Перспективная схема развития WiMAX в Удмуртии

С изобретением мобильного WiMAX все больший акцент делается на разработке мобильных устройств. В том числе специальных телефонных трубок (похожи на обычный мобильный  смартфон), и компьютерной периферии (USB радио модулей и PC card).

Принцип работы

В общем виде WiMAX сети состоят из двух основных частей —  базовой станции и приемника.

Для соединения базовой  станции и клиентского оборудования используется высокочастотный диапазон от 2 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приемником.

WiMAX применяется как  для решения проблемы «последней  мили», так и для предоставления  доступа в сеть офисным и  районным сетям.

Между базовыми станциями  устанавливается соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГЦ, скорость обмена данными может достигать 120 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надежность сети в целом.

Структура сетей семейства  стандартов IEEE 802.16 схожа с традиционными GSM сетями (базовые станции действуют  на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно  строить вышки — допускается  установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями).

Режимы работы

Стандартом 802.16 определены несколько режимов работы сетей WiMAX:

Fixed WiMAX — фиксированный  доступ;

Nomadic WiMAX — сеансовый  доступ;

Portable WiMAX — доступ в  режиме перемещения;

Mobile WiMAX — мобильный  доступ.

 

Fixed WiMAX

Предполагается использование  фиксированного режима WiMAX как альтернативы проводным сетям. Используется диапазон частот от 3 до 66 ГГЦ, при этом требуется  наличие прямой видимости между  базовой станцией и станцией пользователя из-за сильного затухания волн. Однако ширина диапазона позволяет достигать скоростей до 120 Мбит/с. Сети с фиксированным режимом работы уже распространены в некоторых странах, однако многие телекоммуникационные компании делают ставку на портативный и мобильный режимы работы.

Nomadic WiMAX

Сеансовый режим вносит понятие сессий к фиксированному режиму работы. Подобный режим позволяет  перемещать клиентское оборудование и  использовать соединение, не привязанное  к определённой базовой станции. Подобный режим удобен для использования сетей для подключения ноутбуков и других портативных устройств.

Portable WiMAX

Портативный режим работы WiMAX поддерживает возможность автоматического  переключения между базовыми станциями  без обрыва соединения. Скорость перемещения больше чем в режиме сессий, однако ограничена 40 км/ч. С 2006 года некоторые компании приступили к производству портативных устройств, поддерживающих WiMAX сети.

Mobile WiMAX

Отличается от портативного режима возможностью перемещения приёмника со скоростью до 120 км/ч.

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 не обязательно устанавливать на вышках - для них вполне подходят крыши домов,

Рисунок 2.1 -  Общая схема сети WiMAX

 

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.

 

2.2. Анализ и сравнение современных технологий беспроводного широкополосного доступа

 

Сравнение технологий широкополосного доступа - WiMAX и HSPA.

Системы с технологией HSPA (3GPP релиз 6) коммерчески доступны с 2007 года. Технология предусматривает частотное дуплексирование (FDD) с шириной каждого дуплексного канала 5 МГц. В нисходящем канале используется: модуляция QPSK либо 16-QAM; двойное пространственное разнесение на приеме (1х2 SIMO); пиковая скорость 14 Мбит/с. В восходящем канале – модуляция BPSK либо QPSK, антенная конфигурация 1x2 SIMO, пиковая скорость 5,8 Мбит/с.

В то же время на рынке  были системы WiMAX (релиз 1.0) с временным  дуплексированием (TDD). При аналогичной ширине полосы 10 МГц они обеспечивали скорость в нисходящем канале в 2-3 раза более высокую, чем у HSPA (поскольку в WiMAX при TDD общая пропускная способность динамически распределяется между нисходящим и восходящим каналами, точное значение привести невозможно).

Следующим шагом в  эволюции систем HSPA являются технологии HSPA-f (HSPA релиз 7 и отдельные поправки релиза 8). Системы HSPA+ стали доступны в конце 2008 года. В нисходящем канале их отличает модуляция 64-QAM с SIMO (1x2) или 16-QAM с MIMO (2х2). В восходящем канале добавлена модуляция 16-QAM и улучшены возможности для VoIP. Поправки в соответствии с релизом 8 позволяют использовать в нисходящем канале режим MIMO (2х2) с модуляцией 64-QAM, рассматривается возможность использования MIMO больших порядков в нисходящем канале и MIMO (2x2) — в восходящем канале.

 

Таблица 2.1 - Сравнение систем HSPA (релизы 7 и 8) и мобильного WiMAX

 

Параметры	HSPA			WiMAX
Версия	Релиз 7		Релиз 8	Релиз 1,5
Диапазон, ГГц	2,0			2,5
Дуплексирование	FDD			FDD	TDD
Ширина канала, МГц	2x5			2 x 5	10
Антенны ВС	1 x 2	2x2		2 x 2
Антенны АС	1 x 2			1 x 2

 

Окончание таблицы 2.1 - Сравнение систем HSPA (релизы 7 и 8) и мобильного WiMAX

 

Модуляция и  скорость кодирования
В нисходящем канале	64-QAM, 5/6	16-QAM, 3/4	64-QAM, 5/6	64-QAM, 5/6
В восходящем канале	16-QAM, 3/4			64-QAM, 5/6
Пиковая скорость, Мбит/с
В нисходящем канале	17,5	21	35	36	48
В восходящем канале	8,3	8,3	8,3	17	24

 

Из расмотренных характеристик HSPA и WiMAX можно сделать выводы:

- Мобильный WiMAX (релиз 1.5) имеет сравнимые с HSPA (релиз 8) пиковые скорости в нисходящем канале при одинаковых модуляциях, скорости кодирования и ширине канала. При этом у мобильного WiMAX в восходящем канале пиковая скорость выше в 2-3 раза;

- Системы HSPA ограничены шириной канала 2x5 МГц в традиционных спектральных условиях сетей 3G. Мобильный WiMAX поддерживает ширину канала до 20 МГц, как частотное, так и временное дуплексирование. Его частотные профили планируются в диапазонах 700, 1700, 2300, 2500, и 3500 МГц. Мобильный WiMAX обеспечивает «гладкую» IP-сеть (из конца в конец).

Сравнение технологий широкополосного доступа - WiMAX и LTE.

Следующим шагом эволюции систем 3GPP, являются системы LTE. Их отличает технология OFDMA в нисходящем канале и SC-FDMA - в восходящем. Модуляция - до 64-QAM, ширина канала - до 20 МГц, дуплексирование TDD и FDD. Применены адаптивные антенные системы, гибкая сеть доступа. Сетевая архитектура - полностью IP-сеть. В системе LTE применяются технологии и методы, уже применяемые в мобильном WiMAX, поэтому следует ожидать схожей эффективности с системами LTE.

Таблица 2.2 - Сравнение параметров реальных систем LTE и мобильного WiMAX (релиз 1.5) в одинаковых частотных условиях при FDD с полосами 2х20 МГц

 

Параметры	LTE			WiMAX Релиз 1.5
	Motorolla	T-Mobile	Qualcomm
Нисходящий канал
Антенна БС	2х2	2х4	4х2	2х2	4х4
Модуляция и скорость кодирования	64 QAM 5/6	64 QAM 5/6	64 QAM 5/6	64 QAM 5/6
Скорость, Мбит/с	226	144	277	144,6	289
Восходящий канал	Нет данных
Антенна АС		1х2	1х2	1х2
Модуляция и скорость кодирования		64 QAM 5/6	64 QAM 5/6	64 QAM 5/6
Скорость, Мбит/с		50,4	75	69,1

 

 

Системы LTE - это революционное улучшение 3G. LTE представляет переход от систем CDMA к системам OFDMA, а также переход к полностью IP-системе с коммуникацией пакетов. Поэтому внедрение этой технологии на существующих сетях сотовой связи означает необходимость новых радиочастотных ресурсов для получения преимущества от широкого канала. Для обеспечения обратной совместимости необходимы двухрежимные абонентские устройства. Поэтому плавный переход от систем 3G к LTE весьма сложен.

 

 

Таблица 2.3 - Сравнение ключевых параметров LTE и WiMAX

 

Параметры	LTE	WiMAX Релиз 1.5
1	2	3
Дуплексирование	FDD и TDD	FDD и TDD
Частотный диапазон для анализа	2000 МГц	2500МГц
Ширина канала	До 20 МГц	До 20 МГц
От базы	OFDMA	OFDMA
К базе	SC-FDMA	OFDMA
Спектральная эффективность, бит/Гц/с
Нисходящий канал, MIMO (2х2)	1,57	1,59
Восходящий канал, SIMO (1х2)	0,64	0,99
Максимальная скорость мобильной станции км/ч	350	120
Длительность кадра, мс	1	5
Антенные системы
Нисходящий канал	2х2, 2х4, 4х2, 4х4	2х2, 2х4, 4х2, 4х4
Нисходящий канал	1х2, 1х4, 2х2, 2х4	1х2, 1х4, 2х2, 2х4

 

Преимущество в спектральной эффективности означает выигрыш в стоимости развертывания сети (в том числе в удельной стоимости по отношению к пропускной способности сети). Кроме того, возрастает канальная емкость, что позволяет операторам вводить дополнительные сервисы. Мобильный WiMAX представляет гладкую IP-сеть, сеть LTE более сложна.

Если сеть WiMAX основывается полностью на IP-протоколах IEEE, то сеть LTE более сложна, включает больше протоколов, в том числе проприетарные протоколы 3G. Немаловажно, что интеллектуальная собственность в области технологий WiMAX, соответствующие патенты распределены среди многих компаний, создан открытый патентный альянс, что позволяет снижать цены абонентских устройств.

Также, исходя из данных таблицы 2.3, можно сделать выводы:

- мобильный WiMAX (релиз 1.5) и LTE имеют похожие характеристики. В обоих на линии от базы используется OFDMA с многоуровневой модуляцией и кодированием. Пиковые скорости практически одинаковы при одинаковых кратностях модуляции и скоростях корректирующего кода. В обоих используется и FDD, и TDD дуплексирование при ширине канала до 20 МГц. В обоих используется MIMO большой кратности и уменьшение задержки;

- мобильный WiMAX имеет  двухлетний выигрыш по времени  выхода на рынок и гладкую  IP архитектуру сети;

- пропускная способность  и спектральная эффективность  мобильного WiMAX имеет лучшие параметры, чем LTE.

 

Сравнение технологий WiMAX и Wi-Fi.

Часто сравнивают такие современные технологии передачи данных, как WiMAX и Wi-Fi. Несмотря на то, что обе технологии имеют созвучные названия и WiMAX технология появилась позже, то можно предположить, что WiMAX это усовершенствованная модель Wi-Fi, но это не так.

Эти технологии имеют различные  области применения. WiFi является технологией, в основном предназначенной для организации небольших беспроводных сетей внутри помещений и построения беспроводных мостов. Технология WiMAX, в свою очередь, предназначена для организации широкополосной связи вне помещений и для организации крупномасштабных сетей. WiMAX разрабатывался как городская вычислительная сеть (MAN). Существуют некоторые другие различия между этими технологиями.

У WiMAX лучше качество связи, чем у Wi-Fi. Когда несколько пользователей подключены к точке доступа Wi-Fi, они буквально «дерутся» за доступ к каналу связи. В свою очередь, технология WiMAX обеспечивает каждому пользователю постоянный доступ. Построенный на технологии WiMAX алгоритм устанавливает ограничение на число пользователей для одной точки доступа. Когда базовая станция WiMAX приближается к максимуму своего потенциала, она автоматически перенаправляет «избыточных» пользователей на другую базовую станцию.