WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ir platjoslas bezvadu datu pārraides tehnoloģija, kuru apraksta IEEE 802.16 standartu grupa.

Salīdzinot ar citām bezvadu tehnoloģijām, kā galvenos WiMAX plusus var minēt:

• tehnoloģija bāzēta uz starptautiskiem standartiem;
• iespēja strādāt gan licencētās, gan nelicencētās frekvenču joslās;
• paredzēta gan stacionāra, gan mobila klienta gala aparatūra;
• salīdzinoši liela datu pārraides kanālu kapacitāte;
• kvalitātes parametru atbalsts (QoS);
• elastīga topoloģija;
• datu drošības funkciju atbalsts;

No telekomunikāciju operatoru vidus iespējams izdalīt trīs galvenās kategorijas, kas īpaši ieinteresētas WiMAX tehnoloģijā:

• Esošie platjoslas bezvadu vai WiFi sistēmu operatori, kuri cer ar WiMAX palīdzību paplašināt savu tīklu un palielināt tā rentabilitāti, kā arī ieviest papildus servisus;
• Jauni operatori, kas orientējas uz biznesa uzsākšanu, izmantojot WiMAX tehnoloģiju;
• Kabeļtīklu operatori, kas plāno paplašināt savu tīklu pārklājumu ar bezvadu tehnoloģijas palīdzību un, eventuāli, sniegt mobilos pakalpojumus bez GSM/3G licences;

Lai nerastos situācija, kā, piemēram, LMDS iekārtu tirgū, kur katrs ražotājs izstrādā savu tehnoloģiju, tika nolemts radīt starptautisku pilsēttīklu standartu. 1999. gadā tika radīta IEEE darba grupa 802.16, kuras uzdevums bija standartizēt bezvadu platjoslas risinājumus un radīt globālu platjoslas pilsēttīkla specifikāciju. Pirmais standarts tika apstiprināts 2001. gada decembrī. 2003. gada septembrī tika uzsākts projekts 802.16REVd, kura uzdevums bija saskaņot 802.16 ar Eiropas Telekomunikāciju Standartu institūta (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) izstrādāto HIPERMAN standartu. Projekts noslēdzās 2004. gadā un tika apstiprināts jauns standarts — 802.16-2004

2006. gada sākuma IEEE darba grupa ir pabeigusi darbu arī pie ilgi gaidītās standarta mobilās versijas. 2006. gada 28. februārī ir publicēts papildinājums 802.16e-2005, kurš specificē fiksētas un mobilas platjoslas bezvadu sistēmas, uzturošas mobilus lietotāju terminālus licencētajās frekvenču joslās līdz 6GHz.

Lielākā problēma ir savietojamībā — dažādo modulācijas shēmu dēļ (256 OFDM 802.16-2004 gadījumā, un S-OFDMA 802.16e-2005) šie standarti nav savstarpēji savietojami un vienam standartam izstrādātā aparatūra nav spējīga darboties ar otra standarta aprīkojumu. Ražotāji gan sola iespēju paplašināt 802.16-2004 aprīkojumu, pievienojot arī 802.16e-2005 atbalstu, tikai ar programmatūras nomaiņu, nemainot pašu aparatūru.

802.16 specifikācija apraksta bezvadu sistēmu vispārējos darbības principus abstraktā sistēmas līmenī. Tā ir pietiekoši elastīga, ļaujot ražotājiem izvēlēties darbības frekvences, modulācijas tipus un kanālu joslas platumu. Galvenā problēma, ar ko saskārās ražotāji, bija nespēja noteikt kādas sistēmas savietojamību ar šiem standartiem, kā arī dažādu ražotāju aparatūras spēju strādāt vienotā tīklā.

Galvenās 802.16 priekšrocības, salīdzinot ar citām bezvadu tīklu tehnoloģijām, ir augsta spektrālā efektivitāte (3.6 bps/Hz), kas nodrošina lielu kanālu kapacitāti un datu pārraides ātrumus (līdz 70 Mbps), spēja strādāt bez tiešās redzamības, liels darbības attālums un zemas aiztures, kas būtiskas reālā laika lietotnēm.

802.16 specifikācijā ir definēti trīs iespējamās fiziskā līmeņa (PHY) realizācijas shēmas: viena nesējfrekvence, 256 nesējfrekvenču OFDM un 2048 nesējfrekvenču OFDM. Praksē šobrīd ir realizēts un tiek izmantots visos WiMAX savietojamos ražojumos 256 OFDM variants. Bez tam standarts definē adaptīvās modulācijas lietošanu izmantojot kādu no QAM vai PSK variantiem (BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM), pielietojot nesēja attiecības pret interferenci un trokšņa līmeni (Carrier to Interference-plus-Noise Ratio - CINR) mērījumus, maksimālās iespējamās modulācijas shēmas izvēlei, nepārsniedzot pieļaujamo bitu kļūdu (bit error rate — BER) robežu. Respektīvi, adaptīvā modulācija panāk maksimālo iespējamo datu pārraides ātrumu pie noteikta pieļaujamā kļūdu daudzuma, upurējot kapacitāti par labu kvalitātei.

Specifikācijā kā obligāta paredzēta arī automātiska pārraides kļūdu labošanas (Forward Error correction — FEC) procedūra, izmantojot Rīda-Solomona un konvolucionālo (Reed-Solomon/ Convolutional) kanālu kodēšanas tehnoloģiju. Kļūdu gadījumā paredzēta pārraides atkārtošana (Automatic Repeat Request — ARQ), kas ļauj veikt kļūdu labošanu jau zemākajā PHY līmenī, pārraidot kļūdaino datu kopni atkārtoti ar zemāku modulāciju, ļaujot sasniegt labus datu caurlaidības rezultātus pat pie pastāvīgiem traucējumiem. Adaptīvās modulācijas un ARQ kombinācija ļauj WiMAX sistēmām sasniegt BER līmeņus līdz pat 10e-9, kas ir pilnīgi pietiekošs pat visprasīgākajām komunikāciju iekārtām.

IEEE 802.16e standartā ir ieviesti papildus uzlabojumi, pārejot no 256 OFDM PHY uz mērogojamo ortogonālo frekvenčdales daudzpieeju (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access - SOFDMA). Galvenās jaunā standarta priekšrocības ir sekojošas:

• Uzlabota darbība tiešās redzamības trūkuma gadījumos (no-line-of-sight - NLOS), izmantojot antenu diversifikāciju un hibrīdo automātiskās atkārtošanas pieprasījumu (hybrid-Automatic Retransmission Request - hARQ) mehānismu;
• Palielināts pārraides pastiprinājums, pateicoties blīvākai apakškanālu sadalei, tādējādi uzlabojot darbību ēku iekšpusē;
• Jauni lielas veiktspējas kodēšanas algoritmi, kā turbo kodēšana (Turbo Coding) un zema blīvuma pārības pārbaude (Low-Density Parity Check - LDPC), kas uzlabo sistēmas drošību un veiktspēju NLOS apstākļos;
• Ieviesta lejupielādes apakškanālu sistēma, ļaujot administratoram iegūt papildus kapacitāti uz attāluma rēķina;
• Palielināts darbības attālums izmantojot adaptīvās antenu sistēmas (adaptive Antenna Systems - AAS) un daudzkārtējā ievada/izvada (Multiple Input Multiple Output - MIMO) tehnoloģijas;
• Uzlabota noturība pret daudzceļu interferenci, ieviešot uzlabotu paātrinātās Furjē transformācijas (Fast Fourier Transform - FFT) algoritmu uztveršanas aiztures laiku kompensācijai.

Mediju pieejas kontroles (Media Access Control - MAC) līmenis 802.16 standartā ir definēts viens un tas pats visiem PHY līmeņa variantiem, kas dod ražotājiem izvēles brīvību konstruējot aparatūru un izvēloties fizisko PHY līmeni. 802.16 MAC uztur gan laikdales dupleksa (Time Division Duplexing — TDD), gan frekvenčdales dupleksa (Frequency Division Duplex — FDD) izmantošanu. TDD gadījumā raidīšana un uztveršana notiek tajā paša radio kanālā, izdalot noteiktus laika periodus raidīšanai un uztveršanai. FDD darbībai ir nepieciešamas nodalītas frekvenču joslas raidīšanai un uztveršanai, ar vismaz 50 MHz aizsargjoslu. Ja radiofrekvenču spektra josla operatoram ir piešķirta nepārtraukta bloka izskatā, vienīgais saprātīgais risinājums ir TDD lietošanai, lai netērētu frekvenču resursus aizsargjoslu vajadzībām. Tāpat TDD ir vienīgas risinājums publiskajās, jeb nelicencētajās frekvencēs, kur kanālu sadale notiek automātiski, izmantojos frekvenčmaiņas (frequency hopping) tehnoloģiju. Bez tam TDD gadījumā ir iespējams izmantot frekvenču resursus asimetriskai datu pārraidei, pēc vajadzības piešķirot vairāk resursu kādam no virzieniem. Diemžēl TDD ir grūtāk realizēt, jo tas prasa ļoti precīzu sinhronizāciju starp raidoša un uztverošo pusi. Tādēļ frekvenču joslās, kur pieejami nodalīti kanāli, parasti izmanto FDD, kas ir vieglāk un, līdz ar to, lētāk realizējams.

Jāatzīmē, ka 802.16 MAC būtiski atšķiras no IEEE 802.11 Wi-Fi un Ethernet. WiFi gadījumā tiek lietots CSMA daudzpieejas algoritms — visas klientu stacijas, kas vēlas pārraidīt datus, sacenšas savā starpā par bāzes stacijas resursiem, kas tiek izdalīti pseidonejaušā kārtībā. Šāda pieeja var radīt traucējumus attālinātām stacijām, kuru pārraidi konstanti pārtrauc tuvākas stacijas ar spēcīgāku signālu. Kas savukārt rada nopietnus traucējumus reālā laika lietotnēm, kā balss pārraidei (VoIP) vai interneta televīzija (IPTV), kurām nepieciešami garantēti pārraides kvalitātes parametri. Īpaši šādi traucējumi pamanāmi pie liela vienlaicīgo lietotāju skaita. 802.16 gadījumā tiek izmantots dispečers, kur katrai stacijai tiek iedalīts tai pienākošais resurss, atkarībā no konfigurācijas. Resursu sadales algoritms ir pietiekoši stabils arī pie lielām pārslodzēm un pieejamās kapacitātes trūkuma gadījumos, ļaujot bāzes stacijai efektīvi veikt resursu pārdali, atbilstoši iestādītajiem QoS parametriem.

Lai gan WiMAX spēj stradāt attālumos līdz 50km un nodrošina datu pārraides ātrumus līdz 70 Mbps, tas nenozīmē ka lietotājs varēs iegūt maksimālo ātrumu visā bāzes stacijas pārklājuma zonā. Palielinoties attālumam vai parādoties fiziskiem šķēršļiem, palielinās bitu kļūdu (Bit Error Rate — BER) daudzums, kas samazina efektīvo datu pārraide ātrumu. Savukārt, samazinoties kļūdu skaitam, palielinās ātrums.

Kā visās bezvadu datu pārraides sistēmās, arī WiMAX bāzes stacijas kapacitāte tiek dalīta starp visiem aktīvajiem lietotājiem šajā sektorā. Tas nozīmē, ka 70 Mbps ātrumu varēs iegūt viens lietotājs, kurš būs pieslēdzies bāzes stacijai bez citiem klientiem konkrētajā laika periodā. Praksē operatori noteikti ierobežos klientam pieejamo kapacitāti, neļaujot vienam pašam izsmelt visus sektora resursus.

Lai risināto standartu atbilstības un savstarpējās savietojamības problēmu 2001. gada jūnijā tika radīta bezpeļņas organizācija WiMAX Forum. Jāatzīmē, ka, pateicoties tieši šai organizācijai, visā pasaulē 802.16 standarta savietojami produkti tiek dēvēti par WiMAX.

Šobrīd organizācijas sastāvā ir vairāk nekā 100 kompānijas, kas pārstāv praktiski visu bezvadu platjoslas sistēmu „ekosistēmu” — sākot no komponenšu un ierīču ražotājiem un beidzot ar pakalpojumu sniedzejiem — operatoriem.

Kā galvenie WiMAX foruma mērķi tiek definēti:

• Atbalstīt IEEE 802.16 standartu;
• Sertificēt aparatūras savietojamības līmeņus
• Panākt vispasaules atzīšanu;
• Veicināt vispārēju bezvadu platjoslas sistēmu popularitāti.