České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, Katedra radioelektroniky Mobilní komunikace WIMAX Stručný přehled technologie Josef Nevrlý Obsah 1 Úvod 2 2 Využití technologie 3 3 Rádiové rozhraní 3 4 Řízení přístupu, duplexing 5 5 Pokrytí, dosah 6 6 Současný stav 7 7 Situace v České Republice 7 8 Závěr 8 1
WiMAX 2 1 Úvod WiMAX je souhrnné označení pro různé druhy technologií bezdrátových sítí, vycházející ze specifikací vypracovaných skupinou IEEE 802.16. Cílem této skupiny je nalézt univerzální celosvětově aplikovatelné řešení bezdrátové metropolitní sítě (MAN - Metropolitan Area Network). Původní specifikace hovořily o používaných pásmech v kmitočtovém rozmezí 10-66 GHz, s průměrnými přenosovými rychlostmi 70 Mb/s a topologii point-to-multipoint. V těchto pásmech je již jedinou možnou realizací spojení na přímou viditelnost (LOS - Line of Sight). Původní návrh, zveřejněný v roce 2001, byl ovšem záhy přepracován s dodatky ve formě specifikace 802.16a. Ta rozšířila spektrum používaných kmitočtů o pásmo 2-11 GHz, umožňující i šíření bez přímé viditelnosti (NLOS - Non Line of Sight) a současně přidala několik nových kódovacích schémat tak, aby se nová specifikace dala sloučit s nezávisle v Evropě vyvíjeným standardem HiperMAN. Specifikaci 802.16a a následujícím se již souhrnně říká WiMAX. Verze 802.16a a dodatek 802.16c byly v roce 2004 nahrazeny přepracovanou specifikací IEEE 802.16-2004 (v literatuře také označovaná jako 802.16d). Tato specifikace byla navržena s ohledem na pevné umístění vysílací a přijímací stanice (WiMAX fixed). V roce 2005 tak následovalo rozšíření 802.16-2005 (zvané též 802.16e, neboli WiMAX Mobile) umožňující rovněž pohyblivou účastnickou stanici. Na úrovni rádiového rozhraní se jednalo o použití nového schématu Scallable OFDMA (SOFDMA), které již nebylo kompatibilní s předchozí 802.16-2004. Ze specifikace 802.16-2005 rovněž vychází specifikace WiBro, vyvíjená v Jižní Koreji jakožto technologie mobilního širokopásmového přístupu pro mobilní sítě 3.5G. Pro lepší orientaci naleznete přehled všech specifikací v tab.1. Specifikace Rok Obsah HiperMAN 2001 Specifikace ETSI pro kmitočty 2-11 GHz 802.16 2001 Původní specifikace IEEE pro kmitočty 10-66 GHz, LOS 802.16a 2003 Dodatek k původní specifikaci, rozšíření o pásmo 2-11 GHz, NLOS 802.16c 2003 Další dodatek 802.16-2004 (802.16d) 2004 Přepracování původní specifikace a dodatků a, c, pouze pevné stanice 802.16-2005 (802.16e) 2005 Specifikace s mobilní účastnickou stanicí, SOFDMA, nekompatibilní s 802.16-2004 WiBro 2005 Korejská specifikace vycházející z 802.16-2005 pro mobilní sítě Tabulka 1: Specifikace 802.16 a další
WiMAX 3 2 Využití technologie Specifikace WiMAX byla odpočátku vyvíjena jako technologie, která má nahradit nyní všeobecně rozšířenou technologii dle specifikace IEEE 802.11, známou jako Wi-Fi. Ta byla původně navržena pro malé bezdrátové sítě s dosahem několika desítek metrů a s omezeným počtem uživatelů. Postupně se však díky velké dostupnosti Wi-Fi zařízení začala používat i pro budování metropolitních sítí a k řešení tzv. poslední míle. Pro tyto účely však sít není příliš vhodná, například kvůli problematickému řízení sdílení přístupu jednotlivých uživatelů k základnové stanici (náhodný přístup) či nedostatečnému zabezpečení se systémy WEP a WPA. Právě s těmito ohledy byla navržena specifikace WiMAX, která umožňuje jak řízené sdílení přístupu s garancí QoS, tak pokročilou úroveň zabezpečení se systémy AES a DES3. Specifikace WiMAX umožňuje přenos ve většině dosud používaných sít ových technologiích (Ethernet, ATM, atd.). Krom toho je plánovaný dosah WiMAX základnového bodu několikanásobně větší než u Wi-Fi, takže systém umožňuje pokrytí většího území s menším počtem AP. Teprve pozdější specifikace (802.16-2005) přinesla možnost skutečně mobilních uživatelských stanic a dá se o ní hovořit jako o nástupci Wi-Fi i na poli malých bezdrátových sítí s vylepšeními oproti Wi-Fi (například možnost roamingu s hand-overy mezi dvěma AP). 3 Rádiové rozhraní V tomto oddílu se budu zabývat rádiovým rozhraním vycházejícím ze specifikace 802.16a a vyšších, nebot původní rozhraní dle 802.16 bylo během dalších přepracování zcela změněno. Fyzická vrstva (PHY) technologie WiMAX obsahuje řadu různých možností přenosu dle potřeb daného nasazení, tedy pro LOS a NLOS. Specifikace uvádí šířku jednoho kanálu v rozmezi 1 28 MHZ. Dá se očekávat, že první WiMAX zařízení budou podporovat kanály šířky 3,5 a 7 MHz. Specifikace dále definuje techniky kódování, modulace a vysílání, používaných v systémech WiMAX. Jsou rozebrány v následujících odstavcích: 3.1 OFDM OFDM je zkratka pro Orthogonal Frequency Division Multiplex. Vysvětlení principu této technologie leží mimo rozsah tohoto článku, základním principem zde je přenos dat paralelními kanály pomocí množství nosných, čímž se mnohonásobně prodlužuje délka symbolu. Tímto lze omezit vliv mnohocestného šíření a intersymbolových interferencí, stejně jako potlačení signálu na určitých frekvencích. Specifikace WiMAX definuje OFDM v konfiguracích s 256 a 2048 nosnými. Mimo to je definována i verze bez OFDM, tedy pouze s jednou nosnou, ovšem OFDM je preferována. Výrobci WiMAX zařízení zatím podporují výhradně verzi s 256ti nosnými, z nichž datových je 192. Verze OFDM 256 je rovněž styčným bodem s evropskou technologií HiperMAN.
WiMAX 4 3.2 Sub-Chanellizaton Tato technika je nepovinná část specifikace WiMAX s OFDM. Kvůli nižším nákladům na výrobu i dalším omezením budou uživatelské stanice WiMAX vždy disponovat nižším vysílacím výkonem nežli základnová stanice, čímž dojde k základnímu omezení dosahu celého systému. Technika Sub-Chanellization umožňuje soustředit vysílací výkon uživatelské stanice do nižšího počtu nosných v rámci OFDM tak, že výkon jednotlivých nosných tak bude shodný s výkonem na základnové stanici systému a dosah nebude omezen, viz obr. 1. To vše samozřejmě na úkor kapacity kanálu pro uplink. Asymetrické připojení je však pro poskytování připojení k Internetu běžná věc. Obrázek 1: Princip Sub-Chanellization, převzato z [1] 3.3 Adaptivní modulace Specifikace definuje několik druhů modulačních schémat s různým počtem symbolů a od nich odvozných vlastností jako je přenosová kapacita a potřebný odstup signálu od šumu (SNR). Právě podle SNR v přenosové cestě dokáže systém zvolit, které modulační schéma použije pro jednotlivé nosné v OFDM. Nabízená kódovací schémata jsou BPSK, QPSK, 16-QAM a 64-QAM. Výběr schématu v závislosti na dostupném SNR znázorňuje obr. 2. 3.4 Korekce chyb Pro kanálové kódování v technologii WiMAX je definováno několi různých technik zaručujících detekci a opravu chyb vzniklých během přenosu. Mezi tyto technologie patří konvoluční (1/2, 2/3, 3/4) a Reed-Solomonův kodér pro kódování a detekci chyb a ARQ (automatic repeat request) pro přeposlání zprávy, pokud oprava chyb selže.
WiMAX 5 Obrázek 2: Adaptivní modulace, převzato z [1] 3.5 Řízení výkonu Podobně jako u sítí pro mobilní telefonii, i ve specifikaci WiMAX se objevuje řízení výkonu uživatelské stanice v závislosti na vzdálenosti od základnového vysílače a parametrech přenosové cesty. Toto opatření zlepšuje zejména energetické nároky uživatelské stanice, které jsou, v případě bateriového provozu (notebooky, PDA), jedním z nejdůležitějších hledisek. Kromě toho omezuje interference mezi jednotlivými uživateli jedné základnové stanice. Důsledek tohoto opatření je ovšem také to, že vysílač v uživatelské stanici musí mít dynamický rozsah 50 db, což zvyšuje náročnost technické realizace. 3.6 Další možnosti ve specifikaci WiMAX Specifikace obsahuje i několik dalších volitelných možností, jejichž nasazení sice zřejmě nebude součástí první vlny WiMAX zařízení, ale do budoucna se s nimi počítá jako s dalšími zlepšeními vlastností systému. Patří sem Adaptivní anténní systémy, které mohou měnit svou směrovou charakteristiku v závislosti na poloze základnové stanice, snižovat tak potřebný vysílací výkon a omezovat tak příjem cizích signálů už na úrovni antény. Další možností nabízenou ve specifikaci WiMAX je použití diverzitního vysílání a přijmu (MIMO). 4 Řízení přístupu, duplexing Nad fyzickou vrstvou (PHY) technologie WiMAX je vrstva řízení přístupu jednotlivých uživatelských stanic k základnové stanici. Tato vrstva se nazvá MAC - Media Access Control. V ní leží jedna ze základních výhod specifikace oproti systému Wi-Fi. Ve starší Wi-Fi se totiž jednotlivým uživatelským stanicím přiřazuje čas základnové stanice na základě náhodného přístupu, kdy spolu jednotliví účastníci o časový příděl soutěží. Vítězem se tak stává většinou účastník se silnějším signálem (blíže k AP), zatímco vzdálenější účastník trpí výpadky spojení. Ve WiMAX je tento princip použit pouze v případě prvotního přihlášení účastníka k AP. Pak je již každé stanici přiřazen timeslot ve kterém dochází ke komunikaci. Tím se dá zajistit QoS potřebný k aplikacím jako VoIP či přenos videa.
WiMAX 6 Pro kanály upstream/downstream specifikace WiMAX definuje celkem tři profily duplexování. Jedná se o frekvenční duplex (Frequency Division Duplex), časový duplex (TDD - Time Division Duplex) a frekvenční half-duplex, tedy H-FDD. Frekvenční duplex, jak z názvu vyplývá, používa jiný kanál pro upstream jiný pro downstream. Výhodou tohoto řešení je větší využití kapacity kanálu, nevýhodou je složitější zařízení, které musí obsahovat dva oddělené systémy pro příjem a vysílání. Z toho také vyplývá vyšší cena řešení. Časový duplex používá jeden kanál pro komunikaci oběma směry, jedná se o řešení v podstatě shodné s tím, jaké se používá v technologiích Wi-Fi. Řešení s frekvenčním half-duplexem je jakýmsi kompromisem mezi FDD a TDD, používá jeden kanál pro downstream a druhý pro downstream, ale nevysíla se současně. Očekává se, že první generace WiMAX zařízení bude z cenoých důvodů používat právě systémy s TDD a H-FDD. 5 Pokrytí, dosah Jednou z dalších výhod technologie WiMAX oproti stávající Wi-Fi je vyšší dosah signálu od základnové stanice při zachování přenosových kapacit a tím i snazší pokrytí většího území. Tohoto většího dosahu je dosaženo díky použití robustnějšího rádiového rozhraní. Jelikož však specifikace uvádí jen některá řešení rozhraní jako povinná, rozlišují se dva různé profily pro základnovou stanici, od kterých se pak odvíjí dosažitelná max. vzdálenost přenosu. Následující údaje jsou názorné pro systém na frekvenci 3.5 GHz, šířkou kanálu 3.5 MHz, s rychlostmi přenosu 11 Mbps downlink, 8Mbps uplink, používající sektorovou anténu 60 : Standardní základnová stanice - obsahuje všechna povinná technická řešení rádiového rozhraní specifikace WiMax a má standardní výstupní výkon vysílače (specifikace nedefinuje). Její dosah je 10 16 km pro LOS, 1 2 km pro NLOS. a méně než 500 m pro použití uvnitř budov Plně vybavená základnová stanice - obsahuje všechna povinná technická řešení rádiového rozhraní specifikace WiMAX a kromě toho používá ARQ, MIMO s použitím time-space kódování a Sub-Channelization. Výkon vysílače je vyšší než u standardní základnové stanice. Její dosah je 30 50 km LOS, 4 9 km NLOS a 1 2 km pro použití uvnitř budov. Obrázek 3: Pokrytí pro Standardní a Plně vybavenou základnovou stanici, převzato z [1]
WiMAX 7 Praktická měření prvních dostupných WiMAX zařízení ovšem ukazují, že skutečně realizovatelná dostupnost signálu je menší než 10 km pro LOS (při použití nesměrových antén), podobně pro NLOS šíření jsou výsledky v praxi méně optimistické než předpoklady doprovázející původní specifikaci. 6 Současný stav Z historie specifikací z rodiny 802.16 je jasné, že až do roku 2005 byl vývoj spíše chaotický, což výrobcům bránilo přicházet s hotovými produkty, které by splňovaly všechna kritéria specifikace. Zveřejněná specifikace 802.16-2004 však již přinesla ustálený standard, podle kterého bylo možno vyvíjet zařízení uplatnitelná v praxi. Vzhledem k vývojovému cyklu nepřekvapí, že první zařízení opatřená certifikátem WiMAX fóra se začala objevovat až od konce roku 2005. Certifikace je ovšem pouze prvním krokem, na trhu je počet WiMAX výrobků ještě mnohem menší. K datu napsání tohoto článku WiMAX fórum udává 8 registrovaných výrobců WiMAX zařízení, kromě firmy Siemens se jedná spíše o menší společnosti. Většina již certifikovaných zařízení tvoří základnové stanice a uživatelské stanice pro pevný příjem. Na poli uživatelských zařízení je zatím situace klidná. Svou podporu technologii WiMAX široce proklamuje Intel, který již představil SoC (System on a Chip) zařízení pro specifikaci 802.16-2004. Toto zařízení však ještě nebylo certifikováno. Technologie se testuje na frekvencích 1.9, 2.3, 3.5, 4.9 a 5.8 GHz, přičemž v Evropě se předpokládá použití především v pásmu 3.5 GHz, zatímco v USA na pásmech 2.3 a 5.8 GHz. Speciální testovací projekt předvedl úspěšné nasazení WiMAX i na frekvencních 450 a 700 MHz. V případě aplikací se objevují ojedinělé pokusy o použití WiMAX pro řešení poslední míle (Jižní Amerika, USA). Zde se většinou uplatňují zařízení firmy RedLine, která reagovala velmi rychle na dění ve skupině IEEE 802.16 a její výrobky byly mezi prvními, které obdrželi WiMAX certifikaci. I tak se ukazuje základní problém současných WiMAX zařízení, a to je jejich vysoká cena (přibližně 600 USD pro účastnickou stanici), která nemůže konkurovat jiným možnostem DSL připojení. Je zřejmé, že technologii bude trvat ještě několik let, než se začne objevovat v rozsáhlejších aplikacích a nahrazovat systém Wi-Fi. K tomu bude přispívat stále nejasná situace ohledně specifikací, stejně jako vysoká cena WiMAX zařízení v porovnání s Wi-Fi technologiemi, u kterých jsou díky obrovským sériím a mnoholeté výrobě stlačeny výrobní náklady na minimum. 7 Situace v České Republice V ČR je z historických a legislativních důvodů velice rozšířena možnost internetového připojení pomocí bezdrátových technologií. Z důvodů obsazení pásma Wi-Fi ve většině městských aglomerací se dá čekat, že pokusy o nasazení technologie WiMAX přijdou velmi rychle. Již v době psaní tohoto článku prováděly pokusný provoz v některých městech firmy WIA a IPEX, dle [4] se však jednalo o použití necertifikovaných zařízení. Nasazení technologie WiMAX je v ČR legislativně omezeno na pásmo 3.5 GHz a pouze časový duplex (TDD). Ačkoliv je toto omezení opět příčinou mnoha stížností na pomalou regulátorskou činnost ČTÚ, v současnosti všechna dostupná zařízení jiný než TDD či H-FDD
WiMAX 8 duplex neumožňují. Jako jinde ve světě, i zde bude další překážkou vyšší cena základnové i účastnické stanice. 8 Závěr Technologie WiMAX je jistě slibným nástupcem v současnosti široce používané Wi-Fi. Jelikož se specifikace WiMAX vyvíjela v podstatě souběžně s uváděním Wi-Fi technologií do reálného provozu, mohl navrhovatelé doporuční vzít v úvahu všechny stávající problémy Wi-Fi a nalézt jim odpovídající technické řešení. Na druhou stranu ovšem došlo k poněkud chaotické situaci na poli specifikací skupiny 802.16, která pak fakticky zpomalila vývoj a uvádění WiMAX zařízení na trh. Nástup WiMAX ve formě, v jaké by mohlo nahrazovat stávající Wi-Fi aplikace se tak dá stěží očekávat dříve, než v roce 2008. Reference [1] WiMAX Forum: WiMAX s technology for LOS and NLOS environments [online] [2] Richardson, M.; Ryan, P.: WiMAX: Opportunity or Hype? [online] Proceedings of the Fourth Annual ITERA Conference, ITERA 2006. [3] WiMAX Forum: Telephony s Complete Guide to WiMAX [online]. [4] Sova, M.: Lesk a bída WiMAX v ČR [online] Internet pro všechny (www.internetprovsechny.cz) [5] 802.16 [online] Wikipedia (www.wikipedia.org)