|
|
  |
Главная страница / Архитектура отрасли WiMAX: история, оборудование, перспективыНовая революционная технология беспроводной связи под названием WiMAX за последнее время привлекла к себе определенное внимание. По мнению многих стратегов в области маркетинга, она сможет стать ключом к созданию универсального широкополосного и даже мобильного беспроводного доступа и затмить уже существующие решения, такие как беспроводная LAN (Wi-Fi) или UMTS. В данной статье эти высказывания рассматриваются с технической точки зрения, а также относительно регулирующих норм. Кроме того, представлены реальные возможности применения и ожидаемые функциональные характеристики. Немного истории Широкополосный беспроводной доступ как альтернатива технологии DSL существует с середины 90-х годов. Однако, по результатам всестороннего анализа маркетинговых исследований проникновения технологии DSL, следует признать ее безоговорочную победу. Несмотря на привлекательность данной технологии, существует целый ряд условий, которые осложняют или делают невозможным ее применение. В основном они имеют коммерческий характер либо связаны с отсутствием регулирующих норм, технические недостатки не столь значимы. Оборудование широкополосной связи было очень эффективным с технической точки зрения, но в большей мере частным решением (то есть зависело от конкретного производителя) и неизбежно более дорогим, что ограничивало его применение рамками только профессиональной части рынка. Ни одному производителю не удалось достичь экономического эффекта крупносерийного производства, необходимого для широкого использования. Кроме того, быстрому и экономичному развертыванию препятствовали сложность регулирующих нормативных актов, а также жесткая регламентация частотных диапазонов в различных странах, в частности ширины полосы частот. Однако реальные примеры успешного применения подтверждают техническую конкурентоспособность беспроводной технологии. Международные стандарты как ключ к массовому рынку Примером такого развития могут служить другие технологии доступа, например, беспроводная LAN и UMTS: за счет создания международных стандартов затраты на исследование и развитие были распределены между различными участниками рынка, что позволило производителям значительно снизить свои риски. Крупные производители микросхем вкладывают капитал в производство всей цепочки, что положительно сказывается на его экономичности. В конце 90-х годов международные организации по стандартизации (прежде всего ETSI и IEEE) начали соответствующую работу. Для создания международных стандартов различные технологии беспроводного доступа были разделены на группы: микро- и пикосотовые технологии (DECT, Bluetooth и WLAN, не обеспечивающие зоны покрытия), и мобильные технологии (стандартов GSM, UMTS или мобильной связи, обеспечивающие покрытие, но имеющие ограничения по ширине полосы, обусловленные требованиями мобильности). Таким образом, стандартов, обеспечивающих и соответствующее покрытие, сравнимое по фуеменными системами мобильной связи, и необходимую ширину полосы внутри зоны обслуживания, не существовало. Что касается ширины полосы, то здесь, конечно, следует ориентироваться на DSL, то есть предоставить конечному пользователю гарантированную полосу порядка нескольких мегабит в секунду (гарантированную означает с QoS – Quality of Service). При создании соединения к конечному пользователю необходимо учитывать очень важный критерий: оборудование должно реализовывать названные функциональные характеристики, в том числе и при отсутствии прямой видимости между передатчиком и приемником. Расширение покрытия при одновременном увеличении ширины полосы и улучшении качества передачи – новый уровень требований, которым должны отвечать разрабатываемые стандарты. Опыт показывает, что в этом длительном процессе, сопровождаемом многочисленными попытками прийти к единому мнению, не всегда выигрывает лучшее оборудование, так как одновременно приходится соблюдать определенные политические и коммерческие интересы. Что скрывается за названием WiMAX? Для ускорения этих процессов и максимально быстрого вывода соответствующего оборудования на рынок был создан целый ряд объединений. В качестве успешного примера можно назвать Альянс Wi-Fi, представляющий интересы организаций, которые работают над созданием стандарта WLAN IEEE 802.11. Аналогичную маркетинговую и организационную работу по ускорению процессов стандартизации и их применению также проводит WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Рассматривая в качестве основы стандарты, разработанные институтами IEEE или ETSI, WiMAX ставит перед собой задачу вывести на рынок совместимое оборудование с использованием так называемых профилей. Данная стратегия считается сейчас наиболее перспективной, ведь практически все известные производители, и прежде всего Intel, стали участниками Форума WiMAX, значение которого для рынка трудно переоценить. Операторы ведут себя, естественно, более сдержанно, однако большинство из них с интересом следит за этой деятельностью, а некоторые даже приступили к линейным испытаниям предварительных версий оборудования. Интерес таких компаний, как Intel, состоит во внедрении новой беспроводной технологии в соответствующее оконечное оборудование и предоставлении необходимых для этого микросхем (вспомните историю с чипами Centrino компании Intel). Однако в процессе указанной маркетинговой деятельности возможные функциональные характеристики оборудования на базе WiMAX зачастую преувеличиваются. Подобные высказывания довольно опасны в том плане, что это не первая попытка вывода на рынок широкополосного оборудования. Если же чрезмерные ожидания не подтвердятся и в процессе этой попытки, то это может заметно навредить такому хорошему началу. Немного техники Преимущества и недостатки различных технологий становятся более очевидными при четком представлении физических процессов, лежащих в их основе, а также некоторых граничных уси маркетинга пытаются одновременно использовать отдельные аспекты и преимущества определенного оборудования, однако практика показывает, что далеко не все преимущества могут использоваться одновременно. В качестве самых важных критериев оценки оборудования следует рассматривать следующие аспекты: • возможность обеспечения хорошего покрытия при отсутствии прямой видимости; • предоставление канала передачи с возможностью динамичного регулирования по времени; • обеспечение большой зоны покрытия при ограниченных частотных ресурсах (эффективность использования частот); • достижение высоких скоростей передачи наряду с хорошим покрытием при ограниченных частотных ресурсах; • качество обслуживания QoS при всех указанных граничных условиях. Кроме того, в зависимости от страны применения может выдвигаться целый ряд условий, связанных с регулирующими нормами, которые также ограничивают функциональные возможности оборудования (например, ограничение плотности потока мощности и т. п.). Рассмотрим сначала излучение радиосигнала. Установлено, что оно зависит прежде всего не от стандарта радиоинтерфейса, а от частоты, что обусловлено, во-первых, физикой распространения электромагнитных волн, во-вторых, параметрами затухания и отражения материалов, которые необходимо учитывать, например, при расчете прохождения волн через здание. Поэтому для хорошего или очень хорошего покрытия предпочтительно использовать более низкие частоты, которые однако обычно заняты многочисленными службами либо существуют ограничения ширины полосы, что является примером противоречивости имеющихся условий. Кроме того, для дорогостоящих частотных ресурсов необходимо учитывать коммерческие аспекты. Достаточно вспомнить огромные суммы, которые необходимо было заплатить в некоторых странах за получение лицензий на построение сетей мобильной связи стандарта UMTS. Следствием этого стали существующие политические реалии и регулирующие нормы, которые невозможно игнорировать. Неслучайно в рамках WiMAX была создана комиссия, занимающаяся исключительно этими вопросами. Внутри заданной зоны обслуживания, как правило, существует противопоставление изменяемому во времени каналу передачи. В отличие от передачи в условиях прямой видимости приемник должен соответствующим образом обрабатывать различные сигналы, которые не только поступают с различных направлений, но и в зависимости от тракта могут иметь различное время задержки. Эти эффекты особенно заметны, если дополнительно учитывать покрытие внутри зданий (довольно интересный случай). Такие аспекты абсолютно не новы, они хорошо известны в области мобильной связи. Решения для широкополосной передачи (UMTS, 3G) реализованы на базе W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) – стандарта радиоинтерфейса, при котором сигнал распределяется в относительно широкой полосе частот. В принципе это достигается за счет умножения на статистическую последовательность данных, корреляционные характеристики которых (коды)я идея данной технологии в упрощенном виде заключается в том, что такой распределенный сигнал более устойчив к узкополосным помехам по сравнению с технологиями на одной несущей. Надежность достигается за счет расширения частотного спектра. Основу OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) – технологии, используемой для Wi-Fi и WiMAX, составляет аналогичная идея: сигнал распределяется на большое количество частичных параллельных потоков, каждый из которых модулируется на узкополосную несущую. В зависимости от количества несущих частот (обычно значение, указываемое в стандартах, составляет 256 и/или 512 и более) это также позволяет использовать лишний спектр по сравнению с методами на одной несущей. Такие спектры относительно устойчивы к узкополосным помехам, рассмотренным выше. Теоретическое преимущество по отношению к CDMA заключается в том, что при использовании современных цифровых методов обработки сигнала имеется прямой доступ к отдельным несущим. Благодаря этому можно, например, модулировать каждую несущую. По сравнению с W-CDMA применяется адаптивная модуляция (с возможностью оперативного изменения) более высокого уровня вплоть до 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Как правило, технология W-CDMA ограничена применением модуляции типа 4 QAM, следовательно, существует чисто теоретическое преимущество OFDM по эффективности использования спектра. Вопрос, однако, заключается в возможности реализации более высоких уровней модуляции, что, конечно, зависит от качества отдельного соединения, измеряемого на уровне соотношения сигнал/шум. Вероятность использования высокоуровневой модуляции для линии с прямой видимостью выше, чем при ее отсутствии. Это приводит к существенным различиям между рассматриваемыми вариантами применения, в том числе по показателям эффективности использования спектра, а не только зоны обслуживания. Данный пример служит еще одним доказательством того, что теоретически возможные функциональные характеристики следует рассматривать во взаимосвязи с реальными условиями эксплуатации. Таким образом, в самом неблагоприятном случае вполне вероятно, что система на базе OFDM окажется не многим лучше системы W-CDMA. Использование модуляции более высокого уровня (16 QAM) в системах W-CDMA (HSDPA – High Speed Downlink Packet Access) еще больше стирает границы при отсутствии прямой видимости. Технология W-CDMA (так называемый вариант TD – CDMA) наряду с ее применением в мобильной связи может применяться и как беспроводная замена DSL, следовательно, тоже является прямым конкурентом WiMAX. Предоставляемые WiMAX скорости передачи и дальность действия в условиях прямой видимости достаточно невысокие по сравнению с классическим радиорелейным оборудованием. Чего следует ожидать? В итоге все эти достаточно простые размышления приводят к определению возможной ширины полосы, предоставляемой пользователю. В представленном сравнении всегда указывается радиочастота. Приведенные данные можно также читать для другой ширины полосы. Отметим, что, как и в мобильной связи, речь идет, прежде всего, о сотовых системах, где вследствие высокой дальности действия необходима достаточная развязка отдельных сот. Если развязка осуществляется по частоте (коэффициент повторного использования), то используемая ширина полосы снова уменьшится. В этом состоит значительное отличие от пикосотовых систем (например, WLAN), в которых возможно повторное использование частоты за счет небольшого радиуса действия. Большое значение (в частности, для расчета бизнес-моделей) имеет и количество пользователей широкополосной связи, которые размещаются в одной радиосоте, и предоставляемое им качество обслуживания. Это также зависит от предоставляемого радиочастотного диапазона, на основе которого, с учетом эффективности используемой модуляции, может быть рассчитана полоса пропускания для передачи данных. Для систем PMP (point-to-multipoint) необходимо, кроме того, учитывать производительность протокола доступа (MAC-протокол. MAC: Media Access Control), ибо абоненты одной радиосоты должны делить между собой предоставляемую ширину полосы. И здесь очевидно преимущество стандартов IEEE 802.16 или ETSI BRAN по сравнению, например, с W-LAN (IEEE 802.11). Доступ в данном случае управляется высокопроизводительным протоколом MAC, что обеспечивает более высокий уровень контроля качества обслуживания (QoS). Это касается как систем на базе ATM (ETSI BRAN HiperAccess), так и систем только на базе IP (IEEE 802.16, IEEE 802.20). Традиционная стратегия, когда качество обслуживания QoS в сетях на базе IP достигается только за счет избыточной ширины полосы, неприменима для систем на базе беспроводной связи вследствие постоянных ограничений имеющейся ширины полосы. Имеется ли потенциал для усовершенствования? Определяющими параметрами коммерческой привлекательности широкополосного беспроводного доступа для пользователя являются предоставляемая полоса пропускания и покрытие. Как уже было показано, эти характеристики зависят от эффективности использования канала передачи. Именно здесь имеется потенциал для дальнейшего усовершенствования. В течение прошедших десятилетий основное внимание при оптимизации использования канала передачи уделялось модуляции, кодированию канала и технологиям доступа. Другим компонентам, в частности, антеннам на обеих сторонах линии передачи, придавалось гораздо меньшее значение. При сегодняшнем уровне техники используются, как правило, простые пассивные антенны. Однако последние исследования показывают, что интеллектуальные многоантенные системы на обеих сторонах линии передачи позволяют добиться значительного улучшения параметров, которые воспринимаются непосредственно пользователем. Данная технология, известная как MIMO (Multiple in multiple out – множественный ввод-вывод), использует несколько независимых путей передачи для улучшения спектральной эффективности при одновременной оптимизации напряженности поля. Лучше всего такая техно сценариях с большим количеством обходных путей вследствие отражения, дисперсии или дифракции электромагнитных волн. Кроме того, можно конструктивно использовать поляризацию электромагнитного поля. Задача предоставления требуемого количества антенн на базовых станциях выглядит относительно простой, но для оконечного оборудования, которое должно оставаться недорогим, оказывается достаточно сложной с технической и экономической точек зрения, а также механического исполнения. Однако последние разработки в этой области свидетельствуют о реальности выполнения этих требований. Соответствующие интеллектуальные антенны интегрируются непосредственно в оконечное оборудование (ноутбук, карту PCMCIA и т. п.); алгоритмы обработки сигнала, встраиваемые в интегральные микросхемы, становятся все более производительными, с большим объемом вычислений и высокой плотностью интеграции. В области WLAN недавно появилось первое относительно недорогое оборудование такого типа. Результаты испытаний говорят о заметном улучшении характеристик даже при небольшом количестве антенн. Результаты могут быть частично перенесены и на другие реальные условия, технология WiMAX от этого только выиграет. Сравнительные расчеты показывают, что ограничения компенсируются, по крайней мере частично, шириной полосы. Главная страница / Архитектура отрасли |