Szerokopasmowe radiowe systemy dostępowe

Józef MODELSKI*, Tomasz KELLER* Szerokopasmowe radiowe systemy dostępowe Ostatnia dekada przejdzie z pewnością do historii jako okres rewolucji cyfrowej i bezprzewodowej, głównie wskutek burzliwego rozkwitu telefonii komórkowej oraz szybkiego rozwoju cyfrowej telewizji satelitarnej. Obecnie wkraczamy w kolejną fazę tej rewolucji, związaną z bezprzewodowymi sieciami transmisji danych. Sieci bezprzewodowe prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości staną się głównym motorem wzrostu i rozwoju w sektorze telekomunikacyjnym. Techniki bezprzewodowe umożliwiają budowę sieci zastępujących przewodowe połączenia między różnymi urządzeniami, również sprzętem powszechnego użytku. Dzięki nim możliwa jest bezpośrednia komunikacja między komputerami przenośnymi, stacjami roboczymi i ich akcesoriami, telefonami, sprzętem RTV oraz różnego rodzaju elementami otoczenia domowego czy biurowego. Wielousługowe sieci radiowe zapewniające uzyskiwanie dużych przepływności bez konieczności inwestowania w kosztowną infrastrukturę, dzięki ich znacznemu rozwojowi technologicznemu i coraz większemu zainteresowaniu nimi, mają szansę stać się punktem węzłowym w drodze do tworzenia globalnego społeczeństwa informacyjnego. W przyszłych sieciach telekomunikacyjnych zapewne będą współgrać zarówno techniki przewodowe, jak i bezprzewodowe, tworząc zintegrowane, elastyczne systemy dostępowe, umożliwiające powstawanie sieci konwergentnych. W związku z coraz większym zainteresowaniem systemami łączności bezprzewodowej warto się zastanowić nad stanem obecnym, jak i przyszłością szerokopasmowych radiowych systemów transmisji danych. W artykule zostaną przedstawione prace prowadzone przez organizacje normalizacyjne ETSI (European Telecommunications Standards Institute) oraz IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) w zakresie szerokopasmowych systemów dostępowych, a także inne istniejące rozwiązania i główne nurty rozwoju szerokopasmowych systemów dostępu radiowego. Jednym z głównych ośrodków zajmujących się tworzeniem rozwiązań dla sieci bezprzewodowych jest organizacja zawodowa IEEE stowarzyszenie typu non-profit zrzeszające na całym świecie kilkaset tysięcy członków zawodowo związanych z technikami elektrycznymi i elektronicznymi. Jedną z ważnych form działalności IEEE jest opracowywanie standardów z różnych dziedzin, począwszy od inżynierii komputerowej, poprzez inżynierię biomedyczną, telekomunikację, a skończywszy na systemach dużej mocy i astronautycznych. W ten sposób stworzono już prawie tysiąc standardów, a prawie drugie tyle znajduje się w trakcie rozwoju. Jednym z bardzo prężnie działających w ramach IEEE komitetów jest LMSC (LAN/MAN Standards Committee), nazywany również projektem IEEE 802. W ramach prac tego komitetu są opracowywane standardy dla sieci lokalnych LAN oraz metropolitalnych MAN. Komitet zajmuje się przede wszystkim pracami nad dwiema najniższymi warstwami modelu referencyjnego OSI. Seria standardów 802.x obejmuje między innymi najważniejsze standardy dla sieci komputerowych, takie jak np. 802.3, czyli popularny Ethernet. Ważnym elementem rozwoju standardów 802 w ramach IE- EE są specyfikacje przeznaczone dla sieci bezprzewodowych. Rozwój standardów sieci wykorzystujących łączność radiową jest prowadzony czterotorowo: M grupa 802.11 opracowująca standardy dla bezprzewodowych sieci lokalnych WLAN (Wireless Local Area Networks), M grupa 802.15 opracowująca standardy dla bezprzewodowych sieci osobistych WPAN (Wireless Personal Area Networks), M grupa 802.16 opracowująca standardy dla bezprzewodowych sieci metropolitalnych WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks), O Rys. 1. Rozwój standardów sieci bezprzewodowych w ramach IEEE M grupa 802.20 opracowująca standard dla bezprzewodowych, szerokopasmowych sieci ruchomych MBWA (Mobile Broadband Wireless Access). Schemat rozwoju standardów sieci bezprzewodowych w ramach IEEE przedstawiono na rys. 1. Kolejno zostaną przedstawione działania prowadzone przez poszczególne grupy. RODZINA STANDARDÓW IEEE * Instytut Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej. e-mail: J.Modelski@ire.pw.edu.pl, T.Keller@ire.pw.edu.pl Standardy 802.11 dla sieci WLAN Pierwszym z obszarów działalności IEEE w zakresie sieci bezprzewodowych jest działalność grupy 802.11. Rodzina standardów 802.11 dla bezprzewodowych sieci lokalnych jest częścią standardów 802 dla sieci lokalnych i metropolitalnych. Standardy 802.11 definiują protokół wymiany informacji oraz protokoły współpracy dla sprzętu z wykorzystaniem komunikacji drogą radiową w sieciach lokalnych dla terminali stacjonarnych, przenośnych oraz ruchomych. Bezprzewodowe sieci lokalne WLAN, określane niekiedy mianem sieci Wi-Fi (Wireless Fidelity), stają się od niedawna coraz ciekawszą propozycją dla użytkowników chcących uzyskać w pełni mobilną alternatywę dla sieci przewodowych. Systemy zapewniające transmisję danych z prędkością dochodzącą do 54 Mbit/s powoli zyskują coraz szersze kręgi zwolenników. Bezprzewodowe sieci lokalne WLAN to elastyczny system komunikacyjny, który może służyć nie tylko do wymiany danych między komputerami przenośnymi, ale też do uzupełniania i łączenia tradycyjnych przewodowych sieci LAN czy nawet do budowania niezależnych sieci WLAN. 125

W ramach tworzenia infrastruktury bezprzewodowych sieci lokalnych istnieje możliwość zarówno wykonywania sieci wykorzystujących istniejącą infrastrukturę przewodową i specjalne moduły punktów dostępowych, jak również sieci typu ad-hoc. Poniżej zostaną zaprezentowane oba typy topologii sieci. Architektura z infrastrukturą przewodową. Elementarnym składnikiem architektury z siecią szkieletową jest komórka tworzona przez punkt dostępowy AP (Access Point). Architektura z infrastrukturą przewodową zakłada wykorzystanie do łączności z terminalami punktów dostępowych dołączonych do lokalnej sieci komputerowej. Podstawową zaletą tego typu infrastruktury jest łatwy dostęp do zasobów korporacyjnych i Internetu, a także możliwość zapewnienia transmisji na większym obszarze. Istnieją dwie możliwości zrealizowania sieci szkieletowej za pomocą połączeń przewodowych lub łączy radiowych typu punkt-punkt lub punkt-wielopunkt. Do podstawowych wad zastosowania architektury z infrastrukturą przewodową należą przede wszystkim większy koszt realizacji oraz trudniejsza rekonfiguracja sieci. Strukturę tego typu sieci przedstawiono na rys. 2a). warstwie łącza danych. Wszystkie wyższe warstwy zachowują się w sieciach opartych na standardzie 802.11 jak w zwykłych sieciach Ethernet. Odniesienie specyfikacji 802.11 do siedmiowarstwowego modelu sieciowego OSI przedstawiono na rys. 3. Z tego powodu specyfikacje IEEE 802.11e, będące źródłem standardu przeznaczonego dla bezprzewodowych sieci lokalnych WLAN, są podzielone na dwie główne części. Pierwsza z nich dotyczy warstwy fizycznej PHY łącza danych w bezprzewodowych sieciach lokalnych, natomiast druga definiuje war- O Rys. 4. Elementy składowe logicznej architektury standardu 802.11. Oznaczenia wyjaśniono tekście stwę dostępu do medium transmisyjnego MAC (Medium Access Control). Architektura logiczna standardów z grupy IEEE 802.11x odnosi się do każdej stacji i składa się z jednej warstwy MAC oraz jednej warstwy fizycznej, różnej dla różnych standardów. Poszczególne logiczne jednostki składowe standardu IEEE 802.11 przedstawiono na rys. 4. O Rys. 2. Topologia sieci 802.11: a) z architekturą przewodową, b) typu ad-hoc Architektura typu ad-hoc. Sieć ad-hoc umożliwia wymianę informacji pomiędzy terminalami bez pośrednictwa punktów dostępowych. Jest ona tworzona spontanicznie i czas jej istnienia jest stosunkowo krótki. Wskutek braku w takiej architekturze punktów dostępowych, nie ma możliwości wymiany informacji z siecią szkieletową. W sieciach ad-hoc każdy z terminali może nawiązać bezpośrednie połączenie z dowolnym aktywnym terminalem znajdującym się w jego zasięgu. W większości standardów wymaga się jednak, aby jeden z terminali pełnił rolę kontrolera sieci. W niektórych rozwiązaniach dopuszcza się jednoczesną przynależność terminalu do różnych sieci. Umożliwia to wymianę informacji pomiędzy należącymi do nich terminalami. Taka topologia została przedstawiona na rys. 2b). Wszystkie standardy z rodziny 802.11x skupiają się na dwóch najniższych warstwach modelu OSI warstwie fizycznej oraz O Rys. 3. Odniesienie standardu 802.11 do modelu OSI. Oznaczenia wyjaśniono tekście Rodzina standardów 802.11 W ramach standardu 802.11 opracowanego przez grupę normalizacyjną IEEE stworzono rodzinę standardów dotyczących komunikacji w bezprzewodowych sieciach lokalnych. Została ona przedstawiona na rys. 5. O Rys. 5. Rodzina standardów IEEE 802.11 W standardzie 802.11 zdefiniowano trzy alternatywne rodzaje warstw fizycznych: dwa z nich wykorzystujące transmisję drogą radiową z rozpraszaniem widma oraz jeden wykorzystujący transmisję w pasmie podczerwieni. Chronologicznie pierwszym ze standardów był standard 802.11 wykorzystujący technikę rozpraszania widma ze skakaniem po częstotliwościach FHSS i zapewniający przepływności bitowe do 2 bit/s [1]. Drugim standardem, obecnie najbardziej rozpowszechnionym i stosowanym do tworzenia bezprzewodowych sieci lokalnych jest standard 802.11b zapewniający przepływności od 1 do 11 Mbit/s z wykorzystaniem techniki bezpośredniego rozpraszania widma DSSS. W tej technice całe dostępne pasmo ISM jest podzielone na kanały, każdy o szerokości około 20 MHz i odstępie między kolejnymi kanałami 5 MHz. W ten sposób istnieje możliwość zaprojektowania 11 kanałów. Jednak wykorzysta- 126

nie ich wszystkich doprowadziłoby do niezwykle niekorzystnej sytuacji, w której w pasmie mogłoby dochodzić do niezmiernie wielu kolizji między współistniejącymi systemami pracującymi na różnych kanałach. Dlatego też w momencie, gdy w sąsiedztwie istnieje więcej niż punkt dostępowy, wówczas rekomenduje się stosowanie separacji częstotliwości równej przynajmniej 25 MHz. W takim przypadku liczba rozłącznych kanałów w pasmie ISM zostaje ograniczona do trzech. Dlatego też najczęściej wykorzystywanymi kanałami są kanały 1, 6 oraz 11. Urządzenia pracujące w standardzie IEEE 802.11b stosują trzy typy modulacji różnicowe modulacje fazy DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) oraz DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying), a także modulacje wykorzystujące kluczowanie kodów komplementarnych CCK (Complementary Code Keying) [2]. Kolejnym etapem wprowadzania standardów bezprzewodowych sieci lokalnych było stworzenie standardu 802.11a [3]. Definiuje on dodatkową specyfikację warstwy fizycznej z wykorzystaniem pasma częstotliwości 5 GHz oraz modulacji OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Dzięki temu umożliwia uzyskiwanie przepływności bitowych do 54 Mbit/s. Systemy 802.11a mają możliwość transmisji z różnymi przepływnościami: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 oraz 54 Mbit/s, przy czym implementacja przepływności 6, 12 oraz 24 Mbit/s jest obowiązkowa. W transmisji są wykorzystywane 52 podnośne, modulowane z zastosowaniem standardowych modulacji BPSK, QPSK, 16-QAM oraz 64-QAM, natomiast kodowanie korekcyjne odbywa się z trzema stopniami: ½, 2 / 3 oraz ¾. Ostatnim krokiem wprowadzania standardów bezprzewodowych sieci lokalnych był standard 802.11g, który również zapewniał transmisję z przepływnościami dochodzącymi do 54 Mbit/s, ale zakładał wykorzystanie do pracy pasma ISM 2,4 GHz przy zastosowaniu modulacji OFDM. Głównym celem drugiej warstwy, czyli warstwy dostępu do medium MAC, jest zapewnienie funkcji kontroli dostępu, takich jak adresowanie, koordynacja dostępu, generacja i kontrola sekwencji ramek, dla współdzielonego medium warstwy fizycznej. W odróżnieniu od typowego standardu Ethernet, gdzie jest wykorzystywany mechanizm CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect), w standardzie IEEE 802.11 stosuje się mechanizm CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance), czyli mechanizm unikania kolizji zamiast ich detekcji. Podstawowa funkcjonalność dostępu do medium transmisyjnego w standardzie 802.11 zapewnia w ogólności współpracę kompatybilnych warstw fizycznych przez wykorzystanie zarówno mechanizmu CSMA/CA z potwierdzeniami, jak i losowo dobieranego czasu opóźnienia w trakcie trwania okna rywalizacji. W ramach opracowywania specyfikacji dla bezprzewodowych sieci lokalnych 802.11 trwają także prace nad kilkoma innymi standardami. Rozwój prac został przedstawiony na rys. 6. O Rys. 6. Dodatkowe standardy tworzone w ramach grup roboczych IEEE 802.11 Standardy 802.15 dla sieci WPAN Drugą gałęzią działalności IEEE w zakresie standardów dla sieci bezprzewodowych jest praca grupy roboczej 802.15. Zainicjowała ona swą działalność w styczniu 1999 roku i jako główny cel postawiła przed sobą stworzenie jednorodnego standardu łączności dla bezprzewodowych sieci osobistych, umożliwiających transmisję danych na małych odległościach. Strukturę grupy roboczej 802.15 przedstawiono na rys. 7. W ramach jej prac wykształciły się cztery grupy zadaniowe: M grupa 802.15.1 (TG 1) mająca na celu stworzenie uniwersalnego standardu dla bezprzewodowych sieci osobistych WPAN w pasmie ISM 2,4 GHz, M grupa 802.15.2 (TG 2) zajmująca się sprawami współistnienia systemów WPAN z innymi systemami współużytkującymi wykorzystywane pasma częstotliwości, szczególnie nielicencjonowane pasmo ISM 2,4 GHz, O Rys. 7. Struktura grupy roboczej IEEE 802.15 M grupa 802.15.3 (TG 3) zajmująca się standardem szybkiej transmisji danych (powyżej 20 Mbit/s) w obrębie sieci osobistych WPAN, M grupa 802.15.4 (TG 4) pracująca nad standardem transmisji danych o małych przepływnościach do transmisji danych telemetrycznych i kontrolnych. Celem działalności grupy roboczej 802.15.1 jest stworzenie uniwersalnego standardu bezprzewodowej transmisji danych w sieciach osobistych. Głównym źródłem standardu jest specyfikacja Bluetooth, stworzona przez grupę firm zrzeszonych w ramach tzw. Bluetooth SIG (Special Interest Group), która aktualnie oprócz członków założycieli w postaci firm Agere, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia oraz Toshiba skupia kilkaset firm stowarzyszonych z konsorcjum i wspomagających jej działania. Główne obszary zastosowań standardu Bluetooth, a w efekcie także 802.15.1, to przede wszystkim komunikacja między przenośnymi urządzeniami cyfrowymi (komputerami, telefonami komórkowymi, kamerami cyfrowymi, PDA, modemami, adapterami ISDN), komunikacja między urządzeniami w bezprzewodowych domowych systemach kontroli, ale również między urządzeniami w samochodach, a także publiczne punkty dostępowe. Maksymalna nominalna przepływność, z jaką można transmitować dane w standardzie Bluetooth, to 1 Mbit/s, przy czym może być ona wykorzystana zarówno do transmisji synchronicznej SCO (Synchronous Connection Oriented), jak do transmisji asynchronicznej ACL (Asynchronous Connection Less). W pojedynczym kanale można utworzyć trzy niezależne synchroniczne kanały o przepływności 64 kbit/s do transmisji głosu (bez możliwości retransmisji w razie wystąpienia błędu) oraz jednego kanału asynchronicznego do transmisji danych [4]. W kanale asynchronicznym mogą być zaprojektowane dwa symetryczne kierunki transmisji po 432,6 kbit/s, istnieje również możliwość stworzenia szerszego kanału o przepływności 721 kbit/s w główną stronę transmisji i 57,6 kbit/s w kanale zwrotnym. Można również utworzyć pojedynczy kanał z maksymalną dostępną prze- 127

pływnością 1 Mbit/s. Całe pasmo jest dzielone na kanały za pomocą multipleksacji w dziedzinie czasu dokonywanej w trybie full-duplex [5]. W systemie Bluetooth, zgodnie z zaleceniami regulacyjnymi, jest stosowana technika rozpraszania widma ze skakaniem po częstotliwościach FHSS. W ramach techniki frequency hopping są stosowane szybkie skoki po częstotliwościach zmiana częstotliwości pracy następuje 1600 razy na sekundę, a do skoków wykorzystuje się 79 kanałów, każdy o szerokości 1 MHz. Sekwencja skoków jest tworzona z wykorzystaniem sekwencji pseudolosowych generowanych na podstawie kluczy przekazywanych urządzeniom według ściśle określonego protokołu. W danej szczelinie czasowej urządzenia Bluetooth wykorzystują zatem wąski wycinek całego pasma ISM. Transmisja Bluetooth odbywa się w ściśle określonych szczelinach czasowych trwających 625 µs, a pojedynczy transmitowany pakiet może zajmować 1, 3 lub 5 szczelin czasowych. Standard 802.15.1 został zatwierdzony przez IEEE w kwietniu 2002r, a opublikowany 14 czerwca 2002r. Jest on zgodny ze specyfikacją Bluetooth ver. 1.1 i definiuje niższe warstwy transportowe protokołu Bluetooth: warstwę L2CAP (Logical Link and Adaptation Protocol), warstwę LMP (Link Manager Protocol), a także warstwy modułów sprzętowych pasma podstawowego i fizyczną. Pewnym problemem może być jedynie fakt, iż pasmo ISM 2.4 GHz, wykorzystywane w systemie Bluetooth i w specyfikacji 802.15.1, jest stosowane również przez bezprzewodowe sieci 802.11. Być może problem występujący w takim przypadku zostanie rozwiązany po opracowaniu standardu wymiany informacji między tymi systemami. W tym celu została powołana specjalna grupa robocza 802.15.2, zajmująca się właśnie problemami współistnienia systemów w pasmie ISM. Opracowuje ona specjalne modele koegzystencji systemów i mechanizmy unikania interferencji oraz przygotowuje zalecenia do modyfikacji kolejnych wersji standardów. Zatwierdzona całkiem niedawno przez IEEE specyfikacja 802.15.4 ma w założeniu niwelować wszystkie ograniczenia istniejących obecnie standardów sieci osobistych. W odróżnieniu od wcześniejszych standardów jest ona dostosowana głównie do przesyłania krótkich, tekstowych danych i komunikatów, została również zmniejszona prędkość transmisji danych. Specyfikację tę zoptymalizowano natomiast pod kątem maksymalnych oszczędności pobieranej energii oraz szybkości wykrywania urządzeń znajdujących się w otoczeniu. Zwiększony został również zasięg komunikujących się urządzeń, w pojedynczej sieci może ich istnieć nawet do 256, pojedyncze sieci mogą ponadto komunikować się z innymi tworząc rozległe struktury drzewiaste. Potencjalne zastosowania tego standardu są bardzo szerokie, począwszy od wszelkiego rodzaju automatyki, interaktywnej rozrywki aż do urządzeń określanych jako RFID (Radio Frequency ID). Standard ten może być również szeroko wykorzystywany do systemów i sprzętu pomiarowo-kontrolnego. Z punktu widzenia szerokopasmowych systemów dostępu radiowego w zakresie sieci osobistych najciekawszą propozycją jest projekt specyfikacji 802.15.3, której głównym celem jest stworzenie standardu dla szybkiej transmisji danych, z przepływnościami powyżej 20 Mbit/s. Do tego celu użyto koncepcji wykorzystania w transmisji sygnałów ultraszerokopasmowych. Technika transmisji sygnałów ultraszerokopasmowych UWB (Ultra WideBand) jest przykładem powrotu do znanych idei technicznych, których wdrożenie i udoskonalenie dzięki postępowi technologicznemu daje bardzo obiecujące efekty, także w obszarze radiokomunikacji. Określenie sygnał ultraszerokopasmowy wskazuje, że widmo sygnału zajmuje bardzo szeroki zakres częstotliwości. Powszechnie stosowaną techniką, umożliwiającą generację sygnału w tak szerokim paśmie, jest transmisja ciągów wąskich impulsów. Pasmo zajmowane przez taki sygnał zależy od kształtu i czasu trwania impulsu, a nie od przepływności transmitowanej informacji. Dobierając kształt impulsu można kształtować charakterystyki widmowe generowanego sygnału [6]. Prototypowe rozwiązania UWB charakteryzują się możliwością uzyskania przepływności w łączu radiowym rzędu kilkudziesięciu Mbit/s, a wkrótce granica ta przesunie się do kilkuset Mbit/s. Oprócz bardzo dużej przepływności, na szerokie zainteresowanie tą techniką mają wpływ również niski poziom emitowanej mocy oraz prostota konstrukcji urządzeń, która powinna decydować o małych kosztach wytwarzania. Transmisja O Rys. 8. Porównanie oszacowań pojemności kanałów transmisyjnych UWB, WLAN i Bluetooth (na podstawie [18]) sygnałów w paśmie podstawowym, bez konieczności stosowania układów przemiany częstotliwości, wpływa na niski koszt urządzeń UWB. Możliwa do uzyskania duża przepływność w łączu radiowym poszerza obszar zastosowań o transmisje multimedialne (rys. 8). Niski poziom emitowanej mocy zmniejsza obawy o szkodliwy wpływ promieniowania na zdrowie użytkowników systemów. W tym aspekcie technika UWB staje się atrakcyjną alternatywą dla innych technik transmisji wykorzystywanych obecnie w sieciach bezprzewodowych WPAN. Standardy 802.16 dla sieci WMAN W kwietniu 1999 r.w ramach IEEE komitet LMSC powołał specjalną grupę roboczą P802.16. Miała ona zająć się tworzeniem i rozwojem standardów dla stacjonarnych szerokopasmowych radiowych systemów dostępowych, ze szczególnym uwzględnieniem systemów pracujących w licencjonowanym pasmie 30 GHz, ale z możliwością wykorzystania w różnych zakresach częstotliwości, od 10 do 66 GHz. Strukturę grupy 802.16 przedstawiono na rys. 9. Powołana grupa robocza została następnie podzielona na grupy zadaniowe, które zajęły się przygotowywaniem następujących standardów: M grupa 802.16 (TG 1) projekt uniwersalnego interfejsu radiowego dla częstotliwości 10 66 GHz, O Rys. 9. Struktura grupy roboczej IEEE 802.16 128

M grupa 802.16.2/802.16.2a (TG 2) sprawy współistnienia systemów WMAN z innymi systemami współużytkującymi wykorzystywane pasma częstotliwości, M grupa 802.16a (TG 3) projekt interfejsu radiowego dla licencjonowanych pasm częstotliwości 2 11 GHz, M grupa 802.16b (TG 4) projekt interfejsu radiowego dla pasm nielicencjonowanych, szczególnie w zakresie 5 6 GHz. Grupa robocza TG1 już we wrześniu 2001 roku zaproponowała projekt standardu 802.16 WMAN, czyli uniwersalnego interfejsu radiowego. Projekt zawiera specyfikację dla warstwy dostępu do medium MAC, która w założeniu ma obsługiwać różne rodzaje warstw fizycznych dla komunikacji w stacjonarnych sieciach WMAN typu punkt wielopunkt. Wyspecyfikowana została także jedna warstwa fizyczna, wykorzystująca pasmo 10 66 GHz. Specyfikacja umożliwia transport różnych usług transmisji danych, wideo oraz głosu z różnymi wymaganiami dotyczącymi jakości usług QoS. Rozszerzenia standardu 802.16, opracowywane w ramach grup roboczych TG3 oraz TG4, polegają na propozycjach standardu dla licencjonowanych pasm częstotliwości 2 11 GHz (standard 802.16a) oraz pasm nielicencjonowanych, szczególnie w zakresie 5 6 GHz (standard 802.16b) [8]. Standard 802.16a stał się podstawą dla techniki WiMAX, o której nieco więcej informacji zostanie przedstawionych w następnym podrozdziale. Natomiast grupa robocza TG4 opracowała poprawkę 802.16b, zawierającą modyfikację warstwy MAC oraz dodatkową warstwę fizyczną dla pasm nielicencjonowanych. Specyfikacja ta, nazwana WHUMAN (Wireless High-Speed Unlicensed Metropolitan Area Network), umożliwia transmisję danych, wideo oraz głosu z możliwością różnicowania usług QoS przy wykorzystaniu pasm nielicencjonowanych, szczególnie 5 6 GHz. Standard opiera się na modyfikacjach warstwy MAC standardu 802.16, podczas gdy warstwa fizyczna opiera się na mechanizmie OFDM standardów 802.11a i 802.11g, a także standardu ETSI BRAN Hiperlan/2. Prace nad specyfikacją IEEE 802.16 rozpoczęły się już w lipcu 1999 r. Pierwotnie obejmowały one koncesjonowane pasma w przedziale 12 66 GHz i przewidywały zastosowanie do transmisji pomiędzy najbliższymi antenami urządzeń stacjonarnych, np. między stacjami bazowymi telefonii GSM. Urządzenia zgodne ze standardem 802.16 mają zapewniać transmisję do 250 Mbit/s i zasięg 40 50 km. W kolejnej fazie stworzono standard 802.16a oparty na tej samej warstwie MAC co 802.16, jednak dla innego zakresu częstotliwości: 2 10 GHz, a więc także innych zastosowań, jak szerokopasmowy dostęp do Internetu, który może być alternatywą dla rozwiązań xdsl tam, gdzie instalacja okablowania jest trudna lub zbyt kosztowna, np. na terenach o małym zaludnieniu. Istniejące implementacje zapewniają transmisję rzędu ok. 20 Mbit/s jednej anteny sektorowej w promieniu 15 km, choć standard zapewnia nominalną prędkość ok. 70 Mbit/s. Zarówno standard 802.16, jak i 802.16a, mogą być stosowane w rozwiązaniach stacjonarnych. Najnowsza odmiana tego standardu 802.16e stanowi rozszerzenie standardu 802.16a i jest przygotowywana jako rozwiązanie przeznaczone do zastosowań mobilnych. Najnowszy standard ma umożliwić niezakłóconą wymianę danych lub transmisję głosu w paśmie 2 6 GHz pomiędzy urządzeniami poruszającymi się z prędkościami rzędu 120 150 km/h przy zapewnieniu przepywności ok. 1,5 Mbit/s. Specyfikacja 802.16e zostanie opublikowana w najbliższej przyszłości. Stacje bazowe i terminale sieciowe pracujące w niższym paśmie nie będą musiały się widzieć. Z kolei górny zakres częstotliwości wymaga zachowania linii widzenia LOS (Line of Sight). Sprzęt zgodny ze specyfikacją 802.16 nie powinien być konkurencyjny w stosunku do urządzeń Wi-Fi. W obszarach metropolii technika promowana przez grupę WiMAX może ułatwić udostępnianie szerokopasmowych łączy głównie klientom biznesowym. Użytkownicy indywidualni także skorzystają dzięki standardowi 802.16 prostsze stanie się zakładanie hot-spotów Wi-Fi. Co prawda standardy 802.11 i 802.16 nie są ze sobą zgodne, ale ich współpracę można zapewnić na poziomie stacji bazowych. Działalność grupy roboczej TG2 polega na opracowywaniu rekomendacji dotyczących projektowania i rozwoju stacjonarnych szerokopasmowych systemów dostępowych pracujących w pasmie 10 66 GHz (ze szczególnym uwzględnieniem pasm 23,5 43,5 GHz) w celu zminimalizowania niekorzystnego wpływu interferencji oraz maksymalizacji wydajności transmisji i jakości udostępnianych usług. Tematyczny zakres działań grupy obejmuje współistnienie systemów pracujących zarówno na różnych częstotliwościach w obrębie danych obszarów geograficznych, jak i na tych samych częstotliwościach w sąsiednich obszarach. Działalność grupy nie obejmuje jednak kwestii współistnienia związanych z wewnątrzsystemowym wtórnym wykorzystaniem częstotliwości w danym pasmie operatorskim, a także wpływu innych systemów naziemnych i satelitarnych, nie będących szerokopasmowymi systemami dostępu radiowego. WiMAX WiMAX (World Interoperability for Microwave Access) jest nową techniką dostępu radiowego, stworzoną w ramach prac Wi- MAX Forum, organizacji zrzeszającej zarówno dostarczycieli rozwiązań, jak i użytkowników tego typu systemów. System oparty na tym rozwiązaniu ma umożliwiać szerokopasmowe, bezprzewodowe łącze radiowe do transmisji danych. Do tego celu zaproponowano użycie standardu IEEE 802.16a szerokopasmowego, bezprzewodowego dostępu do Internetu z wykorzystaniem punktów dostępowych Wi-Fi, do zastosowań biurowych i domowych. WiMAX zapewnia szerokopasmowy dostęp na ostatniej mili i jest odpowiednim rozwiązaniem w sytuacjach, gdy na drodze sygnału pomiędzy terminalem ruchomym a stacją bazową operatora znajdują się przeszkody, takie jak np. budynki czy drzewa, czyli różne elementy infrastruktury ośrodków zurbanizowanych. Standard WiMAX ma w założeniu stać się pośrednikiem pomiędzy sieciami Wi-Fi, wykorzystującymi standard 802.11, a sieciami szerokopasmowymi dalekiego zasięgu, które najczęściej wymagają bezpośredniej widoczności stacji nadawczej i odbiorczych. WiMAX ma znaleźć zastosowanie jako system uzupełniający sieci WLAN, zapewniając publicznym punktom dostępowym, tzw. hotspot om, wymianę danych przez Internet. Schemat wykorzystania systemu WiMAX przedstawiono na rys. 10 Urządzenia zbudowane z wykorzystaniem specyfikacji IEEE 802.16 (WiMAX) zapewniają konstruowanie średnioi dalekosiężnych łączy radiowych. Podstawowym elementem sieci jest stacja bazowa, której zasięg może wynosić maksymalnie 50 kilometrów. Przewiduje się jednak, że operatorzy teleko- O Rys. 10. Zastosowanie standardu WiMAX. Oznaczenia wyjaśniono tekście 129

munikacyjni postawią raczej na budowanie stacji bazowych obsługujących obszary o średnicy od siedmiu do dziesięciu kilometrów. W takich strefach jest możliwe osiągnięcie prędkości transmisji danych rzędu 70 Mbit/s. Wystarczy to do udostępnienia sześćdziesięciu klientom łączy radiowych nieustępujących jakością kablowym łączom typu T1 lub zamiennie kilkuset kanałów komunikacyjnych odpowiadających węższym liniom DSL. WiMAX wykorzystuje interfejs radiowy IEEE 802.16_/d/e. Nowa technika jest przewidziana przede wszystkim do wdrażania w terenach mocno i średnio zurbanizowanych. System jest oparty na architekturze punkt-wielopunkt, a obszar pokrycia sięga do 50 km. Dla małych odległości od stacji bazowej przepływność łącza zbliża się do 70 Mbit/s, co umożliwia obdarzenie jednym kanałem dostępowym kilku biur lub jednego bloku mieszkalnego wyposażonych w odpowiednie modemy DSL. Można zatem sądzić, że standard będzie konkurencją dla szerokopasmowych linii cyfrowych (DSL), może zatem ograniczyć rynek operatorów sieci kablowych. WiMAX jest wygodnym i elastycznym rozwiązaniem dla użytkownika, ponieważ zapewnia szybki dostęp do informacji na dużych obszarach przemieszczania. W założeniach systemu są zdefiniowane różne profile mocy, z jaką mogą pracować urządzenia WiMAX, począwszy od 100 mw aż do 2W. Profile mocy są związane z różnymi pasmami częstotliwości, w których systemy takie mogą pracować zarówno licencjonowane pasmo 3,5 GHz, jak i pasmo nielicencjonowane 5,8 GHz. W standardzie WiMAX zastosowano technikę modulacji OFDM, czyli technikę transmisji z wykorzystaniem wielu nośnych. Dane są dzielone na partie, z których każda jest przesyłana na innej podnośnej w ramach dostępnego pasma, po czym są składane w całość przez odbiornik. Sąsiadujące ze sobą fale nośne są spolaryzowane prostopadle, dzięki czemu nie zakłócają się wzajemnie. Oprócz znacznie mniejszych wymagań co do szerokości pasma w porównaniu do techniki DSSS, OFDM zapewnia większą odporność na zakłócenia i odbicia sygnału oraz bardzo małe opóźnienia sygnałów, nieprzekraczające 20 milisekund. W standardzie WiMAX zastosowano technikę OFDM z transmisją na 256 nośnych. Jeśli chodzi o protokoły dostępowe, to zdecydowano się na wykorzystanie trybu z podziałem czasowym TDM typu rozsiewnego (downstream) oraz zwielokrotnienia TDMA (upstream). Aby poprawić mechanizmy bezpieczeństwa i wyeliminować luki, które występowały w standardzie 802.11, bezpieczeństwo w WiMAX jest zapewniane przez mechanizm autentykacji stacji oraz przez kodowanie strumienia danych. Potencjał techniki WiMAX pokrywa się częściowo z możliwościami sieci komórkowych trzeciej generacji, w których także istnieją możliwości przesyłania mowy, tekstu oraz multimediów. Rozwój usług w sieciach opartych na WiMAX może więc spowodować straty dla operatorów telefonii komórkowej, jeśli nie zainteresują się oni wdrożeniem i konwergencją sieci opartych na WiMAX, UMTS oraz Wi-Fi. System ten ma szansę rozwoju, jeśli w początkowej fazie uzupełni usługi wymiany informacji w GSM/EDGE i UMTS.Wówczas bowiem prawdopodobnie operatorzy sieci komórkowych przyczynią się do jego rozwoju. Rozwiązaniem jest stworzenie odpowiednich interfejsów do sieci 3G (UMTS) i ich uzupełnianie. Sieci 3G będą dla operatorów wentylem bezpieczeństwa, zapewniającym możliwość skalowania pojemności sieci pod względem usług głosowych. Nowe rozwiązania mają zaś stanowić platformę przede wszystkim dla transmisji danych. Grupa robocza 802.20 została powołana 11 grudnia 2002 roku. Głównym jej celem jest opracowanie standardu, noszącego nazwę MBWA (Mobile Broadband Wireless Access). Misją grupy jest zaproponowanie specyfikacji dla uniwersalnego, efektywnego interfejsu radiowego z wykorzystaniem pakietowej transmisji danych. Interfejs ma w założeniu być zoptymalizowany pod względem usług realizowanych w sieci IP. Z wykorzystaniem tego interfejsu ma także powstać uniwersalny, szerokopasmowy radiowy system dostępowy dla potrzeb klientów biznesowych i indywidualnych. W ramach opracowywanej specyfikacji mają zostać zaprojektowane i uwzględnione dwie najniższe warstwy protokołu, warstwa fizyczna PHY oraz warstwa dostępu do medium transmisyjnego MAC. Deklarowanym pasmem pracy takiego systemu są częstotliwości poniżej 3,5 GHz, dla użytkownika końcowego przewidywane i osiągane przepływności powinny być wyższe niż 1 Mbit/s. Cechą charakterystyczną specyfikacji, odróżniającą ją od innych rozwiązań, jest zapewnienie możliwości odbioru ruchomego. W specyfikacji będą zdefiniowane różne klasy mobilności, w sieciach MAN maksymalną zdefiniowaną prędkością użytkowników będzie 250 km/h, z taką też prędkością będzie możliwa do zestawienia transmisja. Drugim elementem, na który kładzie się nacisk w protokole MBWA, jest efektywność widmowa i wydajność. Specyfikacja będzie optymalizowana pod kątem maksymalizacji dostępnych przepływności i liczby użytkowników, którzy równolegle mogą współdzielić zasoby i korzystać z systemu. RODZINA STANDARDÓW ETSI Europejska organizacja normalizacyjna ETSI jest organizacją typu non-profit, której misją jest opracowywanie różnorodnych standardów telekomunikacyjnych. W założeniu standardy są dobrowolne i nie ma absolutnej konieczności ich stosowania oraz pełnej zgodności, jednakże niektóre z nich stały się podstawą dla Komisji Europejskiej i techniczną bazą przy tworzeniu dyrektyw i regulacji dla rynku telekomunikacyjnego. Wiosną 1997 roku w ramach ETSI został stworzony projekt standaryzacyjny, noszący nazwę ETSI BRAN (Broadband Radio Access Networks). Ma on za zadanie stworzenie standardu dla szerokopasmowych radiowych sieci dostępowych [8]. Prace w ramach tego projektu były kontynuacją prac komitetu technicznego RES10, który opracował wcześniej specyfikację HIPERLAN/1. Celem prac ETSI BRAN było przygotowanie podstaw stworzenia standardu dla bezprzewodowych, szerokopasmowych (z przepływnościami dochodzącymi do 25 Mbit/s) systemów dostępowych, spełniających wymagania dla przyszłych zastosowań i usług multimedialnych. Specyfikacja określała zarówno warstwę fizyczną PHY, jak i warstwę kontroli łącza danych DLC (Data Link Control), wraz z jej podwarstwami dostępu do medium transmisyjnego MAC (Medium Access Control) oraz LLC (Logical Link Control). Strukturę grupy ETSI BRAN przedstawiono na rys. 11. Standard 802.20 MBWA O Rys. 11. Struktura standardów grupy roboczej ETSI BRAN 130

Ważnym elementem, którym zajmuje się grupa opracowująca specyfikację ETSI BRAN, jest tworzenie odpowiednich interfejsów do istniejących rozwiązań sieci przewodowych, takich jak sieci ATM, sieci oparte na protokole TCP/IP, jak również sieci telefonii komórkowej trzeciej generacji UMTS. W celu zapewnienia pełnej możliwości współistnienia z technikami istniejącymi i pojawiającymi się, ustanowiono wiele bliskich relacji z innymi organizacjami i ciałami normalizacyjnymi, między innymi z Forum HIPERLAN/2, IEEE 802.11 i 802.16, ITU-R, IETF oraz wewnętrznymi grupami roboczymi w ramach ETSI. Prace ETSI BRAN skupiły się na standaryzacji w następujących obszarach: M HIPERLAN/1 standard bezprzewodowych sieci lokalnych zaprojektowany dla komunikacji z dużymi przepływnościami, osiągającami do 20 Mbit/s, pomiędzy urządzeniami przenośnymi zarówno z wykorzystaniem, jak i z pominięciem infrastruktury sieci szkieletowej [9], M HIPERLAN/2 standard ruchomej szerokopasmowej sieci dostępowej krótkiego zasięgu, w zamierzeniu twórców stanowiący uzupełniający mechanizm dostępowy dla systemów UMTS, ATM oraz sieci opartych na protokole TCP/IP; standard przeznaczony do transmisji z przepływnościami osiągającymi do 54 Mbit/s i pracujący na częstotliwości 5 GHz [10], [11], M HIPERACCESS technika stacjonarnej szerokopasmowej bezprzewodowej sieci dostępowej, przeznaczona do transmisji na dużych odległościach i komunikacji typu punkt-wielopunkt, z przepływnościami dochodzącymi do 25 Mbit/s przy wykorzystaniu zakresu częstotliwości 40,5 43,5 GHz [12], M HIPERMAN standard stacjonarnej bezprzewodowej sieci dostępowej w zakresie częstotliwości poniżej 11 GHz, M HIPERLINK technika umożliwiająca bezprzewodowe połączenie krótkiego zasięgu pomiędzy systemami HIPERLAN i HIPERACCESS; systemy tego typu zapewniają osiąganie przepływności nawet do 155 Mbit/s dla odległości pomiędzy urządzeniami do 150 metrów i pracują w zakresie częstotliwości 17 GHz [13]. ETSI HIPERLAN/1 Standard HIPERLAN/1 jest standardem radiowych sieci lokalnych zaprojektowanym w celu zapewnienia komunikacji w której osiąga się przepływności bitowe do 20 Mbit/s pomiędzy urządzeniami ruchomymi. Zdecydowano się na transmisję w pasmie częstotliwości 5 GHz. Technika ta umożliwia tworzenie elastycznych sieci bezprzewodowych do transmisji danych bez konieczności wykorzystywania infrastruktury sieci szkieletowej. Dodatkowo HI- PERLAN/1 może być stosowany jako rozszerzenia struktury przewodowych sieci lokalnych. W ramach dostępnych usług mogą być stosowane różne usługi multimedialne, które wymagają zarówno transmisji synchronicznej, jak i asynchronicznej. Specyfikacja HIPERLAN/1 pokrywa dwie najniższe warstwy modelu OSI: warstwę 1, czyli warstwę fizyczną PHI oraz warstwę 2 warstwę dostępu do medium transmisyjnego MAC. Warstwa MAC obejmuje funkcje zarządzające, takie jak informacje o topologii sieci, funkcje kontroli urządzeń oraz metody dostępu do kanału transmisyjnego. Warstwa MAC Warstwa MAC według specyfikacji HIPERLAN/1 opiera się o stosowany mechanizm sprawdzania stanu kanału transmisyjnego z kontrolą dostępu podzieloną na fazy priorytetyzacji, rywalizacji i transmisji. Taki mechanizm dostępowy jest realizowany w ramach podwarstwy kontroli dostępu do kanału CAC (Channel Access Control). Dodatkowo warstwa MAC dokonuje adresowania pomiędzy protokołem IEEE MAC a protokołem HIPERLAN. Dzięki temu jest możliwe przekazywanie pakietów danych pomiędzy terminalami, w celu dotarcia do terminalu, który w danej chwili znajduje się poza zasięgiem terminalu nadawczego. Warstwa fizyczna Urządzenia pracujące w standardzie HIPERLAN/1 wykorzystują zakres częstotliwości zgodny z rekomendacją CEPT T/R 22-06, czyli 5,15 5,30 GHz. W takim zakresie częstotliwości może pracować 5 kanałów HIPERLAN/1, przy czym kanały 0,1 i 2 są kanałami obowiązkowymi, natomiast dostępność kanałów 3 i 4 zależy od uwarunkowań i dyrektyw krajowych instytucji regulacyjnych. W transmisji wewnątrzbudynkowej maksymalny teoretyczny zasięg wynosi ok. 50 metrów. Uzyskiwane przepływności są zmienne i wynoszą 20 Mbit/s na odległości 50 metrów i 1 Mbit/s na odległości 800 metrów. Maksymalna przepływność w każdym kanale, z uwzględnieniem informacyjnego nadmiaru związanego z transmisją danych sygnalizacyjnych, wynosi 23,5 Mbit/s. ETSI HIPERLAN/2 Standard HIPERLAN/2 jest elastycznym standardem bezprzewodowych sieci lokalnych zaprojektowanym w celu uzyskiwania dużych przepływności bitowych do 25 Mbit/s na krótkich odległościach. Maksymalne zasięgi transmisji wynoszą ok. 200 metrów, a transmisja odbywa się w pasmie częstotliwości 5 GHz. Cechą charakterystyczną standardu HIPERLAN/2 jest możliwość komunikacji przez odpowiednie interfejsy do różnych typów sieci, takich jak sieć telefonii komórkowej UMTS, sieci ATM czy też sieci oparte na IP. Istnieje także możliwość stosowania niezależnych łączy HIPERLAN/2 i tworzenia w ten sposób topologii bezprzewodowych sieci lokalnych. W ramach zakresu dostępnych usług przewiduje się wykorzystanie standardu HIPERLAN/2 do transmisji danych, głosu oraz obrazów ruchomych ze specyficznymi parametrami QoS. ETSI BRAN w trakcie prac nad przygotowywaniem standardu nie pracowało w oderwaniu od innych grup i organizacji, które zajmowały się tworzeniem podobnych standardów. Dlatego też była prowadzona ścisła współpraca z komitetem IEEE opracowującym rodzinę standardów z grupy 802.11, a także z japońskim komitetem MMAC HSWAN (High Speed Wireless Access Networks). Celem współpracy była harmonizacja rozwoju standardów w pasmie 5 GHz. Połączenia w standardzie HIPERLAN/2 odbywają się dzięki zastosowaniu odpowiednich funkcji sygnalizacyjnych, w połączeniach jest stosowana multipleksacja w dziedzinie czasu TDM. Dzięki zorientowaniu na połączenie, systemy HIPERLAN/2 mogą spełniać wymagania stawiane w celu zaimplementowania techniki różnicowania usług QoS. Każdemu połączeniu może być przypisany inny zestaw takich parametrów QoS, jak: dostępne pasmo, opóźnienie czy też bitowa stopa błędu. Możliwe jest także podejście hierarchiczne, w którym każdemu połączeniu jest przypisywany odpowiedni priorytet względem innych połączeń. Topologia sieci pracujących w standardzie HIPERLAN/2 opiera się na topologii sieci komórkowych w połączeniu z możliwościami generowanymi przez sieci ad-hoc. Obsługiwane są dwa główne tryby funkcjonowania: tryb scentralizowany (infrastrukturalny) oraz tryb bezpośredni (ad-hoc). W trybie scentralizowanym jest stosowana topologia sieci komórkowych, gdzie każdy terminal abonencki na danym obszarze kontrolowany jest przez punkt dostępowy AP (ang. Access Point), który pokrywa swym zasięgiem ten obszar. Cała transmisja, zarówno między terminalami ruchomymi, jak i pomiędzy terminalem ruchomym a siecią zewnętrzną, jest kontrolowana i odbywa się za pośred- 131

nictwem punktów dostępowych. Możliwe jest także przechodzenie terminalu abonenckiego między obszarami obsługiwanymi przez różne punkty dostępowe. Tryb bezpośredni wykorzystuje topologię sieci ad-hoc, w której nie ma konieczności stosowania jednostek zarządzających transmisją, a komunikacja odbywa się bezpośrednio miedzy terminalami. Na protokół HIPERLAN/2 składają się trzy główne warstwy: warstwa fizyczna PHY, warstwa kontroli łącza danych DLC oraz warstwy konwergencji CL (Convergence Layer), których zadaniem jest wykonywanie funkcji specyficznych dla poszczególnych usług pomiędzy warstwą DLC a warstwą sieciową. Innymi słowy warstwy CL stanowią interfejsy do sieci zewnętrznych UMTS, IP czy ATM. Warstwa fizyczna Głównym celem warstwy fizycznej jest mapowanie pakietów danych PDU (Protocol Data Unit) z warstwy MAC do pakietów uformowanych dla warstwy fizycznej. Dodatkowo w warstwie fizycznej są dodawane informacje sygnalizacyjne i nagłówki niezbędne do synchronizacji sygnału RF. W warstwie fizycznej protokołu HIPERLAN/2 jest stosowana technika formowania sygnału OFDM z wieloma nośnymi i korekcją błędów FEC, która umożliwia różnicowanie technik kodowania w zależności od konfiguracji kanału transmisyjnego. Odległość między kanałami wynosi 20 MHz, umożliwia to uzyskanie odpowiednio wysokich przepływności bitowych przy zachowaniu jednocześnie odpowiedniej liczby kanałów w danym pasmie częstotliwości. W każdym kanale są stosowane 52 nośne, z których 48 wykorzystuje się do transmisji danych, natomiast na pozostałych 4 są transmitowane sygnały pilota służące koherentnej demodulacji. Każda nośna jest modulowana z wykorzystaniem standardowych typów modulacji: BPSK, QPSK, 16-QAM oraz opcjonalnie 64-QAM. Warstwa DLC Warstwa kontroli łącza danych DLC zajmuje się tworzeniem i utrzymywaniem łącza logicznego pomiędzy terminalami ruchomymi a punktem dostępowym. Zaimplementowane są tutaj zarówno funkcje zarządzające dostępem do medium transmisyjnego, jak i sterujące połączeniem oraz transmisją. Warstwa DLC składa się z następujących podwarstw: M podwarstwy dostępu do medium transmisyjnego MAC (Medium Access Control), M podwarstwy kontroli błędów EC (Error Control), M podwarstwy kontroli łącza radiowego RLC (Radio Link Control), na którą składają się jednostki odpowiedzialne za kontrolę połączenia DCC (DLC Connection Control), kontrolę zasobów radiowych RRC (Radio Resource Control) oraz stanowiące funkcję kontrolną ACF (Association Control Function) Protokół warstwy MAC Protokół ten jest wykorzystywany do zarządzania dostępem do medium transmisyjnego (łącza radiowego). Wykorzystuje on schemat wielodostępu TDMA/TDD. Punkt dostępowy kontroluje całą transmisję w swoim zasięgu i informuje poszczególne terminale ruchome, w którym momencie czasowym mogą one rozpocząć transmisję danych na podstawie żądań odpowiednich zasobów otrzymanych od poszczególnych terminali ruchomych. Struktura szczelin czasowych TDD umożliwia jednoczesną komunikację w obu kierunkach transmisji wewnątrz pojedynczej ramki czasowej, zwanej ramką MAC. Szczeliny czasowe do transmisji w obu kierunkach są przydzielane dynamicznie, zależnie od zapotrzebowania na zasoby transmisyjne. Transmisja danych Każdorazowo, gdy dany terminal ruchomy ma do wysłania jakiekolwiek dane, wysyła do punktu dostępowego żądanie przydziału zasobów. Po przesłaniu żądania przechodzi w stan rywalizacji i oczekuje na odpowiednie uszeregowanie dostępności zasobów przez punkt dostępowy oraz na przydział odpowiednich zasobów do swojej transmisji. Połączenie kontrolowane przez warstwę DLC może być trojakiego typu mogą być transmitowane ramki typu unicast (przeznaczone dla pojedynczego odbiorcy), multicast (przeznaczone dla grupy odbiorców) oraz broadcast (transmitowane w sposób rozsiewczy dla wszystkich terminali w zasięgu). Jako mechanizmy zabezpieczające transmisję stosuje się automatyczną procedurę powtarzania w przypadku błędnej transmisji ARQ oraz kontrolę stopnia korekcji błędów. Warstwy konwergencji CL Warstwa ta ma dwie główne funkcje. Pierwszą z nich jest adaptacja pochodzących z warstw wyższych żądań dostępu do usług oferowanych przez warstwę DLC, a drugą konwersja pakietów warstw wyższych o zmiennym bądź stałym rozmiarze na jednostki danych warstwy DLC o stałym rozmiarze. Warstwy konwergencji zaprojektowano specjalnie w celu integracji z sieciami opartymi na IP, sieciami rdzeniowymi (np. ATM), a także z sieciami telefonii komórkowej trzeciej generacji (we współpracy z komitetami ETSI opracowującymi projekty UMTS oraz 3GPP). W systemie przewiduje się wykorzystanie sektorowych anten wielowiązkowych w celu poprawienia budżetu mocy łącza radiowego oraz do zminimalizowania interferencji. Dodatkowymi mechanizmami stosowanymi w HIPERLAN/2 są m.in. procedura dynamicznego wyboru częstotliwości DFS (Dynamic Frequency Selection) oraz adaptacja łącza. System powinien w założeniu automatycznie dobierać odpowiednie częstotliwości dla każdego punktu dostępowego. Dzięki temu systemy różnych operatorów nie kolidują ze sobą nawet w przypadku współużytkowania w danej chwili tego samego pasma. HIPERACCESS, HIPERMAN i HIPERLINK Technika HIPERACCESS (High Performance Radio Access) jest w założeniu standardem dla stacjonarnych sieci dostępu radiowego przeznaczonym do transmisji na duże odległości do 5 km. Transmisja typu punkt-wielopunkt, zapewniająca uzyskiwanie przepływności bitowych do 25 Mbit/s, jest przeznaczona zarówno dla użytkowników indywidualnych, jak i biznesowych i umożliwia zarówno korzystanie z różnorodnych usług dedykowanych, jak i komunikację przez odpowiednie interfejsy z sieciami zewnętrznymi (UMTS, ATM oraz opartymi na IP). HIPERACCESS powinien konkurować z przewodowymi szerokopasmowymi systemami dostępowymi, przede wszystkim z systemami typu xdsl oraz systemami transmisji danych w sieciach kablowych. Standard ten, podobnie jak inne specyfikacje ETSI BRAN, specyfikuje dwie dolne warstwy: fizyczną PHY oraz łącza danych DLC, zawiera także funkcje dostępowe do odpowiednich interfejsów sieci zewnętrznych. System w założeniu ma umożliwiać transmisję zarówno usług typu synchronicznego, jak i asynchronicznych, typu dupleksowego i simpleksowego. Jest on przeznaczony dla szerokiego zakresu częstotliwości (koncepcja wykorzystania różnych zakresów, począwszy od 3 GHz aż do 60 GHz), w zależności od dostępności w poszczególnych regionach świata, w założeniu implementuje także mechanizm QoS. Ostatecznie zdecydowano o zastosowaniu pasm częstotliwości 31,8 33,4 GHz oraz 40,5 43,5 GHz, z wykorzystaniem modulacji QAM oraz mechanizmów adaptacyjnego kodowania oraz modulacji ACM (Adaptive Coding and Modulation). 132

Systemy zgodne ze specyfikacją HIPERACCESS są przeznaczone do komunikacji zewnątrzbudynkowej dla usług stacjonarnych, czyli takich, w których terminale użytkowników są na stałe umiejscowione w strukturze budynków. Stacja bazowa obsługuje pojedyncze budynki, wielu użytkowników w różnych budynkach lub wielu użytkowników w pojedynczym budynku z wykorzystaniem łączy radioliniowych oraz wewnętrznego systemu dystrybucyjnego. Pomiędzy węzłami sieci komunikującymi się z wykorzystaniem częstotliwości mikrofalowych konieczne jest zachowanie bezpośredniej widoczności, co sprawia, że może być on dość trudny do wykorzystania w obrębie obszarów miejskich z gęstą zabudową. W kwietniu 2000 ETSI BRAN rozpoczęło równoległe prace nad rozwojem standardu HIPERMAN (High Performance Radio Metropolitan Area Network), przeznaczonego dla stacjonarnych systemów dostępu radiowego pracujących na częstotliwościach poniżej 11 GHz. Ostatnia technika z rodziny standardów ETSI BRAN, czyli HIPERLINK, jest szerokopasmową techniką łączności typu punkt-punkt przeznaczoną do transmisji z bardzo dużymi przepływnościami (do 155 Mbit/s) na małe odległości (do 150 metrów) między sieciami HIPERLAN oraz HIPERACCESS, a transmisja jest przewidziana w pasmie 17 GHz. Obecnie trwają prace nad rozwojem tej specyfikacji. POZOSTAŁE SYSTEMY DOSTĘPOWE Poza przedstawionymi wcześniej systemami radiowego dostępu opracowywanymi w ramach grup i komitetów IEEE oraz ETSI istnieje kilka innych rozwiązań przeznaczonych do podobnych zastosowań. Oczywiście nie sposób nie wspomnieć o systemie telefonii komórkowej trzeciej generacji UMTS, który poza standardowymi usługami transmisji głosu zapewnia także szerokopasmowe łącza przeznaczone do transmisji danych. Dzięki istniejącej infrastrukturze sieci komórkowych, system ten ma bardzo duże szanse znacznego opanowania rynku, także w zakresie usług dostępowych i szerokopasmowego łącza do Internetu. Opisywanie systemu UMTS i innych systemów trzeciej generacji wykracza jednakże poza ramy tego artykułu, dlatego też w dalszej kolejności zostaną pokrótce przedstawione inne rozwiązania, stosowane jako szerokopasmowe radiowe systemy dostępowe. Systemy LMDS/MMDS Analogowy system MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service) jest używany na świecie jako tanie rozwiązanie przeznaczone do transmisji wielokanałowej telewizji. Jest to zatem coś na kształt bezprzewodowej telewizji kablowej. Jest to łącze krótkiego zasięgu, pracujące na częstotliwościach 2,5 GHz, z koniecznością bezpośredniej widoczności komunikujących się urządzeń. Systemy cyfrowe tego typu są również obecnie stosowane, mają one zapewnić szerokopasmowy dostęp do Internetu. Ponieważ jednak jest to łącze jednokierunkowe, problemem staje się kwestia kanału zwrotnego. Dlatego też konieczne jest w takim przypadku stosowanie modemu bądź linii telefonicznej. Z kolei system LMDS (Local Multipoint Distribution Service) stanowi rozwiązanie problemu ostatniej mili do użytkownika i zapewnia dostęp do bezprzewodowych usług szerokopasmowych. System ten jest typowym rozwiązaniem łączności typu punkt-wielopunkt. W związku z tym do komunikacji jest niezbędna bezpośrednia widoczność anten nadawczej i odbiorczych. Systemy LMDS pracują na częstotliwościach powyżej 26 GHz, wykorzystują one zwielokrotnienie TDMA z podziałem częstotliwościowym. W Europie podstawowe pasmo przydzielone dla systemów LMDS to 40,5 43,5 GHz. Maksymalny zasięg wynosi około 7km, natomiast maksymalne przepływności bitowe są duże, mogą osiągać nawet do 100 Mbit/s, a dzięki strukturze komórkowej oraz technice wtórnego wykorzystania częstotliwości mogą być jeszcze większe. Jak wspomniano wcześniej, systemy LMDS stanowią dobre rozwiązanie zarówno dla istniejących, jak i nowych operatorów telekomunikacyjnych. Dla operatorów istniejących są stosunkowo tanim (w porównaniu z rozwiązaniami przewodowymi) rozwiązaniem problemu ostatniej mili do użytkownika przy udostępnianiu odpowiednich usług szerokopasmowych. Z drugiej strony nowym operatorom systemy LMDS zapewniają znacznie szybszy wzrost i rozwój nowych usług dostępowych dla abonentów. Główne zastosowania, do których mogą być wykorzystywane systemy LMDS, to przede wszystkim dystrybucja cyfrowych kanałów telewizyjnych (alternatywa dla telewizji kablowej), udostępnianie interaktywnych serwisów telewizyjnych, a także szybki transfer głosu oraz danych [14]. Systemy satelitarne Wraz z ogromnie szybkim rozwojem zainteresowania telewizją cyfrową i pracami nad rozwojem jej standardów, systemy satelitarne także obecnie przeżywają swój rozkwit. Tradycyjne dochody operatorów z transmisji cyfrowych programów telewizyjnych i radiowych rosną znacząco, a w chwili obecnej coraz większe zainteresowanie wzbudza możliwość wykorzystania systemów satelitarnych także do transmisji danych i udostępnienia szerokopasmowego dostępu do Internetu. Systemy satelitarne mają szansę stać się rozwiązaniem problemu wąskiego gardła naziemnych sieci dostępowych. Wykorzystywane szerokie pasmo zapewnia udostępnianie wielu usług wymagających dużych przepływności, a pokrycie globalne zapewnia obsługę obszarów o niskim zaludnieniu i bez istniejącej infrastruktury. Pewnym problemem w przypadku systemów satelitarnych jest kanał zwrotny, dlatego długo systemy te nie mogły zyskać dużej popularności. Do niedawna najczęstszym sposobem wykorzystania transmisji satelitarnej była transmisja typu rozsiewczego, bez kanału zwrotnego. Kolejnym etapem było wprowadzenie możliwości udostępniania kanału zwrotnego z wykorzystaniem sieci wąskopasmowej lub naziemnej sieci telefonicznej (PSTN, ISDN). Istnieją także możliwości wykorzystania sieci satelitarnej VSAT, ze względu na koszty dostępne jednak przede wszystkim dla klientów biznesowych. Swoją drugą młodość systemy satelitarne zwdzięczają jednak proponowanym obecnie i udostępnianym przez operatorów systemom dwukierunkowej transmisji danych z szerokopasmowym satelitarnym kanałem zwrotnym. Systemy takie mogą wykorzystywać jako platformy transmisyjne różne protokoły, a transmisja w kanale zwrotnym może odbywać się w różnych pasmach częstotliwości, m.in. w pasmie Ku 12/14 GHz, w pasmie Ka 20/30 GHz, a nawet w pasmie V 40/50 GHz. W ramach projektu DVB (Digital Video Broadcasting) stworzonego przy ETSI i zajmującego się tworzeniem standardów telewizji cyfrowej została powołana specjalna grupa robocza opracowująca standard DVB RCS (Return Channel via Satellite). Standard ten zakłada wykorzystanie terminali abonenckich z małymi antenami, o średnicach 60 cm, będących jednocześnie terminalami nadawczymi dla transmisji w kanale zwrotnym. Maksymalne przepływności w kanale zwrotnym są planowane na ok. 2 Mbit/s, a w torze dosyłowym ok. 50 Mbit/s. 133