Bezdrátové sítě FWA Služby typu Broadband Wireless Access (BWA)

Transkript

1 Václav Kubiš Bezdrátové sítě FWA Služby typu Broadband Wireless Access (BWA) Bezdrátová síť je obecně libovolná počítačová síť, kde je místo kabelů použita technologie, která kabely nevyžaduje (wire less). Evropa měla kdysi takovou zajímavou myšlenku, že stanoví jednotné panevropské technické standardy pro důležité radiové telekomunikační technologie. A mimo jiné v sobě nosila myšlenku, že je za čas přijme celý svět a potvrdí tak, že Evropa je technologicky i ekonomicky dominantní hráč. Mělo jít o tyto technologie: mobilní sítě druhé a třetí generace, bezdrátové sítě, paging a vysílačky veřejné radiové služby (PMR). Rekapitulujme: GSM - velmi úspěšná technologie UMTS - se čtyřletým zpožděním za CDMA2000 startuje a zatím není příliš přesvědčivou technologií ERMES - efektivně mrtev. Provozují ho jen ti, kterým se nevyplatí jej rušit, prakticky nulový rozvoj technologie, rozvíjejí se jen proprietární standardy Motoroly či Ericssonu a ty se také prodávají HipetLAN/MAN - nikdy to snad ani nikdo nevyráběl (vyjma testovací série). Od naprostého krachu tuto technologii zachránilo sjednocení s normami WiFi/WiMax. Tetra - Dolphin právě umírá a konec je neodvratný (pojednám příležitostně zvláště). Naděje na celoevropskou síť trunkových vysílaček je pryč, mnoho států si i pro státní sítě koupilo nějaké proprietární technologie (jako my třeba Tetrapol). I když Tetra bude opticky umírat ještě dlouho, prakticky už je mrtvá.

2 Takže jedna technologie z pěti je úspěšná a jedna to možná ještě nějak rozdýchá s pomocí té první a jedna pomocí Wi* standardů. Tolik asi k jednotným evropských technickým normám Bezdrátové sítě pro běžný trh existují v podstatě od května 93, kdy firma NCR (tehdejší součást gigantu AT&T) uvedla na trh svou WaveLAN (I) technologii. Tato technologie nabízela byla čistě proprietární (žádný standard nebyl), nabízel rychlosti max. 2 Mb/s. Už tehdy využívaly pásmo 2,4 GHz (jediné celosvětově bezlicenční), v Americe pak ještě pásmo 900 MHz. Téhož roku se také začalo pracovat na standardizaci bezdrátových sítí pod patronací organizace IEEE (AT&T a zejména její Bellovy laboratoře byli a stále jsou nejmocnější skupinou v této organizaci), první standard byl hotov ale až v červenci roku 1997 a dostal název IEEE Tento standard definoval tři různé fyzické vrstvy a společnou MAC vrstvu. První fyzická možnost bezdrátového přenosu bylo řešení pomocí DfIR (diffuse infrared) - rozprostřeného infračerveného světla (tj. nebylo třeba nastavení vysílače přesně na vysílač, signál se šířil všude okolo, dosah byl jednotky metrů, max. rychlost 2 Mb/s. Tento standard se ale vůbec neujal (výrobky by se daly AFAIK spočítat na prstech jedné ruky). Další dvě metody využívaly radiových vln rozprostřených v pásmu 2,4-2,472 GHz, jedna používala metodu rozprostření pomocí přímé sekvence (DSSS - signál je navzorkován na 20 MHz úsek, který je využíván a nemění se), druhá využívala řešení frekvenčních přeskoků (FHSS celé 70 MHz pásmo je rozděleno na 1 MHz kanály, frekvence jednotky pseudonáhodně přeskakuje po pár milisekundách po těchto kanálech). U nás byly v tu dobu nejznámější WaveLANy (tehdy už Lucent, pohrobek původního AT&T, využívaly DSSS), a začaly se tu zabydlovat i BreezeNety (využívaly FHSS). Rychlost byla stále dvoumegabitová, ale oproti původním NCR produktům přinesly ty nové lepší spolehlivost přenosu (osobně ověřeno), ale hlavně snížení ceny - konkrétně u WaveLANů klesla cena AP na 995$ a klienta na 495$, tedy na polovinu. V té době už ale bylo jasné, že rychlost 2 Mb nebude postačovat, proto už nějakou dobu se v IEEE pracovalo na vylepšení těchto standardů a to hned na dvou frontách - výzkumná skupina A se zabývala využití jiného frekvenčního pásma, výzkumná skupina B se snažila nalézt způsob jak lépe využít existujícího pásma.

3 První svou práci dokončila skupina B a dala tak vzniknout standardu b a to již roku Tento standard se už nezabýval neperspektivními technologiemi a zaměřil se pouze na DSSS. Přidal podporu dvou dalších modulačních schémat, díky kterým dokázal s využitím stejných 20 MHz dosáhnout rychlosti 11 Mb/s. Tento standard si ale vybral jednu daň - přinesl několik volitelných součástí, které mohl výrobce zvolit a tudíž zařízení podle tohoto standardu nemusela být navzájem kompatibilní. Protože by tento problém mohl zabrzdit celé odvětví, vznikla téměř okamžitě organizace WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), která stanovila podmínky a metodiku měření, po němž udělila danému produktu známku bezdrátová věrnost - Wireless Fidelity - Wi-Fi (organizace WECA se později přejmenovala na Wi-Fi Alliance). Postupem času tak většina výrobků procházela testováním a tak odhadem 95% prodaných systémů dle b splňuje podmínky Wi-Fi metodiky. Nový standard přinesl ve světě opravdový boom bezdrátových sítí a ten přinesl další snižování cen - abych zůstal u stejné firmy - WaveLAN karta (později přejmenováno na ORiNOCO a pohlceno firmou Proxim), stála v době uvedení b standardu 295$, později klesla na 95$ a v roce 2002 dokonce na 49$, tedy na dvacetinu ceny před 5 lety při 5 násobném zvýšení rychlosti. Bezdrátové karty (moduly) se také začaly masově montovat do počítačů, zejména notebooků. Další historie už není tak překotná, ačkoliv je jistě důležitá pro budoucnost. V roce 2002 skončila výzkumná skupina A hlavní činnost tím, že uvedla na trh standard a - standard pro bezdrátové sítě v pásmu 5 GHz. MAC vrstva je shodná s , tudíž implementace čipsetů je velmi levná, modulační rychlost je díky nové modulaci navýšena na 54 Mb/s. Bohužel ale Evropa (včetně ČR) produkty podle tohoto standardu nemohla (a v ČR ještě nemůže) používat, neboť jsou zde na pásmo 5 GHz kladeny požadavky, které nebyly v.11a zohledněny. I proto vznikly další dvě skupiny. G uvedla roce 2003 standard g, který nabízí stejnou modulaci (a tedy i rychlost 54 Mb/s), ovšem používá běžnější pásmo 2,4 GHz a tak jsou tyto produkty prodávané úspěšně i u nás. Výhoda těchto produktů je, že jsou kompatibilní se zařízeními dle b (na rychlostech do 11 Mb/s)

4 Skupina H po velkých průtazích konečně toto září uvede standard h, který řeší nedostatky požadované evropským telekomunikačním úřadem a po další ratifikaci se očekává povolení a uvolnění produktů dle tohoto standardu do konce tohoto roku. Tato technologie, která zaujme především dobrou finanční dostupností, má však svá omezení a přestože je mnohdy využívána jako nosný prvek v datových sítích, díky nižší odolnosti vůči rušení a relativně krátkému dosahu se stává nedostačující. I dnes existují různá řešení jak na velkou vzdálenost rychle přenést data vzduchem, nejsou ale obvykle vzájemně kompatibilní a tato nekompatibilita a uzavřenost řešení brání většímu rozšíření a poklesu cen. Loni byl schválen nový standard pro bezdrátovou komunikaci , který se zaměřuje na vysokorychlostní komunikaci pro metropolitní sítě a nahrazuje pevné připojení přes DSL nebo kabel. Podobně jako dnes masově využívaný je ale jen standardem, pro jeho prosazení na trhu je nutná vzájemná spolupráce mnoha firem. V případě to byla WiFi Alliance, která standardizovala požadavky na zařízení a jejich vzájemnou interoperabilitu. Organizace WiMAX Forum (Worldwide Interoperability for Microwave Access) by měla být právě takovou WiFi Alliance a certifikovat zařízení standardu pro vzájemnou kompatibilitu. WiMAX je tak nejen názvem organizace ale stejně jako WiFi pro rovněž označením pro celou kategorii produktů standardu WiMAX je také v prvé řadě nikoli náhradou WiFi, ale doplněním WiFi pro snadnější budování infrastruktury. WiMAX tak zezačátku bude sloužit k pevnému propojení hotspotů k internetu, kde se jednotliví uživatelé budou k hotspotu připojovat přes WiFi. Podobně bude WiMAX využíván k rychlému propojení domácností na internet. Návazné standardy sice počítají s vysokorychlostním připojením i pro mobilní uživatele, WiMAX antény a zařízení ale budou svými rozměry ze začátku určeny pro statickou montáž.

5 WiMAX je zpočátku především pro pevnou infrastrukturu, s notebookem se jen tak rychle na WiMAX nepřipojíte WiMax je technologie, která je schopna pracovat v různých frekvenčních pásmech v rozmezí 2 ~ 11 GHz, je určena především pro tvorbu metropolitních sítí, respektive distribuce signálu ke koncovým zákazníkům, kterými by měly být především domácnosti a kanceláře bez možnosti pevného kabelového připojení. Jedna z podstatných věcí je také, ze signál bude stale silný i při pohybu cca do 120 km, což znamená s již zmíněnou částečnou prostupnosti překážek využití na cestách Proti technologii WiFi dosahuje WiMax přenosových rychlostí až 70 Mb/s, ovšem mnohem zajímavější má být reálný dosah až 50 kilometrů a především pak zvýšena odolnost proti překážkám, tedy provoz bez přímé viditelnosti klientské stanice a přístupového bodu. Pro srovnání takzvaná třetí generace mobilních sítí (3G) nabízí ve srovnání s WIMAXem rychlost zhruba 2Mb/s. WiMax navíc může podporovat až několik tisíc účastníků najednou, což ji činí ekonomičtější a výkonnější. Tato technologie je navíc více flexibilní, neboť nevyžaduje, aby se základní stanice a cílový uživatel viděli. Nezanedbatelná je také mnohem větší bezpečnost provozu a plná QoS (quality of service). Bezpečnost nového systému dosahuje nejméně stejného stupně, jako standardy DOCSIS, které připravují kabeloví provideři. NLOS a OFDM - Oproti řešení komunikace na vyšších kmitočtech první normy nevyžaduje a přímou viditelnost (pracuje v režimu NLOS, Non-Line-Of- Sight), protože využívá OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a volitelně topologii sítě se smyčkami (mesh) a má také zabudovanou podporu kvality služeb (QoS, Quality of Service), která je nezbytná pro aplikace citlivé na zpoždění a/nebo ztráty paketů, jako jsou hlasové nebo obrazové interaktivní služby.

6 OFDM se používá již delší dobu, např. od roku 1992 pro digitální vysílání, od roku 1995 pro DSL a v posledních letech také ve WLAN. Přichází ke slovu všude tam, kde je potřeba docílit vysoké propustnosti a přitom podmínky na kanálu mohou být ztíženy. OFDM rozděluje signál pro vysílání do více signálů, např. v nejoblíbenější variantě pro WMAN, 256 OFDM, se místo jediného signálu přenášejícího 70 Mbit/s dat používá 256 samostatných signálů, z nichž každý přenáší kolem 280 kbit/s. Tím se přenos chrání proti rušení způsobenému různými cestami signálu a vůbec útlumu signálu právě ve venkovním prostředí. Fyzická vrstva a Norma nabízí tři řešení fyzické vrstvy (včetně OFDM), časový duplex TDD (Time-Division Duplexing) a kmitočtový duplex FDD (Frequency-Division Duplex). Rádiové kanály mají šířku pásma od 1,5 do 20 MHz. Použité kmitočty ve srovnání s vyššími umožňují levnější pokrytí pro více uživatelů s přenosovými rychlostmi až 63 Mbit/s, ale tuto kapacitu sdílejí všichni uživatelé připojení k téže základnové stanici a používá pevnou venkovní základnovou stanici, která komunikuje s transceivery až na vzdálenost 20 kilometrů. Metropolitní sítě podle se musí, podobně jako všechny rádiové sítě, vyrovnávat s měnícími se podmínkami prostředí, protože zejména déšť může mít negativní vliv na kvalitu příjmu signálu. Specifikace proto zahrnuje řízení rádiového spoje (radio link control) pro nastavení počátečních parametrů rádiového spojení a pro jejich změnu při změně podmínek. Zařízení podle monitoruje kvalitu spoje po jeho inicializaci a příslušně přizpůsobuje přenosové parametry. Pozitivní prvky a a jako moderní norma pro širokopásmové metropolitní bezdrátové sítě má své kvality zejména v oblasti pokrytí, schopnosti růstu při zvyšujícím se počtu uživatelů a také v oblasti podpory QoS a MAC používá protokol typu požadavek-přidělení šířky pásma, takže umí podporovat různé úrovně služeb. Protokol používá TDM (Time Division Multiplex) pro dopředný směr (od základny k uživateli, downstream) a TDMA (Time-Division Multiple Access) pro zpětný směr (od uživatele k základně, upstream), s centralizovaným plánovačem, který se stará o efektivní a přednostní přidělení šířky pásma. Proto je vhodný pro provoz citlivý na zpoždění, jako je hlas nebo video v reálném čase. Na rozdíl od technik náhodného přístupu s možnými kolizemi, CSMA/CA, používaných v jiných bezdrátových sítích (802.11), zajišťuje a MAC přístup k rádiovému kanálu bez jakýchkoli potenciálních kolizí a navíc garantuje určité

7 maximální zpoždění. TDM/TDMA také zajišťuje jednodušší podporu pro skupinové vysílání. MAC také podporuje mechanizmy pro úsporné napájení pro přenosné terminály a podporuje čtyři úrovně QoS: pro hlasové přenosy (VoIP), přenos v reálném čase na základě výzvy (MPEG video), přenos na základě výzvy nikoli v reálné čase (FTP) a základní službu bez jakéhokoli upřednostňování dat (best effort) a podporuje pružné přidělování šířky pásma rádiových kanálů a opětovné využívání kanálů (spektra) pro zvýšení kapacity buňky při růstu sítě. Specifikuje také řízení vysílacího výkonu (TPC, Transmit Power Control) a měření kvality kanálu jako doplňkové prostředky pro plánování buněk a efektivního využívání spektra. Dynamický výběr kmitočtu (DFS, Dynamic Frequecy Selection) je povinný pro práci v bezlicenčních pásmech. Norma podporuje stovky až tisíce uživatelů v rámci jednoho kanálu. Provozovatelé mohou spektrum realokovat prostřednictvím dělení buněk do sektorů podle rostoucího počtu uživatelů a je navržen pro optimální výkonnost ve všech typech prostředí šíření rádiového signálu: v přímé viditelnosti (LOS), téměř přímé viditelnosti (near-los) a NLOS. Vypořádá se spolehlivě i se situacemi, kde vznikají odrazy signálu. Modulace OFDM zajišťuje vysoké spektrální využití (v bitech za sekundu na Hertz) v dosahu do 40 kilometrů s kapacitou 70 Mbit/s na jednom rádiovém kanálu a nabízí kromě vyspělé modulace také použití moderní topologie propojených sítí (mesh, viz obrázek 2). Kromě toho specifikuje také vyspělou technologii antén (např. antény s formováním paprsku, beam-forming) pro využití v BWA pro zvýšení pokrytí. Tyto moderní techniky umožňují zvýšit kapacitu, opětovné využívání spektra a průměrnou i vrcholnou propustnost na rádiový kanál. WiMAX Forum se zabývá přípravou profilů (souboru funkčních prvků) pro vzájemnou spolupráci systémů WiMAX. Profily se mohou týkat např. regulačních omezení spektra v různých regionech světa. V Evropě poskytovatel služby pracující v pásmu 3,5 GHz, s alokovaným pásmem 14 MHz, může chtít, aby jeho zařízení podporovalo šířku pásma kanálů 3,5 anebo 7 MHz. A v závislosti na požadavcích regulátora TDD nebo FDD.

8 V současnosti je zde i systém s označením FLASH-OFDM (Fast Low-latency Access with Seamless Handoff - Orthogonal Frequency Division Multiplexing), jenž je založen na vznikajícím standardu IEEE Mobile Broadband Wireless Access (MBWA). Tento návrh standardu je na rozdíl od klasického WiMAX určen pro rychlý IP přenos dat mobilním uživatelům s nízkým zpožděním (pod 50 ms, tedy výrazně méně než u 3G) a garancí QoS pro licencovaná pásma pod 3.5 GHz. Z hlediska přenosových rychlostí umožňuje downstream průměrnou rychlostí 1.5 Mbps (max 3.2 Mbps) a upstream Kbps (max 900 Kbps). V tuto chvíli sice vůbec není jisté, zda bude standard vůbec někdy dokončen a v jaké přesné podobě. Avšak společnosti jako T-Mobile, Siemens, Flarion nebo NexTel mají k dispozici vlastní "deriváty", neboť neexistence oficiálního standardu samozřejmě v principu nijak nebrání komerčnímu využití. Systém FLASH-OFDM se již nachází v řadě zemí ve fázi testovíní(nizozemí,usa, ). Normy pro bezdrátové metropolitní sítě IEEE (2001) Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Standard Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems

9 IEEE (2001) Recommended Practice for Local and Metropolitan Area Networks - Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access System Pozn.: Připravuje se revize normy IEEE a, která bude zahrnovat koexistenci systémů jak v pásmu GHz, tak v pásmu 2-11 GHz. IEEE a (2003) Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems - Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11GHz IEEE c (2003) Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wirelesss Access Systems - Detailed System Profiles for GHz IEEE d (2004) Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wirelesss Access Systems - Detailed System Profiles for 2-66 GHz IEEE e (2005) Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wirelesss Access Systems. IEEE (MBWA, Mobile Broadband Wireless Access) Standard Air Interface for Mobile Broadband Wireless Access Systems Supporting Vehicular Mobility System kombinující výhody Wi-Fi(WiMax) a CDMA EV-DO V1 Revize A. Základem je ale technologie Wi-Fi. Zaměřeno na pásma do 3,5 GHz a přímá konkurence pro S3G. IEEE je právě vytvářený standard pro handover mezi WLAN, WiMax a 3GSM. Stojí za ním Airwave, Intel, Microsoft a InterDigital.

10 Dle mnoha hledisek má WiMax velkou šanci stát se novou naději pro lokality bez dostupnosti DSL a jiných broadband technologií. Kabeloví provideři zatím nebubnují na poplach, nový systém se jim může hodit k dosažení nových zákazníků tam, kde natažení kabelu není ekonomicky výhodné. Stejné firmy mluví také o potenciální možnosti využití nové technologie k bezdrátovému přenosu dat a videosignálu na přenosná zařízení, ať už se bude jednat o multimediální přehrávače nebo přenosné digitální videorekordéry. Za zmínku stojí i další možnosti praktického využití WiMAX a jeho pozici vůči ostatním technologiím. Systémy WiMAX jsou podle nich vhodné pro nasazení téměř kdekoli, bez ohledu na telekomunikační vyspělost regionu či zda se například jedná o metropolitní nebo řídce osídlené oblasti. Toto řešení nabízí širokopásmový přístup všude tam, kde DSL systémy nejsou k dispozici ať už z technických nebo ekonomických důvodů, a představuje vhodnou alternativu pro operátory nabízející hlasové a širokopásmové služby. Technologie také dovolí operátorům sítí GSM/EDGE, Wi-Fi případně 3G (UMTS) nabízet jejich zákazníkům zajímavé doplňkové služby. Konečná podoba situace však bude samozřejmě záležet na postoji příslušných regulačních orgánů. A na závěr ještě připojuji stručný srovnávací přehled nejdůležitějších bezdrátových technologií.

11