В этой статье я расскажу о неоднократно упоминавшейся на Хабре технологии.
Worlwide Interoperability for Microwave Access. Так расшифровывается WiMAX.
У этой технологии нет глубоких корней, как например у GSM или CDMA. Она появилась сравнительно недавно: в 2004 году вышел первый стандарт для WiMAX, а в наш повседневный мир она проникает только сейчас.
Изначально его позиционировали, как 4G из-за его новизны и скорости передачи, но в 2008 году он однозначно занял своё место среди технологий третьего поколения. Однако этот факт не помешал продажникам, рекламщикам и прочим нечистым на язык людям рекламировать его именно под слоганом «4G интернет» (о чём это они?).
Для начала я кратко расскажу тем, кто далёк от телекоммуникаций, о поколениях технологий связи. Вначале был AMPS (Advaced Mobile Phone Service) — аналоговый стандарт, который можно было прослушивать, просто имея приёмник. Не прожив и нескольких лет, он уступил пальму первенства технологии, известной как GSM (Global System for Mobile Communications). Это 2-е поколение. Наряду с ним появился и CDMA One (Code Devision Multiple Access). Эти две ветви дали начало GPRS (General Packet Radio Service, позднее EDGE — Enhanced Data rates for GSM Evolution), WCDMA (Wideband CDMA он же UMTS) и CDMA 2000 1x, соответственно, которые принято относить к промежуточному поколению 2,5G. WCDMA переродился в HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access, позднее HSUPA — High Speed Uplink Packet Access), а CDMA 2000 1x в CDMA EVDO. Это и есть третье поколение, к которому, грубо говоря, со стороны IP-сетей подошёл WiMAX.
На смену же всему этому уже на пороге стоит LTE и WiMAX Release 2.0. Что же ещё нас ждёт?
Как вы теперь понимаете, противопоставлять WiMAX и 3G несколько некорректно.
Теперь подробнее. WiMAX — относится к сетям класса MAN (Metropolitan Area Network), разрабатывается и поддерживается ассоциацией WiMAX Forum.
В 2004 году появилась спецификация 802.16d, описывающая фиксированный WiMAX. Абонентские устройства не могут перемещаться на значительные расстояния, нет хэндовера, но при этом обеспечивается работа на большом расстоянии (до 50 км от БС, согласно спецификации). На мой взгляд бесперспективная ветвь.
В 2005 выходит 802.16e. Это уже Mobile WiMAX, о котором вы регулярно слышите. Именно ему пророчили большое будущее.
Технология работает в диапазоне частот 2-6 ГГц. Наиболее удобные для обеспечения мобильности частоты 2,3-2,7 Ггц, но получить разрешение на них крайне сложно. Следующий используемый в оборудовании диапазон: 3.4-3.6 ГГц — золотая середина. На частотах близких к 6 ГГц работает, так называемый, preWiMAX, абонентские устройства должны находиться в области прямой видимости базовой станции, поскольку проникновение волн такой частоты и огибание препятствий очень слабое. В этом плане тем же GSM-сетям (800-1900 МГц), а тем более CDMA (450 МГц) гораздо проще.
Как правило устройства не поддерживают работу в нескольких диапазонах частот, поэтому нередко звонят люди и говорят: «А вот я приобрёл в Москве модемчик Йота. Скажите, а он у вас тут работать будет?» — на что получают отказ.
Что же представляет из себя сеть WiMAX? Самый простой случай представлен на схеме.
Небольшие пояснения к схеме:
CPE=Customer Premises Equipment
BS=Base Station
ASN=Access Service Network
ASN-GW=Access Service Network GateWay
CSN=Connection Service Network
AAA=Authentification, Autorization, Accounting
Для сети WiMAX вводится понятие следующих интерфейсов:
R1 — интерфейс между CPE и BS
R2 — виртуальный интерфейс между CPE и CSN
R3 — интерфейс между ASN-GW и CSN
R6 — интерфейс между BS и ASN-GW
Вообще говоря, сетей ASN и CSN может быть и больше. Например, две сети ASN в разных городах, подключенных к одной сети CSN или к разным. Картинка. Здесь добавляются интерфейсы R4 для связи различных ASN и R5 для связи CSN.
Если статья является актуальной и интересной для кого-то, я напишу несколько подробных статей по функциям каждого узла.
Разумеется, на схеме не показаны такие элементы, как свитчи, файрволы, не сказано о транспорте до БС, ибо это совсем другая история.
Принцип работы приблизительно таков: абонентское устройство, настроенное на сеть оператора отправляет БС запрос на выделение радиоресурсов, при успешном завершении на ASN-GW отправляется запрос на аутентификацию (используется EAP-TTLS). Он в свою очередь по имени домена в параметре login определяет, куда следует перенаправить запрос. Далее нужный ААА-сервер даёт Accept или Reject устройству. Если аутентификация прошла успешно, модему назначается IP-адрес, QoS, режим работы и другие параметры. Всё. Устройство готово к работе.
Напоследок приведу основные особенности и преимущества WiMAX.
TDD (Time Division Duplex). Не нужно использовать различные частоты для приёма и передачи, что позволяет более оптимально использовать выделенную полосу частот (для 802.16e это 5, 7, 10 МГц, для 802.16d возможно использование 20 Мгц). Также для более рационального использованию полосы используется технология OFDMA (Orthogonal Friquency-Division Multiple Access).
CP (Cycle Prefix) — в начало OFDMA символа вставляется небольшой кусочек (1/4, 1/8,1/16, 1/32) из конца для предотвращения интерференции прямого и отражённого сигнала. Обычно используется 1/8.
CC и CTC (Convolutional coding и Convolutional Turbo coding). Не могу дать конкретных пояснений, используется для кодирования OFDMA-смволов.
AMC (Adaptive Modulation and Coding). Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый используется обратное преобразование Фурье (для меня это особо волнительный момент, ибо в универе я ненавидел эту тему). В зависимости от уровня сигнала (RSSI — Received signal strength indication) и уровня шума (CINR — Carrier to Interference + Noise Ratio) выбирается число членов ряда Фурье, соответственно и модуляция: QPSK, 16QAM, 64QAM. Чем лучше сигнал, тем выше выбирается модуляция, тем выше скорость передачи данных. Так же выбирается кодирование и cycle prefix.
HARQ (Hybrid automatic repeat request) — механизм, позволяющий отслеживать ошибки и отправляющий запрос на повторную передачу.
MIMO (Multiple Input/Multiple Output) — использование нескольких антенн для приёма и передачи.
AAS (Adaptive Antenna System) — антенная система, диаграмма направленности которой меняется в соответствии с перемещением абонентских устройств.
Путь WiMAX'а тернист: с одной стороны это конкуренция со стороны сотовых операторов, с другой — неcущийся ему навстречу на всех парах LTE, с третьей — русские управленцы.
P.S. В данной статье аккумулируем вопросы, которые стоит осветить в следующих статьях.
<Что я хотел донести в этой статье? Общую информацию о технологии WiMAX, принципы работы и используемые механизмы. Что я хотел узнать? Нужно ли продолжение в подробностях?>
Worlwide Interoperability for Microwave Access. Так расшифровывается WiMAX.
У этой технологии нет глубоких корней, как например у GSM или CDMA. Она появилась сравнительно недавно: в 2004 году вышел первый стандарт для WiMAX, а в наш повседневный мир она проникает только сейчас.
Изначально его позиционировали, как 4G из-за его новизны и скорости передачи, но в 2008 году он однозначно занял своё место среди технологий третьего поколения. Однако этот факт не помешал продажникам, рекламщикам и прочим нечистым на язык людям рекламировать его именно под слоганом «4G интернет» (о чём это они?).
Для начала я кратко расскажу тем, кто далёк от телекоммуникаций, о поколениях технологий связи. Вначале был AMPS (Advaced Mobile Phone Service) — аналоговый стандарт, который можно было прослушивать, просто имея приёмник. Не прожив и нескольких лет, он уступил пальму первенства технологии, известной как GSM (Global System for Mobile Communications). Это 2-е поколение. Наряду с ним появился и CDMA One (Code Devision Multiple Access). Эти две ветви дали начало GPRS (General Packet Radio Service, позднее EDGE — Enhanced Data rates for GSM Evolution), WCDMA (Wideband CDMA он же UMTS) и CDMA 2000 1x, соответственно, которые принято относить к промежуточному поколению 2,5G. WCDMA переродился в HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access, позднее HSUPA — High Speed Uplink Packet Access), а CDMA 2000 1x в CDMA EVDO. Это и есть третье поколение, к которому, грубо говоря, со стороны IP-сетей подошёл WiMAX.
На смену же всему этому уже на пороге стоит LTE и WiMAX Release 2.0. Что же ещё нас ждёт?
Как вы теперь понимаете, противопоставлять WiMAX и 3G несколько некорректно.
Теперь подробнее. WiMAX — относится к сетям класса MAN (Metropolitan Area Network), разрабатывается и поддерживается ассоциацией WiMAX Forum.
В 2004 году появилась спецификация 802.16d, описывающая фиксированный WiMAX. Абонентские устройства не могут перемещаться на значительные расстояния, нет хэндовера, но при этом обеспечивается работа на большом расстоянии (до 50 км от БС, согласно спецификации). На мой взгляд бесперспективная ветвь.
В 2005 выходит 802.16e. Это уже Mobile WiMAX, о котором вы регулярно слышите. Именно ему пророчили большое будущее.
Технология работает в диапазоне частот 2-6 ГГц. Наиболее удобные для обеспечения мобильности частоты 2,3-2,7 Ггц, но получить разрешение на них крайне сложно. Следующий используемый в оборудовании диапазон: 3.4-3.6 ГГц — золотая середина. На частотах близких к 6 ГГц работает, так называемый, preWiMAX, абонентские устройства должны находиться в области прямой видимости базовой станции, поскольку проникновение волн такой частоты и огибание препятствий очень слабое. В этом плане тем же GSM-сетям (800-1900 МГц), а тем более CDMA (450 МГц) гораздо проще.
Как правило устройства не поддерживают работу в нескольких диапазонах частот, поэтому нередко звонят люди и говорят: «А вот я приобрёл в Москве модемчик Йота. Скажите, а он у вас тут работать будет?» — на что получают отказ.
Схема сети
Что же представляет из себя сеть WiMAX? Самый простой случай представлен на схеме.
Небольшие пояснения к схеме:
CPE=Customer Premises Equipment
BS=Base Station
ASN=Access Service Network
ASN-GW=Access Service Network GateWay
CSN=Connection Service Network
AAA=Authentification, Autorization, Accounting
Для сети WiMAX вводится понятие следующих интерфейсов:
R1 — интерфейс между CPE и BS
R2 — виртуальный интерфейс между CPE и CSN
R3 — интерфейс между ASN-GW и CSN
R6 — интерфейс между BS и ASN-GW
Вообще говоря, сетей ASN и CSN может быть и больше. Например, две сети ASN в разных городах, подключенных к одной сети CSN или к разным. Картинка. Здесь добавляются интерфейсы R4 для связи различных ASN и R5 для связи CSN.
Если статья является актуальной и интересной для кого-то, я напишу несколько подробных статей по функциям каждого узла.
Разумеется, на схеме не показаны такие элементы, как свитчи, файрволы, не сказано о транспорте до БС, ибо это совсем другая история.
Принцип работы
Принцип работы приблизительно таков: абонентское устройство, настроенное на сеть оператора отправляет БС запрос на выделение радиоресурсов, при успешном завершении на ASN-GW отправляется запрос на аутентификацию (используется EAP-TTLS). Он в свою очередь по имени домена в параметре login определяет, куда следует перенаправить запрос. Далее нужный ААА-сервер даёт Accept или Reject устройству. Если аутентификация прошла успешно, модему назначается IP-адрес, QoS, режим работы и другие параметры. Всё. Устройство готово к работе.
Особенности технологии
Напоследок приведу основные особенности и преимущества WiMAX.
TDD (Time Division Duplex). Не нужно использовать различные частоты для приёма и передачи, что позволяет более оптимально использовать выделенную полосу частот (для 802.16e это 5, 7, 10 МГц, для 802.16d возможно использование 20 Мгц). Также для более рационального использованию полосы используется технология OFDMA (Orthogonal Friquency-Division Multiple Access).
CP (Cycle Prefix) — в начало OFDMA символа вставляется небольшой кусочек (1/4, 1/8,1/16, 1/32) из конца для предотвращения интерференции прямого и отражённого сигнала. Обычно используется 1/8.
CC и CTC (Convolutional coding и Convolutional Turbo coding). Не могу дать конкретных пояснений, используется для кодирования OFDMA-смволов.
AMC (Adaptive Modulation and Coding). Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый используется обратное преобразование Фурье (для меня это особо волнительный момент, ибо в универе я ненавидел эту тему). В зависимости от уровня сигнала (RSSI — Received signal strength indication) и уровня шума (CINR — Carrier to Interference + Noise Ratio) выбирается число членов ряда Фурье, соответственно и модуляция: QPSK, 16QAM, 64QAM. Чем лучше сигнал, тем выше выбирается модуляция, тем выше скорость передачи данных. Так же выбирается кодирование и cycle prefix.
HARQ (Hybrid automatic repeat request) — механизм, позволяющий отслеживать ошибки и отправляющий запрос на повторную передачу.
MIMO (Multiple Input/Multiple Output) — использование нескольких антенн для приёма и передачи.
AAS (Adaptive Antenna System) — антенная система, диаграмма направленности которой меняется в соответствии с перемещением абонентских устройств.
Путь WiMAX'а тернист: с одной стороны это конкуренция со стороны сотовых операторов, с другой — неcущийся ему навстречу на всех парах LTE, с третьей — русские управленцы.
P.S. В данной статье аккумулируем вопросы, которые стоит осветить в следующих статьях.
<Что я хотел донести в этой статье? Общую информацию о технологии WiMAX, принципы работы и используемые механизмы. Что я хотел узнать? Нужно ли продолжение в подробностях?>
