Аналіз архітектури багаторівневих мереж WiMAX-Wi-Fi
Multi-tier WiMAX-Wi-Fi – багаторівнева мережа WiMAX-Wi-Fi виникла як перспективне рішення для швидкого розгортання послуг надання широкосмугового доступу абонентам, які використовують бездротові пристрої. Ця технологія є гібридом мереж Wi-Fi та WiMAX, вона (як і будь-яка бездротова технологія) буде особливо корисна в тих місцях, де прокладання проводової інфраструктури обійдеться надто дорого, або необхідна організація тимчасового доступу до Інтернету.
Мережа WiMAX для якісного забезпечення радіодоступу має покращений алгоритм управління якістю обслуговування QoS (Quality of Service), високу надійність та широкий діапазон частот, що використовуються. Однак технологія WiMAX використовує діапазон частот, що ліцензується, а в даний час масштабний розвиток цих мереж дещо призупинено через впровадження технології LTE.
Технологія Wi-Fi, навпаки, незважаючи на повсюдне використання мереж LTE, не втратила своєї популярності, а бездротове обладнання діапазону 2.4 ГГц, як і раніше, користується великою популярністю і широко доступне на ринку телекомунікаційного обладнання. Wi-Fi має досить високу продуктивність і відносно низьку вартість, правда діапазон частот обмежений, та й низька надійність, а QoS і зовсім не передбачений.
Таким чином, провідним фахівцям галузі інфокомунікацій спало на думку синтезувати гібрид з технологій Wi-Fi і WiMAX, об'єднавши їх сильні сторони для створення багаторівневих (multi-tier) мереж. У таких мережах передбачається організовувати радіопокриття за допомогою обладнання Wi-Fi, де WiMAX базова станція буде встановлена як транзитний вузл, що обслуговує Wi-Fi станції.
Появабагаторівневих WiMAX-Wi-Fi мереж віщує появу великої кількості варіантів її організації, зокрема може бути різна: кількість абонентського Wi-Fi обладнання на вузол, співвідношення між WiMAX та Wi-Fi станціями в зоні обслуговування тощо. Важко передбачити, як різні конфігурації мережі позначаться на якості послуг, і вони задовольняти вимогам користувачів (швидкість передачі, якість радіопокриття) і які будуть умови експлуатації (кількість підтримуваних абонентів).
В даний час фахівці розглядають різні гібридні архітектури таких багаторівневих мереж. У деяких випадках працюють над покращенням архітектури з метою організувати повну підтримку QoS. В інших варіантах пропонується використовувати спільну смугу пропускання в мережах WiMAX та Wi-Fi. У цьому випадку пропускна здатність розподіляється між абонентськими станціями WiMAX та точками доступу Wi-Fi. Зусилля також спрямовані на вирішення таких питань, як оптимізувати таку різнорідну архітектуру, не торкаючись ключових параметрів: ширина смуги пропускання, кількість каналів, кількість абонентів і т.д. Ці характеристики мають вирішальне значення для успішного розгортання мереж бездротового доступу.
Найперспективнішим напрямом звичайно є напрям розвитку безшовної інтеграції двох цих технологій з метою забезпечення необхідної якості обслуговування і в той же час забезпечення розвантаження смуги пропускання.
У статті ми розглянемо, як різні варіанти конфігурації таких мереж працюють у різних умовах та наскільки вони відповідають вимогам користувачів.
Архітектура мережі multi-tier
Мережева архітектура multi-tier мережі складається з мережі транспортного рівняWiMAX, а також транзитного рівня та рівня доступу – Wi-Fi, як показано на малюнку 1.
Кожен MRAR може бути оснащений обладнанням радіодоступу як технології Wi-Fi, так і мати суміш обох WiMAX та Wi-Fi радіоінтерфейсів. Незалежні лінки транзитних з'єднань можуть бути організовані через пару радіоінтерфейсів двох MRAR з використанням спрямованих як антен (праворуч на малюнку), так і з використанням всеспрямованих антен (ліворуч на малюнку). Який варіант вибрати залежить від компромісу між вартістю організації мережі та продуктивністю. На третьому рівні мережі знаходяться бездротові абонентські точки доступу AP (Access Point).
Різні варіанти формування багаторівневої мережі
Нижче нами будуть розглянуті варіанти формування мережі в міській зоні, де необхідно забезпечити рівномірне радіопокриття на всій території, що обслуговується. У таких завданнях радіопокриття прийнято графічно позначати у вигляді шестигранників, таке уявлення типове і застосовується при плануванні мереж зв'язку. На малюнку 2 показано дворівневу топологію формування мережі, що має структуру сот, що складається з семи шестигранників (передбачається, що всі шестигранники рівні за розміром).
Пунктирними лініями показано можливі альтернативні шляхи проходження сигналу. З точки зору ємності, ніздрювата мережа схожа на дерево з безліччю можливих варіантів ретрансляції сигналу, коли вся мережа працює при максимальному навантаженні. Серед семи осередків – центральна обрана як шлюз GP (Gateway Point). На серії малюнків нижче (3.A-3.F) показані різні варіанти організації багаторівневої архітектури, але слід зазначити, щоваріантів реалізації може бути набагато більше. Варіанти (3.A – 3.F) перераховані у порядку зростання числа Wi-Fi осередків у кластері та максимальної кількості транзитних Wi-Fi хопів.
Розшифровка конфігурації мережі: по відношенню до 1:7:7 перша цифра означає кількість WiMAX базових станцій; Друга – кількість Wi-Fi шлюзів GP; третя – загальна кількість точок доступу. Цифра перед хопами – кількість пристроїв, які мають "подолати" пакет абонента до базової станції. Розглянемо інші варіанти реалізації мережі:
Аналіз варіантів реалізації багаторівневої мережі
Нижче буде наведено серії графіків, що дозволяють оцінити якість розглянутих вище топологій. Для аналізу мережі були завдання початкові умови, описані в таблиці нижче:
Крім того, було припущено, що в межах одного кластера ширина смуги пропускання розподілена між усіма точками доступу рівномірно. Це означає, що вузли, досить віддалені від шлюзу GP (тобто вузли, що мають велику кількість хопів), мають ту ж пропускну здатність, що й вузли, розташовані ближче до шлюзу GP. На практиці це досягається шляхом застосування різних відомих методик, описаних у існуючій літературі, таких як контроль трафіку прийому в точці доступу та планування смуги пропускання MRAR. При аналізі також передбачається, щоабоненти рівномірно розподілені по всій площі розгортання мережі і кожна область складається з кластерів з малюнком, що повторюється. Також спрощення дослідження передбачається, що висота установки антен однакова всім вузлів – абонентських і базових станцій, а інтерференція між каналами відсутня. Це можливо, коли є достатня кількість ортогональних піднесучих.
Математичні моделі, що дозволяють проаналізувати поставлене завдання, були використані наступні: модель втрат поширення радіосигналу COST231-HATA (urban), а також модель, описана в статті IEEE Std 802.16-2009, Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16: Broadband Wireless Access Systems, May 2009. Тут математичні надмірності дані не будуть, одразу перейдемо до розгляду результатів.
Під лінком доступу розуміється випадок, коли абонент отримує доступу до мережі безпосередньо через точку доступу, під транзитним лінком розуміється те, що точка доступу виступає ролі транзитного вузла (хопа).
На основі тих параметрів, які були наведені вище, на рисунках 4 та 5 показані розрахункові теоретичні максимуми швидкості передачі даних для заданих відстаней. Слід зазначити, що значна різниця у відстані для лінка доступу та транзитного лінка пов'язана з коефіцієнтом посилення антени (див. таблицю). Максимум швидкості передачі даних для транзитного з'єднання WiMAX пов'язана із закладеною шириною каналу.
На малюнку 6 показано максимальнекількість користувачів, підключених на швидкості до 1 Мбіт/сек, яка може забезпечити розглянуті раніше конфігурації multi-tier мережі (A, B, C, D, E, F) для різної ширини каналу.
На малюнку 7 показана площа охоплення мереж різної конфігурації.
Слід зазначити, що конфігурація мережі E підтримує найбільшу кількість користувачів і має максимальне охоплення порівняно з іншими конфігураціями, але водночас потребує найбільшої кількості WiMAX та Wi-Fi обладнання. Конфігурація мережі A має найменше охоплення через невеликий розмір кластера.
Щільність установки базових станцій є критичним показником з погляду вартості розгортання мережі, тому нижче наведено графіки, що показують, скільки базових станцій необхідно надання доступу 1000 користувачів на 1 квадратний кілометр. Зазначимо, що мережі конфігурації C і E у цьому плані також є кращими. Для конфігурації A велика кількість базових станцій обумовлена обмеженим радіусом мережі. Для смуги пропускання 5 МГц зростає кількості базових станцій за рахунок того, що занадто зростає кількість транзитного трафіку, що передається у вузькій ширині смуги частот, тобто збільшення пропускної здатності мережі відбувається не за рахунок збільшення ширини каналу, а за рахунок встановлення додаткових базових станцій.
Висновок
У статті наведено дані аналізу продуктивності багаторівневої мережі WiMAX-Wi-Fi для кількох її конфігурацій, умовексплуатації та вимог користувачів. З зазначених графіків видно, що продуктивність WiMAX-Wi-Fi мережі залежить від різних чинників, починаючи від ширини смуги пропускання; кількості MRAR, що підтримуються в мережі, швидкості передачі даних та щільності розподілу абонентів.