Nowoczesne technologie: WiMAX jako alternatywa sieci GSM, GPRS i UMTS

SAMODZIELNY ZAKŁAD SIECI KOMPUTEROWYCH Wydział Fizyki Technicznej, Informatyki i Matematyki Stosowanej POLITECHNIKA ŁÓDZKA 90-924 Łódź ul. Stefanowskiego 18/22 tel./fax. (42) 6 360 300 e-mail: szsk@zsk.p.lodz.pl Karol Jurkowski Nowoczesne technologie: WiMAX jako alternatywa sieci GSM, GPRS i UMTS Praca dyplomowa magisterska Promotor: dr inŝ. Michał Morawski Dyplomant: Karol Jurkowski Nr albumu: 124716 Łódź 2007

SPIS TREŚCI AKRONIMY... 3 1. WSTĘP... 5 1.1. CEL I ZAKRES PRACY... 6 1.2. STRESZCZENIE ROZDZIAŁÓW... 7 1.3. AKTUALNOŚĆ TEMATU... 8 2. TECHNOLOGIA METROPOLITARNYCH SIECI BEZPRZEWODOWYCH WIMAX... 9 2.1. CHARAKTERYSTYKA SIECI WIMAX... 10 2.2. STANDARYZACJA TECHNOLOGII WIMAX... 12 2.3. MODEL REFERENCYJNY STANDARDU 802.16 (WIMAX)... 15 3. WARSTWA FIZYCZNA TECHNOLOGII WIMAX... 17 3.1. CHARAKTERYSTYKA MEDIUM... 18 3.2. PROPAGACJA SYGNAŁU RADIOWEGO... 19 3.3. TECHNIKI WIELODOSTĘPU, MODULACJI I TRANSMISJI.... 23 3.3.1. Techniki wielodostępu... 23 3.3.2. Techniki transmisji danych... 27 3.3.3. Obsługa transmisji dwukierunkowej... 28 3.3.4. OFDM... 29 3.3.5. OFDMA... 33 3.3.6. Parametry OFDM w rozwiązaniach WiMAX... 33 3.3.7. Definicja slotu i format ramki transmisyjnej... 35 3.3.8. Modulacja adaptacyjna... 38 3.4. OPCJONALNE ROZWIĄZANIA WARSTWY PHY... 40 3.4.1. Zaawansowane techniki antenowe... 40 3.4.2. Mechanizm korekcji błędów H-ARQ... 42 3.4.3. Częściowe uŝycie częstotliwości... 42 4. WARSTWA DOSTĘPU DO NOŚNIKA MAC... 44 4.1. TRYBY PRACY SIECI WIMAX... 45 4.2. PODWARSTWA KONWERGENCJI USŁUG (SC)... 47 4.2.1. Likwidacja nadmiarowści nagłówków PHS... 48 4.3. ZASTOSOWANIE I ZADANIE WARSTWY WSPÓLNEJ MAC... 49 4.3.1. Format jednostki PDU... 49 4.3.2. Konstrukcja i transmisja jednostek PDU... 50 4.3.3. Włączanie do sieci i inicjalizacja... 54 4.3.4. Zarządzanie pasmem w warstwie MAC... 59 4.3.5. Zarządzanie usługami w warstwie MAC (QoS w grupie standardów 802.16)... 60 4.4. ROZWIĄZANIA WARSTWY MAC WSPIERAJĄCE MOBILNOŚĆ.... 64 4.4.1. Zarządzanie oszczędzaniem energii... 64 4.4.1.1. Tryb uśpienia... 64 4.4.1.2. Tryb bezczynności... 66 4.4.2. Zarządzanie mobilnością... 67 4.4.2.1. Przełączanie pomiędzy stacjami bazowymi Handover... 69 4.4.2.2. MDHO i FBSS... 70 5. PODWARSTWA BEZPIECZEŃSTWA... 73 5.1. ARCHITEKTURA... 73 5.2. LOGOWANIE URZĄDZENIA W SIECI... 76 5.2.1.1. Proces uwierzytelniania... 76 5.2.1.2. Proces wymiany kluczy... 78 5.2.2. Metody kryptograficzne stosowane w standardzie 802.16Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 5.3. JAKOŚĆ BEZPIECZEŃSTWA W SYSTEMIE WIMAX... 79 6. PORÓWNANIE TECHNOLOGII TRANSMISJI DANYCH W SIECIACH KOMÓRKOWYCH I WIMAX... 80 6.1. TRANSMISJA DANYCH W SIECIACH MOBILNYCH 3G I 3,5G... 80 1

6.1.1. GSM... 81 6.1.2. GPRS/EDGE... 82 6.1.3. UMTS (HSDPA/HSUPA)... 84 6.1.4. 1xEVDO... 85 6.2. ANALIZA MOśLIWOŚCI I ROZWIĄZAŃ SIECI 3G I TECHNOLOGII WIMAX... 86 7. PODSUMOWANIE... 93 BIBLIOGRAFIA... 95 2

AKRONIMY 3GPP 3G Partnership Project 3GPP2 3G Partnership Project 2 AAS Adaptive Antenna System also Advanced Antenna System ACK Acknowledge AES Advanced Encryption Standard AMC Adaptive Modulation and Coding A-MIMO Adaptive Multiple Input Multiple Output (Antenna) AMS Adaptive MIMO Switching ARQ Automatic Repeat request ASN Access Service Network BE Best Effort CC Chase Combining (also Convolutional Code) CDM Code Division Multiplex CDMA Code Division Multiple Access CINR Carrier to Interference + Noise Ratio CP Cyclic Prefix CTC Convolutional Turbo Code DL Downlink DPCCH Downlink Physical Control Channel DSC Data Source Control DSL Digital Subscriber Line DVB Digital Video Broadcast EAP Extensible Authentication Protocol ErtPS Extended Real-Time Polling Service EVDO Evolution Data Optimized or Evolution Data Only E-UTRA Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access FBSS Fast Base Station Switching FCH Frame Control Header FDD Frequency Division Duplex FFT Fast Fourier Transform FTP File Transfer Protocol FUSC Fully Used Sub-Carrier GPRS General Packet Radio Service HARQ Hybrid Automatic Repeat request HMAC Hash Message Authentication Code HSPA High Speed Packet Access HSDPA High Speed Downlink Data Packet Access HS-DPCCH High-Speed Dedicated Physical Control Channel HS-DSCH High-Speed Downlink Shared Channel HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel HSUPA High-Speed Uplink Data Packet Access HTTP Hyper Text Transfer Protocol IFFT Inverse Fast Fourier Transform IR Incremental Redundancy ISI Inter-Symbol Interference LOS Line of Sight MAC Media Access Control 3

MAI Multiple Access Interference MAN Metropolitan Area Network MAP Media Access Protocol MBS Multicast and Broadcast Service MDHO Macro Diversity Hand Over MIMO Multiple Input Multiple Output (Antenna) NACK Not Acknowledge NLOS Non Line-of-Sight nrtps Non-Real-Time Polling Service OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PER Packet Error Rate PKM Public Key Management PSK Phase Shift Keying PUSC Partially Used Sub-Carrier QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RRI Reverse Rate Indicator RTG Receive/transmit Transition Gap rtps Real-Time Polling Service SDMA Space (or Spatial) Division (or Diversity) Multiple Access SIM Subscriber Identity Module SIMO Single Input Multiple Output (Antenna) SINR Signal to Interference + Noise Ratio SISO Single Input Single Output (Antenna) SM Spatial Multiplexing SNIR Signal to Noise + Interference Ratio SNR Signal to Noise Ratio S-OFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access SS Subscriber Station STBC Space Time Block Code STC Space Time Coding TD-CDMA Time Division Code Division Multiple Access TD-SCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple Access TDD Time Division Duplex TDM Time Division Multiplex TEK Traffic Encryption Key TTG Transmit/receive Transition Gap TTI Transmission Time Interval UGS Unsolicited Grant Service UL Uplink UMTS Universal Mobile Telecommunications System UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network VoIP Voice over Internet Protocol VPN Virtual Private Network VSM Vertical Spatial Multiplexing WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WiBro Wireless Broadband (Service) WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access 4

1. Wstęp Rozwój współczesnej informatyki i telekomunikacji następuję w bardzo dynamicznym tempie i stawia coraz to nowe wymagania przed ludźmi zajmującymi się rozwojem tych gałęzi techniki. Sprzęt komputerowy niegdyś zarezerwowany dla wielkich przedsiębiorstw i środowisk akademickich w dniu dzisiejszym jest elementem, który występuje niemalŝe w kaŝdym miejscu naszego Ŝycia. Współczesny człowiek świadomie lub nieświadomie spotyka się z technologią informatyczną niemalŝe na kaŝdym kroku, począwszy od komputera w pracy, poprzez wszelkiego rodzaju automaty a kończąc na telefonie komórkowym noszonym przez większość z nas w kieszeni kaŝdego dnia. Mnogość zastosowań urządzeń do przetwarzania informacji, jakimi są urządzenia techniki komputerowej oraz wzrost zapotrzebowania na szybką i bieŝącą informację spowodowała, iŝ urządzenia te nie mogą pracować jak kiedyś jako urządzenia autonomiczne ale muszą wymieniać pomiędzy sobą informację. Dostępność sprzętu, potrzeba dynamicznego dostępu do informacji i jej przetwarzania spowodowała szybki rozwój telekomunikacji oraz technologii sieci komputerowych. Rozpowszechnienie globalnego źródła informacji jakim stał się Internet uczyniła z informatyki i telekomunikacji jedne z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin współczesnego Ŝycia. Jednym z podstawowych motorów, które napędzają rozwój tych dwóch dziedzin jest niewątpliwie przedsiębiorczość, która to z dnia na dzień stawia ekspertom od informatyki i telekomunikacji coraz to nowe wymagania. Rozwój współczesnego przedsiębiorstwa, które nie korzysta z dobrodziejstw nowoczesnych technologii jest raczej skazana na niepowodzenie. Obserwując wzrost wykorzystania technologii przetwarzania informacji, sieci komputerowych oraz rozwój handlu elektronicznego moŝna stwierdzić, Ŝe niebawem będą istniały dwa rodzaje biznesów - te które są w sieci i te które niestety wypadły z interesu. Komunikacja stała więc się koniecznością. Wynikiem tak szybkiego rozwoju i dostępności technologii zarówno sprzętu jak i oprogramowania jest wzrost zapotrzebowania na jakość usług oraz ich dostępność. Ten wzrost zapotrzebowania na dostępność informacji szczególnie dotyczy rozwoju sieci komputerowych oraz telekomunikacyjnych. W dniu dzisiejszym, coraz większej rzeszy klientów nie wystarczają juŝ szybkie usługi dostępowe świadczone przez operatorów sieci przewodowych, czy nawet dynamicznie rozwijające się usługi transmisji danych 5

operatorów sieci komórkowych, współczesny klient zaczyna wymagać dostępności informacji w kaŝdym miejscu i o kaŝdym czasie z zapewnieniem jakości i bezpieczeństwa. Wymagania takie wymuszają na dostawcach sprzętu unowocześnianie dostępnych technologii lub tworzenie nowych rozwiązań. W dziedzinie komunikacji bezprzewodowej jednym z takich rozwiązań mających zaspokoić potrzeby rynku, dać moŝliwość szybkiej i bezpiecznej z zachowaniem bardzo wysokich wymagań jakościowych wymiany informacji jest standaryzowana technologia miejskich sieci radiowych WIMAX (ang. Worldwide Interoperability for Microwave Access). 1.1. Cel i zakres pracy Celem pracy dyplomowej jest przedstawienie bezprzewodowej technologii transmisji danych opartej o opracowaną przez organizację IEEE grupę standardów 802.16. Przedstawiona w pracy technologia oparta jest na dwóch standardach 802.16d oraz 802.16e, które z całej grupy standardów opracowanych przez IEEE doczekały się komercyjnych wdroŝeń. Praca przedstawia podstawowe rozwiązania jakie są stosowane w technologii, która bazuje na powyŝszych standardach. Jednak głównym celem jest przedstawienie rozwiązań technologii WiMAX, które pozwalają na traktowanie jej jako alternatywy rozwiązań stosowanych w systemach transmisji danych w sieciach komórkowych. Praca przedstawia więc w miarę szczegółowo rozwiązania jakie zostały zastosowane w najnowszym standardzie IEEE 802.16e, który został opracowany w celu zapewnienia wsparcia mobilności terminali klienckich pracujących w sieci WiMAX. Przedstawienie rozwiązań standardu mobilnego WiMAX, ma na celu umoŝliwienie porównania tych rozwiązań z systemami GSM, GPRS i UMTS. 6

1.2. Streszczenie rozdziałów Rozdział 1. Rozdział ten stanowi wprowadzenie do pracy oraz przedstawienie celu i zakresu niniejszej pracy. Rozdział 2. Przedstawione zostały w tym rozdziale podstawowe informacje o moŝliwościach technologii WiMAX. Rozdział zawiera równieŝ opis, historię powstawania standardów na jakich opiera się technologia WiMAX.Opisany został równieŝ podstawowy model odniesienia opisujący warstwową budowę sieci WiMAX Rozdział 3. W rozdziale tym przedstawione zostały mechanizmy oraz techniki zastosowane w warstwie fizycznej technologii WiMAX. Rozdział 4. Zawarte w tym rozdziale informację dotyczą warstwy dostępu do nośnika, która została zaimplementowana w technologii WiMAX. Rozdział zawiera opis wszystkich procedur oraz moŝliwości, jakie stosowane są w warstwie MAC standardu opisującego sieci WiMAX. Rozdział 5. W rozdziale tym przedstawione są mechanizmy bezpieczeństwa jakie zostały zaimplementowane w sieciach WiMAX. Rozdział 6. Rozdział ten stanowi ogólny przegląd technologii transmisji danych w sieciach komórkowych oraz ogólne zestawienie moŝliwości tych sieci z uwzględnieniem rozwiązań zastosowanych w sieciach WiMAX. 7

1.3. Aktualność tematu Technologia sieci bezprzewodowych opartych na standardzie 802.16 w okresie pisania niniejszej pracy znajduję się w fazie projektowania oraz wstępnych wdroŝeń. W chwili obecnej jedyną z popularniejszych metod dostępu bezprzewodowego są rozwiązania oferowane przez dostawców telefonii komórkowej, bazujące na rozszerzeniu technologii cyfrowej transmisji głosu. Opracowany standard 802.16 jest natomiast nowością, która wprowadza bardzo uniwersalne jak równieŝ ekonomiczne podejście do transmisji danych, wykorzystujące znane dotąd technologie łącząc je w jednolitą znormalizowaną całość. WiMAX jako nowa technologia jest w chwili obecnej cały czas w centrum zainteresowania duŝej grupy odbiorców jak i producentów sprzętu. Szacuje się, Ŝe technologia WiMAX zacznie być wykorzystywana masowo po roku 2008, gdyŝ po zakończeniu certyfikacji sprzętu w tym okresie szacuje się rozpoczęcie masowej produkcji urządzeń, a co za tym idzie spadek ich cen. WiMAX jako rozwiązanie o duŝej skalowalności stanowi ciekawe rozwiązanie dla operatorów świadczących usługi dostępowe, lecz niestety w czasie pisania pracy jest technologią słabo rozpowszechnioną, co związane jest prawdopodobnie z koniecznością poniesienia dodatkowych inwestycji na budowę sieci szkieletowej, gdyŝ technologia ta wymaga całkiem nowego sprzętu i niestety nie daje moŝliwości rozszerzenia dotychczasowych systemów nadawczych o nową funkcjonalność, co osiągalne jest w przypadku technologii transmisji danych w sieciach komórkowych. WiMAX jednak coraz częściej zaczyna być stosowany przez operatorów świadczących przewodowe usługi dostępowe, jako substytut tych usług. Pojawiające się nowe rozwiązania sprzętowe, jak równieŝ spadające koszty sprzętu mogą uczynić z technologii WiMAX jedną z czołowych w dostępie bezprzewodowym. 8

2. Technologia metropolitarnych sieci bezprzewodowych WIMAX WIMAX jest technologią opartą na standardach IEEE 802.16 i ETSI HiperMAN, stworzoną by umoŝliwić dostęp do szerokopasmowych usług na duŝych obszarach (np. obszar miasta, gminy, powiatu). Standardy IEEE 802.16 i ETSI HiperMAN pomimo, iŝ są bardzo podobne pozwalają na powstawanie róŝnych konfiguracji sprzętowych, co pozwala na wystąpienie sytuacji, w której urządzenia wielu producentów pracowałyby w innych konfiguracjach. Technologia WIMAX ma zapewnić poprzez certyfikację sprzętu pełną kompatybilność urządzeń róŝnych producentów. Standard ten stanowić ma w załoŝeniu alternatywę dla sieci przewodowych czy DSL, szczególnie na obszarach o słabo rozbudowanej sieci telekomunikacyjnej. W praktyce wszystkie technologie, które wykorzystuje standard WiMax, były juŝ dostępne i wykorzystywane w róŝnego rodzaju rozwiązaniach bezprzewodowych. Jednak brak jednolitego standardu uniemoŝliwiał tworzenie przez firmy trzecie tanich rozwiązań klienckich, oraz powodował, Ŝe ceny indywidualnych rozwiązań utrzymywały na niezmiennym wysokim poziomie przez wiele lat. Podobna sytuacja miała miejsce w przypadku sieci bezprzewodowych pracujących w standardzie Wi-Fi. Stworzenie jednolitego standardu umoŝliwiło lawinowy rozwój sieci bezprzewodowych i spowodowało drastyczny spadek cen urządzeń.[15] WiMAX zapewni moŝliwość świadczenia usług w kilku obszarach, dotychczas obsługiwanych przy pomocy wielu róŝnych, niekompatybilnych technologii: Usługi dostępowe oraz VoIP na duŝych obszarach mieszkalnych i SOHO - dziś obsługiwane przez DSL i łącza kablowe Usługi dostępowe oraz VoIP dla małego i średniego biznesu dziś obsługiwane przez łącza dzierŝawione, DSL, LMDS czy róŝnego rodzaju radiolinie. Usługi dostępowe oraz VoIP dla uŝytkowników mobilnych dziś obsługiwane przez bardzo ograniczoną sieć hot-spotów i przy pomocy technologii GPRS i UMTS. 9

Mobilność standardu (802.16e) daje operatorom moŝliwość powiększenia palety usług i wejście na zupełnie nowe, nieobsługiwane dotychczas rynki. Pojawienie się urządzeń pracujących w standardzie 802.16e, obsługujących mobilność, umoŝliwi stworzenie konkurencji dla technologii UMTS, a usługi VoIP, świadczone przez sieci WiMax, mogą zrewolucjonizować rynek usług głosowych, otwierając przed uŝytkownikami zupełnie nowe moŝliwości. 2.1. Charakterystyka sieci WIMAX Technologia WIMAX ma zapewnić moŝliwość budowy sieci o wysokiej przepustowości oraz duŝej skalowalności. Sieci oparte o technologię WIMAX poprzez zastosowanie wielu skalowalnych rozwiązań warstwy fizycznej, jak równieŝ warstwy MAC, dają operatorom moŝliwości dostosowania konfiguracji sieci do aktualnych wymagań klientów. Uzyskuje się dzięki temu moŝliwość konfiguracji stacji bazowych dostosowanych do bieŝącego obciąŝenia sieci, dostępnego pasma, warunków w kanale komunikacyjnym, co pozwala na efektywne wykorzystanie pasma, sprzętu i ograniczeniu kosztów inwestycji. Sieci WIMAX są typowymi sieciami bezprzewodowymi o zasięgu miejskim MAN i w związku z tym, wymagają one w celu pokrycia terenu o powierzchni podobnej do osiągalnej w sieciach telefonii komórkowej większej ilości stacji nadawczych. [16] Rys. 2.1: Podział standardów sieci bezprzewodowych pod względem zasięgu 10

Podstawę funkcjonalności sieci WiMAX stanowi stacja bazowa, która za pomocą anten wysyła i odbiera sygnał od urządzeń klienckich, zapewniając dostęp do sieci. W standardach tworzących technologię WIMAX przyjęto podział obszaru działania sieci na komórki oraz sektory podobnie jak w innych rozwiązaniach bezprzewodowych, dzięki temu stworzono moŝliwość duŝej skalowalności i zwiększenie efektywności działania. Pod względem efektywności transmisji technologia WiMAX pozwala teoretycznie osiągnąć prędkości rzędu 70Mbps, co przy wsparciu mobilności czy chociaŝby dostępu nomadycznego sytuuję ją w czołówce dostępnych rozwiązań.[7] Rys. 2.2: Przepustowość poszczególnych rozwiązań sieci bezprzewodowych w zaleŝności od poziomu wspieranej mobilności Technologia WIMAX w dniu dzisiejszym pozwala na tworzenie sieci umoŝliwiających trzy tryby dostępu: I Dostęp stały (ang. Fixed access) - bez moŝliwości przełączania pomiędzy sektorami, co wyklucza jakiekolwiek aspekty mobilności; II Przenośność (ang. Nomadicity/Portability with simple Mobility) - moŝliwe przełączenia ze stratami w transmisji, moŝliwość połączenia do sieci z dowolnego miejsca w zasięgu systemu; 11

III Pełna mobilność (ang. Full mobility) - szybkie przełączenia w infrastrukturze sieci z bardzo małymi stratami pakietów akceptowalnymi przez aplikacje czasu rzeczywistego, jak np. VoIP; Charakterystyczną cechą sieci opartych o standard 802.16, jest moŝliwość pracy urządzeń przy bezpośredniej widoczności optycznej jak i bez niej, co w dotychczasowych sieciach bezprzewodowej, szerokopasmowej transmisji danych było trudne do osiągnięcia na większych odległościach (rzędu setek metrów lub kilometrów) przy zachowaniu duŝej przepustowości. 2.2. Standaryzacja technologii WIMAX Technologia WIMAX związana jest ściśle z grupą standardów opracowanych przez stowarzyszenie IEEE oraz ETSI. Standardy opisujące technologię, budowę, zasadę działania oraz wytyczne co do wymagań sprzętu zdefiniowane są w jednej grupie o roboczej nazwie 802.16. W standaryzacji 802.16 zawarte są równieŝ wytyczne zdefiniowane przez ETSI a mianowicie standard ETSI HiperMAN. Standard 802.16 definiuje interfejs radiowy (warstwa fizyczna PHY) oraz warstwę dostępu do nośnika MAC dla szerokopasmowej sieci bezprzewodowej.[7] Pierwsza część standaryzacji (802.16) jaka została opracowana w roku 2001, definiowała szerokopasmowy radiowy system dostępowy, który miał pracować w zakresie częstotliwości mikrofalowych 10-66 GHz. Ze względu na ograniczone moŝliwości transmisji w pierwszym standardzie, spowodowane duŝą podatnością sygnału na zakłócenia oraz małym zasięgiem jak równieŝ wymogiem bezpośredniej widoczności anten pomiędzy stacją bazową a terminalem, rozszerzono zakres prac nad drugą wersję standardu, która definiowała dwie warstwy sieciowej transmisji w paśmie 2-11 GHz (standard 802.16a). Standard 802.16a, który został zatwierdzony w roku 2003 definiuje nowy interfejs radiowy z moŝliwością realizacji połączeń radiowych, poza strefą bezpośredniej widoczności anten. Kolejne dwa standardy opublikowane i zatwierdzone w roku 2003 802.16b i 802.16c, wprowadzały poprawki dotyczące mechanizmów zapewnienia jakości połączenia QoS oraz kompatybilności wstecznej standardów. 12

W roku 2004 opublikowano zrewidowaną wersję specyfikacji IEEE 802.16-2004 nazwaną równieŝ 802.16d, w której poprawiono, uzupełniono i scalono w jednym opracowaniu wcześniejsze specyfikację. Publikacja ta uznawana jest powszechnie za podstawę definiowania charakterystyk, projektowania i wdroŝeń dla radiowego systemu dostępu szerokopasmowego znanego pod nazwą WiMAX. Standard jest podstawą budowy systemów dla uŝytkowników stacjonarnych i nie wspiera on mobilności, jedynie przenośność terminala klienckiego. Kolejnym etapem w opracowaniu technologii WiMAX był standard 802.16e, nazwany równieŝ mobilnym WiMAX-em, w którym opracowano obsługę urządzeń stacjonarnych jak i ruchomych. Specyfikacja ta dotyczy pasma 2-6GHz w którym moŝliwa jest obsługa komunikacji z terminalami ruchomymi. Data zatwierdzenia Standard Opis 2001 Grudzień 802.16 Stały dostęp w paśmie 10-66GHz, wymagany LOS 2003 Marzec 802.16a Stały dostęp w paśmie 2-11GHz, środowisko NLOS 2003 802.16b Poprawki mechanizmu QoS 2003 802.16c Kompatybilność i protokoły testujące 2004 Czerwiec 802.16d Separacja antenowa, podział na podkasały 2006 Luty 802.16e Mobilność w paśmie 2-6GHz Tab. 2.1: Proces standaryzacji standardu IEEE 802.16 Procesem standaryzacji zajmuje się stowarzyszenie IEEE, natomiast promowaniem technologii oraz certyfikacją sprzętu w celu uzyskania kompatybilności oraz globalnego zasięgu, zajmuje się organizacja WiMAX Forum. Organizacja ta jest zrzeszeniem ponad 230 członków wśród, których znajdują się zarówno wielcy potentaci telekomunikacyjni, producenci sprzętu, dostawcy usług oraz integratorzy systemowi. Obecność takiej organizacji daje pewność klientowi końcowemu, Ŝe zakupiony przez niego sprzęt, który przeszedł proces certyfikacji będzie pracował bezproblemowo bez względu od jakiego producenta pochodzi.[16] 13

W związku z bogatą ilością rozwiązań zdefiniowaną w standardach 802.16, WiMAX Forum jest organizacją wydającą odpowiednie wytyczne co do budowy konkretnych systemów oraz późniejszym ich certyfikowaniu. 14

2.3. Model referencyjny standardu 802.16 (WIMAX) WiMAX jest technologią sieciową, w związku z tym moŝemy zasadę jego działania odnieść do modelu referencyjnego OSI. WiMAX jako technologia transmisji drogą radiową, swym działaniem obejmuje dwie pierwsze warstwy modelu referencyjnego OSI, warstwę dostępu do medium transmisji MAC oraz warstwę fizyczną. Warstwa łącza danych MAC Warstwa fizyczna PHY WyŜsze warstwy: IP,ATM. Podwarstwa konwergencji usług (CS) Wspólna część podwarstwy MAC (CPS) Podwarstwa bezpieczeństwa (Security) Warstwa zbieŝności transportu (TC) (tylko dla WirelessMAN SC) Właściwa warstwa fizyczna Rys 2.3: Model referencyjny WiMAX WiMAX ze względu na wsparcie róŝnych protokołów komunikacyjnych, dzieli warstwę MAC na trzy podwarstwy (CS, MAC CPS i Security)[7]: Podwarstwa konwergencji usług (ang. Service-Specific Convergence Sublayer) CS - przyjmuje ruch i dokonuje wszelkich czynności związanych z przyjęciem z zewnątrz danych lub ich odwzorowaniem do MAC PDU (ang. Protocol Data Unit). W tej podwarstwie następuje więc przekształcenie jednostek danych protokołów wyŝszych, do jednostek danych zgodnych ze specyfikacją warstwy MAC. Podwarstwa CS moŝe takŝe zawierać funkcje, których zadaniem jest usuwanie nadmiarowości nagłówka w pakietach warstw wyŝszych tzw. PHS (ang. Payload Header Suppression). W 802.16 stosuje się dwie róŝne podwarstwy CS specyficzne dla zastosowań: podwarstwę CS dla komórek ATM oraz podwarstwę CS dla danych pakietowych. Wspólna część warstwy MAC CPS (ang. Common Part Sublayer), której zadaniem jest dostarczanie takich funkcjonalności jak dostęp do systemu, alokacja pasma dla poszczególnych usług, ustanowienie połączenia oraz zarządzanie połączeniem. 15

Podwarstwa ta związana więc jest z zapewnieniem jakości usług (QoS), które jest wykorzystywane przy transmisji i kolejkowaniu danych przez warstwę fizyczną. Podwarstwa bezpieczeństwa (ang. Security Sublayer) udostępnia funkcje, których głównym celem jest zapewnienie bezpiecznego połączenia pomiędzy komunikującymi się węzłami. Zapewnia ona więc usługi takie jak autentyfikacja, wymiana klucza i szyfrowanie. Pomiędzy warstwą fizyczną, a podwarstwą dostępu do medium (MAC) znajduje się podwarstwa konwergencji (TC), która dokonuje transformacji zmiennej długości jednostek danych protokółów MAC, na jednostki o stałej długości stosowane w warstwie fizycznej. Występuję ona jedynie w warstwie fizycznej, w której wykorzystywana jest w transmisji, modulacja pojedynczej nośnej sygnału radiowego (WirelessMAN SC) 16

3. Warstwa fizyczna technologii WiMAX WiMAX jest technologią tworzoną pod kątem wydajnej transmisji danych i w stosunku do technologii sieci komórkowych, gdzie podstawą tworzenia standardów była i jest transmisja głosu, wykorzystuje ona nowatorskie rozwiązania warstwy fizycznej, pozwalające na wydajniejsze przesyłanie danych. Podstawą działania i zarazem źródłem moŝliwości transmisyjnych technologii WiMAX jest technika transmisji OFDM (ang. orthogonal frequency division multiplexing), wykorzystywana wraz z róŝnymi schematami modulacyjnymi i kodowymi. OFDM jest techniką, która zapewnia szybką transmisje danych, co zostało wykorzystane w juŝ dotychczasowych systemach takich jak ADSL, WiFi czy cyfrowym przekazie obrazu DVB-H. Warstwa fizyczna WIMAX definiuje równieŝ, stosowanie zawansowanych rozwiązań antenowych jak i rozbudowanych mechanizmów kontroli transmisji H-ARQ. [7][9] W technologii WiMAX zdefiniowano pięć wariantów warstwy fizycznej w zaleŝności od wykorzystywanego pasma oraz technik modulacyjnych: WirelessMAN-SC Warstwa fizyczna oparta na transmisji w paśmie 10-66MHz, wykorzystująca kanał transmisji o szerokości 20MHz. Transmisja odbywa się z wykorzystaniem modulacji pojedynczej nośnej sygnału radiowego. Tryb transmisji z wykorzystaniem dupleksu częstotliwościowego FDD, jak i czasowego TDD z wykorzystaniem metody wielodostępu TDMA. Osiągalne są w tej warstwie maksymalne przepustowości teoretyczne na poziomie 144Mbps. Warstwa fizyczna SC została zaprojektowana do pracy przy bezpośredniej widoczności radiowej pomiędzy nadajnikiem, a odbiornikiem. WirelessMAN-SCa Rozwiązanie podobne do warstwy SC z moŝliwością pracy w środowisku bez bezpośredniej widoczności optycznej. Transmisja odbywa się w paśmie <11GHz. W tym rozwiązaniu zastosowano zmienną szerokość kanału transmisji, będącego wielokrotnością 1,25MHz lub 2MHz i o maksymalnej wartości 20MHz. Maksymalna osiągalna przepustowość w tym rozwiązaniu to ok. 70Mbps. 17

WirelessMAN-OFDM W rozwiązaniu tej warstwy fizycznej zastosowano nową, lepszą metodę transmisji z wykorzystaniem zwielokrotniania częstotliwości OFDM. Wielodostęp w tym rozwiązaniu zrealizowany jest poprzez podział w dziedzinie czasu TDMA. Transmisja odbywa się w licencjonowanym paśmie częstotliwości poniŝej 11GHz. Ten typ warstwy fizycznej, stanowi podstawę budowy sieci WiMAX dla uŝytkowników nomadycznych (stacjonarnych terminali klienckich lub przenośnych). WirelessMAN-OFDMA Najnowsze rozwiązanie warstwy fizycznej, które wspiera mobilność terminala klienckiego. Pasmo częstotliwości podobne jak w poprzednich rozwiązaniach ( <11GHz). Nowością w tym rozwiązaniu jest zastosowanie skalowalnej metody wielodostępu opartej na technice OFDM, a mianowicie SOFDMA. WiMAX jako technologia transmisji, utoŝsamiana jest w dniu dzisiejszym z dwoma ostatnimi rozwiązaniami warstwy fizycznej, opartymi na technice OFDM (określany mianem stacjonarnego WiMAXa) oraz OFDMA (nazywany mobilnym WiMAX-em). W związku z zamierzeniem, przedstawienia w tej pracy rozwiązań w sieciach WiMAX, które mogą stanowić rozwiązania komplementarne w stosunku do technologii transmisji danych wykorzystywanych w sieciach komórkowych, w dalszej części pracy przedstawione zostaną rozwiązania, bazujące na warstwach opartych na technikach OFDM oraz OFDMA. 3.1. Charakterystyka medium Technologia WiMAX, podobnie jak technologie sieci komórkowych wykorzystuje jako medium transmisji fale radiowe, w związku z tym wszystkie te technologie muszą radzić sobie z niedogodnościami, jakie związane są z transmisją za pomocą tego medium. Do najwaŝniejszych uciąŝliwości, które są technicznymi ograniczeniami transmisji radiowej zaliczyć moŝemy: wielodrogowość sygnału radiowego tłumienie interferencje 18

WiMAX został zaprojektowany do pracy w pasmach częstotliwości mikrofalowych 10-66GHz oraz 2,5-11GHz i w związku z tym, jako technologia jest bardziej podatna na wyŝej wymienione negatywne aspekty transmisji radiowej, niŝ technologie stosowane w sieciach komórkowych takie jak GSM, GPRS czy UMTS. Standardy stosowane w sieciach komórkowych, zostały zaprojektowane do pracy w paśmie 400-2100MHz, w którym takie aspekty jak tłumienie sygnału czy interferencje są mniej dokuczliwe i pozwalają w związku z tym, na obsługę większych powierzchni niŝ rozwiązania stosowane w sieciach WiMAX.[20] Praca systemów opartych na standardzie 802.16 w tak wysokim paśmie, wymaga stosowania odpowiednich metod kodowania oraz modulacji sygnałów radiowych w celu zapewnienia dobrej jakości usług. Systemy transmisji oparte o technologie GSM, GPRS, w związku z wykorzystywanym pasmem częstotliwości są mniej wydajne jeŝeli chodzi o wydajność widmową, a w szczególności, jeśli chodzi o ilość danych przenoszonych przez Hz w ciągu sekundy. Systemy transmisji takie jak GSM czy GPRS oraz jego rozwinięcie EDGE w związku z tym, iŝ bazują na rozwiązaniach, które zostały stworzone do transmisji głosu i wykorzystują szerokość kanału transmisji 200kHz, pozwalają na osiągnięcie maksymalnej prędkości transmisji w granicach 473kbps. [18] Nowsze rozwiązania takie jak UMTS czy EVDO, przechodząc w wyŝsze pasma transmisji, umoŝliwiają wydajną szerokopasmową transmisyjne z wykorzystaniem szerokości kanału odpowiednio 5MHz i 1,25MHz. W technologii WiMAX, która została zaprojektowana do pracy w róŝnych pasmach transmisji (2,5GHz 11GHz oraz 10-66GHz), szerokość kanału transmisji moŝe być dobierana w zaleŝności od potrzeb oraz dostępności w zakresie od 1,25 do 20 MHz, co czyni ją dostępną prawie w kaŝdym rejonie świata, gdzie dostępne częstotliwości oraz szerokości kanałów są róŝne.[7] 3.2. Propagacja sygnału radiowego Propagacja sygnału radiowego ma zasadniczy wpływ na jakość transmisji w systemach radiowych. Własności propagacyjne środowiska pomiędzy stacją nadawczą a odbiornikiem, nabierają coraz większego znaczenia wraz ze wzrostem wykorzystywanych częstotliwości i tak w przypadku technologii WiMAX, która została zaprojektowana do pracy w paśmie częstotliwości mikrofalowych, odgrywa ona kluczową rolę. Standard 802.16 przyjmuje dwa modele propagacji sygnału radiowego: 19

z bezpośrednią widocznością radiową pomiędzy komunikującymi się urządzeniami oraz bez bezpośredniej widoczności radiowej. W specyfikacjach sieci pracujących w paśmie GSM, propagacja sygnału radiowego ze względu na zastosowane częstotliwości fali nośnej, ma mniejszy wpływ na jakość transmisji, gdyŝ wykorzystywane pasmo jest bardziej odporne na ugięcia oraz tłumienie. W tych technologiach wykorzystuje się całkiem odmienne modele propagacyjne, niŝ w sieciach opartych na technologii WiMAX. LOS Większość systemów radiowych zaprojektowanych do pracy w pasmach mikrofalowych, wykorzystuje jako podstawowym model pracy model z bezpośrednią widocznością pomiędzy antenami - LOS (ang. Line Of Sight). Jest to model o pełnej widoczności, wymagający całkowicie przejrzystej pierwszej I strefy Fresnela. Strefa Fresnela, do której odnosi się powyŝszy model jest jednym z najwaŝniejszych pojęć w dziedzinie komunikacji radiowej. Strefa taka tworzy się pomiędzy anteną nadajnika (Tx) a anteną odbiornika (Rx). Strefę taką w przestrzeni naleŝy rozpatrywać w dwóch przekrojach: w przekroju poprzecznym stanowi ona koła, natomiast w przekroju wzdłuŝnym elipsę. Promień koła zmienia się na całej długości, stanowiącej drogę sygnału radiowego i najwyŝszą wartość przyjmuję w połowie tej drogi. Rys. 3.1:Strefa Fresnela wraz z przeszkodami 20

Pierwsza strefa Fresnela obejmuje, w kaŝdym punkcje leŝącym wzdłuŝ linii łączącej nadajnik i odbiornik koło o promieniu: gdzie: d 1, d 2 są odległościami czoła fali odpowiednio od anteny nadajnika (Tx) i anteny odbiornika (Rx), a λ jest długością fali, por rys. 3.2. Rys. 3.2: Rozkład parametrów strefy Fresnela Dla pojedynczej przeszkody łącze jest określane jako LOS, gdy R 0 >0,6R 1. KaŜdy dodatkowy obiekt, który przesłania pierwszą strefę Fresnela, powoduję dyfrakcję fali radiowej oraz wprowadza dodatkowe tłumienie. Jeśli na trasie fali radiowej takich przeszkód znajduje się wiele, to warunek LOS wynika z minimalnej wartości R 0 /R 1. Elipsoida stanowiąca strefę Fresnela, składa się z trzech wymiarów, więc przeszkody mogą występować poniŝej, z boków i powyŝej jej osi. Z zaleŝności jaka pozwala nam na wyliczenie promienia strefy Fresnela wynika jasno, Ŝe w zakresie częstotliwości radiowych w których pracują systemy oparte na specyfikacji IEEE 802.16, gdzie λ jest w granicach 0,5 cm (60GHz) do 15 cm (2GHz), promień strefy Fresnela jest duŝo większy, niŝ dla częstotliwości światła widzialnego. Brak przeszkód na trasie sygnału w zakresie częstotliwości promieniowania widzialnego (optyczna widoczność dla oka ludzkiego), nie jest równowaŝny z brakiem przeszkód w strefie Fresnela na trasie mikrofalowego łącza radiowego. NaleŜy tą 21

własność wziąć pod uwagę przy określeniu bezpośredniej widoczności pomiędzy punktami. [16] Jeśli w obszarze pierwszej strefy Fresnela pojawią się obiekty zakłócające widoczność obu anten, nastąpi znacząca redukcja mocy sygnału, co znacznie zdegraduje jakość transmisji. Standard WiMax - 802.16 równieŝ początkowo zaprojektowany został do pracy w warunkach pełnej widoczności optycznej obu anten, zapewniających czystość pierwszej strefy Fresnela na poziomie przynajmniej 60%. Wiązało się to przede wszystkim z wykorzystaniem wysokich pasm częstotliwości (10-66GHz), choć technologie umoŝliwiające pracę w modelu NLOS były juŝ dostępne, to jednak zastosowanie ich w tak wysokich pasmach było niemoŝliwe.[15] NLOS W obszarach w których zachowanie wymagań dotyczących widoczności I strefy Fresnela nie jest moŝliwe, a do takich zaliczyć moŝemy gęsto zabudowane aglomeracje miejskie, stosowany jest model NLOS (ang. Non-Line-Of-Sight), w którym sygnał dociera do odbiornika w wyniku odbić, rozproszeń i ugięć. Odbiornik odbiera kilka róŝnych sygnałów, dochodzących do niego róŝnymi ścieŝkami i w konsekwencji posiadających róŝne opóźnienia, tłumienie oraz polaryzację w odniesieniu do sygnału ścieŝki bezpośredniej. Rys. 3.3: Model NLOS 22

Stosując model NLOS, trzeba mieć na uwadze znaczne zmniejszenie zasięgu stacji bazowej. Ma to związek z większym wytracaniem mocy na drodze sygnału niŝ w środowisku LOS.[15] System WiMAX począwszy od pojawienia się standardu 802.16a, uwzględnia brak widoczności optycznej pomiędzy antenami odbiorczą i nadawczą oraz zapewnia moŝliwość utrzymania jakości transmisji w środowisku NLOS (bez widoczności optycznej). Zdolność do obsługi modelu propagacji NLOS - brak widoczności anten, wymaga zastosowania dodatkowych funkcjonalności warstwy fizycznej WiMAX, takich jak obsługa zaawansowanych technik zarządzania mocą, stosowanie wielu anten oraz mechanizmów osłabiania i współistnienia interferencji. Praca w środowisku NLOS ja juŝ wspomniano nie była moŝliwa w paśmie 10-60GHz, więc w standardzie 802.16a zdefiniowano zakres pracy częstotliwości poniŝej 11GHz. 3.3. Techniki wielodostępu, modulacji i transmisji. 3.3.1. Techniki wielodostępu Systemy radiowej transmisji danych w załoŝeniach mają być dostępne dla więcej niŝ jednego uŝytkownika, w związku z tym muszą one zapewniać wielodostęp do medium transmisyjnego. Ustalenie podziału zasobów radiowych, pomiędzy grupę terminali klienckich, przez stację nadawczą następuje z wykorzystaniem metod rywalizacji takich jak: przepytywanie gdzie stacja bazowa przepytuje kolejno stacje klienckie o wymagany poziom zasobów i na tej podstawie je przydziela rezerwacja stacja kliencka w procesie komunikacji ze stacją bazową na bieŝąco ustala poziom wymaganych zasobów wymaganych do przeprowadzenia transmisji. rywalizacja stacje klienckie na bieŝąco rywalizują o zasoby w kanale komunikacyjnym, a stacja bazowa przydziela je w kolejności ich zwalniania. 23

Rozwiązania wielodostępu stosowane we współczesnych technologiach transmisji bezprzewodowej, opierają się na jednym lub kilku rozwiązaniach wielodostępu z przedstawionych poniŝej: Wielodostęp z podziałem częstotliwości FDMA (ang. Frequency Division Multiple Access). Wielodostęp w tym rozwiązaniu realizowany jest przez podział przyznanego pasma częstotliwości na kanały, kaŝdemu uŝytkownikowi przydziela się kilka nie nachodzących na siebie kanałów po których to następuje komunikacja. W tym trybie kontroluje się aby kaŝdy z przyznanych kanałów, był w danym czasie uŝywany przez jednego uŝytkownika.[10] Rys. 3.4: Wielodostęp FDMA Wielodostęp z podziałem czasowym TDMA (ang. Time Division Multiple Access). Pojedyncza częstotliwość radiowa jest dzielona na przedziały czasowe. KaŜdy uŝytkownik przechodzi proces synchronizacji, po którym to dostaje przedział czasowy (ang. timeslot), w którym moŝe się komunikować. Technika ta jest często łączona z FDMA. [10] Rys. 3.5: Wielodostęp TDMA 24

Wielodostęp ze specjalnym kodowaniem sygnału CDMA (ang. Code Division Multiple Access). Kanały, które zostają przypisane do uŝytkowników, wykorzystują to samo pasmo częstotliwości. Wielodostęp zorganizowany jest w tym przypadku poprzez przypisanie kaŝdemu uŝytkownikowi indywidualnego kodu, dzięki któremu jest on identyfikowany i za pomocą, którego kodowane są jego informacje. Rys. 3.6: Wielodostęp CDMA Kodowanie odbywa się z wykorzystaniem kodu Walsha, którym kodowany jest kaŝdy bit informacji. W wyniku kodowania bitu powstaje elementarna jednostka (której długość jest większa od kodowanej informacji) i nosi one nazwę chipa (ang. chip). Przykładem takiego kodowania moŝe być przypisanie dla jakiegoś uŝytkownika kodu 1101, gdzie binarnej 1 odpowiada kod 1101, a binarnemu 0 negacja kodu czyli 0010. W takim przypadku kaŝdy bit wysyłany przez i do uŝytkownika będzie kodowany przydzielonym mu kodem.[17] Rys. 3.7: Transmisja z wykorzystaniem wielodostępu CDMA 25

Wielodostęp z podziałem na połoŝenie SDMA(ang. Space Division Multiple Access). Stosowanie tego typu wielodostępu, wymaga ukierunkowania sygnału w określone miejsce na terenie komórki, obsługiwanej przez stację nadawczą. Wykorzystuje się w tej metodzie złoŝone systemy anten inteligentnych, które potrafią emitować sygnał o określonej kierunkowości. Zaletą tego sposobu komunikacji jest to, Ŝe eliminuje się zbędny szum i interferencję. Rys. 3.8: Wielodostęp SDMA [21] Wielodostęp z nasłuchiwaniem pasma CSMA (ang. Carrier Sense Multiple Access). Komunikacja następuje tylko wtedy, gdy pasmo jest wolne, jeśli jest zajęte to następuje wstrzymanie nadawania. Obsługa wielodostępu w systemach opartych na technologii GSM, GPRS zrealizowana jest z wykorzystaniem połączenia technik TDMA i FDMA. Jedno z nowszych rozwiązań do transmisji danych w sieciach bezprzewodowych telefonii komórkowej jakim jest UMTS wykorzystuje do realizacji wielodostępu technikę WCDMA (ang. Wideband CDMA), która jest implementacją techniki CDMA w szerokim paśmie częstotliwości. [19] WiMAX oferuje wielodostęp wykorzystując technikę TDMA, jak równieŝ jej rozszerzenie z uwzględnieniem wykorzystania wielu nośnych OFDMA, oraz opcjonalnie z wykorzystaniem anten inteligentnych SDMA. W sieciach WiMAX wykorzystuje się wszystkie z przedstawiony wyŝej metod rywalizacji.[7][8][9] 26

3.3.2. Techniki transmisji danych Współczesne technologie zapewniające dostęp bezprzewodowy za pomocą radiowego medium transmisji, wykorzystują w swym działaniu złoŝone techniki transmisji danych, w których wykorzystywane są technologie podziału kanału transmisyjnego na wiele częstotliwości podnośnych oraz stosowane są jedna lub kilka metod modulacji sygnału fali nośnej lub podnośnych. W zaleŝności od wykorzystywanej techniki transmisji, modulacji oraz kodowania informacji, poszczególne rozwiązania uzyskują róŝne wydajności transmisyjne. W systemach GSM, w których jako pierwszych z systemów telefonii komórkowej zaimplementowano usługi transmisji danych, wykorzystano modulację GMSK wraz z systemem transmisji opartym na przełączaniu kanałów (Circuit Switched Data CSD), która pozwalała na maksymalną transmisję na poziomie 9,6kbps w jednej szczelinie czasowej. Kolejne rozwiązanie HSCSD (ang. High Speed Circuit Switched Data) wykorzystujące tą samą technologię modulacji, ale inne metody kodowania, pozwala na osiągnięcie transmisji na poziomie 14,4 kbps w jednej szczelinie czasowej. W powyŝszym rozwiązaniu na potrzeby transmisji moŝe być wykorzystywane do czterech szczelin co zwiększa teoretyczną szybkość transmisji do poziomu 57,6 kbps. [18] PowyŜsze technologie wykorzystywane w transmisji GSM, pracowały na zasadzie komutacji kanałów, które stanowiły przyznane na czas transmisji szczeliny czasowe. Kolejnym rozwiązaniem, które pojawiło się w systemach telefonii komórkowej była transmisja opierająca się na komutacji pakietów (umieszczania w kolejnych szczelinach pakietów uŝytkownika) GPRS, w której wprowadzono nową modulację sygnału 8-PSK (EDGE) i dzięki temu uzyskano większe moŝliwości transmisji na poziomie 553,5 kbps. Wprowadzenie technologii UMTS, opartej na technologii WCDMA, w której wykorzystuje się metodę wielodostępu CDMA wraz z uŝyciem szerokiego pasma transmisji, zwiększyło poziom przesyłu informacji w najnowszych rozwiązaniach (HSDPA/HSUPA) do prędkości 14Mbps. Technologia WiMAX w rozwiązaniach mobilnych dzięki wykorzystaniu techniki OFDMA wraz z technikami wieloantenowymi (MIMO) pozwala na osiągniecie transmisji na poziomie 46Mbps. 27

WiMAX korzysta z kilku rozwiązań warstwy fizycznej, które pozwalają na osiągnięcie takich przepustowości i zostaną one pokrótce przedstawione w następnych podrozdziałach. 3.3.3. Obsługa transmisji dwukierunkowej Standard WiMAX podobnie jak rozwiązania GSM moŝe pracować w trybie FDD (ang. Frequency Division Duplex), co oznacza transmisję dupleksową z podziałem częstotliwościowym, gdzie nadawanie i odbiór realizowane są na osobnych kanałach radiowych, przez co mogą odbywać się jednocześnie. Nie występuje wtedy wzajemne zakłócanie obu sygnałów. Rys. 3.9: Tryb dupleksu FDD [14] Ze względu na uregulowania prawne, w Polsce (jak i w większości krajów) podstawową trybem transmisji w pasmach licencjonowanych, zarówno dla systemów punkt-punkt (radiolinie) jak i punkt-wielopunkt jest FDD. Otrzymując zezwolenie radiowe otrzymujemy do dyspozycji kanał dwuczęstotliwościowy. Czyli rezerwując kanał dupleksowy 7MHz, otrzymujemy w rzeczywistości dwa pojedyncze (simpleksowe) kanały 7MHz, obejmujące łącznie 14MHz widma.[14] W układzie z architekturą TDD (ang. Time Division Duplex) transmisja odbywa się z dupleksowym podziałem czasowym. Oznacza to, Ŝe nadawanie i odbiór odbywają się na w tym samym kanale radiowym i tylko w jednym kierunku w danym momencie. 28

TDD jest podstawowym trybem transmisji sieciach WiMAX opartych na standardach 802.16d oraz 802.16e. Rys. 3.10: Tryb dupleksu TDD [14] Zalety TDD: Nie występują zakłócenia pomiędzy sygnałami nadawania i odbioru, Znaczne oszczędności mocy, Tania konstrukcja, Łatwe do zaimplementowania z technikami anten inteligentnych, Dowolnie regulowany stosunek downloadu do uploadu. 3.3.4. OFDM Specyfikacje standardu WiMAX związane z grupą standardów 802.16, przewidują róŝne techniki transmisji danych w warstwie fizycznej. W pierwszych dwóch standardach, podobnie jak w systemach transmisji danych GSM, GPRS wykorzystano do przesyłu techniki modulacji i kodowania wykorzystujące modulacje pojedynczej nośnej. W standardzie 802.16d jak równieŝ w 802.16e wykorzystano technikę zwielokrotnienia z podziałem częstotliwości OFDM (ang. Orthogonal Frequency- Division Multiplexing), która pozwala na transmisję jednego strumienia danych w wielu podnośnych. Działanie tego typu techniki polega na rozdzieleniu strumienia bitów, jaki ma być transmitowany na kilkanaście równoległych strumieni, które będą transmitowane z uŝyciem roŝnych podnośnych. Podnośne są wybierane tak, aby kaŝdy 29

zmodulowany strumień był ortogonalny w stosunku do innych, dzięki temu eliminowane są zakłócenia międzykanałowe.[10][16][20] Technika ta podobna jest w zasadzie działania do techniki FDM (ang. Frequency- Division Multiplexing), gdzie całe dostępne pasmo kanału podzielone jest na nie zachodzące na siebie podnośne, tak jak przedstawia to rysunek poniŝej. KaŜda z podnośnych transmituje przy takim podziale oddzielny strumień bitów, lecz dla zapewnienia odporności na zakłócenia stosuje się odstępy ochronne pomiędzy nimi. Rys. 3.11: Podział częstotliwości z wykorzystaniem FDM W technice OFDM podział taki dokonany jest podobnie z tą róŝnicą, iŝ uzyskane w wyniku podziału podnośne zachodzą na siebie, ale są względem siebie prostopadłe w sensie matematycznym, co czyni ich odpornymi na wzajemne zakłócanie się. Uzyskuje się dzięki temu, moŝliwość podziału kanału na większą liczbę zdolnych do transmisji podnośnych. Ortogonalność uzyskuje się dzięki zastosowaniu w podziale częstotliwości algorytmu wykorzystującego szybką transformate Fouriera FFT (ang. Fast Fourier Transformation), a dokładniej jej odwrotność w przypadku kodowania strumienia bitów. Rys. 3.12: Podział częstotlwisći z wykorzystaniem OFDM W dziedzinie częstotliwości, podział kanału transmisji w technice OFDM zrealizowany jest jak juŝ wspomniano, przez podział pasma na podnośne. W budowie takiego kanału transmisji w zaleŝności od zastosowań podnośne podzielić moŝna na: 30

Podnośne przenoszące dane (ang. Data Sub-carriers) których są wykorzystywane w transmisji danych w sieci. Podnośna DC i ochronne (ang. DC and Guard Sub-carriers) których zadaniem jest kontrola transmisji oraz zachowanie marginesu ochronnego pomiędzy wykorzystywanymi częstotliwościami w innymi kanałami. Podnośne ochronne powstają w wyniku uŝycia algorytmu FFT, który wymaga uŝycia 2 n podnośnych co pozwala z dostępnego pasma wygospodarować dodatkowe podnośne które nie będą uŝywane przez algorytm. Kanały te nie przenoszą Ŝadnych informacji cyfrowych jedynie ich amplituda jest podstawą do ich identyfikacji. Podnośna DC (ang. divided carrier ) jest główną nośną która podlega podzieleniu. Podnośne pilotujące (ang. Pilot sub-carriers) wykorzystywane w róŝnych operacjach szacunkowych i synchronizacji odbiornika. Na rysunku poniŝej przedstawiono rozmieszczenie podnośnych w kanale oraz odwzorowanie ich amplitudy. Rys. 3.13: Podział na podnośne w technice OFDM [20] Podział kanału komunikacyjnego na podkanały, następuje w przypadku OFDM poprzez grupowanie aktywnych podnośnych (przenoszących oraz pilotujących) w grupy, z których kaŝda taka grupa stanowi pojedynczy podkanał. Wchodzące w skład podkanału podnośne nie mogą być sąsiadującymi podnośnymi. 31