Развитие и особенности стандарта IEEE 802.16

Министерство образования и науки  РФ

Федеральное автономное образовательное учреждение 

высшего образования 

Южный федеральный  университет



Физический факультет

Кафедра  радиофизики









Выпускная квалификационная  работа 







  ПОСТРОЕНИЕ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА В РОДИОНОВО-НЕСВЕТАЙСКОМ РАЙОНЕ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ











      Студент  4 курса                                                    Капустина Виктория

                                                                                                Сергеевна



    Научный   руководитель                  

доцент, кандидат технических наук                   Борисов Борис Петрович                                                                                    

                                                                                    





    



	



К    ЗАЩИТЕ   ДОПУСКАЮ.

Заведующий кафедрой                                                    Заргано Г.Ф.





г. Ростов-на-Дону

2017 г.

Содержание



ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..5

1 АНАЛИЗ СЕТЕЙ WIMAX

Развитие и особенности стандарта IEEE 802.16…………………………….6

Технологии WiMAX…………………………………………………………..8

	1.3 Физический уровень…………………………………………………………10

1.3 МАС-уровень……………………………………………………………......13

    1.4 Сравнение систем беспроводного абонентского доступа…………….......15

2 АРХИТЕКТУРА ПОСТРОЕНИЯ СЕТИ WIMAX

2.1 Основные принципы ………………………………………………………..17

2.2 Базовая модель……………………………………………………………….17

2.3 Управление радиоресурсами………………………………………………19

2.4 Качество обслуживания……………………………………………………20

3 ПОСТРОЕНИЕ СЕТИ

3.1 Анализ инфраструктуры района и используемый трафик………………..23

3.2 Проверка условий радиовидимости………………………………………..25

3.3 Выбор оборудования………………………………………………………...28

3.4 Расчет оптимальной высоты подвеса антенн……………………………...32

3.5 Расчёт энергетики радиолиний……………………………………………..34

3.5 Зона покрытия БС……………………………………………………………36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..41

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………….43















ВВЕДЕНИЕ

Современный мир невозможно представить без высокоскоростной передачи информации. Информационные магистрали по своей важности уже не уступают транспортным: передача бита по линии связи стала не менее значима, чем транспортировка кубометра газа или барреля нефти. Из-за всё большей потребности в объемах трафика и скорости передачи данных технический прогресс сильно коснулся телекоммуникационной индустрии. Так, за тридцать лет сменилось четыре поколения технологий связи: скорость передачи данных становилась все выше, диапазоны – все шире. С каждым годом нашу планету все больше, как паутиной, опутывали многочисленные  линии связи. Но даже сейчас, не смотря на развитость технологий, доступ конечных пользователей к магистральным линиям связан с техническими и экономическими сложностями, именуемыми проблемой «последней мили». Прокладка оптико-волоконных кабелей от магистральных линий к конечным пользователям крайне дорогостоящая, а линии распространенной стационарной телефонии имеют низкую скорость передачи данных и не обладают нужной мобильностью.

Вскоре, на смену проводным пришли высокоскоростные беспроводные сети. Наиболее передовой из всех существующих на сегодняшний день является технология беспроводной связи WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Она обладает всеми критериями  сетевых соединений: высокой пропускной способностью, надежностью, мобильностью, а так же, за счет высокой дальности действия способна решить проблему «последней мили» даже в районах сельской местности, обладающих большими территориями и низкой плотностью населения.

Технология WiMAX основана на стандарте IEEE 802.16 и объединяет в себе более простые технологии беспроводного доступа Wi-fi: орбитально-частотные ресурсы, обладающие высокой скоростью передачи и малой межсимвольной интерференцией, и методы избыточного кодирования с повторной передачей непринятых пакетов технологий третьего поколения – UMTS и CDMA-2000. 

Назначениями данной технологии являются:

Соединение точек доступа Wi-fi;

Обеспечение беспроводного широкополосного доступа;

Предоставление высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг;

Создание мобильных точек доступа;

Создание систем удалённого мониторинга.

Сеть WiMAX состоит из беспроводного и базового сегментов. Первый описывается стандартом IEEE 802.16, второй - определятся спецификациями WiMAX-форума: основывается на IP-протоколах (IETF RFC) и стандартах Ethernet (IEEE 802.3-2005). 

Базовый сегмент организует связь между базовыми станциями, их связь с локальными и глобальными сетями. Он использует частотный диапазон 10-66 ГГц, благодаря чему может передавать данные со скоростью 120Мбит/c , с радиусом покрытия большим, чем у Wi-Fi (до 80 км). Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- , выделенные линии и локальные сети. Данный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети.

Спецификации беспроводной сети WiMAX основываются на технологии пакетной коммутации, протоколах IP и Ethernet, базируются на двух видах стандартов и существенно отличаются друг от друга:

IEEE  802.16d (фиксированный WiMAX) – использует ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), может поддерживать фиксированный доступ в пределах прямой видимости в диапазонах частот 10-66 ГГц, вне прямой видимости требуются частоты 3,5 или 5 ГГц.

IEEE 802.16e (мобильный WiMAX) - использует масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), работает при наличии, либо отсутствии прямой видимости, в частотном диапазоне от 2 до 11 ГГц, поддерживает хэндовер – функцию «бесшовного» переключения абонента от одной базовой станции к другой, idle mode – состояние, когда не используется пользовательский трафик, и роуминг - процедуру предоставления услуг связи абонентам вне зоны обслуживания «домашней» сети  с использованием ресурсов гостевой сети. Данный стандарт нацелен на мобильных пользователей и способен осуществлять работу при скорости движения абонента до 150 км/час. Одно из его главных достоинств - отсутствие требования прямой видимости для связи.

Ряд базовых требований стандартов совпадает, но каждый из них определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот, поэтому версии практически несовместимы. В некоторых случаях мобильный WiMAX может применяться для обслуживания фиксированных пользователей.

Более полные характеристики и работа сетей WiMAX и других современных систем беспроводного доступа, их сравнение, а так же построение информационной сети на основе технологии Mobile WiMAX для предоставления услуги широкополосного доступа на территории Родионово-Несветайского района Ростовской области изложены в данной выпускной квалификационной работе.



















1 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИИ WIMAX

1.1  Развитие и особенности стандарта IEEE 802.16

Впервые стандарт широкополосного доступа WiMAX появился в конце 2001 года. Он относился к классу MAN - Metropolitan Area Network, работал в диапазоне 10-66 ГГц и по пропускной способности, покрытию территории и предоставляемым услугам превосходил Wi-Fi класса LAN (Local Area Network), позволяя при развитой инфраструктуре организовывать региональные, национальные и глобальные сети. Позже были опубликованы еще два документа: IEEE 802.16c «Особенности работы в диапазоне 10-66 ГГц» и IEEE 802.16a «Спецификации физического уровня для диапазона 2-11 ГГц». В 2004 году был утвержден стандарт IEEE 802.16d, который объединял три ранее выпущенных версии. На физическом уровне он использовал две абсолютно разные технологии: модуляцию одной несущей частоты (Single Carrier) или множества поднесущих - технология OFDM (Orthogonal Frequency Devision Multeplexing), что позволяло устранить межсимвольную интерференцию. Однако, главная проблема заключалась в том, что стандарт IEEE 802.16-2004 был ориентирован на фиксированный доступ: местоположение абонента определялось раз и навсегда. В связи с этим, в 2005 году был выпущен новый документ IEEE 802.16e с дополнением «Физический и канальный уровни для совместной мобильной и фиксированной работы в лицензируемых диапазонах», из-за которого этот стандарт стали называть «мобильным WiMAX». 

Под «мобильными» подразумевают две категории абонентов: номадических, которые могут перемещаются в зоне сети, а на протяжении сеансов связи находящиеся в зоне действия одной БС, и подвижных, имеющих доступ к сети непосредственно во время движения. Для номадических абонентов важна мгновенная регистрация в любой точке сети, а для подвижных необходима «незаметная» процедура переподключения абонента от одной базовой станции к другой или между ее сегментами - handover.

В последней версии WiMAX был сделан переход к масштабируемой OFDM: число используемых поднесущих зависимо от рабочей полосы - OFDMA, а абонентам выделяется фиксированное число подканалов - SOFDMA (Scalable OFDM Access). Она содержит в себе все ранее выходившие стандарты и предоставляет несколько режимов работы:

Fixed WiMAX - фиксированный доступ, который является альтернативой широкополосных проводных технологий и использует диапазон частот 10-66 ГГц. Для работы в данном диапазоне необходима прямая видимость между передатчиком и приемником из-за сильного затухания коротких волн, но в тоже время можно избежать многолучевого распространения сигнала. В то время как,  ширина каналов достигает 25-28 МГц, что увеличивает скорость передачи до 120 Мбит/с.

Nomadic WiMAX – сеансовый доступ. Этот режим позволяет  перемещать оборудование клиентов между сеансами связи и восстанавливать соединение посредством ранее незадействованных вышек WiMAX. Такой доступ сокращает энергозатраты клиентского устройства.

Portable WiMAX – режим перемещения, позволяющий автоматически переключать клиента от одной базовой станции к другой без потери соединения  при скорости движения аюонентов  менее 40 км/ч.

Mobile WiMAX – мобильный режим, позволяющий увеличить скорость передвижения до 150 км/ч.

Так же, WiMAX обладает такими преимуществами как: устойчивость к многолучевому распространению, эстафетная передача сессий, быстрое переключение между каналами, стабильное соединение при смене направления движения, использование подканалов, одночастотных каналов и повторное задействование частот без значимых потерь. 

Последующее дополнение 802.16j позволило расширить сети используя ретрансляторы, а дальнейшее внедрение технологии WiMAX 2 на основе стандарта 802.16m способно обеспечить абонентов скоростью передачи данных до 440Мбит/с при движении МС – до 350км/ч.

1.2 Технологии WiMAX

Широкополосный доступ WiMAX предусматривает  пять режимов работы (Таблица 1.1): четыре - на частотах ниже 11 ГГц, и только один - выше, который ориентирован на работающие в прямой видимости магистральные сети со скоростью 120 Мбит/с и шириной канала 25 МГц. 

Таблица 1.1

Основные режимы стандарта IEEE 802.16



Режим

Частотный диапазон



Опции

Метод дуплекси-рования

WirelessMAN-SC

10-66 ГГц



TTD/FDD

WirelessMAN-SCa

< 11 ГГц

ARQ, AAS,STC,256-QAM

TTD/FDD

WirelessMAN-OFDM

< 11 ГГц

ARQ,AAS,STC,Mesh

TTD/FDD

WirelessMAN-OFDMA

< 11 ГГц

ARQ,AAS,STC

TTD/FDD

WirelessHUMAN

< 11 ГГц*

ARQ,AAS,STC,Mesh,DFS

TDD

Примечание  * Безлицензионный диапазон (в США и Европе)

На физическом уровне стандарт предусматривает следующие технологии: 

Модуляция одной несущей частоты SC - используют только прямые лучи с применением узконаправленных антенн и подавления всех отраженных лучей с целью устранения межсимвольной интерференции. Поэтому данную технологию невозможно применять в сетях массового пользования с многолучевым распространением радиоволн в каналах связи.

SCa (Single Carriera)– модификация представленного выше режима для работы в условиях непрямого распространения сигнала по принципу «точка-многоточка», отличается от SC методами модуляции и кодирования.

OFDM - модуляция с использованием 256 ортогональных поднесущих и одного частотного канала шириной от 1 МГц. Помимо данных, OFDM-код включает защитный интервал, представляющий собой копию оконечного фрагмента кода, что позволяет бороться с межсимвольными помехами, возникающими вследствии отражений и многолучевого распространения сигнала.

Множественный доступ посредством ортогональных несущих OFDM Access с использованием 128, 512, 1024 или 2048 поднесущих в зависимости от полосы радиоканала.

WirelessHUMAN (High speed Unlicensed MAN) – сети WiMAX в нелицензионных диапазонах.

Как можно увидеть из таблицы, режимы диапазонов ниже 11 ГГц объединяет функция автоматического запроса повторной передачи (ARQ – automatic repeat request), работа с адаптивными антенными системами (ASS – adaptive antenna system) и пространственно-временное кодирование (STC – space time coding), а для WirelessHuman так же характерны динамическое распределение частот (DFS – dynamic frequency selection), механизм нумерации свободных каналов и использование лишь временного кодирования. Кроме того, в режимах WirelessMAN-OFDM и WirelessHUMAN предусмотрена архитектура mesh-сети – децентрализованной сети взаимодействующих друг с другом систем, узлы которой обеспечивают доступ к среде передачи и поддерживают ретрансляцию трафика. Заметим, что в  IEEE 802.16a оговаривался диапазон выше 2 ГГц, а в новом стандарте нижняя граница размыта и колеблется в районе 700МГц. 

Стандарт IEEE 802.16 использует набор протоколов, которые приведены на рисунке 1.1. Стек включает в себя нижний уровень, на котором происходит физическая передача, уровень передачи данных (MAC-уровень), на котором содержатся протоколы управления каналом, и верхние уровни. 



Рис.1.1 Стек протоколов



1.3 Физический уровень стандарта IEEE 802.16



Данный стандарт позволяет строить магистральные сети WiMAX и осуществлять фиксированный доступ на основе технологий WirelessMAN-SC (в диапазоне ниже 11ГГц – SCa), OFDM, OFDMA.

Метод модуляции одной несущей SC образует двунаправленную систему с восходящим и нисходящим потоками, широкополосными каналами до 28МГц и скоростям передачи до 150 Мбит/c в прямой видимости. При данном преобразовании сигнала данные подвергаются рандомизации, далее защищаются посредством FEC-кодирования с использованием кода Рида-Соломона. Кодированные блоки преобразуются с помощью синусквадратного фильтра и квадратурного модулятора, образуя выходной сигнал, и передаются. Так как система двунаправленная применяются частотное и временное  разделения восходящего и нисходящего каналов. При построении широкополосных беспроводных сетей в диапазоне 10-66 ГГц должно учитываться, что миллиметровые волны распространяются по прямым линиям, в связи с чем, на базовой станции должны установливаться несколько антенн, покрывающих различные независящие друг от друга секторы, что показано на рисунке 1.2. Мощность сигнала таких волн будет уменьшаться с увеличением расстояния, поэтому применяются три вида модуляций:

QAM-64 (квадратурная) с шестью битами на отсчет и скоростью до 150 Мбит/с;

QAM-16 с четырьмя битами и скоростью до 100 Мбит/с;

QPSK (фазовая) с двумя битами и скоростью до 50 Мбит/с.

Следовательно, чем дальше АС расположена от БС, тем ниже скорость передачи данных.



Рис.1.2 Среда передачи данных

Режим OFDM предполагает модуляцию в одном часотном канале шириной 1-2 МГц, которая основана на разбиении канала на параллельные гауссовы каналы с отношениями сигнал/шум и точном измерении характеистик канала. Данные в OFDM-символах защищены дополнительными  интервалами, представляющими повторение конечного фрагмента символа. Каждая поднесущая проходит квадратурную амплитудную модуляцию, а сигнал определяется с помощью обратного быстрого преобразования Фурье. Кодирование данных состоит из рендомизации – умножения блока данных на псевдослучайную последовательность, помехойстойчивого кодирования внешним кодом Рида-Соломона и внутренним сверточным кодом и перемежения. Каждая последовательность кадров – фрейм- делится на восходящий и низходящий субкадр. Используется временное и частотное разделение на восходящие и нисходящие каналы. Каждый нисходящий субкадр содержит преамбулу для синхронизации, управляющий заголовок с описанием профиля и длины первых субкадров и пакеты данных, восходящий – интервалы конкурентного доступа для начальной инициализации абонентской станции и запроса полосы передачи, временные интеревалы передачи и информационные пакеты. Данному режиму свойственна mesh-сеть, узлы которой обеспечивают сквозную передачу данных, а значит абонентские станции могут взаимодействовать непосредственно между собой. Для работы такой сети в субкадрах после заголовка  MAC-пакета идет подзаголовок mesh-сети. В mesh-сети нет разделения на восходящие и нисходящие каналы, а весь обмен происходит за счет кадров. 

Метод OFDMA аналогичен OFDM, главное различие заключается в принципе разделения каналов: один OFDMA-канал образован определенным числом несущих, распределенных по выделенному диапазону частот. Канальное кодирование, в свою очередь, отличается тем, что предусмотрен только сверточный кодер без кодера Рида-Соломона, при необходимости используют блочные и сверточные турбокоды. Предусмотрено временное и частотное деление на восходящие и нисходящие субкадры, пакеты данных  одновременно передаются на различных OFDMA-подканалах. Для передачи данных используются слоты – минимальные ресурсы. Каждый слот занимает один подканал, в нисходящем субкадре – один (при полном использовании подканалов) или два (при использовании сегментов подканалов) последовательных OFDMA-символа, в восходящем – три. В нисходящем канале первый символ – преамбула, следующие два – передают заголовок кадра и карту распределения полей нисходящего канала, далее идет карта восходящего канала и нисходящие пакеты. Восходящий субкадр содержит пакеты от АС и интервал для запроса доступа/инициализации. Передача ведется фрагментами – совокупностью трех символов и четырех несущих.

На рис.1.1 и рис.1.2 схематически показаны последовательность этапов обработки сигналов и струтура кадров стандарта при передаче с временным дуплексом на физическом уровне.



Рис. 1.1 Этапы обработки сигналов





Рис. 1.2 Структура кадров при временном дуплексе

1.4 MAC-уровень

На MAC-уровне стандарта IEEE 802.16 осуществляется формирование структур данных и управление работой системы, а так же формирование транспортной среды сервисов оборудованием стандарта.

MAC-уровень делится на несколько подуровней: преобразования сервиса - CS (Convergence Sublayer), основной – CPS (Common Part Sublayer) и защиты – PS (Privacy Sublayer). На подуровне защиты происходит криптозащита и аутентификация/предотвращение несанкционированного доступа с помощью алгоритмов криптозащиты и протоколом управления ключом шифрования. Базовые станции передают ключи абонентских станций путем авторизации, используя схему «клиент  - сервер». На подуровне преобразования сервиса протекает оптимизация потоков данных протоколов верхних уровней для передачи через сеть с учетом их специфики, включающая классификацию пакетов\ячеек. При трансформации транслируемых потоков происходит удаление повторяющихся фрагментов заголовков, что позволяет избавиться от избыточной информации. Потоки данных, связанные с определенными приложениями, характеризуются набором требований: временем задержки, уровнем флуктуации задержек и пропускной способностью. Каждому потоку присваивается идентификатор, посредством которого базовая станция определяет необходимые параметры соединения. Это происходит путем присвоения его к определенному сервисному классу.

На MAC-уровне формируются пакеты данных, которые после передаются на физический уровень, инкапсулируются в физические пакеты и транслируются по каналу связи. MAC-пакеты состоят из заголовков и данных, за которыми идет контрольная сумма. Заголовки делятся на общие и запросы полосы пропускания, в первом содержится идентификатор соединения, тип, контрольная сумма и сведения о данных, во втором – идентификатор и размер требуемой полосы без учета заголовков физических пакетов (данные отсутсвуют). Поле данных в свою очередь включает MAC-подзаголовки, управляющие сообщения и данные приложений верхних уровней. Подзаголовки MAC подразделяются на типы: упаковки (если данные одного MAC-пакета включают несколько пакетов верхних уровней), фрагментирования (если пакет верхнего уровня разбит на несколько MAC-пакетов), управления (сообщает базовой станциии изменения потребностей в полосе пропускания) и Fast Feedback (для быстрого ответа на запрос базовой станции). Последний участвует в процедуре подтверждения приема пакетов, их повторной отправке и быстрой организации канала обратной связи.



1.5 Сравнение систем беспроводного абонентского доступа

Существует четыре основные современные системы беспроводного доступа: HSPA, LTE, Wi-fi и рассматриваемая нами технология WiMAX. Для обоснования выбора, отразим параметры и характеристики каждой.

High Speed Packed Access – беспроводная широкополосная радиосвязь с пакетной передачей данных. Технология HSPA предусматривает частотное дуплексирование FDD с шириной каналов 5МГц.  Скорость передачи в нисходящем канале равна 14 Мбит/с, в восходящем – 5,8 Мбит/с. Из-за динамического распределения пропускной способности между нисходящими и восходящими каналами при временном дуплексировании, скорость передачи WiMAX в свою очередь увеличивается в 2-3 раза. В тоже время, ширина каналов WiMAX как при временном , так и при частотном дуплексировании может достигать 20 МГц. 

Long Term Evolution – технология построения сетей беспроводной связи поколения 4G, используящая режим OFDMA и коммутацию пакетов. Так же, как и в WiMAX, в ней применяется временной и частотный виды дуплекса при пропускной полосе канала до 20 МГц, но, если технология WiMAX основана только на IP-протоколах IEEE, то LTE более сложна и так же включает протоколы 3G сетей, что обеспечивает ее совместимость  с GSM и UMTS. При одинаковых модуляциях LTE и WiMAX имеют схожие характеристики: пиковые скорости одинаковы, необходим новый частотный спектр, средства для преобразования в них сетей 2G/3G приблизительно равны. Но в то же время, WiMAX обладает более простой и надежной инфрраструктурой, опережает LTE на четыре года, а также использует технологию Frequency Diversity Sheduling, распределяющую поднесущие частоты, предоставляемые абоненту, по всему впектру канала, что позволяет произвести рандомизацию и усреднение воздействия на широкополосный канал, оказываемого частотно-селективными замираниями. 

Беспроводные сети Wi-fi используются в перую очередь для развертывания собственных сетей в пределах места прибывания. Их главное отличие от WiMAX заключается в диапазоне работы: наиболее распространенным является диапазон 2,4 ГГц. Радиус действия может достигать 300м, а скорость передачи – 54 Мбит/с, в то время как у WiMAX в диапазоне 1,5-11 ГГц - 75 Мбит/с, а дальность действия до 80 км для фиксированной версии и 1-5 км, 40 Мбит/с – для мобильной. Кроме того, Wi-fi требует наличия прямой видимости, работает на нелицензируемых частотах и зависит от погодных условий. Преимуществом Wi-fi является распространенность поддерживающего его абонентского оборудования.

Как можно увидеть, WiMAX обладает рядом преимуществ, таких как:

большая дальность покрытия и высокая скорость;

стандартизация и простота технологий;

работа вне прямой видимости;

высокое качество передачи при низкой стоимости.

Но, не смотря на все достоинства данной технологии, ускоренному ее развитию мешает внедрение сотовых сетей третьего и четвертого поколений, которые предлагают своим абонентам аналогичные услуги при развитии существующих сетей, а для развития инфраструктуры сетей WIMAX необходимы значительные затраты и освобождение занятых частот.













2 АРХИТЕКТУРА ПОСТРОЕНИЯ СЕТИ WIMAX

2.1 Основные принципы

Полная архитектура сети, включая механизмы аутентификации, криптозащиты, роуминга и хэндовера описываются в доументах WiMAX-форума Network Architecture. Она должна обеспечивать независимость архитектуры сети доступа от структуры транспортной IP-сети. Сеть WiMax должна легко масштабироваться и изменяться, основываясь на принципах декомпозиции, подстраиваясь  под плотность абонентов,  величину зоны покрытия, частотные диапазоны, топологию сети и мобильность абонентов.



2.2 Базовая модель

Базовая модель сети WiMAX (БМ) – это логическое представление сетевой архитектуры, основанное на наборе стандартных логических функциональных модулей и интерфейсов – точек сопряжения. Она включает в себя абонентские станции, сети доступа (ASN), сети подключения (CSN) и базовые точки (R1-R8), через которые осуществляется сопряжение функциональных модулей, что показано на рисунке 2.1. 

CSN – это и есть сеть WiMAX, которая обеспечивает авторизацию/аутентификацию, доступ и выход на IP-сети для реализации предоставляемых услуг. Она предоставляет абонентам сетевые параметры на период сессий, осуществляет контроль доступа и хранение профилей абонентов, передачу данных между сетями доступа и подключения и т.д. В состав CSN входят маршрутизаторы, серверы, базы данных, шлюзы и т.п.

ASN принадлежит провайдеру сети доступа (NAP), который предоставляет доступ к сети сервис-провайдерам WiMAX (NSP), предуставляющим  IP-соединения абонентам и соглашения о роуминге. Она  состоит из базовых станций, управляемых шлюзами (ASN-GW) и осуществляет поиск и выбор сети, обеспечение безопасности и мобильности, организацию сквозных IP-соединений и управление радиоресурсом. 





Рисунок 2.1. Базовая модель WiMAX-сети

ASN принадлежит провайдеру сети доступа (NAP), который предоставляет доступ к сети сервис-провайдерам WiMAX (NSP), предуставляющим  IP-соединения абонентам и соглашения о роуминге. Она  состоит из базовых станций, управляемых шлюзами (ASN-GW) и осуществляет поиск и выбор сети, обеспечение безопасности и мобильности, организацию сквозных IP-соединений и управление радиоресурсом. 

Каждая базовая станция обслуживает одну соту с выделенным частотным диапазоном, поддерживая связь с абонентскими. Также, она выполняет распределение частотного ресурса, классификацию трафика и управление сервисным потоком, при этом дожны учитываться требования по качеству QoS для различных классов трафика. Базовая станция управляет статусом абонентских, обеспечивает их динамическими адресами, поддерживает туннельный протокол в направлении к шлюзу ASN и транслирует сигнальный обмен. Она может одновременно подключаться к двум шлюзам для распределения нагрузки.

Шлюз ASN – это логическое устройство, которое связывает базовые станции одной ASN с сетями доступа и сетью подключения CSN. Он осуществляет связь на уровне каналов и управления. Шлюз ASN состоит из блока решиний (Decision Point – DP) и блока исполнения (Enforcement Point – EP). EP осуществляет передачу потока данных, а DP – функции контроля радиоресурсов сети. 

R1 – канал связи между МС и ASN. 

R2 – логический канал между мобильной станцией и CSN, включает протоколы и процедуры аутентификации, авторизации и конфигурации IP-хоста.

R3 – содержит набор протоколов управления для передачи IP-данных между ASN и CSN и реализации доступа AAA и доступ к услугам сети WiMAX.

R4 – канал связи между ASN-шлюзами ASN-сетей, включает протоколы управления и организации сквозных каналов.

R5 – интерфейс между сетью домашнего и гостевого сервис-провайдера.

R6 – интерфейс между базовой станцией и ASN-шлюзом, обеспечивает передачу данных и тунельные соединения.

R7 – виртуальный канал внутри шлюза ASN для связи функций двух групп R6.

R8 – канал между базовыми станциями, который осуществляет передачу управляющих сообщений и трансляцию данных и организацию сквозных каналов.



2.3 Управление радиоресурсами

Функцию управления радиоресурсами осуществляют контроллер радиоресурсов – RRC (Radio Resource Controller) и агент радиосредств – RRA (Radio Resoutce Agent), которые должны быть в каждой базовой станции. В свою очередь, в ASN-шлюзах находятся  RRC- ретрансляторы, необходимые для обмена управляющей информацией между RRC-контроллерами. Обмен осуществляется через R4 и R6, однако, если базовые станции соединяет интерфейс R8, то обмен происходит непосредственно по нему, как показано на рисунке 2.2. Агент радиосредств RRA управляет и собирает данные о радиообстановке вокруг базовой странции, а также информацию об измерениях параметров протоколов верхних уровней, например об ошибках пакетов передачи, и транслирует управляющую информацию от RRC до МС. RRC же собирает и хранит информацию RRA и взаимодействует с остальными RRC.



Рис.2.2 Базовая модель управления радиоресурсами

Следовательно, управление радиоресурсами собирает от базовых станций и хранит параметры сети в базе данных, инициирует  процедуры их измерения. Эти данные служат для управления хэндовером и обеспечения качества обслуживания QoS, к ним относятся: физические характеристики МС, оценка QoS с мобильными станциями, количество свободных субканалов для восходящих/нисходящих каналов, определение уровня мощности сигналов базовой станции и интерференции, передача сообщений реконфигурации субканалов сектора и изменение мощности и распределения ресурсов базовой станции.



2.4 Качество обслуживания

QoS играет первостепенную роль в организации WiMAX-сетей. Каждое соединение обслуживается своим сервисным потоком (для абонентов WiMAX набор задан), с заданными характеристиками качества, данные о которых содержатся в системе управления абонентами. При статической модели управления качеством обслуживания, АС не имеет возможности изменять параметры сервисных потоков или создавать новые во время сеанса связи, а при динамической – может. Переключение и создание сервисных потоков может осуществляться при обращении мобильной станции к функциям CSN на уровне приложений. Следовательно, наземный сегмент WiMAX должен осуществлять управление сервисными потоками каждого абонента. Реализуют функции QoS в сети WiMAX: модуль управления сервисными потоками (SFM – Service Flow Management), модуль авторизации сервисных потоков (SFA – Service Flow Authorization) и система хранения данных о разрешенных ресурсах абонента (рис.2.3).

Модуль управления сервисными потоками – SFM - всегда расположен в базовой станции. Он осуществляет создание, отключение, разрешение или модификацию сервисных потоков и содержит функцию управления разрешением ( AC – admission control) и базу данных о локальных ресурсах, на основании которых абонентская станция решает, может ли быть добавлен новый сервисный поток.









Рис. 2.3 Система обеспечения QoS

Модуль авторизации сервисых потоков – SFA – обеспечивает SFM базовой станции информацией о качестве обслуживания конкретного  абонента, а распологается в ASN-шлюзе.

После рассмотрения изложенных принципов организации WiMAX-сетей, можно увидеть, что многие важные вопросы остались не рассмотрены. Это связано с тем, что многие аспекты пока не отражены в стандартах WiMAX-сети, так как она находится на стадии развития.





3 ПОСТРОЕНИЕ СЕТИ

3.1 Анализ инфраструктуры района и трафик сети

 Для построение сети беспроводного доступа выбран Родионово-Нессветайский район, расположенный на юго-западе Ростовской области. Административным центром является Родионово-Несветайская слобода, расположенная в центре района. Также, в состав образования входят 6 сельских поселений: Барило-Крепинское, Болдыревское, Большекрепинское, Волошинское, Кутейниковское и Родионово-Несветайское, включающие 54 хуторов и слобод. 

Максимальная высота поверхности земли составляет 140 м над уровнем моря, минимальная – 25 м. На трассе имеются сельскохозяйственные защитные лесополосы с высотой деревьев до 10 метров. На окраинах населенных пунктов имеются возвышенности, на которых можно разместить мачты для антенн, проложив линии связи длинною до 1 км до АТС провайдера.

Население района составляет 23 тысячи человек, а площадь – 1547 км?, плотность населения – 15чел./км?. Базовые станции будут распололожены в административных центрах поселений с большей численностью населения: хутор Волошино – 800 человек, Болдыревка - 850, слобода Кутейниково – 1150, Барило-Крепинская – 1200, Большекрепинская – 2000, Родионово-Несветайская – более 6300, что составляет больше половины всех жителей района. Потенциальными пользователями сети по данным Mediascope в подобных районах можно считать 60% населения, что составляет более 3500 семей - АС. 

Каждая базовая станция подключена к сети провайдера Ростелеком, а скорость обмена данными каждой из них с абонентскими станциями может достигать 70 Мбит/с. 

Учитывая, что на каждую БС приходится порядка 600 абонентских станций можно рассчитать максимальную скорость передачи, приходящуюся на каждую АС:



Где  – потенциальная емкость тракта;

       n – число абонентских станций;

       P – удельная нагрузка [Эрл].

Отсюда получим:



Полученная скорость является максимально возможной, она предоставляет пользователям высокоскоростной беспроводной доступ в интернет, с поддержкой видео-, аудиофайлов и т.п.

На рисунке 3.1 изображена карта района с расположениямими базовых станций.



Рис. 3.1 Расположение БС в Родионово-Несветайском районе

3.2 Выбор оборудования

Большую роль в построении сети играет выбор частотного диапазона. Наиболее подходящими для сети широкополосного беспроводного доступа WiMAX в России считаются диапазоны около 2,4; 3,5; 5,6 ГГц. От диапазона частот напрямую зависят дальность действия сети, качество предоставляемых услуг, включая скорость, и выбор оборудования.

При разработке данной сети был выбран частотный диапазон 5-6 ГГц и модуляция 16QAM, предназначенные для магистральных систем связи с протяженностью пролета до 45 км, и поддерживающие его базовые станции российской компании Микран – WIMIC-6000L/S/T, работа и схема применения которой изображены на рисунках 3.2 и 3.3 Система WiMIC-6000 состоит из базовой станции WiMIC-6000B и подключаемых по радиоканалу абонентских станций WiMIC-6000S.  Данная БС работает в расширенном диапазоне в условиях многолучевого приема, использует стандарт IEEE 802.16-2004, позволяет организовывать сети с топологией «точка-точка» и «точка-многоточка», обладает мультисервисностью и качеством обслуживания на уровне сервисных потоков. В условиях прямой видимости БС обеспечивает дальность связи  до 30 км, при работе на отражениях (NLOS) – до 4-5 км. При увеличении расстояния снижается пропускная способность. 





Рис.3.2. Работа станции 



Рис. 3.3 Применение станции

Характеристики WIMIC-6000L/S/T:

Диапазон частот: 5,65 – 6,425 ГГц;

Дуплексирование – FDD/TDD;

.......................