1. WiMAX i szerokopasmowy dostęp radiowy
WiMAX, skrót od Worldwide Interoperability for Microwave Access(Światowa Interoperacyjność dla Dostępu Mikrofalowego), oznacza rodzinę systemów i profili opartych na IEEE 802.16. Projektowano je do szerokopasmowego dostępu radiowego na dużym obszarze, między innymi jako rozwiązanie problemu "ostatniej mili".
odnosi się do ostatniego segmentu sieci, który łączy główny szkielet internetowy, biegnący między miastami i krajami, z indywidualnymi domami i firmami. Historycznie, ta ostatnia mila była zdominowana przez kable fizyczne: miedziane linie telefoniczne używane dla DSL oraz kable koncentryczne używane dla internetu kablowego. Kładzenie tych kabli jest kosztownym i czasochłonnym procesem, szczególnie na obszarach wiejskich, oddalonych lub o trudnym ukształtowaniu terenu.
WiMAX miał być bezprzewodową alternatywą dla DSL i dostępu kablowego, bez układania przewodu do każdego budynku. Profile stałe kierowano do domów i firm, a późniejsze profile mobilne do urządzeń przemieszczających się po obszarze aglomeracji. Rzeczywista przepływność i zasięg zależały od pasma, profilu oraz warunków radiowych.
Podawana szczytowa przepływność warstwy PHY jest górną granicą dla wybranego profilu, szerokości kanału, modulacji i kodowania, przydziału zasobów oraz korzystnych warunków radiowych. Przepływność użytkownika jest mniejsza po uwzględnieniu narzutów MAC i PHY, odstępów ochronnych, harmonogramowania, retransmisji, zakłóceń i wymaganego marginesu łącza. Podobnie nominalny promień komórki albo odległość z widocznością optyczną nie gwarantuje takiego obszaru usługi. Rzeczywisty zasięg i przepływność zależą od częstotliwości, anten, mocy nadawczej, ukształtowania terenu oraz propagacji bez bezpośredniej widoczności.
2. Porównanie WiMAX, Wi-Fi i LTE
Właściwości WiMAX można porównać z dwiema innymi technologiami bezprzewodowymi: Wi-Fi oraz sieciami komórkowymi, takimi jak LTE.
Wi-Fi (IEEE 802.11)
Cel: Zaprojektowane dla Bezprzewodowych Sieci Lokalnych (WLAN). Ma na celu zapewnienie szybkiego dostępu do internetu w stosunkowo małym, zlokalizowanym obszarze, takim jak dom, biuro czy kawiarnia.
- Zasięg: Bardzo krótki, zazwyczaj kilkadziesiąt metrów.
- Widmo: Działa w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości, takich jak 2.4 GHz i 5 GHz. Ułatwia to uruchomienie sieci, ale zwiększa podatność na zakłócenia od innych sieci i urządzeń.
WiMAX (IEEE 802.16)
Cel: Zaprojektowane dla Bezprzewodowych Sieci Metropolitalnych (WMAN). Profile WiMAX przeznaczono do szerokopasmowego dostępu z jednej stacji bazowej na obszarze większym niż typowa sieć WLAN.
- Zasięg: Zwykle większy niż Wi-Fi, często liczony w kilometrach. Stałe połączenia z widocznością optyczną mogły osiągać większy zasięg, zależnie od profilu i mocy.
- Widmo: Wiele profili operatorskich projektowano dla pasm licencjonowanych. Licencja nie gwarantuje jakości, ale ogranicza liczbę użytkowników uprawnionych do nadawania w danym paśmie.
Sieci Komórkowe LTE (4G)
Cel: Zaprojektowane do komunikacji mobilnej i przełączania między komórkami dla użytkowników w ruchu, na przykład w samochodach i pociągach.
- Zasięg: Podobny do WiMAX, pokrywający kilka kilometrów ze stacji bazowej.
- Widmo: Działa również w licencjonowanym widmie.
- Kluczowa Różnica: LTE rozwijano jako system komórkowy z procedurami mobilności i ścieżką ewolucji z GSM oraz UMTS. Mobilność dodano do WiMAX w kolejnych poprawkach rodziny 802.16.
3. Rodzina standardów IEEE 802.16
Interfejs WiMAX zdefiniowano w rodzinie standardów 802.16 opracowanej przez . Kolejne poprawki rozszerzały rodzinę od stałego dostępu bezprzewodowego do profili obsługujących mobilność.
IEEE 802.16 (2001) - Stały dostęp bezprzewodowy
Pierwsza wersja standardu została zaprojektowana dla Stałego Dostępu Bezprzewodowego (FWA). Była pomyślana jako bezprzewodowa alternatywa dla kabla i DSL dla użytkowników stacjonarnych, takich jak domy i firmy. Ta początkowa wersja miała jedno znaczące ograniczenie. Wymagała między anteną abonenta a stacją bazową dostawcy. Oznaczało to, że technik instalacyjny musiał starannie zamontować zewnętrzną antenę na dachu i precyzyjnie wycelować ją w wieżę, co ograniczało jej praktyczne wdrożenie. Działała w bardzo wysokim paśmie częstotliwości od 10 do 66 GHz.
IEEE 802.16-2004 (często nazywany 802.16d) - zakres poniżej 11 GHz
Ta poprawiona wersja, obejmująca wcześniejsze poprawki, takie jak 802.16a, rozszerzyła zastosowania systemu. Wprowadziła dwa ważne elementy:
- Niższe Pasma Częstotliwości: Określała działanie poniżej 11 GHz, w tym w zakresach 2 do 11 GHz. Niższa częstotliwość zwykle zmniejsza tłumienie i ułatwia obsługę ścieżek bez bezpośredniej widoczności, ale nie usuwa ograniczeń propagacji.
- Możliwość Działania Bez Bezpośredniej Widoczności (NLOS): Warianty poniżej 11 GHz obejmowały tryby OFDM i rozwiązania dla kanałów NLOS. Dzięki nim połączenie mogło działać, gdy przeszkody zasłaniały bezpośrednią ścieżkę między stacją bazową a użytkownikiem. Ułatwiało to instalację modemu wewnętrznego, choć rzeczywista jakość zależała od profilu, anten i kanału. Ten standard stał się podstawą wczesnych wdrożeń "Stałego WiMAX".
IEEE 802.16e-2005 - Mobilny WiMAX
Ta poprawka dodała obsługę mobilności do rodziny WiMAX. Wcześniejsze wersje kierowano do użytkowników stacjonarnych lub nomadycznych, natomiast IEEE 802.16e wprowadziło procedury między stacjami bazowymi. Poprawka dotyczyła pasm licencjonowanych poniżej 6 GHz. Użytkownik mógł utrzymać sesję podczas ruchu, na przykład w pojeździe, a profil określany jako "Mobilny WiMAX" konkurował z systemami komórkowymi 4G, takimi jak LTE. Brak przerwy zależał od procedury, terminala i warunków radiowych.
WiMAX Forum
Chociaż IEEE opracowało standard techniczny, sojusz przemysłowy WiMAX Forum definiował profile i prowadził certyfikację interoperacyjności. Testy sprawdzały, czy urządzenia różnych dostawców spełniają wybrany profil i mogą współpracować. Jest to rola podobna do tej, którą Wi-Fi Alliance pełni dla produktów Wi-Fi.
4. Technologie radiowe WiMAX
Parametry WiMAX wynikają z zestawu technologii radiowych określonych dla danego profilu. Mobilny profil IEEE 802.16e korzysta z OFDMA, podobnie jak współczesne mu LTE.
OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)
Mobilny WiMAX był jednym z pierwszych profili szerokopasmowych opartych na OFDMA. Zamiast jednego szybkiego strumienia dane dzielone są na równoległe strumienie, z których każdy jest przesyłany na własnej, gęsto rozmieszczonej . Stacja bazowa przydziela podzbiory podnośnych wielu użytkownikom.
- Odporność na Wielodrogowość: Dłuższe symbole i prefiks cykliczny ograniczają wpływ opóźnionych kopii sygnału. OFDMA zmniejsza więc wrażliwość na Interferencję Międzysymbolową (ISI), która występuje między innymi w środowiskach miejskich.
- Elastyczna Alokacja: OFDMA pozwala stacji bazowej przydzielać grupy podnośnych różnym użytkownikom według potrzeb i jakości kanału.
Skalowalne OFDMA (SOFDMA)
Mobilny WiMAX (IEEE 802.16e) używa wariantu o nazwie SOFDMA. Część "Skalowalne" odnosi się do doboru parametrów do szerokości kanału. Profile mogły wykorzystywać kanały 5 MHz, 7 MHz lub 10 MHz. SOFDMA skaluje rozmiar , co zmienia liczbę podnośnych. Przykładowo profil mógł użyć FFT 512-punktowej dla kanału 5 MHz lub 1024-punktowej dla kanału 10 MHz. Ułatwiało to dopasowanie systemu do różnych alokacji widma.
W warstwie PHY podnośne są organizowane w symbole OFDMA, a warstwa MAC przydziela je w czasie i częstotliwości. Profile określają też modulację i kodowanie zależne od jakości kanału, dlatego przepływność nie jest stałą cechą samego pasma.
Wariant mobilny pracuje w ramkach z częścią łącza w dół i częścią łącza w górę. Stacja bazowa przekazuje terminalom informacje o przydziale, a terminale wykonują procedury rangingu i synchronizacji przed rozpoczęciem transmisji.
Dobór profilu określał także szerokość kanału, tryb dupleksu i liczbę anten, dlatego urządzenia zgodne z różnymi profilami nie musiały oferować tych samych parametrów.
MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)
Profile WiMAX obsługiwały również MIMO. Wiele anten na stacji bazowej i stacji abonenckiej pozwalało stosować multipleksowanie przestrzenne, czyli wysyłać kilka strumieni danych, albo zróżnicowanie nadawcze, czyli wysyłać te same dane różnymi ścieżkami dla poprawy niezawodności.
5. Architektura Sieci WiMAX
Ogólna sieć WiMAX jest również zaprojektowana z wyraźną, warstwową strukturą, obejmującą urządzenia użytkownika, sieć dostępową i sieć rdzeniową.
Stacja Abonencka (SS/MS)
To jest urządzenie użytkownika. Dla stałego WiMAX było to zazwyczaj zewnętrzna antena lub wewnętrzny modem stacjonarny. Dla Mobilnego WiMAX stało się to kluczem USB, kartą PCMCIA lub ostatecznie chipem zintegrowanym w laptopie lub telefonie komórkowym.
Sieć Dostępowa (ASN)
Jest to odpowiednik Radiowej Sieci Dostępowej w WiMAX. Składa się z dwóch głównych części: Stacji Bazowych (BS), które zapewniają zasięg radiowy, oraz Bramy ASN (ASN-GW), która działa jako punkt kontrolny, zarządzając przełączeniami i łącząc sieć radiową z rdzeniem.
Sieć Łączności (CSN)
To sieć rdzeniowa WiMAX typu All-IP, odpowiedzialna za łączność IP, uwierzytelnianie użytkowników za pośrednictwem serwera AAA oraz połączenia z internetem lub innymi sieciami. Obsługuje także stan sesji i przydział adresu IP.
ASN obsługuje wejście terminala do sieci, przydział zasobów radiowych i przełączenia między stacjami. CSN przechowuje funkcje autoryzacji, adresacji IP oraz połączenia z innymi sieciami. Podział tych ról pozwalał operatorowi oddzielić obsługę dostępu od usług IP.
6. WiMAX i LTE: czynniki rozwoju wdrożeń
W połowie lat 2000. WiMAX i LTE były konkurencyjnymi drogami rozwoju szerokopasmowego dostępu radiowego. WiMAX miał wdrożenia stałe i mobilne, między innymi sieci budowane przez Clearwire w USA oraz Netia w Polsce. Z czasem LTE stało się dominującą technologią komórkową.
Czynniki rozwoju wdrożeń
O wyniku nie decydowała wyłącznie warstwa radiowa. Mobilny WiMAX i LTE korzystały z OFDMA oraz MIMO, lecz różniły się zapleczem standaryzacyjnym, mapą wdrożeń i dostępnością urządzeń. Ekosystem operatorów i producentów zwiększał przewagę LTE.
- Wsparcie dla LTE: LTE opracowało 3GPP, partnerstwo organizacji standaryzacyjnych, w tym ETSI, ATIS, ARIB, CCSA, TTA i TTC. Operatorzy oraz producenci, między innymi Ericsson i Nokia, mogli rozwijać LTE jako ścieżkę ewolucji z sieci GSM i UMTS. GSMA reprezentowała interesy ekosystemu, ale nie była organizacją tworzącą specyfikacje 3GPP.
- Wsparcie dla WiMAX: WiMAX był promowany także przez branżę komputerową i danych, a Intel należał do jego znanych zwolenników. Technologia miała operatorów i certyfikowane urządzenia, lecz nie zbudowała tak szerokiej ścieżki migracji w istniejących sieciach komórkowych.
- Ewolucja i Roaming: Operatorzy LTE mogli wykorzystać istniejące sieci 2G i 3G jako uzupełnienie zasięgu, gdy wdrożenie 4G było niepełne. Ułatwiało to migrację urządzeń i usług. WiMAX nie miał tak rozległej warstwy komórkowej, z którą można było połączyć nowe wdrożenia.
- Ekonomia Skali: Większa liczba wdrożeń LTE zwiększała wolumen produkcji modemów i sprzętu infrastrukturalnego. Z czasem obniżało to koszty i wzmacniało dostępność urządzeń, co utrudniało WiMAX konkurowanie na rynku komórkowym.
Dziedzictwo WiMAX
WiMAX nie stał się dominującą technologią mobilnego internetu szerokopasmowego, ale jego profile pozostały użyteczne w wybranych wdrożeniach Stałego Dostępu Bezprzewodowego (FWA). Koncepcje OFDMA, MIMO i dostępu szerokopasmowego należą do wspólnego dorobku późniejszych systemów radiowych. W nowych sieciach FWA częściej stosuje się dziś inne technologie, dlatego użycie WiMAX zależy od istniejącej infrastruktury i operatora.