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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Беспроводные технологии более гибки и, как следствие, более просты в развёртывании, так как по мере необходимости могут масштабироваться.
- Простота установки как фактор уменьшения затрат на развертывание сетей в развивающихся странах, малонаселённых или удалённых районах.
- Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. WiMAX благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами.
- Технология WiMAX изначально содержит в себе протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать её в локальные сети.
- Технология WiMAX подходит для фиксированных, перемещаемых и подвижных объектов сетей на единой инфраструктуре.
Система WiMAX состоит из двух основных частей.
- Базовая станция WiMAX, может размещаться на высотном объекте: здании или вышке.
- Приёмник WiMAX: антенна с приёмником, в форм-факторе карты PC Card, карты расширения ПК или внешней карты.
Соединение между базовой станцией и клиентским приёмником производится в низкочастотном диапазоне 2-11 ГГц. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с и не требует наличия прямой видимости между станцией и пользователем. Этот режим работы базовой станции WiMAX близок широко используемому стандарту 802.11 (Wi-Fi), что допускает совместимость уже выпущенных клиентских устройств и WiMAX.
Следует помнить, что технология WiMAX применяется как на "последней миле" - конечном участке между провайдером и пользователем, так и для предоставления доступа региональным сетям: офисным, районным.
Рис 1. Станции и приёмники. Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использованием режима СВЧ (сверхвысокие частоты 10-66 ГГц) радиосвязи прямой видимости (line-of-sight). Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 120 Мбит/с. Ограничение по условию прямой видимости, разумеется, не является плюсом, однако оно накладывается только на базовые станции, участвующие в цельном покрытии района, что вполне возможно реализовать при размещении оборудования.
Как минимум, одна из базовых станций может быть постоянно связана с сетью провайдера через широкополосное скоростное соединение (T3, или другое, гарантирующее стабильно высокую скорость передачи данных). Фактически, чем больше станций имеют доступ к сети провайдера, тем выше скорость и надёжность передачи данных. Однако даже при небольшом количестве точек система способна корректно распределить нагрузку за счёт сотовой топологии.
На базе сотового принципа разрабатываются также пути построения оптимальной сети, огибающей крупные объекты (например, горные массивы), когда серия последовательных станций передаёт данные по эстафетному принципу. Подобные разработки планируется включить в следующую версию стандарта. Ожидается, что эти изменения позволят существенно поднять скорость.
Рис 2. Покрытие WiMAX.
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, 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.
Это позволяет сохранить существующую инфраструктуру районных или офисных локальных сетей при переходе с кабельного доступа на WiMAX. Это позволяет также максимально упростить развёртывание сетей, позволяя использовать знакомые технологии для подключения компьютеров.
Технология WiMAX | Режимы работы WiMAX
Стандарт 802.16e-2005 вобрал в себя все ранее выходившие версии и на данный момент предоставляет следующие режимы.
- Fixed WiMAX - фиксированный доступ;
- Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;
- Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;
- Mobile WiMAX - мобильный доступ.
Fixed WiMAX. Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям (xDSL, T1, т.п.). Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала. С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с. Фиксированный режим включался в версию стандарта 802.16d-2004 и уже используется в ряде стран. Однако большинство компаний, предлагающих услуги Fixed WiMAX, ожидают скорого перехода на портативный и в дальнейшем мобильный WiMAX.
Рис. 3. Fixed WiMAX.
Nomadic WiMAX. Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.
Portable WiMAX. Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т.д.). Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК. В 2006 году начат выпуск устройств, работающих в портативном режиме WiMAX. Считается, что до 2008 года внедрение и продвижение на рынок именно этого режима будет приоритетным.
Mobile WiMAX был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч.
Рис. 4. Mobile WiMAX.
Основными достижениями мобильного режима можно считать нижеприведённые факторы.
- Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам.
- Масштабируемая пропускная способность канала.
- Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать ассиметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счёт эстафетной передачи сессии между каналами.
- Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования.
- Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учётом силы сигнала клиентского оборудования.
- Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя.
- Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами.
- Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:
- достижения высокой скорости передачи данных с использованием одночастотной сети;
- гибкого распределения радиочастот;
- низкого потребления энергии портативными устройствами:
- быстрого переключения между каналами.
- Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы направленности, простанственно-временное маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение).
- Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для повторного задействования частот с минимальными потерями.
- Размер фрейма в 5 миллисекунд создает оптимальный компромисс между надёжностью передачи данных за счёт использования малых пакетов и накладными расходами за счёт увеличения числа пакетов (и как следствие, заголовков).
Технология WiMAX | История развития проекта WiMAX
2001 год Основные события:
- утверждён стандарт 802.16-2001;
- основан Форум WiMAX.
Работа над стандартом IEEE 802.16 началась в 2001 году. В декабре 2001 года была принята первая версия нового беспроводного стандарта широкополосной связи IEEE 802.16-2001. Рабочая частота предусматривалась от 10 до 66 ГГц.
Топология нового стандарта стала "точка-многоточие", а сама технология была ориентирована на стационарные беспроводные сети масштаба мегаполиса (metropolitan area network, MAN). Так первое название стандарта стало WirelessMAN (WiMAN). На физическом уровне предполагалось использование одной несущей частоты (Single-Carrier, SC), поэтому в название протокола стали добавлять SC - WirelessMAN-SC. Однако необходимость соблюдения условия прямой видимости привела к тому, что устройства стандарта 802.16 так и не получили широкого распространения.
2003 год
Основные события:
- утверждён стандарт 802.16а.
В январе 2003 года было принято расширение стандарта 802.16 под названием 802.16a-2003, которое предусматривало использование частотного диапазона от 2 до 11 ГГц. Данный стандарт тоже был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса. Предполагалось, что он станет альтернативой традиционным решениям широкополосного доступа для "последней мили" - кабельным модемам, xDSL и каналам Т1/Е1. Кроме того, сети стандарта 802.16a планировались для использования в качестве дополнительной технологии для подсоединения точек доступа стандарта 802.11b/g/a к Интернету.
2004 год
Основные события:
- утверждён стандарт 802.16-2004.
Логическим продолжением стандарта 802.16a стал стандарт 802.16d, который предусматривал возможность реализации фиксированного доступа внутри помещений.
Окончательно стандарт 802.16d был принят в июле 2004 года и получил название 802.16-2004, после чего необходимость рассмотрения отдельных стандартов, 802.16d и 802.16a, стала неактуальной, поскольку итоговая версия охватывала и стандарт 802.16d, и 802.16a.
2005 год
Основные события:
- согласована версия стандарта 802.16/HiperMAN;
- открыта первая лаборатория WiMAX-сертификации (Cetecom, Испания);
- утверждён стандарт 802-16e.
2006 год
Основные события:
- сертификация первого продукта на базе технологии Fixed WiMAX;
- открыта вторая лаборатория сертификации (TTA Labs, Корея);
- запуск услуг WiBro в Корее.
2007 год (перспектива)
Основные события:
- сертификация первого продукта на базе технологии Mobile WiMAX.
Технология WiMAX | Испытания WiMAX
Серии испытаний технологии Fixed WiMAX были проведены в период с 2005 до конца 2006 года в лабораториях Испании и Кореи. Также были проведены полевые испытания технологии в нескольких странах Европы, которые были посчитаны успешными. Так, первое открытое испытание технологии Fixed WiMAX версии 802.16-2004 в России было проведено 5 июля 2006 года. Двухнедельные полевые испытания прошли в Нижегородской области, в пригороде города Арзамас, в рамках проекта инновационного центра Intel в России "WiMAX на сельских дорогах".
Цель проекта заключалась в том, чтобы продемонстрировать возможности технологии в целом, показать сферы применения, а также новые разнообразные модели клиентского оборудования, обеспечивающие связь по протоколу WiMAX.
Так, клиентское оборудование было установлено в автомобиле, оснащённом телескопической вышкой, обеспечивающей поднятие CPE-антенны WiMAX на 8 м над крышей автомобиля. Автомобиль двигался по направлению от города Арзамас, периодически устанавливая сессии связи с трёхсекционной базовой станцией, размещённой на крыше бизнес-центра Арзамаса.
Устойчивый сигнал удавалось получить на расстоянии до 20 км от базовой станции, при этом скорость передачи данных составила 10-20 Мбит.
Далее по пути следования, в различных поселках области WiMAX-оборудование, расположенное в автомобиле, подключалось посредством проводного соединения (витая пара) с точкой доступа WiFi, которую устанавливали в помещениях для презентаций.
Рис. 5. WiMAХ-покрытие Нижегородской области.
Базовая станция, которую использовали в ходе испытаний, имела три лепестка направленности и была способна покрыть более 30 городов и деревень той же Нижегородской области. Таким образом, если бы было достаточно оборудования, и оно внедрялось бы на коммерческой основе, эти населенные пункты могли бы получить широкополосный доступ уже сейчас.
Технология WiMAX | Перспективы WiMAX в России
Внедрение мобильной версии стандарта WiMAX в России, как и во многих других странах, усложняется невозможностью освободить уже используемые частоты и позволить их использование для интернет-вещания. На данный момент выпускаемое оборудование для сетей WiMAX поддерживает три основных диапазона: 2,5-2,7; 3,4-3,6 и 5-6 ГГц. Введение этого разбиения на диапазоны внутри стандарта было сделано специально для упрощения лицензирования в различных странах, однако, в отличие от большинства европейских стран, где частотный диапазон 3,5 ГГц свободен, в России этот диапазон используется наземными и спутниковыми радиосистемами, в том числе военного назначения. Диапазон 2,5-2,7 ГГц занят спутниковым телевидением. Таким образом, свободным диапазоном, пригодным для стандарта WiMAX, остается только 5,725-5,850 ГГц.
Очевидно, что перспективы внедрения новой технологии и развертывания WiMAX-систем зависят от Министерства ИТ и связи РФ. В 2004 году была запущена правительственная программа по высвобождению некоторых диапазонов частот путем модернизации используемого оборудования, оптимизации алгоритмов передачи данных и последующего списывания устаревших военных систем и систем специального назначения с заменой на новое оборудование. Однако эта программа пока не принесла желаемых результатов в силу многих причин, в том числе, из-за недостаточного финансирования. Принятый закон "О связи" подразумевает выделение и раздачу диапазонов частот операторам на конкурсной основе, хотя чёткие условия оформления лицензии ещё не определены.
Разумеется, существует и другой путь внедрения высокоскоростной широкополосной технологии - выпуск "эксклюзивных" WiMAX-устройств, специально адаптированных для российского рынка. Вполне вероятно, что этим путем воспользуется ряд производителей, входящих в состав WiMAX-форума и имеющих лицензии и разрешения на создание подобного оборудования. Но следует понимать, что разработка дополнительных решений займёт время и может быть начата лишь тогда, когда произойдёт насыщение рынков других стран "стандартным" оборудованием.
На данный момент коммерческие операторы связи уже внедряют фиксированный WiMAX в нескольких странах Европы. По прогнозам аналитиков, первые коммерческие мобильные WiMAX-сети появятся не ранее 2008 года. В России эта дата откладывается до 2010 года. На данный момент те регионы, где жители обладают средствами на приобретение личных персональных компьютеров и где предприятия используют большое число компьютерной техники и испытывают необходимость в подключении к Интернету, уже оснащены оборудованием для предоставления доступа к Интернету на базе более "старших" технологий: спутникового вещания, оптоволокна, xDSL, LAN. Переход на фиксированный WiMAX в таких регионах не целесообразен, а мобильный WiMAX имеет слишком большое число технологий-конкурентов: Wi-Fi, GPRS. Малонаселённые или удалённые регионы на данный момент имеют слишком низкий уровень заработной платы, чтобы жители не только могли себе позволить оборудование и дополнительную абонентскую плату, но и вообще проявили интерес к этому вопросу.
Разумеется, аналитики предвидят подъём уровня образования и заработка с появлением доступа к Интернету в сельской местности и, как следствие, уменьшением оттока людей из малонаселенных районов в крупные города. Однако надо учитывать, что на данный момент в стране существуют более серьёзные факторы, приводящие к внутренней миграции, чем отсутствие доступа к Интернету, в отличие, скажем, от более обеспеченных сельских районов Европы, Америки, Канады или Австралии.
Технология WiMAX | Заключение
В заключение можно лишь сказать, что стандарт WiMAX на данный момент находится на стадии тестирования. Единственная конкурентоспособная версия стандарта, для которой существует лицензия на оборудование, - это Fixed WiMAX. Однако провайдеры не спешат заменять дорогостоящее, но уже работающее оборудование на новое, ибо это требует существенных инвестиций без возможности поднять производительность (и как следствие, цену на услуги) и вернуть вложенные средства быстро. Развёртывание WiMAX-сетей там, где доступа к Интернету ещё не было ранее, приводит к вопросу о наличии в малонаселенных или удалённых регионах достаточного числа потенциальных пользователей, обладающих оборудованием или денежными средствами на его приобретение. Та же проблема возникает при переходе на Mobile WiMAX после его лицензирования, так как, помимо затрат провайдеров на модернизацию операторского оборудования, следует учитывать затраты пользователей на модернизацию клиентского оборудования: приобретение WiMAX-карт, обновление портативных устройств.
Вторым останавливающим фактором является убеждённость многих специалистов, которые считают недопустимым использование сверхвысоких частот радиосвязи прямой видимости из-за вреда, наносимого при этом здоровью человека. Наличие вышек на расстоянии десятков метров от жилых объектов (а базовые станции рекомендуется устанавливать на крышах домов) может пагубно сказаться на здоровье жителей, особенно детей. Однако результатов медицинских экспериментов, способных чётко доказать наличие или высокую вероятность вреда, пока не опубликовано.
Третьим останавливающим фактором является, как ни странно, быстрое развитие стандарта. Появление новых, принципиально различных версий стандарта WiMAX приводит к вопросу о неизбежной смене оборудования через несколько лет. Так, станции, сейчас работающие в режиме Fixed WiMAX, не смогут поддерживать Mobile WiMAX. При переходе на следующий стандарт понадобится обновление части оборудования, что отпугивает крупных провайдеров. На данный момент внедрение и использование Fixed WiMAX на коммерческой основе могут позволить себе только небольшие компании, которые не планируют значительного расширения (в том числе территориального) и используют новизну технологии для привлечения клиентов.
И, наконец, четвертым фактором является наличие конкурентного стандарта широкополосной связи, использующего близкие диапазоны радиочастот - WiBro. Этот стандарт тоже до конца не лицензирован, однако он уже получил определённую известность. А потому всегда существует вероятность, что через несколько лет предпочтительным окажется не WiMAX, а WiBro. И компании, вложившие средства в разработку и внедрение WiMAX-систем, серьёзно пострадают. Впрочем, из-за схожести стандартов существует также вероятность слияния и в дальнейшем использования оборудования, поддерживающего оба стандарта одновременно.
Таким образом, при видимых преимуществах стандарта ещё рано говорить о тотальном внедрении технологии или даже о возможности перехода на неё и отказа от существующих сетевых решений. Необходимо сначала получить первое лицензированное оборудование стандарта Mobile WiMAX, а также результаты полевых испытаний. Затем можно ожидать утверждения стандартов версии 802.16f (Full Mobile WiMAX) и 802.16m. Первый из них включает в себя алгоритмы обхода препятствий и оптимизацию сотовой топологии покрытия между базовыми станциями. Второй стандарт должен поднять скорость передачи данных со стационарным клиентским оборудованием до 1 Гбит/с и с мобильным клиентским оборудованием до 100 Мбит/с. Эти стандарты планируется утвердить в 2008 и 2009 годах, соответственно. Далее можно ожидать лицензирования оборудования с поддержкой новых стандартов, появления конкуренции на рынке производства оборудования и услуг доступа через WiMAX. И только тогда можно будет говорить о действительных преимуществах и недостатках этой технологии по сравнению с ныне существующими.
Литература:
- Результаты десятой юбилейной конференции по беспроводным технологиям - БЕСЕДА "WiMAX в России";
- Тезисы Всемирного саммита по вопросам информационного сообщества (World Summit on Information Society, WSIS);
- Отчёт о проекте Intel "WiMAX на сельских дорогах", опубликованный на сайте iXBT.com
- Документы WiMAX-форума
- "Comparative Analysis";
- "Performance and Comparative Summary";
- "Plugfest WhitePaper".
