معرفی وایمکس : WiMAX، مخفف عبارت «World Wide Interoperability for Microwave Access» و به معنای قابلیت تبادل و استفاده از اطلاعات در سطح جهانی، با دسترسی به امواج ماکروویو (امواج الکترو مغناطیسی در طیف فرکانسی رادیویی) می باشد.وایمکس یک سازمان تجاری صنعتی است و مشابهWi-Fi می باشد.اما با سرعتی بالاتر که در مسافت های طولانی تر و با تعداد بیشتری از کاربران،کاربرد دارد.وایمکس توانایی ارائه خدمات در مناطقی که دارای محدودیت های فیزیکی از جمله زیر ساخت های سنتی سیمی هستند را دارا می باشد.وایمکس یک نسخه استاندارد از اترنت است که به عنوان یک جایگزین برای فن آوری هایی همچون مودم های کابلی DSLو لینک T1/E1در نظر گرفته شده است.در دوره آموزش نتورک پلاس و معرفی تکنولوژی های WAN به وایمکس هم اشاره می کنیم.
چگونگی نامگذاری وایمکس
انجمن وایمکس که در سال 2001برای ارتقای هم نوایی وهمکنش پذیری استاندارد IEEE802.16 تاسیس شد،نام وایمکس را به عنوان یک فناوری برپایه ی این استاندارد انتخاب نمودند. وایکمس چیست ، وایمکس و استاندارد های آن
طبقه بندی تجهیزات وایمکس
تجهیزات WiMAX را بر اساس سطوح مختلف شبکه همچون کاربران، شبکه دستیابی رادیویی و شبکه هسته به شکل زیر طبقه بندی می کنند :
تجهیزات کاربران: این تجهیزات را CPE )Customer Premises Equipment ) می نامند و در بردارنده ی تجهیزات ارتباطی داخلی (Indoor)، تجهیزات ارتباطی بیرونی (Outdoor)، تجهیزات USB و تراشه های قابل نصب در کامپیوترها و لپ تاپ ها میباشد.
تجهیزات دسترسی شبکه رادیویی:این دسته از تجهیزات موجب ارتباط کاربران با هسته شبکه شده و شامل نقاط دسترسی و ایستگاههای پایه (BS) می شوند که مدیریت منابع رادیویی را برعهده دارند. یک ایستگاه پایه WiMAX شامل سخت افزار کنترلی ،آنتن ها، دکل WiMAX و کابلهای تغذیه است.
تجهیزات هسته شبکه:این بخش شامل سیستم های مدیریتی شبکه، تجهیزات مربوط به نظارت بر کاربران، روترها و واسط های خاص جهت ارتباط با شبکه های مختلف است. بخش هسته در شبکه WiMAX، بخشی است مابین ایستگاه پایه WiMAX و زیرساخت صوت یا داده شبکه که در آن ترافیک مشترکان WiMAX از طریق روترها و سوییچ ها انتقال داده میشود . طراحی مناسب شبکه IP و مهندسی مناسب این تجهیزات، خدمات با کیفیت بسیار بالایی را برای کاربران نهایی تضمین می کند و موجب سادگی عملیات برای ارائه دهندگان WiMAX می شوند.
انواع سرویس های وایرلس وایمکس
WiMax میتواند دو نوع سرویس Wireless را مهیا کند:
None-line-of-sight:شبیه به سرویس Wi-Fi، در جاییکه یک آنتن کوچک روی کامپیوترتان به برج متصل شود. در این حالت، WiMax رنج فرکانسی پایین 2GHZ تا 11GHZ(شبیه به Wi-Fi )استفاده میکند. موانع فیزیکی باعث شده که انتقالات طول موج کوتاه به راحتی شکسته نشوند. آنها قادر به خمیدگی و انکسار در اطراف مانع هستند. در این نوع دستیابی به شعاع 4 تا 6 مایلی(25 مایل مربع یا 65 کیلومتر مربع) را پوشش میدهد.
Line-of-sight:هنگامیکه یک آنتن ثابت از بالای تیر یا بام به طور مستقیم به WiMax Tower اشاره میکند. اتصال line-of-sight قوی‌تر و پایدارتر است. بنابراین توانایی فرستادن مقدار زیادی اطلاعات با خطای کمتر را دارد. انتقالات line-of-sight فرکانس‌های بالا با رنج ممکن 66GHZ رااستفاده می کند. بوسیله آنتن‌های line-of-sight قوی‌تر، ایستگاه فرستنده WiMax اطلاعات را به کامپیوترها و روترهایی با قابلیت WiMax که در شعاع 30 مایلی فرستنده هستند، می‌فرستد.(3600 مایل مربع یا 9300کیلو مترمربع را پوشش می دهد).
عوامل مؤثر بر کیفیت WiMax
عوامل محیطی همچون پوشش گیاهی منطقه، ارتفاع درختان، وجود کوه‌ها، دره‌ها و حتی سطح آب رودخانه‌ها و دریاچه‌ها باعث ایجاد انعکاس و چند مسیرگی‌های رادیویی میشوند.
شرایط آب و هوایی
معماری مختلف شهرها، حتی در بهترین طراحی‌ها نیز ممکن است نقاط کوری را ایجاد کند.
آلودگی‌های فرکانسی در پهنای باند مورد استفاده نیز سطح سیگنال دریافتی را تخریب میکند.
مقایسه ی وایمکس باWi-Fi
Wi-Fiتحت استاندارد IEEE802.11می باشد.به کمک وایمکس سرعت داده هایی مانند Wi-Fiپشتیبانی می شود وموضوع تداخل امواج نیز کاهش می یابد.یکی از ویژگی های این تکنولوژی عدم نیاز به دید مستقیم بین مشترکان ودکل های BTSاست
Wi-Fi به طور معمول دسترسی به شبکه ی محلی در اطراف یک یا چند صدپایی با سرعت 54Mbpsرا فراهم می کند اما یک آنتن وایمکس دارای برد تا40کیلومتر با سرعت 70Mbpsاست.
Wi-Fiبرای برنامه های کاربردی شبکه LANبرای هر دستگاه CPE از 1 تا 10 کاربر مشترک در نظر می گیرد.
در Wi-Fi (اندازه ی کانال ثابت20MHZاست) اما وایمکس از(1.5MHZتا20MHZ) میباشد.
سرویس وایمکس به منظور پهنا رسانی در محدوده ی MANبوده وشبکه هایی با مقیاس بزرگ را در بر می گیرد.ولی Wi-Fiبرای شبکه های LANکاربرد دارد.در واقع بیشترین تفاوت میان Wi-Fi و WiMax سرعت نیست بلکه فاصله است, WiMax مایل‌ها جلوتر از Wi-Fi است.
دامنه Wi-Fi در حدود 100 فوت(30 متر) است در حالیکه WiMax دستیابی بی سیم را تا شعاع 30 مایلی پوشش میدهد.
سیستم Wi-Fiبا بهره گیری از الگوریتم های WEPوWPA وپسوردهای 64و128 بیتی ،امنیتی به نسبت قابل قبول ارائه می دهد.حال آن که وایمکس با روش های مختلف رمز گذاری نظیر CCMو CBCوCTR امنیت شبکه را فراهم می کند.
پهنای باند در سیستم وایمکس بیشتر از Wi-Fiاست.به طوری که پهنای باند تا حد اکثر برابر54Mbps میباشد.که دلیل این تفاوت در موج های این دو سرویس است.همچنین با خرید و اتصال یک Access pointشخصی به خط PSLخود قادر خواهیم بود اینترنت را به صورت Wi-Fiاستفاده کنیم .در حالی که خرید چنین تجهیزاتی برای وایمکس ممکن نیست.
ساختار شبکه Wimax
تجهیزات به کار رفته در شبکهی WiMAX را میتوان به دو قسمت تجهیزات سمت کاربر و تجهیزات ایستگاه پایه تقسیم کرد.
1- تجهیزات سمت کاربر : به دو قسمت تجهیزات داخلی(IDU)و تجهیزات خارجی(ODU)تقسیم می شود که توسط کابل اترنت Cat 5 به هم متصلمیشوند. IDU و ODU همان واحدهای دسترسی WiMAX هستند.IDUشامل مودم و دیگر قطعاتی است که وظیفه برقراری ارتباط شبکهی بیسیم و مدیریت پهنای باند را بر عهده دارد. سه نوعIDU داریم که عبارتند از:
پل داده ی پهنباند
دروازه ی صدا
دروازه ی شبکه
ODU، یک وسیلهی توان با? و چندحاملی است، که به یک آنتن خارجی متصل میشود. این وسیله موجب تقویت سیگنال و توان ارسال با? و داشتن حداقل تداخل طراحی شده است و ساختار آن به شکلی است که اختشاش کمتر بر آن تاثیر میگذارد. از مزایای آن پشتیبانی ازعملیات چند کاناله، پشتیبانی از پهنای باند با?ی14MHZ و توانایی اتصال به واحد دسترسی داخلیو خارجیاست.
CPEمیتواند ثابت(SS) و یا متحرک (MS)باشد.
2- تجهیزات سمت ایستگاه پایه عبارتند از :
ایستگاه پایهی پرتراکم: داراییک واحد پردازنده ی شبکه، ماژول واحد پردازنده ی چندگانه، منبع توان و ماژول تغذیه توان است. تمامی قطعات آن در حین کار قابل تعویض هستند، ایستگاه پایهی کوچک ،که این وسیله یک سرویس پهنباند مؤثر وارزانقیمت را در مناطق روستایی کمتراکم ارائه میکند. شامل یک ماژول مستقل است که با واحد رادیویی خارجی شبیه خودارتباط برقرار میکند و از طریق منبع AC و DC تغذیه میشود.
واحد پردازش شبکه: که قلب ایستگاه پایه است و به عنوان واحد پردازنده ی مرکزی، تجهیزات ایستگاه پایه و تمام مشترکانی که به آن متصلاند را مدیریت میکند.
کنترلکننده ی نقطهی دسترسی WiMAX: از وظایف آن، اعتبار دادن به رابطهی بین قطعات و کاربران با سرویسدهنده اصلی، توابع امنیتی برای کلیدهای اعتباری، کنترلکنندههای صفحهبندی، نقطهی تصمیمگیری سیاستهای کیفیت سرویس، کنترل ورودی چرخشی با انتقال ایستگاه، کنترل دسترسی و نقطهی تصمیمگیری انتقال ایستگاه است.
مدلهای عملیاتی wimax
1. توپولوژی PTP:یکتوپولوژی point to pint از یک مسافت طو?نی و یک پیوند wireless با ظرفیتی با? بین دو سایت بوجود می آید .معمو?، سایت مرکزی میزبان ( BS Base Station) و سایت راه دور میزبان(SS (Subscriber Stationاست. BS ارتباطات و پارامترهای امنیتی را برای ایجاد پیوند با SS کنترل میکند. توپولوژی PTP برای سرویسهای backhaul بی سیم با پهنای باند با? در یک محدوده ی وسیع عملیاتی (در حدود 48 کیلومتر )به صورت پخش سیگنال (LOS (Line Of Site یا (NLOS (None Line Of Site استفاده میشود.
2. توپولوژی PMP:یک توپولوژی یک نقطه به چند نقطه از یک BS مرکزی که چندین SS را حمایت میکند، بوجود آمده و امکان دسترسی به شبکه را از یک مکان به چند مکان دیگر فراهم میکند. این توپولوژی معمو? برای موارد زیر استفاده میشود:
دسترسی پهنباند فواصل دور
اتصال خصوصی برای دفاتر راه دور که از اهمیت خاصی برخوردار است
3. توپولوژی Multi Hop Relay: این توپولوژی توسط IEEE 802.16j-2009 تعریف شده است. هدف آن توسعهی محدوده ی تحت پوشش BS با اجازه دادن به SSهابرای بازپخش ترافیک به عنوان (RS(Relay Stationاست. دادههای بازپخش شده توسط RSهای مجاور به یک SS در خارج از محدوده ی BS فرستادهمیشوند. یک RS فقط میتواند ترافیک را به سمت RS/SSهایی هدایت کند که در منطقهی امنیتیRSقرار دارند. یک (SZ(Security Zone، مجموعهای از ارتباطات مطمئن بین یک BS و گروهی از RSها است. دادههایی که در خارج از محدوده ی تحت پوشش جریان پیدا میکنند، روی چندین RS بازپخش میشوند و ناحیهی تحت پوشش جغرافیایی کلی شبکه افزایش پیدا میکند. این توپولوژی معمو? از پخش سیگنال NLOS استفاده میکند. به این دلیل که هدف، پوشش محدوده ی جغرافیایی بزرگی که شاملچندین مانع RF است، میباشد. با این حال این توپولوژی میتواند به خوبی از پخش سیگنال LOS نیز استفاده کند. بیشترین محدوده یعملیاتی برای هر گره، تقریبا 8 کیلومتر است. آموزش لینوکس ، 4. توپولوژی Mobile:یک توپولوژی Mobile مشابه یک شبکه سلولی است. زیرا چندین BS جهت تأمین ارتباطات یکپارچه برای BS و MSها(Mobile Station) روی یک شبکهی توزیع شده با هم کار میکنند. این توپولوژی نواحی تحت پوشش BSها را به هم پیوند میدهد و در بردارنده اقداماتی برای سهولت عبور یک MS بین نواحی تحت پوشش BSها میباشد. این توپولوژی از تکنولوژی سیگنالینگ RF پیشرفته که برای عملکرد Mobile ضروری است، استفاده میکند. هر محدوده ی تحت پوشش BS تقریبا 8 کیلومتر است. WiMAX متحرک(Mobile) با استفاده از پخش سیگنال NLOS روی محدوده ی فرکانسی 2تا6 گیگاهرتزکار میکند.
5. طیف(spectrum): قادر است روی هر دو طیف بامجوز و بدون مجوز مستقر شود.
6. توپولوژی RAN: این توپولوژی از دسترسی به شبکه های مختلف رادیویی پشتیبانی میکند.
7. اتصال به IP: ترکیبی از IPV4 و IPV6 است که شبکه ی اتصالات را در سرورهای مشتریان و برنامه های کاربردی پشتیبانی می کند.
لایه فیزیکی wimax
پایین ترین لایه ی WiMAX لایه ی فیزیکی یا PHY است در این لایه از مدولاسیونهای اثبات شده ای چون: TDD2 ،OFDM،FDD،QPSK،QAM استفاده شده است تا سیگنالها با قابلیت اطمینان %999/99 به دورترین نقاط و با بالاترین توان عملیاتی فرستاده شوند با توجه به نام این لایه ، هدف ، انتقال فیزیکی داده ها است. این لایه بر اساس تقسیم چند گانه ی متعامد فرکانس (OFDM) است OFDM طرحی از انتقال اطلاعات با سرعت بالا ،ویدیو، ارتباطات چند رسانه ای که علاوه بر WIMAX توسط انواع سیستمهای تجاری Broad band نظیر DSL ، Wi-Fi و رسانه FLOمورد استفاده قرار میگیرد و طرحیست ظریف و کارامد برای نرخ انتقال بالای داده در محیطهای چند مسیره و یا مسدود شده ی رادیویی.
محدوده ی فرکانسی مورد استفاده توسطWIMAX
وب سایت توسینسو
شکل3:باند فرکانسی OFDMA و OFDM
داده های مربوط به کاربران مختلف در این زیر حامل ها پخش شده است (زیر کانال ها).به عملی که درOFDMA در مقایسه با OFDM انجام میشود ،Sub-channelization گفته شده که در UL انجام می شود.
4. مدولاسیون سازگار (QAM،QPSK، BPSK): مدولاسیون های تعیین شده در (UL DL (Up Down Link عبارتند از: BPSK،QPSK،QAM-16و QAM-64 که بسته به سرعت ارسال سیگنالها و همچنین فاصله ی SS از BS از این سه استفاده میشود. در شکل 4 مبنای انتخاب هر یک از این مدولاسیونها را مشاهده می کنید. درنزدیکی های (BS،SNR (Signal to Noise Ratio بالاست بنابراین از مدولاسیون های سطح بالاتر مثل QAM-16 استفاده می شود تا بازده زیاد شود. ولی وقتی SS در در مرز سلول واقع شده است، از مدولاسیون های سطح پایین تر استفاده می شود تا کیفیت و ثبات اتصال حفظ شود.
وب سایت توسینسو
شکل4- مدولاسیون استفاده شده به تناسب فاصله ازBS
از آنجا که لایه فیزیکی وایمکس کاملا انعطاف پذیر است، عملکرد سرعت داده ها ، بر اساس پارامترهای عملیاتی متفاوت است .پارامترهایی که تاثیر بسزایی در سرعت داده ها در لایه فیزیکی، پهنای باند کانال و مدولاسیون و طرحهای کدگذاری شده دارند. در جدول زیر نرخ داده ها ی لایه فیزیکی در پهنای باند کانال های مختلف، و همچنین طرح های مدولاسیون و کدگذاری شده ارائه شده است:
وب سایت توسینسو
بررسی لایه MACدر wimax
لایه یMAC از سه زیرلایه ی همگرایی، جزء مشترک و امنیت تشکیل شده است که وظایف لایه ی MAC بین این سه زیر لایه تقسیم شده است .
MAC دارای ویژگی های مختلف، مناسب برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی در میزان مختلفی از تغییرات، است:
پخش و پشتیبانی چندپخشی.
قابلیت اداره دستورات اولیه.
سرعت بالای تحویل و توانایی تغییر در اطلاعات اولیه.
سه سطح مدیریتی:1-عملیات عادی 2-غیرفعال 3-بی اهمیت.
سرکوب سربرگ(header)، بسته بندی و قطعه قطعه شدن برای استفاده موثر از طیف.
مدیریت حفظ حریم خصوصی کلیدها (PKM) برای امنیت لایه MAC . نسخه 2 PKMشامل پشتیبانی برای EAP است
کاربرانی که از شبکه ی Wimax استفاده می کنند، بر روی یک پروتکل انتقال توافق کرده اند. این پروتکل، مباحثه بین کاربران را کنترل می کند و سرویس را متناسب با تأخیر و نیازمندیهای پهنای باند هر یک از برنامه های کاربر تحویل می دهد. این کار از طریق چهار نوع متفاوت از مکانیزم های زمان بندی UL انجام می شود. این مکانیزم ها با استفاده از اهدای پهنای باند درخواست نشده، سرکشی و رویه های مباحثه پیاده سازی می شود. لایه ی MAC در Wimax برای انواع مختلف برنامه هایی که ممکن است در شبکه های Wimax عمل کنند، QOS های متفاوتی را فراهم میکند.MAC چهار نوع مختلف از کلا سهای سرویس(مکانیزم های زمانبندی UL) را به همین منظور مشخص میکند:
سرویس امتیاز درخواست نشده (UGS) از سرویس نرخ بیت ثابت پشتیبانی می کند. مثل تقلید T1/E1 و VOIP بدون حذف سکوت.
سرویسهاش سر کشی بلادرنگ (rtPS) :از سرویس های بلادرنگ پشتیبانی می کند که اندازه های مختلف بسته های داده را تولید می کند، مثل ویدئوی MPEG یا VOIP با حذف سکوت.
سرویس های سرکشی غیر بلادرنگ (nrtPS): از سرویس های غیر بلادرنگ پشتیبانی می کند.
سرویسهای BS: این سرویس ها عموماً توسط اینترنت برای مو ج سواری در وب فراهم شده اند.
این ویژگی ها همراه با OFDMA 802.16 برای داده های با سرعت بالا و IP های سلسله مراتبی و یا هم زمان از برنامه های کاربردی چند رسانه ای مناسب است.
(پشتیبانی از QOS بخشی اساسی از طراحی لایه MAC وایمکس است. وایمکس برخی از ایده های اولیه طراحی QOSرا از استاندارد مودم کابلی DOCSIS به امانت میگیرد.)
با وجود لایه های کم استاندارد در WIMAX ،این استاندارد از جهات زیادی از تکنولوژی های قبل از خود بهتر است. بسیاری از تمهیدات امنیتی که در استانداردهای پیش از آن لحاظ نشده بود در این استاندارد در نظر گرفته شده است.. همچنین این استاندارد از مدولاسیو نهای آزمون شده و کارآمد در لایه ی فیزیکی استفاده می کند که باعث برتری آن نسبت به سایر تکنولوژی های قبل از آن شده است.
توابع امنیتی WIMAX
با درک موانع موجود در می یابیم که مسئله امنیت در پذیرش گسترده و جهانی خدمات بی سیم باند پهن بسیار حائز اهمیت است. IEEE و Wimax Forumدر تلاشند تا محیطی بسیار امن و قابل اطمینان بوجود آورند. استانداردهای امنیتی Wimax شامل روشهایی برای اطمینان از داده های خصوصی کاربر و جلوگیری از دسترسیهای غیر مجاز با بهینه سازی پروتکلهای الحاقی برای mobility است.حفظ امنیت توسط زیر لایه خصوصی در MAC وایمکس صورت میگیرد،جنبه های کلیدی امنیت Wimax عبارتند از:
پشتیبانی برای حفظ حریم خصوصی: اطلاعات کاربر با استفاده از طرحهای رمزنگاری نیرومند اثبات شده در زمینه فراهم آوردن یک محیط خصوصی ،رمزنگاری میشوند.دو استاندارد AES(استاندارد رمزگذاری پیشرفته)و 3DES (استاندارد سه گانه رمزگذاری داده ها)این عملیات را پشتیبانی می کنند.
دستگاه / تأیید هویت کاربر: Wimax راهکارهایی انعطاف پذیر برای ایستگاههای احراز هویت مشترک و جلوگیری از استفاده ی غیر مجاز کاربران فراهم می کند. .چارچوب احراز هویت براساس گروه ضربت مهندسی اینترنت IETF) EAP)، است که از انواع اعتبارات، از جمله: نام کاربری ، رمز عبور، گواهی دیجیتال، و کارت های هوشمند پشتیبانی می کند.دستگاههای ترمینال Wimax براساس گواهی نامه دیجیتال X.509 که شامل کلید های عمومی و MAC Addressاست ساخته شده اند.اپراتورهای Wimax میتوانند ازاین گواهی برای احراز هویت دستگاهها با بهره گیری از نام کاربری / رمز عبور و یا کارت هوشمند تأیید هویت استفاده کنند.
پروتکل مدیریت - کلید انعطاف پذیر:نسخه دوم پروتکل مدیریت کلید و حفظ حریم خصوصی (PKMv2) ،برای انتقال ایمن مواد اصلی رمز از ایستگاه اصلی به ایستگاه موبایل مورد استفاده قرار میگیرد.
محافظت از پیام های کنترل:برای محافظت پیامها ازاستانداردهای AES مبتنی بر CMAC و یا MD5 مبتنی بر HMACاستفاده میشود.
- و...
مزایای عمده Wimax
سازندگان تجهیزات:نوآوری با سرعت بیشتر به دلیل وجود یک استاندارد پایه،یک پلت فرم پایدار مبتنی بر این استانداردها که با سرعت بالایی قابلیتهای جدید را اضافه می کند.دیگر نیازی به توسعه هر قطعه بوسیله راه حل (end-to-end) نیست.
1. اپراتورها:یک پلت فرم مشترک که همواره هزینه تجهیزات و شتاب افزایش قیمت را پائین می آورد وبهبودعملکردهای غیر قابل حصول را با روشی خاص ممکن می سازد.
درآمد زایی با پر کردن شکاف دسترسی به اینترنت پر سرعت.
سرعت ارائه سطحT1/E1 "بهنگام درخواست"و ارتقاء خدمات حاشیه ای پهنای باند.
کاهش خطرات ناشی از دلار با استقرار تجهیزات با هزینه کمتر با توجه به مقیاس اقتصادی.
2. مصرف کنندگان:
فرصتهای بیشتر برای دسترسی به پهنای باند به ویژه در مناطقی که یک نارسایی وجود دارد:همچون مراکز شهری در سراسر جهان که دسترسی به ساختمان درآن دشوار است و در مناطق حومه که مشترکان از دفاتر مرکزی بسیار دور هستندوهمچنین در مناطق روستایی و کم جمعیت که زیر ساخت ضعیفی دارند.
ایجاد رقابت برای دسترسی به پهنای باند بالا با حداقل پرداخت حق اشتراک ماهیانه.
