Однако WiMAX больше походит на 3G (и, таким образом, отличается от 802.11) в нескольких ключевых отношениях. Ключевая техническая проблема состоит в том, чтобы достигнуть большой емкости эффективным использованием спектра, так чтобы большое количество абонентов в зоне охвата могли получить высокую пропускную способность. Типичные расстояния, по крайней мере, в 10 раз больше чем для сетей
802.11. Следовательно, базовые станции WiMAX — более мощные, чем точки доступа
802.11. Чтобы обработать более слабые сигналы на больших расстояниях, базовая станция использует большую мощность и лучшие антенны, а также выполняет больше работы по обработке ошибок. Чтобы максимизировать пропускную способность, передачи для каждого абонента тщательно распланированы базовой станцией; использование спектра не позволяет использовать CSMA/CA, который с коллизиями может впустую потратить пропускную способность.
Имеющий лицензию спектр — ожидаемый случай для WiMAX, в США это, как правило, приблизительно 2,5 ГГц. Система в целом существенно более оптимизирована, чем 802.11. Сложность стоит того, учитывая крупную сумму денег, потраченную на лицензированный спектр. В отличие стандарта 802.11 результатом является управляемый и надежный сервис с хорошей поддержкой качества обслуживания.
Со всеми этими особенностями 802.16 наиболее близко к сотовым сетям 4-го поколения (4G), которые теперь стандартизируются под именем LTE (Long Term Evolution). В то время как сотовые сети 3G основаны на CDMA и поддерживают речь и данные, сети 4G будут основаны на OFDM с MIMO и ориентированы на передачу данных, а передача голоса будет только одним из приложений. Выглядит так, как будто WiMAX и 4G находятся на встречных курсах с точки зрения технологии и приложений. Возможно, эта конвергенция неудивительна, учитывая, что Интернет — революционная технология, а OFDM и MIMO — самые известные технологии для того, чтобы эффективно использовать спектр.
4.5.2. Стандарт 802.16: архитектура и стек протоколов
Архитектура стандарта 802.16 показана на рис. 4.27. Базовые станции соединяются непосредственно с базовой сетью провайдера, которая, в свою очередь, соединена с Интернетом. Базовые станции общаются со станциями по беспроводному радиоинтерфейсу. Существует два вида станций. Абонентские станции (subscriber stations) остаются в неподвижном местоположении, например, в случае широкополосного доступа к Интернету для домов. Мобильные станции могут обслуживаться в то время, как они перемещаются, например автомобиль, оборудованный WiMAX.
Рис. 4.27. Архитектура стандарта 802.16
Стек протокола стандарта 802.16, который используется в радиоинтерфейсе, показан на рис. 4.28. Общая структура подобна другим стандартам серии 802, однако здесь больше подуровней. Нижний уровень имеет дело с передачей, и здесь мы показали только популярные предложения 802.16, неподвижный и мобильный WiMAX. Для каждого предложения имеется свой физический уровень. Оба уровня работают в лицензированном спектре ниже 11 ГГц и используют OFDM, но по-разному.
Рис. 4.28. Стек протоколов 802.16
Находящийся над физическим уровнем канальный уровень состоит из трех подуровней. Нижний из них относится к защите информации (security sublayer), что очень критично для публичных уличных сетей, в отличие от частных сетей в помещениях. На этом подуровне производится шифрование, дешифрование данных, а также управления ключами доступа.
Затем следует общая часть подуровня MAC. Именно на этом уровне иерархии располагаются основные протоколы — в частности, протоколы управления каналом. Идея состоит в том, что базовая станция полностью контролируют всю систему. Она очень эффективно распределяет очередность передачи нисходящего трафика абонентам и играет главную роль в управлении восходящим трафиком (от абонента к базовой станции). От всех остальных стандартов 802.х MAC-подуровень стандарта 802.16 отличается тем, что он полностью ориентирован на установку соединения. Таким образом, можно гарантировать определенное качество обслуживания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа.
Подуровень сведения отдельных сервисов (service specific convergence sublayer) играет роль подуровня управления логическим соединением в других протоколах 802.х. Его функция заключается в организации интерфейса для сетевого уровня. Чтобы легко объединяться с различными верхними уровнями, определены различные уровни конвергенции. Важный выбор — IP, хотя стандарт определяет отображения также и для таких протоколов, как Ethernet и ATM. Так как IP — протокол без установления соединения, а 802.16 подуровня MAC — модель на основе соединения, этот уровень должен осуществить отображение между адресами и соединениями.
4.5.3. Стандарт 802.16: физический уровень
Большая часть реализаций WiMAX использует лицензируемый спектр около 3,5 ГГц или 2,5 ГГц. Ключевая проблема, как и для 3G, — найти доступный спектр. Поэтому стандарт 802.16 разработан с гибкостью. Он допускает работу в диапазонах от 2 до 11 ГГц. Поддержаны и каналы различных размеров, например 3,5 МГц для неподвижного WiMAX и от 1,25 до 20 МГц для мобильного WiMAX.
Передачи посылаются по этим каналам с применением метода OFDM, который был описан в разделе 2.5.3. По сравнению с 802.11, схема OFDM в 802.16 оптимизирована, чтобы максимально использовать лицензированный спектр и широкую область передачи. Канал разделен на большее количество поднесущих с более длительной продолжительностью символа, чтобы выдержать большие беспроводные деградации сигнала; параметры WiMAX приблизительно в 20 раз больше, чем сопоставимые параметры в 802.11. Например, в мобильном WiMAX есть 512 поднесущих для канала на 5 МГц, и время, чтобы послать символ на каждой поднесущей составляет примерно 100 мкс.
Символы на каждой поднесущей посылаются с модуляцией по схеме QPSK, QAM-16 или QAM-64, которые были описаны в разделе 2.5.3. Если мобильный телефон или абонент расположен недалеко от БС и получаемый сигнал имеет высокий уровень соотношения сигнал/шум, то может применяться QAM-64 с шестью битами на символ. Для достижения удаленных станций с низким уровнем сигнал/шум может быть использована схема QPSK с двумя битами на символ.
Сначала данные кодируются для устранения ошибок с использованием сверточного кодирования (или еще лучшей схемы), как было описано в разделе 3.2.1. Такое кодирование распространено на шумных каналах, чтобы допускать отдельные битовые ошибки, без необходимости выполнять повторные передачи. Фактически, методы модуляции и кодирования должны казаться знакомыми к настоящему времени, так как они используются, как мы изучили, для многих сетей, включая 802.11, кабель и DSL. Конечный результат состоит в том, что базовая станция может передавать информацию со скоростью до 12,6 Мбит/с для нисходящего трафика и до 6,2 Мбит/с для восходящего трафика на канал в 5 МГц и пару антенн.
Разработчикам сетей 802.16 не нравились схемы работы стандартов GSM и DAMPS: и там, и там для нисходящего и восходящего трафика используются эквивалентные по ширине полосы частот. Таким образом, они неявно предполагают, что нисходящего трафика столько же, сколько восходящего. Голосовая связь действительно в основном симметрична, но для доступа в Интернет (и, разумеется, веб-серфинга) обычно нисходящий трафик превосходит восходящий. Соотношение составляет 2:1, 3:1 или еще больше.
Поэтому разработчики выбрали гибкую схему деления канала между станциями, называемую OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access — множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов). С OFDMA
различные наборы поднесущих могут быть назначены на различные станции, так чтобы больше чем одна станция могла послать или получать одновременно. Если бы это был стандарт 802.11, то все поднесущие в любой данный момент использовались бы одной станцией. Дополнительная гибкость такого метода назначения полосы пропускания может увеличить производительность, потому что данная поднесущая могла быть утрачена в одном приемнике из-за многолучевых эффектов, но быть чистой в другом. Поднесущие могут быть назначены станциям, которые могут использовать их лучше всего.
