WiMAX

Základy technologie, použití, architektura a konstrukce


Standard 802.16 má zvládnout širokopásmové bezdrátové připojení až 75 Mb/s a měl by fungovat ještě ve vzdálenosti 50 kilometrů.
Širokopásmové bezdrátové připojení (Broadband Wireless Access BWA) samo o sobě není žádnou novinkou. Už dlouhá léta existuje připojení pomocí mikrovlnných a laserových spojení, a to hlavně v podobě Point-to-Point (P2P), respektive Point-to-Multipoint. Zatímco dosud se používaly prakticky výlučně proprietární protokoly, technologie 802.16 usiluje o vznik nového standardu v rámci řady IEEE802 a snaží se tak prosadit na trhu a více se rozšířit.
Pokud jde o marketing a testování kompatibility, tento standard podporují účastníci Fora WiMAX (www.wimaxforum.org), které sdružuje více než 200 společností. WiMAX je zkratkou slov Worldwide Interoperability for Microwave Access. Technologie s šířkou pásma do 75 Mb/s by měly fungovat až do vzdálenosti 50 kilometrů.
Nejprve popíšeme oblasti použití, základní varianty a různé typy architektury technologie WiMAX.

Oblasti použití technologie WiMAX

WiMAX nepředstavuje jen konkurenci pro Wi-Fi v oblasti překonání "poslední míle" směrem ke koncovému zákazníkovi, ale je zároveň vhodnou alternativou pro pokrytí větších ploch, ideálně bezdrátových metropolitních sítí, tedy velkoplošného pokrytí určité oblasti. Jednoduše řečeno, zatímco technologie Wi-Fi byla určena hlavně pro síťové spojení v rámci podniku či domácnosti, WiMAX je určen především operátorům, kteří jeho pomocí budou moci pokrýt celá města či jejich části, aniž by museli budovat v každém bytě přípojku.
WiMAX představuje rovněž alternativu k sítím DSL v místech, kde se propojení kabelem z finančních důvodů nejeví jako výhodné. Tato oblast je jen dalším dokladem marketingového hesla společnosti Intel "Connecting the Next Billion People", protože WiMAX umožňuje, aby vznikaly širokopásmové přístupové sítě, aniž by bylo nutné budovat nákladnou infrastrukturu pro vedení.
V oblasti koncových zařízení může WiMAX konečně sehrát roli konkurenta k UMTS. Aby byla konkurence ještě pestřejší a komplexnější, objeví se v budoucnu rovněž Mobile Broadband Wireless Access pracovní skupiny IEEE 802.20. Zda na tomto poli bude dostatek prostoru pro všechny různé standardy, se teprve ukáže.
WiMAX zatím zaujal především jako Wireless Metropolitan Area Network (WMAN), tedy jako úroveň síťové hierarchie, která v oblasti drátových technologií představuje nejen Ethernet, ale i kabely vedoucí z domácností k operátorovi a dále na páteřní síť. Níže uvedená tabulka ukazuje úrovně bezdrátových a kabelových technologií. Je přitom jasné, že jednotlivé úrovně se do jisté míry překrývají.

Technologie IEEE802.16 a její součásti

Třebaže technologie IEEE802.16 (http://grouper.ieee.org/groups/802/16) je stará teprve čtyři roky, v jejím rámci již dnes existuje řada součástí a možností. To se dá snadno vysvětlit těmito okolnostmi: u každé nové technologie vždy existuje přirozená potřeba vyvíjet její různé podoby, ale v tomto konkrétním případě hrál navíc ještě roli i fakt, že dosavadní proprietární technologie bylo nutné opravdu důkladně zdokonalit.

Stručná historie

V roce 2001 byl navržen první standard směrového přenosu pro Wireless Metropolitan Area Network (WMAN). Standard schválený v březnu 2002, který stanovuje kmitočtové pásmo od 10 do 66 GHz, umožňuje pouze přenos dat technologií LOS (Line of Sight), tedy v podstatě mezi body s přímou viditelností. V tomto frekvenčním rozsahu se navíc nacházejí většinou tzv. licenční pásma, tedy frekvence, k jejichž využití je potřeba získat licenci národního regulátora.
Začátkem roku 2003 založilo vedení Intelu WiMAX Forum, které si předsevzalo, že tento standard bude používat i pro přenosná koncová zařízení. Ještě téhož roku byly přijaty dílčí standardy IEEE802.16a a IEEE802.16REVd, které se v červenci 2004 sloučily do standardu 802.16-2004. Ten počítal s frekvenčním rozsahem 2 až 11 GHz, v němž se nacházejí jak licenční, tak bezlicenční pásma. Nižší frekvence od dvou do jedenácti GHz mají přinést jednak příznivější cenu (volné frekvence jsou zdarma, tedy nemusí se za ně platit národním regulátorům), jednak umožnit nepřímá spojení typu Non Line of Sight. Běžný dosah je 5 až 8 kilometrů, ale v případě přímé viditelnosti a optimálních podmínkách může činit až 50 km. Maximální propustnost byla stanovena na 75 Mb/s.

Přehled variant 802.16

V dalším vývojovém stupni IEEE802.16e, který byl schválen 7. prosince 2005, se budou podporovat i koncová zařízení (Non Line of Sight NLOS). V praxi to znamená, že se mohou spojovat nejen stacionární body, ale i mobilní stanice, odtud také pochází přezdívka "mobilní WiMAX". Teoreticky lze spojit i předmět pohybující se rychlostí 150 km/h. Pro tento standard budou využívány frekvence do 6 GHz, konkrétně 2,4, 3,5 a 5,8 GHz, přičemž přenosový výkon klesne na 15 Mb/s. Dosah se omezí až na 5 kilometrů, ale zůstává možnost propojit body bez přímé viditelnosti.

Architektura a aplikace

Základní architektura IEEE 802.16 předpokládá, že základní stanice (BS) bude komunikovat s jednou či několika vzdálenými Subscriber Stations (SS, předplatitelská stanice tedy koncové zařízení). Podíváme-li se na tyto názvy, je jasné, že tato oblast se značně podobá sféře mobilní komunikace. Základní stanice přitom odpovídá známému Access Pointu (AP). Subscriber Station zase odpovídá klientské stanici pro technologii 802.11. Z této základní topologie vyplývají následující rámcové podmínky:
Je třeba se snažit o to, aby se maximum funkcí umístilo na základní stanici tak, aby předplatitelské koncové stanice, které se vyrábějí ve velkých množstvích, byly co nejlevnější.
Je možné zřídit centrální správu přístupu pro kvalitativně orientovaný přenos ve smyslu Quality of Service (QoS).
Je nutné, aby se koordinace několika mobilních koncových stanic uskutečňovala prostřednictvím základní stanice.

Z hlediska použití si lze představit tyto scénáře:
První krok: schůdnou cestu představují nejprve aplikace, u nichž se přístupové body (Access Points) WLAN připojují přes páteřní síť.
Druhý krok: zde může být WiMAX natažen i do sítě WLAN, a to ke každému jednotlivému AP.
Třetí krok: nakonec je možné pokrýt i jednotlivé klientské počítače.
K tomu, aby se tyto scénáře vůbec mohly realizovat, je nezbytně nutné, aby byly jednotlivé komponenty cenově dostupné, což představuje velkou výzvu, porovnáme-li je s dnes již poměrně levnými systémy WLAN. Aby takového úspěchu WiMAX dosáhl, musí mít podstatné přednosti, zejména pokud jde o funkčnost, kvalitu a dosah. Za tím účelem je třeba přijmout řadu opatření, která popisujeme v následujícím textu.

Vytvoření standardu

Spojovou vrstvou a fyzickou vrstvou pokrývají standardy řady IEEE 802 obě spodní vrstvy referenčního modelu OSI. Spojová vrstva se přitom dále dělí na vrstvu Logical-Link-Control (LLC) a vrstvu Medium-Access-Control (MAC). Ustavení standardu pro 802.16 se řídí tímto modelem a bere v úvahu fyzickou vrstvu a vrstvu MAC.
Přitom je třeba dát pozor na dvě specifické vlastnosti:
Za prvé: ke klasickému horizontálnímu členění přistupuje ještě členění vertikální, u něhož je oddělen datový provoz od řídícího provozu. Toto členění známe již u jiných protokolů, zejména v oblasti telekomunikace a ATM, ale také u protokolů bezdrátových.
Za druhé: vrstva MAC se ještě dále člení.

MAC Layer neboli vrstva MAC

Základní prvek tvoří MAC Common Part Sublayer (MCPS, společná podvrstva MAC), která přebírá klasické úkoly vrstvy MAC, například správu kanálového přístupu a adresování.
Nahoře je přidán Service Specific Convergence Sublayer (SSCS), jak ho známe z jiných standardů 802. Zde probíhá především adaptace na provozní charakteristiku. Například profil MAC definuje buňkově orientovaný přenos ve standardu ATM, další pak paketově orientovaný přenos podle internetového protokolu.
Vespod je velmi důležitá bezpečnostní podvrstva, neboli Privacy Sublayer, která se zaměřuje na úkoly jako šifrování (kódování, enkrypci). Probíhá tu symetrické kódování, jako např. Triple-DES a AES.
Čím je zařízení mobilnější, tím potřebnější a naléhavější je zapojení do administrace systému. Přitom se rozlišuje tzv. mikromobilita (předávání v různých buňkách WiMAX) a makromobilita (předávání mezi různými sítěmi).
Kromě toho, že je nutné si poradit s různými mechanismy přenosu a integrovat je do jediného zařízení, je zapotřebí také vyjasnit otázky autentizace, autorizace a účtování (AAA ze slov: Authentication, Autorization, Accounting), aby vše probíhalo spolehlivě a uživatelsky přívětivým způsobem. Z hlediska řízení není tato komponenta součástí standardu IEEE802.16. Toto rozhodnutí musíme chápat v souvislosti s tím, že systémy WiMAX se zřejmě budou používat v značně rozdílných infrastrukturách a prostředích správy.

Kmitočtová pásma PHY

Frekvence jsou vzácné zboží. Odhlédneme-li od pásma ISM na 2,4 GHz, které se používá kupříkladu pro IEEE 802.11, Bluetooth nebo ZigBee, prakticky neexistují žádná kmitočtová pásma, které by jednotně přidělovaly příslušné dozorčí úřady na celém světě. Proto WiMAX spoléhá na nelicencovaná i licencovaná kmitočtová pásma; nejvýznamnější příklady těchto pásem najdete v následující tabulce. Předností licencovaných frekvencí je za prvé lepší kvalita, která je dána přísnějšími pravidly koexistence, dále pak vyšší kvalita příjmu (i u spojení NLOS, a to díky používání nižších frekvencí), konečně pak lepší ochrana investic díky větším bariérám bránícím vstupu na trh. Na druhé straně využívání nelicencovaných frekvencí je atraktivní díky nízkým nákladům, díky snazšímu vstupu na trh a konečně díky bohaté celosvětové nabídce nelicencovaných kmitočtových pásem.

Kmitočty ve světě

Ve Spojených státech ustavila Federální komunikační komise (Federal Communications Commission FCC) pověřený dozorčí orgán Broadband Radio Service (BRS), dříve známý jako Multi-Channel Multipoint Distribution System (MMDS). Tato reorganizace umožnila vyčlenit pásmo od 2,495 GHz do 2,690 GHz pro licencované technologie včetně WiMAXu.
V Evropě přidělil Institut pro evropské telekomunikační standardy (European Telecommunications Standards Institute ETSI) licencovaným řešením WiMAX právě pásmo 3,5 GHz, které bylo původně vyčleněno pro aplikace ve Wireless Public Local Loop (WPLL).
Nelicencovaná kmitočtová pásma odpovídají frekvencím, s nimiž se počítá pro systémy, jež jsou v souladu s 802.11a a h. Z toho zřejmě v budoucnu vyplynou i jisté problémy s koexistencí v pásmu 5 GHz, zatím ještě téměř nevyužívaném.

Vysoké frekvence

U původního standardu IEEE802.16 s frekvencemi od 10 do 66 GHz můžeme celou tuto problematiku rozdělit na dva aspekty, které spadají do kompetence orgánů pověřených dozorem: jednak ohlašovací povinnost, jednak povolovací vyhlášky a nařízení. Navíc se elektromagnetické vlny na těchto vysokých frekvencích šíří pouze částečně lineárně. Přenos je tudíž možný jen přes přímé viditelné spojení (Line of Sight LOS).
Lze to sice z funkčního hlediska vnímat jako jisté omezení, ale zároveň přináší i dvě výhody. Jelikož se používá jen jeden směr šíření, je zde možnost modulace na nosném kmitočtu (Wireless MAN Single Carrier [SC]). Z toho vyplývá, že výstavba přijímače-vysílače se zjednoduší, což se ovšem vzhledem k vysokým frekvencím téměř vůbec neodrazí v poklesu ceny jednotlivých komponent. Dalším důsledkem charakteristiky šíření bude patrně i jisté uvolnění, k němuž dojde v oblasti koexistence.
U dalších dílčích standardů je třeba počítat s celou řadou zvláštností:
Rovněž u standardu 802.16a bude možné využívat jen nosný kmitočet. V této souvislosti se používá označení Wireless MAN Single Carrier Access (SCa) Air Interface.
Co se týče cen za přidělení frekvence, šířky kanálového pásma od 1,75 do 28 GHz se budou volit tak, aby poskytovatelé síťových služeb volnou šířku pásma nezneužívali.

Použití OFDM

Postup ortogonálního frekvenčního multiplexu (Orthogonal Frequency Division Multiplex) uplatňují nejen standardy IEEE 802.16-2004. Spočívá v tom, že přenos dat se rozdělí tak, aby probíhal na několika frekvencích. Od dosavadního postupu FDM se liší především tím, že se překrývají jen částečně. Proto se OFDM vyznačuje mimořádně vysokou spektrální efektivností. Systémy WiMAX dosahují hodnot až do 3 b/s/Hz. OFDM je vhodné obzvláště pro takové kanály, u nichž se dílčí frekvence vypínají, jako je tomu např. u spojení NLOS. OFDM se používá v mnoha komunikačních řešeních, jako třeba v IEEE 802.11 nebo DSL. V několika bodech se však výrazně odlišuje od 802.11:
Vysílaný signál se u 802.16-2004 může rozdělit až na 256 dílčích frekvencí (subcarrier), zatímco u 802.11 nanejvýš na 64 dílčích frekvencí. Přitom platí prostá zákonitost, že s rostoucím počtem subcarriers se jednotlivá kmitočtová pásma zužují a odezva se prodlužuje. Delší doba přenosu pak umožňuje jeho lepší zpracování při vícecestném šíření signálu.
Navíc se musí brát v potaz takzvaný Guard Time (hlídací čas) nebo Cyclic Prefix (CP). Tím se myslí doba povolená pro přechod mezi dvěma po sobě následujícími symboly. U 802.16 ji lze postupně nastavit na 1/32, 1/16, 1/8 nebo 1/4, čímž se dosáhne optimální adaptace na vlastnosti kanálu.
Pomocí těchto i dalších opatření IEEE 802.16 je možné měnit zpoždění až na 10 ms. Jen pro srovnání: příslušná hodnota u IEEE 802.11 činí 90 ns.

OFDMA a SOFDMA

Další zvláštnost spočívá v tom, že u 802.16e počítá vrstva PHY s flexibilním využitím OFDM v rámci takzvaného OFD Multiple Access PHY (OFDMA). Následkem toho je možné kanál dále rozčlenit vzestupně (uplink) i sestupně (downlink), různé dílčí kanály pak mohou používat různé druhy kódování.
Konečně se může celý postup díky tzv. Scalable OFDMA (SOFDMA) ještě jemněji přizpůsobit daným okolnostem, a to tak, že dílčí kanály se modulují podle toho, jakou mají kvalitu: pomocí QPSK, 16QAM anebo 64QAM.

Další informace

WiMAX Forum (http://www.wimaxforum.org), fórum společností podílejících se na rozvoji WiMAX.
Dokumenty "Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems" (Část 16: Vzdušné rozhraní pro pevné širokopásmové bezdrátové systémy přístupu), IEEETM P802.16-REVd/D5-2004, a "Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems" (Část 16: Vzdušné rozhraní pro pevné a mobilní širokopásmové bezdrátové systémy přístupu), IEEETM P802.16e/D3-2004, jsou dostupné na serveru IEE802 (http://www.ieee802.org/16).
WiMaxxed.com (http://wimaxxed.com/) internetový časopis věnovaný technologii WiMAX.
WiMAX World Conference & Exposition (http://www.wimaxworld.com) trh technologie WiMAX.
Intel je sám velice aktivním členem fóra WiMAX a poskytl následující dva dokumenty: "WiMAX Technology Overview" (www.intel.com/netcomms/technologies/wimax a www.intel.com/netcomms/technologies/wimax/304471.pdf).6

Kabelové sítěBezdrátové sítě

PANdosud nezveřejněnoWPANBluetooth, 802.15.4, ZigBee, proprietární
LANIEEE 802.3WLANIEEE 802.11
MANIEEE 802.3WMANIEEE 802.16, proprietární
WANIEEE 802.3, ATM, SDHWMANGSM, GPRS, UMTS
Varianty IEEE 802.16
OznačeníIEEE 802.16IEEE 802.16a IEEE 802.16REVdIEEE 802.16-2004 (WiMAX)
IEEE 802.16e (WiMAX)
Vyrobenoprosinec 2001leden 2003 až červen 2004prosinec 2005
Produktydostupné, ale bez významu od poloviny roku 2005od roku 2006
pro soukromé zákazníky
Kmitočtové pásmo10 až 66 GHz2 až 11 GHz0,7 až 6 GHz
PřenosLOSnear LOS, non LOSnon LOS
Maximální 32 až 134 Mb/s až 75 Mb/s v 20 MHz kanálech až 15 Mb/s přenosový výkov 28 MHz kanálechv 5 MHz kanálech
Šířka pásma20, 25 a 28 MHznastavitelný od 1,5 do 20 MHz
Druhy modulaceQPSK, 16QAM, 64QAMOFDM256, OFDMA 64 QAM, OFDM256, OFDMA 64 QAM, 16QAM, QPSK, BPSK16QAM, QPSK, BPSK
Poloha přijímačepevnápevná vnější anténa, použití pro mobilní vnitřní prostory a omezená mobilita
Max. dosahvariabilní, až 100 kmaž do 50 km, obvykle 15 km s jistými až do 5 km, obvykle 1,5 km
výjimkami, 5 km s vnitřní anténou
Mezinárodní využití frekvencí pro IEEE802.16 2004
OblastLicencované frekvenceNelicencované frekvence
Severní Amerika, Mexiko2,5 GHz5 GHz
Střední a Jižní Amerika2,5 GHz, 3,5 GHz5 GHz
Západní a východní Evropa3,5 GHz5 GHz
Střední východ, Afrika3,5 GHz5 GHz
Asie a Pacifik3,5 GHz5 GHz