PL

Technologia WiMAX

WiMAX stanowi alternatywę dla sieci przewodowych szczególnie na obszarach o słabo rozbudowanej strukturze sieci telekomunikacyjnych. WiMAX zapewnia optymalne rozwiązanie tzw. problemu ostatniej mili, czyli doprowadzenia łącza do klienta końcowego. Oba standardy (europejski i amerykański) umożliwiają stworzenie wielu różnych konfiguracji stacji bazowych, co w efekcie może spowodować sytuację, w której urządzenia różnych producentów nie będą ze sobą współpracować. Dlatego też WiMAX ma za zadanie ujednolicić sposób konfiguracji urządzeń, aby rozwiązać ten problem. Omawiane rozwiązania mają zapewnić możliwość współpracy urządzeń zarówno z jak i bez bezpośredniej widoczności optycznej anten oraz dają operatorom możliwość rozszerzenia usług dostępu do Internetu o mobilność, tworząc konkurencyjne rozwiązania (VoIP) dla sieci telefonii komórkowych. Opisane w niniejszym artykule rozwiązania tyczyć się będą standardu 802.16, dlatego też warto zacząć od prezentacji tegoż standardu. Standard był tworzony począwszy od 1999 roku i jak można sie spodziewać dotychczas powstało wiele jego wersji z czego na dzień dzisiejszy aktualne pozostały dwie:

- 802.16-2004 ukończony w 2004 roku oferuje dostęp do sieci dla terminali nie będących w ruchu.

- 802.16e ukończony w 2005 roku oferuje dostęp do sieci dla terminali zarówno stacjonarnych jak i poruszających się. Certyfikacja urządzeń zgodnych z tym standardem powinna się rozpocząć w 2007 roku. Jak już wcześniej wspomniałem, technologia nie wymaga bezpośredniej widoczności anten, czyli wykorzystuje model propagacji fal radiowych NLOS (ang. Non Line of Sight). Zastosowanie tego modelu postawiło przed twórcami standardu wiele problemów, z których najważniejszym było rozszerzenie zasięgu systemu. Przy braku widoczności optycznej bowiem występuje propagacja wielodrogowa, czyli do odbiornika dociera kilka różnych sygnałów, odmiennie opóźnionych, tłumionych i o odmiennej polaryzacji niż sygnał bezpośredni. Zjawiska te powodują znaczny spadek mocy odbieranej, dlatego też w celu poprawy parametrów systemu zastosowano szereg rozwiązań takich jak:

* OFDM (ang. Orthogonal Frequency Division Multiplexing): Jest to technika multipleksacyjna, w której każda porcja danych jest przesyłana na osobnej dostępnej podnośnej na które podzielone jest dostępne widmo (ang. Subcarrier) czyli strumień danych jest dzielony na wiele równoległych mniejszych podstrumieni. Podnośne, z których każda transmituje jeden podstrumień są do siebie ortogonalne, czyli mówiąc prościej nie zakłócają się wzajemnie mimo faktu, iż na siebie nachodzą. Rozwiązanie to jest odporne na propagację wielodrogową a w przypadku degradacji którejś z podnośnej nie jest tracony cały strumień danych a jedynie jego część transmitowana na tej podnośnej. W oparciu o OFDM można stworzyć metodę dostępu OFDMA stosowaną opcjonalnie w łączu w górę, w której każdemu użytkownikowi przypisuje się do transmisji określoną liczbę podnośnych ze wszystkich dostępnych podnośnych.

* Podział na podkanały: Podział taki jest opcjonalny w łączu w górę. Bez podziału na podkanały budowa efektywnych kosztowo terminali byłaby trudna w realizacji Przykładowo gdyby terminal chciał nadawać w taki sam sposób jak stacja bazowa to wymagałoby to od niego bardzo dużych mocy i skomplikowanych układów nadawczych co wiązało by się z kosztami. Chcąc zredukować moc nadajnika terminala do przykładowo 25% mocy nadajnika stacji bazowej można postąpić dwojako: wykorzystać wszystkie podnośne i zredukować o 75% moc każdej z nich lub zastosować podział na podkanały, czyli nadawać na co czwartej podnośnej z taką samą mocą jak stacja bazowa. Obydwa rozwiązania wymagają od terminala nadawania z taką samą mocą. Drugie rozwiązanie jest oczywiście lepsze a jedyną jego wadą jest czterokrotna redukcją prędkości w łączu w górę. Jednakże dzięki temu terminal może nadawać z dużo mniejszą mocą niż stacja bazowa a więc jego koszty maleją.

* Zastosowanie odpowiednich technik antenowych:

- AAS: Anteny takie umożliwiają kierowanie wiązki antenowej w określonym kierunku lub kierunkach. Podczas transmisji sygnał może być więc kierowany na określonego użytkownika jak światło z reflektora. Podczas odbioru AAS może kierować wiązki tylko na kierunki skąd pochodzi transmisja.

- MIMO: Użycie wielu anten do transmisji sygnału po obu stronach łącza radiowego (tj. w termninalu i stacji bazowej). Przyczynia się to do znacznego wzrostu prędkości.

* Modulacja adaptacyjna. Technika ta polega na doborze odpowiedniej modulacji w zależności od odległości terminala od stacji bazowej. Im odległość większa tym sygnał jest bardziej podatny na degradacje tak więc stosuje się modulacje bardziej odporne na zakłócenia, ale zapewniające mniejszą prędkość transmisji.

* Inne:

- separacja nadawania i odbioru
- odpowiednie techniki detekcji i korekcji błędów transmisji
- sterowanie mocą

Warto następnie wspomnieć o architekturze i budowie systemu. Jeśli chodzi o architekturę to system w podstawowej wersji pracuje w architekturze punkt-wielopunkt. Mamy więc centralnie umieszczoną stację bazową a wokół niej rozlokowane są terminale łączące się z nią drogą radiową. Opcjonalnie system może też pracować w architekturze kraty bez stacji bazowej, gdzie każdy użytkownik łączy się ze swoim sąsiadem. Budowa systemu obejmuje dwie pierwsze warstwy modelu ISO/OSI czyli warstwę fizyczną PHY i warstwę MAC.

Warstwa fizyczna wykorzystuje wspomniane już wcześniej techniki do osiągnięcia maksymalnego zasięgu przy jednoczesnym zapewnieniu maksymalnej przepustowości. System zasadniczo korzysta z dwóch zakresów częstotliwościowych a mianowicie 10-66GHz i 2-11GHz (przykładowo w paśmie nielicencjonowanym 2,4GHz), przy czym szerokość kanału jest zmienna w zależności od wymaganej prędkości transmisji. Dupleks w systemie realizowany jest w oparciu o dwie najbardziej sprawdzone techniki:

- dupleks czasowy TDD, w którym do transmisji w górę i w dół wykorzystuje się te same częstotliwości. Transmisja w górę następuje w jednej szczelinie czasowej a w dół w drugiej i tak na zmianę.

- dupleks częstotliwościowy FDD, w którym łączu w górę przydziela się jedną częstotliwość a łączu w górę drugą.

Następnie należy zwrócić uwagę na metodę dostępu do kanału:

- W łączu w dół (od stacji bazowej do terminala) wykorzystuje się technikę TDM. Stacja bazowa nadaje ciągle w szczelinach czasowych. Każdy terminal odbiera całą transmisję zaś przetwarza tylko te dane, które są przeznaczone dla niego. Stacja stosuje specjalne identyfikatory CID pozwalające terminalowi uzyskać informację o tym, które dane kierowane są do niego.

- W łączu w górę (od terminala do stacji bazowej) stosuje się technikę dostępu TDMA. Kanał jest podzielony na szczeliny czasowe, zaś każdy terminal może nadawać jedynie w przydzielonej mu uprzednio przez stację bazową szczelinie.

Warstwa MAC zapewnia inteligentny dostęp do warstwy fizycznej nie spotykany w dotychczasowych systemach dzięki czemu stało się możliwe osiągnięcie bardzo wysokiego poziomu QoS. Jej największą zaletą jest możliwość dynamicznego przydziału pasma dla każdego użytkownika w celu zapewnienia odpowiedniej jakości świadczonej usługi. Warstwa ta dzieli się na trzy funkcjonalne podwarstwy:

* Podwarstwa bezpieczeństwa odpowiedzialna za uwierzytelnienie i autoryzację terminala oraz szyfrowanie ruchu w sieci

* Podwarstwa MAC CPS, której zadaniem jest sterowanie dostępem do medium transmisyjnego polegające na rezerwacji połączeń przeznaczonych do różnych celów.

* Podwarstwa MAC CS, której zadaniem jest przydział danych przychodzących z warstw wyższych (których nie obejmuje standard) do odpowiednich połączeń MAC tak, aby zachować ustalony poziom QoS przy odpowiednio dostępnym paśmie.

Jednym z największych osiągnięć twórców systemu jest uzyskanie jakości usług - QoS na poziomie nie spotykanym dotychczas w sieciach bezprzewodowych. Istnieją zasadniczo cztery klasy usług do jakich kierowany jest ruch. Każda klasa wykorzystuje odmienne mechanizmy transmisyjne dzięki czemu możliwe jest przykładowo zapewnienie małych opóźnień dla aplikacji, które tego szczególnie wymagają. Klasy te są następujące:

* UGS wspierają aplikacje wymagające stałej przepływności bitowej CBR, takie jak emulacja T1/E1 lub też VoIP bez detekcji ciszy.

* rtPS wspierają aplikacje pracujące w czasie rzeczywistym i generujące okresowo pakiety o zmiennej długości, takie jak strumienie video MPEG lub VoIP z detekcją ciszy.

* nrtPS wspierają aplikacje, które nie wymagają pracy w czasie rzeczywistym natomiast wymagają zmiennego rozmiaru paczek danych generowanych w sposób okresowy, przykładowo usługa FTP.

* BE (Best Effort) wspierające aplikacje nie wymagające QoS. Przykładowo usługa www może być zrealizowana w tej klasie.

Na koniec warto jest przedstawić krótkie porównanie WiMAX z WiFi ponieważ te technologie często uważa się za konkurencyjne. Porównanie obu tych standardów jest trudne z uwagi na to, że zostały one stworzone do innych celów. Oba rozwiązania są oczywiście bezprzewodowe, jednakże różnią się technologiami jak i obszarem zastosowania. Jeżeli chodzi o obszary zastosowania to podstawową różnicą jest fakt, że WiFi są sieciami typu LAN czyli skierowanymi do odbiorców, którzy nie chcą używać okablowania do budowy sieci lokalnych na niedużych odległościach. WiMAX zaś jest siecią metropolitalną MAN mającą zapewnić szerokopasmowy dostęp do użytkowników znajdujących się na obszarze całych miast. Wydaje się, że na razie pozycja WiFi jest niezagrożona z uwagi na cenę, masowość i względną jakość. W przyszłości jednak wydaje się całkiem prawdopodobne, że urządzenia WiFi zostaną całkowicie zastąpione przez WiMAX. WiMAX bowiem oferuje dużo większe bezpieczeństwo transmisji, większe przepustowości oraz posiada mechanizmy QoS, które w standardzie WiFi praktycznie nie funkcjonują. Jeżeli chodzi o stronę techniczną to niewątpliwie WiMAX jest o wiele bardziej zaawansowany niż WiFi. Między innymi zastosowane techniki modulacji cechują się prawie dwukrotnie większą wydajnością widmową i odpornością na zakłócenia. Na uwagę zasługuje też fakt możliwości wyboru modulacji w WiMAX w zależności od zapotrzebowań klienta. Istnieje jeszcze szereg innych różnic jednakże finalnie nie trudno jest dostrzec że technologia WiMAX wyprzedza znacznie WiFi.