1 .ro



1. Vedere de ansamblu

Reţelele de tip wireless au cunoscut o dezvoltare semnificativă pe plan mondial, ele reprezentând o soluţie alternativă legăturilor terestre.

Mai multe companii românesti de operatori de comunicaţii ofera deja furnizorilor de servicii solutii de conectivitate wireless dintre cele mai performante.

Furnizorii de servicii Internet sunt si ei interesaţi in migrarea unor servicii adiacente către tehnologia wireless.

În prezent există mai multe moduri de a capta datele din eter: Wi-Fi, Bluetooth, GPRS, 3G. Dar acestora li se adaugă o nouă tehnologie care poate capta datele de şapte ori mai repede şi de o mie de ori mai departe decît populara tehno-logie Wireless Fidelity, sau Wi-Fi. În timp ce Wi-Fi are o rază de acţiune de aproximativ 30 m, WiMax utilizează o tehnologie de microunde radio care creşte distanţa la aproximativ 50 km. Aceasta înseamnă că ar putea fi folosită ca o alternativă la firele de cupru şi cablul coaxial pentru conectarea la Internet. Accesul la informaţia globală constituie o sursă de bogăţie la scară locală, prin creşterea productivităţii muncii bazate pe accesul la cvasitotalitatea informaţiilor disponibile în lume în legătură cu activitatea prestată. Totodată, reţeaua devine mai valoroasă pe măsură ce tot mai mulţi oameni se leagă la ea.

2. Comunicaţii fără fir – concept şi standarde

Ceea ce odată se referea la noţiunea de „Internet”, astăzi putem spune că s-a transformat într-o adevărată industrie, tehnologia informaţiei. Ca şi în alte domenii, în industria tehnologiilor continuă să se petreacă schimbări într-un ritm alert, tinzând către utilizarea echipamentelor cu uşurinţă, cu o viteză şi o siguranţă de conectare cât mai mari.

Termenul de „wireless” folosit în telecomunicaţii se referă la transportul informaţiei prin intermediul undelor radio, infraroşii şi microundelor, concretizându-se în conectarea echipamentelor de comunicaflie cum ar fi: telefoane mobile, laptopuri, pagere, pda-uri sau diferite echipamente de reţea. Pentru a putea fi transmisă, informaţia va fi ataşată undei radio

(purtătoare) printr-un proces numit modulare. Folosirea acestui tip de transport îşi găseşte aplicabilitate în majoritatea domeniilor de activitate: educaţie, telecomunicaţii, industrie, comerţ etc.

Echipamentele wireless – rezultatul dezvoltării telecomunicaţiilor - pot fi sisteme fixe, portabile sau sisteme IR. Antenele fac parte din sistemele fixe care utilizează frecvenţele radio.

Existenţa acestora suplineşte cu succes absenţa cablurilor cu menţiunea că antenele vor trebui amplasate în locuri „aerisite”, fără obturaţii sau obstacole, pentru a se realiza conexiunile în parametri optimi. Noile descoperiri în domeniul telecomunicaţiilor au dus la posibilitatea transmiterii unui volum mare de informaţii cu antene mai mici care să opereze cu frecvenţe radio înalte. Sistemele portabile, după cum le zice şi numele, sunt echipamente mobile, care asigură interfaţa directă cu utilizatorul.

Sistemele IR transportă informaţia cu ajutorul radiaţiilor infraroşii pe o rază limitată de acţiune: telecomanda de la televizor, DVD, diverse alte kituri wireless. Privind din punctul de vedere al utilizatorului, am putea împărţi comunicaţiile wireless în funcţie de aplicabilitatea lor. Cele mai rspândite tehnologii sunt: reţelele de calculatoare wireless, reţelele de telefonie mobilă şi Bluetooth. Dacă luăm în considerare standardele elaborate, reţelele se împart în: WLANS (Wireless Local Area Networks); WPANS (Wireless Personal Area Networks); WMANS (Wireless Metropolitan Area Networks) şi WWANS (Wireless Wide Area Networks). Ultimul tip oferă cea mai mare acoperire - undeva la 10.000 m - şi este folosit în telefonia mobilă.

Una dintre cele mai folosite tehnologii wireless din Europa - în domeniul telefoniei mobile - este GSM-ul (Global System for Mobile Communications) şi este reprezentat prin standardul elaborat de European Telecommunications Standards Institute (ETSI) pentru telefoanele mobile digitale. Fiind răspândită în peste 175 de ţări, reţeaua GSM este cunoscută şi sub numele de tehnologia de comunicaţii mobile de a doua generaţie sau, mai simplu, 2G.

Operând la frecvenţe de 900 MHz si 1.800 MHz, GSM-ul oferă posibilitatea unui transfer de date nu prea rapid: 9,6 kbps. Astfel a fost necesară dezvoltarea de tehnologii care să mărească această viteză de la 9,6 kbps la 28,8 kbps prin combinarea a două canale GSM: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). Trecerea către a treia generaţie (3G) de sisteme de comunicaţii se face prin intermediul a două tehnologii noi: GPRS (General Packet Radio Service, numită şi 2,5G) şi EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution).

Cu ajutorul TDMA (Time Division Multiple Access), GSM-ul dă posibilitatea ca opt utilizatori să folosească un singur canal radio în acelaşi timp. Astfel, cu GPRS, se ajunge la o viteză de 14,4 kbps pe fiecare slot şi 115 kbps pe canal. Totuşi, în practică, se ajunge doar până la 57,6 kbps. De asemenea, GPRS suportă protocolul IP, având astfel posibilitatea să ne conectăm la reţele care folosesc protocoalele X25 şi TCP/IP. Cu EDGE se atinge o viteză teoretică de până la 384 kbps. În practică, marile companii prefer să sară peste implementarea tehnologiei EDGE direct la cea de a treia generaţie.

3. Echipamente wireless

Echipamentele de transmisie/recepţie wireless sunt de obicei de două tipuri: - Staţii bază (Base Stations) - Staţii client (Subscriber Units) Staţiile bază au deschiderea antenei de obicei de la 60 pînă la 360 de grade şi asigură conectivitatea clienţilor pe o anumită arie. Ele pot fi legate la o reţea cablată prin fibră optică, cabluri sau chiar relee radio. Staţiile client au antene cu deschidere mult mai mică şi trebuie orientate spre BS-uri. Subnivelul MAC are următoarele facilităţi:

a. Pentru staţiile client: - Autentificare (înregistrare în condiţii sigure) - Deautentificare (dezînregistrare în condiţii sigure) - Transmisie în condiţii de siguranţă - Livrare MSDU (MAC Service Data Units) între echipamentele wireless

b. Pentru staţiile bază: - Asociere (înregistrare) - Deasociere (dezînregistrare) - Distribuţie cadre MAC - Integrare (reţeaua existentă wireless poate comunica cu reţele bazate pe alt tip de tehnologie wireless) - Reasociere (suportă cedarea dinamică a clienţilor unui alt BS, precum şi comuni-carea cu alte BS).

Am făcut, puţin mai devreme în acest paragraf, referiri la antenele staţiilor bază şi la antenele staţiilor client. În general, pentru orice echipament wireless, fie acesta o staţie bază – fie o staţie client , antenele sînt cele care oferă robusteţe şi flexibilita-te. Chiar dacă sînt abia amintite în discuţiile pe marginea reţelelor fără fir, antenele sunt cele care optimizează anumite aplicaţii, cum ar fi legătura între mai multe clădiri. Întrucât mediul fără fir este unul foarte dinamic, prin folosirea unor antene direcţionale se poate influenţa modalitatea de propagare a semnalului radio. Astfel, energia şi caracteristica unui semnal pot fi direcţionate de-a lungul unui culoar îngust în loc să se lovească de pereţi, ceea ce ar duce la o risipă de energie sau poate cauza interferenţe nedorite.

Antenele omnidirecţionale emit undele radio în toate direcţiile (sferă) în timp ce antenele unidirecţionale concentrează semnalul pe o direcţie dată de orientarea antenei. Cu cît unghiul de emisie este mai mic, cu atît mai mare este distanţa acoperită. Avantajul antenelor omnidirecţionale constă în faptul că antena clientului nu trebuie să fie foarte precis orientată, fiind suficient să se afle în aria de acoperire a antenei staţiei bază. Dezavantajele sînt numeroase: risipă de putere de emisie, securitate scăzută datorită riscului ridicat de interceptare a undelor radio. Antenele unidirecţionale se situează pe o poziţie mai bună în ceea ce priveşte folosirea mai eficientă a puterii de emisie dar şi a riscului mai scăzut de in-terceptare a transmisiei. Dezavantajul lor constă în faptul că acordarea antenelor bază-client trebuie făcută foarte precis şi dimensiunea este semnificativă. Trebuie notat că diversitatea antenelor oferă beneficii substanţiale implementărilor LAN fără fir, cum ar fi luxul folosirii mai multor antene sau posibilitatea de a alege cel mai bun tip de antenă pentru o locaţie dată. Pentru aceasta este nevoie de o bună cunoaştere a proprietăţilor semnalului radio şi a modalităţilor de amplasare corectă a antenelor radio. În practică, antenele amplasate prea aproape una de alta vor duce la o degradare a performanţei receptorului. Utilizarea diferitelor tipuri de antenă are, de asemenea, impact şi asupra metodei, dar şi a rezultatelor monitorizării unei locaţii. În practică, antenele unidirecţionale se folosesc numai pentru legături fixe de tipul punct-la-punct , cum ar fi cazul unui bridge sau router wireless.

4. Standardul IEEE 802.16 (WiMAX)

Cu toţii am auzit de WiMAX şi de entuziasmul pe care-l provoacă: începând cu „va cuceri întreaga lume" până la „este deja un eşec" şi tot ce este cuprins între. Sigur este faptul că foarte multe companii, începând cu cele de abia înfiinţate până la (cea mai cunoscută) Intel, sunt sigure de succesul pe care îl va avea WiMAX în viitor.

WiMax este prescurtarea de la Worldwide Interoperability for Microwave Access, iar „max“ a fost ales pentru a sublinia acoperirea foarte largă oferită de acest sistem. In esentă Wi-Max este Wi-Fi cu o rază de acţiune mai mare şi viteza efectiva mai mare, însă cele două tehnologii sunt diferite. Dacă Wi-Max-ul şi accesul ieftin la Internet vor sosi, impactul va fi la fel de dramatic ca şi introducerea in 2001 a tehnologiei wireless.

Tehnologiile vor fi intr-o armonie totală: IPTV, VOIP, diferite transmisiuni video, site-uri şi portaluri. Deşi există tehnologie şi s-au trasat primele standarde, prin WiMax se vor putea oferi servicii atât pentru utilizatorii casnici (care vor folosi un mic hot-spot Wi-Fi pentru a-şi conecta computerele la Internet), cât mai ales pentru companii, ce vor avea o legătură mult mai sigură şi stabilă între filiale şi sedii diverse. Prima companie autohtona care a inceput să instaleze aceasta tehnologie este Societatea Nationala de Radiocomunicaţii.

WiMax nu este momentan o tehnologie consumer, pentru că nu exista modemuri care sa permita accesul echipamentelor casnice la o astfel de retea. Interacţiunea se va face tot prin intermediul hot-spot-urilor Wi-Fi, pentru care exista deja suport in laptopuri, telefoane mobile, organizere de buzunar si alte astfel de echipamente digitale. Firma Nokia intenţionează să introducă in unele terminale soluţii pentru acces la tehnologia WiMAX.

[pic]

Fig. 1 Acoperire Wi-Fi, WiMAX, 3G si 2G

Această tehnologie a fost proiectată să ofere access fară fir de bandă largă în reţele metropolitane cu performanţe comparabile cu cablul tradiţional, DSL, şi T1. Avantajele sistemelor bazate pe 802.16 sunt multiple: abilitatea de a porni rapid acest serviciu chiar şi în zone unde ar fi greu de ajuns cu interfeţe pe bază de cablu, evitarea costurilor mari de instalare, şi posibilitatea de a depaşi limitările fizice ale infrastructurilor tradiţionale cu conexiune prin fir. Instalarea unei conexiuni prin fir cu bandă largă pe baza de cablu sau DSL poate fi un process consumator de timp, avînd ca rezultat faptul că un mare număr de zone din toată lumea nu are acces la conexiuni de bandă largă. Tehnologia fară fir 802.16 oferă o modalitate flexibilă, eficientă din punct de vedere al costurilor, bazată pe standarde, de a umple aceste lipsuri în acoperirea de bandă largă.

Bazîndu-se pe experienţa a sute de ingineri din industria comunicaţiilor, IEEE a stabilit o ierarhie de standarde wireless complementare. Sunt incluse IEEE 802.15 pentru Personal Area Network (PAN), IEEE 802.11 pentru Local Area Network (LAN), 802.16 pentru Metropolitan Area Network, şi IEEE 802.20 pentru Wide Area Network (WAN). Fiecare standard reprezintă tehnologia optimizată pentru pieţe distincte şi modele de folosire diferite şi sunt create pentru a fi complementare. Creşterea răspîndirii reţelelor fără fir creşte cererea de legături broadband catre Internet, cerere care poate fi acoperită de 802.16 prin oferta de conexiuni outdoor pe distanţe mari către providerii de servicii. În ianuarie 2003, IEEE a aprobat standardul 802.16a care acoperă banda de frec-venţe între 2 GHz şi 11 GHz. Acest standard este o extensie a standardului IEEE 802.16 pentru 10-66 GHz publicat în Aprilie 2002. Frecvenţele sub 11Ghz oferă posibilitatea de a avea conexiuni în medii în care copacii sau construcţiile s-ar putea interpune pe linia de vizibilitate a conexiunii. Cea mai obişnuită configuraţie 802.16a constă într-o staţie de bază montată pe o clădire sau un turn de comunicaţii, care functioneaza pe principiul point to multi-point (PMP) şi staţiile abonaţilor aflate în birouri sau case. 802.16a are o arie de acoperire de 50 km cu raza unei celule de 6 – 10 km. În raza celulei de acoperire performanţele non-line-of-sight (NLoS) şi viteza sunt optime. Adiţional 802.16a oferă o tehnologie wireless backhaul ideală pentru a conecta reţele fără fir 802.11 LAN şi puncte de interes prin intermediul Internetului. Tehnologia fără fir 802.16a dă posibilitatea afacerilor să instaleze puncte de interes în locaţii unde conexiunea prin fir nu poate fi instalată sau se instalează într-un interval de timp foarte mare. În acest fel această tehnologie oferă providerilor de servicii o modalitate de a creste pieţa utilizatorilor particulari la comunicaţii pe bandă largă.

[pic]

Fig. 2 Topologia WiMAX

Cu rate de transfer de pană la 75Mbps o singură staţie de bază oferă suficientă bandă pentru a suporta simultan 60 de clienti cu conexiune de nivel T1 şi sute de case cu conexiune de tip nivel DSL utilizand 20MHz din banda canalului. Pentru a suporta un model de afaceri profitabil, operatorii şi providerii de servicii trebuie sa sustină un amestec de clienţi din clasa afaceri (cu abonamente cu preţuri ridicate) şi un număr foarte mare de abonaţi casnici. 802.16a ajută la realizarea acestor cerinţe prin suportarea de nivele de servicii differenţiate ce pot include nivele T1 garantate pentru afaceri sau nivele DSL pentru consumatorii casnici. Specificaţiile 802.16 includ de asemenea şi opţiuni pentru securitate şi QoS necesare pentru a suporta servicii care necesită latenţă mică, cum ar fi voce şi video. Serviciile de voce ale 802.16 pot fi traditionalul TDMV (Time Division Multiplexed Voice) sau Voice over IP (VoIP).

Scalabilitate. 802.16 suportă bandă flexibilă. De exemplu dacă un operator are asignat 20MHz din spectru, acel operator poate împărţii banda în doua sectoare de 10 MHz sau 4 sectoare de 5 MHz fiecare. Prin concentrarea puterii pe sectoare înguste operatorul poate creşte numarul de utilizatori în timp ce menţine acoperirea şi puterea de servire.

Acoperirea. Pe lângă faptul că suportă o schemă de modulare robustă şi dinamică, IEEE 802.16 suportă tehnologii care cresc acoperirea incluzând topologii de tip plasa(mesh) sau tehnologii „smart antenna”(antene inteligente). Cât timp tehnologiile radio se dezvoltă şi costurile scad, posibilitatea de a creşte acoperirea folosind antene multiple, pentru a crea canale de transmitere sau primire multiple, va marii acoperirea în condiţii extreme.

QoS (Quality of Service) Capabilitatea de a susţine voce este extrem de importantă în special în zonele subservite. În acest sens standardul IEEE802.16a include capabilitaţi de QoS cum ar fi voce şi video ceea ce necesită retele cu latentă mică.

[pic]

[pic]

Fig. 3 Throughput in Mbps

4.1 WiMAX – ghidul de acces la Internet

[pic]

Fig. 4 Viziunea WIMAX

WiMAX ca tehnologie de acces de banda largă (BWA) aduce o alternativă pentru utilizatorii de servicii cu acces de bandă largă şi anume legătura de mare viteză la internet. WiMAX are capacitatea de a livra trei tipuri de servicii, cum ar fi voce , video şi date pe unde radio, pentru utilizatori staţionari sau în mişcare, făcând astfel posibil accesul broadband oriunde şi oricănd. Aceasta este ceea ce conduce WiMAX spre denumirea de Personal Broadband Technology. Mai presus de orice, faptul că WiMAX este un standard international, este primul avantaj faţă de celelalte sisteme BWA cum ar fi LMDS si MMDS care au avut o experienţă şi o dezvoltare limitată.

Aşa cum am mai spus, avem două tipuri de WiMAX: WiMAX fix şi WiMAX mobil. WiMAX fix este dezvoltat pe baza standardului IEEE 802.16-2004 şi este optimizat pentru aplicaţii fixe in medii LOS (Line-of-Sight) şi NLOS (Non-Line-of-Sight). WiMAX mobil este bazat pe standardul IEEE 802.16e şi ţinta principală este pentru aplicaţii mobile in medii NLOS. De altfel, sistemele mobile WiMAX pot furniza pe de-o parte si accesul fix. Mobile WiMAX încorporează şi alte caracteristici fundamentale pentru aplicaţii mobile: handover, managementul puterii (mod sleep şi mod idle), lărgime de bandă scalabilă (SOFDMA), reutilizarea frecvenţelor, mai bună performanţă in medii NLOS şi o mai bună penetrare indoor.

WiMAX Forum, organizaţia care promovează interoperabilitatea între vânzători, dezvolta sisteme WiMAX bazate pe standardul 802.16, în pas cu trendurile industriei, cererea pieţei şi regulile internaţionale. Deoarece standardul 802.16 are specificaţii doar pentru stratul fizic si stratul MAC, WiMAX Forum elaborează specificaţii pentru arhitecturi complete de reţele WiMAX, specificaţii legate de roaming, precum şi integrarea cu diferite alte tipuri de reţele cum ar fi Wi-Fi şi 3G, luând o mare parte de concepte din IETF (IP- Internet Protocol), RFC-uri asociate, alte standarde IEEE relevante, aspecte legate de IMS – convergenţa fix-mobil.

Pentru partea fixa WiMAX, 802.16-2004 lucrează similar cu standardul european ETSI HiperMAN. 802.16-2004 suportă acces wireless LOS (Line-of-Sight) în banda de frecvenţă licenţiată 10-60 GHz utilizând o singură purtătoare pe interfaţa radio. Cele două interfeţe multipurtătoare pentru WiMAX fix (OFDM şi OFDMA) suportă aplicaţii LOS şi NLOS în benzile sub 11 GHz. Primul profil WiMAX fix utilizează OFDM cu 256 purtătoare ca şi strat fizic în banda licenţiată de 3.5 GHz, utilizând o pereche de 3.5 MHz sau 7 MHz canale TDD/FDD iar banda nelicenţiata de 5.8 GHz utilizează un canal de 10 MHz TDD.

Intre timp, Mobile WiMAX va opera în benzi sub 6 GHz şi suportă scalarea benziii canalului de la 1.25 MHz la 20 MHz pe interfaţa SOFDMA ( Scalable OFDMA). Profilul Mobile WiMAX Release-1 acoperă canalele cu lărgimile de bandă de 5, 7, 8.75, 10 MHz pentru spectrul licenţiat în benzile de 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz. Chiar dacă stratul fizic şi stratul MAC nu sunt pe deplin compatibile cu specificaţiile Mobile WiMAX, WiBro ( Wireless Broadband) care este implementarea coreeana a standardului IEEE 802.16e, este inclus ca şi un profil Mobile WiMAX. WiBro operează în banda de 2.3 GHz, pe un canal de 8.75 MHz TDD.

[pic]

Fig. 5 Aplicati WiMAX Punct-la-Multipunct

Stratul MAC (media access control) suportă topologii PMP (Punct-la-Multipunct) şi opţional topologia mesh (plasa). In modul PMP, avem trafic doar între staţia de bază BS (Base Station) şi staţiile client SS (Subscriber Stations) în timp ce în topologia mesh, schimbul de date se poate face în mod direct între SS. WiMAX suportă programarea traficului, alocarea dinamică a benzii şi QoS pe fiecare set de servicii, care garantează că fiecare tip de trafic va fi alocat cu banda asociată, latenţă, jitter şi reguli de prioritate. Din acest motiv, WiMAX poate să ofere VoIP în timp ce asigură trafic cum ar fi poşta electronică sau navigare web în acelaşi timp.

Traficul în reţeaua WiMAX este criptat utilizând DES (Data Encryption Standard) sau AES (Advanced Encryption Standard) pentru a asigura securitatea informaţiei pe interfaţa radio. Cheile de criptare sunt distribuite de staţiile de baza (BS) către staţiile client (SS) utilizănd protocolul PKM (Privacy Key Management) care asigură că doar staţiile SS autorizate pot să primească cheia de criptare. Fiecare dispozitiv WiMAX este autentificat utilizând un certificat digital sau SIM (Subscriber Identity Module). Astfel, WiMAX păstreaza traficul utilizatorului fără a da posibilitatea ca cineva să intercepteze datele si protejează operatorul sau service providerul în a nu deveni o victimă a furtului de bandă de către utilizatori neautorizaţi.

WiMAX este o tehnologie de acces versatilă wireless MAN (Metropolitan Area Network) care poate să se adreseze diferitor aplicaţii. Trebuie de menţionat că Fixed WiMAX va deveni o alternativă pentru DSL sau pentru accesul broadband pe cablu. De accea uneori WiMAX este denumit Wireless DSL. Pentru acest fel de aplicaţie, utilizatorul va avea nevoie de CPE (Customer Premise Equipment) outdoor şi indoor care constă din antena, interfaţa RF, modem şi diferite alte interfeţe pentru conectarea dispozitivelor utilizatorilor. CPE cu antene montate pe acoperiş sau pe perete oferă cele mai bune performanţe, dar în cele mai multe cazuri instalarea acestora necesită un specialist. Câteva tipuri de interfeţe pentru conectarea calculatoarelor şi a altor dispozitive sunt RJ-45 (Ethernet/Fast Ethernet), RJ-11 (POTS), RJ-11 cu adaptor integrat VoIP, router, switch LAN, chiar şi puncte de acces Wi-Fi.

WiMAX fix işi găseşte aplicaţia de asemenea ca şi o conexiune de mare vitează, între diferite puncte de interes, pentru hotspot-uri Wi-Fi, conexiunea între staţiile de bază a reţelelor celulare, backbone pentru diferite alte reţele. O aplicaţie mai interesantă pentru WiMAX fix este accesul wireless în zone aglomerate sau metropolitane, acesta fiind un fel de hotspot dar cu o arie de acoperire mult mai mare. In acest caz particular WiMAX poate fi văzut ca un competitor pentru Wi-Fi deoarece poate înlocui aceasta tehnologie. Cu toate acestea, în viitorul apropiat ambele tehnologii vor lucra împreună într-o manieră complementară.

Intre timp, Mobile WiMAX va aduce experienţa accesului broadband utilizatorilor staţionari, la fel de bine şi celor aflaţi în mişcare, celor care circulă intr-un vehicul având o viteza sporită (pana în jur de 120 km/oră), având diferite dispozitive cum ar fi calculatoare portabile, PDA sau smart phone (telefon inteligent). La prima vedere, aceasta este ca o aplicaţie tipică a tehnologiei 3G. Dar Mobile WiMAX introduce câteva avantaje, o mai mare eficientă spectrală, mai bun suport pentru tehnologiile NLOS, QoS flexibil şi dinamic, înalt grad de securitate, graţie OFDM/OFDMA şi proiectare MAC avansată. Dar, în schimb, în termeni de servicii, Mobile WiMAX este mai bun în comparaţie cu DSL graţie mobilităţii. Ne asteptăm la următoarele tipuri de servicii prin tehnologia Mobile WiMAX: muzică/video streaming, TV broadcast live, chat video/voce, jocuri multiplayer pe internet, download/upload de fişiere mari de pe internet, acces distant la birouri LAN prin VPN. Viziunea Mobile WiMAX ca tehnologie Personal Broadband este de a asigura accesul broadband de oriunde şi oricând (de acasă, la birou, pe stradă, în maşină, in tren, etc).

[pic]

Fig. 6 Aplicatie WiMAX Punct-la-Punct

4.2 Performanţa tehnologiei WiMAX

Performanţa WiMAX (throughput şi raza de acoperire) este determinată de mai mulţi factori, cum ar fi banda de frecvenţă în care operează, lărgimea de bandă a canalului, schema de duplexare (TDD sau FDD), modulaţia şi rata de cod ( BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM), tipul antenei, dacă e LOS sau NLOS, puterea de transmisie, senzitivitatea receptorului, numărul de utilizatori per sectorul staţiei de bază. Cu certitudine performanţa variază de la un caz la altul.

Daca privim în trecut, înainte ca WiMAX să fie implementat, utilizatorii cu acces wireless broadband fix au în medie 512 kbps – 2 Mbps rata de download şi 128 kbps – 1 Mbps rata de upload într-un mediu NLOS şi configuraţie PMP. Odata cu tehnologia WiMAX aceste rate de transfer se vor multiplica de câteva ori până la câtiva Mbps intrand în competiţie cu DSL. Operatorii pot ajusta numărul de utilizatori deserviţi de o staţie de bază BS bazându-se pe SLA ( Service Level Agreement) a fiecărui utilizator şi capacitatea maximă pe sector. Pentru o aplicaţie PTP într-un mediu LOS, capacitatea WiMAX pe staţia de bază poate depăşi 70 Mbps pe un canal de 20 MHz cu o acoperire de peste 50 km. Cât despre Mobile WiMAX, dacă WiBro, care este dezvoltat în Corea, este luat ca şi concept de bază, rata efectivă de download şi upload per utilizator va fi de peste 1 Mbps ceea ce depăşeşte tehnologiile 3G şi 3.5G cum ar fi EV-DO sau HSDPA.

[pic]

Fig. 7 Modulaţie şi codare adaptiva (AMC)

Utilizatorii cu un mai bun SNR (mai apropiaţi de staţia de bază) au un înalt ordin de modulaţie (ex 64-QAM), cei care sunt mai îndepărtaţi de BS au un ordin de modulaţie mai mic (ex 16 QAM). Astfel se asigură cea mai bună performanţă pentru fiecare utilizator din aria de acoperire.

Wimax oferă o serie de tehnici prin care îmbunătăţeşte performanţa ( throughput, capacitatea, acoperirea, penetrarea indoor). Câteva din aceste tehnologii ar fi modulaţia şi codarea adaptiva (AMC), sub-împărţirea canalelor uplink (utilizând OFDMA), mecanismul H-ARQ (Hybrid Automatic repeat Request), FEC ( Forward Error Correction), tehnologia antenelor inteligente ( smart antennas) cu anumite caracteristici cum ar fi AAS şi MIMO. Toate acestea pot îmbunătăţi performanţa prin creşterea eficienţei spectrale sau puterea semnalului (SNR).

Numeroase produse Fixed WiMAX ( staţii de bază şi CPE) au devenit certificate de WiMAX Forum după testele de interoperabilitate. Intre timp, WISP’s ( Wireless Internet Service Provider) sau providerii de servicii independenţi se aşteaptă sa fie primii dezvoltatori de WiMAX din ţările respective, multe din ele deja având implementat WiMAX.

4.3 Introducere în FDM, OFDM, OFDMA, SOFDMA

4.3.1. Frequency Division Multiplexing (FDM)

Interfaţa radio WiMAX este bazată pe stratul fizic OFDM/OFDMA. Pentru a înţelege modul de lucru al OFDM şi OFDMA, este esenţial să ştim câteva lucruri despre FDM.

[pic]

Fig. 8 Frequency Division Multiplexing (FDM)

Spaţiul este pus între două purtătoare adiacente

In sistemele FDM, semnalele de la mai multe emiţătoare sunt transmise simultan (în acelaşi time slot) pe mai multe frecvenţe. Fiecare domeniu de frecvenţă (subpurtătoare) este modulată separat de şiruri de date diferite şi are loc o spaţiere (guard time) între subpurtătoare pentru a evita suprapunerea semnalelor.

Când se utilizează multiplexarea prin divizarea în frecvenă pentru a permite mai multor utilizatori să împartă acelaşi canal fizic de comunicaţie, atunci se numeste Frequency Division Multiple Access (FDMA) – acces multiplu cu divizare în frecvenţă.

4.3.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

OFDM este o tehnică de transmisie multipurtătoare care a fost recent recunoscută ca o excelentă metodă pentru comunicaţii wireless bi-direcţionale de mare viteză. Istoria acestei tehnologii datează dinainte de 1960, dar a fost recent dezvoltată deoarece circuitele digitale care realizează operaţiile digitale cu viteză sporită au început să fie disponibile pe piaţă. OFDM adună efectiv mai multe purtătoare modulate strâns legate între ele, reducând banda necesară, dar păstrând semnalele modulate ortogonal, astfel că acestea nu interferă unele cu altele. Recent aceasta tehnologie a început să fie dezvoltată şi în sistemele ADSL la fel de bine ca în sistemele wireless, de exemplu în sistemele care fac studiul acestui proiect, sistemele WiMAX (IEEE 802.16). Este de altfel utilizat şi pentru broadcast wireless audio şi video.

Este bazat pe tehnologia mai sus mentionata, FDM, o tehnologie care utilizează mai multe frecvenţe pentru a transmite simultan mai multe semnale în paralel.

[pic]

Fig. 9 FDM cu 9 subpurtatoare

OFDM este similar cu FDM dar cu o eficienţă spectrală mai mare printr-o distanţă mult mai mică între canale (uneori până la suprapunerea acestora). Aceasta se realizează prin constatarea frecvenţelor care sunt ortogonale, ceea ce înseamna că ele sunt perpendiculare, asigurând suprapunerea spectrului fiecărui canal peste celalalt fără ca acestea să interfere. Efectul acesta este vazut în figura următoare (fig. 10), de unde constatăm că avem o reducere de lărgime de bandă prin eliminarea timpului de gardă (guard time) şi permiterea suprapunerii semnalelor.

[pic]

Fig. 10 OFDM cu 9 subpurtătoare

Folosind pentru modulaţie operaţia IFFT, se alege în mod implicit spaţiu între subpurtătoare în asa fel încât la frecvenţa unde se realizează evaluarea semnalului recepţionat, toate celelalte semnale sunt nule. Dar ca ortogonalitatea să se poată păstra, urmatoarele aspecte trebuie să fie îndeplinite:

1. Transmiţatorul şi receptorul trebuie să fie perfect sincronizate. Aceasta înseamnă că amândouă trebuie să adopte aceeaşi frecvenţă de modulaţie şi aceeaşi scală de timp pentru transmisie.

2. Componentele analogice, parţi ale transmiţatorului şi ale receptorului, trebuie să fie de înaltă calitate.

3. Ar trebui să nu apară cai multiple de propagare.

În mod particular ultima condiţie este foarte delicată, atâta timp cât se doreşte combaterea unui canal cu multipropagare. Din fericire există o solutie simplă la problema aceasta. Simbolurile OFDM sunt în mod artificial prelungite prin repeterea periodică a “cozii” simbolului şi precedarea simbolului cu acesta (vezi fig.11). La receptor acest interval numit interval de gardă Tg trebuie îndepărtat. Cu cât acest interval este mai mare faţă de întârzierea maximă a canalului τmax toate reflexiile simbolurilor precedente sunt îndepartate iar ortogonalitatea se va păstra. Bineînţeles aceasta nu oferă numai câştig, atâta timp căt porţiunea de timp pentru semnalul util Tb va fi precedată de un interval de gardă, vom pierde portiuni din semnal care nu vor putea fi folosite în transmiterea de informaţii.

[pic]

Fig. 11 Structura temporala a simbolului OFDM

Pe de altă parte, energia transmisă creşte o dată cu creşterea intervalului de gardă în timp ce energia de recepţie ramâne aceaşi pentru că extensia ciclică va fi îndepartată. Aşadar în acest caz va aparea o scădere a SNR. Această problemă a scaderii SNR poate fi rezolvată parţial prin marirea dimensiunii FFT, care totuşi, printre altele, va afecta senzitivitatea sistemului prin introducerea zgomotului de fază. Folosind o extensie ciclică, eşantioanele necesare pentru a realiza operatia FFT la recepţie, pot fi prelevate oriunde în interiorul extensiei simbolului. Aceasta va oferi imunitate la multipropagare prin introducerea unei toleranţe pentru erorile de sincronizare.

4.3.3 Intervalul de gardă pentru eliminarea interferenţei inter-simbol (IIS)

Unul din obiectivele cheie a OFDM este ca schemele de modulaţie cu rata mică de simbol (unde simbolurile sunt relativ lungi în comparaţie cu caracteristica în timp a canalului), suferă mai puţin de interferenţă inter-simbol cauzată de multipropagare, este avantajos sa transmitem un număr de şiruri la rata scăzuta în paralel cu un singur şir la rată ridicată. Deoarece durata fiecarui simbol este lungă, este fiabil de a introduce un interval de gardă între simbolurile OFDM, astfel eliminând interferenţa inter-simbol. Intervalul de gardă elimină de asemenea nevoia introducerii unui filtru formator de impulsuri şi reduce de-asemenea senzitivitatea în legatură cu problemele sincronizarii în timp.

Exemplu: dacă cineva transmite un milion de simboluri pe secundă utilizând o modulaţie conventională cu o singură purtătoare pe un canal wireless, atunci durata fiecărui simbol va fi de o microsecundă sau mai puţin. Aceasta impune constrângeri severe în sincronizare şi necesitatea eliminării interferenţei multicale. Daca acelaşi milion de simboluri pe secundă sunt împrăştiate între o mie de sub-canale, durata fiecărui simbol poate fi mai mare cu un factor de o mie, ex o milisecundă, pentru ortogonalitate cu aproximativ aceeaşi lărgime de bandă. Presupunem că un interval de gardă de 1/8 din lungimea simblolului este inserată între fiecare simbol. Interferenta inter-simbol poate fi evitată daca timpul dintre recepţia primului şi ultimului ecou, este mai scurtă decât intervalul de gardă, ex 125 microsec. Aceasta corespunde unei diferente maxime de 37.5 km între lungimile căilor. Ultimele 125 microsec ale fiecărui simbol sunt copiate şi trimise înaintea simbolului ca un prefix ciclic.

Prefixul ciclic care este transmis în timpul intervalului de gardă, constă din sfârşitul simbolului OFDM copiat în intervalul de gardă, iar intervalul de gardă este transmis urmat de simbolul OFDM. Motivul pentru care intervalul de gardă constă din copierea sfârşitului simbolului OFDM este deoarece receptorul va integra peste un număr întreg de cicluri de sinusoide pentru fiecare multicale când se realizează demodularea OFDM cu FFT.

[pic]

Fig. 12 Prezenta/absenta prefixului ciclic

4.3.4. Model ideal de sistem OFDM

Transmiţătorul

Un purtător de smnal OFDM este suma unor sub-purtătoare ortogonale, cu date bandă de bază pe fiecare sub-purtătoare, fiind independent modulate utilizand unul din tipurile de modulaţie de amplitudine în cuadratură (QAM) sau cu shiftare în fază (PSK). Acest semnal bandă de bază compus este de obicei utilizat pentru a modula o purtătoare RF principală.

[pic]

Fig. 13 Schema transmiţătorului OFDM

S[n] este un flux serial de date binare. Prin multiplexare inversă, acestea sunt întâi demultiplexate în N şiruri paralele şi fiecare este mapat pe un simbol utilizând una din constelaţiile de modulaţie QAM, PSK , etc. De notat faptul că, constelaţiile pot să difere, astfel unele fluxuri pot avea o rată de bit mai ridicată decât celelalte.

FFT inversă este realizată pe fiecare set de simboluri, rezultând un set complex de probe în domeniul timp. Aceste probe sunt apoi mixate în cuadratură la o bandă de trecere pe cale standard. Componentele reale şi imaginare sunt mai întâi convertite digital-analogic utilizând convertoare digital-analogice (DAC). Semnalul analogic este apoi utilizat pentru a modula undele sinus şi cosinus la frecvenţa purtătoare fc. Aceste semnale sunt apoi însumate pentru a da semnalul de transmisie s(t).

Receptorul OFDM

[pic] Fig. 14 Schema receptorului OFDM

Receptorul primeşte semnalul r(t), care este apoi mixat în cuadratură până la banda de bază utilizând semnalele sin şi cos la frecvenţa purtătoare. Aceasta creeaza de altfel semnale centrate pe frecvenţa 2fc, deci trebuie utilizate filtre trece jos (FTJ) pentru a rejecta aceste componente. Semnalele bandă de bază sunt apoi eşantionate şi digitizate utilizând convertoare analog-digitale (ADC), iar FFT este utilizată pentru conversia înapoi în domeniul frecvenţă. Aceste N fluxuri paralele returnate, fiecare din ele este convertit într-un şir binar utilizând un detector de simbol. Aceste fluxuri sunt apoi re-combinate într-un flux serial s[n], ceea ce este o estimare a şirului de biţi original de la transmitător.

4.3.5. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)

La fel ca şi în cazul OFDM, OFDMA asigură multiple sub-purtătoare apropiate, dar sub-purtătoarele sunt divizate în grupuri de sub-purtătoare. Fiecare grup este numit sub-canal. Sub-purtătoarele care formează un sub-canal trebuie să fie adiacente. Pe partea de downlink, un sub-canal poate fi presupus pentru diferite receptoare. Pe partea de uplink, un transmitator poate asigna mai multe sub-canale.

[pic]

Fig. 15 OFDMA

Sub-purtatoarele cu aceeaşi culoare reprezintă acelaşi sub-canal

Aceasta operaţie de împărţire în canale defineşte sub-canale care pot fi alocate staţiilor clienţi (SS) în funţie de cerinţele legate de canal şi fluxul de date necesar. Utilizănd sub-canalizarea, în cadrul aceluiaşi time slot o staţie de bază Mobile WiMAX (BS) poate aloca mai multă putere de transmisie dispozitivelor utilizatorilor cu un SNR (Signal to Noise ratio) scăzut şi putere mai mică dispozitivelor cu SNR mai mare. Sub-canalizarea oferă de asemenea posibilitatea BS de a aloca o putere mai mare sub-canalelor alocate clienţilor indoor rezultâd astfel o mai bună acoperire în interiorul clădirilor.

[pic]

Fig. 16 Sub-canalizarea în WiMAX pe partea de uplink

In OFDM o singură SS transmite pe un slot temporal

In OFDMA mai multe SS pot transmite pe acelaşi slot temporal pe mai multe sub-canale

Sub-canalizarea pe partea de uplink poate salva din puterea de transmisie a dispozitivului utilizatorului pentru că acesta poate concentra puterea numai intr-un oarecare canal alocat. Această caracteristică de salvare a puterii este utilizată pentru bateriile dispozitivelor, de exemplu în cazul Mobile WiMAX.

[pic]

Fig. 17 Efectul sub-canalizarii

4.3.6. Scalable OFDMA (SOFDMA)

SOFDMA aduce scalabilitate tehnologiei OFDMA. Aceasta modifică dimensiunea FFT (Fast Fourier Transform) la lungimea de bandă a canalului în timp ce păstrează spaţierea frecvenţei subpurtătoare constantă peste diferite lărgimi de bandă ale canalului. O dimensiune a FFT mai mică duce la o mai mică lărgime de banda a canalelor, în timp ce o dimensiune mai mare FFT la o lărgime de bandă mai mare. Prin menţinerea constantă a distanţei dintre frecvenţele sub-purtătoare, SOFDMA reduce complexitatea sistemului de canale mai mici şi îmbunătăţeşte performanţa canalelor mai mari.

De menţionat faptul că IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) este utilizată în transmiţătorul WiMAX pentru a crea o forma de undă OFDM din şirurile de date modulate, în timp ce FFT este utilizată în receptoarele WiMAX pentru a demodula fluxul de date. Dimensiunea FFT este egală cu numărul de subpurtătoare. Intr-un sistem OFDM/OFDMA cu 256 subpurtătoare, dimensiunea FFT este 256.

[pic]

Fig. 18 Transmiţătorul şi receptorul RF pentru WiMAX

SOFDMA este tipul de OFDMA utilizat în Mobile WiMAX. Aceasta suportă largimi de bandă ale canalului între 1.25 MHz şi 20 MHz. Datorită scalabilităţii lărgimii de bandă, tehnologia Mobile WiMAX se poate supune oricăror modificări de frecvenţă în conformitate cu regulamentul de pe întregul glob şi se poate adapta oricărui ISP în funcţie de serviciile oferite de acesta.

4.4. Schema de duplexare in WiMAX: TDD sau FDD

Duplexarea se referă la modul cum sunt aranjate datele în transmisia wireless pe cele două căi, downlink şi uplink (fig. 19). Partea de downlink transportă informaţia de la staţia de bază (BS) la clienţi (SS). Downlink mai este cunoscută ca şi calea directă. Partea de uplink transportă informaţia de la client la staţia de bază, se mai numeşte şi calea spre înapoi (reverse link). Sunt două tipuri de scheme de duplexare TDD (Time Division Duplex) şi FDD (Frequency Division Duplex).

[pic]

Fig. 19 Partea de downlink şi uplink în comunicarea pe două căi

FDD (fig. 20) necesită două canale distincte pentru a transporta traficul downlink/uplink pe acelaşi slot temporal. FDD este potrivit pentru serviciul de voce bidirecţional deoarece acesta ocupă o pereche de canale simetrice pe partea de downlink/uplink. FDD este de obicei utilizată în reţelele celulare (2G şi 3G). Între timp, tehnologia WiMAX suportă full-duplex FDD şi half-duplex FDD (HFDD sau HD-FDD). Diferenţa constă în faptul că în full duplex FDD un dispozitiv poate sa transmită şi să recepţioneze simultan, în timp ce în half-duplex FDD un dispozitiv poate doar să transmită sau să recepţioneze la un anumit moment de timp.

[pic]

Fig. 20 Frequency Division Duplex (FDD) – mod full-duplex

FDD este ineficient pentru manipularea serviciilor de date asimetrice, doarece traficul de date poate ocupa doar o mică porţiune din lărgimea de bandă a canalului în orice moment de timp. TDD (fig.21) este o altă schemă de duplexare care necesită un singur canal pentru a transmite cadrele pe downlink şi uplink pe două sloturi temporale diferite. Deci, TDD are o mai mare eficienţă spectrală decât FDD. In plus, utilizând TDD, rata de download/upload poate fi ajustată dinamic. TDD poate manipula într-un mod flexibil ambele tipuri de trafic de bandă largă, simetric şi asimetric.

[pic]

Fig. 21 Time Division Duplex (TDD)

Cele mai multe reţele WiMAX, în bandă licenţiată sau nelicenţiată, vor utiliza de obicei tehnica TDD. Motivul este faptul că TDD utilizează jumătate din spectrul FDD, astfel salvând lărgimea de bandă, totodata sistemele TDD sunt mai putin complexe şi mult mai ieftine, iar traficul WiMAX va fi dominat de date asimetrice. Prima elaborare a profilelor Fixed WiMAX suportă ambele tehnologii TDD şi FDD, în timp ce Mobile WiMAX include doar TDD.

4.5. Profilele iniţiale ale sistemelor Fixed şi Mobile WiMAX

Pentru accelerarea adopţiei sistemelor WiMAX în lumea reală a reţelelor, WiMAX Forum a creat profilele de sisteme WiMAX. Profilele WiMAX se referă la un set de parametri în funcţie de care reţelele WiMAX vor opera. Acesta include banda de frecvenţă, lărgimea de bandă a canalului şi schema de duplexare. Profilele nu acoperă toţi parametri operaţionali posibili precizaţi în standardul IEEE 802.16 deoarece WiMAX Forum dă prioritate acestora, potrivit cu diferitele reglementări în ceea ce priveşte frecvenţa în diferite regiuni. In consecintă, profile adiţionale pot fi adăugate de-a lungul timpului bazate pe cererea pieţei şi reglementările în curs. Primul model de Fixed WiMAX a fost publicat de WiMAX Forum. Acesta este explicat în tabelul următor.

|Banda de frecventa (MHz) |Canal (MHz) |Duplexare |

|3400 - 3600 |3.5 |TDD |

|3400 - 3600 |7.0 |TDD |

|3400 - 3600 |3.5 |FDD |

|3400 - 3600 |7.0 |FDD |

|5725 - 5850 |10 |TDD |

Tabel 1. Profilele iniţiale Fixed WiMAX

Banda licenţiată de 3.5 GHz (3400 – 3600 MHz) este cea mai utilizată pe întreg globul pentru Fixed WiMAX. Oricum, câteva ţări în care banda de 3.5 GHz a fost alocata altor servicii, vor propune alte frecvenţe ca şi profile adiţionale. Pe de alta parte, banda nelicenţiată de 5.8 GHz utilizarea frecvenţelor trebuie coordonată cu alţi utilizatori din aceeaşi bandă. Operatorii din spectrul nelicenţiat 5.8 GHz vor trebui să instaleze sistemul DFS (Dynamic Frequency Selection). Acest sistem este capabil să elibereze banda la detectarea unui utilizator primar al acelei benzi.

Pentru dezvoltarea Mobile WiMAX, selecţia frecvenţelor va afecta calitatea şi costurile reţelei. Sunt preferate în general benzile mici de frecvenţă doarece acestea oferă avantajul propagării (atenuare mică şi câstig mare), cu un numar mic de celule necesare pentru a asigura o anumită acoperire radio. In orice caz, benzile mici nu sunt întotdeauna disponibile. De exemplu, cea mai preferată bandă pentru majoritatea operatorilor Mobile WiMAX este între 1.9 GHz şi 2.1 GHz, dar această bandă este alocată operatorilor 3G. Un interes deosebit este şi pentru banda de 700 – 800 MHz utilizată de sistemele TV. Dar, deocamdata, nu este destul de clar când aceste benzi vor deveni disponibile. Release-1 al Mobile WiMAX a fost publicat, putem observa în tabelul următor câteva date.

|  |Banda de frecventa (GHz) |

Canal (MHz) |FFT Size |2.3 - 2.4 |2.305-2.32 |2.345-2.36 |2.496-2.69 |3.3 - 3.4 |3.4-3.8 | |5.0 |512 |TDD |TDD |TDD |TDD |TDD |TDD | |7.0 |1024 |  |  |  |  |TDD |TDD | |8.75 |1024 |TDD |  |  |  |  |  | |10 |1024 |TDD |TDD |TDD |TDD |TDD |TDD | |Tabel 2. Profile Mobile WiMAX Release-1

Disponibilitatea spectrului în anumite benzi nu dă posibilitatea implementării automate a Fixed şi Mobile WiMAX. Operatorii WiMAX vor trebui să examineze cu atenţie sporită intenţia utilizării fiecărei benzi, dacă este doar pentru aplicaţii fixe, portabile şi mobile, şi aşa mai departe. De asemenea, dacă banda poate fi utilizată pentru ambele medii indoor şi outdoor, sau doar indoor sau doar outdoor.

4.6. LOS versus NLOS

Line-of-Sight este o condiţie în care un semnal parcurge calea aerului în mod direct de la un transmiţător wireless la un receptor wireless fără a trece peste vreun obstacol. LOS este o condiţie ideală pentru o transmisie wireless deoarece interceptarea propagării provine din condiţiile atmosferice şi din caracteristicile frecvenţelor de operare. Intr-un mediu LOS, semnalul se poate întinde pe o distanţă mai mare cu o mai bună putere a semnalului şi un throughput mărit.

In mod contrar, Non-Line-of-Sight (NLOS), este o condiţie în care semnalul de la un transmiţător wireless trece peste numeroase obstacole până ajunge la receptorul wireless. Semnalul poate fi reflectat, refractat, poate suferi difracţie, absorbţie sau poate fi împrăştiat. Acestea creează multiple semnale care vor ajunge la receptor la momente diferite de timp, pe diferite căi, şi cu o putere diferită. În consecinţă, sistemele wireless dezvoltate pentru mediile NLOS trebuie să încorporeze mai multe tehnici pentru a acopri aceste probleme ceea ce face aceste sisteme mult mai complexe decât cele pentru LOS. Dar sistemele capabile NLOS simplifică planificarea reţelei şi achiziţia site-urilor.

[pic]

Fig. 22 Multipropagarea în mediile NLOS

WiMAX oferă operatorilor soluţia de a adresa multiple aplicaţii datorită remarcabilei performanţe a acestora în mediile NLOS. WiMAX este creat pe stratul fizic OFDM/OFDMA care poate lucra cu întârzieri mari împrăştiate tipic în mediile NLOS. Acesta poate elimina uşor fadingul selectiv în frecvenţă prin egalizarea la nivelul sub-purtătoare. Iar perioadele lungi de simbol (datorită utilizării sub-purtatoarelor paralele) vor elimina interferenţa inter simbol ISI. Numeroase tehnici avansate cum ar fi sub-canalizarea, modulaţia şi codare adaptivă (AMC), AAS şi MIMO sunt de asemenea încorporate în WiMAX pentro a face aceasta tehnologie şi mai performantă în mediile NLOS. Subcanalizarea dă posibilitatea tehnologiei WiMAX de a concentra puterea de transmisie pe sub-canale, mărind raza de acţiune. AMC, atât pe DL cât şi pe UL, oferă posibilitatea de a ajusta modulaţia şi rata de cod dinamic bazându-se pe fiecare condiţie a subcanalului şi rata necesara. AAS poate focaliza raza sectorului staţiei de bază pe direcţia dispozitivului utilizator. MIMO poate îmbunătăţi puterea semnalului şi throughputul semnificativ cu fiecare antenă adiţionala la BS şi la SS. Aceste tehnici împreună pot să îmbunătăţească performanţa WiMAX şi acoperire în arii cu teren dificil (deluros), cu multe obstacole (clădiri şi copaci) sau în interiorul cladirilor.

4.7. Tehnologia antenelor inteligente (smart antennas)

Capacitatea unei reţele celulare depinde de mulţi factori, cum ar fi spectrul alocat, puterea maximă a transmiţătorului, interferenţa dintre diferiţi utilizatori. O tehnică comună de îmbunătăţire a capacităţii utilizată în a doua generaţie de reţele celulare, este cunoscută sub numele de sectorizare, ceaa ce înseamnă împărţirea unei antene omnidirecţionale în câteva sectoare, de obicei trei sectoare. Doarece interferenţa dintre utilizatori în diferite sectoare este eliminată de lungimea de undă a antenei instalată la un site, capacitatea sistemului este marită semnificativ proporţional cu numărul de sectoare.

Ideea de bază a unei antene inteligente este de a înlocui antena pentru fiecare sector cu un lanţ de antene sau de a înlocui toate antenele sectoriale cu un şir circular pentru a servi terminalele mobile pe 360o. Prin implementarea algoritmilor inteligenţi de formare a radiaţiei, raza antenelor devine adaptivă, oferind astfel o sectorizare adaptivă sau lobi individuali pentru fiecare utilizator.

Intr-un sistem de antene inteligente, un lob este format (fig. 23) pentru fiecare utilizator ţintă, iar interferenta cauzată de alţi utilizatori este substantial redusă prin plasarea acestora în direcţia de nul sau în afara lobului principal.

Fig. 23 Antene inteligente

Ar trebui să fie evident de ce antenele inteligente sunt de asemenea denumite antene adaptive şi antene cu formarea lobului (beamforming).

Beneficiile fundamentale pe care un sistem cu antene inteligente il oferă, include următoarele:

• O creştere a capacităţii sistemului

• Consm de putere mai mic la terminalul mobil şi la staţia de bază

• Foarte bună calitate a serviciilor cu o rată de eroare pe bit scăzută şi mai puţine apeluri pierdute

• Creştere a razei de acoperire

După cum putem observa în figura 30, lobul format de un sistem cu antene inteligente este creat prin aplicarea diferitor coeficienţi la diferite elemente ale antenei care sunt plasate fizic separat. Coeficienţii de masură sunt realizaţi de algoritmi virtuali de formare a lobilor conform cu mediul semnalului. Operaţiunea de weighting (masura, comparare) într-o antenă inteligentă poate fi implementata la frecvenţa radio RF, frecvenţa intermediară IF, sau bandă de bază.

Beneficiile realizării RF beamforming (formarea lobilor), precum şi a tehnicii de sectorizare adaptivă în sistemele de comunicaţii mobile, pot fi concentrate în cele ce urmează:

• Sinteza dinamica a sectoarelor şi încărcare balansată a traficului. Aceasta dă posibilitatea operatorilor de a seta dimensiunea sectorului şi a lobilor pentru a balansa încărcarea toatală pe toate sectoarele. Ca rezultat, vârful încărcării în cele mai aglomerate sectoare va fi redus, şi totodata accesul în celulă va fi îmbunătătit.

• Reducere handover overhead. Aceasta se datorează faptului că RF beamforming generează în mod normal un sector roll-off mai ascuţit ca şi la antenele normale. Astfel, operatorii vor avea posibilitatea de a repoziţiona zonele de handover de la arii cu trafic dens la trafic scăzut, in viitor reducadn handoverul.

• Controlul interferenţei. Ajustarea câştigului antenei şi a fazei lobilor dă posibilitatea operatorilor de a controla mult mai precis acoperirea celulelor.

• Distribuţia flexibilă a antenei. Prin realizarea RF beamforming, apare posibilitatea ca diferite sisteme să împartă acelaşi set de antene, fiecare cu sectoarele alocate. De exemplu, modificarea azimutului şi elevaţiei antenei care poate fi realizată pentru diferite portiuni ale benzii, astfel operatorii pot împărţi aceeaşi antena şi este posibilă crearea şi ajustarea planului sectorial.

In ceea ce priveşte reţelele WiMAX, combinând mai multe antene la staţia de bază (BS), AAS (Adaptive Antenna System) poate fi utilizat pentru deservirea mai multor utilizatori (SS) cu un throughput îmbunătăţit. O tehnică cunoscută sub numele de SDMA (Space Division Multiple Access) este implementată aici, unde multipli SS care sunt separaţi (in spatiu) pot transmite şi recepţiona în acelaşi timp pe acelaşi sub-canal.

AAS elimină de asemenea interferenţa către şi de la alte SS şi alte surse prin îndreptarea punctului de nul pe direcţia interferenţei. AAS este o caracteristică opţională pentru WiMAX şi nu este inclusă în certificarea WiMAX. Dar, datorită beneficiilor sale în îmbunătăţirea performanţelor şi a ariei de acoperire în special în cadrul Mobile WiMAX, numeroşi producători integrează capabilităţile AAS în produsele lor.

Sisteme cu antene multiple: SIMO, MISO, MIMO

4.7.1. SISO (Single Input Single Output)

Transmisiile radio tradiţionale utilizează o antenă la transmiţător şi o antenă la receptor. Acest sistem este denumit Single Input Single Output.

[pic]

Fig. 24 SISO

O singură antenă atât la transmitator cât şi la receptor

Nu implică diversitate

Transmiţătorul şi receptorul au un singur lanţ RF (acesta este coderul şi modulatorul). SISO este relativ simplă şi ieftin de implementat şi a fost utilizată ani buni începând cu naşterea serviciilor radio. Este utilizată în broadcast TV şi radio precum şi în tehnologii wireless personale (Wi-Fi şi Bluetooth).

4.7.2. SIMO (Single Input Multiple Output)

[pic]

Fig. 25 SIMO 1x2

O antenă la transmiţător şi două antene la receptor

Implica o tehnică de diversitate la receptie

Pentru a îmbunătăţi performanţa, o tehnica a antenelor multiple a fost dezvoltată. Un sistem care utilizează o singură antenă la transmiţător şi multiple antene la receptor este numit SIMO (Single Input Multiple Output). Receptorul poate alege cea mai bună antenă pentru a capta semnalul cu cea mai mare putere sau să combine semnalele de la toate antenele astfel maximizând SNR (Signal to Noise Ratio). Prima tehnică este cunoscuta ca diversitate comutată sau diversitate selectivă. Ultima este cunoscuta ca şi rata maximă combinată.

4.7.3. MISO (Multiple Input Multiple Output)

[pic]

Fig. 26 MISO 2x1

Doua antene la transmitator, o antena la receptor

Implica o tehnica de diversitate a transmisiei

Un sistem care utilizează multiple antene la transmisie şi o singură antenă la recepţie se numeşte Multiple Input Single Output (MISO). O tehnică cunoscută sub numele de Alamouti STC (Space Time Coding) este folosită la transmitatorul cu două antene. STC dă posibilitatea transmiţătorului să transmită semnale în timp şi spatiu, însemnând că informaţia este transmisă de două antene la două momente de timp diferite consecutive. Multiple antene ale unor sisteme SIMO şi MISO sunt plasate de obicei la statia de baza (BS). Astfel, costul de a oferi fie diversitate a recepţiei (la SIMO), fie diversitate a transmisiei (la MIMO), poate fi împărţit de toţi clienţii SS serviţi de BS.

4.7.4. MIMO (Multiple Input Multiple Output)

Pentru a mări throughput-ul unei legături radio, multiple antene (multiple lanţuri RF acordate) sunt plasate atât la recepţie cât şi la transmisie. Acest sistem este denumit Multiple Input Multiple Output (MIMO). Un sistem MIMO cu acelaşi număr de antene atât la transmisie cât şi la recepţie într-o legătură Punct-la-Punct (PTP) este capabil de a multiplica throughput-ul sistemului liniar cu fiecare antenă adiţională. De exemplu, un sistem 2x2 MIMO va dubla valoarea throughput-ului.

[pic]

Fig. 27 Sistem MIMO 2x2

Două antene atât la transmisie cât şi la recepţie

MIMO foloseşte adesea multiplexarea spaţială (SM) pentru a da posibilitatea semnalului (fluxul de date codat şi modulat), de a fi transmis peste diferite domenii spaţiale. Intre timp, Mobile WiMAX suportă multiple moduri MIMO, care utilizeaza fie SM (Spacing Multiplexing) fie STC (Space Time Coding) sau ambele pentru a maximiza eficienţa spectrală (creşterea throughput-ului) fără a constrânge aria de acoperire. Comutarea dinamica dintre aceste moduri bazată pe condiţiile canalului, este denumită Adaptive MIMO Switching (AMC). Daca este combinată şi cu tehnica AAS (Adaptive Antenna Systems), MIMO poate îmbunătăţi în viitor performanţa WiMAX.

MIMO este un topic de interes în comunicaţiile wireless de azi deoarece toate tehnologiile wireless (PAN, LAN, MAN şi WAN) încearcă să adauge aceasta tehnologie pentru a mări ratele de transfer pentru a satisface cerinţele utilizatorilor de broadband.

5. Concluzii

➢ Fără îndoială, aplicaţiile WiMAX sunt mult mai numeroase şi aici aş aminti doar reţelele bancare, universitare, conectivitatea în zonele rurale, comunicaţiile peste ocean, conectivitatea în cazul construcţiilor temporare.

➢ Pentru început, WiMAX nu va elimina din cursă tehnologia Wi-Fi, ci mai degrabă o va completa, acoperind domeniile de aplicaţie pentru care WiMAX a fost gândită. Începând însă cu versiunea 802.16e a standardului, ne putem aştepta la o descreştere a hot-spot-urilor Wi-Fi pe seama creşterii celor WiMAX.

➢ WiMAX promite să sprijine corporaţiile în procesul de extindere a afacerilor, să sporească profitul companiilor, să îmbunătăţească calitatea serviciilor şi, nu în ultimul rând, să conducă la creşterea numărului de oameni conectaţi la Internet.

Bibliografie:

[1] 3rd Generation Partnership Project (3GPP)

[2] WiMAX Forum

[3] WiMAX Basics Tutorials

[4] IEEE Standard - IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems—Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2–11 GHz.

[5] ALCATEL-LUCENT – WiMAX Radio, Broadband design and expertise, dec 2005

[6] WiMAX Forum™ Mobile System Profile Release 1.0 Approved Specification, 17.11.2006

[7] Mobile WiMAX – Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation, august 2006

[8] Mobile WiMAX – Part II: A Comparative Analysis, mai 2006

[9] NOKIA – Making the case for Mobile WiMAX, 2006

[10] ALCATEL – Universal WiMAX for Fixed, Mobile, Converged and Private Operators, 2006

[11] INTEL – Global, Interoperable Broadband Wireless Networks: Extending WiMAX Technology to Mobility, august 2004

[12] INTEL – Multiple-Antenna Technology in WiMAX Systems, 2004

[14] Antene si Propagare – Lucrari de laborator, Tudor Palade, Emanuel Puschita

[15] Telefonia Digitala in Retelele de Telecomunicatii – Sorina Zahan, 2000

[17] Smart WiMAX Delivering Personal Broadband – Navini

[18] INTEL – Deploying License Extempt WiMAX Solution

[19] Advances in Mobile Radio Access Networks – Mobile Communications Series

[20] Fixed, nomadic, portable and mobile applications for 802.16-2004 and 802.16e WiMAX networks – WiMAX Forum

[21] Can WiMAX Address Your Applications? – WiMAX Forum, octombrie 2005

[22] Empowering mobile broadband – WiMAX Forum, martie 2007

[23] Fixed Broadband Wireless System Design – Wiley, Harry R. Anderson

[24] WiMax/802.16 Threat Analysis – Michel Barbeau, School of Computer Science, Carleton University, Canada

[25] Evolution of WiMAX Beyond Fixed Access Networks – ianuarie 2007

[26] Proiectarea unei retele radio de mare viteza – Proiect Diploma, Adrian Risco, 2004

[27] Modern Antenna Design – Thomas A. Milligan

[28] Competitive Potential of WiMAX in the Broadband Access – Timo Smura, Helsinki University of technology

[29] WiMAX End-to-End Network Systems Architecture – WiMAX Forum, August 2006

[30] WiMAX and IMT-2000 – WiMAX Forum, Ianuarie 2007

[31] WiMAC The Critical Wireless Standard – Caroline Gabriel

[32] WiMAX System Modeling Methodology - Ray Jain, Professor of Computer Science and Engineering Washington University in Saint Louis

................
................

In order to avoid copyright disputes, this page is only a partial summary.

Google Online Preview   Download