WiMAX 2

1. Ewolucja od Mobilnego WiMAX do WiMAX 2

Podczas wdrażania pierwszej generacji Mobilnego WiMAX, opartego na standardzie IEEE 802.16e, inżynierowie i organy normalizacyjne przygotowywali kolejne wymagania dla interfejsów radiowych. Pierwszy profil zapewniał punkt wyjścia dla mobilnego dostępu szerokopasmowego, a wzrost ruchu internetowego oraz upowszechnienie smartfonów zwiększały wymagania dotyczące przepływności, opóźnienia i pojemności. Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) określił wymagania IMT-Advanced, według których oceniano kandydackie technologie 4G, w tym przepływność szczytową, efektywność widmową, mobilność i opóźnienie. Prace nad IEEE 802.16m obejmowały więc interfejs radiowy oraz ścieżkę migracji dla wdrożonych sieci.

WiMAX 2 został pomyślany jako odpowiedź na to wyzwanie. Była to szeroka re-inżynieria standardu WiMAX, zaprojektowana, aby spełnić cele IMT-Advanced i konkurować z LTE-Advanced. Oficjalnie standaryzowany przez IEEE jako IEEE 802.16m, WiMAX 2 miał zapewnić większe prędkości danych, lepsze wykorzystanie widma, niższe opóźnienia i ścieżkę modernizacji dla operatorów, którzy zainwestowali w infrastrukturę WiMAX pierwszej generacji.

2. Główne Postępy Technologiczne w IEEE 802.16m

Aby osiągnąć cele wydajnościowe IMT-Advanced, WiMAX 2 (IEEE 802.16m) wprowadził zestaw zmian interfejsu radiowego opartych na poprzednim standardzie. Obejmowały one przepływność, efektywność widmową, opóźnienie i pojemność sieci. Projekt zachowywał obsługę starszych stacji, a jednocześnie dodawał zaawansowane tryby antenowe, szersze kanały, agregację nośnych i procedury oszczędzania energii. Opis systemu obejmował pracę w pasmach licencjonowanych, profile TDD i FDD, mobilność, przełączenia oraz procedury oszczędzania energii. Określał także wsparcie dla przekaźników i małych komórek poprawiających zasięg oraz pojemność.

Zaawansowane Technologie Antenowe

Chociaż oryginalny Mobilny WiMAX wykorzystywał MIMO, WiMAX 2 rozszerzył techniki antenowe i włączył je do głównych mechanizmów interfejsu radiowego.

• Konfiguracje MIMO Wyższego Rzędu: Standard zwiększył liczbę obsługiwanych anten. Obejmował konfiguracje do 4x4 MIMO w łączu w górę oraz do 8x8 MIMO w łączu w dół, zależnie od liczby anten i wybranego trybu pracy. W wariancie SU-MIMO stacja bazowa mogła przekazywać do ośmiu niezależnych strumieni urządzeniu z odpowiednią liczbą anten odbiorczych, co zwiększało teoretyczną przepływność względem 2x2 MIMO używanego w wielu wdrożeniach pierwszej generacji WiMAX.
• Multi-User MIMO (MU-MIMO): Była to ważna technika zwiększająca rzeczywistą pojemność sieci. MU-MIMOpozwalało stacji bazowej używać wielu anten do komunikacji z kilkoma użytkownikami w tym samym czasie i na tych samych zasobach częstotliwościowych. Tworząc precyzyjnie ukierunkowane "wiązki" energii dla każdego użytkownika, stacja bazowa mogła na przykład obsługiwać czterech użytkowników z pojedynczymi antenami jednocześnie, tak jakby korzystali z czterech oddzielnych kanałów. Zwiększało to efektywność widmową i pojemność komórki, zwłaszcza w obszarach z wieloma aktywnymi użytkownikami.

Szersze Pasma Kanałów i Agregacja Nośnych

Jednym z najprostszych sposobów na zwiększenie prędkości jest użycie szerszej "rury" do danych. WiMAX 2 przyjął tę zasadę, znacznie rozszerzając ilość widma, do którego mógł uzyskać dostęp pojedynczy użytkownik.

• Wsparcie dla Kanałów do 40 MHz: Standard IEEE 802.16m obejmował wsparcie dla ciągłych pasm kanałów o szerokości do 40 MHz. Był to znaczący wzrost w porównaniu z kanałami 5 lub 10 MHz, typowo używanymi we wcześniejszych wdrożeniach WiMAX. Już samo podwojenie szerokości kanału z 10 MHz do 20 MHz mogło niemal podwoić teoretyczną szczytową przepustowość.
• Wsparcie dla Wielu Nośnych (Agregacja Nośnych): Standard zapewniał również ramy do agregacji wielu nieciągłych kanałów, co jest koncepcją podobną do Agregacji Nośnych w LTE. Przykładowa konfiguracja mogła łączyć pięć oddzielnych kanałów po 20 MHz, tworząc efektywną szerokość pasma do $100$ MHz. Rzeczywista liczba nośnych i szerokość zależały od dostępnego widma oraz profilu wdrożenia. Mechanizm pozwalał operatorom łączyć pofragmentowane zasoby widma w celu dostarczania prędkości klasy gigabitowej.

Poprawiona Wydajność Widmowa i Energetyczna

WiMAX 2 został zaprojektowany do korzystania z większej ilości widma przy wyższej efektywności.

• Zmniejszony Narzut: Struktura ramki radiowej została przeprojektowana w celu zwiększenia wydajności, zmniejszając ilość informacji kontrolnych i sygnalizacyjnych (narzutu), które musiały być przesyłane wraz z faktycznymi danymi użytkownika. Większa część każdej transmisji była przeznaczona na to, czego użytkownik faktycznie chciał, czyli na jego dane.
• Modulacja Wyższego Rzędu: Standard obsługiwał bardziej zaawansowane schematy modulacji, w tym 64-QAM, dla łącza w górę i w dół. Przy dobrych warunkach sygnałowych taki schemat upakowywał większą liczbę bitów w każdym symbolu.
• Ulepszenia w Oszczędzaniu Energii: Standard wprowadził ulepszone tryby uśpienia i bezczynności dla urządzeń mobilnych, zmniejszając ich zużycie energii i wydłużając żywotność baterii, co jest kluczowym czynnikiem dla mobilnego internetu szerokopasmowego.

3. Ulepszenia Architektoniczne i Funkcjonalne

Ulepszenia w WiMAX 2 nie ograniczały się do interfejsu radiowego. Standard wprowadził również kluczowe koncepcje architektoniczne, mające na celu uczynienie sieci bardziej inteligentną, skalowalną i łatwiejszą w zarządzaniu.

Wsparcie dla Małych Komórek: Femtokomórki i Węzły Przekaźnikowe

Standard IEEE 802.16m dostrzegł rosnące znaczenie zagęszczania sieci za pomocą węzłów o niskiej mocy w celu poprawy zasięgu i pojemności, zwłaszcza wewnątrz budynków.

• Femtokomórki: Standard zawierał kompleksowe ramy integracji femtokomórek. Femtokomórka to mała, niskomocowa stacja bazowa, jak osobista wieża komórkowa dla domu lub biura. Łączy się ona z siecią rdzeniową operatora za pośrednictwem istniejącego łącza szerokopasmowego i zapewnia silny, dedykowany sygnał komórkowy wewnątrz, gdzie zewnętrzny sygnał makro może być słaby.
• Stacje Przekaźnikowe: WiMAX 2 wzmocnił wsparcie dla węzłów przekaźnikowych. Są to inteligentne wzmacniacze, które odbierają sygnał z głównej stacji bazowej i retransmitują go, aby rozszerzyć zasięg do "martwych stref", bez potrzeby własnego przewodowego połączenia dosyłowego.

Samoorganizujące się Sieci (SON)

Poważnym wyzwaniem operacyjnym dla dostawców sieci jest złożoność planowania i zarządzania dużą siecią. Funkcje Samoorganizującej się Sieci (SON)zostały zintegrowane ze standardem WiMAX 2 w celu zautomatyzowania wielu z tych procesów. Możliwości SON pozwalają sieci być bardziej "plug-and-play", gdzie nowe stacje bazowe mogą automatycznie konfigurować się i optymalizować swoje parametry (takie jak poziomy mocy i ustawienia przełączeń), aby efektywnie współistnieć ze swoimi sąsiadami, zmniejszając potrzebę kosztownej ręcznej interwencji i poprawiając ogólną wydajność sieci.

Przełączenia Międzytechnologiczne

Kluczowym aspektem dla żywotnej technologii mobilnej jest zdolność do zapewnienia ciągłości połączenia. Standard WiMAX 2 położył duży nacisk na płynną mobilność, definiując procedury przełączeń między stacjami bazowymi WiMAX 2, zachowując wsteczną kompatybilność ze starszymi sieciami IEEE 802.16e i przewidując mechanizmy przełączeń do oraz z sieciami komórkowymi 3GPP. Funkcja ta wspierała stopniowe wdrażanie i utrzymanie połączenia podczas przemieszczania się między obszarami objętymi różnymi technologiami.

4. Porównanie WiMAX 2 i LTE-Advanced

Porównanie specyfikacji technicznych WiMAX 2 (IEEE 802.16m) i LTE-Advanced wskazuje na podobieństwo ich głównych założeń w kilku obszarach.

• Oba były oparte na interfejsie radiowym OFDMA.
• Oba wspierały zaawansowane MIMO wysokiego rzędu i MU-MIMO.
• Oba wspierały szerokie pasma kanałów i agregację nośnych.
• Oba zawierały funkcje takie jak wsparcie dla stacji przekaźnikowych i małych komórek.
• Oba z powodzeniem spełniły wymagania wydajnościowe, aby zostać oficjalnie uznane za technologie IMT-Advanced (prawdziwe 4G).

O wyborze technologii decydowały możliwości radiowe oraz decyzje wdrożeniowe operatorów. Zanim standard IEEE 802.16m został oficjalnie sfinalizowany w 2011 roku, większość światowych operatorów komórkowych i dostawców sprzętu wybrała ścieżkę ewolucji LTE. LTE-Advanced stanowiło bezpośrednią modernizację rozległej bazy sieci 2G/GSM i 3G/UMTS oraz związanego z nią łańcucha dostaw. Wdrożenia LTE mogły więc wykorzystywać ustalone procesy operatorów i szerszy ekosystem dostawców, podczas gdy operatorzy WiMAX wchodzili na odrębną ścieżkę komercyjną.

Wcześni użytkownicy WiMAX, w tym Clearwire w Stanach Zjednoczonych, ogłosili później plany przejścia swoich sieci na LTE. WiMAX 2 pozostał technicznie zdolnym standardem, lecz jego standaryzacja i wdrożenia nastąpiły po decyzji branży o wyborze LTE. Ograniczyło to liczbę komercyjnych wdrożeń i pokazuje, że sama zdolność radiowa nie przesądzała o przyjęciu standardu.