Rozwój sieci telekomunikacyjnych i sieci następnej generacji aspekty strukturalne, funkcjonalne, techniczne i normalizacyjne

Program Wieloletni Rozwój Telekomunikacji i Poczty w dobie społeczeństwa informacyjnego SP II.2 Rozwój sieci telekomunikacyjnych i sieci następnej generacji aspekty strukturalne, funkcjonalne, techniczne i normalizacyjne Szerokopasmowe radiowe sieci dostępowe systemu WiMAX Warszawa, listopad 2006 r.

Błąd! Nieznana nazwa właściwości dokumentu. Metryka dokumentu: Przedsięwzięcie: Program Wieloletni Rozwój telekomunikacji i poczty w dobie społeczeństwa informacyjnego Grupa tematyczna: Zadanie: Kierownik zadania: Rynek telekomunikacyjny i teleinformatyczny: aspekty techniczne i normalizacyjne Rozwój sieci telekomunikacyjnych i sieci następnej generacji aspekty strukturalne, funkcjonalne, techniczne i normalizacyjne mgr inż. Aleksander Orłowski KOD ZADANIA SP II.2 Wykonawcy: mgr inż. Aleksander Orłowski mgr inż. Elżbieta Tomaszuk mgr inż. Rafał Pawlak Zakład Systemów Radiowych Instytut Łączności PIB ul. Szachowa 1, 04-894 Warszawa oraz mgr inż. Krzysztof Cabaj mgr inż. Wojciech Mazurczyk inż. Sebastian Strzelak mgr inż. Krzysztof Szczypiorski Politechnika Warszawska Instytut Telekomunikacji

WW_SP_II-2.doc str. 2 z 78 Wprowadzenie Niniejszy Raport jest wynikiem pracy prowadzonej w ramach zadania SP II.2, którego tematyka dotyczy aspektów strukturalnych, funkcjonalnych, technicznych oraz normalizacyjnych rozwoju sieci telekomunikacyjnych. W 2006 r. analizowano temat rozwoju radiowych sieci metropolitalnych (Wireless Metropolitan Area Network, Wireless MAN, WMAN), skupiając uwagę na systemach z rodziny WiMAX. Raport składa się z dwóch części: części I pod tytułem: "Charakterystyki i rozwój systemu WiMAX", której autorami są: mgr inż. Aleksander Orłowski (kierownik zadania), mgr inż. Rafał Pawlak, mgr inż. Elżbieta Tomaszuk, zatrudnieni w Zakładzie Systemów Radiowych Instytutu Łączności w Warszawie; części II pod tytułem: "Ochrona danych w sieciach WiMAX", której autorami są: mgr inż. Krzysztof Cabaj, mgr inż. Wojciech Mazurczyk, inż. Sebastian Strzelak, mgr inż. Krzysztof Szczypiorski (koordynator tej części zadania), zatrudnieni w Instytucie Telekomunikacji Politechniki Warszawskiej. W części I opisano podstawowe wymagania stawiane szerokopasmowym radiowym sieciom dostępowym. Przedstawiono rozwój standardów z serii IEEE 802.16. Omówiono cechy systemu WiMAX i zasady certyfikacji urządzeń. Opisano problemy regulacyjne związane ze stosowaniem systemu. W części II szczegółowo opisano mechanizmy zabezpieczeń, zaprojektowane do uwierzytelnienia, autoryzacji, szyfrowania oraz generowania kluczy i zarządzania kluczami, zdefiniowane dla sieci WiMAX w standardach IEEE 802.16-2004 oraz IEEE 802.16e-2005.

str. 3 z 78 Charakterystyki i rozwój systemu WiMAX Spis treści 1. Wstęp...4 2. Miejsce w sieci...5 3. Systemy szerokopasmowe...7 4. Radiowe sieci dostępowe...9 4.1 Architektura szerokopasmowych radiowych sieci dostępowych...9 4.2 Zagadnienia propagacyjne (LOS / NLOS)...13 5. Standardy z serii IEEE 802.16...15 5.1 Ewolucja standardów z serii IEEE 802.16...15 5.2 Standard 802.16-2004...17 5.3 OFDM...20 5.4 Wybór rodzaju dupleksu (FDD / TDD)...30 5.5 Mobile WiMAX...33 5.6 Jakość usług (QoS)...34 5.7 Rozwój systemu...35 5.8 Zarządzanie siecią...39 6. Standard ETSI HiperMAN...40 6.1 Profile systemu HiperMAN...40 7. WiBro...48 8. WiMAX Forum...48 8.1 Zasady certyfikacji urządzeń...49 8.2 Plugfests...56 8.3 Aparatura pomiarowa...58 9. Zastosowania systemu WiMAX...59 9.1 Doświadczenia w Polsce...60 9.2 Sieci municypalne...61 10. Częstotliwości i planowanie sieci...62 10.1 Profile testów a europejskie regulacje...63 10.2 Zalecenia CEPT...64 10.3 Dostępność częstotliwości w Polsce...65 11. Regulacje wynikające z Dyrektywy 1999/5/WE...69 12. Wnioski...70 Definicje...72 Akronimy...73 Podstawowa bibliografia...76 Inne wymienione źródła...78

str. 4 z 78 1. Wstęp Szerokopasmowe radiowe systemy dostępowe są postrzegane jako jeden z najbardziej efektywnych sposobów realizacji dostępu do Internetu również na obszarach słabo zurbanizowanych. Zwiększone zainteresowanie tego rodzaju systemami ma ścisły związek z publikacją przez IEEE, opracowanych przez międzynarodowe grupy ekspertów specyfikacji technicznych z serii 802.16, dotyczących radiowych sieci lokalnych i metropolitalnych. Na rynku polskim zainteresowanie radiowymi systemami umożliwiającymi dostęp szerokopasmowy ma także związek z przeprowadzonymi w 2005 r. przez URTiP przetargami dotyczącymi wykorzystania częstotliwości w pasmach 3,5 GHz i 3,7 GHz. Zgodność ze standardem IEEE 802.16-2004, znanym jako specyfikacja stacjonarnego systemu WiMAX, lub IEEE 802.16e, nazywanym specyfikacją mobilnej wersji systemu WiMAX, stała się wyznacznikiem nowej techniki w tej dziedzinie. W odróżnieniu od systemów konwencjonalnych, np. zaliczanych do kategorii LMDS, nowe techniki szerokopasmowego dostępu radiowego pozwalają na realizację dostępu stacjonarnego nie tylko w zasięgu linii bezpośredniej widoczności (LOS), lecz także zasięgu bez bezpośredniej widoczności (NLOS) nomadycznego i ruchomego. Specyfikacje IEEE obejmują również innowacyjne techniki, takie jak możliwość wykorzystywania architektury kratowej (mesh network), sterowanych anten (smart antenna), transmisji wielotorowej (MIMO). Istotnym argumentem promocji rozwiązań WiMAX jest interoperacyjność, polegająca na dostępności specyfikacji technicznych (open standard), która umożliwia kojarzenie w jednym systemie stacji bazowych i stacji abonenckich pochodzących od różnych producentów specjalizujących się w wytwarzaniu urządzeń określonego rodzaju. Dla potrzeb potwierdzania interoperacyjności wprowadzono dobrowolną procedurę certyfikacji urządzeń w laboratorium autoryzowanym przez WiMAX Forum. Certyfikacja ta obejmuje zdefiniowane profile sprzętowe stanowiące podzbiór wymagań IEEE i ETSI. Jednakże wielu producentów, również na rynku polskim, oferuje obecnie systemy pre-wimax, w których zaimplementowano wczesne wersje specyfikacji IEEE, nie gwarantujące interoperacyjności z produktami innych firm. W tej sytuacji są to de-facto systemy firmowe, a używanie określenia WiMAX jest w takich przypadkach sposobem pozyskiwania klientów. Możliwość wprowadzenia w Europie mobilnej wersji WiMAX (802.16e) jest uzależniona od zarezerwowania zharmonizowanego zakresu częstotliwości. Dla efektywnego wykorzystania właściwości tego systemu do obsługi ruchomych urządzeń abonenckich, poza zasięgiem bezpośredniej widoczności, należy zarezerwować w paśmie UHF jak najniższe częstotliwości. W USA wskazano pasmo 2,5 GHz, w Europie nie podjęto odpowiednich decyzji, co istotnie opóźnia projektowanie urządzeń przeznaczonych na rynek europejski. Należy też podkreślić, że podstawowe charakterystyki warstwy fizycznej systemu 802.16e różnią się od charakterystyk systemu w wersji 802.16-2004, a więc "przejście" od starszego systemu stacjonarnego na system mobilny będzie wymagać wymiany urządzeń. Innego rodzaju problemem są rozstrzygnięcia dotyczące możliwości stosowania ruchomej wersji WiMAX jako konkurencji dla sieci komórkowych UMTS/HSDPA. Kolejnym zagadnieniem, z reguły pomijanym w prezentacjach firmowych, jest ochrona danych transmitowanych w systemie i ocena jej skuteczności w aspekcie standardów bezpieczeństwa stosowanych do systemów teleinformatycznych oraz wskazanie potencjalnych zagrożeń.

str. 5 z 78 W Raporcie przedstawiono stan techniki na podstawie dokumentów normalizacyjnych IEEE z serii 802.16, ETSI dotyczących systemu HiperMAN, publikacji WiMAX Forum i innych. Scharakteryzowano rozwiązania preferowane przez WiMAX Forum oraz zasady certyfikacji urządzeń prowadzonej przez to stowarzyszenie i przykładowe rozwiązania systemów zgodnych z WiMAX. W Raporcie zawarto opis metod ochrony informacji w systemach WiMAX oraz analizę ich skuteczności w aspekcie ogólnych wymagań bezpieczeństwa dotyczących systemów teleinformatycznych. W opracowaniu przedstawiono najistotniejsze zagadnienia dotyczące wdrażania systemów dostępowych WiMAX, a w szczególności: charakterystyki warstwy fizycznej oraz MAC systemów IEEE 802.16-2004 i IEEE 802.16e, w tym wymagania dotyczące zakresów częstotliwości; współzależność pomiędzy specyfikacjami technicznymi z serii IEEE 802.16, a specyfikacjami ETSI BRAN (ETSI Project Broadband Radio Access Networks), dotyczącymi systemu HiperMAN; problemy zgodności proponowanych rozwiązań z europejskimi regulacjami polegającymi na stosowaniu dyrektywy 1999/5/EC (dyrektywy R&TTE); systemy pokrewne, takie jak koreański WiBro; warunki zagwarantowania interoperacyjności urządzeń zasady i tzw. profile certyfikacji urządzeń prowadzonej przez WiMAX Forum; warunki techniczne realizacji dostępu stacjonarnego, nomadycznego i ruchomego z użyciem urządzeń WiMAX; krajowe plany wykorzystania częstotliwości rezerwowanych dla szerokopasmowego dostępu radiowego i przewidywane potrzeby w tym zakresie; analiza bezpieczeństwa transmisji i ochrony danych w tego rodzaju systemach; wytyczne odnośnie metod projektowania i optymalizacji infrastruktury szerokopasmowych sieci radiowych. Wyniki niniejszej pracy mogą być wykorzystane przez jednostki administracji państwowej przy sporządzaniu lub ocenie specyfikacji technicznych radiowych sieci dostępowych, do kształtowania polityki MTiB dotyczącej dostępu szerokopasmowego, przez UKE przy weryfikacji krajowych planów zagospodarowania częstotliwości oraz dla potrzeb edukacyjnych. 2. Miejsce w sieci Określenie dostęp radiowy (Wireless Access) odnosi się do systemów radiowych przeznaczonych do przenoszenia usług pomiędzy siecią szkieletową a urządzeniami użytkowników końcowych. Radiowe sieci dostępowe są realizowane różnymi technikami, takimi jak systemy satelitarne, sieci komórkowe, stacjonarne systemy punkt do wielu punktów, radiowe lokalne sieci komputerowe. Radiowe sieci dostępowe są także klasyfikowane zależnie od tego, czy w trakcie sesji komunikacji urządzenia użytkowników znajdują się w stałej lokalizacji, czy mogą się przemieszczać. Wg tego kryterium urządzenie końcowe radiowej sieci dostępowej może być użytkowane jako stacjonarne, w sposób nomadyczny (gdy może być używane w różnych miejscach, ale gdy jest używane jest stacjonarne) lub jako ruchome zmieniające lokalizację

str. 6 z 78 w trakcie komunikacji. Przy czym możliwość przemieszczania terminala może dotyczyć sieci globalnej, określonego obszaru, a w skrajnym przypadku tylko obszaru pokrywanego przez jedną stację bazową (radiowy punkt dostępowy). Należy zauważyć, że wiele systemów może obsługiwać użytkowników stacjonarnych, nomadycznych i ruchomych, a ograniczenia dotyczące mobilności urządzeń końcowych (terminali) mają charakter administracyjny (warunki koncesji na wykonywanie usług telekomunikacyjnych), a nie techniczny. Typowym przykładem stacjonarnej radiowej sieci dostępowej jest sieć z urządzeniami abonenckimi wyposażonymi w anteny kierunkowe umieszczone na zewnątrz budynku, w miejscu gwarantującym bezpośrednią widoczność anteny stacji bazowej (BS). W sieci ruchomej wymaga się obsługi urządzeń, które przemieszczają się z określoną prędkością, a zmiana lokalizacji terminala jest związana z szybkimi zmianami właściwości kanału radiowego. System ruchomy musi być ponadto dostosowany do przenoszenia obsługi terminala pomiędzy sąsiednimi BS. Inna istotna różnica pomiędzy systemem ruchomym a stacjonarnym polega także na wymaganiach dotyczących zasilania terminali. Urządzenia końcowe w sieci stacjonarnej są z reguły zasilane z sieci energetycznej prądu przemiennego i pobór mocy nie jest parametrem krytycznym. Natomiast urządzenia użytkowników w sieci ruchomej są zasilane z baterii, a redukcja poboru mocy jest jednym z podstawowych parametrów w systemie. W sieci nomadycznej co najmniej jedno z urządzeń końcowych może być użytkowane w różnych miejscach, ale w czasie pracy jest stacjonarne. Typowym przykładem tego rodzaju sieci są WLAN obsługujące przenośne laptopy lub komputery kieszonkowe (Personal Digital Assistant, PDA). Podstawowym wymaganiem odnośnie wszystkich systemów radiowych jest efektywne wykorzystanie widma, nawet kosztem skomplikowania protokółów transmisji i pomimo tego, że dla niektórych aplikacji wystarczyłyby protokóły prostsze. Systemy radiowe konkurują z technikami dostępu opartymi na wykorzystaniu sieci kablowych. Z punktu widzenia użytkownika sieć radiowa powinna być przezroczysta, tak aby użytkownik żądając określonej usługi nie musiał rozróżniać przez jaki system jest obsługiwany kablowy czy radiowy. Dla potrzeb radiowej sieci dostępowej w zasadzie mogą być używane kanały radiowe zarówno w zakresach częstotliwości objętych obowiązkiem uzyskiwania pozwolenia radiowego 1/ (ang. licensed), jak też w zakresach nie objętych takim obowiązkiem 2/ (ang. license-exempt lub unlicensed). Dostępność pasma jest regulowana krajowymi przepisami dotyczącymi gospodarki widmem. Uwagi: 1/ Wyłączność użytkowania określonych kanałów na danym obszarze i prawna ochrona przed zakłóceniami są związane z opłatami za użytkowanie częstotliwości. 2/ Użytkownicy muszą liczyć się z występowaniem zakłóceń powodowanych przez inne urządzenia radiowe lub elektroniczne (np. kuchnie mikrofalowe). Wyłączenie z obowiązku uzyskiwania pozwolenia dotyczy urządzeń spełniających określone wymagania techniczne. Jednym z tego rodzaju wymagań może być dynamiczny wybór częstotliwości (Dynamic Frequency Selection, DFS), którego zadaniem jest detekcja każdego aktywnego nadajnika w zajmowanym kanale (np. radaru) i podjęcie środków zapobiegających zakłócaniu innej służby, np. zmiany kanału. Określenie "stacjonarne radiowe systemy dostępowe" (Fixed Wireless Access, FWA) odnosi się do systemów radiowych realizujących komunikację dla różnych zastosowań

str. 7 z 78 i wykorzystujących różne modele architektury. Przy czym liczba zastosowań tych systemów systematycznie wzrasta. Typowymi modelami architektury branymi pod uwagę w dokumentach normalizacyjnych są: punkt do wielu punktów (Point-to-Multipoint, PMP), punkt do punktu (Point-to-Point, PP), krata (mesh) oraz tzw. dowolny punkt do wielu punktów (Any Point-to-Multipoint, AP-MP), który jest kombinacją struktury kratowej i PMP. Sieć punkt do wielu punktów (point to multipoint, PMP) topologia gwiazdy, składa się ze stacji nadrzędnej (BS) komunikującej się bezpośrednio z więcej niż jedną stacją abonencką (SS). W sieci PMP są dwa kierunki transmisji z BS do pozostałych stacji, nazywany "łączem w dół" (downlink, DL) oraz kierunek odwrotny, nazywany "łączem w górę" (uplink, UL). BS spełnia funkcje sterujące, koordynując pracę wszystkich stacji sieci. W celu unikania kolizji pomiędzy transmisjami SS rywalizujących o dostęp do BS konieczny jest protokół wielodostępu. Jeżeli sieć składa się tylko z dwóch współpracujących bezpośrednio urządzeń, to jest zaliczana do sieci typu punkt-punkt (Point to Point, PP). Protokół sieci PP może być uproszczony, ponieważ nie musi zawierać elementów obsługi wielodostępu do kanału radiowego. Urządzenia radiowe na obu końcach mają zazwyczaj te same możliwości i podobne funkcje. Łącza PP, nazywane tez liniami radiowymi, są stosowane głównie w sieci szkieletowej. W sieciach PP i PMP protokół radiowy definiuje obsługę komunikacji między dwoma stacjami (jedno przęsło). W sieciach kratowych (mesh) protokół radiowy musi definiować obsługę urządzeń (węzłów sieci kratowej), które komunikują się z dwoma lub więcej innymi urządzeniami (węzłami). Oprócz podstawowych funkcji związanych z obsługą łącza radiowego i dostępem do kanału radiowego protokół sieci kratowej musi nadzorować routing (wybór dróg transmisji), reagować na uszkodzenia węzłów i występowanie zakłóceń, z tego względu jest o wiele bardziej skomplikowany, niż protokół dla sieci PMP. Istotnymi zaletami sieci kratowej są: zwiększenie zasięgu (wykorzystanie więcej niż jednego przęsła "skoku"); uzyskanie zasięgu NLOS (dodatkowy węzeł (węzły) dla ominięcia przeszkody); alternatywne drogi transmisji do wykorzystania w przypadku uszkodzenia lub pogorszenia parametrów drogi podstawowej. Natomiast jako wady należy traktować: zwiększenie opóźnienia ze względu na wiele skoków */ ; skomplikowanie protokółu (dodatkowe funkcje); złożoność planowania pokrycia. */ Może osiągnąć wartości nie tolerowane przez niektóre aplikacje. 3. Systemy szerokopasmowe W niniejszym opracowaniu skoncentrowano się na radiowych systemach szerokopasmowych, przy czym należy dodać, że klasyfikacja systemów na szerokopasmowe i wąskopasmowe, przyjęta w zaleceniu ITU-R F.1399 [1]: system wąskopasmowy, przesyłanie danych z szybkością 64 kbit/s, system szerokopasmowy (wide band) przesyłanie danych z szybkością w granicach od 64 kbit/s do 2048 kbit/s, system szerokopasmowy (broad band) przesyłanie danych z szybkością 2048 kbit/s,

str. 8 z 78 jest spójna z hierarchią systemów teletransmisyjnych, ale nie jest przydatna do oceny współczesnych systemów bazujących na transmisji pakietowej, wykorzystywanych przez różne aplikacje IP. Stacjonarne szerokopasmowe radiowe systemy dostępowe są znane co najmniej od dziesięciu lat. Jednakże brak zharmonizowanych zakresów częstotliwości i światowego, albo ogólnie uznanego regionalnego standardu takich systemów spowodował opracowanie wielu niekompatybilnych rozwiązań firmowych i niewielki udział systemów radiowych w rynku szerokopasmowych systemów dostępowych. Ruchomy dostęp szerokopasmowy jest od dawna "brakującym ogniwem" globalnej sieci komunikacji danych. Lukę tę miały wypełnić systemy WLAN (Wi-Fi) oraz systemy 3G, lecz nadal trudno mówić o sukcesie. Wi-Fi mają bardzo mały zasięg użyteczny i ograniczoną mobilność, co oznacza, że w rzeczywistości są techniką przydatną dla lokalnych hot-spot. Operatorzy sieci 3G skoncentrowali się raczej na usługach głosowych i multimedialnych, a nie na zapotrzebowaniu na mobilny dostęp do Internetu. Jest to również uzasadnione tym, że sieci UMTS przed wprowadzeniem HSDPA nie były przystosowane do obsługi szerokopasmowej komunikacji mobilnej. W krajach rozwiniętych na obszarach metropolii duże budynki biurowe są na ogół dołączone do sieci za pośrednictwem łączy światłowodowych dużej pojemności. Najemcy biur w tych budynkach mają dostęp szerokopasmowy. Jest możliwe rozszerzenie i udostępnienie usług szerokopasmowych do budynków w okolicy za pośrednictwem systemu radiowego. W USA dla tego rodzaju sieci, nazywanych LMDS (local multipoint distribution), przeznaczono częstotliwości w zakresie 28 31 GHz. Użyteczny zasięg w tym paśmie częstotliwości ze względu na właściwości propagacyjne jest zwykle nie większy niż 3 do 5 km. Fale w niewielkim stopniu ulegają dyfrakcji i konieczna jest budowa łącz z bezpośrednią widocznością anten (line-off-sight, LOS). Ponadto tłumienie trasy w czasie opadów deszczu gwałtownie rośnie, co powoduje konieczność automatycznej regulacji mocy nadawanej. Z drugiej strony małe zasięgi pozwalają na wielokrotne wykorzystywanie tych samych kanałów radiowych. Istotny jest również fakt, że anteny urządzeń pracujących w tych pasmach mają względnie małe rozmiary. Łącza radiowe pomiędzy niskimi budynkami, typowa sytuacja w dzielnicach podmiejskich i na obszarach wiejskich, powinny pracować bez bezpośredniej widoczności anten (non-line of sight, NLOS). Do tego celu przydatne są zakresy częstotliwości, w których fale ulegają ugięciu na przeszkodach. Systemy tego rodzaju, pracujące w zakresie częstotliwości od 2,5 GHz do 2,69 GHz, nazwano w USA MMDS (multi channel multipoint distribution service). Zatem szerokopasmowe radiowe systemy dostępowe są techniką znaną od wielu lat. Jedną z głównych przeszkód jej upowszechnienia był brak uznanego międzynarodowego standardu a w konsekwencji niekompatybilność systemów oferowanych przez różnych producentów i wysokie ceny. Inną ważną właściwością jest efektywność wykorzystania widma częstotliwości radiowych [bit/hz], której miarą jest liczba bitów oferowanych użytkownikom uzyskiwana z jednostki pasma kanału radiowego oraz dynamiczny, wg potrzeb użytkowników, przydział zasobów sieci. Kolejną pożądaną cechą takiego systemu jest łatwość instalacji urządzeń końcowych, zwłaszcza możliwość stosowania urządzeń nie wymagających użycia anten montowanych na zewnątrz budynku. Warunek ten oznacza konieczność opracowania systemu funkcjonującego

str. 9 z 78 prawidłowo w warunkach braku bezpośredniej widoczności anten (NLOS), odpornego na zakłócenia propagacyjne. Rozwój stacjonarnych radiowych systemów dostępowych w ostatnich latach wiąże się nierozerwalnie z postępami prac międzynarodowej grupy ekspertów The IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless Access Standards, utworzonej w tym celu przez zarejestrowane w USA stowarzyszenie Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Opracowane przez tę grupę normy (standards) i przewodniki (recommended practices) z serii IEEE 802.16, dotyczące szerokopasmowych radiowych sieci metropolitalnych (broadband Wireless Metropolitan Area Networks, WMAN), stanowią pierwszą próbę standaryzacji tego rodzaju systemów w skali światowej. 4. Radiowe sieci dostępowe 4.1 Architektura szerokopasmowych radiowych sieci dostępowych Radiowa sieć dostępowa PMP składa się z co najmniej jednej stacji bazowej (Base Station, BS), która zarządza komunikacją na określonym obszarze (obszarze komórki), pewnej liczby stacji abonenckich (Subscriber Stations, SS) wraz z urządzeniami końcowymi (Terminal Equipment, TE) i niekiedy stacji przekaźnikowych (Repeater Stations, RS) oraz urządzeń podsystemów zarządzania, utrzymania i innych. Powiązania pomiędzy podstawowymi elementami sieci przedstawia rys. 1. Poszczególne komórki mogą być połączone ze sobą i z siecią telekomunikacyjną za pośrednictwem łączy kablowych lub łączy radiowych punkt do punktu. do innych BS SS G TE Sieć szkieletowa BS SS SS G G TE TE BS Łącze między komórkami RS SS SS G G TE TE G TE Rys. 1: Schemat blokowy stacjonarnej radiowej sieci dostępowej W celu uzyskania pokrycia w miejscach, gdzie nie ma zasięgu ze względu na istniejące przeszkody przesłaniające antenę BS lub ze względu na odległość od BS jest możliwe stosowanie stacji retransmisyjnych (RS). RS może pracować na tych samych częstotliwościach co BS, której zasięg poszerza, albo na innych częstotliwościach demodulując sygnały w kanale BS, a modulując w innym.

str. 10 z 78 W systemach, w których wykorzystuje się podział czasowy (TDMA) wszystkie stacje klienckie muszą komunikować się bezpośrednio ze stacją bazową tylko w wyznaczonych szczelinach czasowych. Oznacza to, że w danym momencie niezależnie od liczby stacji w sieci (w zasięgu BS) tylko jedna stacja kliencka może nadawać. BS jest wyposażona w antenę o stosunkowo szerokiej wiązce promieniowania, zwykle sektorową, przy czym kilka sektorów (3-6) anten stacji zapewnia pokrycie dookólne. Aby uzyskać pokrycie określonego obszaru lub dostateczną pojemność sieci na tym obszarze, może być konieczne instalowanie wielu BS. Połączenia pomiędzy BS mogą być realizowane jako łącza radiowe punkt do punktu lub kablowe. W konwencjonalnych stacjonarnych systemach dostępowych SS są wyposażone w anteny o wąskiej wiązce charakterystyki promieniowania, skierowanej ku stacji bazowej. Istotnym argumentem rozwoju stacjonarnych sieci dostępowych jest możliwość stosowania urządzeń abonenckich przeznaczonych do instalacji w pomieszczeniach oraz urządzeń przenośnych (dostęp nomadyczny). W tym przypadku anteny SS nie mają wyraźnej kierunkowości. W sieci PMP wszystkie stacje abonenckie (klientów) komunikują się ze stacją bazową, która spełnia rolę jednostki zarządzającej ruchem w sieci. Nie jest możliwa bezpośrednia komunikacja między stacjami klientów. Ograniczenie obszaru pokrycia sieci wynika z bilansu łącza radiowego. Urządzenia abonenckie są często nazywane urządzeniami klienckimi (Customer Premise Equipment, CPE). W wielu systemach mikrofalowych stacje (BS i/lub SS) składają się z dwóch jednostek funkcjonalnych: ODU (Outdoor Unit) jednostki instalowanej na otwartym powietrzu, zawierającej mikrofalowy blok nadawczo-odbiorczy zintegrowany z anteną; IDU (Indoor Unit) jednostki instalowanej w pomieszczeniu, połączonej z ODU kablem przesyłającym w obu kierunkach sygnał radiowy o częstotliwości pośredniej lub sygnał w paśmie podstawowym oraz zasilanie. IDU stacji abonenckiej jest wyposażona w interfejsy (porty) dla urządzeń użytkownika, np. Ethernet 10B-T. IDU stacji bazowej jest wyposażona w interfejsy sieci szkieletowej. W droższych CPE w jednej obudowie są integrowane różne funkcje, które mogą być wykorzystane w sieci domowej lub w małym biurze. Typowe porty (interfejsy) takich urządzeń są następujące: RJ45 (Ethernet lub szybki Ethernet), RJ11 linia telefoniczna (POTS), RJ11 zintegrowany z adapterem VoIP, ruter lub przełącznik LAN, punkt dostępowy Wi-Fi (radiowej sieci lokalnej). W ten sposób konstruowane są również BS i SS systemu WiMAX. Jednakże należy zauważyć, że w przypadku stacji abonenckich (CPE) instalacja ODU na maszcie ponad dachem, a nawet na zewnętrznej ścianie budynku jest czynnością pracochłonną, wymagającą wysłania montera, który tę prace wykona, a często także użycia specjalnego samochodu z podnośnikiem. Koszty instalacji i ewentualnej naprawy lub wymiany ODU stacji abonenckich znacząco wpływają na koszt budowy i utrzymania całej sieci. W analizach dotyczących kosztów budowy radiowej sieci dostępowej podkreśla się, że koszty jednej BS są dzielone na wiele instalacji abonenckich. Redukcja kosztu SS (produkcji,

str. 11 z 78 instalacji, utrzymania) decydująco wpływa na koszt budowy i utrzymania radiowej sieci dostępowej. Z tego względu istotne znaczenie mają wszystkie rozwiązania, które zmierzają do zmniejszenia kosztów SS, np. kosztów instalacji w następstwie opracowania systemu, w którym można stosować SS pracujące w pomieszczeniach w warunkach NLOS, por. punkt 4.2. Łącza punkt do punktu (PP) są zwykle elementami sieci szkieletowej (dosyłowej), ale mogą być również wykorzystywane w sieci dostępowej. W przypadku łącza PP obie stacje mają zwykle anteny kierunkowe o dużym zysku. Każda stacja komunikuje się tylko z jedną określoną stacją. Każde łącze PP przez system zarządzania sieci jest zwykle traktowane jako osobna jednostka funkcjonalna. W sieci kratowej, rys. 2, węzły są zwykle zlokalizowane w siedzibach klientów. Obsługują lokalny ruch danego klienta, a oprócz tego działają jako stacje retransmisyjne (repeaters), kierujące ruch do innych węzłów sieci. Indywidualne stacje klientów nie muszą bezpośrednio komunikować się z punktem dostępowym (Access Point, AP), lub stacją centralną dołączoną do sieci szkieletowej. Wystarczy, że "widzą" co najmniej jedną sąsiednią stację, która może dalej przesyłać ruch w kierunku do lub od punktu dostępowego. Rys. 2: Przykład powiązań pomiędzy węzłami sieci kratowej Niektóre węzły powinny być przyłączane do sieci szkieletowej. W celu koncentrowania większego ruchu w jednym punkcie styku radiowej sieci dostępowej (FWA) z siecią szkieletową w jednej lokalizacji mogą znajdować się węzły wyposażone w anteny sektorowe lub kierunkowe. Węzeł sieci kratowej może składać się tylko z ODU retransmitującego ruch. Węzły klientów są zwykle instalowane indywidualnie i wyposażone albo w anteny dookólne, albo kierunkowe. Pod wszystkimi innymi względami funkcjonalność punktów przyłączenia do sieci szkieletowej i węzłów klienckich są takie same. Zdefiniowanie funkcji danego węzła jako węzła abonenckiego lub elementu sieci szkieletowej w zasadzie zależy tylko od tego, jakie urządzenie jest dołączone do jego portu sieciowego. Pod wszystkimi innymi względami funkcje węzła są takie same. Architektura PMP zastosowana w sieci FBWA umożliwia efektywną realizację dostępu szerokopasmowego. Jest sprawdzoną techniką realizacji dostępu dla użytkowników biznesowych i domowych, tzw. "ostatniej mili", oraz rozmaitych aplikacji. Znajduje zastosowanie także jako sieć szkieletowa dla instalowanych na zewnątrz lub wewnątrz budynków radiowych sieci lokalnych (WLAN). Przykład zastosowania klasycznej sieci BFWA o strukturze punkt do wielu punktów (PMP), w której wszystkie dane muszą być przesyłane za pośrednictwem stacji bazowej pokazano na rys. 3.

str. 12 z 78 Na rys. 4 pokazano dwuwarstwową strukturę sieci: niższa warstwa składa się z lokalnych sieci kratowych stworzonych przez stacje abonenckie, a wyższą tworzy szkielet łączący skupiska abonentów w jedną sieć PMP. Rys. 3: Przykład radiowej sieci dostępowej o strukturze punkt do wielu punktów Legenda: MSP małe /średnie przedsiębiorstwo SOHO małe biuro / biuro domowe Rys. 4: Przykład radiowej sieci dostępowej z wykorzystaniem sieci kratowych

str. 13 z 78 4.2 Zagadnienia propagacyjne (LOS / NLOS) Warunki bezpośredniej widoczności (LOS) występują, gdy sygnał radiowy przebywa drogę pomiędzy anteną nadajnika a anteną odbiornika i nie napotyka żadnych przeszkód. Jest to idealny przypadek, ponieważ na tłumienie fali mają wpływ tylko skutki propagacji wielodrogowej (fale odbite od przeszkód znajdujących się poza strefą Fresnela i od powierzchni ziemi), a w zakresach częstotliwości powyżej 11 GHz również warunki pogodowe oraz parametry atmosfery. Przy braku bezpośredniej widoczności (NLOS) sygnał radiowy na drodze pomiędzy anteną nadajnika a anteną odbiornika napotyka przeszkody. W rzeczywistych warunkach fala radiowa może ulegać odbiciu, refrakcji (załamaniu), dyfrakcji (ugięciu), rozproszeniu i absorpcji. W skutek kombinacji tych zjawisk do odbiornika może dochodzić różnymi drogami wiele składowych sygnału, różniących się opóźnieniem i amplitudą. W konsekwencji radiowy system dostępowy powinien być wyposażony w mechanizmy łagodzące skutki zakłóceń propagacyjnych. Zatem w systemach zaprojektowanych do pracy w środowisku nie gwarantującym bezpośredniej widoczności anten protokóły zarządzania dostępem do kanałów fizycznych mają charakter adaptacyjny i są bardziej złożone, niż w systemach zaprojektowanych dla warunków LOS. Jednakże w przypadku NLOS planowanie sieci i pozyskiwanie lokalizacji dla stacji jest łatwiejsze. W przypadku systemów WiMAX przystosowanie do pracy w warunkach NLOS osiągnięto przede wszystkim przez wybór częstotliwości mniejszej niż 11 GHz i zaprojektowanie warstwy fizycznej (PHY) z modulacjami typu OFDM lub OFDMA, które tolerują selektywne zaniki i duży rozrzut opóźnienia składowych sygnału odbieranego. Niezależnie od tego zaprojektowano inne środki, takie jak AMC, tworzenie podkanałów (subchannelization), AAS i MIMO, por. 5.7. Dla potrzeb projektowania sieci łącze określa się jako zapewniające bezpośrednią widoczność (LOS), jeżeli na trasie fali radiowej co najmniej 60% pierwszej strefy Fresnela jest wolne od przeszkód. Strefy Fresnela reprezentują w przestrzeni obszary, gdzie długość drogi fal od anteny nadawczej do odbiorczej jest o n λ/2 większa od całkowitej długości trasy wzdłuż linii widoczności optycznej. (Składowe fali, których trasy różnią się o n λ/2 sumują się albo w fazie zgodnej albo przeciwnej, wzmacniając lub obniżając natężenie pola w miejscu umieszczenia anteny odbiorczej). Sygnały, których bezwzględne przesunięcie fazy jest mniejsze niż 90, dodając się do fali bezpośredniej zwiększają jej amplitudę, stąd jest pożądane, aby składowe sygnału odbitego miały przesunięcie fazy mniejsze niż 90. Pierwsza strefa Fresnela obejmuje, w każdym punkcie wzdłuż linii łączącej nadajnik (Tx) i odbiornik (Rx), koło o środku leżącym na tej linii o promieniu d1 d2 R1 λ, d1 d2 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. 5. Strefa zdefiniowana w ten sposób jest elipsoidą w trzech wymiarach. Dla pojedynczej przeszkody łącze jest określane jako LOS, gdy R 0 > 0,6 R F1, gdzie: Promień R 1 przyjmuje największą wartość w połowie trasy i zgodnie z podanym wzorem bliżej końców trasy jest mniejszy. Należy jednak pamiętać, że wzór ten wyprowadzono przy założeniu, że d 1, d 2 >> R 1. I nie należy sądzić, że przy d 1 lub d 2 = 0 promień strefy Fresnela wynosi zero.

str. 14 z 78 Tx d 1 d 2 + λ / 2 d 2 Czoło fali R 1 Rx Rys. 5: Obliczanie promienia pierwszej strefy Fresnela Każdy obiekt na trasie między anteną nadawczą a anteną odbiorczą, który przesłania pierwszą strefę Fresnela, rys. 6, powoduje dyfrakcję fali radiowej i wprowadza dodatkowe tłumienie. Wielkość tłumienia dyfrakcyjnego zależy od stosunku powierzchni wiązki przesłoniętej przez przeszkodę do całkowitej powierzchni wiązki (strefy) oraz rodzaju samej przeszkody. Jeżeli łącze pomiędzy dwoma punktami ma być traktowane jako łącze bez przeszkód, to zaleca się aby co najmniej 60% promienia pierwszej strefy Fresnela pozostawało wolne od przeszkód. Tx d 1 d 2 Rx Przeszkody na trasie Rys. 6: Potrzeba lokalizacji przeszkód w pierwszej strefie Fresnela Jeżeli na trasie fali występuje wiele przeszkód, to warunek LOS wynika z minimalnej wartości R 0 / R F1. Należy pamiętać, że elipsoida ta jest zdefiniowana w trzech wymiarach, a przeszkody mogą występować poniżej, z boków i powyżej jej osi. W przypadku długiej trasy, jeżeli anteny nie są umieszczone dostatecznie wysoko, przesłonięcie trasy może powodować także krzywizna Ziemi. Uwaga. Określenie LOS "linia bezpośredniej widoczności" należy odpowiednio rozumieć. Z zależności pozwalającej obliczyć promień strefy (R F1 ) wynika jasno, że w zakresie częstotliwości radiowych, w którym mogą pracować systemy zgodne ze specyfikacją IEEE 802.16, gdzie λ jest w granicach od około 0,5 cm (60 GHz) do 15 cm (2 GHz), promień strefy Fresnela jest wielokrotnie większy niż w zakresie częstotliwości światła widzialnego (λ kilkaset nm). Zatem brak przeszkód na trasie "promienia świetlnego" nie jest równoważny z brakiem przeszkód w strefie Fresnela na trasie mikrofalowego łącza radiowego. Innym podejściem do propagacji fal w środowisku, w którym występują odbicia jest analiza w dziedzinie czasu. Fale odbite docierają do odbiornika stłumione i z opóźnieniem, symbole sygnału cyfrowego fali odbitej nakładają się na symbole fali bezpośredniej powstają interferencje między symbolami (Inter Symbol Interference, ISI). W zasadzie są trzy metody łagodzenia skutków propagacji wielodrogowej w sieciach dostępowych: stosowanie anten o bardzo wąskiej wiązce, jest to sposób odpowiedni dla łącz LOS, gdyż odbicia w pierwszej strefie Fresnela mają minimalny wpływ na sygnał odbierany; stosowanie odbiorników z tzw. equalizerem, który kompensuje interferencje między symbolami. wykorzystanie modulacji OFDM i pochodnych.

str. 15 z 78 5. Standardy z serii IEEE 802.16 5.1 Ewolucja standardów z serii IEEE 802.16 Opublikowany w 2001 r. standard dotyczący radiowych sieci metropolitalnych IEEE 802.16-2001, dotyczył systemu zaprojektowanego do stosowania w zakresie częstotliwości mikrofalowych 10 66 MHz. Zakres częstotliwości został wybrany ze względu na możliwości pozyskania kanałów o wymaganej szerokości pasma (20 MHz, 25 MHz, 28 MHz,). Jednakże jego wykorzystanie stwarza określone problemy techniczne, takie jak: wymaganie bezpośredniej widoczność anten, duże tłumienie fali w otwartej przestrzeni (które rośnie proporcjonalnie do częstotliwości wykorzystywanej fali nośnej), tłumienie trasy zależne od opadów atmosferycznych, a w niektórych pasmach częstotliwości tego zakresu również intensywne tłumienie przez gazy atmosferyczne. Opracowując ww. specyfikację IEEE 802.16 zakładano, że radiowe stacje bazowe i stacje użytkowników są wyposażone w anteny zewnętrzne. Natomiast wewnątrz budynków będą instalowane sieci lokalne, Ethernet lub radiowe (WLAN). Zatem system zdefiniowany tak jak w normie IEEE 802.16-2001 mógł być zastosowany: w instalacjach współużytkowanych w blokach mieszkalnych i biurowcach; do przyłączenie abonentów rozproszonych lub ulokowanych w miejscach, gdzie wykonanie instalacji kablowej jest trudne lub nieopłacalne. Oceniając szanse rynkowe systemu 802.16-2001 należy stwierdzić, że usługi są adresowane do tej samej grupy użytkowników, której dotyczy oferta usług ADSL. Jak wspomniano cechą pożądaną, która może zdecydować o wyborze WMAN zamiast kabli jest możliwość bezpośredniego dostępu sieci radiowej do mieszkań indywidualnych użytkowników. Drugim istotnym walorem sieci radiowej jest ograniczona mobilność terminali wewnątrz i na zewnątrz budynków. Jednakże w zakresie częstotliwości 10 66 MHz, gdzie wymaga się widoczności optycznej (LOS), spełnienie tych warunków jest praktycznie niemożliwe. Celem publikacji dokumentu IEEE 802.16a-2003 było zdefiniowanie systemu, w którym stosowanie łączy LOS nie jest warunkiem koniecznym. Ze względu na charakterystyki kanałów radiowych (szerokość pasma i charakterystyki propagacyjne) wskazano zakres częstotliwości od 2 GHz do 11 GHz. Ponadto w systemie tym wprowadzono rozwiązania umożliwiające uzyskanie wymaganej odporności transmisji na skutki propagacji wielodrogowej. W tym celu zdefiniowano dwie nowe wersje warstwy fizycznej interfejsu radiowego z wykorzystaniem techniki: OFDM z 256 podnośnymi OFDM, OFDMA z 2048 podnośnymi. Z trzech zdefiniowanych wersji interfejsu radiowego większość producentów skoncentrowała się na wdrożeniach wersji z 256 podnośnymi OFDM. Cechą wyróżniającą system OFDM opisany w IEEE 802.16a są mechanizmy pozwalające na jego wykorzystanie w różnych warunkach środowiskowych i różnych pasmach częstotliwości: możliwość stosowania w kanałach radiowych o różnej szerokości (np. 3,5 MHz, 5 MHz, 7 MHz); adaptacyjny wybór parametrów transmisji; Rezerwacje częstotliwości dla systemów LMDS.

str. 16 z 78 korekcja błędów transmisji polegająca na składaniu kodowania Reeda-Salomona i kodowania splotowego, ponadto opcje turbo kodów blokowych i turbo kodów splotowych; dla zwiększenia zasięgu i pojemności sieci opcja zaawansowanych (inteligentnych) anten (smart antenna), polegająca na kodowaniu przestrzenno-czasowym dla udoskonalenia właściwości w środowisku z zanikami metodą wykorzystania przestrzennego odbioru zbiorczego (spatial diversity); dynamiczny wybór częstotliwości, który ma ułatwić unikanie zakłóceń. Możliwość wyboru różnych szerokości pasma pozwala dostosować urządzenia zgodne ze standardem 802.16a do regionalnych planów częstotliwości. Dodatkowymi mechanizmami, zaprojektowanymi w warstwie fizycznej, jest regulacja mocy nadajnika i pomiar jakości kanału. Zainteresowanie przemysłu system OFDM opisanym w IEEE 802.16a spowodowało utworzenie stowarzyszenia WiMAX Forum, por. punkt 8, które postawiło sobie za cel wypromowanie światowego standardu szerokopasmowego dostępu radiowego. Opracowując standard IEEE 802.16-2004 [2] poprawiono, uzupełniono i scalono w jednym dokumencie postanowienia opublikowane wcześniej w IEEE 802.16-2001, IEEE 802.16a- 2003 oraz IEEE802.16c-2002. Publikację tę obecnie uznaje się powszechnie jako podstawę do definiowania charakterystyk, projektowania i wdrażania radiowego systemu dostępowego służącego do obsługi użytkowników stacjonarnych i nomadycznych, znanego pod nazwą WiMAX. Standard ten definiuje interfejs radiowy systemu WMAN, opracowany przy założeniu, że zasięg użyteczny tego rodzaju transmisji wynosi kilka a nawet kilkanaście kilometrów, a sieć radiowa powinna zapewnić dostęp w budynkach jako alternatywę dla sieci kablowych. W sumie w IEEE 802.16-2004 zdefiniowano pięć opcjonalnych rozwiązań, które są zaliczane do następujących klas: systemy z pojedynczą falą nośną (Single Carrier, SC) o należących do IEEE nazwach handlowych: WirelessMAN-SC oraz WirelessMAN-SCa; system wykorzystujący OFDM, o nazwie handlowej WirelessMAN-OFDM, którego specyfikacja została użyta w 2005 r. przez WiMAX Forum do opracowania profili certyfikacji stacjonarnej wersji systemu WiMAX, por. p. 8.1; system wykorzystujący OFDMA, o nazwie handlowej WirelessMAN-OFDMA, którego specyfikacja, z uwzględnieniem zmian wprowadzonych przez IEEE 802.16e-2005, została użyta w 2006 r. przez WiMAX Forum do opracowania profili certyfikacji ruchomej wersji systemu WiMAX, por. p. 8.1; system nazywany WirelessHUMAN przeznaczony do stosowania w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości. Jako cel kolejnego projektu IEEE 802.16e, nazywanego często "mobile WiMAX", postawiono zdefiniowanie systemu oferującego możliwość obsługi urządzeń stacjonarnych i ruchomych (noszonych lub używanych w pojeździe). Oficjalną wersję tej specyfikacji zatwierdzono w grudniu 2005 r. a opis opublikowano w lutym 2006 r. formie uzupełnienia wersji IEEE 802.16-2004 [2]. Specyfikacja dotyczy pasm częstotliwości poniżej 6 GHz "WiMAX" jest akronimem Wireless Interoperability for Microwave Access. Dokument opracowywano jako kolejną poprawkę do standardu IEEE 802.16-2001 i w trakcie uzgodnień miał symbol IEEE 802.16d. Z tego względu standard stacjonarnej wersji WiMAX jest w wielu publikacjach jest nazywany "802.16d".

str. 17 z 78 przydatnych dla komunikacji z terminalami ruchomymi. Uaktualniono i rozszerzono zdefiniowane wcześniej warstw PHY i MAC o funkcje umożliwiające obsługę terminali ruchomych przemieszczających się z szybkością pojazdu. Wprowadzono opis procedur przenoszenia połączenia (handover), odnoszących się do przypadku, gdy stacja abonencka przemieszcza się pomiędzy obszarami obsługiwanymi przez różne stacje bazowe. Standardy z serii IEEE 802.16 są rozwijane ewolucyjnie. Oprócz ww. opublikowano m.in. [http://standards.ieee.org]: 802.16f-2005, zmianę do 802.16-2004 dotyczącą wprowadzenia bazy informacji zarządzania (Management Information Base MIB); projekt P802.16g zmiany uzupełniającej standard w zakresie zarządzania usługami (Management Plane Procedures and Services); projekt P802.16i zmiany dotyczącej wprowadzenia bazy informacji zarządzania mobilnością (Mobile Management Information Base); 802.16.2-2004, wytyczne odnośnie projektowania sieci w aspekcie współistnienia różnych szerokopasmowych sieci dostępowych na tym samym i/lub sąsiadujących obszarach. Podsumowując należy stwierdzić, że zainteresowanie rynku dotyczy dwóch podstawowych wariantów systemu WiMAX: wersji opartej na specyfikacji zdefiniowanej w standardzie IEEE 802.16-2004 [2], zoptymalizowanej dla zastosowań w sieciach stacjonarnych w środowisku LOS i NLOS, z możliwością obsługi użytkowników nomadycznych; wersji mobilnej opartej na specyfikacji zdefiniowanej w standardzie IEEE 802.16e-2005 [3], która może być stosowana zarówno w sieciach stacjonarnych, jak i ruchomych. Do specyfikacji wersji mobilnej włączono m.in. obsługę przenoszenia połączeń na granicy zasięgu stacji bazowej (handoff), opcje zarządzania zużyciem energii: tryb uśpienia (sleep mode) oraz tryb bezczynności (idle mode), skalowalność szerokości pasma kanału (SOFDMA), możliwość cząstkowego wykorzystania częstotliwości (fractional frequency reuse). Ponieważ zainteresowanie WiMAX Forum reprezentującego producentów sprzętu i operatorów, skupia się wyłącznie na systemach OFDM (256 nośnych) i OFDMA (w specyfikacji 802.16-2004 zdefiniowano wersję z 2048 nośnymi, w 802.16e-2005 wprowadzono opcje z 128, 512, 1024 nośnymi) pozostałe klasy systemów zdefiniowanych w specyfikacjach IEEE z serii 802.16-2004 w niniejszym opracowaniu nie będą omawiane. 5.2 Standard 802.16-2004 Stos protokółów modelu OSI dla interfejsu radiowego 802.16-2004 przedstawiono na rys. 7. Warstwa łącza danych Wyższe warstwy Sterowanie warstwą łącza (IEEE 802.2) Podwarstwa usług konwergencji (CS) Wspólna część podwarstwy MAC (CPS) Podwarstwa prywatności (PS) Podwarstwa konwergencji (TC) Warstwa fizyczna SC OFDM OFDMA BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM 256-QAM

str. 18 z 78 Rys. 7: Stos protokółów dla systemu 802.16-2004 Uwaga. Modulacja 256-QAM tylko w wersji S.C. W warstwie fizycznej zastosowano: opcjonalne rodzaje modulacji: BPSK, QPSK, 16-QAM oraz 64-QAM; opcjonalne wersje sytemu transmisji: SC, OFDM, OFDMA. Przy czym w praktyce SC jest wariantem dla łączy wymagających bezpośredniej widoczności nie znajdującym się w sferze zainteresowań przemysłu. Pomiędzy warstwą fizyczną (PHY), a warstwą MAC dostępu do medium znajduje się podwarstwa konwergencji (TC) dokonująca transformacji zmiennej długości jednostek danych protokółów MAC na jednostki o stałej długości stosowane w warstwie PHY. Zadaniem MAC jest dostosowanie systemu 802.16 do istniejących usług sieciowych, z tego względu w specyfikacji przewidziano możliwości adaptacji do potrzeb transmisji ATM i do transmisji pakietowej. Transmisja pakietowa jest wykorzystywana do oferowania usług opartych na protokołach IPv4, IPv6, Ethernet i VLAN. Aby uzyskać tę możliwość warstwę MAC podzielono na trzy podwarstwy odpowiedzialne za poszczególne usługi: podwarstwa konwergencji (CS), podwarstwa prywatności (PS), wspólna część MAC (CPS). Szczegółowy opis protokółów wykracza poza ramy tej pracy. W odniesieniu do wersji OFDM znajduje się również w normach ETSI [15-18]. Ponieważ w systemie punkt do wielu punktów interfejs radiowy jest współużytkowany przez BS i wiele SS, przydział pasma wymaga zastosowania protokółów optymalizujących proces przydziału dla poszczególnych SS. Pasma dla DL i UL są przydzielane w zależności od uprawnień i zapotrzebowania indywidualnie dla każdej transmisji (burst). Pakiety od BS w kierunku SS (DL) są nadawane wg zasady z jednego punktu do wielu, co można traktować jak rozgłaszanie. Szczeliny czasowe dla tej transmisji przydziela BS. Pakiety od SS w kierunku BS (UL) są nadawane wg zasady z wielu punktów do jednego, czego efektem mogą być kolizje. W warstwie MAC systemu 802.16 kanały do transmisji UL są przydzielane na żądanie. SS wysyłają do BS komunikat z żądaniem przydziału szczelin czasowych zgodnie z rozmiarem pakietów, które mają wysłać. BS przydziela szczeliny czasowe i rozgłasza informację o przydziałach w wiadomości UL-MAP (Uplink Map). Tylko po otrzymaniu adresowanej do siebie wiadomości SS może rozpocząć nadawanie pakietów danych. Jednakże sama wiadomość, jak też żądanie przydziału może kolidować z transmisją innej SS. Aby unikać kolizji MAC realizuje detekcję kolizji oraz losowe odstępy czasu pomiędzy zezwoleniem na rozpoczęcie nadawania. Ten sposób umożliwia udostępnienie zasobów systemu dla przesłania pakietów o żądanej długości i usługi z różnym zapotrzebowaniem odnośnie pasma. W przypadku zastosowania dupleksu z podziałem czasowym (TDD) proporcje pomiędzy czasem dla strumienia danych przesyłanych w górę i czasem dla strumienia w dół mogą być ustawiane wg potrzeb. Np. w przypadku, gdy dominuje usługa zdecydowanie asymetryczna, jaką jest dostęp do Internetu, pasmo (czas) dla strumienia DL jest większe, niż pasmo (czas) dla strumienia UL. Natomiast jeżeli dominują usługi o symetrycznym zapotrzebowaniu, takie jak VoIP, strumienie DL i UL są prawie takie same.

str. 19 z 78 Uproszczony schemat blokowy nadajnika systemu IEEE 802.16a przedstawiono na rys. 8. Rys. 8: Schemat blokowy nadajnika systemu OFDM Legenda: Scrambler skrambler danych wejściowych RS Encoder koder Reeda-Salomona Convolutional Encoder koder splotowy FEC kodowanie dla korekcji błędu Interleaver przeplot Mapping odwzorowanie (BPSK, QPSK, QAM por. opis nadajnika OFDM) Pilot Generator generator pilota Cyclic Prefix cykliczny prefiks Generator pilota wytwarza nośne OFDM, które po stronie odbiornika są używane do estymacji charakterystyki częstotliwościowej kanału. Nośne te są modulowane binarnym ciągiem pseudolosowym. W każdej ramce ciąg ten zaczyna się od ustalonej wartości. Blok IFFT realizuje odwrotną transformatę Fouriera. Na jego wyjściu powstaje wektor składający się z N = 256 elementów, a ponieważ każdy element jest liczbą zespoloną, blok IFFT generuje wektor 2N elementowy. Elementy schematu blokowego odbiornika, rys. 9, mają odpowiedniki w elementach schematu nadajnika. Rys. 9: Schemat blokowy odbiornika systemu OFDM Legenda: Cyclic Prefix Remover cykliczny prefiks FFT transformata Fouriera Channel Estimator estymator kanału Soft Decision Slicer programowy Deinterleaver odwrócenie przeplotu Viterbi Decoder dekoder Viterbi RS Decoder dekoder Reeda-Salomona Scrambler skrambler Istotnym elementem odbiornika jest blok estymacji parametrów kanału (channel estimator), który ocenia kanał w celu kompensacji zniekształceń. Najpierw mierzy parametry na

str. 20 z 78 częstotliwościach pilotów, a następnie aproksymuje odpowiedź kanału w całym paśmie metodą interpolacji. Dane te służą do wyrównywania opóźnień składowych sygnału przed dekodowaniem i demodulacją. 5.3 OFDM OFDM jest techniką modulacji, w której wykorzystuje się zasadę zwielokrotnienia w dziedzinie częstotliwości (Frequency Division Multiplexing, FDM). Konwencjonalny sygnał FDM jest sumą określonej liczby podnośnych, z których każda wykorzystywana jest do przesyłania oddzielnego strumienia danych. Pomiędzy poszczególnymi podnośnymi sygnału, w celu uniknięcia wzajemnych zakłóceń, potrzebne są odstępy ochronne (rys. 10a). W sygnale OFDM częstotliwości podnośnych mogą być ulokowanych bezpośrednio obok siebie (rys. 10b), ponieważ odstępy pomiędzy nimi i sposób cyfrowej modulacji są tak dobrane, że maksimum gęstości mocy danej podnośnej przypada w zerach gęstości mocy podnośnych sąsiednich. Zatem w dziedzinie częstotliwości widmo każdej modulowanej podnośnej nakłada się na widmo sąsiednich podnośnych i w efekcie uzyskuje się wysoką efektywność wykorzystania pasma częstotliwości radiowych (bit/s/hz). Mimo tego w skutek ortogonalności sygnały poszczególnych podnośnych mogą być odbierane i demodulowane bez wzajemnych zakłóceń. Rys. 10a: Widmo sygnału FDM Rys. 10b: Widmo sygnału OFDM Uwaga. OFDM należy do modulacji charakteryzujących się dużym stosunkiem wartości szczytowej do średniej wartości mocy (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR). Stawia wysokie wymagania odnośnie linearności wzmacniaczy mocy RF w torze nadajnika oraz rozdzielczości przetworników DAC (nadajnik) i ADC (odbiornik). W systemie WiMAX (HiperMAN) szeregowy strumień danych jest wprowadzany do modulatora przygotowującego konstelacje, odpowiednio fazową BPSK (1 bit => 1 symbol), QPSK (2 bity => 1 symbol) lub fazowo-amplitudową 16-QAM (4 bity => 1 symbol) lub 64- QAM (4 bitów => 1 symbol), jak pokazano na rys. 11. W pasmach nielicencjonowanych stosowanie 64-QAM jest opcjonalne. Konstelacje są normalizowane (współczynnik c) w celu uzyskania jednakowej mocy średniej. b 0 oznacza najmniej znaczący bit. W każdym przydzielonym DL powinny być stosowane adaptacyjna modulacja i kodowanie. W UL dla każdej SS powinny być obsługiwane różne schematy modulacji i kodowania określone w poleceniach MAC przesyłanych ze stacji bazowej. Dane powinny modulować wszystkie przydzielone podnośne, pierwszy symbol nośną o najmniejszym indeksie.