WiMAX - interoperabilitate de acces prin microunde

WiMAX

- interoperabilitate de acces prin microunde

Notiunea de "Internet", putem spune ca s-a transformat intr-o adevarata industrie, tehnologia informatiei. Ca si in alte domenii, in industria tehnologiilor continua sa se petreaca schimbari intr-un ritm alert, tinzand catre utilizarea echipamentelor cu usurinta, cu o viteza si o siguranta de conectare cat mai mare.

Termenul de ,wireless" folosit in telecomunicatii se refera la transportul informatiei prin intermediul undelor radio, infrarosii si microundelor, concretizandu-se in conectarea echipamentelor de comunicatie cum ar fi: telefoane mobile, laptopuri, pagere, pda-uri sau diferite echipamente de retea.

Acest grafic reprezinta evolutia in timp a numarului utiizatorilor internetului si telefoniei:

Tehnologia WiMAX (interoperabilitate de acces prin microunde) este proiectata sa poata servi si aplicatiile fixe si cele mobile de banda larga.

WiMAX s-a dezvoltat in 4 pasi diferiti si independenti :

1. Bucla locala wirless de banda ingusta
2. Prima generatie sisteme de banda larga : LOS (line-of-sight)
3. A doua generatie de sisteme de banda larga : NLOS ("non-line-of-sight")
4. Sisteme de banda larga fara fir de baza

Bucla locala wirless de banda ingusta

Prima data au fost aplicatie in mediul telefoniei ca o alternativa. Aceste sisteme. se numesc wileless local loop(WLL), si au fost dezvoltate cu succes in China, India, Rusia deaoarece necesitatea mare de comunicare nu putea fi servita folosint infrastrucctura veche.In principiu,WLL este dezvolatata pe pe un sistem numit digital-enchanted cordless loop telephony(DECT) si pe code division access(CDMA) dar noi standarde sunt in dezvoltare pe aceasta piata.

Pe piataa deja fiind existenta o infrastructura destul de robusta in domeniul telefoniei ,WLL trebuia sa ofere ceva nou a putea fi competitiv. Prin comercializarea internetului in 93, a aparut o cerere foarte mare de acces la internet, acest lucru a fost vazut de unii ca posibilitate de a impartzii internet de mare viteza prin sistemul wirless.

De exemplu AT&T in luna februariea a anului 1997 au anuntat ca au creat un sistem de acces wireless pe banda de 1,900BMHz PCS(serviciul de comunicatie personal).aceasta banda poate avea 2 cai de telefonie si o alta de 128kbps de date. Acest sistem a fost dezvoltat sub numele de "Project angel" tot odata fiind si prima banda comerciala wireless care folosea antene reglabile.

Prima generatie sisteme de banda larga : LOS (line-of-sight)

Pe masura ce DSL-ul si modemurile de cablu au inceput sa fie dezvolatate , sistemele fara fir trebuiau sa suporte viteze si mai mari pentru a fi competitive. Sistemele au inceput sa fie dezvoltate pentru frecventele mai superioare ca de exemplu 2.5 GHz si 3 GHz.

Sistemele de mare viteza numite "local multipoint distribution systems" (LMDS) tramsmit pana la cateva sute de cifre binare per secunda, a fost dezvoltat in game de frecvente game de frecvente cum ar fi 24GHz si 39GHz.

La sfarsitul anilor '90 s-a dezvolatat un seriviciu important pentru tehnologia de banda larga "multichannel multipoint distribution services" MMDS, banda la 2.5GHz.

Banda MMDS a fost folosita pentru serviciile video fara fir , in special in zonele rurale unde serviciile cablului TV nu se puteau realiza. Aparitia transmiterii TV prin satelit a ruinat afacerea "cablu fara fir" iar operatorii au trebuit sa gaseasca o alta alternativa. Cativa au inceput sa ofere un serviciu de acces la internet fara fir, folosind linia telefonica.

In septembrie 1998 , FCC (Comisia Federala de Comunicatii) a relaxat regulile legaturii MMDS in Statele Unite pentru a permite 2 servicii de comunicatii , acest fapt ducand la in interes mai mare din partea posibililor utilizatori. MCI WorldCom si Sprint a platit fiecare aproximativ 1 miliard de dolari pentru a cumpara autorizatiile pentru a putea folosi spectrul MMDS, si alte inca cateva companii au inceput sa dezvolte solitii pentru transmisiuni de banda larga fixe pentru aceasta lungime de banda.La inceput s-au folosit aceleasi "turnuri" care au servit pentru transimisiunile fara fir, care au activate acoperirea LOS la distante pana la 35 de mile, folosind transmisiunea la putere mare.

Prima generatie de sisteme MMDS cerea utilizatorilor instalarea unor antele in afara locuintelor la inaltime si indreptate catre "turnuri" pentru o transmisiune cat mai buna.

Mai tarziu antenna in aer liber si cerintele Los au devnit impedemente semnificative.

A doua generatie de sisteme de banda larga : NLOS ("non-line-of-sight")

A doua generatie de sisteme wireless de banda larga au fost capabile sa depaseasca pierderderile de date si sa poata trasporta mai multe date.acest lucru a fost capabil deaoarece s-a folosit aceeasi arhitectura ca la telefonia mobila si implementarea sistemului de procesare a semnalului pt a imbunatatii link-area si sistemul multi-path.

Cateva companii au dezvoltat solutii care au adus imbunatatiri semnificative fata de prima generatie. Cu aparitia si dezvoltarea celei de a doua generatii a fost posibila atingerea a cativa Mbps pe lungimi de cateva mile .

Sisteme de banda larga fara fir de baza

Aparitia tehnologiei standard in 98 , la institutul electric si electronic de ingineri (IEEE) s-a format un grup numit 802.16 pt a dezvolta un standard care s-a numit acoperirea retelei metropolitate prin wirelless sau wireless MAN.

IEE 802.16 a produs un standard care a fost aprobat in decembrie 2001 . Acest standard, Wirless MAN-SC, era special deoarece avea un layer psihic care care folosea tehnica modulatie si un mediu de acces(MAC) cu o viteza foarte mare de multiplexare in timp(TDM) care suporta abele modalitatzi de duplexare (FDD- frequency division duplexing , TDD- time division duplexing).

Dupa aprobarea acestui standard grupul a inceput dezvoltarea si imbunatatirea prin marirea benzilor de la 2GHz la 11GHZ. Acesta a devenit noul standard numit IEE 802.16a si a fost aprobat in 2003.

Alte modificari au fost facute in 2004. Acestea au dus la modificarea standurdului IEE 802.16a cu 802.16-2004 si astfel a fost probat ca fiind singurul standard de catre ESTI (European telecommunications standard institute) . A fost adoptat si a pus bazele HIPERMAN (hight-performance metropilitan area network).

In decembrie 2005 a fost publicat noul standard 802.16e care aducea noi modificari ale layer-lui MAC pentru a putea fi folosite viteze foarte mari cat si o mobilitate sporita substantial.

2. WiMAX si alte Tehnologii wireless broadband

Wimax nu e singura solutie pentru serviciile de broadband wireless. Cateva solutii particulare pentru aplicatii fixe sunt deja pe piata. Cateva din aceste solutii,cum ar fi tehnologia i-Burst de la ArrayComm si Flash-OFDM de la Flarion (cumparata de QualComm) suporta de asemenea aplicatii mobile. In plus fata de solutiile particulare,exista solutii alternative bazate pe standarde care se suprapun partial cu WiMax,mai ales pentru aplicatiile mobile.In viitorul apropiat,cele mai importante din aceste alternative sunt sistemele celulare de generatia a 3 a,precum si sistemele Wi-Fi bazate pe standardul IEEE 802.11. In aceasta sectiune,comparam diverse tehnologii broadband wireless bazate pe standarde si punem in evidenta aspectele ce difera la WiMAX .

2.1 Sistemele celulare de generatia a treia - 3 G

Pe Glob,operatorii de telefonie mobila isi upgradeaza retelele la tehnologie 3G pentru a oferi aplicatii de tip broadband abonatilor. Operatorii de telefonie mobila ce folosesc GSM ( sistemul global pentru comunicatii mobile) incorporeaza tehnologiile UMTS ( sistem universal de telefonie mobila) si HSDPA ( acces rapid la transferul pachetelor - high-speed downlink packet access) ca parte a evolutiei lor 3G . Operatorii traditionali CDMA pun la dispozitie tehnologia 1x EV-DO (1x evolutia optimizarii datelor) ca solutie pentru serviciile lor 3G . In China si in anumite parti din Asia,cativa operatori si-au indreptat atentia catre TD-SCDMA ( CDMA cu divizare de timp sincronizata) ca solutie 3G. Toate aceste solutii 3G ofera transfer de date la nivelul a cateva sute de kbps pana la cativa Mbps. Sa recapitulam pe scurt caracteristicile acestor tehnologii inainte de a le compara cu WiMAX.

HSDPA e o interfata aeriana axata numai pe downlink, definita in Specificatiile UMTS versiunea 5 3G Partnership Project (3GPP) . HSDPA e capabila sa furnizeze o rata de transfer de date de 14.4Mbps , folosing un canal de 5 MHz . Atingerea acestei viteze are la baza totusi,folosirea tuturor celor 15 coduri, ceea ce e improbabil sa fie implementat in terminalele mobile . Folosing 5 sau 10 coduri, HSDPA suporta viteze de varf de 3.6 Mbps respectiv 7.2Mbps. Vitezele medii obtinute de utilizatori sunt intre 250 kbps si 750 kbps. Imbunatatiri precum procesarea spatiala,diversificarea repectiei in mobile sau detectia multiuser pot furniza o crestere importanta a performantelor sistemelor HSDPA de baza. De notat este ca HSDPA este o interfata ce suporta doar downlink, astfel ca pana la implementarea unei interfete uplink complementare,valorile de varf atinse pe uplink vor fi sub 384kbps,cel mai probabil in medie de 40 - 100kbps . O versiune de uplink,HSUPA suporta rate de transfer de pana la 5.8Mbps si e standardizata ca parte a 3GPP specificatii versiunea 6 , ce vor aparea in 2007. HSDPA si HSUPA impreuna sunt numite HSPA ( acces al pachetelor la inalta viteza)

2.2 Sistemele Wi-Fi

Pe langa 3G , sistemele bazate pe Wi-Fi pot fi folosite in furnizarea broadband wireless. Wi-Fi este bazat pe familia de standarde IEEE 802.11 si e in principal o tehnologie LAN realizata pentru a furniza acoperire de banda larga in cladiri. Sistemele curente Wi-Fi bazate pe IEEE 802.11a/g suporta o viteza de varf fizica de 54Mbps si furnizeaza o acoperire pe 30 m distanta. Wi-Fi a devenit standardul pentru conectivitatea de banda larga in case,birouri sau hotspoturi publice.In ultimii ani,municipalitatile si comunitatile locale au pornit initiativa de a introduce sistemele Wi-Fi in centre ale oraselor si metrozone precum si in zone rurale . Aceasta folosire a Wi-Fi se suprapune cu spatiul aplicativ fix si mobil al WiMAX.

Implementarea Wi-Fi in zonele importante din orase necesita folosirea unor transmitatoare de mare putere ce sunt pozitionate pe dispozitive de iluminat sau varful cladirilor si care iradiaza aproape de valoarea maxima admisa pentru operarea sub licenta. Chiar si cu transmitatoare de mare putere,sistemele Wi-Fi pot atinge o raza de actiune de numai 300m de la punctul de acces. In consecinta,aplicatiile Wi-Fi de tip metro necesita folosirea a numeroase puncte de acces,ceea ce le face nefolositoare la scara mare. Chiar si asa,ele ar putea fi utilizate pentru a furniza acces de banda larga in zone importante dintr-un oras sau comunitate. Wi-Fi ofera viteze de varf sensibil superioare celor 3G,in principal datorita operarii sale pe banda de 20 MHz. Ineficientul protocol CSMA folosit de Wi-Fi , precum si interferentele aparute din constrangerile folosirii unei benzi sub licenta,sunt premisele reducerii capacitatilor pentru exterior a sistemelor Wi-Fi . De asemenea, sistemele Wi-Fi nu sunt realizate sa suporte mobilitate la viteze mari. Unul din avantajele semnificative ale Wi-Fi asupra WiMAX si 3G este marea varietate de terminale disponibile. Marea majoritate a laptop-urilor vin cu interfete Wi-Fi incorporate. Interfetele Wi-Fi sunt incorporate de asemenea tot mai des intr-o varietate de produse,incluzand PDA,telefoane fara fir,telefoane celulare sau aparate foto . Marea diversitate de terminale ce suporta aceasta tehnologie faciliteaza consumatorilor folosirea serviciilor de banda larga folosing Wi-Fi. Odata cu aparitia 3G, capacitatile Wi-Fi sunt imbunatatite pentru a suporta viteze mai mari si de a furniza un serviciu de calitate superioara. In particular,folosind tehnologia de multiplexare spatiala multi-antena, nou aparutul standard IEEE 802.11n va suporta o viteza de varf la nivelul layer 2 de 100Mbps. IEEE 802.11n va aduce cu sine o gama larga de imbunatatiri prin folosirea unei diversitati de modalitati de transmitere si alte tehnici avansate.

2.3 Comparatie WiMAX cu Wi-Fi

Probabil datorita faptului ca atat WiMAX cat si Wi-Fi incep cu aceeasi litera, se bazeaza pe standarde IEEE incepand cu "802." si au legatura cu conectivitatea wireless si intenetul, comparatiile si confuziile intre cele doua sunt frecvente. In ciuda acestui lucru, cele doua standarde se refera la aplicatii diferite.

WiMAX este un sistem destinat distantelor mari de cativa kilometri care in general foloseste spectru licentiat pentru a livra o conexiune la Internet punct-la-punct de la un ISP la un utilizator final. Diferite standarde 802.16 ofera tipuri diverse de acces, de la cel mobil (analog cu accesul printr-un telefon mobil) la cel fix (o alternativa la accesul prin cablu).

Wi-Fi este un sistem cu o acoperire mai redusa, in general sute de metri, care foloseste spectru nelicentiat pentru a oferi acces la o retea, de cele mai multe ori acoperind doar proprietatea operatorului de retea. In general Wi-Fi este folosit de un utilizator final pentru a accesa propria retea, care poate sau nu sa fie conectata la Internet. Daca WiMAX ofera servicii asemanatoare unui telefon mobil, Wi-Fi este mai degraba comparabil cu un telefon fara fir.

WiMAX si Wi-Fi au mecanisme de asigurare a calitatii serviciilor foarte diferite. WiMAX foloseste un mecanism bazat pe crearea de conexiuni intre statia de baza si dispozitivul utilizatorului. Fiecare conexiune se bazeaza pe algoritmi de planificare specifici, ceea ce inseamna ca parametrii calitatii pot fi garantati pentru fiecare flux. Wi-Fi a introdus un mecanism de asigurare a calitatii similar Ethernet-ului fix, in cazul caruia pachetele pot fi prioritizate in functie de etichete, deci calitatea nu mai este garantata

O alta trasatura a WiMAX este faptul ca este o tehnologie scalabila.

Datorita usurintei de folosire si a costului redus caracteristice Wi-Fi, aceasta este uneori folosita pentru a oferi acces Internet catre terte parti din aceeasi camera sau cladire, de multe ori informal, si uneori ca parte a unei relatii de afaceri. De exemplu, multe cafenele, hoteluri au puncte de acces Wi-Fi pentru a oferi clientilor acces la internet.

Obiective

Standardul WiMAX a fost proiectat si dezvoltat avand in vedere mai multe obiective, prezentate pe scurt mai jos:

3.1 Arhitectura flexibila

WiMAX suporta cateva arhitecturi de sistem, incluzand arhitecturile punct-la-punct, punct-multipunct si acoperirea omniprezenta. Controlul accesului la mediu WiMAX suporta serviciul punct-multipunct prin rezervarea unui slot de timp fiecarei statii abonat (Subscriber Station - SS). Daca exista doar o singura statie abonat in retea, statia de baza (BS) WiMAX va comunica cu statia abonat printr-un serviciu punct-la-punct. O statie de baza dintr-o configuratie punct-la-punct poate utiliza o antena unidirectionala pentru a acoperi o distanta mai mare.

3.2 Securitate mare

WiMAX suporta standardele AES (Advanced Encryption Standard) si 3DES (Triple DES, unde DES este abrevierea Data Encryption Standard). Prin criptarea legaturilor dintre statia de baza si statiile abonat, WiMAX asigura abonatilor intimitatea si securitatea de-a lungul interfetei wireless de banda larga. De asemenea, securitatea ofera operatorilor o buna protectie impotriva furturilor de serviciu. WiMAX mai inglobeaza suport VLAN, care asigura protectia datelor transmise de diferiti utilizatori care folosesc aceeasi statie de baza.

Calitatea serviciului

WiMAX poate fi optimizat dinamic pentru mixarea traficului. Sunt suportate patru tipuri de servicii:

3.4 Instalare rapida

In comparatie cu instalarea solutiilor cablate, instalarea WiMAX nu necesita constructii externe importante, cum sunt sapaturile pentru plasarea cablurilor. Operatorii care au obtinut deja licenta pentru utilizarea benzilor alocate nu trebuie sa ceara din nou licenta de utilizare. O data instalate antena, echipamentele de comunicatie si de alimentare cu energie electrica, WiMAX este gata de functionare. In majoritatea cazurilor, instalarea unei retele WiMAX este o treaba de cateva ore, comparativ cu instalarea altor solutii care pot dura luni de zile.

3.5 Serviciu multinivel

Maniera de livrare a calitatii serviciului este in general bazata pe acordul dintre furnizorul de serviciu si utilizatorul acestuia, Service Level Agreement (SLA). Un furnizor de servicii poate oferi diferite SLA-uri diversilor abonati sau chiar utilizatorilor diferiti ai aceleiasi statii abonat.

3.6 Interoperabilitate

WiMAX se bazeaza pe standarde neutre, internationale. Prin urmare utilizatorii isi pot transporta si folosi cu usurinta statiile abonat in diverse locatii, conectati la diversi furnizori de servicii. Interoperabilitatea protejeaza investitiile operatorilor deoarece acestia isi pot alege echipamentele de la diversi furnizori, achizitiile facute amortizandu-se rapid pe masura ce serviciile sunt consumate de tot mai multi abonati.

3.7 Portabilitate

Ca si actualele sisteme celulare, o statie abonat WiMAX, o data pusa in functiune, se identifica, determina caracteristicile legaturii cu statia de baza si daca statia abonat se afla in baza de date a statiei de baza, isi negociaza corespunzator caracteristicile de transmisie.

3.8 Mobilitate

Amendamentul IEEE 802.16e a adus caracteristici cheie in sprijinul mobilitatii. Imbunatatirile au fost operate la nivelurile fizice OFDM si OFDMA, oferindu-se suport echipamentelor si serviciilor in medii mobile. Aceste imbunatatiri - care includ Scaleable OFDMA, MIMO si suportul pentru modurile idle/sleep si hand-off - vor permite o mobilitate completa. Standardul WiMAX a mostenit performanta superioara Non-Line Of Sight (NLOS - calea intre statia de baza si statia abonat este partial sau in intregime obstructionata de diverse obstacole) a OFDM si functionarea multi-cale, fiind astfel potrivit mediilor mobile.

3.9 Pret accesibil

WiMAX, bazat pe standarde deschise, internationale, va avea un grad ridicat de adoptie. Seturile de cipuri produse pe scara larga vor avea un cost scazut, ceea ce va conduce la un pret competitiv, atractiv atat pentru furnizori, cat si pentru utilizatorii finali.

3.10 Acoperire larga

WiMAX suporta dinamic multiple niveluri de modulatie, incluzand BPSK, QPSK, 16-QAM, si 64-QAM. Iar echipate cu un amplificator de putere mare si operand la un nivel scazut de modulatie (de exemplu BPSK sau QPSK), sistemele WiMAX pot acoperi arii geografice mari atunci cand nu exista obstacole intre statia de baza si statia abonat.

3.11 Operarea Non-Line-of-Sight

NLOS se refera la calea radio a carei zona Fresnel este complet blocata. Deoarece WiMAX foloseste tehnologia OFDM, are capacitatea de a functiona si in mediile obstructionate, asigurand o latime de banda larga, chiar si in astfel de medii unde alte produse wireless nu se pot descurca.

3.12 Capacitate mare

Folosind o modulatie superioara (64-QAM) si o latime de banda a canalului (momentan de 7 MHz, dar posibil mai mare in viitoarele standarde IEEE si ETSI), sistemele WiMAX pot oferi utilizatorilor o banda de transfer apreciabila.

Aplicatii

Standardul WiMAX a fost dezvoltat pentru a veni in sprijinul unei game largi de aplicatii.

Clase de servicii :

3.14 Retele private

Retelele private, folosite exclusiv de o singura organizatie, institutie sau firma, ofera legaturi de comunicatie dedicate transferului fiabil si in siguranta a informatiei de date, voce si video. Rapiditatea si usurinta instalarii unei astfel de retele sunt principalele prioritati, configuratiile fiind de regula cele punct-la-punct sau punct-multipunct.

Un exemplu de retea privata este cel al unei retele de siguranta publica.

Agentiile guvernamentale de siguranta publica - precum politia, pompierii, serviciile medicale de urgenta - pot folosi retele WiMAX pentru a putea raspunde situatiilor de urgenta care apar.

Pe langa comunicatia vocala bidirectionala intre dispecerat si echipele de urgenta din teren, reteaua transmite centrului de control imagini si date de la locul accidentului sau dezastrului. Aceste informatii pot ajunge in posesia echipelor de experti care pot analiza si aprecia situatia in timp real, ca si cum s-ar afla la locul dezastrului.

Calitatea serviciului WiMAX permite retelei sa gestioneze aceste tipuri diferite de trafic. Solutiile WiMAX se instaleaza rapid. Echipa de interventie poate instala in cateva minute o retea wireless temporara la locul accidentului. Echipajul din teren poate transmite traficul din aceasta retea locala inapoi centrului de control, printr-o retea WiMAX existenta.

Solutiile cablate nu sunt potrivite unor astfel de situatii, deoarece nu pot fi prevazute locurile unde vor urma sa aiba loc accidentele. Mai mult, astfel de situatii cer de multe ori mobilitate, de exemplu un politist care trebuie sa consulte o baza de date dintr-un vehicul in miscare sau un pompier care trebuie sa descarce informatii despre caile posibile de acces intr-o cladire.

O camera video din ambulanta poate oferi informatii despre starea pacientului, inainte ca acesta sa ajunga la spital. In toate aceste cazuri, WiMAX ofera suport pentru mobilitate si latime de banda, lucru imposibil de realizat cu alte sisteme wireless.

3.15 Retele publice

Intr-o retea publica, resursele sunt accesate si partajate de diversi utilizatori, fie persoane juridice, fie simpli utilizatori. In general, retelele publice necesita o modalitate ieftina de a oferi o acoperire cat mai mare, locatiile utilizatorilor nefiind nici previzibile, nici fixe. Principala aplicatie a retelelor publice sunt comunicatiile de voce si date, cu toate ca si comunicatia video a devenit semnificativa. Securitatea este o cerinta spinoasa, deoarece reteaua este partajata de toti utilizatorii ei. Suportul intern VLAN si criptarea datelor pot rezolva insa aceasta problema.

Un exemplu de retea publica este cea a furnizorilor de servicii wireless. WSP pot folosi retele WiMAX pentru a oferi conectivitate clientilor rezidentiali (voce, date, video) si firmelor (voce si Internet).

Furnizorul de servicii wireless poate fi chiar o firma de telecomunicatii pe distanta mare, o companie de cablu sau o mica firma locala de telecomunicatii care concureaza pe piata locala de telefonie (Competitive Local Exchange Carriers - CLEC) care poseda minimum de infrastructura instalata. Deoarece WiMAX se instaleaza usor, CLEC isi poate instala repede reteaua ajungand in situatia in care poate concura compania de telefonie mare existenta pe acea piata (Incumbent Local Exchange Carrier - ILEC).

Mecanismul QoS intern retelei WiMAX este potrivit mixarii traficului realizat de CLEC. QoS al MAC ofera servicii multinivel, pentru a putea satisface cerintele diverse ale utilizatorilor. O platforma de retea care ofera voce, date si video este foarte atractiva utilizatorilor finali, deoarece le ofera toate serviciile intr-un singur loc iar factura lunara este una singura.

Suportul pentru servicii multiple permite facturarea pe fluxuri diferite, reducand costurile clientului de achizitie a serviciilor si marind media pe utilizator a incasarilor. Furnizorul de servicii are nevoie doar de un sistem de facturare si de o baza de date a clientilor.

Operatorii de comunicatii celulare pot fi si ei interesati de adoptarea WiMAX in retelele lor. Acesti operatori au deja statii de emisie, infrastructura de facturare si o baza de date cu clienti, dar instalarea unei solutii WiMAX va conduce la extinderea prezentei lor pe piata, in aria de acoperire.

Toate solutiile cablate, incluzand fibra optica, DSL si cablu TV, necesita costuri initiale mari pentru implementare. In particular, solutiile cablate nu se preteaza pentru pietele tarilor in dezvoltare, unde infrastructura este saraca sau in zonele putin populate ale tarilor dezvoltate.

4. IEEE 802.16 si WiMAX

Grupul IEEE 802.16 a fost format in 1998 ca un standard pentru retele fara fir. La inceput s-a focusat pe realizarea retelelor LOS bazate de conexiune wireless punct - multipunct pentru aplicatii in banda 10 Ghz - 66 GHz .

Rezulatatul a fost standardul original 802.16 bazat pe layer-ul fizic single-carrier physical (PHY) cu TDM (time division multiplexed) MAC layed.

Multe concepte legate de layer-ul MAC au fost adaptate pentru conexiunea fara fir de la popularul modem prin cablu DOCSIS.

Grupul IEEE 802.16 a produs pe urma 802.16a, o rectificare a standardului, care include aplicatiile NLOS in banda 2GHz-11GHz, folosind multiplexarea ortogonala a divizarii frecventei (OFDMA).

In 2004, dupa o revizuire noul standard numit IEEE 802.1-2004 a inlocuit toate versiunile anterioare si a format bazele WiMAX-ului.

Aceste prime solutii WIMAX bazate pe IEEE 802.16 - 2004 au constituit WiMAX-ul pentru aplicatii fixe. In decembrie 2005, grupul IEEE a completat si aprobat IEEE 802.16e - 2005, o rectificare a standardului IEEE 802.16 - 2004 agaugand suport mobil. Standardul IEEE 802.16e - 2005 constituie bazele solutiilor WiMAX pentru aplicatiile mobile si migratoare si e numit WiMAX mobil .

4.1 Caracteristicile de baza a standardelor IEEE 802.16 sunt

Sunt mai multe layere fizice :

- un singur layer single-carrier - based numit Wireless - MAN-Sca

layerul fizic OFDM - based numit WirelessMAN-OFDM si layerul fizic OFDMAbased numit Wirless-OFDMA.

In mod asemanator sunt mai multe tipuri de arhitecturi MAC, duplexare, operatii in banda de frecventa etc.

Aceste standarde au fost dezvoltate pentru a satisface o varietate de aplicatii si scenarii in desfasuare, si de aici inainte sa ofere o multime de posibiliati de design pentru developatorii de sistem.

Defapt puteam spune ca IEEE 802.16 este o colectie de standarde, nu doar un singur standard.

Din motive practice de interoperabilitate, scopul standardului trebuie redus, la un set mai mic de posibilitati de implementare.

4.2 Caracteristici ale WiMAX-ului

WiMAX este solutia conexiunilor fara fir care ofera flexibiliate pentru desfasurare si ofera servicii puternice.

Cateva din caracteristicile sale sunt :

Substatul fizic OFDM-based : nivelul fizic PHY e bazat pe multiplexarea ortogonala a divizarii frecventei, o schema care ofera o buna rezistenta la transmisiunile multicale si permite WiMAX-ului sa opereze cu conditiile NLOS.

Transmiterea datelor cu o viteza mare: WiMAX e capabil sa suporte transmisii de date cu o viteza mare, de exemplu transerul PHY poate ajunge la 74Mbsp folosind largimea spectrului 20MHz.

Largime de banda accesibila si suport pentru viteza de transport a datelor: WiMAx are o arhitectura a nivelului fizic accesibila care permite sa creasca viteza de transfer cu largimea benzii.

Modulatie adaptiva si Codare (AMC) - este un mechanism efectiv de maximizare a rezultatului de la iesire intr-n canal variabil cu timpul.

Nivelul de legatura de date pentru retransmisie : pentru conexiuni care au nevoie de siguranta mai mare WiMAX suporta cererea automata de retransmisie (ARQ) la nivelul de legatura de date. ARQ asigura primirea tutiror pachetelor de catre destinatar . Pachetele care nu ajung se considera pierdute si retransmise.

Suport pentru TDD si FDD : FDD aloca un cost mai mic pentru implementarea sistemului dar TDD este preferat.

Alocarea flexibila si dinamica a resurselor pe utilizator : resursele pot fi allocate in domeniu spatiu la fel de bine ca folosind o antena avansata de system (AAS). Standardul permite ca resursele in banda de frecventa sa fie allocate n timp, frecventa si spatiu si are un mechanism flexibil de a transporta resursele allocate informatiilor structura cu structura.

Suport pentru tehnologia de antene avansate: un nivel fizic de design permite folosirea tehnologiei anteneor - multiple.

Calitatea serviciilor : nivelul MAC are o structura care suporta o varietate de aplicatii , incluzand voce si servicii multimedia. Este realizat pentru a putea suporta un numar mare de useri cu multiple conexiuni pe terminal, fiecare cu cerere proprie de calitate. Sistemul ofera suport pentru un trafic constant, variabil , real sau ireal pentru cel mai bun traffic de date.

5. Informatii tehnice

5.1 Nivelul MAC / stratul legaturilor de date

La Wi-Fi controller-ul de acces la mediu (MAC) foloseste accesul competitiv - toate statiile de abonati care doresc sa transfere date printr-un punct de acces wireless (AP) concureaza pentru atentia AP pe baza unor intreruperi aleatorii. Acest lucru poate face ca statiile aflate la o distanta mai mare de AP sa fie intrerupte in mod repetat de statiile mai apropriate, reducandu-le considerabil randamentul. Asta face ca servicii precum VoIP sau IPTV, care depind de existenta unei calitati a serviciilor esential constanta sa fie dificil de intretinut pentru mai mult decat cativa utilizatori simultani.

Din contra, MAC-ul 802.16 foloseste un algoritm de planificare pentru care statiile de abonati trebuie sa concureze o data (pentru intrarea initiala in retea). Dupa aceasta, fiecareia i se aloca un slot de acces de catre statia de baza. Slotul de timp poate sa se mareasca si sa se micsoreze, dar ramane rezervat statiei respective, ceea ce inseamna ca alti abonati nu-l pot folosi. Pe langa faptul ca ramane stabil in caz de supraincarcare si supra-subscriere (spre deosebire de 802.11), algoritmul de planificare al 802.16 poate fi si mai eficient din punct de vedere al largimii de banda. Algoritmul permite statiei de baza si sa controleze parametrii de calitate prin echilibrarea rezervarii sloturilor in functie de nevoile statiilor de abonati.

5.2 Nivelul fizic

Standardul WiMAX original (IEEE 802.16) specifica functionarea pentru domeniul 10-66 GHz. 802.16a, redenumit in 2004 drept 802.16-2004, a adaugat specificatii pentru domeniul 2-11 GHz. 802.16-2004 a fost actualizat in 2005 la 802.16e si foloseste SOFDMA (Acces multiplu cu diviziune ortogonala de frecventa scalabil) fata de versiunea OFDMA cu 256 de subpurtatoare (dintre care 200 sunt folosite) din 802.16d. Versiunile mai avansate, inclusiv 802.16e, aduc si suport pentru antene multiple prin comunicatiile MIMO (intrari si iesiri multiple). Acest lucru aduce beneficii in termeni de acoperire, instalare automata, consum de putere, re-folosire a frecventei si eficienta a largimii de banda. 802.16e aduce si capabilitati pentru mobilitate deplina. Certificarea WiMAX permite distribuitorilor cu produse 802.16d sa-si vanda echipamentul ca fiind certificat WiMAX, asigurand astfel un nivel de interoperabilitate cu alte produse certificate, atata timp cat urmaresc acelasi profil.

Cel mai mare interes comercial este inregistrat pentru standardele 802.16d si .16e, deoarece frecventele mai mici folosite in acestea sufera mai putin de pe urma atenuarilor de semnal inerente, dand asadar o acoperire imbunatatita. Deja exista un numar considerabil de retele folosind echipament certificat WiMAX urmarind standardul 802.16d.

5.3 Arhitectura

Forumul WiMAX a definit o arhitectura care defineste modul in care o retea WiMAX stabileste conexiuni cu alte retele si o varietate de alte aspecte ale operarii unei astfel de retele, inclusiv alocarea adresei, autentificarea, etc. O privire de ansamblu asupra arhitecturii este oferita in figura de mai sus. Aceasta defineste urmatoarele componente:

SS/MS: Statia de abonat/ Statia mobila

ASN: Reteaua de servicii de acces

CSN: Reteaua de servicii de conectivitate

NAP: Furnizor de acces la retea

NSP: Furnizor de servicii de retea

plus un numar de interconexiuni (sau puncte de referinta) intre acestea, etichetate de la R1 la R5 si R8.

5.4 Alocarea spectrului

Specificatia 802.16 se aplica unei portiuni considerabile a spectruluiRF, iar WiMAX poate sa functioneze la orice frecventa mai mica decat 10GHz (frecvente mai inalte ar micsora acoperirea unei statii de baza pana la cateva sute de metri intr-un mediu urban).

Nu exista nici un spectru uniform licentiat global pentru WiMAX, desi Forumul WiMAX a publicat trei profile spectrale licentiate: 2.3GHz, 2.5 GHz si 3.5 GHz, intr-o tentativa de a reduce costurile: dupa principiul economiei de scala, cu cat sunt produse mai multe dispozitive cu WiMAX inclus (precum telefoane mobile sau laptopuri), cu atat costul unitar va fi mai redus. Economii de scala similare se aplica la productia statiilor de baza

In portiunea nelicentiata, 5.x GHz reprezinta profilul aprobat. Companiile de telecomunicatii nu folosesc acest spectru decat foarte rar pentru redirectionare, deoarece nu detin si nu controleaza spectrul.

In SUA, cel mai mare segment disponibil este in jurul a 2.5GHz, si este deja repartizat, in principal lui Sprint Nextel si Clearwire. In alte parti ale globului cele mai folosite benzi sunt cele aprobate de Forum, cea de 2.3 GHz fiind cea mai importanta in Asia. Unele tari din Asia precum India, Vietnam si Indonezia folosesc un mix de 3.3 GHz si alte frecvente.

Benzile TV analoge (700 MHz) ar putea deveni disponibile pentru WiMAX, dar se asteapta dezvoltarea deplina a televiziunii digitale, si vor fi si alte utilizari pentru acel spectru.

Profilurile WiMAX definesc dimensiunea canalului, TDD/FDD si alte atribute necesare pentru a obtine produse interoperabile. Profilurile fixe curente sunt definite atat pentru profilurile TDD cat si FDD. Profilurile fixe au dimensiuni ale canalului de 3.5 MHz, 5 MHz si 10 MHz. Profilurile mobile sunt de 5 MHz, 8.75 MHz si 10 MHz (Nota: standardul 802.16 permite o varietate mult mai mare de canale, dar numai cele amintite mai sus sunt recunoscute ca si profiluri WiMAX.).

5.5 Eficienta spectrala

Unul dintre avantajele semnificative ale sistemelor wireless avansate cum este WiMAX este eficienta spectrala. De exemplu, 802.16-2004 (fix) are o eficienta spectrala de 3.7 bit/s/Hertz, si alte sisteme wireless 3.5-4G ofera eficiente spectrale apropriate, in limita a catorva zecimi de procent. Avantajul notabil al WiMAX vine din combinarea SOFDMA cu tehnologii pentru antene inteligente.

Acest lucru multiplica eficienta spectrala efectiva prin reutilizari multiple si topologii de retea inovative. Utilizarea directa a organizarii domeniului de frecvente simplifica design-urile folosind ca metode MIMO-AAS in loc de CDMA/WCDMA, si rezultand in sisteme mai eficiente.

5.6 Limitari

O parere gresita, frecvent intalnita, este ca WiMAX este capabila de o viteza de 70 Mbiti/sec pe o distanta de 50 de kilometri. Ambele calitati sunt reale in mod individual, in circumstante ideale, dar nu si concomitent. WiMAX se aseamana cu DSL din acest punct de vedere: putem alege fie largime de banda mare, fie acoperire extinsa, dar nu ambele simultan.

Natura comunicatiilor wireless sugereaza ca design-ul antenei va avea un impact substantial asupra a ceea ce putem obtine. In general, retelele WiMAX fixe au o antena directionala externa cu castig mai mare instalata la locatia clientului, rezultand intr-o acoperire mult extinsa. Retelele WiMAX mobile inlcud de cele mai multe ori echipamente de birou instalate la locatia clientului, cum ar fi modemuri, laptopuri cu WiMAX mobil integrat, etc. Dispozitivele WiMAX mobil au in mod tipic antene cu un design ce ofera castiguri mai mici, datorita omni-directionalitatii si portabilitatii. In practica acest lucru inseamna ca intr-un mediu cu vizibilitate optica, cu dispozitive ale WiMAX mobil, ar putea fi atinse viteze simetrice de 10Mbiti/sec la 10 km, insa in medii urbane este mai probabil ca aceste dispozitive nu vor avea vizibilitate optica deci utilizatorii vor primi date doar cu 10 Mbiti/sec la 2 km. Antene directionale cu castig mai mare pot fi folosite cu retele WiMAX mobile obtinand beneficii legate de acoperire, dar cu pierderea evidenta a mobilitatii.

Ca in cazul celor mai multe sisteme wireless, largimea de banda disponibila este imparaita de utilizatorii dintr-un anumit sector radio, mai ales daca planificarea capacitatii nu a fost efectuata corespunzator. De fapt, multi utilizatori vor avea servicii intre 2-, 4-, 6-, 8-, 10- sau 12 Mbiti/sec.

Din aceasta cauza, diverse arhitecturi de retele granulare si distribuite sunt incorporate in WiMAX de dezvoltatori independenti si de echipa 802.16j MMR.

5.7 Implementari in silicon

O cerinta critica pentru succesul unei noi tehnologii este posibilitatea implementarii in chipset si silicon la cost redus.

Intel este un leader in promovarea WiMAX, si si-a dezvoltat propriul chipset. Totusi, este notabil faptul ca majoritatea companiilor de semiconductoare au fost destul de prudente pana in prezent in a se implica, si majoritatea solutiilor vin de la furnizori specializati mai mici sau de la companii abia infiintate. Pe partea pentru clienti, acestea includ GCT Altair, Beceem, GCI, Runcom, Motorola cu TI, NextWave, Sequans si numerosi altii. Atat Sequans cat si Wavesat furnizeaza solutii atat pentru clienti cat si pentru retele, pe cand TI, DesignArt si picoChip se specializeaza in chipseturile WiMAX pentru statii de baza

Standarde

Actuala tehnologie WiMAX Mobil este bazata pe standardul de certificare IEEE 802.16e-2005, aprobat in Decembrie 2005. Acesta este un amendament al standardului IEEE 802.16-2004, astfel ca standardul este de fapt 802.16-2004, amendamentat de 802.16e-2005 - specificatiile trebuie citite impreuna pentru a fi intelese.

Standardul IEEE 802.16-2004 se refera doar la sistemele fixe, inlocuind standardele IEEE 802.16-2001, 802.16c-2002, si 802.16a-2003.

IEEE 802.16e-2005 aduce urmatoarele imbunatatiri fata de IEEE 802.16-2004:

adauga suport pentru mobilitate (transfer intrestatiile de baza). Acesta este vazut ca unul dintre cele mai importante aspecte ale 802.16e-2005, si reprezinta baza tehnologiei WiMAX Mobil;

modifica scala Transformatei Fourier Rapide in functie de largimea de banda a canalului, astfel incat spatierea purtatoarei sa ramana constanta pentru diferite largimi de banda (1.25-20 MHz). Spatierea constanta a purtatoarei duce la o mai mare eficienta spectrala in canale largi, si la o reducere a costurilor in canale inguste;

imbunatateste acoperirea NLOS prin utilizarea unor scheme avansate de diversitate a antenelor si a Cererii de Retransmitere Automata hibrida (hARQ);

imbunatateste ccapacitatea si acoperirea prin introducerea Sistemelor Adaptative de Antene (AAS) si a tehnologiei cu intrari si iesiri multiple (MIMO);

introduce tehnici de codare performante cum ar fi codarea Turbo, sporind securitatea si performanta NLOS;

algoritmul de Transformare Fast Fourier avansat poate sa tolereze intarzieri mai mari, crescand astfel rezistenta la interferente pe cai multiple;

adauga o clasa QoS in plus, mai adecvat pentru aplicatii VoIP.

Comercializantii 802.16d scot in evidenta faptul ca tehnologia WiMAX fixa ofera avantajul existentei produselor comerciale si a implementarilor optimizate pentru acces fix. Este un standard popular intre furnizorii si operatorii de servicii in regiuni aflate in dezvoltare datorita costului redus de punere in aplicatie si a performantelor ridicate intr-un mediu fix.

SOFDMA (folosit in 802.16e) si OFDM256 (802.16d) nu sunt compatibile, astfel incat majoritatea echipamentelor vor trebui sa fie inlocuite daca un operator trebuie sau doreste sa treaca la standardul mai recent. Totusi, cativa producatori intentioneaza sa ofere o cale de migratie pentru echipamentele vechi catre compatibilitatea SOFDMA, ceea ce ar usura tranzitia pentru retelele care au facut deja investitia necesara pentru OFDM256. Intel ofera un chipset dualmode 802.16-2004 802.16-2005 pentru unitatile de subscriere. Aceste probleme afecteaza un numar redus de utilizatori si operatori.

7. Tehnologii concurente

In cadrul pietei, principalii competitori pentru WiMAX sunt sistemele fara fir implementate la scara mare precum UMTS si CDMA2000 si, pe langa ele, si cateva sisteme internet-orientate precum HIPERMAN si WiBro.

Sisteme celulare de telefonie 3G si 4G

Ambele sisteme principale 3G, CDMA2000 si UMTS, se afla in competitie cu WiMAX. Ambele au drept scop oferirea de acces la servicii internet de clasa DSL in plus fata de serviciul clasic de telefonie. UMTS a fost chiar imbunatatit pentru a concura direct cu WiMAX sub forma UMTS-TDD, tehnologie ce poate folosi spectrul folosit si de WiMAX si care furnizeaza o experienta in utilizare mai consistenta, chiar daca ofera o latime de banda maxima mai redusa.

Sistemele celulare 3G beneficiaza de obicei de o infrastructura bine pusa la punct deja, fiind o varianta imbunatatita a sistemelor anterioare. Utilizatorii pot recurge usor la utilizarea sistemelor mai vechi cand ies din raza de actiune a echipamentelor ce ofera servicii suplimentare, fara sa realizeze chiar acest lucru, de obicei.

Principalele standarde din telefonia celulara evolueaza spre asa numitul 4G, servicii de latime de banda mare, latenta redusa si retele complete-IP cu servicii de voce dezvoltate pe baza lor. In cazul GSM/UMTS evolutia spre 4G se realizeaza prin eforturile "3GPP - evolutie pe termen lung". Pentru standardele derivate din AMPS/TIA cum ar fi CDMA2000, un inlocuitor numit serviciu de banda larga ultra mobila (Ultra Mobile Broadband) se afla in dezvoltare. In ambele cazuri, se renunta la interfetele aeriene existente in favoarea OFDMA pentru legatura directa si o varianta a solutiilor bazate pe OFDM pentru legatura inversa, intr-un mod foarte similar standardului WiMAX.

In unele zone din lume prezenta la scara larga a UMTS precum si o dorinta generala de standardizare a insemnat ca spectrul pentru WiMAX nu a fost alocat: in iulie 2005, alocarea de frecvente WiMAX la nivelul U.E. a fost blocata.

Acces mobil de banda larga

Accesul mobil de banda larga (MBWA) este o tehnologie dezvoltata de IEEE 802.20 si este orientata catre comunicatiile mobile de banda larga fara fir ce opereaza de la 120 la 350 km/h. Standardul 802.20 a preluat multe din solutiile ce stau la baza WiMAX-ului mobil, inclusiv modulatia dinamica de mare viteza si alte capacitati scalabile ale OFDMA. Se pare ca utilizeaza si predarea rapida, corectia de eroare FEC si imbunatatirile pentru contracararea efectului de margine de celula.

Grupul de lucru a fost suspendat temporar la mijlocul anului 2006 de catre Consiliul de standardizare IEEE-SA deoarece el a reprezentat subiectul a numeroase plangeri iar o investigatie preliminara efectuata in baza uneia dintre ele a "relevat o lipsa de transparenta, o posibila lipsa de echidistanta in luarea deciziilor precum si alte nereguli in functionarea grupului de lucru".

In septembrie 2006 Consiliul de standardizare IEEE-SA a aprobat un plan ce permitea grupului de lucru sa continue in conditii noi si standardul are acum al doilea sfert al anului 2008 drept data de finalizare estimata.

Sisteme internet-orientate

Standardele timpurii WirelessMAN, standardul european HIPERMAN si cel Coreean WiBro au fost armonizate ca parte a WiMAX si nu mai sunt privite drept competitoare ci doar complementare. Toate retelele ce se dezvolta acum in Coreea de Sud, patria standardului Wibro, sunt de tipul WiMAX.

Popularul sistem WiFi 802.11b/g este implemetat la scara larga drept o solutie de internet mobil pe raza scurta, in cafenele si noduri de transport precum aeroporturile si furnizeaza o acoperire indeajuns de buna incat utilizatorii sa nu simta nevoia unui abonament la un serviciu precum WiMAX.

Urmatorul tabel ar trebui tratat cu atentie deoarece arata doar ratele de transfer maxime, rate ce pot fi uneori foarte inselatoare.

Dezvoltari viitoare

Scopul evolutiei pe termen lung atat a WiMAX cat si a LTE este de a obtine largimi de banda "mobile" de 100 Mbit/s si 1Gbit/s in regim fix-nomad dupa cum au fost stabilite de ITU pentru sistemele NGMN 4G (retea mobila de generatie urmatoare) prin utilizarea adaptiva a MIMO-AAS si a topologiilor de retea inteligente, granulare. 3GPP LTE si WiMAX-m isi concentreaza eforturile pe MIMO-AAs, retele mobile multi-hop cu relee si pe dezvoltari inrudite necesare furnizarii de multiplii de reutilizare Co-Canal de 10X sau mai mult.

Ceea ce va defini 4G mai mult decat metodele de acces fara fir precum WCDMA sau OFDMA vor fi retelele fara fir ce se vor adapta mai eficient si vor utiliza mai bine spectrul disponibil.

Bibliografie

Fundamentals of WiMAX - Understanding Broadband Wireless Networking (478 pages) - English

IEE Computer Society and the IEE Microwave Theory and Techniques Society

www.wikipedia.com

www.networkworld.ro