Geneza systemu WiMAX. Geneza systemu WiMAX. Geneza systemu WiMAX. Geneza systemu WiMAX. Geneza systemu WiMAX. Sieci Bezprzewodowe

Transkrypt

1 dr inż. Krzysztof Hodyr Sieci Bezprzewodowe Wykład 8 Geneza systemu WiMAX System WiMAX Geneza systemu WiMAX Geneza systemu WiMAX Samsung zademonstrował w 2005 r. sieć BWA (Broadband Wireless Access) pod nazwą WiBro. Jest to komercyjna nazwa koreańskiego standardu szerokopasmowego dostępu do sieci, zrealizowanego w technologii WiMAX. Standard pozwala na transmisję przy prędkości do 120 km/h przy użyciu terminali Samsung M8000 jednego z pierwszych w świecie telefonów WiMAX. Sieć WiBro została uruchomiona w Korei w pierwszej połowie 2006 roku. M8000 pierwszy telefon WiMAX firmy Samsung Geneza systemu WiMAX Problemy w korzystaniu z sieci WiFi : - zasięg ograniczony praktycznie do kilkuset metrów - dostęp do sieci Internet maksymalna przepływność systemów dostępowych ADSL ograniczona do 6 Mb/s konieczność dysponowania odpowiednią infrastrukturą kablową do podłączenia modemu wysokie koszty po stronie operatora i abonenta Geneza systemu WiMAX IEEE (Institute ot Electrical and Electronics Engineers) podejmuje prace nad nowym standardem bezprzewodowej, szerokopasmowej sieci MAN (Metropolitan Access Network) IEEE WirelessMAN, określanej też często terminem WiMAX (Worldwide Interoperability tor Microwave Access), który stał się synonimem standardu IEEE W lipcu 1999 roku powstała grupa robocza IEEE Working Group on Broadband Wireless Access, której zadaniem było stworzenie standardu. W 2003 roku powstało WiMAX Forum, skupiające ponad 200 firm takich jak: Alcatel, AT&T, Intel, Nortel, Motorola, SBC, Siemens i in. Pierwszym chipsetem WiMAX opracowanym przez Forum był Rosedale. 1

2 Geneza systemu WiMAX Tworzenie standardu IEEE podzielono na etapy. Opracowaniem poszczególnych dokumentów zajmują się w ramach głównej grupy roboczej - grupy zadaniowe - TG (Task Groups). Wersje systemu WiMAX : ogłoszona 1 pażdziernika 2004, obowiązuje obecnie. Zawiera i unieważnia standardy , c-2002 oraz a Wprowadzono specyfikację interfejsu radiowego dla systemów pracujących w zakresie częstotliwości 2-11 GHz, nie wymagającego wzajemnej widoczności nadajnika i odbiornika (NLOS - Non Line ot Sight) Zdefiniowano dwa profile łącza danych: profm1 (ATM MAC profile) do transmisji komórek z sieci ATM profm2 (Packet MAC profile) do transmisji pakietów IPv4 Zaproponowano dwa podstawowe profile warstwy fizycznej: profp1 kanały radiowe o szerokości 25 MHz profp2 kanały radiowe o szerokości 28 MHz oraz osobne wersje tych profili dla systemów dupleksowych: profp1t oraz profp2t dupleks TDD profp1f oraz profp2f dupleks FDD Zdefiniowano trzy typy warstwy fizycznej: - SC (Single Carrier), - OFDM z 256-punktową szybką transformatą Fouriera (FFT Fast Fourier Transform), - OFDMA z 2048-punktową FFT. Wprowadzono też wiele zmian i rozszerzeń do warstwy MAC: dodano mechanlzm automatycznych, selektywnych retransmisji (ARQ - Automated Repeat request), wsparcie QoS dla pojedynczych połączeń oraz poprawiono mechanizmy automatycznej kontroli mocy nadajników. 2

3 802.16e: ogłoszone w grudniu 2005 roku i obowiązujące obecnie rozszerzenie standardu o elementy i techniki umożliwiajace używanie ruchomych terminali. Zmiany obejmą m.in.: - wprowadzenie mechanizmu przekazywania połączeń między punktami dostępowymi (BS - Base Station), - szybką kontrolę mocy, - zastosowanie transmisji z wykorzystaniem zespołów wielu anten AAS Adaptive Antenna System oraz MIMO Multiple Input Multiple Output, - wprowadzenie hybrydowego mechanizmu retransmisji H-ARQ Hybrid ARQ. Technika MIMO polega na zwiększeniu przepustowości przez wysyłanie w jednym kanale, równocześnie wielu sygnałów radiowych, przy wykorzystaniu kilku anten nadawczych. W efekcie powstaje kilka wiązek sygnału, po części wzajemnie się zakłócających. Zastosowanie matematycznych algorytmów i kilku anten odbiorczych pozwala na odtworzenie w odbiorniku nadawanego sygnału. Access Point PLANEX CQW-AP108AG pracujący w technologii MIMO (targi CeBIT 2006) Dla przyspieszenia wdrażania standardu oraz umożliwienia producentom wpływu na jego kształt, w 2003 roku powstało WiMAX Forum, skupiające ponad 200 firm takich jak: Alcatel, AT&T, Ericsson, Intel, Lucent, Motorola, Nortel, Sagem, SBC, Siemens i in. Najnowszą inicjatywą organizacji jest stworzenie pod koniec roku 2004 programu WiMAX Forum Certified TM, w celu zapewnienia producentom sprzętu możliwości przetestowania i certyfikacji urządzeń oraz sprawdzenia ich współdziałania z wszelkimi dostępnymi w programie urządzeniami Do przeprowadzania testów i procesu certyfikacji oficjalnie wybrano hiszpańską firmę CETECOM, dysponującą doskonale wyposażonymi laboratoriami oraz mającą w tym zakresie dużą praktykę. 19 stycznia 2006 r. WiMAX Forum certyfikowało urządzenia czterech firm: Aperto Networks, Redline Communications, SEQUANS Communications, oraz WaveSat. W pierwszej połowie b.r. zapowiadana jest certyfikacja kolejnych 30 urządzeń. Certyfikowane urządzenia pracują w standardzie IEEE w paśmie licencjonowanym - 3,5 GHz. Do końca 2006 roku planowano certyfikowanie pierwszych urządzeń na nielicencjonowane pasmo 5,8 GHz. Należy zwrócić uwagę, że na razie certyfikacja objęła urządzenia dla dostępu stacjonarnego. Poważnym zagrożeniem dla efektywności działań standaryzacyjnych, jest rozwój rozwiązań azjatyckich. Koreański system WiBro (kompatybilny z WiMAX) uruchomiony byl przez Telecom Italia do obsługi Zimowych Igrzysk 2006 w Turynie. 3

4 Zastosowania systemu IEEE Przy zakładanych dla standardu stacjonarnego oraz mobilnego przepływnościach i zasięgach lokuje się w kategorii bezprzewodowych sieci metropolitalnych (Wireless MAN). Elastyczność standardu umożliwia jednak użycie go zarówno do tworzenia bezprzewodowych sieci lokalnych (Wireless LAN), jak i sieci komórkowych o dużym zasięgu i przepływności (Wireless WAN). 1. Szybkie bezprzewodowe łącze między węzłami sieci 2. Bezprzewodowe łącze do punktów dostępowych innych sieci 3. Bezprzewodowe łącze "ostatniej mili" 4. Publiczny dostęp do Internetu (tzw. hot zones) 5. Pokrycie zasięgiem sieci dużych obszarów Opracowywanie standardu : najpierw kompletna wersja dla bezprzewodowych sieci stacjonarnych ( ), a następnie standard e, rozszerzający ją o elementy wymagane do wprowadzenia mobilności. Obsługa pełnej mobilności użytkownika z możliwością przekazywania połączeń między stacjami bazowymi w ramach jednej sieci dostępu radiowego (RAN - Radio Access Network) oraz między sieciami. Nomadyczność możliwość prostego przeniesienia terminala z obszaru kontrolowanego przez jedną stację bazową do obszaru kontrolowanego przez inną, bez automatycznego przekazania połączeń. Terminal zostaje podłączony do nowej stacji bazowej, następuje wzajemne uwierzytelnienie, po czym użytkownik musi ponownie nawiązać połączenia, ponieważ poprzednie zostają zerwane. W stosunku do stacjonarnej wersji standardu wprowadzenie nomadyczności wymaga dodania mechanizmu wiarygodnego wzajemnego uwierzytelnienia. Wymagany jest też scentralizowany mechanizm uwierzytelniania abonentów, którzy mogą podłączać się do różnych stacji bazowych. 4

5 Przenośność zautomatyzowane przekazywanie połączeń. Użytkownik nie musi ponownie nawiązywać połączeń, które zostaną automatycznie przekazane między stacjami bazowymi (w ramach jednej sieci dostępu radiowego), do których użytkownik będzie się podłączał. Przekazanie połączenia nie musi zapewniać gwarancji jakości danego połączenia, pakiety mogą więc zostać w jego trakcie znacznie opóźnione lub nawet zgubione. Uźytkownik moźe się poruszać w ramach sieci z szybkością pieszego (ok. 5 km/h). Mobilność zautomatyzowane przekazywanie połączeń takie, jak w obecnych sieciach 3G czyli w ramach jednej sieci dostępu radiowego i pomiędzy sieciami, z zachowaniem gwarancji jakości zarówno w trakcie, jak i po przekazaniu połączenia. Użytkownik ma mieć możliwość poruszania się w ramach sieci z prędkością określaną jako odpowiadająca jadącemu samochodowi (ok. 90 km/h). Zalety systemu WiMAX Zalety systemu WiMAX Sieci Wireless MAN pod każdym względem przewyższają wcześniej używane technologie. Są znacznie tańsze niż sieci GSM i wielokrotnie bardziej wydajne niż UMTS. Przy niskich nakładach gmina może oszczędzać i czerpać korzyści finansowe z usług telekomunikacyjnych. Unia Europejska finansuje do 75 % inwestycji. Pełen program usług może być wdrażany stopniowo. Mieszkańcy, instytucje i firmy zyskują nowe perspektywy rozwoju. Zalety systemu 21 września 2005 r. rozpoczęto 317 powiatowych postępowań przetargowych na rezerwacje częstotliwości dla kanałów z zakresu 3,6 3,8 GHz, z przeznaczeniem na sieci BWA typu punkt wiele punktów. Przedmiotem każdego postępowania przetargowego jest wyłonienie podmiotu, który będzie uprawniony do uzyskania jednej rezerwacji częstotliwości. Każda rezerwacja będzie uprawniała do wykorzystywania zarezerwowanych częstotliwości do 31 grudnia 2020 r. Oferty można było składać do 7 listopada 2005 r. 5

6 Topologie sieci WiMAX Topologie sieci IEEE : - PMP (Point-to-MultiPoint) - kraty (Mesh) Topologia PMP - rozmieszczenie na danym terenie jednej stacji bazowej (Base Station - BS) połączonej z siecią szkieletową (Core Network - CN) oraz jednej lub wielu stacji użytkowników (Subscriber Station - SS), które łączą się ze stacją bazową przez interfejs radiowy. Jako identyfikator stacji użytkownika jest wykorzystywany standardowy 48- bitowy adres MAC. Stacja użytkownika stanowi bądż to bezpośredni punkt dostępu do sieci dla użytkownika, bądż jest interfejsem wyjściowym dla lokalnej sieci komputerowej, opartej na dowolnym standardzie sieci LAN. Topologie sieci WiMAX Topologia PMP Topologie sieci WiMAX Architektura systemu WiMAX Topologia kraty - w topologii PMP jest możliwa komunikacja jedynie pomiędzy stacją bazową a stacją użytkownika, zaś topologia kraty umożliwia wymianę informacji bezpośrednio pomiędzy stacjami użytkowników. Może się to odbywać na zasadzie rozproszonego dostępu lub też spośród stacji użytkowników pracujących w siatce może zostać wybrana jedna, spełniająca nadrzędną rolę. Stacja taka jest nazywana stacją bazową kraty (Mesh Base Station). Najczęściej ma ona dostęp do zewnętrznych usług, z których korzystają pozostałe stacje. Sieci w topologii kraty są na razie poza zainteresowaniem producentów i operatorów. Standard dotyczy dwóch najniższych warstw modelu ISO-OSI. Opisuje on kilka możliwych rodzajów warstw fizycznych oraz bogatą w opcjonalne funkcjonalności warstwę dostępu do medium MAC. 6

7 Pięć rodzajów warstwy fizycznej, różniących się między sobą sposobem dostępu do łącza fizycznego, zastosowaną modulacją i kodowaniem, metodą synchronizacji odbiornika z nadajnikiem, sposobem korekcji błędów, zasięgiem oraz możliwością rozmieszczenia stacji użytkowników w dowolnym punkcie bez konieczności zapewnienia bezpośredniej widoczności ze stacją bazową (NLOS Non Line of Sight) lub z koniecznością umieszczenia stacji w obszarze bezpośredniej widoczności (LOS - Line of Sight). dostęp do łącza w kierunku "w górę" jest realizowany z wykorzystaniem technik DAMA i TDMA (Demand Assignment Mutiple Access, Time Division Multiple Access) TDMA podział dostępnego czasu transmisji w ramce na tzw. szczeliny (sloty) czasowe. DAMA dynamiczny przydział (w zależności od potrzeb) slotów czasowych poszczególnym użytkownikom. Układy nadawcze korzystające z OFDM przeprowadzają 256- punktową transformatę Fouriera, czyli operują na 256 podnośnych. 192 z nich można wykorzystać do transmisji danych, reszta jest przeznaczona na kanały "zero" (56 podnośnych) oraz pilotowe (8 podnośnych). Kanały "zero" służą do wyznaczenia granic pasma oraz głównej częstotliwości nośnej i nie następuje w nich żadna transmisja. Zabezpieczają również przed interferencją z urządzeniami operującymi na sąsiednich częstotliwościach. Kanały pilotowe są stosowane w celach estymacyjnych i synchronizacyjnych. Rysunek poniżej przedstawia operacje wykonywane przez nadajnik na danych użytkownika przed ich wysłaniem. Odbiornik wykonuje operacje odwrotne, analogicznie do operacji nadajnika. 7

8 Po operacjach randomizacji, kodowania oraz przeplotu dane użytkowników są mapowane na punkty w konstelacji aktualnie używanej modulacji. przewiduje użycie 4 wariantów modulacji: - BPSK (Binary Phase Key Shifting), - Gray-mapped QPSK (Quadrature Phase Key Shifting), - 16-QAM oraz 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Oczywiście im więcej punktów w konstelacji, tym odbiornik będzie miał większe problemy z ich odtworzeniem przy niekorzystnych warunkach transmisji. Zestaw składający się z typu modulacji oraz typu kodowania stanowi tzw. profil modulacji i kodowania. Profil taki jest oznaczony identyfikatorem, którym wspólnie posługują się nadajnik i odbiornik, przetwarzając dane konkretnego użytkownika w danym momencie. Standard przewiduje różne zestawy profili dla różnych typów warstwy fizycznej. Inne typy warstwy fizycznej WirelessMAN-SC wykorzystuje do transmisji pojedynczą nośną w jedną stronę. A opcja, technika dostępu do kanału fizycznego OFDMA, która korzystając z modulacji OFDM zapewnia wydzielenie poszczególnych podnośnych danych dla różnych odbiorników. Przewiduje wykorzystanie aż 2048 punktowej transformaty Fouriera. W razie potrzeby umożliwia redukcję liczby punktów transformaty z 2048 do 128, co jest niezbędne dla systemów działających w wąskich pasmach częstotliwości (1,25-20 MHz). Standard e w całości jest oparty na warstwie fizycznej typu A. Inne typy warstwy fizycznej i A, są przeznaczone do współpracy strony nadającej i odbierającej w warunkach bez bezpośredniej widoczności (NLOS). Będą odgrywały istotną rolę przy projektowaniu i budowie systemów telefonii komórkowej czwartej generacji. WirelessHUMAN wariant przewidziany do użycia w paśmie nielicencjonowanym 5-6 GHz, wspólnym dla standardów europejskich oraz amerykańskich. W tym przypadku musi zostać zaimplementowany dynamiczny wybór częstotliwości (Dynamic Frequency Selection - DFS), umożliwiający wykrywanie pasma już zajętego przez inne działające systemy. Warstwa łącza danych WiMAX 8

9 Warstwa łącza danych WiMAX Warstwa MAC składa się z trzech podwarstw : Perspektywy rozwoju systemu WiMAX Prace nad standardem podzielono w ten sposób, by najpierw opublikować wersję standardu dla bezprzewodowych sieci stacjonarnych ( ), a następnie rozszerzyć ją o elementy mobilności (standard e): - mechanizmy związane z przekazywaniem połączeń na poziomie fizycznym i protokolarnym, - bezpieczeństwo - identyfikacja, uwierzytelnienie, szyfrowanie danych, - możliwość hybrydowej retransmisji (H-ARQ), - używanie zespołów zaawansowanych anten (AAS i MIMO). Komercyjnie dostępne produkty wykorzystujące WiMAX (standard ) mają pracować początkowo z użyciem OFDM, głównie w pasmach 2,5 GHz (2,5-2,69 GHz), 3,5 GHz (3,3-3,8 GHz) oraz 5 GHz (5,25-5,85 GHz), w zależności od kraju. Dla pasma 3,5GHz w Polsce wymagana jest licencja, dla 5GHz zakłada się brak wymagań licencyjnych. Czy standard przede wszystkim w wersji mobilnej e - wyprze z czasem inne sieci bezprzewodowe, w szczególności oraz UMTS? - wyższa cena urządzeń WiMAX w porównaniu z WiFi - uzupełnienie standardu i UMTS - następca UMTS HSDPA Rozwój nowych technologii IEEE oraz HSDPA / HSUPA 9

10 HSDPA modyfikacja UMTS, określana jako GSM 3,5 G, oferuje przepływność teoretyczną 14,4 Mb/s, a praktyczną około 3 Mb/s, wystarczającą do mobilnych transmisji wizji. Komercyjne uruchomienie usług wykorzystujących HSDPA nastąpiło w 2005 roku w USA (Cingular), Japonii (DoCoMo), Niemczech (T-Mobile), Austrii, Kanadzie i Wielkiej Brytanii. WiMAX i HSDPA są w stanie zapewnić bezprzewodowe transmisje multimedialne, przy czym można się spodziewać, że HSDPA będzie silnie wspierana przez dużych operatorów telekomunikacyjnych. Tymczasem WiMAX, technologia dla operatorów alternatywnych, może nie mieć tak dużego wsparcia. Opóźnienia w przyjęciu standardu mobilnego WiMAX (koniec 2005) mogą dać czas na spokojny rozwój HSDPA w sieciach UMTS (w Polsce od 2006r.) 10

11 IEEE standard dla mobilnych bezprzewodowych sieci metropolitalnych, umożliwiający użytkownikom poruszającym się z prędkościami do 250 km/h transmisję pakietową w paśmie poniżej 3,5 GHz, z przepływnością osiągającą nieco ponad 1 Mbit/s przy promieniu komórki (pokrywanej przez jeden punkt dostępowy) do 15 km. Prace nad standardem rozpoczęto w 2002 roku. IEEE standard dla stacjonarnych bezprzewodowych sieci metropolitalnych, umożliwiający głównie transmisję rozgłoszeniową (typu punkt-wielopunkt) w niskich pasmach VHF/UHF MHz zarezerwowanych obecnie dla telewizji analogowej. Prace nad standardem rozpoczęto w 2004 roku. 11