Анализ архитектуры многоуровневых сетей WiMAX-Wi-Fi
Multi-tier WiMAX-Wi-Fi – многоуровневая WiMAX-Wi-Fi сеть возникла как перспективное решение для быстрого развертывания услуг предоставления широкополосного доступа абонентам, использующим беспроводные устройства. Эта технология является гибридом сетей Wi-Fi и WiMAX, она (как и любая беспроводная технология) будет особенно полезна в тех местах, где прокладка проводной инфраструктуры обойдется слишком дорого, либо необходима организация временного доступа к сети Интернет.
Сеть WiMAX для качественного обеспечения радиодоступа имеет улучшенный алгоритм управления качеством обслуживания QoS (Quality of Service), высокую надежность и широкий диапазон используемых частот. Однако технология WiMAX использует лицензируемый диапазон частот, а в настоящее время масштабное развитие этих сетей несколько приостановлено по причине внедрения технологии LTE.
Технология Wi-Fi же, наоборот, несмотря на повсеместное использование сетей LTE, не утратила своей популярности, а беспроводное оборудование диапазона 2.4 ГГц по-прежнему пользуется большой популярностью и широко доступно на рынке телекоммуникационного оборудования. Wi-Fi имеет довольно высокую производительность и относительно низкую стоимость, правда диапазон частот ограничен, да и надежность низкая, а QoS и вовсе не предусмотрен.
Таким образом, ведущим специалистам области инфокоммуникаций пришло в голову синтезировать гибрид из технологий Wi-Fi и WiMAX, объединив их сильные стороны для создания многоуровневых (multi-tier) сетей. В таких сетях предполагается организовывать радиопокрытие с помощью оборудования Wi-Fi, где WiMAX базовая станция будет установлена в качестве транзитного узла, обслуживающего Wi-Fi станции.
Появление многоуровневых WiMAX-Wi-Fi сетей предвещает появление большого числа вариантов ее организации, в частности может быть различно: количество абонентского Wi-Fi оборудования на узел, соотношение между WiMAX и Wi-Fi станциями в зоне обслуживания и т.д. Трудно предугадать, как различные конфигурации сети скажутся на качестве услуг, и будут-ли они удовлетворять требованиям пользователей (скорость передачи данных, качество радиопокрытия) и каковы будут условия эксплуатации (количество поддерживаемых абонентов).
В настоящее время специалистами рассматриваются различные гибридные архитектуры таких многоуровневых сетей. В некоторых вариантах работают над улучшением архитектуры с целью организовать полную поддержку услуг QoS. В других вариантах предлагается использовать совместную полосу пропускания в сетях WiMAX и Wi-Fi. В этом случае пропускная способность распределяется между абонентскими станциями WiMAX и точками доступа Wi-Fi. Усилия также направлены на решения таких вопросов, как оптимизировать такую разнородную архитектуру не затрагивая ключевые параметры: ширина полосы пропускания, количество каналов, поддерживаемое количество абонентов и т.д. Перечисленные характеристики имеют решающее значение для успешного развертывания сетей беспроводного доступа.
Самым же перспективным направлением конечно же является направление развития бесшовной интеграции двух этих технологий с целью обеспечения необходимого качества обслуживания и в то же время обеспечения разгрузки полосы пропускания.
В статье мы рассмотрим, как различные варианты конфигурации таких сетей работают в разных условиях и насколько они отвечают требованиям пользователей.
Архитектура сети multi-tier
Сетевая архитектура multi-tier сети состоит из сети транспортного уровня WiMAX, а также транзитного уровня и уровня доступа – Wi-Fi, как показано на рисунке 1.
Дадим небольшие комментарии к сетевой архитектуре. Ее можно разбить на несколько логических уровней: первый состоит из WiMAX узлов, работа которых координируется главной базовой станцией WiMAX (BS) – эта базовая станция предоставляет услуги беспроводной транспортной сети для маршрутизаторов радиодоступа MRAR (Multi Radio Access Routers). На втором уровне находятся MRAR, которые предоставляют услуги доступа и в то же время образуют множественный доступ к другим mesh-сетям, либо с другими MRAR.
Каждый MRAR может быть оснащен оборудованием радиодоступа как технологии Wi-Fi, так и иметь смесь из обоих WiMAX и Wi-Fi радиоинтерфейсов. Независимые линки транзитных соединений могут быть организованы через пару радиоинтерфейсов двух MRAR с использованием направленных антенн (справа на рисунке), так и с использованием всенаправленных антенн (слева на рисунке). Какой вариант выбрать зависит от компромисса между стоимостью организации сети и производительностью. На третьем уровне сети находятся беспроводные абонентские точки доступа AP (Access Point).
Различные варианты формирования многоуровневой сети
Ниже нами будут рассмотрены варианты формирования сети в городской зоне, где необходимо обеспечить равномерное радиопокрытие на всей обслуживаемой территории. В таких задачах радиопокрытие принято графически обозначать в виде шестигранников, такое представление типично и применяется при планировании сотовых сетей связи. На рисунке 2 показана двухуровневая топология формирования сети, имеющая структуру сот, состоящую из семи шестигранников (предполагается, что все шестигранники равны по размеру).
Пунктирными линиями показаны возможные альтернативные пути прохождения сигнала. С точки зрения емкости, ячеистая сеть похожа на дерево с множеством возможных вариантов ретрансляции сигнала, когда вся сеть работает при максимальной нагрузке. Среди семи ячеек – центральная выбрана в качестве шлюза GP (Gateway Point). На серии рисунков ниже (3.A-3.F) показаны различные варианты организации многоуровневой архитектуры, но следует отметить, что вариантов реализации может быть намного больше. Варианты (3.A – 3.F) перечислены в порядке возрастания числа Wi-Fi ячеек в кластере и максимального числа транзитных Wi-Fi хопов.
Расшифровка конфигурации сети: в отношении 1:7:7 первая цифра означает количество WiMAX базовых станций; вторя – количество Wi-Fi шлюзов GP; третья – общее количество точек доступа. Цифра перед хопами – количество устройств, которые должен «преодолеть» пакет абонента до базовой станции. Рассмотрим другие варианты реализации сети:
3.Wi-fi
Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 — это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передач. 802.11 — первый промышленный стандарт для беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Networks ), или WLAN. Стандарт был разработан Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 802.11 может быть сравнен со стандартом 802.3 для обычных проводных Ethernet сетей.
Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 определяет порядок организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде (MAC-уровне) и физическом (PHY) уровне. В стандарте определен один вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических каналов.
Подобно проводному Ethernet, IEEE 802.11 определяет протокол использования единой среды передачи, получивший название carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA). Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизируется путем предварительной посылки короткого сообщения, называемого ready to send (RTS), оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция должна ответить на RTS посылкой clear to send (CTS). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему. После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение (ACK) факта безошибочного приема. Если ACK не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.
В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней, а также шифрование для защиты от подслушивания.
На физическом уровне стандарт предусматривает два типа радиоканалов и один инфракрасного диапазона.
В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура. Сеть может состоять из одной или нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP). Точка доступа и находящиеся в пределах радиуса ее действия рабочие станции образуют базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняется непосредственно рабочими станциями.
В настоящее время существует множество стандартов семейства IEEE 802.11:
- 802.11 — первоначальный основополагающий стандарт. Поддерживает передачу данных по радиоканалу со скоростями 1 и 2 (опционально) Мбит/с.
- 802.11a — высокоскоростной стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 5 ГГц.
- 802.11b — самый распространенный стандарт. Поддерживает передачу данных со скоростями до 11 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.
- 802.11c — Стандарт, регламентирующий работу беспроводных мостов. Данная спецификация используется производителями беспроводных устройств при разработке точек доступа.
- 802.11d — Стандарт определял требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран.
- 802.11e — Создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика — таким, как аудио- и видеоприложения. Требование качества запроса, необходимое для всех радио интерфейсов IEEE WLAN.
- 802.11f — Данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта — Inter Access Point Protocol. Стандарт, описывающий порядок связи между равнозначными точками доступа.
- 802.11g — устанавливает дополнительную технику модуляции для частоты 2,4 ГГц. Предназначен, для обеспечения скоростей передачи данных до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.
- 802.11h – Разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм «квазиинтеллектуального» управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи. Стандарт, описывающий управление спектром частоты 5 ГГц для использования в Европе и Азии.
- 802.11i (WPA2) – Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети — в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard) — алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит. Предусматривается совместимость всех используемых в данное время устройств — в частности, Intel Centrino — с 802.11i-сетями. Затрагивает протоколы 802.1X, TKIP и AES.
- 802.11j — Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц.
- 802.11n — Перспективный стандарт, находящийся на сегодняшний день в разработке, который позволит поднять пропускную способность сетей до 100 Мбит/сек.
- 802.11r — Данный стандарт предусматривает создание универсальной и совместимой системы роуминга для возможности перехода пользователя из зоны действия одной сети в зону действия другой.