Промышленность производство : Курсовая работа: Технология WiMax

Курсовая работа: Технология WiMax

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.         История развития проекта WIMAX

2.         Задачи, цели, преимущества WIMAX

3.         Принцип работы WIMAX

3.1      Физический уровень базового стандарта IEE 802.16

3.2      Стандарт IEE 802.16-2004

3.3      Режим WirelessMan- OFDM

3.4      Mesh- сеть

3.5      Стандарт IEE 802.16-2005

4.         Режим работы WIMAX

5.         Защита связи

6.         Определение задания и цели работы

Список литературы

На сегодняшний момент три основных требования к сетевым соединениям: высокая пропускная способность, надёжность, мобильность. Соединить все три основных критерия может только поколение беспроводных технологий WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), стандарт IEEE 802.16.

Современный мир не может без информации. Информационные магистрали сегодня не уступают по важности транспортным, они повсюду – и на суше, и на дне океана, и в космосе. Передача байта по линии связи стала не менее значимой, чем передача барреля нефти или кубометра газа. Но планете становится тесно от проводных линий связи. Эти пути уже мешают и их надо отбросить. Поэтому неудивительно, что беспроводные технологии переживают сегодня подлинный бум. Пользователям требуются все большие объемы трафика и скорости передачи данных – причем срочно. Современные мультимедийные приложения этому весьма способствуют. Ведь еще десять лет назад беспроводные локальные сети казались достаточно специальным инструментом. Сегодня – это массовый продукт, а термины Wi-Fi и WiMAX знают даже неспециалисты в связи.

В августе 1998 года по инициативе Национальной испытательной лаборатории беспроводных электронных систем Национального института стандартов и технологии США (National Wireless Electronics Systems Testbed of the U.S. National Institute of Standards and Technology) встреча заинтересованных сторон, в результате которой комитет 802 IEEE организовал рабочую группу 802.16. С июля 1999 года группа приступила к регулярной работе. Изначально ее деятельность велась в трех направлениях: разработка стандарта для диапазона 10-66 ГГц (первоначально обозначался 802.16.1), для диапазона 2-11 ГГц (802.16.3), а также стандарта, регламентирующего совместную работу различных систем широкополосного беспроводного вещания (802.16.2).

Уже в декабре 2001 года стандарт IEEE 802.16 «Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems» (воздушный интерфейс для фиксированных систем с широкополосным беспроводным доступом) был утвержден и 8 апреля 2002 года официально опубликован. Он описывал общие принципы построения систем широкополосного беспроводного доступа и сосредотачивался на диапазоне 10-66 ГГц. 10 сентября 2001 года увидел свет стандарт IEEE 802.16.2 «Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems» (сосуществование фиксированных систем широкополосного беспроводного доступа). Над более низкочастотным диапазоном работы продолжались чуть дольше – стандарт 802.16а «Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz» (модификации управления доступа к среде передачи и дополнительные спецификации физического уровня для диапазона 2-11 ГГц), регламентирующий работу в диапазоне 2-11 ГГц, был утвержден 29 января 2003 года, а 1 апреля опубликован. На рисунке 1 показано место стандарта 802.16 в иерархии стандартов IEEE 802.[1].

Место стандарта 802.16 в иерархии стандартов IEEE 802

Рис. 1

Физический и канальный уровни IEEE 802.16

Все стандарты группы 802.16 описывают два нижних уровня модели взаимодействия открытых систем (OSI) – физический и уровень контроля доступа к среде передачи (MAC Medium Access Control)[1]. Структура этих уровней представлена на рисунке 2. В стандартах этой группы идет речь о радиоинтерфейсах, методах модуляции и доступа к каналам, о системе управления потоками, о структурах передаваемых данных, о механизмах связи протоколов передачи данных верхних уровней (прежде всего ATM и IP) с протоколами физического уровня IEEE 802.16 и д.р. Будем рассматривать стандарт «снизу» – физического уровня.

Первая версия стандарта IEEE 802.16–2001 была принята в декабре 2001 года, в стандарте изначально была отведена рабочая полоса 10–66 ГГц. Стандарт IEEE 802.16 описывал архитектуру широкополосной беспроводной связи, организованной по топологии «точка-многоточка» и ориентировался на создание стационарных беспроводных сетей масштаба города (WirelessMAN). Так как в стандарте IEEE 802.16–2001 на физическом уровне предполагалось использование всего одной несущей частоты, назван он был — WirelessMAN-SC (Single Carrier).Для частот в диапазоне 10–66 ГГц характерно быстрое затухание сигнала и работа возможна только в зоне прямой видимости между передатчиком и приемником. Зато решается одна из главных проблем радиосвязи — многолучевое распространение сигнала. В Стандарте было рекомендовано использовать модуляцию типа QPSK, 16-QAM или 64-QAM. В радиоканалах шириной 20, 25 и 28 МГц скорость передачи данных достигала 32–134 Мбит/с и дальность передачи составляла 2.5 км. Позже, в 2002 году в стандарте 802.16–2001 были выявлены погрешности, и появилось приложение 802.16с-2002, которое расширяло профили и корректировало их.Из-за трудностей построения беспроводной сети в зоне прямой видимости устройства стандарта 802.16 так и не получили широкого распространения и уже в январе 2003 года выпустили расширение 802.16а-2003, которое описывало использование частотного диапазона от 2 до 11 ГГц. В этом стандарте предусматривалось создание фиксированных беспроводных сетей масштаба мегаполиса и планировалось, что в дальнейшем он станет альтернативой наземным решениям широкополосного доступа для организации «последней мили» взамен xDSL, кабельных модемов и каналов T1/E1. Кроме того, предполагалось, что для формирования глобальной сети беспроводного доступа в Интернет к базовой сети стандарта 802.16а смогут подключаться точки доступа стандарта 802.11a/b/g.

Основное отличие стандарта 802.16а — это работа в частотном диапазоне 2–11 ГГц, для которого не требуется наличие прямой видимости между приемником и передатчиком. В виду этого зона покрытия беспроводных сетей 802–16a значительно шире, чем у сетей стандарта 802.16. Использование частотного диапазона 2–11 ГГц потребовало и существенного пересмотра техники кодирования и модуляции сигнала на физическом уровне. Оборудование 802.16а должно было работать с модуляцией QPSK, 16QAM, 64QAM и 256QAM, поддерживать скорость передачи информации 1–75 Мбит/с на сектор одной базовой станции на расстоянии от где-то 6–9 км в радиоканалах с изменяемой полосой пропускания от 1.5 до 20 МГц. Типовая базовая станции имела от 4 до 6 секторов.

В стандарте 802.16a сохранили режим работы на одной несущей, который позволял работать как в условиях прямой видимости (LOS), так и вне ее (NLOS). Но основным здесь стала возможность работы с сигналом на основе технологии OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)- ортогонального частотного мультиплексирования с 256-ю поднесущими и режим OFDMА (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) технология многостанционного доступа с ортогональным частотным разделением каналов с 2048 поднесущими сразу с несколькими абонентами в режиме OFDM. Таким образом, при стандартном количестве поднесущих в 256 обеспечивалась одновременная работа 8 абонентов.В июле 2004 года был принят стандарт IEEE 802.16–2004, известный также как 802.16d или фиксированный WiMAX, который и объединил все эти нововведения. Но говорить в то время о полной совместимости оборудования не представлялось возможным. Из-за наличия разных режимов мультиплексирования SC, OFDM и OFDMА с разной шириной радиоканалов, а также временного и частотного режима дуплексирования FDD и TDD и ряда других требований оборудование каждого производителя так и осталось уникальным, а стоимость абонентских устройств была очень высокой. В силу этих обстоятельств оборудование фиксированного доступа стандарта IEEE 802.16–2004 используется в нишевом применение, там, где традиционные методы построения сетей абонентского доступа не эффективны или попросту невозможны.

В конце 2005 года был принят стандарт IEEE 802.16е, известный так же как IEEE 802.16–2005 или мобильный WiMAX. Это был новый шаг в эволюции развития беспроводного широкополосного доступа в интернет Основное внимание здесь уделено вопросам поддержки мобильных абонентов, и в частности хендоверу, и роумингу между сетями, построенными на различных беспроводных стандартах. Роуминг позволяет при передвижении абонента на скорости до 120 км/ч «бесшовно» переключаться между базовыми станциями (точно так же как это происходит в сетях сотовой связи). В мобильном WiMAX применяется Scalable OFDMA — масштабируемый OFDM-доступ и возможна работа как в условиях прямой видимости так в ее отсутствие. Для сетей Mobile WiMAX выделяются частотные диапазоны: 2,3–2,5; 2,5–2,7; 3,4–3,8 ГГц.

На сегодняшний день в мире реализованы и успешно функционируют беспроводные широкополосные сети на основе Mobile WiMAX, в том числе первыми в России свои сети развернули компании «Скартел» — бренд Yota (сети построены в Москве, Санкт-Петербурге, Уфе, Краснодаре, Сочи, Никарагуа) и Комстар OTC (сеть в Москве). Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения 3G, например, EV-DO. И если стандарт IEEE 802.16d является протоколом операторского класса, то мобильный WiMAX ориентирован на конечных пользователей, и в данном случае он представляет собой альтернативу стандартам 802.11 a/b/g. Имея ноутбук или КПК со встроенным WiMAX модемом, и подключившись к сети, пользователь сможет постоянно оставаться на связи в любой точке города, где обеспечивается зона покрытия WiMAX сети. Базовая станция Mobile WiMAX способна поддерживать до 1000 абонентов одновременно!

Схема развития технологии WiMax

Рис. 1.1

В дополнение к основным стандартам, рабочая группа IEEE 802.16 разработала ряд других документов, где рассматриваются другие весьма важные вопросы. Это такие дополнения, как:

- 802.16f-2005 Информационная база управления (Management Information Base);

- 802.16g-2007 — Процедуры и сервисы уровня управления (Management Plane Procedures and Services);

- 802.16k-2007 Поправки к 802.16 (Bridging of 802.16).

В стадии разработки находятся:

- 802.16h — Улучшенный механизм сосуществования при безлицензионной работе (Improved Coexistence Mechanisms for License-Exempt Operation);

- 802.16i Информационная база управления для мобильных сетей (Mobile Management Information Base);

- 802.16j Спецификация многопролетных ретрансляционных систем (Mul-tihop Relay Specification);

- 802.16m — Улучшенный беспроводной интерфейс (Advanced Air Interface).

Часто, говоря о стандарте IEEE 802.16, подразумевают WiMAX. Аббревиатура WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) расшифровывается как: протокол всемирной сети широкополосной радиосвязи. Название придумано в международной организации WiMAX-форум, в ряды которой входят ведущие телекоммуникационные компании и производители оборудования, такие как: Alvarion, Cisco, Intel, Airspan Networks, Fujitsu, Samsung, Huawei, Proxim Corporation и др.). Однако не следует забывать, что на самом деле WiMAX, рассматривает только часть режимов стандарта IEEE 802.16.

WiMAX-форум был основан 11 апреля 2003 года с целью содействия разработке беспроводного оборудования, используемого в широкополосных сетях и скорейшему развертыванию этих сетей во всем мире. WiMAX-форум отвечает за сертификацию оборудования стандарта IEEE 802.16, а также за подготовку и разработку спецификаций, призванных обеспечить совместимость оборудования разных производителей. Такие крупнейшие поставщики элементной полупроводниковой базы, как Intel, Fujitsu, и др. ведут ее разработку для всех производителей оборудования, а те в свою очередь концентрируют свои усилия на производстве оборудования со стандартной элементной базой. По данным аналитических изданий, сегодня члены WiMAX-форума представляют собой более 80% рынка среди производителей оборудования для ШБД.[2].

В июне 2008 года было объявлено о создании нового стратегического консорциума — Open Patent Alliance (ОРА), в который вошли такие гиганты широкополосной индустрии, как: Cisco, Alcatel-Lucent, Intel, Clearwire, Samsung и Sprint. Цель создания альянса продвижение дальнейшей стандартизации в области технологий WiMAX, снижения стоимости на услуги и оборудование, а также расширение их многообразия. Немного позже к ним присоединились Alvarion и Huawei. За это время был создан так называемый патентный пул —соглашение о взаимном использовании межу участниками патентов, которыми сможет воспользоваться любой из членов альянса по предсказуемой цене.

Одним из наиболее активных членов альянса WiMAX Forum является компания Intel, которая участвует во всех его начинаниях – от постановки задачи, заканчивая ратификацией стандартов и разработкой конечного оборудования. Сейчас Intel сотрудничает с компаниями, уже развернувшими предварительно стандартизованные широкополосные беспроводные сети WiMAX более чем в 125 странах. Они обеспечивают широкий диапазон вариантов – от стационарных систем беспроводного доступа до двухточечных систем передачи масштаба предприятия.Сейчас Intel сотрудничает с компаниями, уже развернувшими предварительно стандартизованные широкополосные беспроводные сети WiMAX более чем в 125 странах. Они обеспечивают широкий диапазон вариантов – от стационарных систем беспроводного доступа до двухточечных систем передачи масштаба предприятия.

Сегодня WiMAX-форум насчитывает более 500 членов, 17 из них из России и стран СНГ.[4].

Для продвижения и развития технологии WiMAX был сформирован WiMAX-форум на базе рабочей группы IEEE 802.16, созданной в 1999 году. В форум вошли такие фирмы, как Nokia, Harris Corporation, Ensemble, Crosspan и Aperto. К маю 2005 года форум объединял уже более 230 участников. В том же году Всемирный съезд по вопросам информационного сообщества (World Summit on Information Society, WSIS) сформулировал следующие задачи, которые были возложены на технологию WiMAX.

Задачи технологий WiMAX:

1.         Обеспечить при помощи WiMAX доступ к услугам информационных и коммуникационных технологий для небольших поселений, удалённых регионов, изолированных объектов, учитывая при этом, что в развивающихся странах 1,5 миллиона поселений с числом жителей более 100 человек не подключены к телефонным сетям и не имеют кабельного сообщения с крупными городами;

2.         Обеспечить при помощи WiMAX доступ к услугам информационных и коммуникационных технологий более половины населения планеты в пределах своей досягаемости, учитывая при этом, что общее число пользователей Интернета в 2005 году составляло приблизительно 960 млн. человек, или около 14,5 процента всего населения Земли.

Цель технологии WiMAX заключается в том, чтобы предоставить универсальный беспроводный доступ для широкого спектра устройств (рабочих станций, бытовой техники "умного дома", портативных устройств и мобильных телефонов) и их логического объединения локальных сетей.

Надо отметить, что технология имеет ряд преимуществ:

1.         По сравнению с проводными (xDSL, T1), 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;

2.         Стандарт объединяет в себя технологии уровня оператора связи (для объединения многих подсетей и предоставления им доступа к Интернет), а также технологии "последней мили" (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя), что создает универсальность и, как следствие, повышает надёжность системы;

3.         Беспроводные технологии более гибки и, как следствие, более просты в развёртывании, так как по мере необходимости могут масштабироваться;

4.         Простота установки как фактор уменьшения затрат на развертывание сетей в развивающихся странах, малонаселённых или удалённых районах;

5.         Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. Не требует прямой видимости между объектами сет, благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами;

6.         Технология WiMAX изначально содержит в себе протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать её в локальные сети;

7.         Технология WiMAX подходит для фиксированных, перемещаемых и подвижных объектов сетей на единой инфраструктуре.

3 ПРИНЦИП РАБОТЫ WiMAX

3.1Физический уровень базового стандарта IEEE 802.16

Как уже отмечалось, стандарт IEEE 802.16 описывает работу в диапазоне 10-66 ГГц систем с архитектурой «точка-многоточка» (из центра – многим). Это – двунаправленная система, то есть предусмотрены нисходящий (downlink, от базовой станции к абонентам) и восходящий (uplink, к базовой станции) потоки. При этом каналы подразумеваются широкополосные (порядка 25 МГц), а скорости передачи – высокие (например, 120 Мбит/с).

Тракт обработки данных и формирования выходного сигнала для передачи через радиоканал в стандарте IEEE 802.16 достаточно обычен для современных телекоммуникационных протоколов (см. рис. 3) и практически одинаков для восходящих и нисходящих соединений. Входной поток данных скремблируется – подвергается рандомизации[2], то есть на него накладывается (XOR) псевдослучайная последовательность (ПСП), вырабатываемая с помощью линейного регистра сдвига длины 15 с характеристическим многочленом  и начальным заполнением  (см. рис. 3.1) Далее скремблированные данные кодируют с помощью помехоустойчивых кодов (FEC-кодирование[3]). При этом используется одна из четырех схем: код Рида-Соломона (над ), код Рида-Соломона с дополнительным свёрточным кодом (скорость ) (схема свёрточного кодирования показана на рис. 3.2), код Рида-Соломона с дополнительным контролем четности () и блочный турбокод. Размер кодируемого информационного блока и число избыточных бит не фиксированы – эти параметры можно задавать в зависимости от условий среды и требований к качеству предоставления услуг (QoS). Первые две схемы кодирования обязательны для всех устройств стандарта, остальные два алгоритма – дополнительные.

Тракт формирования выходного сигнала в стандарте IEEE 802.16 (нисходящий канал)

Рис. 3.1

Генерация ПСП Схема кодирования сверточным кодом

Рис. 3.2                                            Рис. 3.3

В диапазоне 10-66 ГГц стандарт IEEE 802.16 предусматривает схему с модуляцией одной несущей (в каждом частотном канале). Стандарт допускает три типа квадратурной амплитуд