Проблема «последней мили» в России стоит особенно остро в связи с обширностью ее территории и отсутствием линий связи во многих населенных пунктах. Прокладка кабельных каналов до этих поселений и ряда промышленных объектов в большинстве случаев требует значительных инвестиций, а то и вовсе невозможна. Частичный выход из положения может состоять в развертывании инфраструктуры мобильной связи либо в установке спутниковых систем, но стоимость подобных проектов достаточно высока.

Как бы то ни было, спрос на услуги телефонии, доступа в Internet и объединения территориально распределенных подразделений компаний в единую сеть существует. Он рождает предложение, реализуемое на основе разнотипного оборудования беспроводного доступа, которое в той или иной мере позволяет решать существующие задачи. Перечень основных классов систем беспроводного доступа, применяемых в России, и их краткие характеристики представлены в табл. 1.

Наличие шести категорий систем, предназначенных, по сути дела, для одних и тех же целей, наводит на мысль о том, что в области беспроводного доступа не все в порядке. Разница между устройствами WLL и BWA достаточно условна и состоит в следующем. Системы WLL ориентированы преимущественно на предоставление услуг классической телефонии; передача данных, как правило, осуществляется на уровне модемного подключения. Оборудование BWA, напротив, изначально создавалось для высокоскоростной передачи данных и позволяет формировать телефонные каналы поверх пакетного протокола, в качестве которого обычно применяется IP.

Примерно такая же картина наблюдается и в других странах. С одной стороны, в них тоже налицо «зоопарк» развернутых систем беспроводного доступа, в которых используются несовместимые друг с другом протоколы физического и канального уровней, а также реализованы разные методы обеспечения сетевой безопасности. С другой — в мире накоплен немалый опыт проектирования и эксплуатации таких систем. Эти два фактора не могли не обеспечить перехода количества в качество. Специалисты по технологиям беспроводного доступа уже в 1999 году осознали потребность в едином стандарте на соответствующее оборудование.

Опыт Wi-Fi

Аббревиатура Wi-Fi широко используется для обозначения беспроводных локальных сетей, оборудование которых соответствует стандартам группы IEEE 802.11 и прошло сертификацию на совместимость в специально созданной для этой цели организации Wi-Fi Alliance (прежнее название — WECA). Сегодня у заказчиков на слуху различные версии указанного стандарта (802.11b, a и g), и мало кто из них сможет назвать другие типы БЛС.

А ведь еще совсем недавно все было иначе. Большими партиями выпускалось беспроводное сетевое оборудование стандарта HomeRF, наследника более ранней фирменной спецификации OpenAir; оно исчезло на рынке лишь в начале 2002 года. Несколько лет назад вполне серьезно обсуждались многообещающие перспективы европейского стандарта HiperLAN. Определенной популярностью пользовался и ушедший в небытие вариант стандарта 802.11, основанный на технологии программной перестройки частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Наконец, предлагалось немало устройств, соответствовавших патентованным спецификациям отдельных производителей, например RadioLAN.

В последнее время ситуация кардинально изменилась. На рынке устройств БЛС полную и окончательную победу одержал стандарт IEEE 802.11, в первую очередь — вариант b (диапазон 2,4 ГГц, скорость передачи до 11 Мбит/с). Начинает широко внедряться и другая версия того же стандарта — 802.11g (диапазон 2,4 ГГц, скорость до 54 Мбит/с). А вот масштабы распространения оборудования 802.11a (диапазон 5 ГГц, быстродействие до 54 Мбит/с в базовом варианте и до 108 Мбит/с с использованием фирменных расширений) пока сильно отстают от прогнозировавшихся маркетологами и аналитиками. Причина — в низкой реальной пропускной способности, обусловленной существенно худшими условиями распространения радиоволн диапазона 5 ГГц в офисных условиях по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц. Устройства 802.11a производятся уже второй год, но их доля в суммарном объеме выпускаемого оборудования 802.11 не превышает 1%.

Причины доминирования устройств IEEE 802.11 достаточно прозрачны. Это открытость стандарта, получение им статуса международного (ISO-8802.11), поддержка со стороны ведущих производителей телекоммуникационного оборудования и высокое качество технических решений.

Разумеется, пример беспроводных локальных сетей не остался незамеченным специалистами по беспроводному доступу, в 1999 году в рамках IEEE организовавших новую рабочую группу 802.16. Менее чем за четыре года она сумела разработать долгожданные технические спецификации и даже довести их до стадии принятия в качестве индустриального стандарта.

Новые цифры

Название стандарта IEEE 802.16 можно было бы перевести как «Радиоинтерфейс для систем фиксированного широкополосного беспроводного доступа». Однако говорить о радиоинтерфейсе в данном случае не вполне корректно, поскольку спецификации 802.16 регламентируют реализацию не только физического, но и МАС-уровня в беспроводных сетях доступа, а также вопросы безопасности функционирования таких сетей. Основные этапы работы над стандартом отражены в табл. 2. Деятельность упомянутой рабочей группы концентрируется как на самом стандарте, так и на различных дополнениях и исправлениях.

Разработчики 802.16 координируют свою деятельность с европейским институтом ETSI. Хотя проект HIPERACCESS, рассматривающий частотный диапазон выше 11 ГГц, в ETSI стартовал раньше, стандарт IEEE увидел свет первым и гармонизирован с HIPERACCESS. Кроме того, в ETSI разрабатываются спецификации HIPERMAN, регламентирующие построение систем в диапазоне частот ниже 11 ГГц. Эта деятельность ведется в тесной кооперации с IEEE с целью гармонизации спецификаций HIPERMAN и 802.16a в варианте с ортогональным частотным мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).

Стандарт 802.16 содержит описание основных протоколов для систем фиксированного беспроводного доступа.

  1. Описание подуровня конвергенции (Convergence Sublayer, CS), расположенного над МАС-уровнем и предназначенного для организации взаимодействия между более высокими уровнями сети и МАС-уровнем. В стандарте определены два типа подуровней конвергенции: АТМ и пакетный. Первый обеспечивает взаимодействие МАС-уровня 802.16 с протоколами АТМ, второй — с пакетными протоколами, такими как IP, PPP и Ethernet.
  2. Описание МАС-уровня, в частности сервисов между МАС-уровнем и подуровнем CS, формата фрейма MAC PDU (MAC Protocol Data Unit), а также сервисов и механизмов опроса, обеспечивающих поддержку QoS. Среди них можно назвать следующие:
    • Unsolicited Grant Service (UGS) — предназначен для поддержки потоков реального времени, генерирующих пакеты данных фиксированного размера (например, при передаче потоков Е1 или голоса поверх IP без подавления пауз);
    • Real-Time Polling Service (rtPS) — отвечает за поддержку потоков реального времени, которые формируют пакеты данных переменной длины, таких как видео в формате MPEG;
    • Non-Real-Time Polling Service (nrtPS) — обеспечивает транспортировку потоков с использованием пакетов переменной длины (например, при широкополосной передаче средствами FTP);
    • Best Effort (BE) Service — реализует дисциплину обслуживания трафика best effort.

    На МАС-уровне предусмотрена поддержка дуплексной передачи, синхронизации и механизмов разрешения коллизий, возникающих на этапе установления системы или при поступлении запроса на передачу. На этом же уровне обеспечивается измерение расстояния до абонентских станций, необходимое для корректной работы протокола, обновление описания канала и разделение абонентского оборудования на абонентские группы. Кроме того, в описании MAC-уровня рассматриваются концептуальные подходы к обеспечению качества обслуживания.

  3. Описание уровня безопасности охватывает алгоритмы шифрования на участке между базовой и абонентскими станциями. К нему относятся протокол инкапсуляции для шифрования пакетов, включающий в себя несколько схем шифрования/аутентификации и правила их применения к пакетам МАС-уровня, а также протокол управления ключами шифрования (Privacy Key Management, PKM), который обеспечивает распределение между абонентами ключей, передаваемых базовой станцией.
  4. Описание физического уровня, в том числе режимов временной и частотной дуплексной передачи, алгоритмов адаптивной смены вида модуляции и кодирования (FEC). В процессе адаптации, исходя из условий в физической линии, вид модуляции и скорость кодирования изменяются динамически от пакета к пакету и индивидуально для каждого пользователя, что позволяет примерно вдвое увеличить реальную пропускную способность по сравнению с быстродействием неадаптивных систем.

Передача трафика в восходящем направлении (от абонентских устройств к базовой станции) базируется на комбинации двух методов многостанционного доступа: DAMA (доступ по запросу) и TDMA (доступ с временным разделением каналов). Структура пакетов физического уровня поддерживает переменную длину пакета МАС-уровня. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию по алгоритмам QPSK, 16QAM и 64QAM. Два последних метода модуляции предусмотрены для абонентских устройств в качестве опции.

Нисходящая передача ведется в режиме временного дуплекса в едином потоке для всех абонентских устройств одного сектора. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию в соответствии с алгоритмами QPSK, 16QAM и 64QAM. Последний вариант предусмотрен для базовых станций в качестве опции.

В системе информация передается в виде фреймов, каждый из которых делится на два субфрейма. Первый служит для передачи трафика базовой станцией, второй — абонентским оборудованием. Рекомендуемые стандартом полосы частот и соответствующие скорости передачи при различных видах модуляции указаны в табл. 3.

Таблица 3. Скорости передачи, рекомендуемые стандартом 802.16

Рекомендованное стандартом среднее значение выходной мощности передатчика составляет не менее 15 дБм. Значения чувствительности приемника зависят от метода модуляции сигнала. Так, для полосы 20 МГц и частоты ошибок передачи BER, равной 0,000001, предусмотрены следующие величины чувствительности: для QPSK — 77дБм, для 16QAM — 70 дБм, для 64QAM — 61 дБм. Приведенные в стандарте значения чувствительности далеки от потенциально достижимых. Скорее всего, такой запас оставлен для того, чтобы не закрывать дорогу дешевому оборудованию.

Исходная версия стандарта охватывает диапазон частот 10—66 ГГц, включающий в себя лицензируемые диапазоны 10,5, 25, 26, 31, 38 и 39 ГГц. Для него предусмотрено использование указанных выше видов модуляции в одночастотном (Single Carrier, SC) режиме. Особенности распространения радиоволн этого диапазона ограничивают возможности работы систем условиями прямой видимости. В типичной городской среде это позволяет подключить примерно половину абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой станции. Для остальных 50% прямой видимости, как правило, нет. В этой связи институт IEEE разработал дополнение к стандарту 802.16, которое относится к частотам 2—11 ГГц и, помимо одночастотной передачи, предусматривает режимы ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и множественного доступа на основе такого мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA).

В режиме OFDM допускается одновременная передача на 256 поднесущих. За счет увеличения (примерно в такое же число раз) длительности элементарного символа можно одновременно принимать прямой и отраженные от препятствий сигналы либо вообще работать только на отраженных сигналах вне пределов прямой видимости базовой станции. Режим OFDMA предполагает использование мультиплексирования OFDM с 2048 поднесущими и одновременный обмен трафиком сразу со многими абонентами. При стандартном количестве поднесущих (256) обеспечивается одновременная работа с восемью абонентами.

В стандарте также описаны модели сред, в которых распространяются радиоволны, и на этой основе сформулированы требования к параметрам радиооборудования. Предусмотрены механизмы автоматической регулировки коэффициента усиления и динамического выбора частоты в нелицензируемых диапазонах. Помимо топологии «точка — много точек» в виде опции допускается использование полносвязной топологии (Mesh Mode), которая позволяет обеспечивать прямую связь между пользователями, значительно снижать помехи, характерные для безлицензионных диапазонов.

За рамками стандарта осталась разработка программ для тестирования устройств на совместимость. Однако, следуя примеру Wi-Fi Alliance, такую задачу взял на себя консорциум Wi-MAX Forum. В числе входящих в него компаний (они перечислены в табл. 4) Девять широко известных производителей сетевого и телекоммуникационного оборудования. Их участие в работе этой организации можно расценивать как своеобразную гарантию успешности проекта IEEE 802.16.

Таблица 4. Члены консорциума Wi-MAX Forum

Первые ласточки

В начале октября канадская компания Redline Communications пообещала продемонстрировать первую систему широкополосного беспроводного доступа AN-100, соответствующую стандарту IEEE 802.16a и работающую в диапазоне 3,5 ГГц. Если верить заявлению представителя фирмы Redline, данный продукт обеспечивает полосу пропускания 70 Мбит/с и обеспечивает дальность связи до 30 км. К сожалению, на момент написания статьи более детальная информация об этой системе отсутствовала.

Зато довольно подробные сведения на ту же тему в середине октября обнародовала компания Airspan Communications, разместившая на своем сайте описание системы AS4030, анонсированной еще летом. Ее основой является базовая станция, которая обеспечивает радиодоступ для абонентских терминалов. Подключение станции к опорной сети осуществляется по каналам E1 и/или через интерфейс Ethernet 100Base-T. Каждая базовая станция может состоять из нескольких секторов; количество последних определяется требуемыми сервисами и имеющейся в распоряжении оператора полосой частот. Отдельному сектору соответствуют внутренний и внешний блоки, которые поддерживают передачу до четырех потоков E1 и/или трафика Ethernet. По заявлению производителя, система AS4030 снабжена полным набором средств поддержки качества обслуживания (QoS).

Абонентские станции также выполнены в виде внутреннего и внешнего блоков. Они поставляются вместе с интегрированным устройством доступа и устройством, обеспечивающим передачу голоса по протоколу VoIP. Для контроля функционирования системы служит управляющее ПО AS8300, работающее на платформе Windows NT или Windows 2000. Основные технические характеристики продукта приведены в табл. 5.

В качестве типовых областей применения своей новой разработки компания Airspan называет предоставление широкополосных сервисов корпоративным и частным пользователям в городских условиях, потребителям из университетских городков и школ, предоставление аналогичных сервисов сельским жителям, экономичное подключение по выделенным каналам E1, построение магистральной инфраструктуры для беспроводных локальных сетей стандарта IEEE 802.11, развернутых в оживленных местах (hot spots).

Заявленные производителем технические характеристики позволяют сделать вывод о соответствии системы AS4030 стандарту IEEE 802.16. В какой мере она окажется совместимой с разработками других производителей, покажут испытания, организуемые консорциумом Wi-MAX Forum. Но произойдет это лишь тогда, когда на смену разнообразным системам беспроводного доступа придет множество недорогих, стандартных и, главное, совместимых друг с другом устройств BWA. В середине октября в интервью агентству IDG News Service Ананд Чандрасекер, возглавляющий подразделение мобильных платформ корпорации Intel, заявил, что коммерческие варианты систем стандарта IEEE 802.16 появятся на рынке не ранее 2005 года.

В таком случае что же следует предпринять операторам сегодня? Думается, ответ очевиден: не сидеть сложа руки, а получить необходимые разрешения, выбрать из существующего многообразия систему, оптимальную для решения конкретных задач, развернуть ее и приступить к эксплуатации. В противном случае операторы рискуют навсегда отстать от уходящего поезда с литерой 802.16, уступив абонентскую базу и частоты более предприимчивым конкурентам.

Юрий Писарев (YPisarev@ibs.ru) — кандидат технических наук, ведущий эксперт по радиосистемам компании IBS

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями