В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Функциональность и основные технические характеристики
А.С. Спичихин, руководитель проектов ЗАО "НПЦ Дэйтлайн"
Определение класса систем
В настоящее время точных критериев для определения понятия "широкополосный" по отношению к беспроводному доступу не существует.
Если воспользоваться классическим критерием, применяемым в радиотехнике для определения широкополосных систем, а именно: отношение ширины спектра сигнала (F) к несущей частоте (fн) должно быть больше или равно 0,1 (F/fн > 0,1), то под это определение не попадет ни одна из существующих систем радиодоступа.
Если воспользоваться понятием широкополосного сигнала, для которого база сигнала (В), вычисляемая как произведение ширины спектра на длительность элементарного символа (Т), должна быть много больше 1 (В >> 1), то под это определение попадут только системы радиодоступа с кодовым разделением (CDMA).
Если под системами беспроводного широкополосного доступа (БШПД) понимать только оборудование, соответствующее стандарту IEEE 802.16-2004, то из этого класса выпадают решения, созданные ранее на базе не-стандартизированных протоколов, самостоятельно разработанных фирмами-производителями оборудования. Кроме того, возникает вопрос: к какому классу отнести высокоскоростные региональные (городские) радиосети, построенные на оборудовании, разработанном с использованием стандартов IEEE 802.11a, b, g и обеспечивающем предоставление услуги доступа к сетям передачи данных общего пользования?
В данной публикации к классу систем БШПД отнесены системы с топологией "точка - много точек", шириной радиоканалов более 1 МГц, пропускной способностью более 1 Мбит/с на радиоканал, которые обеспечивают предоставление услуг связи, основанных на доступе к сетям общего пользования (ТфОП, Интернет и др.).
Стандарты
Подавляющее число систем БШПД, развернутых к сегодняшнему дню на территории России, используют не-стандартизированные (фирменные) протоколы, обеспечивающие передачу информации между базовыми (БС) и терминальными (TС) станциями. Совершенно очевидно, что в такой ситуации оборудование различных производителей оказывается несовместимым между собой. Это обстоятельство, а также высокая (по сравнению с аналогичными проводными решениями) цена оборудования ограничивают применение систем БШПД.
Совсем другое место на телекоммуникационном рынке системы радиодоступа будут занимать после стандартизации оборудования и обеспечения нового качества БШПД - мобильности абонентов.
IEEE 802.16-2004
Для обеспечения совместимости оборудования различных производителей и его дальнейшего продвижения на телекоммуникационный рынок была создана организация WiMAX.
Стандарт IEEE 802.16-2004 (Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems) был утвержден институтом IEEE в июне 2004 г. Он объединяет и дополняет три ранее разработанные версии:
В стандарте 802.16-2004 содержатся требования к системам фиксированного БШПД, а именно:
В соответствии со стандартом 802.16-2004 системы фиксированного широкополосного беспроводного доступа делятся на пять типов в зависимости от применяемых технологий и технических параметров (табл. 1).
IEEE 802.16e-2005
Для обеспечения мобильности средств беспроводного доступа было разработано дополнение IEEE 802.16е-2005, принятое в декабре 2005 г. и определяющее требования к физическому и МАС-уровням систем радиодоступа. Реализация данных требований позволяет системам беспроводного доступа обеспечить обслуживание движущихся терминальных (абонентских) станций с поддержкой режима передачи обслуживания (хэндовера).
HiperMAN и HiperACCESS
Одновременно с разработкой стандарта 802.16-2004, проводимой североамериканским институтом IEEE, был запущен европейский проект ETSI BRAN (Broadband Radio Access Networks), целью которого также являлось обеспечение совместимости оборудования разных производителей, используемого для создания распределенных городских сетей широкополосного радиодоступа. ETSI BRAN включает в себя стандарты HiperMAN (HIgh PErformance Radio Metropolitan Area Network) и HiperACCESS (HIgh PErformance Radio Access network).
Стандарт HiperMAN определяет функциональные требования и единый радиоинтерфейс широкополосных систем фиксированного беспроводного доступа, работающих в диапазоне частот ниже И ГГц, а HiperACCESS - в диапазоне от И до 42 ГГц.
Спецификации HiperMAN и HiperACCESS охватывают физический (PHY) и канальный (DLC) уровни, соответствующие двум первым уровням модели OSI, а также подуровень конвергенции (CL).
В качестве базовой технологии передачи данных в радиоканале на физическом уровне в стандарте HiperMAN выбрана OFDM с 256 поднесущими, а в стандарте HiperACCESS - TDM с одной несущей. Параметры физического уровня стандартов HiperMAN и HiperACCESS во многом соответствуют параметрам стандарта IEEE 802.16-2004.
IEEE 802.11a, b, g
Достаточно большое количество сетей широкополосного беспроводного доступа, развернутых на территории России, построено на оборудовании, базирующемся на стандартах IEEE 802.11a, b, g (табл. 2).
Данные стандарты формулируют требования к физическому и MAC-уровням беспроводных локальных сетей передачи (WLAN). Простота развертывания, дешевизна и высокая пропускная способность данных устройств оказались востребованными значительным числом операторов и провайдеров для строительства более масштабных сетей, чем локальные. На этот спрос отреагировал ряд производителей (Alvarion, Proxim и др.), выпустивших радиооборудование на базе стандартов 802.1 1a, b, g, но с повышенной мощностью передатчиков и антеннами с более высоким коэффициентом усиления. Данное оборудование позволяет строить сети БШПД, обеспечивающие скорость передачи данных до 54 Мбит/с через радиоканал.
Необходимо отметить, что в ближайшее время ожидается утверждение стандарта 802.1 1n, в котором за счет изменений на физическом и MAC-уров-нях предполагается преодолеть барьер в 100 Мбит/с.
Сертификация
В отношении оборудования широкополосного беспроводного доступа необходимо различать два вида сертификации (по крайней мере, в нашей стране): сертификацию оборудования БШПД стандарта 802.16-2004, организованную Форумом WiMAX, и сертификацию оборудования в области связи в России.
В первом случае в результате испытаний, проводимых в испытательной лаборатории фирмы СЕТЕСОМ (Испания), определяется совместимость оборудования различных производителей на физическом уровне (PHY) и на уровне управления доступом к среде передачи (MAC), что должно обеспечить работу в одном радиоканале абонентских устройств разных производителей. В случае успешного прохождения тестирования производитель оборудования получает сертификат Форума WiMAX. На сегодняшний день уже более десяти производителей (Airspan Networks, Aperto Networks, Proxim и др.) имеют такие сертификаты.
Во втором случае в результате испытаний, проводимых российскими сертификационными лабораториями, определяется возможность использования данного оборудования в сетях связи в России.
Радиоинтерфейс
Выделенные диапазоны частот
В России для развертывания систем БШПД выделены диапазоны 2,4; 3,5; 5,2; 5,8; 10,5; 26 ГГц и др.
Решением ГКРЧ № 05-10-01-001 от 20.11.05 г. в диапазоне 5,8 ГГц существенно расширена используемая полоса частот: вместо использовавшейся ранее полосы 5,650-5,850 ГГц разрешена полоса 5,650-6,425 ГГц. Однако этим же решением ГКРЧ определены (ограничены) основные тактико-технические характеристики РЭС фиксированного беспроводного доступа, использующих полосы радиочастот 2400-2483,5; 3400-3450; 3500-3550; 5150-5350 и 5650-6425 МГц. Также определено, что условием получения частот будет соответствие параметров РЭС тактико-техническим характеристикам, приведенным в указанном решении ГКРЧ.
Ниже в качестве примера приведена табл. 3 с основными тактико-техническими характеристиками РЭС фиксированного беспроводного доступа в полосе 3400-3450 и 3500-3550 МГц.
Ширина радиоканала и виды модуляции
Как правило, в системах беспроводного доступа используются радиоканалы с шириной 1; 1,25; 1,75; 3,5; 5; 7; 10; 14; 20; 25; 28 МГц и сигналы с модуляцией BPSK, QPSK, 16QAM и 64QAM. Разные виды модуляции позволяют получить разные скорости передачи информации; большее число позиций позволяет получить более высокую скорость передачи. С целью повышения помехоустойчивости при передаче данных информационные сигналы подвергаются дополнительному (избыточному) кодированию (FEC -Forward Error Correction) со скоростями 1/2; 2/3; 3/4.
Радиус зоны обслуживания
Дальность обслуживания абонентов базовой станцией в основном определяется мощностью передатчика, потерями в антенно-фидерном тракте на прием/передачу, коэффициентом усиления антенн на прием/передачу, средой и условиями распространения радиоволн, интенсивностью помех и чувствительностью приемника. В условиях прямой видимости (LOS) радиус зоны обслуживания может достигать 20 км и более (но: см. табл. 3). В условиях отсутствия прямой видимости (NLOS) дальность обслуживания абонентов составляет несколько километров.
Методы доступа
В системах беспроводного доступа радиоинтерфейс между базовой (БС) и терминальными (ТС) станциями организуется таким образом, чтобы все ТС, приписанные к определенному сектору БС, могли обслуживаться внутри одного общего радиоканала. Данная возможность реализуется путем использования технологий множественного доступа. Рассмотрим основные из них.
Антенные системы
Для повышения устойчивости работы в условиях непрямой видимости и сложной электромагнитной обстановки из-за загруженности спектра в системах БШПД начали применять цифровые антенные решетки. Среди них наиболее известны следующие:
Применение цифровых антенных решеток позволяет в соответствии с заложенным алгоритмом формировать требуемые диаграммы направленности (ДНА) на прием и передачу (например, сформировать максимум ДНА в направлении на источник передачи информации и минимум на источник помех).
Сетевые и пользовательские интерфейсы
Сетевые интерфейсы
Как правило, для подключения систем БШПД к сетям связи общего пользования используются следующие интерфейсы:
Интерфейсы терминальных (абонентских) станций
Терминальные станции имеют следующий набор интерфейсов: Nx10/100BaseT; NxE1; Nx64 кбит/с; ISDN PRI, BRI; a/b; V.35/X.21; 802.11b,g.
В настоящее время ряд ведущих производителей оборудования БШПД приступили к выпуску терминальных станций, оснащенных точками доступа стандарта 802.11b, g. В этом случае оборудование пользователя подключается к системе БШПД посредством радиоинтерфейса беспроводной локальной сети (WLAN).
Предоставляемые услуги
Услуги, предоставляемые на базе систем БШПД, можно условно разбить на три группы:
Первая и вторая группы услуг отличаются требованиями, предъявляемыми к качеству обслуживания трафика (у второй группы более жесткие требования к временным задержкам).
Третья группа услуг предназначена для беспроводного подключения мультиплексоров, концентраторов, локальных сетей, УАТС и другого оборудования к узлам служб транспортных сетей.
Качество услуг
Наряду с увеличением скоростей передачи данных в системах БШПД увеличивается доля мультимедийного трафика, крайне чувствительного к параметрам сети (полосе пропускания, задержкам передачи, потерям и т.д.) при передаче пакетов вдоль маршрута транспортировки. Поэтому задача обеспечения качества обслуживания (QoS) в рассматриваемых системах становится все более актуальной.
Учитывая то обстоятельство, что подуровни конвергенции современных систем БШПД (стандарта 802.16-2004) поддерживают два режима - АТМ (Asynchronous Transfer Mode) и пакетную передачу, рассмотрим, каким образом в них обеспечивается качество обслуживания.
Классификация сервисов в АТМ
В АТМ различают пять классов сервисов (табл. 4).
Сервис постоянной скорости передачи битов (CBR). Применяется для обеспечения передачи трафика телефонии, радио и телевидения. При предоставлении данного сервиса согласуются: максимальная скорость передачи ячеек (Peak Cell Rate - PCR); максимально допустимый разброс значений задержки ячеек (Cell Delay Variation Tolerance - CDVT). При прохождении трафика сеть должна обеспечить гарантированный уровень пропускной способности, параметры задержки и потерь. При превышении согласованного значения PCR ячейки, вызвавшие это превышение, отбрасываются.
Сервис передачи битов с переменной скоростью в режиме реального времени (rt-VBR). Применяется для обеспечения передачи сжатых и пакетированных (разбитых на пакеты) сигналов реального времени (сжатая речь, аудио, видео). При предоставлении данного сервиса согласуются: максимальная скорость передачи ячеек (PCR); поддерживаемая скорость передачи ячеек (Sustained Cell Rate -SCR); максимальный размер посылки (Maximum Burst Size - MBS); максимально допустимый разброс значений задержки ячеек (CDVT). Значение SCR может рассматриваться как среднее значение скорости передачи ячеек за время соединения.
При прохождении трафика сеть должна обеспечить гарантированный уровень пропускной способности, параметры задержки и потерь. При превышении согласованного значения PCR ячейки, вызвавшие это превышение, отбрасываются. При превышении согласованного значения SCR или MBS ячейки, вызвавшие это превышение, помечаются сетью как допустимые для удаления (бит в поле приоритета потери ячейки устанавливается в1).
Сервис передачи битов с переменной скоростью без режима реального времени (nrt-VBR). Применяется для обеспечения ретрансляции кадров и важных бизнес-приложений (банковские транзакции, системы бронирования и автоматизации производства). При предоставлении данного сервиса согласуются значения: PCR; SCR; MBS; CDVT. Отличием данного сервиса от предыдущего является отсутствие гарантии соблюдения параметров задержки.
Сервис неопределенной скорости передачи битов (UBR). Применяется для приложений, некритичных к потерям ячеек (проверка кредитных карт, электронная почта, передача факсимильных приложений, доставка новостей, передача обычных файлов). При предоставлении данного сервиса согласуется только значение PCR. При превышении согласованного значения PCR ячейки, вызвавшие это превышение, отбрасываются. При установлении соединения через перегруженную сеть возможен высокий уровень потерь ячеек. Таким образом, UBR является сервисом доставки ячеек без какой-либо гарантии.
Сервис доступной скорости передачи битов (ABR). Применяется для обеспечения тех же приложений, что и сервис UBR, но чувствительных к потерям ячеек. При предоставлении данного сервиса согласуются значения: PCR; минимальная скорость передачи ячеек (Minimum Cell Rate - MCR); максимальное значение C DVT. В этом режиме поддерживается информирование пользователя о производительности канала, благодаря чему в канале устанавливается оптимальная скорость передачи, при которой гарантируется доставка ячеек.
Сервисные модели QoS для IP-сетей
Различают три модели QoS в сетях, работающих с протоколом IP:
Современные системы БШПД поддерживают также протоколы IEEE 802.1D, 802.Щи 802.1p, позволяющие обеспечить QoS на втором уровне (Layer 2):
В целом поддержка 802.1Q дает возможность использования протокола 802.1р, который определяет маркировку поля приоритета трафика (3 бита). Указанная маркировка трафика позволяет на втором уровне поддерживать до семи классов обслуживания (CoS - Class of Service).
Безопасность
К современным системам БШПД предъявляются серьезные требования по обеспечению требуемого уровня безопасности. Рассмотрим основные стандарты шифрования, использующиеся в оборудовании этого класса.
DES (Data Encryption Standard)
В стандарте DES для шифрования информации используются операции подстановки (замены одних блоков битов другими) и перестановки (то есть переупорядочение битов). Существенным недостатком DES является небольшая длина его ключа (56 бит), которая при возможностях современной техники делает его неустойчивым к взлому.
3 DES
Данный стандарт является дальнейшим развитием алгоритма DES, в котором для повышения безопасности блоки данных шифруют трижды с применением разных ключей.
AES (Advanced Encryption Standard)
В стандарте AES применяется 128-, 192-, 256-разрядные ключи, взломать которые намного сложнее, чем DES.
WEP
(Wired Equivalent Privacy)
Стандарт WEP используется для защиты беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11a, b, g, обеспечивая конфиденциальность трафика и контроль доступа в сеть. В данном стандарте используются 64- и 128-битовые ключи.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #2, 2006
Посещений: 29945
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
