С появлением мобильной версии развитие фиксированного WiMAX практически прекратилось. Одной из причин стало практически полное прекращение сертификации таких систем на совместимость со стороны WiMAX Forum, что снизило коммерческую привлекательность технологии. Операторы тоже постепенно стали утрачивать интерес к фиксированной версии стандарта. Последние модификации мобильного WiMAX лишились важного технологического недостатка — отсутствия хендовера («бесшовной» передачи клиентского устройства от одной базовой станции к другой при перемещении между зонами покрытия) — и, таким образом, стали еще привлекательнее для операторов мобильной связи.
Априори считается, что мобильные устройства имеют меньший коэффициент усиления антенны и меньшую мощность передатчика. Первое обусловлено ненаправленностью антенны и меньшими размерами устройства, второе — требованиями энергосбережения в целях увеличения времени работы мобильного устройства от батареи.
Кроме низкого энергетического бюджета радиоканалов, необходимо принимать во внимание ослабление сигнала во время пребывания абонента с мобильным устройством в помещении, искажение сигнала вследствие многократных переотражений и пр. Вывод очевиден: работа сети с мобильными устройствами требует увеличения радиобюджета каналов, особенно канала «вверх» — от клиентского устройства к базовой станции.
Разделение пользователей в эфире
В радиоинтерфейсе систем Mobile WiMAX (на базе радиоинтерфейса IEEE802.16e-2005) внедрены несколько эффективных технологий. Одна из них — разделение пользователей в эфире как по времени, так и по частотным подканалам (sub-channelization). Ранее, в фиксированной версии, разделение пользователей проводилось только по времени.
Разделение абонентов Mobile WiMAX по времени и частотным подканалам
Внедрение sub-channelization дает возможность базовым станциям и клиентским устройствам в условиях низкого уровня принимаемого сигнала сосредоточить всю мощность передатчика в более узком диапазоне частот. Этим повышается спектральная плотность мощности передаваемого сигнала, что ведет к повышению достоверности приема.
Рассмотрим ситуацию, когда радиобюджет клиентского устройства ухудшается по какой-либо причине. В системе фиксированной связи при этом ухудшается модуляция, что снижает эффективность системы. В мобильной системе есть возможность уменьшить полосу, занимаемую сигналом данного клиентского устройства, увеличив тем самым спектральную плотность мощности сигнала. Эффект состоит в том, что высвободившуюся полосу в каждый момент времени могут использовать другие абонентские устройства, при этом общая эффективность системы связи не снижается, в отличие от традиционных систем радиосвязи.
Множественный прием и передача сигнала
К особенностям радиоинтерфейса Mobile WiMAX относится также внедрение множественного приема и передачи сигнала (Multiple Input Multiple Output, MIMO). Существует два варианта MIMO: Matrix A и Matrix B.
Эффективность применения моделей MIMO
в зависимости от этапа развития сети оператора
MIMO Matrix A повышает достоверность приема информации и увеличивает радиус обслуживания базовой станции по сравнению с одинарным приемо-передатчиком. Принцип действия MIMO Matrix A заключается в одновременной передаче по нескольким каналам одной и той же информации, что повышает вероятность верного приема информации за счет математической обработки совокупности принимаемой информации. Естественно, метод MIMO Matrix A наиболее эффективен при низком качестве принимаемого сигнала, в условиях непрямой видимости и/или многолучевого распространения сигнала.
MIMO Matrix B обеспечивает увеличение пропускной способности БС путем разделения потока информации на кванты и параллельной трансляции несколькими передатчиками. Таким образом увеличивается скорость передачи информационного потока.
Преимущества MIMO Matrix A особенно заметны на этапе развития сети, когда ее загрузка еще далека от пропускной способности. Однако, когда параметры сети приближаются к предельной пропускной способности, плотность размещения БС растет, следовательно, увеличение радиуса действия становится менее актуально по сравнению с увеличением емкости сети, а значит, более эффективным в такой ситуации оказывается применение MIMO Matrix B.
Smart BeamForming
Еще одной особенностью радиоинтерфейса Mobile WiMAX является интеллектуальное управление диаграммой направленности (Smart BeamForming), которое реализуется на базе адаптивной антенной системы (ААС).
Эффективность применения радиотехнологий
в сети WiMAX
Особенностью данной технологии является изменение диаграммы направленности антенны в зависимости от расположения абонентов. Если применяется обычная секторная антенна, диаграмма направленности имеет заранее заданную неизменную форму. В то же время ААС обладает способностью динамически изменять диаграмму направленности антенны, сосредотачивая всю излучаемую мощность или направление наиболее эффективного приема в соответствии с размещением абонентов. Реализация Smart BeamForming позволяет менять диаграмму направленности антенны каждый кадр, т.е. каждые 5 мс, благодаря чему можно использовать эту технологию даже для быстродвижущихся абонентов.
Адаптивная антенна повышает эффективность системы Mobile WiMAX, создавая максимумы диаграммы направленности антенны в направлении активных абонентов и не «освещая» остальные части сектора.
Считается, что использование преимуществ трех описанных выше технологий по сравнению со стандартными радиосистемами позволяет увеличить радиус зоны покрытия более чем в 1,5 раза, тем самым расширив площадь покрытия БС почти в 2,5 раза. Испытания оборудования фиксированного и мобильного WiMAX, проведенные специалистами компании «ЭС ЭНД ТИ УКРАИНА», подтвердили эти соотношения.
Преимущества радиоинтерфейса Mobile WiMAX являются одним из трех китов, на которых базируется успех данной технологии.
Второй кит — повышение информационной безопасности. Оно заключается в более безопасной процедуре подключения к сети и улучшении криптографического механизма информационного обмена в системах мобильного WiMAX по сравнению с его фиксированной версией.
Так, на этапе подключения к сети взаимная аутентификация проводится на базе одной из версий протокола EAP (Extensible Authentication Protocol), который призван обеспечить безопасный обмен аутентификационной информацией между сетью оператора
(а точнее, ААА-сервером) и клиентским устройством. При подключении клиентского устройства в сеть, в системе для данного клиента генерируются пары сеансовых ключей, которыми будет шифроваться трафик этого абонента. При переходе между БС пары ключей заново генерируются шлюзом ASN GW на базе Master Keys. Трафик каждого клиента в радиоканале шифруется с применением надежного стандарта шифрования AES (Advanced Encryption Standard).
В то же время в сетях фиксированного WiMAX не используется взаимная аутентификация БС и абонентского устройства, канал передачи шифруется по устаревшему и признанному ненадежным стандарту DES, что делает передачу информации в сетях фиксированной версии WiMAX небезопасной.
Третьим, и наиболее важным, китом успеха Mobile WiMAX выступает экономическая эффективность. Действительно, каждая базовая станция Mobile WiMAX может стоить дороже базовой станции фиксированной версии, но если рассматривать в целом задачу оператора по обеспечению сервиса для своих абонентов на определенной территории, то окажется, что для решения одной и той же задачи потребуется в несколько раз меньше базовых станций мобильной версии, чем БС фиксированной версии. Если при этом учесть стоимость построения каналов связи и строительство сайтов, а также операционные расходы на аренду, электропитание и прочее, то экономические параметры сети с меньшим числом БС мобильного WiMAX будут выглядеть еще привлекательнее.
Следует отметить также, что построение сети на основе более эффективных БС занимает меньше времени, поскольку требуется развертывание меньшего числа БС. В результате сокращается срок ввода сети в эксплуатацию, и, следовательно, ускоряется окупаемость сети.
В заключение добавим: все, что говорилось о мобильной версии WiMAX, не обязательно используется для построения сети с мобильными абонентами. Преимущества радиоинтерфейса Mobile WiMAX, о которых шла речь, не зависят от того, предполагается ли в сети перемещение абонентов между БС или нет.
В Украине большая часть лицензий на частоты для развертывания сетей WiMAX выдана на диапазон 5 ГГц. Из-за особенностей распространения радиоволн в этом диапазоне, использование миниатюрных устройств может быть затруднено, но построение сети на базе стандарта 802.16е-2005, даже для фиксированных внешних клиентских устройств, будет более оправданно и эффективно. Кроме того, это открывает дорогу к таким немаловажным вещам, как последующая интероперабельность с устройствами других производителей, возможность обслуживать абонента в любой точке сети независимо от сектора, а также дальнейшие технологические наработки и расширенный набор классов качества обслуживания (QoS).
Все вышесказанное позволяет говорить о том, что применение радиоинтерфейса IEEE 802.16e-2005 (Mobile WiMAX) при построении беспроводных сетей является оптимальным вариантом и для мобильного, и для фиксированного типа доступа и обеспечивает более высокую конкурентоспособность в современных непростых экономических условиях.
С автором можно связаться по адресу
Sergey.Bobrov@snt.ua
