej Európe) predaná za relatívne vysoké ceny, a tak operátori mobilných sietí, ale aj výrobcovia zariadení do týchto sietí už investovali nemalé prostriedky. V Japonsku a v niektorých krajinách západnej Európy sú už tieto siete v prevádzke. Zariadenia určené pre WMAN sa ešte len začínajú objavovať na trhu. Pravdepodobne môžeme očakávať, že obidve technológie budú úspešne existovať vedľa seba, ale na druhej strane sa stanú najväčšími konkurentmi. U UMTS možno predpokladať ďaleko rozsiahlejšie pokrytie a s tým súvisiacu väčšiu mobilitu, samozrejme za cenu nižších prenosových rýchlostí a pravdepodobne vyšších nákladov ako by mohla poskytovať WMAN.

 
metropolitne_siete_zalozene_na_standarde_802.16.txt · Poslední úprava: 20. 8. 2012 21:38 autor: tangero