IEEE WiMAX. WiMAX

Transkript

1 IEEE WiMAX WiMAX 1

2 Předmět: Téma hodiny: Počítačové sítě a systémy IEEE WiMAX Třída: 3. a 4. ročník SŠ technické Autor: Ing. Fales Alexandr Software: SMART Notebook Obr. 1 Síťové prvky Ing. Fales Alexandr 2

3 Úvod: Norma IEEE specifikuje bezdrátové metropolitní sítě, resp. jde o sítě s větším dosahem s označením WMAN (Wireless MAN). Sítě jsou určeny pro rychlý přístup k Internetu. Topologie WMAN je PMP (point to multipoint), přičemž centrem je základnová stanice komunikující současně s velkým množstvím připojených uživatelů. První norma schválena roku 2001 s řadou rádiových rozhraní při stejném protokolu MAC, a však různým řešením fyzické vrstvy, s kmitočty od 10 do 66 GHz s LOS (Line of Sight) požadavkem přímé viditelnosti mezi vysílačem a přijímačem, s kapacitou až 268 (134) Mbitps a užitím samoopravného protokolu pro přístup k rádiovému kanálu. 3

4 Specifikace: Hlavním problém představoval LOS, který sebou přináší zvýšené náklady na hardware ve smyslu vnějších antén, dále vznik odrazů, časově rozptýlený příjem signálu a mnoha směrovou trasu signálu. První normu díky uvedeným skutečnostem nahradila v roce 2003 norma IEEE a s označením WiMAX (Worldwide Interopembility for Microwaue Access) s NLOS (Non LOS) bez požadavku přímé viditelnosti, s kmitočty 2 11 GHz a kapacitou 75 Mbps na 20 MHz a roku 2004 byla norma d představena s drobnými úpravami při max. dosahu na venkově až 50 km a ve městech až 5 km, směrové vysílání s vyšším výkonem (základnová stanice má 3 sektorové antény). 4

5 Specifikace: Základnové stanice jsou zpravidla umístěny na střechách budov či sloupech a komunikují se s vnějšími přijímači na střechách (zdech) budov a následně s vnitřními anténami. Jde především o široko pásmové přípojky v domácnostech a firmách, popř. propojení veřejných přístupových míst Wi Fi. Hlavním požadavkem je spolehlivost a téměř 100% dostupnost sítě. Přenos na fyzické vrstvě je realizován na několika kmitočtových pásmech, čímž je sníženo radiové rušení, dále se mění rychlost a dosah, což umožňuje užití jiných kmitočtů dle vzdálenosti uživatele od základnové stanice. Možnostmi jsou časový TDD a frekvenční FDD duplex s podporou full či half duplexu. 5

6 Specifikace: Jsou definovány 3 varianty fyzické vrstvy: nejběžnější užití je OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), což je metoda kódování digitálních dat na více nosných frekvencích s 256 kanály, dále speciální sítě při modulaci s jednou nosnou a úplnou špičkou je OFDMa (advanced) s kanály. Aplikuje mechanismus DSA (Dynamic Subcarrier Assignment), resp. základnová stanice přiděluje dynamicky kanály na základě CSI (Channel State Information) či požadavků na QoS (Quality of Service). Kanály jsou různým útlumem v závislosti na podmínkách uživatele. Multiplexování kmitočtů umožňuje jemné přidělování pásma, přičemž vlastní provedení a algoritmy přenosu jsou v rukou výrobců. 6

7 Specifikace: Jednotlivé rádiové kanály mají šířku 1,5 20 MHz. Použité frekvence umožňují levné pokrytí pro více uživatelů s rychlostmi až 75 Mbitps, přičemž danou kapacitu sdílejí všichni uživatelé připojení ke stejné základnové stanici. Kapacitu 75 Mbitps v pásmu 2,5 GHz je možné rozdělit či sdružit řadou způsobů a to např. při šířce pásma 1,5 MHz na 750 uživatelů s kapacitou přenosu 500 kbitps či 375 uživatelů s kapacitou přenosu 1 Mbit/s, dále pak na 3 uživatelé s kapacitou přenosu 75 Mbitps a 2 uživatelé s kapacitou přenosu 150 Mbitps, což je maximální množství účastníků při dané kapacitě 75 Mbitps v pásmu 2,5 GHz, resp. pro 5 uživatelů se šířkou pásma 20 MHz. 7

8 Specifikace: Protokol MAC nad fyzickou vrstvou užívá TDM (Time division multiplex) pro downstream a TDMA (Time division multiple access) pro upstream s centralizovaným plánovačem, zajišťujícím požadované přidělovaní šířky pásma. WiMAX definuje 4 úrovně QoS (od nejnižší): best effort základní služba bez priority dat FTP přenos na základě výzvy (ne v reálném čase) MPEG video přenos na základě výzvy v real. čase VoIP telefonování po síti hlasové přenosy Je zajištěna podpora pružného přidělování šířky pásma kanálů s opětovným využíváním kanálů. Důraz je kladen na řízení vysílacího výkonu a měření kvality kanálu ve smyslu doplňkových prostředků. 8

9 Specifikace: V bezlicenčních pásmech je povinný DFS (Dynamický výběr kmitočtu). Pásmo lze efektivně realokovat dělením buněk do sektorů v závislosti na rostoucím počtu uživatelů s důrazem na schopnost vyrovnání se s měnícími se podmínkami prostředí, jako je např. déšť nebo sněžení, což výrazně snižuje kvalitu příjmu signálu. Specifikace obsahuje nástroj RLC (Radio Link Control) pro řízení rádiového spoje ve smyslu nastavení počátečních parametrů rádiového spoje s následnou možností rekonfigurace při změně parametrů rádiového spoje, resp. jednotlivá zařízení sledují kvalitu radiového spoje a přizpůsobují přenosové parametry. 9

10 Specifikace: Zabezpečení uživatelů a komunikace ve smyslu autentizace a autorizace stanice probíhá na základě digitálního certifikátu X.509, jenž je přidělen stanici ve výrobě a dále certifikátu výrobce. Ochranu dat řeší protokol PKM (Privacy and Key Management). Pro šifrování se užívá DES (Data Encryption Standard), přičemž výměna šifrovacích klíčů pro přenos dat se realizuje s použitím 3DES s klíčem pro výměnu klíčů, který je odvozený z autorizačního klíče. Topologie je PTM (point to multipoint), lze využívat i topologii MESH (vícecestnou, smyčkovou), která se ukazuje v bezdrátových sítích jako efektivní při řešení dosahu, kdy lze využít replikaci signálu bezdrátovými routery, neboť se signál šíří skok po skoku. 10

11 Specifikace: Mobilní WiMAX je definován v IEEE e z roku Specifikuje jak pevné připojení k základnové stanici, tak i mobilní širokopásmové bezdrátové připojení, neboť mobilita je v současných WMAN naprostou nezbytností. Základní licenční pásmo je 2 6 GHz (3,5) s NLOS, bez potřeby přímé viditelnosti. Je zahrnuta podporu pro předávání stanice mezi buňkami a nezbytný roaming. Finálně je podporován uživatel pohybující se rychlostí až 120 km/h (150 km/ h) v dosahu lokálním eventuálně regionálním s tím, že dochází během nárůstu vzdálenosti a rychlosti ke snižování přenosové kapacity a to rychlosti nad 60 km/h, neboť dochází k předávání jednotlivých uživatelů mezi sousedními základnovými stanicemi. 11

12 Specifikace: Fyzická vrstva užívá S OFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access), jenž vylepšuje výkonnost v prostředích NLOS, rozděluje signál do více podkanálů s nižší rychlostí, což zvyšuje odolnost vůči rušení a zkreslení signálu. Podpora vyšší šířky pásma kanálu 1,25 20 MHz zvyšuje propustnost sektoru a potlačuje rušení uvnitř buňky. Dostupnost kanálů je lepší a používají se levnější zesilovače. Aplikují se moderní antény využívající beamforming, technologii formování paprsků, STC (Space Time Coding), prostorově časové kódování, MIMO pro vyšší propustnost, AAS (Adaptive Antenna System) pro lepší směrové vlastnosti a FEC (Forward Error Correction), techniky dopředné opravy chyb. 12

13 Použití: Díky širokopásmovému charakteru a relativně velkému dosahu bezdrátového pokrytí vhodný: bezdrátové připojení k Internetu pro firmy bezdrátové připojení k Internetu ve smyslu konkurence mobilních sítí GSM mobilní širokopásmového připojení ve městech, ale i v odlehlých částech, kam nedosahují sítě GSM bezdrátové připojení k Internetu ve smyslu konkurence pevné linky DSL (last mile) bezdrátové připojení k Internetu ve smyslu konkurence kabelového připojení (last mile) Poskytování VoIP, telefonování přes internet Poskytování IPTV, televize přes internet 13

14 Zařízení: Obr. 2 Základnová stanice Wimax base LTU1 Stalinas 14

15 IEEE WiMAX Zařízení: Obr. 3 WiMAX zařízení Flickr, Petzi

16 Charakterizujte technologii WiMAX: Nad výsledky odborně diskutejte s vyučujícím. 16

17 Přibližte problematiku mobility IEEE802.16e: Nad výsledky odborně diskutejte s vyučujícím. 17

18 Konkretizujte možnosti využití technologie WiMAX: Nad výsledky odborně diskutejte s vyučujícím. 18

19 Dotazy Děkuji za pozornost. Ing. Fales Alexandr Obr. 1 Síťové prvky Ing. Fales Alexandr 19

20 Zdroje informací Literární publikace: PUŽMANOVÁ, R. Moderní komunikační sítě od A do Z. 2. akt. vyd. Brno: Computer Press, ISBN: s. 430 Fotografie a obrázky: Autorem fotografií a obrázků, není li uvedeno jinak, je Ing. Fales Alexandr Obr. 2 STALINAS. commons.wikimedia.org: File:Wimax base LTU1.jpg [online] [cit ]. Dostupný pod licencí: Creative Commons Uveďte autora Zachovejte licenci 3.0 Unported na WWW: < Obr. 3 FLICKR, PETZI1969. commons.wikimedia.org: File:WiMAX equipment.jpg [online] [cit ]. Dostupný pod licencí: Creative Commons Uveďte autora Zachovejte licenci 2.0 Generic na WWW: < File:WiMAX_equipment.jpg>. Obr. 1 Síťové prvky Ing. Fales Alexandr 20