Bezprzewodowe lokalne sieci komputerowe, a także punkty dostępu do Internetu (hot spoty) oparte na serii standardów 802.11powoli przestają zadziwiać. Zakończenie prac nad wersją 'g' pozwoliło im zaoferować przepływność ok. 54 Mb/s. Wysiłki stowarzyszenia WPA zaowocowały znaczną poprawą bezpieczeństwa transmisji. Największe wady, mogłoby się wydawać, odeszły w przeszłość. Niestety, nadal pozostał problem często bardzo drogiego połączenia z siecią dostawcy usług.

Prace nad rozwiązaniem tego problemu zostały podjęte przez organizację standaryzacyjną IEEE już pod koniec 1998 r. Zaowocowały one opracowaniem standardu 802.16. Dokument, opublikowany w kwietniu 2001 r., zawierał dokładną definicję warstwy fizycznej i protokołów dostępu do medium (Media Access Control) dla bezprzewodowych sieci metropolitalnych (WirelessMAN - Wireless Metropolitan Area Networks).

Przewiduje on m.in. pracę w pasmie dostępnym w przeważającej części świata, tj. 10-66 GHz, i przepływności nawet większe niż 100 Mb/s. Tak wysokie częstotliwości stwarzają jednak wiele problemów, z których części dotychczas nie udało się rozwiązać. Działające w tym zakresie urządzenia praktycznie zawsze wymagają bezpośredniej widoczności między antenami nadawczą a odbiorczą. Warunek ten, często trudny do spełnienia (np. w mieście), znacznie ograniczył potencjalne zastosowania. Dlatego zdecydowano się rozszerzyć specyfikację 802.16 na niższe częstotliwości. Opracowana i zatwierdzona w kwietniu 2003 r. wersja 802.16a obejmuje licencjonowane i niewymagające zezwoleń pasma znajdujące się w zakresie 2-11 GHz (przepływności do ok. 70 Mb/s).

Zastosowanie

W zamyśle twórców 802.16(a) ma być konkurencją dla łączy opartych na włóknach światłowodowych, modemach kablowych czy też xDSL i uzupełnieniem ich. Architektura składa się ze stacji bazowych i abonenckich. Stworzono ją z myślą o transmisji punkt-wielopunkt. W związku z tym wybór potencjalnych zastosowań jest duży.

Do najczęściej wskazywanych należą:

1. Zapewnienie połączeń stacji bazowych telefonii komórkowej z siecią operatora. W mieście, gdzie większość masztów jest lokalizowana na dachach budynków, trudno doprowadzić niezbędne łącze często będące wielokrotnością E1. Stosuje się inne rozwiązania, takie jak horyzontowe linie radiowe czy LMDS. Niestety, większość z nich nie będzie w stanie przenieść stale rosnącego ruchu generowanego przez nowe usługi udostępniane użytkownikom. Sytuacja jeszcze bardziej się skomplikuje w momencie uruchamiania UMTS, który ma zaoferować znacznie wyższe przepływności niż GSM/GPRS.

2. Przyspieszenie rozwoju sieci LAN w domach i małych przedsiębiorstwach przez umożliwienie im taniej, szybkiej i skalowalnej łączności z Internetem.

3. Uzupełnienie pokrycia technologią xDSL, której zasięg wynosi jedynie kilka kilometrów, oraz dostępu opartego na telewizji kablowej, który nie zawsze jest możliwy.

4. Pokrycie terenów słabo zaludnionych, także w ramach bezprzewodowej pętli abonenckiej.

5. Umożliwienie stałej łączności bezprzewodowej nawet poza zasięgiem 802.11.

Warstwa fizyczna

Odpowiednią przepływność interfejsu radiowego, pozwalającą na realizację wspomnianych usług, uzyskano dzięki znacznie zróżnicowanej warstwie fizycznej dostosowanej do konkretnych warunków pracy stacji bazowych. Działające w pasmie 10-66 GHz urządzenia, wymagające bezpośredniej widoczności, używają modulacji z pojedynczą nośną (Wireless-MAN-Single Carrier). Stacje abonenckie odbierają w odpowiednich przedziałach czasu sygnał nadawany przez stację bazową wykorzystującą multipleksację w dziedzinie czasu (TDM). W łączu "w górę" przewidziano zwielokrotnienie czasowe TDMA. Dupleks jest realizowany na zasadzie separacji w czasie (TDD), wówczas nie jest możliwe jednoczesne nadawanie i odbiór, lub przez separację częstotliwości (FDD), która pozwala symultanicznie nadawać i odbierać. Trzeci wariant mający na celu ułatwienie konstrukcji urządzeń i obniżenie kosztów to półdupleks FDD, w którym transmisja może się odbywać tylko w jednym kierunku w danej chwili. Tryb pracy jest zależny jedynie od zasobów widmowych, jakimi dysponuje operator. Proponowane szerokości kanałów wynoszą: 3, 6, 10, 20 lub 25 MHz (typowe alokacje w USA) oraz 3, 5, 7, 28 MHz (dla Europy). Do ochrony transmisji użyto kodowania Reeda-Solomona (FEC - Forward Error Correction) o zmiennej długości, a tym samym zmiennych własnościach korekcyjnych i kodowania splotowego. Schematy protekcji są jednoznacznie połączone z zastosowaną modulacją QPSK, 16QAM lub 64QAM i wraz z nią mogą być zmieniane, zapewniając maksymalne wykorzystanie łącza w danych warunkach propagacyjnych.

Zdecydowanie inaczej wyglądają podstawy interfejsu radiowego w niższym pasmie, tj. 2-11 GHz. Rozszerzenie 802.16a uwzględniło nie tylko propagację wielodrogową, lecz również częsty brak bezpośredniej widoczności anten. Opracowano trzy specyfikacje:

• WirelessMAN-SC2 - używający modulacji z jedną nośną.

• WirelessMAN-OFDM - wykorzystujący multipleksację kodami ortogonalnymi, z podziałem kanału na 256 węższych pasm. Zwielokrotnienie następuje w dziedzinie czasu (TDMA). Proponowane zastosowanie tego rozwiązania to zakresy niewymagające licencji.

• WirelessMAN-OFDMA - także korzystająca z kodów OFDM, również w zwielokrotnieniu (użytkownikowi jest przypisywany jeden z 2048 kodów). Zalecana dla pasm licencjonowanych.

W paśmie 10-66 GHz ramka o długość 0,5, 1 lub 2 ms jest podzielona na szczeliny odpowiadające symbolom modulacji 4QAM. Na uwagę zasługuje sekcja kontrolna zawierająca pola DL-MAP i UL-MAP, które pozwalają zasygnalizować zmianę modulacji i FEC. Przy transmisji do stacji bazowej natomiast zawartość pola UL-MAP decyduje o przydziale pasma stacji abonenckiej, a także pozwala określić profil ruchu. Następnie występują odpowiednio chronione pola zawierające dane dla stacji abonenckich. Informacje są nadawane przez stację bazową w kolejności zgodnej z wcześniej wynegocjowanymi parametrami ruchu, co pozwala uzyskać właściwe dla przenoszonych usług opóźnienia i zapobiec utracie synchronizacji, która w trybie FDD jest zapewniona dzięki poprzedzeniu każdego pola należącego do segmentu TDMA preambułą.

Efektywność transmisji podnosi specjalna podwarstwa występująca na styku warstw fizycznej i łącza danych, tzw. Transmission Convergence (TC) sublayer, odpowiedzialna za umieszczanie zawartości (poprzez np. fragmentację) jednostek protokołu MAC (o zmiennej długości) w blokach warstwy fizycznej o stałej długości.

Dostęp do medium

Ze względu na konieczność zrealizowania różnego rodzaju usług konieczne było zapewnienie bezproblemowej współpracy z istniejącymi protokołami warstw wyższych, takimi jak ATM, Ethernet czy IP. Zaprojektowana warstwa musiała przenosić każdy rodzaj ruchu, z odpowiednim opóźnieniem tak ważnym dla aplikacji czasu rzeczywistego, w tym też trudny do oszacowania trafik IP charakteryzujący się gwałtownymi zmianami natężenia. Ponadto protokół dostępu do medium musiał być zorientowany na pracę w architekturze punkt-wielopunkt - lub opcjonalnie siatki (mesh) w pasmie poniżej 11 GHz.

Stworzone rozwiązanie jest kompromisem pomiędzy standardem DOCSIS a proponowanym przez grupę Ensemble Communication (znaną także jako Adaptix) współtworzoną przez Nokię. Budową i własnościami przypomina ATM, choć nie brak w nim nowości, np. usługa o gwarantowanej przepływności ramkowej (GFR - Guaranteed Frame Rate). Przepustowość 802.16 MAC szacuje się na 268 Mb/s (w obie strony).