802.16 - bezprzewodowe miasto

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.

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

802.16 - bezprzewodowe miasto

Potencjalne zastosowania standardu IEEE 802.16 i 802.16a

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

802.16 - bezprzewodowe miasto

Potencjalne zastosowania standardu IEEE 802.16 i 802.16a

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.
802.16 - bezprzewodowe miasto

Struktura ramki łącza w dół

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

802.16 - bezprzewodowe miasto

Sieć o strukturze siatki

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).


TOP 200