Выполнил: студент группы 10 ОЗИ
Никольский В.И.

Организация цифровых широкополосных сетей

В сетях радиопередач используются как узконаправленные антенны, так и антенны с более широким сектором охвата, вплоть до всенаправленных (круговых). Для соединения типа точка-точка используются две нацеленные друг на друга (узко)направленные антенны; так строятся, например, радиорелейные линии передач, в которых расстояние между соседними релейными вышками может исчисляться десятками километров. Узконаправленная антенна фокусирует радиолуч, увеличивая плотность его энергии; таким образом передатчик данной мощности "простреливает" на большее расстояние.
Другой тип связи получится при использовании только всенаправленных антенн. В этом случае будет достигнута возможность соединения каждого с каждым. Такую топологию имеют обычно небольшие учрежденческие сети, развернутые на ограниченной территории.
Наконец, если в центре "ячейки" поместить базовую станцию (БС) со всенаправленной антенной и снабдить всех обслуживаемых ею абонентов сфокусированными на нее направленными антеннами, то получим топологию "точка-многоточка". Если еще соединить между собой базовые станции в некоторой иерархии (либо радиорелейными линиями или просто радио-соединениями по типу "точка-точка", либо кабельными каналами), то получим уже целую сотовую сеть.
По этому принципу строятся системы беспроводного широкополосного доступа (БШД). В центре зоны обслуживания устанавливается БС с секторными антеннами, а на удаленных площадках - абонентские терминалы с направленными антеннами. Для работы сервисов реального времени, передачи трафика голоса и видео современные системы БШД поддерживают качество обслуживания с выделением гарантированной полосы пропускания.
Пропускная способность такой сети, распределяемая между абонентскими терминалами, обслуживаемыми одним сектором БС, будет зависеть от числа терминалов. Эффективная производительность одного сектора БС известных производителей БШД лежит в пределах 10-43 Мбит/с, чего вполне достаточно для организации большинства инфокоммуникационных сервисов.
В данном случае это будет фиксированная сотовая сеть, так как мобильный абонент не может иметь направленную антенну.
Мобильная сотовая сеть строится по тому же принципу, но с использованием ненаправленных антенн также и у мобильных абонентов, которые не мешают при этом друг другу, потому, что говорят всегда на разных каналах (или чередуясь на одном и том же канале), и потому, что сигнал от мобильного аппарата гораздо слабее сигнала от БС и может быть правильно принят только БС, но не другим мобильным аппаратом.
Для решения задач по обеспечению непрерывного информационного взаимодействия между множеством мобильных и фиксированных объектов, рассредоточенных на большой площади, была создана технология MESH сетей. В сегодняшнем понимании беспроводная MESH сеть – это сеть доступа, построенная на оборудовании стандарта 802.11 (Wi-Fi) по принципу избыточных магистральных связей между соседними точками доступа (ТД), поддерживающая механизмы адаптивной динамической маршрутизации трафика по транспортным каналам.
Территория обслуживания сети разбивается на узловые зоны. В каждой из них имеется узловая ТД, подключаемая к опорной проводной сети при помощи магистрального канала – проводного (медь, оптика) или беспроводного (РРЛ, БШД). Узловая зона делится на квадраты, обслуживаемые периферийными ТД, связанными с узловой ТД и соседними периферийными ТД беспроводными транспортными каналами. Пример реализации узловой зоны на оборудовании компании Cisco Systems приведен на рис.
ТД Cisco Aironet 1500 работают в двух диапазонах: 802.11a и 802.11b/g. В диапазоне 802.11a осуществляются "транспортные" соединения между ТД, а в диапазоне 802.11b/g происходит подключение беспроводных клиентов. Данная архитектура позволяет быстро развертывать такие сети с сохранением полосы пропускания.
Использование фирменного протокола маршрутизации Adaptive Wireless Path Protocol, поддержка QOS (802.11e) и виртуальных сетей 802.1q позволяет еще больше оптимизировать полосу пропускания. Кроме того, ТД Cisco Aironet поставляются во "внешнем" корпусе, соответствующем стандарту NEMA-4, и могут работать в диапазоне температур от -30° до +55°C.
Решения MESH позволяет операторам в реальном масштабе времени осуществлять мониторинг местонахождения Wi-Fi устройств - например, шагающих экскаваторов, карьерных грузовиков и другой тяжелой техники.
Технология MESH может быть эффективна при организации связи на ресурсодобывающих предприятиях (угольные разрезы, буровые и т. д.) грузовых терминалов на железнодорожных станциях, в авиа- или морских портах, а также на крупных складских комплексах, где особое значение имеют функции сбора информации об объекте (техническое состояние, идентификация груза), передачи видеоизображений систем безопасности и т.п. Городские MESH-сети могут быть использованы службами ЖКХ и оперативного реагирования (милиция, скорая помощь, МЧС)

Цифровые широкополосные сети стандарта WiMax

При всем богатстве выбора сетевых подключений сложно одновременно соблюсти три основных требования к сетевым соединениям: высокая пропускная способность, надежность и мобильность. Решить подобную задачу может следующее поколение беспроводных технологий WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), стандарт IEEE 802.16.
Данная технология имеет ряд преимуществ :
По сравнению с проводными (xDSL или широкополосным), беспроводными или спутниковыми системами сети WiMAX должны позволить операторам и сервис-провайдерам экономически эффективно охватить не только новых потенциальных пользователей, но и расширить спектр информационных и коммуникационных технологий для пользователей, уже имеющих фиксированный (стационарный) доступ.
Стандарт объединяет технологии уровня оператора связи (для объединения многих подсетей и предоставления им доступа к Internet), а также технологии "последней мили" (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя), что создает универсальность и, как следствие, повышает надежность системы.
Беспроводные технологии более гибки и, как следствие, проще в развертывании, так как по мере необходимости могут масштабироваться.
Простота установки как фактор уменьшения затрат на развертывание сетей в развивающихся странах, малонаселенных или удаленных районах.
Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. WiMAX благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами.
Технология WiMAX изначально содержит протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать ее в локальные сети.
Технология WiMAX подходит для фиксированных, перемещаемых и подвижных объектов сетей на единой инфраструктуре.

Принципы работы

Система WiMAX состоит из двух основных частей:
Базовая станция WiMAX, может размещаться на высотном объекте - здании или вышке.
Приемник WiMAX: антенна с приемником.
Соединение между базовой станцией и клиентским приемником производится в СВЧ диапазоне 2-11 ГГц. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с и не требует, чтобы станция находилась на расстоянии прямой видимости от пользователя. Этот режим работы базовой станции WiMAX близок широко используемому стандарту 802.11 (Wi-Fi), что допускает совместимость уже выпущенных клиентских устройств и WiMAX.
Следует помнить, что технология WiMAX применяется как на "последней миле" - конечном участке между провайдером и пользователем, - так и для предоставления доступа региональным сетям: офисным, районным.
Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использованием сверхвысокой частоты 10-66 ГГц радиосвязи прямой видимости. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 120 Мбит/с. Ограничение по условию прямой видимости, разумеется, не является преимуществом, однако оно накладывается только на базовые станции, участвующие в цельном покрытии района, что вполне возможно реализовать при размещении оборудования.
Как минимум одна из базовых станций может быть постоянно связана с сетью провайдера через широкополосное скоростное соединение. Фактически, чем больше станций имеют доступ к сети провайдера, тем выше скорость и надежность передачи данных. Однако даже при небольшом количестве точек система способна корректно распределить нагрузку за счет сотовой топологии.
На базе сотового принципа разрабатываются также пути построения оптимальной сети, огибающей крупные объекты (например, горные массивы), когда серия последовательных станций передает данные по эстафетному принципу. Подобные разработки планируется включить в следующую версию стандарта. Ожидается, что эти изменения позволят существенно поднять скорость.
По структуре сети стандарта IEEE 802.16 очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь тоже имеются базовые станции, которые действуют в радиусе до 50 км, при этом их также необязательно устанавливать на вышках. Для них вполне подходят крыши домов, требуется лишь соблюдение условия прямой видимости между станциями. Для соединения базовой станции с пользователем необходимо наличие абонентского оборудования. Далее сигнал может поступать по стандартному Ethernet-кабелю, как непосредственно на конкретный компьютер, так и на точку доступа стандарта 802.11 Wi-Fi или в локальную проводную сеть стандарта Ethernet.
Это позволяет сохранить существующую инфраструктуру районных или офисных локальных сетей при переходе с кабельного доступа на WiMAX. Кроме того, это дает возможность максимально упростить развертывание сетей, используя знакомые технологии для подключения компьютеров.
Стандарт 802.16e-2005 вобрал в себя все ранее выходившие версии и на данный момент предоставляет следующие режимы:
Fixed WiMAX – фиксированный доступ.
Nomadic WiMAX – сеансовый доступ.
Portable WiMAX – доступ в режиме перемещения.
Mobile WiMAX – мобильный доступ.
Fixed WiMAX
Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям (xDSL, T1 и т. п.). Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приемником сигнала.

Nomadic WiMAX
Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели те, что использовались во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

Portable WiMAX
Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима все еще ограничена скорость передвижения клиентского оборудования – 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком и т. д.).
Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК.

Mobile WiMAX
Этот режим был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч. Основные достижения этого режима:
Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам.
Масштабируемая пропускная способность канала.
Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать асимметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счет эстафетной передачи сессии между каналами.
Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования.
Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учетом силы сигнала клиентского оборудования.
Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя.
Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами.
Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:
достижения высокой скорости передачи данных с использованием одночастотной сети;
гибкого распределения радиочастот;
низкого потребления энергии портативными устройствами;
быстрого переключения между каналами.
Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы направленности, пространственно-временное маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение).
Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для повторного использования частот с минимальными потерями.
Размер фрейма в 5 миллисекунд обеспечивает компромисс между надежностью передачи данных за счет использования малых пакетов и накладными расходами за счет увеличения числа пакетов (и, как следствие, заголовков).

Список литературы

1. Мобильные широкополосные системы передачи цифровой информации - компании MOTOROLA. //Евразия Вести, №7. – 2008. Режим доступа: http://www.eav.ru/publ1.php?publid=2008-07a13
2. Интернет-сайт производственного альянса «Контракт-Электроника». – Режим доступа: http://gsm.contrel.ru/
3. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. /Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. – М.: Техносфера, 2005.
4. Новый стандарт Wi-Max для построения глобальных беспроводных сетей в масштабах города - http://compucity.narod.ru/wimax.htm
5. С.В. Кунегин. Системы передачи информации. Курс лекций. М.: в/ч 33965, 1997. – 317 с.