Системы беспроводного абонентского доступа

При построении сети значительная часть общей стоимости приходится на ее нижнее звено, а именно — на местную сеть, то есть на сеть доступа. Причем последний ее отрезок, так называемая последняя миля, может оказаться гораздо дороже остальных сотен и тысяч миль. Построить этот ключевой отрезок сети бывает чрезвычайно трудно, и для решения этой проблемы сегодня на рынке представлен целый ряд технологий. Кроме традиционных проводных технологий для передачи информации используются, в частности, беспроводные системы абонентского доступа.

Существует две группы технологий абонентского доступа, предназначенных для решения проблемы последней мили, — проводные и беспроводные решения.

Из проводных следует назвать технологии, позволяющие организовать даже на основе существующих медных кабельных линий высокоскоростные цифровые абонентские линии. К ним относятся HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line), ADSL (Asymmetrical DSL) и SDSL (Symmetrical DSL). С помощью этих технологий можно передавать данные на скорости от 2 до 8 Мбит/с по стандартному медному кабелю. Системы передачи на оптоволоконном или коаксиальном кабеле сегодня обеспечивают передачу данных со скоростью до 10 Гбит/с. В случае если сеть доступа представляет собой ЛВС, возможно применение привычных проводных сетевых технологий.

Основные приложения WLL:

- создание операторами новой сети радиодоступа с частичным использованием существующих линейно-кабельных сооружений в городских и пригородных районах;

- телефонизация сельских районов, где телефонная плотность (число абонентов на квадратный километр) невелика и прокладка длинных кабельных абонентских линий может оказаться невыгодной;

- подключение абонентов в условиях отсутствия свободных пар в кабеле на абонентском участке ГТС (при средней телефонной плотности);

- при невозможности прокладки кабеля, например, в труднодоступных районах;

- организация временной связи.

В последнее время беспроводные технологии организации абонентского доступа (Wireless Local Loop, WLL) становятся все более популярными. Для передачи данных здесь используется инфракрасное и световое излучение или радиосигнал. В целях организации сети распределения наиболее часто применяют беспроводные магистрали на основе использования каналов спутниковой связи, лазерной или узконаправленной инфракрасной связи, узкополосной и широкополосной радиорелейной связи.

Узкополосные системы

В основном такие системы предназначены для передачи речи. Эти средства представлены фиксированными радиотерминалами для использования в сетях сотовой связи. Такие системы не приспособлены для высокоскоростной передачи данных из-за используемых алгоритмов компрессии речи и применяются для абонентов жилого сектора, таксофонных услуг и др.

Системы высококачественных услуг беспроводного доступа

Эти системы построены с использованием стандартов беспроводной телефонии. Системы фиксированного радиодоступа имеют более высокое качество передачи речи, нежели узкополосные системы (используется кодирование АДИКМ 32 Кбит/с), и способны обеспечивать факсимильную и модемную связь. Пример – DECT.

Широкополосные системы

В беспроводных радиосистемах для сети доступа используются такие способы разделения каналов, как TDMA (Time Division Multiple Access), E-TDMA (Extended TDMA), FDMA (Frequency Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access), W-CDMA (Wideband), а также их модификации.

Эти системы работают в нескольких диапазонах частот — от 2,4 до 28 ГГц. Они обеспечивают передачу высокоскоростных потоков данных корпоративным пользователям, передают цифровые потоки n*Е1 к оконечным устройствам (мультиплексорам, УАТС, базовым радиоблокам сотовых сетей мобильной и фиксированной связи и т.д.).

Беспроводные WLL-системы пользуются все большей популярностью: в тех районах, где прокладка кабеля затруднена, нерентабельна или вовсе невозможна (труднодоступные районы, сельская местность, пригородные зоны), они обладают значительными бесспорными преимуществами.

Поскольку кабели имеют свойство быстро физически изнашиваться, а качество и номенклатура проводного доступа далеко не всегда соответствуют ожиданиям. Сети Wireless Local Loop свободны от многих перечисленных недостатков и имеют следующие преимущества:

- низкая стоимость оборудования, малый срок окупаемости системы и в несколько раз более низкая стоимость десятилетнего жизненного цикла. При использовании беспроводной технологии основные затраты приходятся на оборудование, цены на которое неуклонно падают. Уже сегодня в ряде случаев радиодоступ является выгодной альтернативой проводному решению. Стоимость системы WLL, использующей радиоканалы, не зависит от длины кабеля, состояния грунтов, наличия водных поверхностей и заболоченных участков в пределах зоны обслуживания. К тому же абонентская сеть, построенная на медном или волоконно-оптическом кабеле, представляет собой довольно громоздкое хозяйство, требующее, как правило, длительного поэтапного внедрения и значительных капитальных затрат;

- простота и быстрота наращивания. Для подключения к системе нового абонента достаточно обеспечить его абонентским устройством. При росте системы ее можно легко расширить дополнительными абонентскими модулями и оборудованием базовых станций;

- высокая скорость ввода в эксплуатацию и значительно меньшая трудоемкость работ по подключению. WLL позволяют в короткие сроки развернуть систему большой абонентской емкости, с ежедневным подключением десятков и сотен абонентских устройств. Это, во-первых, имеет большое значение для операторов связи в условиях жесткой конкуренции на рынке телекоммуникационных услуг, когда важно опередить возможных конкурентов и как можно быстрее получить отдачу от вложенных средств. А во-вторых, обеспечивает простоту и удобство (а следовательно, и низкие затраты) проведения монтажных работ;

- отсутствие ограничений по рельефу местности. Передача сигнала обеспечивается независимо от рельефа местности благодаря возможности размещения БС на господствующих высотах и/или использованию ретрансляторов;

- гибкая политика инвестирования создаваемой сети. Проводная инфраструктура требует крупномасштабных инвестиций, которые существенно опережают прогнозируемые потребности в количестве абонентских линий и не всегда оказываются оправданными, тогда как беспроводная технология допускает пошаговое инвестирование мелкими долями, что позволяет более точно отслеживать прогнозируемые потребности. Невысокий процент использования каждой абонентской пары на местных сетях делает неэффективными и малопривлекательными для инвесторов крупные капиталовложения и снижает окупаемость кабельных систем. Любое расширение сети требует очень больших инженерных работ на кабельных трассах, а прокладка и организация линий связи становится сложной проблемой, особенно в старых городах, и требует повышенных капитальных затрат в сельской местности;

- высокая надежность. Количество отказов WLL составляет не более 6-10% от числа отказов кабельной сети.

В настоящее время к WLL относят два типа систем: с фиксированным доступом (стационарные) и с ограниченной степенью мобильности (средняя скорость пешехода). Сегодня на рынке появилось много систем абонентского радиодоступа, принципиально отличающихся друг от друга архитектурой, техническими параметрами и, главное, типами решаемых задач. Стандартной классификации систем WLL не существует, однако систематизировать существующие решения по основным характеристикам сегодня уже возможно (см. таблицу).

Таблица 1. Классификация систем WLL

Признаки	Характеристики и параметры
Способ передачи	Аналоговые, цифровые
Тип пользователей	Фиксированный доступ, мобильность со скоростью пешехода
Способ реализации	Гибридный (частично проводной), беспроводной
Технология	Сотовые, транкинговые и бесшнуровые технологии, на базе систем «точка — много точек», специализированные
Архитектура	Микросотовые, зоновые, «точка — многоточка», сотовые
Множественный доступ	Множественный доступ с частотным (FDMA), временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением
Топология	Радиальные, типа «дерево»

Сотовая реализация беспроводных систем, особенно при перекрытии сот, нуждается в тщательном планировании частот, от которого во многом зависит емкость системы. Технология DSSS использует встроенные средства распределения частот. При применении технологии FHSS для предотвращения интерференции сигналов соседних сот необходимо динамическое управление частотами; оно должно повышать эффективность использования частотного спектра и емкость системы.

В случае организации радиолинии между точкой доступа и абонентами в зоне радиовидимости базовой станции располагаются мобильные терминальные устройства пользователей или абонентские блоки, образующие одну ячейку. Если охватить всех абонентов с помощью одной базовой станции невозможно, то используют многосотовый принцип.

Когда сеть доступа реализована в виде радиолиний, то она обычно имеет одно- или двухчастотную структуру. В первом случае используется одна полоса частот для передачи пакетов к базовой станции и от нее, но эта структура имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих ее применение в сетях с большим количеством абонентов. Другим вариантом является двухчастотная структура: на одной из частот реализуется канал множественного доступа, где все абоненты осуществляют передачу на базовую станцию, а на другой — прием с базовой станции, откуда абоненты принимают пакеты.

WiFi

Стандарт IEEE 802.11 рассматривает два нижних уровня модели взаимодействия открытых систем (0SI): физический и канальный. Причем последний подразделяется на два подуровня. Верхний - Logical Link Control (LLC) — описан в стандарте IEEE 802.2. Стандарт IEEE 802.11 рассматривает нижний подуровень — Medium Access Control (MAC), т. е. управление доступом к каналу (среде передачи). Поскольку стандарт IEEE 802.11 разрабатывался как «беспроводной Ethernet», он предусматривает пакетную передачу с 48-битовыми адресами пакетов, как и любая сеть Ethernet.

Когда речь заходит о радиотракте, ключевой вопрос - частотный диапазон. Как любой американский продукт, IEEE802.il привязан к действующим в США правилам. Изначально он был ориентирован на диапазон 2,400-2,4835 ГГц с шириной полосы 83,5 МГц. Определяемая стандартом спектральная маска для одного канала приведена на рис. 6.1 (мощность отсчитывается относительно пиков функции sin(x)/x). Ширина канала по уровню -30 дБ составляет 22 МГц, следовательно, в полосе 83,5 МГц возможно три неперекрывающихся канала.

Стандарт предусматривает два основных способа организации локальной сети: по принципу «равный с равным» (ad-hoc-сеть) и в виде структурированной сети. В первом случае связь устанавливается непосредственно между двумя станциями, и никакого администрирования не предусмотрено. В случае структурированных сетей в их составе появляется дополнительное устройство - точка доступа (АР - Access Point), как правило, стационарная и действующая на фиксированном канале. Связь между устройствами происходит только через АР. Через них же возможен выход во внешние проводные сети.

В сети IEEE 802.11 может быть несколько АР, объединенных проводной сетью Ethernet. Фактически такая сеть представляет собой набор базовых станций с перекрывающимися зонами охвата. Стандарт IEEE 802.11 допускает перемещения устройств из зоны одной АР в зону другой (роуминг), тем самым обеспечивая мобильность. Поскольку для мобильных станций важен вопрос ресурса элементов питания, в стандарте заложен специальный протокол управления энергопотреблением - непосредственно при обмене передающее устройство может перевести приемник в режим ожидания.

Как правило, функции управления распределены между всеми устройствами сети IEEE 802.11 — так называемый режим распределенного управления DCF (Distributed coordination function). Однако для структурированных сетей возможен режим централизованного управления PCF (Point coordination function), когда управление передано одной определенной точке доступа. Необходимость в режиме PCF возникает при передаче чувствительной к задержкам информации (например, потоков видеоинформации). Ведь до настоящего времени сети семейства IEEE 802 действуют по принципу конкурентного доступа к каналу. Чтобы их при необходимости задавать, и введен режим PCF. Однако работа в данном режиме может происходить только в определенные периодически повторяющиеся интервалы.

Отличия стандарта IEEE 802.11 от других спецификации семейства IEEE 802 начинаются на МАС-уровне. Как известно, основной принцип Ethernet — это множественный доступ к каналу связи с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD Carrier Sense Multiple Acsses with Collision Detection). Станция может начать передачу, только если канал свободен. Если станции обнаруживает, что на одним канале пытаются работать несколько станций, все они прекращают передачу и пытаются возобновить ее через случайный промежуток времени. Таким образом, даже при передаче устройство должно контролировать канал, т.е. работать на прием.

То, что относительно просто при проводной связи, проблематично в беспроводных коммуникациях — затухание сигнала в зфире намного сильнее, чем в проводе. Поэтому возникают две основные проблемы. Во-первых, весьма сложна, если вообще разрешима, задача контроля несущей передающим устройством (когда оно вещает, то собственный сигнал заведомо намного мощнее, чем сигнал удаленного устройства). Во-вторых, возможна ситуация, когда два устройства (А и В) удалены и не слышат друг друга, однако оба попадают в зону охвата третьего устройстве С - так называемая проблема скрытых станций. Если оба устройства А и В начнут передачу, то они принципиально не смогут обнаружить конфликтную ситуацию и определить, почему пакеты не проходят. Для устранения подобных проблем в спецификации IEEE 802.11 принят механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acsses with Collision Avoidance) — множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Перед началом передачи устройство слушает эфир и дожидаемся, когда канал освободится. Канал считается свободным при условии, что не обнаружено активности в течение определенного промежутка времени - межкадрового интервала (IFS) определенного типа. Если в течение это­го промежутка канал оставался свободным, устройство ожидает еще в течение случайного времени отсрочки и, если канал еще не занят, передает пакет. Если пакет предназначен конкретному устройству (не широковещательная или многоадресная передача}, то приемник, успешно приняв пакет, посылает передатчику кадр подтверждения получения АСК (АСКnowledge). Если передатчик не принял ACK, он считает посланный пакет утерянным и повторяет процедуру его передачи.

Существует несколько разновидностей WLAN-сетей, которые различаются схемой организации сигнала, скоростями передачи данных, радиусом охвата сети, а также характеристиками радиопередатчиков и приемных устройств. Наибольшее распространение получили беспроводные сети стандарта IEEE 802.11b, IEEE 802.11g и IEEE 802.11a.

Первыми в 1999 г. были утверждены спецификации 802.11a и 802.11b, однако наибольшее распространение получили устройства, выполненные по стандарту 802.11b.

В стандарте 802.11b применяется метод широкополосной модуляции с прямым расширением спектра - DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Весь рабочий диапазон делится на 14 каналов, разнесенных на 25 МГц для исключения взаимных помех. Данные передаются по одному из этих каналов без переключения на другие. Возможно одновременное использование всего 3 каналов. Скорость передачи данных может автоматически меняться в зависимости от уровня помех и расстояния между передатчиком и приемником.

Стандарт IEEE 802.11b обеспечивает максимальную теоретическую скорость передачи 11 Мбит/с, что сравнимо с обычной кабельной сетью 10 BaseT Ethernet. Однако, такая скорость возможна лишь при условии, что в данный момент только одно WLAN-устройство осуществляет передачу. При увеличении числа пользователей полоса пропускания делится на всех и скорость работы падает.

Несмотря на ратификацию стандарта 802.11a в 1999 году, он реально начал применяться только с 2001 года. Данный стандарт используется, в основном, в США и Японии. В России и в Европе он не получил широкого распространения.

В стандарте 802.11a используется OFDM схема модуляции сигнала - мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Основной поток данных разделяется на ряд параллельных подпотоков с относительно низкой скоростью передачи, и далее для их модуляции используется соответствующее число несущих. В стандарте определены три обязательные скорости передачи данных (6, 12 и 24 Мбит/с) и пять дополнительных (9, 18, 24, 48 и 54 Мбит/с). Также имеется возможность одновременного использования двух каналов, что обеспечивает увеличение скорости вдвое.

Стандарт 802.11g окончательно был ратифицирован в июне 2003г. Он является дальнейшей разработкой спецификации IEEE 802.11b и осуществляет передачу данных в том же частотном диапазоне. Основным преимуществом этого стандарта является увеличенная пропускная способность - скорость передачи данных составляет до 54 Мбит/с по сравнению с 11 Мбит/с у 802.11b. Как и IEEE 802.11b, новая спецификация предусматривает использование диапазона 2,4 ГГц, но для увеличения скорости применена таже схема модуляции сигнала - что и в 802.11a - ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).

Особенностью данного стандарта является совместимость с 802.11b. Например, адаптеры 802.11b могут работать в сетях 802.11g (но при этом не быстрее 11 Мбит/с), а адаптеры 802.11g могут снижать скорость передачи данных до 11 Мбит/с для работы в старых сетях 802.11b.

WiMAX

WiMAX - сокращение от worldwide interoperability for microwave access - это технология предоставления беспроводного широкополосного доступа в интернет. WiMAX основывается на стандарте IEEE 802.16. Технологию WiMAX развивает международный WiMAX Forum, основанный в 2001 году. На сегодняшний день эта некоммерческая организация объединяет сотни компаний — производителей оборудования и поставщиков услуг мобильной связи и доступа в интернет.

Стандартом 802.16 определены несколько режимов работы сетей WiMAX:

- Fixed WiMAX — фиксированный доступ;

- Nomadic WiMAX — сеансовый доступ;

- Portable WiMAX — доступ в режиме перемещения;

- Mobile WiMAX — мобильный доступ.

Fixed WiMAX

Предполагается использование фиксированного режима WiMAX как альтернативы проводным сетям. Используется диапазон частот от 3 до 66 ГГЦ, при этом требуется наличие прямой видимости между базовой станцией и станцией пользователя из-за сильного затухания волн. Однако ширина диапазона позволяет достигать скоростей до 120 Мбит/с. Сети с фиксированным режимом работы уже распространены в некоторых странах, однако многие телекоммуникационные компании делают ставку на портативный и мобильный режимы работы.

Nomadic WiMAX

Сеансовый режим вносит понятие сессий к фиксированному режиму работы. Подобный режим позволяет перемещать клиентское оборудование и использовать соединение, не привязанное к определённой базовой станции. Подобный режим удобен для использования сетей для подключения ноутбуков и других портативных устройств.

Portable WiMAX

Портативный режим работы WiMAX поддерживает возможность автоматического переключения между базовыми станциями без обрыва соединения. Скорость перемещения больше чем в режиме сессий, однако ограничена 40 км/ч. С 2006 года некоторые компании приступили к производству портативных устройств, поддерживающих WiMAX сети.

Mobile WiMAX

Отличается от портативного режима возможностью перемещения приёмника со скоростью до 120 км/ч. Также реализована возможность бесшовного перехода между базовыми станциями. Mobile WiMAX обеспечивает скорость доступа до 10 Mbps. Причем реальная скорость работы составляет порядка 7-8 Mbps. Для сравнения: сети Mobile broadband wireless или иначе 3G обеспечивает скорость до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия, и до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия. Таким образом, Mobile WiMAX позволяет быстро скачивать большие файлы (например, фильмы), смотреть видеоролики или телепередачи, участвовать в онлайн-играх в мобильном режиме. Кроме того, такая скорость будет и при движении в автомобиле или поезде.

Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи
Технология	Стандарт	Использование	Пропускная способность	Радиус действия	Частоты
UWB	802.15.3a	WPAN	110-480 Мбит/с	до 10 метров	7,5 ГГц
Wi-Fi	802.11a	WLAN	до 54 Мбит/с	до 100 метров	5 ГГц
Wi-Fi	802.11b	WLAN	до 11 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11g	WLAN	до 54 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
WiMax	802.16d	WMAN	до 75 Мбит/с	6-10 км	2-11 ГГц
WiMax	802.16e	Mobile WMAN	до 30 Мбит/с	1-5 км	2-6 ГГц

Теперь же сами отличия:

- WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению).

- Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая сотни метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернет. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

- WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Остановимся чуть подробнее на последнем пункте:

В Wi-Fi сетях все пользовательские станции, которые хотят передать информацию через точку доступа (АР), соревнуются за «внимание» последней. Такой подход может вызвать ситуацию при которой связь для более удалённых станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Подобное положение вещей делает затруднительным использование таких сервисов как Voice over IP (VoIP), которые очень сильно зависят от непрерывного соединения.

Что же касается сетей 802.16, в них MAC использует алгоритм планирования. Любой точке доступа стоит лишь подключиться к точке доступа, для нее будет создан выделенный слот на точке доступа, и другие пользователи уже не смогут повлиять на это соединение.