Анализ технологий построения сетей беспроводного абонентского доступа

Сети беспроводного доступа развивались по двум основным направления, это системы сотовой подвижной связи и беспроводные компьютерные сети. Однако применение систем сотовой подвижной связи в интересах должностных лиц распределенных пунктов управления, а так же с учетом высокоманевренного боя затруднено ввиду их ограниченной мобильности. Поэтому, в рамках дипломной работы внимание в большей степени будет уделено системам беспроводного широкополосного доступа, которые получили свое развитие от беспроводных компьютерных сетей.

На заре развития радиотехники термин "беспроводный" использовался для обозначения радиосвязи в широком смысле этого слова, т. е. буквально во всех случаях, когда передача информации осуществлялась без проводов. Позже это толкование практически вышло из обращения, и "беспроводный" стало употребляться как эквивалент термину "радио" или "радиочастота". Сейчас оба понятия считаются взаимозаменяемыми в том случае, если речь идет о диапазоне частот от 3 кГц до 300 ГГц. Тем не менее, термин "радио" чаще используется для описания уже давно существующих технологий (радиовещание, спутниковая связь, радиолокация, радиотелефонная связь и т. д.). А термин "беспроводный" в наши дни принято относить к новым технологиям радиосвязи, таким, как микросотовая и сотовая телефония, пейджинг, абонентский доступ и т. п.

Различают три типа беспроводных сетей (рис. 1): WWAN (Wireless Wide Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network) и WPAN (Wireless Personal Area Network)

Рисунок 1. Радиус действия персональных, локальных и глобальных беспроводных сетей

При построении сетей WLAN и WPAN, а также систем широкополосного беспроводного доступа (BWA - Broadband Wireless Access) применяются сходные технологии. Ключевое различие между ними (рис. 2) - диапазон рабочих частот и характеристики радиоинтерфейса. Сети WLAN и WPAN работают в нелицензионных диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, т. е. при их развертывании не требуется частотного планирования и координации с другими радиосетями, работающими в том же диапазоне. Сети BWA используют как лицензионные, так и нелицензионные диапазоны (от 2 до 66 ГГц).

Рисунок 2. Классификация беспроводных технологий

Основные назначение беспроводных локальных сетей (WLAN) – организация доступа к информационным ресурсам внутри здания. Вторая по значимости сфера применения – это организация общественных коммерческих точек доступа в людных местах – гостиницах, аэропортах, кафе, а также организация временных сетей на период проведения мероприятий (выставок, семинаров). Пример сети построенной с применением стандарта 802.11 представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Пример сети построенной с применением стандарта 802.11

Рассмотрим основные технологии построения сетей беспроводного абонентского доступа: Wi-Fi, Trunking и WiMAX.

Технология Wi-Fi. Беспроводные локальные сети создаются на основе семейства стандартов IEEE 802.11. Эти сети известны также как Wi-Fi (Wireless Fidelity), и хотя сам термин Wi-Fi, в стандартах явным образом не прописан, бренд Wi-Fi получил в мире самое широкое распространение.

Стандарт IEEE 802.11 непрерывно совершенствуется и развивается в направлении предоставления пользователям новых сервисов, повышения скорости и качества передачи информации. В 2009 году осуществлен выпуск целого ряда новых стандартов, работа над которыми началась в 2003 -2004 годах. В первую очередь к ним относятся стандарты IEEE 802.11n и IEEE 802.11s.

В настоящее время широко используется преимущественно следующие стандарты группы IEEE 802.11 (представлены в таблице 2).

Таблица 2

Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

В целом, Wi-Fi-технология позволяет решить три важных задачи:

упростить общение с мобильным компьютером;

обеспечить комфортные условия для работы деловым партнерам, пришедшим в офис со своим ноутбуком,

создать локальную сеть в помещениях, где прокладка кабеля невозможна или чрезмерно дорога.

Стандарт предусматривает два основных способа организации локальной сети: по принципу "равный с равным" локальная сеть и в виде структурированной сети.

Технология Trunking. Транкинговая беспроводная связь берет свое начало еще с середины сороковых годов XX-го века, когда начали появляться первые ведомственные системы подвижной радиосвязи, давшие начало всем мобильным коммуникациям. Уже в 1995 году была опубликована первая версия стандарта TETRA (Trans-European Trunked RAdio, трансевропейская транкинговая радиосвязь), созданного специально для обеспечения беспроводной связи на территории Европы. Целью его создания была замена огромного количества существующих аналоговых транкинговых стандартов на единый цифровой стандарт, действующий повсеместно. В 1997 году в Европе была установлена первая сеть на базе разработанного стандарта. На данный момент интерес к нему проявляется не только в "старом свете", поэтому аббревиатура TETRA была расшифрована заново как TErrestrial Trunked RAdio (наземная транкинговая связь).

Транкинговая связь подразумевает под собой радиально-зоновую систему подвижной УКВ-связи с автоматическим распределением каналов между участниками. Транкинговые стандарты связи в основном направлены на создание корпоративных сетей, где большая часть трафика будет направлена на коллективное общение (конференцсвязь). Примеры использования транкинговой связи широко знакомы каждому: это системы связи, использующиеся силовыми и правоохранительными органами, частными транспортными компаниями или службами спасения. Различные транкинговые стандарты различаются между собой некоторыми рабочими характеристиками, влияющими на качество связи и предоставляемых услуг, в частности способами передачи информации (аналоговые и цифровые), способом разделения каналов (частотным, временным и кодовым) и т.п. Среди аналоговых транкинговых сетей наиболее широко распространены в настоящее время системы связи на базе стандартов МРТ 1327 (ACCESSNET, ACTIONET и др.) и системы фирмы Motorola (Startsite, Smartnet, Smartzone). Цифровые транкинговые системы связи только начинают свое распространение. Задержка в их развитии была вызвана изначально высокой стоимостью как операторского, так и пользовательского оборудования. Транкинговые сети поддерживают полный набор "стандартных" мобильных услуг, таких как разговор с использованием базовой станции, передачу данных и т.п. Отличительной их особенностью является то, что при использовании некоторых стандартов возможен "прямой разговор" между пользователями (без использования базовой станции).

Использование цифровых технологий - это главное преимущество TETRA по сравнению с рядом других стандартов транкинговой связи (в большинстве своем аналоговых). Сказывается это в первую очередь на наборе предоставляемых услуг. Кроме обычного для транкинговых сетей набора (к примеру, персональной радиостанции), TETRA предлагает своим пользователям дополнительные услуги телефонии, базирующиеся на существующих сетях GSM, службу передачи коротких сообщений, реализацию доступа в Интернет с использованием протокола TCP/IP и многое другое. Грубо говоря, TETRA объединяет в себе все полезное, что было в GSM и аналоговых транкинговых сетях, и преподносит это пользователю в виде одного аппарата. Этим с лихвой покрывается высокая стоимость абонентского и базового оборудования (в районе 500 долларов США).

Для построения сетей стандарта TETRA в Европе выделены диапазоны 380-400 МГц и 410-430 МГц. Использование цифровых стандартов помогает заметно "уплотнить" пользователей в одном частотном диапазоне как за счет применения своеобразных алгоритмов модуляции цифрового сигнала, так и за счет помехоустойчивого и емкого с точки зрения количества переданной информации кодирования. В частности, TETRA позволяет разместить 4 логических соединения в диапазоне 25 кГц (используется технология TDMA, Time Division Multiple Access - временное разделение каналов). Еще одним преимуществом по сравнению с существующими сотовыми сетями для всех пользователей можно указать почти мгновенное соединение (около 0,3-0,4 секунды). Кроме этого, возможно открытие и длительное удержание одного канала для группы пользователей (что позволяет использовать канал в любое время без предварительной процедуры "дозвона"). В отличие от GSM, TETRA является открытым стандартом связи, т.е. все спецификации данного стандарта, а значит и способы кодировки информации, доступны широкому кругу производителей оборудования. Таким образом, для выпуска базовых и пользовательских станций данного стандарта не надо получать дополнительную сертификацию, и предполагается, что аппараты различных производителей будут совместимы. Для доступа к спецификациям стандарта необходимо только стать зарегистрированным участником ассоциации "Меморандум о взаимопонимании и содействии стандарту TETRA" (MoU TETRA).

Стандарт TETRA- первый и пока единственный открытый общеевропейский стандарт цифровой транкинговой радиотелефонной связи - установлен ETSI (Европейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций), который координирует деятельность производителей оборудования, операторов сетей, национальных администраций и пользователей. Стандарт прошел через тщательную процедуру утверждения, что гарантирует TETRA высокое качество. Общая структурная схема сети TETRA представлена на рисунке 4.

Таблица 3

Характеристики ТЕТРА

Рисунок 4. Общая структурная схема сети TETRA

Стандарт ТЕТRA определяет спецификации интегрированной системы передачи речи и данных (TETRA Voice + Data), а также системы, ориентированной только на передачу данных (TETRA Packet Date Optimized).

Однако, объективно, стандарт не предусматривает высокоскоростной обмен данными, что в свою очередь ограничивает возможность его применения в интересах должностных лиц пунктов управления.

Технология WiMAX . 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 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;

предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг;

создания точек доступа, не привязанных к географическому положению;

создания систем удалённого мониторинга (monitoring системы);

Набор преимуществ [7] присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного применения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не удалось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами). Каждая из спецификаций WiMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. А потому WiMAX-системы, основанные на версиях стандарта IEEE 802.16 e и d, практически несовместимы. Краткие характеристики каждой из версий приведены в табл. 4.

Таблица 4

Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.16

Спецификация IEEE 802.16d утверждена в 2004 году. В данном стандарте используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.

Стандарт 802.16е утвержден в 2005 году. Это — новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, idle mode и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, в том числе первым в России свою сеть развернул «Скартел». Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения (например, EV-DO, HSDPA).

Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 150 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

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.

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.

На сегодняшний момент три основных требования к сетевым соединениям: высокая пропускная способность, надёжность, мобильность. Соединить все три основных критерия может только поколение беспроводных технологий WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), стандарт IEEE 802.16. Поэтому целесообразно использовать при построении СБАД технологию WiMAX.

На рисунке 5 показан пример построения сети с применением стандарта 802.16. для больших городов (при F> 300 МГц).

Рисунок 5. Пример построения сети с применением стандарта 802.16