1. Potrzeba Czegoś Więcej: Ewolucja do WiMAX 2

Świat technologii nigdy nie stoi w miejscu. Nawet gdy wdrażano pierwszą generację Mobilnego WiMAX (opartego na standardzie IEEE 802.16e), inżynierowie i organy normalizacyjne już patrzyli w przyszłość, planując kolejny wielki skok w wydajności bezprzewodowej. Początkowy Mobilny WiMAX był potężną technologią, ale poprzeczka była stale podnoszona, napędzana nieustannym wzrostem internetu i świtem ery smartfonów. Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) rzucił wyzwanie w postaci wymagań IMT-Advanced, stawiając bardzo wysokie wymagania dla każdej technologii, która mogłaby być oficjalnie określona jako "prawdziwe 4G".

WiMAX 2 został pomyślany jako odpowiedź na to wyzwanie. Nie była to zwykła aktualizacja, ale znacząca re-inżynieria standardu WiMAX, zaprojektowana, aby spełnić i przewyższyć ambitne cele IMT-Advanced. Oficjalnie standaryzowany przez IEEE jako IEEE 802.16m, WiMAX 2 został stworzony, aby konkurować bezpośrednio z LTE-Advanced jako prawdziwa technologia czwartej generacji. Jego główne cele były jasne: zapewnienie kwantowego skoku w prędkościach danych, radykalna poprawa wydajności wykorzystania widma, obniżenie opóźnień sieciowych oraz ulepszenie ogólnego doświadczenia użytkownika, a wszystko to przy jednoczesnym zapewnieniu jasnej i łatwej do zarządzania ścieżki modernizacji dla operatorów, którzy już zainwestowali w infrastrukturę WiMAX pierwszej generacji.

2. Główne Postępy Technologiczne w IEEE 802.16m

Aby osiągnąć swoje cele wydajnościowe na poziomie 4G, WiMAX 2 (IEEE 802.16m) wprowadził szereg znaczących ulepszeń technologicznych, które bazowały na solidnych fundamentach swojego poprzednika. Te postępy dotyczyły każdego aspektu interfejsu radiowego, aby zwiększyć prędkość, wydajność i pojemność.

Zaawansowane Technologie Antenowe: Przesuwanie Granic MIMO

Chociaż oryginalny Mobilny WiMAX wykorzystywał MIMO, WiMAX 2 zintegrował znacznie bardziej zaawansowane i potężne techniki antenowe, czyniąc je centralną częścią swojego projektu.

• Konfiguracje MIMO Wyższego Rzędu: Standard znacząco zwiększył liczbę obsługiwanych anten. Standaryzował wsparcie dla maksymalnie 4x4 MIMO w łączu w górę i imponującego 8x8 MIMO w łączu w dół jako część swoich podstawowych specyfikacji. Oznaczało to, że stacja bazowa mogła teoretycznie przesyłać osiem niezależnych strumieni danych jednocześnie do urządzenia wyposażonego w osiem anten odbiorczych, co prowadziło do ogromnego wzrostu szczytowych prędkości transmisji w porównaniu z 2x2 MIMO powszechnie stosowanym w pierwszej generacji WiMAX.
• Multi-User MIMO (MU-MIMO): Była to kluczowa innowacja w celu poprawy rzeczywistej pojemności sieci. Dzięki MU-MIMO, stacja bazowa zyskała inteligencję, by używać swoich wielu anten do komunikacji z kilkoma różnymi użytkownikami dokładnie w tym samym czasie w tym samym kanale częstotliwości. Tworząc precyzyjnie ukierunkowane "wiązki" energii dla każdego użytkownika, stacja bazowa mogła na przykład obsługiwać czterech różnych użytkowników z pojedynczymi antenami jednocześnie, tak jakby byli na czterech oddzielnych kanałach. To radykalnie zwiększa ogólną 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. Zdefiniowano mechanizm łączenia do pięciu oddzielnych kanałów 20 MHz, tworząc ogromną efektywną szerokość pasma do $100$ MHz. Pozwalało to operatorom na łączenie swoich pofragmentowanych zasobów widma w celu dostarczania prędkości klasy gigabitowej.

Poprawiona Wydajność Widmowa i Energetyczna

WiMAX 2 został zaprojektowany nie tylko po to, by używać więcej widma, ale by używać go mądrzej.

• 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: na jego dane.
• Modulacja Wyższego Rzędu: Wsparcie dla bardziej zaawansowanych schematów modulacji, takich jak 64-QAM, stało się standardowym wymogiem zarówno dla łącza w górę, jak i w dół, umożliwiając upakowanie większej liczby bitów w każdym przesyłanym symbolu w dobrych warunkach sygnałowych.
• 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 solidne procedury przełączeń nie tylko między różnymi stacjami bazowymi WiMAX 2, ale również zapewniając wsteczną kompatybilność ze starszymi sieciami IEEE 802.16e, a nawet mechanizmy przełączeń do i z sieci komórkowych 3GPP. Była to kluczowa funkcja mająca na celu umożliwienie stopniowego wdrażania i zapewnienie, że użytkownicy pozostaną połączeni podczas przemieszczania się między obszarami objętymi różnymi technologiami.

4. Ostateczny Werdykt: WiMAX 2 kontra LTE-Advanced

Porównując specyfikacje techniczne WiMAX 2 (IEEE 802.16m) i jego głównego rywala, LTE-Advanced, wyłania się uderzający fakt: były one niezwykle podobne.

• 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).

Rywalizacja między nimi ostatecznie nie została wygrana ani przegrana na podstawie przewagi technologicznej w dziedzinie radia. Jak omówiono wcześniej, decydującym czynnikiem był impet ekosystemu przemysłowego. Zanim standard IEEE 802.16m został oficjalnie sfinalizowany w 2011 roku, ogromna większość światowych operatorów komórkowych i dostawców sprzętu już postawiła na ścieżkę ewolucji LTE. LTE-Advanced było postrzegane jako płynniejsza, bardziej zintegrowana modernizacja z masowego globalnego śladu sieci 2G/GSM i 3G/UMTS.

Nawet najwybitniejsi wczesni adepci WiMAX, tacy jak operatorzy w USA i niektórzy w Europie, ostatecznie uznali tę rynkową rzeczywistość i ogłosili plany przejścia swoich sieci na LTE. Chociaż WiMAX 2 był potężnym i technicznie doskonałym standardem, pojawił się na scenie zbyt późno, aby zmienić kurs branży, która już wybrała swoją drogę naprzód.