Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Γιάννη Γκουλντ Αριθμός Μητρώου: 6229 Θέμα: Μοντελοποίηση του Ασύρματου Καναλιού σε Εσωτερικούς Χώρους Επιβλέπων: Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα,

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ὀτι η διπλωματική εργασία με θέμα: Μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού σε εσωτερικούς χώρους του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Γιάννη Γκουλντ Αριθμός Μητρώου: 6229 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../.../... Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος Καθηγητής Νικόλαος Φακωτάκης Καθηγητής - 1 -

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: Μοντελοποίηση ασύρματου καναλιού σε εσωτερικούς χώρους Φοιτητής: Γιάννης Γκουλντ Επιβλέπων: Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής - 2 -

4 - 3 -

5 Περίληψη Η ολοένα και αυξανόμενη πληθώρα πληροφοριών και η ανάπτυξη των τεχνολογιών που τις καθιστούν προσιτές ανά πάσα στιγμή σε μεγάλο μέρος του πληθυσμού, καθιστά αναγκαία την προασαρμογή των μέσων και των τρόπων μετάδοσης αυτής της πληροφορίας. Αναζητούμε τεχνικές που θα μας επιτρέψουν να στείλουμε μεγάλο αριθμό δεδομένων γρήγορα, με ασφάλεια και σε μεγάλες αποστάσεις. Τις προϋποθέσεις αυτές πληρεί η ασύρματη μετάδοση η οποία, από το 1985 που πρωτοεμφανίστηκε, έχει περάσει από πολλά στάδια προσαρμογής, βελτίωσης και ανάπτυξης για να φτάσει στη μορφή που τη γνωρίζουμε σήμερα. Ένας από τους πιο σημαντικούς αντιπροσώπους της τεχνολογίας αυτής είναι το πρότυπο , που από το 1999 γνωρίζουμε και σαν Wi-Fi. Το Wi-Fi μάς επιτρέπει να έχουμε ασύρματη σύνδεση με το διαδίκτυο σε εξωτερικούς χώρους, γραφεία, οικίες κλπ. παρέχοντάς μας τη δυνατότητα ανταλλαγής πληροφοριών και δεδομένων με ικανοποιητική ταχύτητα και ευχρηστία. Ωστόσο, η αύξηση των χρηστών και η αυξανόμενη απαίτηση για υψηλή ποιότητα υπηρεσιών έφερε στην επιφάνεια την αδυναμία του Wi-Fi να ανταπεξέλθει στους απαιτητικούς ρυθμούς της σύγχρονης επικοινωνίας. Οι κύριες ελλείψεις του σχετίζονται με την ποιότητα των προσφερόμενων υπηρεσιών, την ταχύτητα μετάδοσης, την εμβέλεια και την ασφάλεια του συστήματος. Για να αντιμετωπιστούν τα μειονεκτήματα του Wi-Fi αναπτύχθηκε το πρότυπο , γνωστό και ως WiMax. Η αυξημένη ποιότητα υπηρεσιών που προσφέρει, η μεγάλη εμβέλειά του, η βελτιωμένη ασφάλειά του καθώς και η οικονομική φύση του καθιστούν το WiMax μία από τις πλέον ανταγωνιστικές τεχνολογίες ασύρματης διάδοσης της εποχής μας. Στη διπλωματική αυτή εργασία ερευνάται η χρήση του WiMax σε ένα περιβάλλον εσωτερικού χώρου. Πιο συγκεκριμένα, μελετάμε τη συμπεριφορά και την απόδοση ενός καναλιού συχνότητας ίδιας με εκείνη στην οποία λειτουργεί το WiMax. Η έρευνα γίνεται με βάση κάποια μοντέλα, τα οποία περιγράφουν εμπειρικά ή ημι-εμπειρικά τη συμπεριφορά της ασύρματης διάδοσης σε διάφορους χώρους. Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μία σύντομη εισαγωγή στις ασύρματες επικοινωνίες και μία γενική ανασκόπηση των κατηγοριών και εφαρμογών της. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται το πρότυπο Αναλύεται η δομή, η λειτουργία, η ασφάλεια και οι εφαρμογές του Wi-Fi και παρουσιάζονται οι υποκατηγορίες του προτύπου. Κατ αντιστοιχία, το κεφάλαιο 3 αναφέρεται στο πρότυπο , όπου παρουσιάζονται οι καινοτομίες που εισάγονται, οι νέες τεχνολογίες μετάδοσης, οι εφαρμογές και τα κύρια χαρακτηριστικά του WiMax. Με βάση τα όσα αναφέρονται στα κεφάλαια 2 και 3, στο κεφάλαιο 4 γίνεται η σύγκριση των δύο τεχνολογιών. Προχωρώντας στο πρακτικό μέρος της εργασίας, έχουμε στο κεφάλαιο 5 την παρουσίαση των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων μετάδοσης που επηρεάζουν την ασύρματη μετάδοση και που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη σε οποιαδήποτε μελέτη ασύρματου δικτύου. Το κεφάλαιο κλείνει με την αναφορά και τη μαθηματική περιγραφή των μοντέλων που θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με αυτά που προκύπτουν θεωρητικά. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται γραφικά και υπολογίζονται τα - 4 -

6 σφάλματα των υπολογισμών. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 εξάγονται τα γενικά συμπεράσματα της εργασίας

7 Abstract This is the diploma thesis of student Jon Charles Gould, student at the department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras. The purpose of this thesis is to research the behaviour and efficiency of the indoor wireless channel at a frequency of 3.5 GHz which is the operating frequency of the wireless standard. The thesis begins with a small introduction on wireless communications focusing mainly on its categories and functionality. In chapter 2 the standard , known as Wi-Fi, is presented starting with the structure and main functions and finalizing with the subcategories and safety issues of the standard. Similarly, chapter 3 contains a detailed analysis of the standard, where new technologies in information encoding and signal transmission improve the quality of service, range and safety of wireless communication. Based on chapters 2 and 3, chapter 4 presents the comparison of the two technologies. Chapter 5 contains a thorough presentation of the electromagnetic effects that we need to consider when studying the propagation of the wireless channel. The chapter ends with a reference and mathematical definition of the models that are used in the next part of the thesis: the comparison of the estimated values of received power to those that were actually measured. All measurements took place at the Laboratory of Wireless Communications of the department of Electrical and Computer Engineering at the University of Patras. Finally, chapter 7 summarizes the above presenting the conclusions of the experiment

8 Περιεχόμενα Περίληψη Abstract Εισαγωγή Κατηγορίες Μέθοδοι Μετάδοσης Εφαρμογές Ασύρματης Επικοινωνίας Εκπομπή σήματος Ανίχνευση σφαλμάτων Το Πρότυπο WiFi Εισαγωγή Tι είναι το WiFi Ζώνες Συχνοτήτων Υποπρότυπα του Το μοντέλο ενός δικτύου WiFi Τεχνολογία Φυσικό επίπεδο Λειτουργίες του Φυσικού Στρώματος Το υπόστρωμα MAC του Διαμόρφωση Κινητικότητα κόμβων Ασφάλεια Συμπεράσματα Το Πρότυπο IEEE WiMAX Εισαγωγή Τι είναι το WiMAX Ζώνες Συχνοτήτων Αδειοδοτημένη ζώνη συχνοτήτων Μη αδειοδοτημένη ζώνη συχνοτήτων Κύρια Χαρακτηριστικά του WiMax Διεκπαιρεωτική ικανότητα (Throughput)

9 3.3.2 Επεκτασιμότητα (Scalability) Εμβέλεια (Coverage) Παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών Ασφάλεια (Security) Χαρακτηρισμός Καναλιού Αρχιτεκτονική δικτύου WiMax Φυσικό Επίπεδο OFDM Adaptive Modulation (AM) Διανομή χωρητικότητας Ανερχόμενη-Κατερχόμενη μετάδοση Χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου Επίπεδο Medium Access Control (MAC) Yποεπίπεδο σύγκλισης εξαρτώμενο από την υπηρεσία Υποεπίπεδο Κοινό τμήμα Χαρακτηριστικά του MAC Το Δίκτυο WiMAX Υποπρότυπα του IEEE Η ποιότητα υπηρεσίας (QoS) στο WiMAX Χρήσεις του WiMax, τοπολογίες και ρυθμοί μετάδοσης Χρήσεις Τοπολογίες Ρυθμοί Μετάδοσης Ασφάλεια του WiMax Ανταγωνιστικές τεχνολογίες Συμπεράσματα Σύγκριση του WiMax με το WiFi Εισαγωγή Συσχετισμός των ραδιοφωνικών διεπαφών WiFi / WiMAX Επιλογές FDD / TDD Ευρυζωνικότητα και Ρυθμός Μετάδοσης Forward Error Correction Απόδοση-MAC

10 Συμπεράσματα Μοντελοποίηση Ασύρματου Καναλιού Εισαγωγή Ηλεκτομαγνητικά Φαινόμενα Μετάδοσης Σήματος Λόγος Σήματος προς Θόρυβο (Signal to Noise Ratio SNR) Φαινόμενα Μετάδοσης Σκίαση (Shadowing) και Διάλειψη (Fading) Θόρυβος και Παρεμβολές Θόρυβος Παρεμβολές Κατηγοριοποίηση μοντέλων Μοντέλα διάδοσης ραδιοσήματος κλειστού χώρου Μοντέλα διάδοσης ραδιοσήματος κλειστού χώρου Το μοντέλο ελεύθερου χώρου Το ITU μοντέλο Το Log-distance path loss μοντέλο Το One Slope Model Motley Keenan Multi Wall Floor Συμπεράσματα Πειραματικές Μετρήσεις Εισαγωγή Τοπολογία και Μετρήσεις Επεξεργασία Μετρήσεων Free Space Μοντέλο Log Distance Μοντέλο ITU One Slope μοντέλο Motley Keenan Multi Wall Floor Model Γενικά Συμπεράσματα Καταλληλότερο Μοντέλο

11 7.2 Σφάλματα Απώλειες Βιβλιογραφία Παραρτήματα Παράρτημα 1 - Κώδικας Matlab

12 - 11 -

13 1. Εισαγωγή Ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο (Wireless Local Area Network-WLAN) είναι ένα επικοινωνιακό σύστημα που χρησιμοποιείται ως επέκταση ή εναλλακτική λύση ενός κοινού ενσύρματου δικτύου (Ethernet) και επιτρέπει στον κινητό χρήστη την ασύρματη μετάδοση και λήψη δεδομένων. Η ασύρματη επικοινωνία, σε αντίθεση με την ενσύρματη, δεν χρησιμοποιεί ως μέσο μετάδοσης κάποιον τύπο καλωδίου. Τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, μέσω της διαδικασίας της διαμόρφωσης, με συχνότητα φέροντος η οποία εξαρτάται κάθε φορά από τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων που απαιτείται να υποστηρίζει το δίκτυο. Η ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών επέτρεψε την εξέλιξη πολλών υπηρεσιών οι οποίες θα ήταν δύσκολο έως ακατόρθωτο να υλοποιηθούν με τη χρήση καλωδίων, όπως είναι για παράδειγμα η επικοινωνία ενός δορυφόρου με μία επίγεια κεραία λήψης. Οι αποστάσεις που μπορούν να καλυφθούν μπορεί να είναι κοντινές, όπως για παράδειγμα ο έλεγχος της τηλεόρασης με το τηλεχειριστήριο, ή μακρινές, όπως στο ραδιόφωνο. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (Wireless Local Area Network WLAN) είναι σχεδιασμένα βάση μίας τεχνολογίας, σύμφωνα με την οποία ένα τερματικό (αυτό μπορεί να είναι κάποιος προσωπικός υπολογιστής ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή που χρησιμοποιεί την τεχνολογία WLAN) επικοινωνεί με άλλα τερματικά χωρίς τη χρήση καλωδίων. Τα WLAN παρέχουν όλα τα προνόμια των ενσύρματων τοπικών δικτύων, είναι όμως πολύ πιο ευέλικτα, δεν θέτουν περιορισμούς στην επικοινωνία «βάσει γεωγραφικής θέσης» και είναι αποδεσμευμένα από δυσκίνητο και ακριβό εξοπλισμό. Στην ασύρματη δικτύωση, το μέσο μετάδοσης των δεδομένων είναι οι ραδιοσυχνότητες, οι χαμηλές συχνότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, που εκτείνονται περίπου από τα 3 KHz ως τα 300 GHz. Οι ασύρματες τηλεπικοινωνίες γίνονται συνήθως με ραδιοκύματα ευρείας εκπομπής (από τα 30 MHz ως το 1 GHz), ή μικροκύματα (από τα 2 GHz ως τα 40 GHz). Τα ραδιοκύματα χαμηλότερων συχνοτήτων γενικά εξασθενούν σχετικά γρήγορα, αφού συγκριτικά μεταφέρουν λίγη ενέργεια, αλλά έχουν την ικανότητα να διαπερνούν τα φυσικά εμπόδια. Τα κύματα υψηλότερων συχνοτήτων διαδίδονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις, αλλά ανακλώνται ευκολότερα από φυσικά εμπόδια. Επίσης, όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα ενός κύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η κατευθυντικότητά του (μπορεί δηλαδή να εκπεμφθεί σε μία σχετικά στενή δέσμη αντί προς πάσα κατεύθυνση). Έτσι, μιλώντας γενικά, τα μικροκύματα είναι κατευθυντικά ενώ τα ραδιοκύματα ευρείας εκπομπής όχι. Προκειμένου να επιτευχθεί η διασύνδεση ασυρμάτων τοπικών δικτύων και ο κάθε χρήστης να έχει πρόσβαση τόσο σε ασύρματα όσο και σε ενσύρματα δίκτυα, οι παγκόσμιοι οργανισμοί δημιουργίας προτύπων θέσπισαν πρότυπα λειτουργίας στα οποία βασίζονται τα σημερινά ασύρματα τοπικά και προσωπικά δίκτυα (WLANs και WPANs). Τέτοια είναι το ΙΕΕΕ x, το HIPERLAN I και ΙΙ, το Bluetooth, το HOME RF, κ.α

14 Η ασύρματη μετάδοση εμπεριέχει διάφορους παράγοντες, που δημιουργούν προβλήματα στην επικοινωνία: η κατάσταση της ατμόσφαιρας και η διάθλαση επηρεάζουν το σήμα, η μεγάλη απόσταση εξασθενεί την ισχύ του σήματος κλπ. Όλοι αυτοί οι παράγοντες (απώλειες ελεύθερου χώρου) επιδρούν διαφορετικά σε σήματα διαφορετικών συχνοτήτων. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται στρέβλωση και πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπ' όψιν όταν μεταδίδονται σήματα που εμπεριέχουν διαφορετικές συχνότητες. Ό,τι δεν ανήκει στην προς μετάδοση πληροφορία ονομάζεται θόρυβος και είναι είτε θερμικός (προκαλείται από τις κεραίες, εξαρτάται από τη θερμοκρασία και δεν μπορεί να εξαλειφθεί), είτε από εξωτερικές πηγές (εκπομπές που προκαλούνται ακούσια από διάφορες ηλεκτρικές συσκευές λόγω κατασκευαστικών ατελειών), είτε από παρεμβολές άλλων εκπομπών σε επικαλυπτόμενες συχνότητες. Ο θόρυβος είναι εξίσου σημαντική επιβάρυνση στην επικοινωνία, με τις απώλειες ελεύθερου χώρου. Ένα άλλο φαινόμενο που ενυπάρχει στην ασύρματη μετάδοση και επιβαρύνει την επικοινωνία είναι οι πολλαπλές οδεύσεις, που οφείλονται στην ανάκλαση, διάθλαση και σκέδαση του σήματος κατά τη διάδοση του και έχουν ως αποτέλεσμα ένα σήμα να φτάνει στον αποδέκτη πολλές φορές, ή σε δόσεις, με χρονική διαφορά και διαφορετικά σήματα να φτάνουν την ίδια χρονική στιγμή παρεμβαλλόμενα το ένα στο άλλο. Το φαινόμενο όμως που δημιουργεί τα περισσότερα προβλήματα είναι οι διαλείψεις, η απότομη μεταβολή του πλάτους του σήματος, οι οποίες διαχωρίζονται σε υψίσυχνες και αργές, ενώ αντιμετωπίζονται με κάποιες τεχνικές που εκμεταλλεύονται τις πολλαπλές οδεύσεις. Το πιο βασικό πρόβλημα κατά τη δημιουργία ενός ασύρματου δικτύου, είναι να μπορούν ταυτόχρονα πολλοί χρήστες να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο. Λύση στο πρόβλημα αυτό, δίνουν τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης, όπως είναι η Time Division Multiple Access (TDMA- πολύπλεξη χρόνου), η Frequency Division Multiple Access (FDMA- πολύπλεξη συχνότητας), και Code Division Multiple Access (CDMA-πολύπλεξη με διαίρεση κωδίκων), ή συνδυασμός αυτών (π.χ. FDMA/TDMA). 1.1 Κατηγορίες Ανάλογα με το είδος της εφαρμογής μπορούμε να διακρίνουμε και διαφορετικές κατηγορίες ασύρματης επικοινωνίας. Η διάκριση γίνεται τόσο με βάση τη συχνότητα όσο και με την εμβέλεια που επιτυγχάνεται σε κάθε περίπτωση. Έτσι μπορούμε να κατατάξουμε τα ασύρματα δίκτυα στις παρακάτω κατηγορίες: Wireless Personal Area Network (WPAN): είναι δίκτυα πολύ μικρής εμβέλειας με εφαρμογές όπως το Bluetooth ή το ασύρματο ποντίκι. Wireless Local Area Network (WLAN): τα δίκτυα αυτά έχουν μεγαλύτερη εμβέλεια από τα PAN και επιτρέπουν περισσότερη κινητικότητα στους χρήστες τους. Σε αυτά ανήκει το WiFi. Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN): συνδέουν πολλά LAN μεταξύ τους. Έχουν πολύ μεγάλη εμβέλεια και σε αυτή την κατηγορία εντάσσεται το WiMAX. Κινητές Επικοινωνίες: χρησιμοποιούνται δίκτυα και πρωτόκολλα που επιτρέπουν τη σύνδεση και επικοινωνία κινητών συσκευών με άλλες απομακρυσμένες, κινητές ή σταθερές. Εδώ ανήκει το δίκτυο GSM πάνω στο οποίο βασίζεται η κινητή τηλεφωνία. Έχει εμβέλεια μέχρι 35km και επιτρέπει μεγάλο βαθμό κινητικότητας στους χρήστες

15 Σχ.1 Κατηγορίες Ασύρματης Μετάδοσης 1.2 Μέθοδοι Μετάδοσης Για τη μετάδοση του σήματος υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι: η εκπομπή στενής ζώνης (narrow band) και η διασπορά φάσματος (spread spectrum). Η πρώτη είναι η παραδοσιακή μέθοδος χαμηλού κόστους, χαμηλής ασφάλειας και χαμηλής αξιοπιστίας, κατά την οποία το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου κύματος είναι κατά πολύ μικρότερο από την κεντρική συχνότητα σε Hz. Κάθε τεχνική στενής ζώνης συμπεριλαμβάνει και μία τυποποιημένη διαδικασία διαμόρφωσης με φέρον κύμα (AM, FM για αναλογικά δεδομένα και ASK,FSK,PSK για ψηφιακά δεδομένα). Η δεύτερη μέθοδος είναι πιο πρόσφατη, παρέχει υψηλή αξιοπιστία και ασφάλεια σε υψηλό κόστος και βασίζεται στη διαμόρφωση της πληροφορίας προτού εκπεμφθεί με έναν κώδικα διασποράς ο οποίος έχει ως αποτέλεσμα τη διασπορά του εκπεμπόμενου φάσματος σε μεγάλο εύρος ζώνης. Αυτή η διασπορά οδηγεί και σε πολλαπλασιασμό του δυνατού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο φυσικό επίπεδο, σύμφωνα με το θεώρημα Σάνον. Οι διάφορες μέθοδοι διασποράς φάσματος συμπεριλαμβάνουν και μία τεχνική διαμόρφωσης, η τελευταία όμως έχει επικρατήσει να ονομάζεται διαμόρφωση μόνο σε εκπομπές στενής ζώνης. Συνήθως η διασπορά φάσματος υλοποιείται με μία από τις παρακάτω τρεις μεθόδους: Frequency Hopping (FHSS): Το εύρος ζώνης χωρίζεται σε υποζώνες συχνοτήτων, καθεμία από τις οποίες έχει εύρος ανάλογο μίας εκπομπής στενής ζώνης, και ο κώδικας διασποράς ουσιαστικά καθορίζει σε ποια υποζώνη θα μεταπηδά η επικοινωνία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης θα πρέπει να συντονίζονται διαρκώς σε διαφορετική φέρουσα συχνότητα με τον ίδιο τρόπο (ο οποίος καθορίζεται από τον κώδικα) και στις ίδιες χρονικές στιγμές. Ως αποτέλεσμα κάποιος τρίτος που δε γνωρίζει τον κώδικα δεν μπορεί να υποκλέψει πληροφορία ή να παρεμβληθεί στη μετάδοση παρά ελάχιστα, αφού δε θα γνωρίζει πότε να συντονιστεί σε άλλη συχνότητα και σε ποια

16 Direct Sequence (DSSS): Για κάθε bit που πρόκειται να μεταδοθεί εκπέμπεται στην πραγματικότητα μία άλλη ακολουθία πολλών bit (η οποία εξαρτάται από τον κώδικα διασποράς). Ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό διατηρώντας τον ίδιο πραγματικό ρυθμό μετάδοσης είναι η διεύρυνση του χρησιμοποιούμενου φάσματος και η ταυτόχρονη ολική χρήση του. Το πλεονέκτημα είναι και εδώ η αυξημένη ασφάλεια, αφού ο κώδικας διασποράς κρυπτογραφεί κατά κάποιον τρόπο τα εκπεμπόμενα δεδομένα. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM): Ένας από τους κυριότερους λόγους υιοθέτησης του OFDM ως του μοντέλου διαμόρφωσης για ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα είναι η μεγάλη αντοχή που επιδεικνύει σε περιβάλλοντα εξασθένησης σήματος και παρεμβολών. Σε συστήματα μονής φέρουσας ένας επίδοξος παρεμβολέας μπορεί να προκαλέσει ακόμα και την κατάρρευση μιας σύνδεσης, σε αντίθεση με τα συστήματα πολλών φερουσών, όπου ένα μικρό μόνο ποσοστό των φερουσών θα επηρεαστεί. Μία από τις προτεινόμενες λύσεις για βέλτιστη αντιμετώπιση του προβλήματος είναι η χρήση της Κωδικοποίησης Διόρθωσης Σφάλματος (Error Correction Coding - ECC). 1.3 Εφαρμογές Ασύρματης Επικοινωνίας Τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα παρέχουν εύκολη διασύνδεση ετερογενών, φορητών ψηφιακών συσκευών τοποθετημένων σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Αν και είναι δίκτυα υπολογιστών, δεν σχεδιάζονται για ενσωμάτωση σε μεγαλύτερα δίκτυα καθώς στοχεύουν σε καταναλωτικές φορητές συσκευές περιορισμένων πόρων (κινητά τηλέφωνα, συσκευές αναπαραγωγής πολυμέσων κλπ). Αντιθέτως, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) συνήθως αποτελούν δίκτυα κανονικών υπολογιστών (κατ' ελάχιστον PDA) με δυνατότητα ενσωμάτωσης σε ευρύτερα (ενσύρματα ή ασύρματα) WAN. Συγκριτικά με τα ενσύρματα τοπικά δίκτυα παρέχουν ευελιξία, κινητικότητα και -υπό προϋποθέσεις- χαμηλότερο κόστος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν: Για ασύρματη επέκταση ενός προϋπάρχοντος ενσύρματου δικτύου, με έναν κύριο κόμβο να συνδέεται μέσω Ethernet με το LAN και να επικοινωνεί ασύρματα με άλλους σταθμούς. Για διασύνδεση LAN σε διαφορετικά κτίρια, συνήθως με συνδέσεις από σημείο σε σημείο μεταξύ γεφυρών ή δρομολογητών των επιμέρους LAN. Για παροδική ασύρματη ζεύξη μεταξύ LAN και κινητού τερματικού (νομαδική πρόσβαση). Για δικτύωση ad hoc / αδόμητη - ασύρματα δίκτυα ομότιμων κόμβων και αυθαίρετα μεταβαλλόμενης τοπολογίας τα οποία δεν απαιτούν καμία προϋπάρχουσα υποδομή και δημιουργούνται δυναμικά, με κόμβους να προστίθενται αυτομάτως στο δίκτυο όταν βρίσκονται εντός της εμβέλειάς του. Τα WLAN λειτουργούν με ένα από τα τρία ακόλουθα φυσικά μέσα: υπέρυθρες ακτίνες, μικροκύματα με διασπορά φάσματος, μικροκύματα με στενή ζώνη. Παρόν Ασύρματη Τηλεφωνία 1 ης, 2 ης, 3 ης γενιάς (1G, 2G, 3G)

17 Συστήματα Τηλεειδοποίησης (paging) Δορυφορικές Επικοινωνίες με Γεωστατικούς Δορυφόρους Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα (WLAN) Μελλοντικά Κυψελοειδής Τηλεφωνία Γενιάς 4 ης γενιάς (4G) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks) Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Networks) Άλλες Εφαρμογές Στρατιωτικές Εφαρμογές: Παρακολούθηση πεδίου μάχης, Έλεγχος για τυχόν πυρηνική βιολογική ή χημική επίθεση. Περιβαλλοντικές εφαρμογές: Ανίχνευση υπερχείλισης σε ποτάμια, Ανίχνευση επικίνδυνων χημικών ουσιών, Ανίχνευση φωτιάς Εφαρμογές σε κτίρια: Ασφάλεια, Έλεγχος κλιματισμού, Δίκτυο επιταχυνσιομέτρων μπορεί να καταγράψει τον τρόπο κατάρρευσης κτιρίων 1.4 Εκπομπή σήματος Για τη μετάδοση του σήματος υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι: η εκπομπή στενής ζώνης (narrow band) και η διασπορά φάσματος (spread spectrum). Η πρώτη είναι η παραδοσιακή μέθοδος χαμηλού κόστους, χαμηλής ασφάλειας και χαμηλής αξιοπιστίας, κατά την οποία το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου κύματος είναι κατά πολύ μικρότερο από την κεντρική συχνότητα σε Hz. Κάθε τεχνική στενής ζώνης συμπεριλαμβάνει και μία τυποποιημένη διαδικασία διαμόρφωσης με φέρον κύμα (AM, FM για αναλογικά δεδομένα και ASK,FSK,PSK για ψηφιακά δεδομένα). Η δεύτερη μέθοδος είναι πιο πρόσφατη, παρέχει υψηλή αξιοπιστία και ασφάλεια σε υψηλό κόστος και βασίζεται στη διαμόρφωση της πληροφορίας προτού εκπεμφθεί με έναν κώδικα διασποράς ο οποίος έχει ως αποτέλεσμα τη διασπορά του εκπεμπόμενου φάσματος σε μεγάλο εύρος ζώνης. Αυτή η διασπορά οδηγεί και σε πολλαπλασιασμό του δυνατού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο φυσικό επίπεδο, σύμφωνα με το θεώρημα Σάνον. Οι διάφορες μέθοδοι διασποράς φάσματος συμπεριλαμβάνουν και μία τεχνική διαμόρφωσης, η τελευταία όμως έχει επικρατήσει να ονομάζεται διαμόρφωση μόνο σε εκπομπές στενής ζώνης. Συνήθως η διασπορά φάσματος υλοποιείται με μία από τις παρακάτω τρεις μεθόδους: Frequency Hopping (FHSS): Το εύρος ζώνης χωρίζεται σε υποζώνες συχνοτήτων, καθεμία από τις οποίες έχει εύρος ανάλογο μίας εκπομπής στενής ζώνης, και ο κώδικας διασποράς ουσιαστικά καθορίζει σε ποια υποζώνη θα μεταπηδά η επικοινωνία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης θα πρέπει να συντονίζονται διαρκώς σε διαφορετική φέρουσα συχνότητα με τον ίδιο τρόπο (ο οποίος καθορίζεται από τον κώδικα) και στις ίδιες χρονικές στιγμές. Ως αποτέλεσμα κάποιος τρίτος που δε γνωρίζει τον κώδικα δεν μπορεί να υποκλέψει πληροφορία ή να παρεμβληθεί στη μετάδοση παρά ελάχιστα, αφού δε θα γνωρίζει πότε να συντονιστεί σε άλλη συχνότητα και σε ποια

18 Direct Sequence (DSSS): Για κάθε bit που πρόκειται να μεταδοθεί εκπέμπεται στην πραγματικότητα μία άλλη ακολουθία πολλών bit (η οποία εξαρτάται από τον κώδικα διασποράς). Ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό διατηρώντας τον ίδιο πραγματικό ρυθμό μετάδοσης είναι η διεύρυνση του χρησιμοποιούμενου φάσματος και η ταυτόχρονη ολική χρήση του. Το πλεονέκτημα είναι και εδώ η αυξημένη ασφάλεια, αφού ο κώδικας διασποράς κρυπτογραφεί κατά κάποιον τρόπο τα εκπεμπόμενα δεδομένα. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) 1.5 Ανίχνευση σφαλμάτων Κατά τη μετάδοση δεδομένων εφαρμόζονται αλγόριθμοι ανίχνευσης σφαλμάτων στα ληφθέντα πλαίσια. Ανάλογα με το πρωτόκολλο επικοινωνίας, μόλις ο παραλήπτης αναγνωρίσει πως το πλαίσιο που έλαβε είναι εσφαλμένο είτε ζητά να του αποσταλεί ξανά (σύνηθες σε αξιόπιστες ενσύρματες γραμμές) είτε επιχειρεί να το επιδιορθώσει (σύνηθες σε ασύρματα δίκτυα). Στην τελευταία περίπτωση η διόρθωση είναι εφικτή με αλγορίθμους ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων (FEC). Και οι δύο μηχανισμοί υλοποιούνται με αθροίσματα ελέγχου που τοποθετεί ο αποστολέας στο τέλος του πλαισίου δεδομένων, ακολουθίες bit οι οποίες υπολογίζονται με ειδικό τρόπο και εξαρτώνται από τα εκπεμπόμενα δεδομένα. Αυτό που μεταδίδεται είναι η κωδικολέξη, το σύνολο των δεδομένων και του αθροίσματος ελέγχου, και όχι μόνο τα αρχικά δεδομένα. Οι αλγόριθμοι ανίχνευσης (άρτια ή περιττή ισοτιμία, CRC κλπ) στον παραλήπτη εξάγουν το άθροισμα ελέγχου από τη ληφθείσα κωδικολέξη και ελέγχουν αν ισούται με αυτό που θα έπρεπε να είναι -μία τιμή υπολογιζόμενη επί τόπου από τα ληφθέντα δεδομένα με τον ίδιο τρόπο που το υπολόγισε ο αποστολέας. Αν εντοπιστεί διαφορά σημαίνει πως υπήρξε κάποιο σφάλμα κατά τη μετάδοση. Οι αλγόριθμοι FEC επιπλέον διατηρούν μία λίστα έγκυρων κωδικολέξεων και σε περίπτωση που μία ληφθείσα κωδικολέξη είναι άκυρη αντικαθίσταται από την πιο κοντινή της κατά Hamming (δηλαδή bit προς bit) στην εν λόγω λίστα. Υπάρχουν πρωτόκολλα που υλοποιούν τόσο FEC όσο και αλγορίθμους ανίχνευσης σφαλμάτων (συνήθως CRC), ώστε αν ο FEC αποτύχει να επιδιορθώσει ένα πλαίσιο να ζητηθεί επανεκπομπή του. Μία άλλη σημαντική μέθοδος αντιμετώπισης σφαλμάτων στις ασύρματες επικοινωνίες, για τον χειρισμό των ξαφνικών ριπών θορύβου, είναι το Block Interleaving: αντί να εκπέμπονται μεμονωμένα πλαίσια με ενσωματωμένα αθροίσματα ελέγχου, πολλά διαφορετικά πλαίσια αναμειγνύονται με κάποιον προκαθορισμένο τρόπο σε επίπεδο bit και ο παραλήπτης τα αποπλέκει καταλήγοντας στα αρχικά πλαίσια. Έτσι, μία ριπή θορύβου διαμοιράζεται σε πολλά πλαίσια καταστρέφοντας μικρό μέρος του καθενός αντί να καταστρέψει ολοσχερώς ένα πλαίσιο. Η κατάσταση αυτή αντιμετωπίζεται με FEC

19 2. Το Πρότυπο WiFi Εισαγωγή Την ανάλυση των ασύρματων δικτύων μπορούμε να ξεκινήσουμε με ένα από τα πιο διαδεδομένα και γνωστά πρότυπα, το γνωστό εμπορικά με την ονομασία Wi-Fi. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα κυριότερα χαρακτηριστικά της δομής και λειτουργίας του προτύπου Αναλύονται η τεχνολογία μετάδοσης, οι ζώνες συχνοτήτων, τα υποπρότυπα του μοντέλου με τις διαφορές τους, οι προδιαγραφές ασφαλείας καθώς και οι εφαρμογές του προτύπου. 2.1 Tι είναι το WiFi Το IEEE είναι μια οικογένεια προτύπων της IEEE για ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) που είχαν ως σκοπό να επεκτείνουν το (Ethernet, το συνηθέστερο πρωτόκολλο ενσύρματης δικτύωσης υπολογιστών) στην ασύρματη περιοχή. Τα πρότυπα είναι ευρύτερα γνωστά ως «WiFi» επειδή η WiFi Alliance, ένας οργανισμός ανεξάρτητος της IEEE, παρέχει την πιστοποίηση για τα προϊόντα που υπακούν στις προδιαγραφές του Αυτή η οικογένεια πρωτοκόλλων αποτελεί το καθιερωμένο πρότυπο της βιομηχανίας στο χώρο των ασύρματων τοπικών δικτύων. Σχ. 2.1 Το σήμα των WiFi συστημάτων Το πρότυπο ΙΕΕΕ είναι το βασικότερο και πιο αναγνωρισμένο πρότυπο για WLAN, στις βασικές λειτουργίες του οποίου στηρίζονται τα πρωτόκολλα της ΙΕΕΕ (802.11a και b) για ασύρματα τοπικά δίκτυα. Ο όρος WiFi (Wireless Fidelity), χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τις συσκευές που βασίζονται στην προδιαγραφή IEEE b/g/n και εκπέμπουν σε συχνότητες 2.4GHz. Ωστόσο, το WiFi έχει επικρατήσει και ως όρος αναφερόμενος συνολικά στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Συνήθεις εφαρμογές του είναι η παροχή ασύρματων δυνατοτήτων πρόσβασης στο Internet, τηλεφωνίας μέσω διαδικτύου (VoIP) και διασύνδεσης μεταξύ ηλεκτρονικών συσκευών όπως τηλεοράσεις, ψηφιακές κάμερες, DVD Player και ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές το βρίσκει εφαρμογές ασύρματης μετάδοσης, όπως π.χ. στη μεταφορά φωτογραφιών από ψηφιακές κάμερες σε υπολογιστές για περαιτέρω επεξεργασία και εκτύπωση, αν και σε αυτόν τον τομέα έχει υποσκελιστεί από το πρωτόκολλο Bluetooth για τα πολύ μικρότερης εμβέλειας ασύρματα προσωπικά δίκτυα. Όπως και στα πρότυπα και 802.5, κύρια υπηρεσία του είναι η μεταφορά των ΜSDU (MAC Service Data Unit) μεταξύ των ομότιμων

20 στρωμάτων ζεύξης δεδομένων. Οι λειτουργίες και οι υπηρεσίες που καθορίζονται από το αφορούν τα επίπεδα MAC και PHY. 2.2 Ζώνες Συχνοτήτων Η πρώτη έκδοση του WiFi εισήχθη το 1997 και στο φυσικό επίπεδο περιελάμβανε δύο μεθόδους διασποράς φάσματος για τη μετάδοση στη ζώνη συχνοτήτων 2.4GHz, η εκπομπή στην οποία δεν απαιτεί άδεια. Η πρώτη μέθοδος λειτουργούσε με Frequency Hopping (FHSS) και υποστήριζε ρυθμό μετάδοσης 1 Mbps, ενώ η δεύτερη λειτουργούσε με Direct Sequence (DSSS) και υποστήριζε ρυθμό μετάδοσης 1-2 Mbps. Περιλαμβανόταν επίσης και μία υπέρυθρη εκδοχή (IR). Πριν από την εμφάνιση του δεν υπήρχε κάποιο ευρέως αποδεκτό πρότυπο για ασύρματα τοπικά δίκτυα υπολογιστών, ούτε ανάλογες εμπορικές εφαρμογές, καθώς η τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης δεν ήταν ακόμα αρκετά ώριμη. Το 1999 το b ώθησε την ταχύτητα στα 11 Mbps χρησιμοποιώντας DSSS. Οι ρυθμοί λειτουργίας 1-2 Mbps με DSSS ισχύουν ακόμα, έτσι ώστε οι συσκευές να μπορούν να πέσουν σε χαμηλότερες ταχύτητες για να διατηρήσουν μια σύνδεση όταν τα σήματα είναι αδύνατα. Με την έκδοση αυτή ο όρος WiFi άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως και οι ασύρματες κάρτες δικτύου να εξαπλώνονται ταχέως. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο μετάδοσης Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), δύο πρότυπα υψηλής ταχύτητας ακολούθησαν το b τα οποία παρέχουν μέχρι 54 Mbps: το a εκπέμπει στη ζώνη συχνοτήτων των 5GHz αλλά δεν είναι συμβατό με τις ασύρματες κάρτες δικτύου οι οποίες υποστηρίζουν b, ενώ το g εκπέμπει στη ζώνη συχνοτήτων των 2.4GHz και είναι συμβατό με το b. Η επικοινωνία μεταξύ συσκευών εξοπλισμένων με κάρτες b και g γίνεται στην υψηλότερη δυνατή κοινή ταχύτητα, αυτήν του b. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων στο εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ των κόμβων. Όσο πιο μακριά βρίσκεται η ασύρματη συσκευή από το σημείο πρόσβασης, τόσο χαμηλότερη είναι η ταχύτητα. Επίσης, λόγω της χρήσης του CSMA/CA αντί του CSMA/CD, η πραγματική διαμεταγωγή δεν υπερβαίνει το ήμισυ της ονομαστικής ταχύτητας. Επιπλέον τα σημεία πρόσβασης που υποστηρίζουν ένα μεικτό δίκτυο b και g ρίχνουν τη διαμεταγωγή σε 18 Mbps, αρχικά, για να καταλήξουν σε περίπου 6 έως 9 Mbps όταν εκπέμπουν οι πελάτες Υποπρότυπα του a: προορίζεται για το φυσικό στρώμα του ασύρματου δικτύου και λειτουργεί στα 5 GHz. Η λειτουργία του στη ζώνη αυτή οδηγεί σε λιγότερες παρεμβολές και μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, που ανέρχονται στα 54 Mbps. Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιεί διαμόρφωση ορθογώνιας διαίρεση συχνότητας (OFDM) b: Στο πρωτόκολλο αυτό αυξάνεται ο ρυθμός μετάδοσης στα 5,5 Mbps και 10 Mbps, με αλλαγή στον τρόπο διαμόρφωσης του σήματος. Συνεπώς, για την επίτευξη αυτών των ρυθμών χρησιμοποιήθηκε διαμόρφωση CCK, ενώ για τους ρυθμούς 1 και 2 Mbps χρησιμοποιήθηκε διαμόρφωση DBPSK (Differential Binary) και DQPSK (Differential Quadratic), έτσι ώστε να διατηρηθεί η συμβατότητα με το c:Χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή των σημείων πρόσβασης, για να εξασφαλίζεται η συμβατότητα του δικτύου με συσκευές άλλων κατασκευαστών

21 802.11d: Στόχος του είναι να καθορισμός των νομικών πλαισίων που ισχύουν σε διάφορες χώρες για τη χρήση ραδιοσυχνοτήτων. Με αυτό τον τρόπο θα μπορούσαν να κατασκευαστούν προϊόντα που θα λειτουργούν σε διάφορες γεωγραφικές περιοχές e: Το e έρχεται να καλύψει το μειονέκτημα του απλού στην παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών και να βελτιώσει το QoS του πρωτοκόλλου για παροχή υπηρεσιών όπως φωνή, ήχο ή βίντεο f: Καθορίζει την επικοινωνία μεταξύ των σημείων πρόσβασης. Έτσι επιτρέπεται η υποστήριξη της περιαγωγής των χρηστών από ένα σημείο πρόσβασης σε ένα άλλο, ακόμα και όταν τα αυτά είναι από διαφορετικούς κατασκευαστές, προσφέροντας ευελιξία όταν χρησιμοποιούνται διάφορα συστήματα κατανομής. Το f, παρέχει τις απαραίτητες πληροφορίες στα σημεία πρόσβασης, έτσι ώστε να γίνει μία περιαγωγή με επιτυχία και να εξασφαλιστεί η ομαλή λειτουργία του συστήματος g: Το g προκύπτει από την ένωση των υποπροτύπων a και b. Επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης της τάξης των 54 Mbps, χωρίς την απώλεια της συμβατότητας. Χρησιμοποιεί διαμόρφωση OFDM, καθώς και τη διαμόρφωση CCK ενώ λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων ISM h: Η προδιαγραφή αυτή είναι συμπληρωματική του υποεπιπέδου MAC και συμμορφώνεται με τους κανονισμούς στις ευρωπαϊκές χώρες για τη χρήση της ζώνης συχνοτήτων στα 5 GHz. Σύμφωνα με τους ευρωπαϊκούς κανονισμούς, οι συσκευές που λειτουργούν σε αυτή τη ζώνη συχνοτήτων θα πρέπει να παρέχουν τη δυνατότητα ελέγχου της εκπεμπόμενης ισχύος, καθώς επίσης και δυναμικής επιλογής συχνότητας n: Με χρήση πολλαπλών κεραιών (μέθοδος γνωστή ως MIMO, εκ του Multiple Inputs Multiple Outputs) αναμένεται να παρέχει ονομαστικό ρυθμό μετάδοσης τουλάχιστον 108 Mbps. Σε αντίθεση με τα e και f πρόκειται να τυποποιηθεί σύντομα και να κυκλοφορήσουν εμπορικά προϊόντα βασισμένα σε αυτό. Μάλιστα κάρτες ασύρματης δικτύωσης συμβατές με το n έχουν ήδη βγει στην αγορά από ορισμένους προμηθευτές, χωρίς να έχει οριστικοποιηθεί ακόμα το επίσημο πρότυπο (αναμένεται στα τέλη του 2009) i: Παρέχει αυξημένη ασφάλεια συγκριτικά με το απλό χρησιμοποιώντας μία νέα προδιαγραφή «ενισχυμένης ασφάλειας» που αναπτύχθηκε που καθορίζει πρωτόκολλα για τα κλειδιά κρυπτογράφησης όπως τα ΤΚΙΡ (Temporal Key Integrity Protocol) και AES (Advanced Encryption Standard) Ο παρακάτω πίνακας περιέχει μία σύντομη ανασκόπηση των υποπροτύπων του :

22 Πίνακας 1.1 Ραδιοφωνικές Διεπαφές του προτύπου IEEE Πρότυπο Μέγιστος Ρυθμός Μετάδοσης Ρυθμός Επαναφοράς Παρεχόμενα Κανάλια Συχνότητα Λειτουργίας Τεχνική Μετάδοσης Mbps 1 Mbps GHz FHSS ή DSSS b 11 Mbps 5.5 Mbps 2 Mbps 1 Mbps GHz DSSS a 54 Mbps 48 Mbps 36 Mbps 24 Mbps 18 Mbps 12 Mbps 9 Mbps 6 Mbps 12 5 GHz OFDM g 54 Mbps 48 Mbps 36 Mbps 24 Mbps 18 Mbps 12 Mbps 9 Mbps 6 Mbps GHz OFDM 2.3 Το μοντέλο ενός δικτύου WiFi Το υποστηρίζει δύο τρόπους λειτουργίας: ομότιμα, όπου δεν υπάρχει κάποιος κεντρικός σταθμός βάσης-σημείο πρόσβασης, οι κόμβοι είναι ισότιμοι και η πρόσβαση στο κοινό μέσο (τον κενό χώρο) ρυθμίζεται από κάποιο κατανεμημένο πρωτόκολλο όπως το

23 CSMA (έτσι λειτουργούν τα ad hoc WLAN), και με σημείο πρόσβασης, έναν κεντρικό κόμβο του τοπικού δικτύου δηλαδή -συνήθως συνδεδεμένο σε ενσύρματο δίκτυο κορμού (π.χ. στο Internet ή σε κάποιο μεγάλο Ethernet LAN)- ο οποίος αναλαμβάνει τον έλεγχο πρόσβασης στο κοινό μέσο και δρα ως αμφίδρομος επαναλήπτης. Τα WLAN με σημείο πρόσβασης ονομάζονται δίκτυα υποδομής και το βασικό δομικό στοιχείο της αρχιτεκτονικής τους είναι η κυψέλη. Το σύνηθες μοντέλο που περιγράφει τέτοια δίκτυα είναι το εξής: υπάρχει ένα ενσύρματο δίκτυο κορμού (σύστημα κατανομής, distribution system - DS) στο οποίο συνδέονται τα σημεία πρόσβασης (access point - AP) χρησιμοποιώντας, για παράδειγμα, ένα ενσύρματο Ethernet ή ένα άλλο ασύρματο κανάλι. Μία ομάδα κοινών κόμβων που επικοινωνούν ασύρματα με ένα συγκεκριμένο AP σε συγκεκριμένη συχνότητα ονομάζεται Βασικό Σύνολο Υπηρεσιών (basic service set, BSS). Τα BSS διασυνδέονται μεταξύ τους μέσω του DS. Σχ. 2.2 Αρχιτεκτονική LAN Στην περίπτωση πιο σύνθετων δικτύων, όπου ένας BSS δεν αρκεί για τη δικτύωση όλων των χρηστών εισάγεται το δίκτυο ESS (Extended Service Set), το οποίο αναλαμβάνει τη διασύνδεση πολλών BSS μεταξύ τους. Στο Σχήμα 2.3 αναπαρίσταται η διασύνδεση με ESS

24 Σχήμα 2.3: Δικτύωση με ESS και σύνδεση των BSS με το DS μέσω AP Η διακίνηση των δεδομένων μεταξύ των BSS και του DS γίνεται μόνο μέσω των σημείων πρόσβασης. Το DS είναι ρυθμισμένο ώστε να υποστηρίζει τους τύπους κίνησης του παρέχοντας υπηρεσίες ικανές να ελέγχουν την αντιστοίχηση της διεύθυνσης στον προορισμό για κάθε σταθμό που μετακινείται. Η δικτύωση κατά αυτό τον τρόπο αναγνωρίζει τρεις τύπους μετακίνησης: Μηδενκή μετακίνηση: δεν μετακινούνται σταθμοί ή οι σταθμοί που μετακινούνται είναι μέσα σε ένα τοπικό BSS BSS μετακίνηση, κίνηση μεταξύ γειτονικών BSS του ίδιου ESS ESS μετακίνηση, κίνηση μεταξύ γειτονικών BSS διαφορετικών ESS 2.4 Τεχνολογία Όλα τα πρωτόκολλα x έχουν κοινό υποεπίπεδο MAC βασισμένο στη μέθοδο CSMA/CA αλλά διαφέρουν στο φυσικό μέσο. Ο έλεγχος ροής, ο έλεγχος σφαλμάτων και η διασύνδεση προς το επίπεδο δικτύου, γίνεται όπως και στο πρωτόκολλο Ethernet και τα περισσότερα ενσύρματα τοπικά δίκτυα. Έτσι δεν είναι απαραίτητες οι μετρατροπές κατά τη συνδεσιμότητα ενός WLAN με το Internet ή άλλα δίκτυα που χρησιμοποιούν το IP ως πρωτόκολλο δικτύου Φυσικό επίπεδο Το φυσικό στρώμα του b αποτελείται από τρία υποστρώματα που προσφέρουν στο MAC επίπεδο τις λειτουργίες ανίχνευσης φέροντος, μετάδοσης και λήψης. Αυτά είναι τα εξής: Physical Layer Management (PLM): Εκτελεί λειτουργίες διαχείρισης για το φυσικό στρώμα σε συνεργασία με το υπόστρωμα διαχείρισης MAC Physical Layer Convergence Procedure (PLCP): Το PLCP παρέχει τις πληροφορίες που χρειάζονται οι πομποί και οι δέκτες του φυσικού στρώματος με τη χρήση ενός ειδικού πλαισίου που ονομάζεται PPDU (PLCP Protocol Data Unit)

25 Physical Medium Dependent (PMD): Το PLCP καθοδηγεί το PMD στη σωστή μετάδοση και λήψη των οντοτήτων PPDU του φυσικού στρώματος μέσω του ασύρματου μέσου. Για την παροχή αυτής της υπηρεσίας γίνεται άμεση σύνδεση του PMD με το ασύρματο μέσο ενώ παράλληλα γίνεται και η διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση των πλαισίων που μεταδίδονται. Τα PLCP και PMD επικοινωνούν συνεχώς μεταξύ τους για τον έλεγχο των λειτουργιών μετάδοσης και λήψης όπως φαινεται στο σχήμα 2.4. Τέλος, ακολουθεί η κωδικοποίηση των δεδομένων με τη μέθοδο DSSS και η διαμόρφωση του φέροντος με το υπό εκπομπή σήμα. Η συσχέτιση των παραπάνω στοιχείων φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχ. 2.4 PHY και MAC υποεπίπεδα στο b Λειτουργίες του Φυσικού Στρώματος Κάθε μία από τις οντότητες που αναφέρθηκαν παραπάνω εκτελεί μία από τις παρακάτω λειτουργίες. Ανίχνευση φέροντος: Αρχικά γίνετα ο καθορισμός ενός ελεύθερου καναλιού το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση των δεδομένων. Αυτό γίνεται με μέτρηση της ενέργειας στο μέσο και σύγκριση με το κατώφλι ανίχνευσης ενέργειας. Στη συνέχεια, το PLCP λαμβάνει σήμα από το PMD και επιχειρεί το συγχρονισμό του δέκτη στον ρυθμό μετάδοσης του σήματος. Μετάδοση: Σ αυτή τη λειτουργία, το υποεπίπεδο MAC ενημερώνει το PLCP για την επικείμενη μετάδοση καθώς και για τον αναμενόμενο ρυθμό μετάδοσης και τον αριθμό των μεταδιδόμενων bytes. Το PMD ενεργοποιεί την κατάσταση μετάδοσης μέσω του PLCP, το οποίο με τη σειρά του ενημερώνει την κεραία. Στη συνέχεια, γίνεται η αποστολή των δεδομένων. Αφού αυτή ολοκληρωθεί, θα πρέπει το PLCP να ενημερώσει το υποεπίπεδο

26 MAC έτσι ώστε αυτό με τη σειρά του να δώσει σήμα στο κύκλωμα του PMD για να κλείσει ο πομπός και να αλλάξει το κύκλωμα του σε κατάσταση λήψης,. Λήψη: Η διαδικασία λήψης είναι αντίστοιχη αυτής της μετάδοσης, με επιπλεόν λειτουργίες των έλεγχο των δεδομένων για σφάλματα και την αποκωδικοποίησή τους Το υπόστρωμα MAC του Το επίπεδο MAC προσφέρει λειτουργίες ελέγχου πρόσβασης, όπως είναι η διευθυνσιοδότηση, ο έλεγχος της σωστής σειράς πλαισίων, στο μοιραζόμενο φυσικό κανάλι, όπως αυτές καθορίζονται από το standard Σε ένα ασύρματο δίκτυο που χρησιμοποιεί το , κάθε σταθμός και κάθε access point υλοποιεί τις υπηρεσίες του υποστρώματος MAC ενώ, οι ομότιμες LLC οντότητες ανταλλάσσουν MSDUs (MAC Service Data Units) μεταξύ των MAC SAPs (Service Access Points). Οι τέσσερις κύριες λειτουργίες του υποστρώματος MAC είναι: Πρόσβαση στο μέσον Προσχώρηση στο δίκτυο Ασφάλεια Πιστοποίηση Διαμόρφωση Τα WiFi συστήματα χρησιμοποιούν δύο πρωταρχικές τεχνικές διαμόρφωσης συχνότητας: b ( 11 Mbps): η ραδιοφωνική ζεύξη του b χρησιμοποιεί μία φασματική εξάπλωση άμεσης ακολουθίας στοιχείων που ονομάζεται CCK (Complementary Code Keying). Η ακολουθία των bit επεξεργάζεται και κωδικοποιείται κατάλληλα και στη συνέχεια διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας QPSK a και g ( 54 Mbps ): χρησιμοποιείται OFDM 64 καναλιών. Σε ένα σύστημα OFDM το διαθέσιμο κανάλι διαιρείται σε ένα σύνολο από μικρότερα κανάλια και αποστέλονται κάποια bit στο κάθε ένα. Η κωδικοποίηση των bit γίνεται με BPSK, QPSK ή με QAM (16 ή 64). 2.5 Κινητικότητα κόμβων Στην δομημένη λειτουργία των πρωτοκόλλων υπάρχει μέριμνα για υποστήριξη κινητικότητας κόμβων μεταξύ διαφορετικών BSS διασυνδεδεμένων με DS. Η μετακίνηση τέτοιου είδους ονομάζεται μεταγωγή. Τρία είδη λειτουργιών κινητικότητας υποστηρίζονται για τους σταθμούς: συσχέτιση, επανασυσχέτιση, αποσυσχέτιση. Η συσχέτιση γίνεται από έναν κόμβο είτε παθητικά (αναμονή για πλαίσιο PCF Beacon από κάποιο AP) είτε ενεργητικά (αποστολή πλαισίου Probe προς AP) και αφορά την ένταξη του σε ένα BSS με διαπραγμάτευση και αρχικοποίηση παραμέτρων. Η επανασυσχέτιση επιτρέπει τη μετάβαση σταθμού από ένα BSS σε ένα άλλο, με το DS να φροντίζει να ενημερωθούν κατάλληλα τα ενδιαφερόμενα AP. Κατά τη διάρκεια της μεταγωγής δεν παραδίδονται πλαίσια οπότε τα ανώτερα επίπεδα θα πρέπει να μεριμνήσουν για την ορθή παράδοση τους. Τέλος η αποσυσχέτιση μπορεί να εκκινήσει είτε από το τερματικό είτε από το AP και αφορά τον τερματισμό της σύζευξης. Εκτός της κινητικότητας των χρηστών, μία

27 άλλη πιθανή αιτία επανασυσχέτισης είναι η χαμηλή ποιότητα σήματος -η οποία συνεπάγεται χαμηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων- σε ένα BSS, οπότε ο σταθμός ανιχνεύει το κανάλι για να βρει ένα άλλο AP με το οποίο θα επιτυγχάνει υψηλότερη ποιότητα επικοινωνίας. 2.6 Ασφάλεια Άλλο ζήτημα είναι η ασφάλεια των δεδομένων. Τα πρωτόκολλα περιλαμβάνουν έναν προαιρετικό μηχανισμό πιστοποίησης κόμβων (μόνο για δομημένα δίκτυα) και κρυπτογράφησης δεδομένων, ονόματι WEP, ο οποίος λειτουργεί ως εξής: μετά τη συσχέτιση ενός σταθμού σε ένα BSS ο κόμβος στέλνει στο AP ένα αίτημα πιστοποίησης ταυτότητας. Το AP απαντά στέλνοντας του ένα τυχαίο κείμενο το οποίο ο κόμβος κρυπτογραφεί, χρησιμοποιώντας ένα κλειδί που έχει ρυθμιστεί από τους χρήστες του τοπικού δικτύου και είναι κοινό σε όλους τους κόμβους, και στέλνει πίσω στο σημείο πρόσβασης. Το AP επιβεβαιώνει ότι το κείμενο που έλαβε είναι η ορθά κρυπτογραφημένη, σύμφωνα με το σωστό κλειδί, εκδοχή αυτού που έστειλε και απαντά με μια επιβεβαίωση πιστοποίησης η οποία αναθέτει μία ταυτότητα στον κόμβο (η οποία γίνεται γνωστή και στους άλλους κόμβους). Από εκείνη τη στιγμή κι έπειτα ο σταθμός μπορεί να ανταλλάσει δεδομένα στο WLAN με την ταυτότητα αυτή. Όταν ο κόμβος επιθυμεί να αποχωρήσει από το δίκτυο στέλνει ένα αίτημα αποπιστοποίησης πριν την αποσυσχέτιση. Για την αποφυγή υποκλοπών τα δεδομένα που διακινούνται στο δίκτυο κρυπτογραφούνται με ένα κρυφό κλειδί 40-bit (το ίδιο με αυτό της πιστοποίησης), το οποίο συνδυάζεται με μια γεννήτρια bit και το αποτέλεσμα συνδυάζεται με τα δεδομένα μέσω λογικού XOR για να επιτευχθεί η κρυπτογράφηση. Στον παραλήπτη ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία. Συμπεράσματα Από τα όσα αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο αυτό διαπιστώνουμε τα πλεονεκτήματα που προσφέρει το Wi-Fi στην καθημερινότητα του ανθρώπου, όπως κινητικότητα, ευελιξία και άνεση χρήσης με μειωμένο κόστος, ικανοποιητική ποιότητα, ασφάλεια και ταχύτητα. Ωστόσο, εμφανίζονται και βασικά μειονεκτήματα που επικεντρώνονται κυρίως στο μικρό αριθμό χρηστών που εξυπηρετούνται, κάτι που οφείλεται κυρίως στη μικρή εμβέλεια κάλυψης, αλλά και η εξασθένηση της ταχύτητας εξυπηρέτησης ιδιαίτερα όταν αυξάνεται ο αριθμός των χρηστών. Η σύντομη ανασκόπηση των υποπροτύπων δείχνει τις διάφορες βελτιώσεις που έρχονται να δώσουν λύση στα παραπάνω προβλήματα κυρίως με αλλαγή στους ρυθμούς μετάδοσης και την κωδικοποίηση των δεδομένων

28 3. Το Πρότυπο IEEE WiMAX Εισαγωγή Οι τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης τα τελευταία χρόνια έχουν γνωρίσει σημαντική εξέλιξη, καθώς από τα πλεονεκτήματά τους επωφελούνται τόσο οι πάροχοι υπηρεσιών μετάδοσης δεδομένων, όσο και οι ιδιώτες ή οι απλοί χρήστες. Η ευκολία εγκατάστασης ενός ασύρματου δικτύου, οδήγησε στην ανάπτυξη σήμερα εκατομμυρίων δικτύων WiFi σε ολόκληρο τον πλανήτη. Παρόλα αυτά, το WiFi αντιμετωπίζει μειονεκτήματα που έρχεται να λύσει μια νέα τεχνολογία, η οποία ακούει στο όνομα WiMAX και αποτελεί μια νέα τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης. 3.1 Τι είναι το WiMAX Το πρότυπο IEEE είναι γνωστό και ως WiMAX που σημαίνει Worldwide Interoperability for Microwave Access. Το WiMAX δεν είναι ένα πρότυπο αλλά ένα εμπορικό όνομα που αναφέρεται σε κάθε σύστημα και εφαρμογή που χρησιμοποιεί το πρότυπο Παρουσιάζονται η τεχνολογία, η δομή και το εύρος των εφαρμογών μίας νέας τεχνολογίας ασύρματης δικτύωσης που απλώνεται όλο και περισσότερο στην αγορά. Σχ. 3.1 Το σἠμα των WiMAX συστημάτων Το πρότυπο υιοθετήθηκε από την ΙΕΕΕ το2003, ώστε να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις για ασύρματη πρόσβαση (με σταθερούς ρυθμούς) ευρείας ζώνης. Όπως συμβαίνει με τα πρότυπα της σειράς 802 για ασύρματα τοπικά δίκτυα, έτσι και το καθορίζει μια οικογένεια προτύπων με επιλογές για συγκεκριμένες ρυθμίσεις. Τα συστήματα WiMax και Mobile WiMax που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα βασίζονται στα πρωτόκολλα ΙΕΕΕ d-2004 και IEEE e-2005 αντίστοιχα. Το δεύτερο αποτελεί μια τροποποίηση του πρώτου για κάλυψη κινητών χρηστών. Το WiMAX είναι μια νέα τεχνολογία, ένα βήμα μπροστά από το Wi-Fi, που παρέχει ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση υψηλών ταχυτήτων σε μεγάλες αποστάσεις. Η λειτουργία του ακολουθεί το πρότυπο IEEE e-2005 και έχει απόδοση παρόμοια με το πρωτόκολλο /WiFi, με την κάλυψη και την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών (QoS) που έχουν τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας και παρέχει πλήρη κάλυψη Internet, κινητή και σταθερή. Επίσης, ενώ

29 το WiFi εξασφαλίζει εμβέλεια επικοινωνίας μέχρι κάποιες εκατοντάδες μέτρα σε ανοιχτό χώρο, το WiMAX μπορεί να παρέχει κάλυψη που φθάνει έως και τα 10 χιλιόμετρα ή και παραπάνω ενώ μπορεί να επιτύχει ρυθμό μετάδοσης μέχρι και 70Mbps. 3.2 Ζώνες Συχνοτήτων Κατά το σχεδιασμό ενός ασύρματου δικτύου που χρησιμοποιεί την τεχνολογία WiMAX υπάρχει η δυνατότητα επιλογής φάσματος αδειοδοτημένου ή μη. Η αδειοδοτημένη ζώνη περιλαμβάνει συχνότητες των 2.5GHz και των 3,5 GHz. Η μη αδειοδοτημένη μπάντα περιλαμβάνει τη ζώνη συχνοτήτων των 5,8 GHz Αδειοδοτημένη ζώνη συχνοτήτων Η χρήση συχνότητας στην αδειοδοτημένη μπάντα έχει το βασικό πλεονέκτημα ότι παρέχει προστασία απέναντι σε παρεμβολές από άλλους ασύρματους παρόχους. Ωστόσο, το μεγάλο μειονέκτημα έγκειται στην απαραίτητη νομική διαδικασία χορήγησης άδειας που ποικίλει από χώρα σε χώρα ανάλογα με τον κανονισμό και μπορεί να είναι χρονοβόρα αλλά δαπανηρή. Οι υψηλές δαπάνες και τα αποκλειστικά δικαιώματα στο φάσμα επιτρέπουν μία πιο προβλέψιμη και σταθερή λύση για τις μεγάλες μητροπολιτικές εφαρμογές και την κινητή χρήση. Άλλο ένα σημαντικό πλεονέκτημα των αδειοδοτημένων ζωνών συχνοτήτων είναι ότι ευνοούν την επικοινωνία NLOS καθώς κυμαίνονται σε χαμηλές συχνότητες (2.5GHz και 3.5GHz). Εντούτοις, οι ζώνες αυτές αντιμετωπίζουν κάποια ζητήματα παρεμβολής μιάς και η συνεχόμενη επέκτασή τους προκαλεί αμοιβαίες παρεμβολές. Το κατάλληλο σχέδιο και εφαρμογή μπορούν να ανακουφίσουν αυτά τα προβλήματα βελτιώνοντας το QoS, το πλήθος των προσφερόμενων υπηρεσιών και εφαρμογών παρέχοντας παράλληλα αυξημένη κινητικότητα στους χρήστες οι οποίοι μπορούν να έχουν συνεχή παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών Μη αδειοδοτημένη ζώνη συχνοτήτων Οι μη αδειοδοτημένες ζώνες συχνοτήτων είναι ελκυστικές στους χρήστες λόγω της άμεσης χρήσης και των πολύ χαμηλότερων αρχικών δαπανών συγκριτικά με τις αδειοδοτημένες παρόλο που υπάρχει ο κίνδυνος παρεμβολής από γειτονικούς παρόχους. Η χρήση τους συνιστάται για αγροτικές περιοχές, που είναι αραιοκατοικημένες, εφόσον υπάρχει το κατάλληλο σχέδιο δικτύων και εξειδικευμένες λύσεις κεραιών. Η επίτευξη της ελαχιστοποίησης των παρεμβολών στις περιοχές αυτές γίνεται εύκολα μέσω συντονισμού της συχνότητας των χειριστών. Επίσης, τοποθετούνται hubs με τέτοιο τρόπο ώστε να χρησιμοποιείται λιγότερη από τη μισή διαθέσιμη ζώνη συχνοτήτων του μη αδειοδοτημένου φάσματος.οι μη αδειοδοτημένες λύσεις WiMAX είναι κατάλληλες για εφαρμογές point-to-point μεγάλης απόστασης σε αραιοκατοικημένα περιβάλλοντα, pointto-multipoint λύσεις σε αγροτικές περιοχές ή ακόμη και σε αναπτυσσόμενες χώρες, σε περιοχές με μικρό εντός ζώνης θόρυβο RF ή όπου η παρεμβολή μπορεί να ελεγχθεί μέσα σε γεωγραφικά όρια (πανεπιστημιουπόλεις, στρατιωτικές εγκαταστάσεις). Ωστόσο, ο κύριος λόγος για την επιλογή μίας μη αδειοδοτημένης λύσης αποτελεί το χαμηλό κόστος, η αμεσότητα και η ευελιξία. Εν τούτοις, η λύση των μη αδειοδοτημένων συχνοτήτων δεν αποτελεί αντικαταστάτη μιας λύσης που βρίσκεται στην αδειοδοτημένη ζώνη. Η επιλογή της μίας ή της άλλης

30 εξαρτάται από της ανάγκες της αγοράς για την οποία προορίζεται και βασίζεται στην αναλογία κόστους και στην ποιότητα παροχής υπηρεσιών (QoS). 3.3 Κύρια Χαρακτηριστικά του WiMax Διεκπαιρεωτική ικανότητα (Throughput) Βασικό χαρακτηριστικό του προτύπου είναι η διεκπαιρεωτική ικανότητα (throughput). To πρότυπο ΙΕΕΕ επιτυγχάνει πολύ μεγάλη διεκπαιρεωτική ικανότητα, ακόμα και σε μεγάλες αποστάσεις, αφού έχει ένα πολύ μεγάλο φάσμα εκπομπής που είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό σε αντανακλάσεις του σήματος κατά τη διάρκεια της διαδρομής του. Οι ρυθμοί μετάδοσης του προτύπου εξαρτώνται από την εκάστοτε ψηφιακή διαμόρφωση που χρησιμοποιείται. Στο πρότυπο οι σταθμοί βάσης έχουν την δυνατότητα δυναμικά να ρυθμίζουν την απόσταση εκπομπής ή καλύτερα το βεληνεκές εκπομπής με την διεκπαιρεωτική ικανότητα Επεκτασιμότητα (Scalability) Για να μπορεί να γίνει εύκολος και επεκτάσιμος σχεδιασμός κυψελών (cells) επικοινωνίας σε επιτρεπόμενες και μη συχνοτικές μπάντες,το πρότυπο ΙΕΕΕ υποστηρίζει ευέλικτα από την άποψη εύρους ζώνης κανάλια επικοινωνίας. Για παράδειγμα αν σε κάποιο χειριστή ανατεθεί συχνοτικό φάσμα τον 20 MHz, τότε αυτός μπορεί να χωρίσει το φάσμα σε δύο κομμάτια των 10 MHz ή ακόμα σε τέσσερα κομμάτια των 5 MHz. Συγκεντρώνοντας έτσι όλη την ενέργεια σε ένα πολύ μικρό φάσμα συχνοτήτων ο χειριστής μπορεί να αυξήσει τον αριθμό των χρηστών επιτυγχάνοντας παράλληλα μεγάλο βεληνεκές και throughput. Για να κλιμακώσει ακόμα περισσότερο την εμβέλεια του σήματος, ο χειριστής μπορεί να χωρίσει ακόμα περισσότερο το φάσμα συχνοτήτων δημιουργώντας απομόνωση μεταξύ των κεραιών των σταθμών βάσης Εμβέλεια (Coverage) To πρότυπο ΙΕΕΕ κατασκευάζεται έτσι ώστε να υποστηρίζει τεχνολογίες που αυξάνουν την εμβέλεια του σήματος όπως οι τοπολογίες πλέγματος και έξυπνες κεραίες. Οι τοπολογίες πλέγματος είναι αυτές όπου κάθε κόμβος συνδέεται άμεσα με κάθε άλλο κόμβο του δικτύου. Όσο λοιπόν η ράδιο-τεχνολογίες βελτιώνονται και το κόστος μειώνεται, μεγαλώνει και η δυνατότητα αύξησης της εμβέλειας και της διεκπαιρεωτικής ικανότητας με τη χρήση πολλαπλών κεραιών καθώς ενθαρρύνεται και η εξάπλωση της εμβέλειας σε περιοχές που παλαιότερα ήταν αδύνατο να εξαπλωθεί Παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών H παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών (Quality of service - QoS) όπως είναι η μεταφορά φωνής, είναι εξαιρετικά σημαντική για την υιοθέτηση και εξάπλωση του προτύπου. Για αυτό ακριβώς το λόγο το υποπρότυπο a συμπεριλαμβάνει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που κάνουν δυνατή τη μεταφορά φωνής και βίντεο αφού για να είναι εφικτή αυτή η μεταφορά χρειάζεται ένα χαμηλού φόρτου δίκτυο

31 3.3.5 Ασφάλεια (Security) Η ασφάλεια είναι ένα πολύ σημαντικό κομμάτι στην ανάπτυξη ενός πρότυπου. Η μυστικότητα και η κρυπτογράφηση είναι βασικά χαρακτηριστικά του προτύπου ΙΕΕΕ για ασφαλή μεταφορά πληροφορίας. Η ασφάλεια του βασίζεται στην κρυπτογράφηση δεδομένων αλλά και στην αυθεντικοποίηση. Το θέμα της ασφάλειας δεν είναι κάτι στατικό αλλά μεταβάλλεται συνεχώς με βάση κάθε φορά τα νέα δεδομένα και προβλήματα. 3.4 Χαρακτηρισμός Καναλιού Το WiMAX μπορεί να παρέχει δύο είδη ασύρματων υπηρεσιών: Υπάρχει η δυνατότητα εξυπηρέτησης της περίπτωσης Line-Of-Sight (LOS), όπου μία σταθεροποιημένη κεραία δείχνει απευθείας στον πύργο WiMAX από κάποια στέγη ή άλλο υπερυψωμένο σημείο. Η LOS σύνδεση είναι πιο δυνατή και σταθερή και για αυτό μπορεί να μεταδίδει σημαντικό μέγεθος δεδομένων χωρίς πολλά λάθη. Υπάρχει η περίπτωση Non-Line-Of-Sight (NLOS), ένα είδος υπηρεσίας σαν το Wi-Fi, όπου μία μικρή κεραία στον προσωπικό υπολογιστή συνδέεται σε έναν πύργο. Σε αυτή την περίπτωση, το WiMAX χρησιμοποιεί ένα φάσμα χαμηλότερης συχνότητας της τάξης των 2 GHz με 11 GHz (παρόμοιο με το Wi-Fi). Μεταδόσεις χαμηλότερης κυματομορφής δεν είναι τόσο εύκολο να διακοπούν από φυσικά εμπόδια μπορούν πολύ πιο εύκολα να διαθλαστούν ή να παρακάμψουν εμπόδια. Όταν ζητείται η ασύρματη ζεύξη μεταξύ δύο σημείων είναι βασικό να γνωρίζουμε αν τα σημεία αυτά βρίσκονται σε συνθήκες LOS ή NLOS. Σε μια LOS ζεύξη σημείων, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα κατευθύνεται απευθείας από την κεραία του πομπού στην κεραία του δέκτη χωρίς να υποστεί κάποια ανάκλαση από γειτονικά εμπόδια. Απαραίτητη προϋπόθεση για να συμβαίνει το παραπάνω είναι να είναι ελεύθερη από εμπόδια μια περιοχή του ασύρματου καναλιού μεταξύ των δύο σημείων προς επικοινωνία που ονομάζεται ζώνη του Fresnel. Η ζώνη Fresnel υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: F n n d d d d (3.1) όπου: n ο αριθμός της ζώνης (π.χ. για n=1 έχουμε την 1η ζώνη Fresnel, κτλ.) λ το μήκος κύματος d 1, d 2 οι αποστάσεις των δύο κεραιών από το εμπόδιο

32 Σχ. 3.7 LOS Μετάδοση Όταν ένα εμπόδιο βρίσκεται μέσα στη πρώτη ζώνη του Fresnel τότε το κανάλι χαρακτηρίζεται σαν Optical Line of Site (OLOS). Το πρότυπο ΙΕΕΕ μπορεί να παρέχει επικοινωνία και σε σημεία τα οποία βρίσκονται σε συνθήκες OLOS κάτι που ο προκάτοχος του (Wi-Fi) δύσκολα μπορούσε να πετύχει. Σε μια NLOS σύνδεση ένα σήμα φθάνει στο δέκτη μέσω αντανακλάσεων και διασποράς. Στο δέκτη φτάνουν πολλαπλές συνιστώσες του ωφέλιμου σήματος που προέρχονται από ανακλάσεις του σε διάφορα αντικείμενα στην πορεία του οι οποίες έχουν διαφορετική καθυστέρηση διάδοσης, πολώσεις, και σταθερότητα. Το φαινόμενο αυτό του πολλαπλού μονοπατιού που περιγράφουμε μπορεί να ευθύνεται και για την αλλαγή της πολικότητας του σήματος. Η χρήση της διαμόρφωσης OFDM επιτρέπει στο WiMAX να εξασφαλίζει σταθερές και αξιόπιστες συνδέσεις ακόμα και σε συνθήκες NLOS. Η τεχνική OFDM υποστηρίζει μετάδοση με πολλαπλές φέρουσες προσδίδοντας στο πρότυπο ανθεκτικότητα στη μετάδοση των δεδομένων και πολύ καλές επιδόσεις σε ότι αφορά το φαινόμενο της πολυόδευσης. Επιπλέον η χρήση κωδίκων διόρθωσης σφαλμάτων όπως οι Forward Error Correction (FEC) και Cyclic Redundancy Checking (CRC) προσδίδει στο πρότυπο τη δυνατότητα αξιόπιστης μετάδοσης κρατώντας σε χαμηλά επίπεδα την ισχύ εκπομπής και λήψης. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα παράδειγμα μιας NLOS μετάδοσης. Σχ. 3.8 NLOS Μετάδοση

33 Γενικά, αν και υπάρχουν προβλήματα, η NLOS μετάδοση έχει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι της LOS αφού είναι πιο ευέλικτη και απαιτεί πολύ μικρότερες κεραίες. Η ύπαρξη μικρών κεραιών είναι πολύ μεγάλης σημασίας σε ασύρματα δίκτυα με κυψελοειδείς δομές και αυτό συμβαίνει γιατί με μικρές κεραίες μειώνονται οι παρεμβολές μεταξύ των γειτονικών κυψελών. Βέβαια η NLOS μετάδοση μειώνει το κόστος εγκατάστασης σε απομακρυσμένες περιοχές όπου η εγκατάσταση πολλών κεραιών είναι αρκετά δύσκολη. 3.5 Αρχιτεκτονική δικτύου WiMax Όπως όλα τα πρότυπα της σειράς 802 της IEEE, έτσι και το επικεντρώνεται στα δύο χαμηλότερα στρώματα του μοντέλου διαστρωμάτωσης OSI, δηλαδή στο φυσικό επίπεδο (Physical Layer PHY) και στο επίπεδο MAC. Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτύπου ΙΕΕΕ 802. παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Το SAP (Service Access Point) αποτελεί το σημείο επικοινωνίας ενός υποεπιπέδου με το άλλο. Σχ. 3.9 Επίπεδα Πρωτοκόλλου Ξεκινώντας από πάνω προς τα κάτω παρατηρούμε ότι το χαμηλότερο επίπεδο είναι το φυσικό επίπεδο το οποίο ασχολείται με τη μετάδοση. Εκεί χρησιμοποιείται η παραδοσιακή μετάδοση ραδιοκυμάτων στενής ζώνης με συμβατικές μεθόδους διαμόρφωσης. Πιο πάνω παρατηρούμε ότι το Medium Access Control (MAC) επίπεδο αποτελείται από τρία υποεπίπεδα. Το πρώτο από αυτά είναι το υποεπίπεδο σύγκλισης εξαρτώμενο από την υπηρεσία (Service Specific Convergence Sublayer CS) όπου γίνεται η διασύνδεση με το επίπεδο δικτύου. Το επίπεδο που ακολουθεί είναι το MAC υποεπιπέδο κοινού τμήματος

34 (Common Part Sublayer - MAC CPS). Εδώ βρίσκονται τα βασικά πρωτόκολλα όπως η διαχείριση του καναλιού. Μπορεί δηλαδή να χρονοπρογραμματίσει τα κατερχόμενα κανάλια (τα κανάλια δηλαδή από τη βάση προς τον συνδρομητή), ενώ παίζει ρόλο και στη διαχείριση των ανερχόμενων καναλιών (δηλαδή των καναλιών από το συνδρομητή προς τη βάση).την τριάδα των υποεπιπέδων του MAC κλείνει το Privacy Sublayer ή διαφορετικά υποεπίπεδο ασφαλείας. Αυτό το επίπεδο προσφέρει αυθεντικοποίηση, ανταλλαγή κλειδιού ασφαλείας και κρυπτογράφησης Φυσικό Επίπεδο Όπως προαναφέραμε, το φυσικό επίπεδο αναφέρεται στο κομμάτι της μετάδοσης της πληροφορίας για την οποία χρησιμοποιείται η παραδοσιακή μετάδοση ραδιοκυμάτων στενής ζώνης. Οι υπηρεσίες του φυσικού επιπέδου παρέχονται στο MAC υποεπίπεδο μέσω του PHY SAP (Service Access Point). Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι φυσικού επιπέδου: το OFDM φυσικό επίπεδο και το OFDMA φυσικό επίπεδο, τα οποία παρουσιάζονται πιο αναλυτικά παρακάτω OFDM Στο φυσικό επίπεδο η διαμόρφωση η οποία έχει υιοθετηθεί από το WiMAX είναι το OFDM. To OFDM φυσικό επίπεδο υποστηρίζει το διαχωρισμό σε κανάλια για την άνω ζεύξη, δηλαδή για τη μεταφορά δεδομένων από το SS στο σταθμό βάσης, κάνοντας χρήση 16 υποκαναλιών. To ίδιο συμβαίνει και για την κάτω ζεύξη, δηλαδή για τα δεδομένα από το σταθμό βάσης στον SS. Σε ένα κλασικό σύστημα παράλληλης μετάδοσης δεδομένων η συνολικά διαθέσιμη μπάντα συχνοτήτων διαιρείται σε N μη επικαλυπτόμενα υποκανάλια συχνοτήτων. Κάθε υποκανάλι διαμορφώνεται και από διαφορετικό σύμβολο και ακολούθως τα Ν υποκανάλια πολυπλέκονται στο πεδίο των συχνοτήτων. Η ιδέα που εισήγαγε το OFDM ήταν πρωτοποριακή μιας και οδηγούσε στην εξοικονόμηση φάσματος. Πιο συγκεκριμένα, έκανε λόγο για χρήση επικαλυπτόμενων υποκαναλιών, που χαρακτηρίζονται από την κοινή ιδιότητα της μεταξύ τους ορθογωνιότητας γεγονός που οδηγεί στην αποφυγή ισοστάθμισης, την αντιμετώπιση θορύβου και εξασθένησης σήματος λόγω πολυόδευσης καθώς και την πλήρη αξιοποίηση του διαθέσιμου φάσματος. Άλλες τεχνικές που συνεισφέρουν προς αυτή την κατεύθυνση είναι η χρήση του πρωτοκόλλου Space Time Coding (STC) η χρήση Adaptive Antenna Systems (AAS), με τις οποίες εκμεταλλευόμαστε κατευθυνόμενα σήματα για να αυξήσουμε την απόδοση προς τον επιθυμητό σταθμό και να ελαττώσουμε τις παρεμβολές από άλλους σταθμούς. Τέλος, το Spatial Division Multiple Access (SDMA) είναι ένας τρόπος δορυφορικής επικοινωνίας που βελτιστοποιεί τη χρήση του ραδιοφάσματος και ελαχιστοποιεί το κόστος συστημάτων με το να εκμεταλλευθεί τις κατευθυντικές ιδιότητες των κεραιών. Σύμφωνα με την τεχνική αυτἠ, η θέση κάθε χρήστη καθορίζεται μέσα στην κυψέλη χρησιμοποιώντας φασικά ελεγχόμενες κεραιοσυστοιχίες και το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας προσαρμόζεται κατάλληλα για κάθε χρήστη με σκοπό να επιτευχθεί το μέγιστο κέρδος προς την κατεύθυνση του χρήστη Adaptive Modulation (AM) Τα συστήματα WiMAX συνδυάζουν τεχνολογίες και αλγόριθμους ώστε να επιτυγχάνουν 9 απόδοση BER της τάξης του 10 με διαθεσιμότητα ζεύξης 99,999%. Η αύξηση της

35 φασματικής απόδοσης είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει απ ευθείας το αποτέλεσμα. Για το λόγο αυτό, τα συστήματα WiMAX προσφέρουν διπλής κατευθύνσεως προσαρμοστική διαμόρφωση (Adaptive Modulation - AM) που τα προσαρμόζει ανάμεσα σε έξι τύπους διαμόρφωσης (από QPSK σε 64 QAM) με σκοπό να προσαρμόζει τη ποιότητα διαβάθμισης της ζεύξης ενώ προσφέρουν το μέγιστο ρυθμό μετάδοσης. Οι ταχύτητες μετάδοσης του προτύπου εξαρτώνται από την εκάστοτε ψηφιακή διαμόρφωση που χρησιμοποιείται. Συνήθεις διαμορφώσεις είναι η 64 QAM, η 16 QAM, η QPSK και η BPSK. Οι διαμορφώσεις QPSK και BPSK είναι για μακρινούς SS, η διαμόρφωση 16 QAM για SS που βρίσκονται σε μεσαία απόσταση και η διαμόρφωση QAM 64 για κοντινούς SS. Όσο πιο μακριά βρίσκεται ο SS από τον BS, τόσο πιο χαμηλός θα είναι ο ρυθμός μετάδοσης. Συνεπώς οι διαμορφώσεις BPSK και QPSK οι οποίες εξασφαλίζουν μεγάλη κάλυψη του συστήματος (χρησιμοποιούνται για SS μακριά από τον BS) έχουν τον χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, ενώ η διαμόρφωση 64 QAM έχει τον υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης Διανομή χωρητικότητας Ανερχόμενη-Κατερχόμενη μετάδοση Το φυσικό επίπεδο του WiMAX υποστηρίζει διαφορετική δομή για τα Point-to- Multipoint κανάλια κατερχόμενης κίνησης και τα Multipoint-to-Point κανάλια ανερχόμενης κίνησης. Αυτές οι δομές αντικατοπτρίζουν τις διαφορετικές απαιτήσεις στις δύο κατευθύνσεις. Γενικά, τα περισσότερα συστήματα απαιτούν μεγαλύτερη χωρητικότητα σε ατομικούς συνδρομητές για να υποστηρίξουν ασύμμετρες συνδέσεις δεδομένων, όπως οι εφαρμογές Ιστού στο διαδίκτυο. Για την ανερχόμενη κατεύθυνση, καθώς υπάρχουν πολλοί συνδρομητές που ανταγωνίζονται για την διαθέσιμη χωρητικότητα, πρέπει να διευθετηθεί το ζήτημα της πρόσβασης. Ανερχόμενη μετάδοση (uplink) Η ανερχόμενη μετάδοση χρησιμοποιεί μια τεχνική DAMA-TDMA (Demand Assignment Multiple Access Time Division Multiple Access). Η τεχνική DAMA είναι μία τεχνική ανάθεσης χωρητικότητας που προσαρμόζεται όσο χρειάζεται για να ανταποκριθεί βέλτιστα σε αλλαγές απαιτήσεων στους διάφορους σταθμούς. Η τεχνική TDMA είναι απλά μία τεχνική που διαιρεί τον χρόνο σε ένα κανάλι σε μία ακολουθία πλαισίων, κάθε ένα από τα οποία αποτελείται από slots και που διανέμει τα slots σε κάθε πλαίσιο για να σχηματίσει ένα λογικό κανάλι. Η ανερχόμενη μετάδοση χρησιμοποιεί τον Reed-Solomon κώδικα για διόρθωση σφαλμάτων και ένα σχήμα διαμόρφωσης βασισμένο στο QPSK. Κατερχόμενη μετάδοση (downlink) Στην κατερχόμενη μετάδοση, το πρότυπο καθορίζει δύο τρόπους λειτουργίας, που ο ένας υποστηρίζει συνεχόμενη μετάδοση, όπως audio και video, και ο άλλος μετάδοση σε ομάδες, όπως η IP-based κίνηση. Για την συνεχή κατερχόμενη μετάδοση, χρησιμοποιούμε ένα απλό TDM (Time Division Multiplexing) σχήμα για πρόσβαση στο κανάλι. Η αμφίδρομη τεχνική που χρησιμοποιείται για διανομή χωρητικότητας ανάμεσα στην ανερχόμενη και στην κατερχόμενη κίνηση είναι γνωστή σαν Αμφίδρομη Επικοινωνία με Διαίρεση Συχνότητας ή FDD (Frequency Division Duplexing). Σύμφωνα με αυτήν, χρησιμοποιείται διαφορετική μπάντα συχνοτήτων για μετάδοση σε κάθε κατεύθυνση. Αυτό είναι ισοδύναμο με το FAMA-FDMA (Fixed

36 Assignment Multiple Access Frequency Division Multiple Access) σχήμα. Το FDD συνεπάγεται ότι κάθε συνδρομητής μπορεί να μεταδίδει και να λαμβάνει στον ίδιο χρόνο, χρησιμοποιώντας διαφορετικές, προδιαγεγραμμένες συχνότητες. Για την κατερχόμενη μετάδοση σε ομάδες χρησιμοποιείται το DAMA-TDMA σχήμα για πρόσβαση στο κανάλι Χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου Τα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου και τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν είναι: Χρήση OFDM με 256 φέρουσες. Έτσι μπορούμε να έχουμε επικοινωνίες LOS και NLOS. Χρήση προσαρμοστικής διαμόρφωσης και κωδικών διόρθωσης σφαλμάτων. Επομένως έχουμε αποτελεσματικές ζεύξεις με μέγιστο αριθμό bits/sec σε κάθε χρήστη. Υποστήριξη TDD και FDD.Με αποτέλεσμα να ικανοποιούνται οι συνθήκες διαχείρισης φάσματος κάθε χώρας. Μεταβλητό εύρος ζώνης καναλιού (3.5 MHz, 5MHz, 10MHz).Με δυνατότητα λειτουργίας σε πολλές ζώνες συχνοτήτων ανάλογα με τον κανονισμό της κάθε χώρας. Υποστήριξη έξυπνων κεραιών. Με αποτέλεσμα να εξασφαλίζεται το υψηλό κέρδος ισχύος Επίπεδο Medium Access Control (MAC) Στο WiFi το επίπεδο ΜAC χρησιμοποιεί ανταγωνιστική πρόσβαση, δηλαδή όλοι οι συνδρομητές που επιθυμούν να μεταφέρουν δεδομένα μέσω ενός ασύρματου σημείου πρόσβασης συναγωνίζονται συνεχώς για το ποιός θα τραβήξει την προσοχή του access point. Αυτό το χαρακτηριστικό μπορεί να γίνει αιτία ώστε ένας απομακρυσμένος χρήστης από το AP να μην μπορεί επανειλημμένα να αποκτήσει πρόσβαση, ή να διακόπτεται διαρκώς η σύνδεση του εξ αιτίας πιο κοντινών στο AP χρηστών. Έτσι μειώνεται σημαντικά η εκπομπή και η μεταφορά δεδομένων. Επομένως η σύνδεση δεν χαρακτηρίζεται από υψηλή ποιότητα, και εφαρμογές που βασίζονται στην ποιότητα δεν μπορούν να εκτελεστούν σωστά. Παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών είναι η Voice over IP (VoIP) και η IPTV, για τις οποίες η ποιότητα της σύνδεσης είναι κύριο χαρακτηριστικό και καθορίζει, το ποσοστό των δεδομένων που μεταφέρονται και το αν η μεταφορά θα είναι επιτυχής, συνεχής και δε θα διακόπτεται. Αντίθετα, το MAC χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο για τον οποίο ο συνδρομητής «συναγωνίζεται» μια μόνο φορά (με την αρχική εγγραφή του στο δίκτυο). Από εκεί και έπειτα έχει καθοριστεί ο τρόπος σύνδεσης του από το σταθμό βάσης πρόσβασης. Ο χρόνος σύνδεσης με τον καιρό μπορεί να ποικίλει, είτε να μεγαλώνει είτε να μικραίνει, ωστόσο η σύνδεση θα πραγματοποιείται. Ο αλγόριθμος του πρωτοκόλλου είναι αρκετά σταθερός ακόμα και όταν το δίκτυο είναι υπερφορτωμένο και ο αριθμός των συνδεδεμένων συνδρομητών είναι πολύ μεγάλος(αντίθετα με το ). Επίσης μπορεί να είναι ευρυζωνικώς πιο αποτελεσματικός. Επίσης, ο αλγόριθμος επιτρέπει στον base station να ελέγχει την ποιότητα της υπηρεσίας (QoS) κατανέμοντας το χρόνο που χρειάζεται να διαθέσει για τις διάφορες εφαρμογές των συνδρομητών. Επειδή το φυσικό επίπεδο είναι ένα ασύρματο επίπεδο, η κύρια εστίαση του MAC επιπέδου είναι να ρυθμιστούν οι πόροι της σύνδεσης κατά τρόπο αποδοτικό. Το MAC επίπεδο είναι συνδεσμο-προσανατολισμένο. Στην είσοδο του δικτύου, κάθε σταθμός συνδρομητών δημιουργεί μια ή περισσότερες συνδέσεις πέρα από στις οποίες τα δεδομένα

37 διαβιβάζονται προς και από το σταθμό βάσης. Το επίπεδο MAC σχεδιάζει τη χρήση των πόρων σύνδεσης και παρέχει διάκριση στην ποιότητα υπηρεσιών. Στο WiMAX το MAC αποτελείται από τρία υποστρώματα: το χαμηλότερο ασχολείται με την θέματα ασφάλειας και προστασία απορρήτου, στο δεύτερο επίπεδο καθορίζεται ο τρόπος υλοποίησης των συνδέσεων ενώ στο τρίτο επίπεδο γίνεται η διασύνδεση με το επίπεδο δικτύου. Κύρια χαρακτηριστικά του είναι: Αναλαμβάνει τη διαχείριση του ιδιωτικού κλειδιού (PKM) ασφαλείας. Υποστήριξη Broadcast and Multicast Υψηλή ταχύτητα handover και διαχείριση κινητικότητας Διαθέτει τρία επίπεδα διαχείρισης ενέργειας: κανονική λειτουργία, αναμονή και αδράνεια Συμπίεση Header, packing and fragmentation Προσφέρει πέντε κλάσεις υπηρεσιών: unsolicited grant service (UGS), real-time polling service (rtps), non-real-time polling service (nrtps), best effort (BE) and Extended real-time variable rate (ERT-VR) service οι οποίες αναφέρονται και παρακάτω Yποεπίπεδο σύγκλισης εξαρτώμενο από την υπηρεσία Το υποεπίπεδο σύγκλισης ή για λόγους συντομίας CS υποεπίπεδο, αρχικά αντιστοιχίζει ή καλύτερα μετασχηματίζει δεδομένα που λαμβάνει από το σημείο πρόσβασης υπηρεσίας SAP (και που έχουν σταλθεί από το επίπεδο δικτύου) σε MAC SDU (σε τύπου MAC πακέτα δεδομένων υπηρεσίας). Στη συνέχεια αυτά τα «τροποποιημένα» δεδομένα λαμβάνονται με τη σειρά τους από τo κοινό τμήμα υποεπιπέδου MAC (MAC CPS) μέσω του MAC SAP.Η διαδικασία αυτή της αντιστοίχησης δεδομένων περιλαμβάνει κατ αρχήν ταξινόμηση των πακέτων δεδομένων υπηρεσίας που λαμβάνει από το επίπεδο δικτύου με βάση κάποιες παραμέτρους και αντιστοίχηση αυτών των δεδομένων με τη σωστή υπηρεσία του MAC CPS καθώς και με μία ταυτότητα σύνδεσης (CID) ώστε να οριστεί μονοσήμαντα η σύνδεση. Μερικές φορές είναι πιθανόν να εφαρμοστούν ακόμα PHS συναρτήσεις στα δεδομένα, οι οποίες έχουν ως στόχο να απομακρύνουν κάποια δεδομένα που εμφανίζονται δύο φόρες και έτσι η μεταφορά από ένα επίπεδο στο άλλο να γίνει με μεγαλύτερη ευκολία. Από τα παραπάνω που αναφέραμε φαίνεται ότι το CS υποεπίπεδο αποτελεί ένας είδος διεπαφής με πολλά διαφορετικά πρωτόκολλα. Αναλυτικότερα οι λειτουργίες που εκτελεί φαίνονται παρακάτω: Δέχεται από το αμέσως υψηλότερο επίπεδο πακέτα δεδομένων πρωτοκόλλου (PDU). Ταξινομεί αυτά τα PDU. Επεξεργάζεται τα PDU αν αυτό είναι απαραίτητο ανάλογα με το τρόπο που έχουν ταξινομηθεί. Μοιράζει τα CS PDU s στα κατάλληλα σημεία πρόσβασης υπηρεσίας (SAP). Η μονάδα πληροφορίας SDU μαζί με την επικεφαλίδα (που τοποθετείται κάθε φορά από το αντίστοιχο επίπεδο) συνιστούν τη μονάδα πληροφορίας PDU Υποεπίπεδο Κοινό τμήμα Ένα δίκτυο του οποίου η λειτουργία βασίζεται σε ένα μέσο επικοινωνίας, πρέπει να διαθέτει μηχανισμούς να διαχειρίζεται αυτό το μέσο και να το μοιράζει στους κόμβους του

38 Στη περίπτωση του πρωτοκόλλου WiMAX το υποεπίπεδο MAC CPS αναλαμβάνει με το έργο της διαχείρισης του καναλιού. Το κατέβασμα δεδομένων από το BS στο χρήστη γίνεται με μία PTM λογική. Έτσι το WiMAX λειτουργεί με ένα κεντρικό BS και μία κεραία πολλαπλών τομέων, η οποία έχει τη δυνατότητα να διαχειρίζεται αυτούς τους πολλαπλούς τομείς παράλληλα. Για μία συγκεκριμένη συχνότητα καναλιού και ένα συγκεκριμένο τομέα, όλοι οι χρήστες λαμβάνουν τα ίδια δεδομένα. Για αυτό ακριβώς το λόγο ένας BS εκπέμπει σε ένα συγκεκριμένο τομέα (με συγκεκριμένη συχνότητα καναλιού) και στα μηνύματα απάντησης συγκρατεί τις διευθύνσεις των χρηστών του τομέα για μελλοντική επικοινωνία. Στην αντίθετη κατεύθυνση οι SS, μοιράζονται το κανάλι επικοινωνίας με το BS, με βάση τις απαιτήσεις που υπάρχουν. Βασικός παράγοντας βέβαια είναι και οι υπηρεσίες που ζητούν. Σε κάθε τομέα οι χρήστες «υπακούν» ένα πρωτόκολλο μετάβασης, έτσι ώστε ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του καναλιού να μπορεί να επιτευχθεί οι εξυπηρέτηση όλων των χρηστών. Υπάρχουν πέντε διαφορετικού τύπου μηχανισμοί χρονοπρογραμματισμού ανεβάσματος δεδομένων στον BS. Οι μηχανισμοί είναι σαφώς ορισμένοι από το πρωτόκολλο έτσι ώστε να μπορούν οι κατασκευάστριες εταιρίες προϊόντων WiMAX να βελτιώνουν όλο και περισσότερο τα προϊόντα τους διαφορετικούς συνδυασμούς τεχνικών που ορίζουν οι παραπάνω μηχανισμοί. Το MAC CPS δημιουργεί συνδέσεις για να διαχειριστεί το κανάλι. Αυτό ενισχύει την αξιοπιστία και εξασφαλίζει υψηλή ποιότητα υπηρεσιών. Η σύνδεση γίνεται ως εξής. Κάθε φορά που ένα SS εγκαθίσταται στο δίκτυο, τότε αμέσως δημιουργείται μια σύνδεση με αυτόν για να είναι δυνατή η ροή υπηρεσιών. Οι συνδέσεις απαιτούν ενεργή συντήρηση. Αυτή η συντήρηση βέβαια εξαρτάται και από το τύπο της υπηρεσίας που συνδέεται. Για παράδειγμα κάποιο τύποι υπηρεσιών δεν απαιτούν ενεργή συντήρηση της σύνδεσης αφού έχουν σταθερό εύρος ζώνης για κάθε πακέτο δεδομένων, σε αντίθεση με άλλες υπηρεσίες που αυτό μεταβάλλεται δυναμικά. Τέλος να πούμε ότι η σύνδεση τερματίζεται είτε από το BS είτε από το SS Χαρακτηριστικά του MAC Τα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου και τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν είναι: Χρήση TDM/TDMA. Έτσι έχουμε αποδοτικότητα εύρους ζώνης. Υποστήριξη μέχρι και 100 χρηστών ανά BS. Με αποτέλεσμα να είναι εφικτή η αξιόπιστη κάλυψη αστικών περιοχών. Υποστήριξη QoS. Με αποτέλεσμα στις υπηρεσίες όπως TDM Voice, VoIP να υπάρχει μικρή καθυστέρηση. Υποστήριξη Automatic Repeat Request (ARQ). Επομένως βελτιώνεται η από άκρου εις άκρου απόδοση του συστήματος. Χρήση προσαρμοστικής διαμόρφωσης και κωδικών διόρθωσης σφαλμάτων. Επομένως έχουμε αποτελεσματικές ζεύξεις με μέγιστο αριθμό bits/sec σε κάθε χρήστη. Χρήση Triple DES για ασφάλεια. Έτσι πραγματοποιείται η προστασία δεδομένων. Automatic Power Control (APC). Με αποτέλεσμα τη δυνατότητα δημιουργίας κυψελοειδών αρχιτεκτονικών

39 3.6 Το Δίκτυο WiMAX Το βασικό μοντέλο αναφοράς ενός δικτύου WiMAX αποτελείται από τρία βασικά τμήματα τα οποία διασυνδέονται μεταξύ τους μέσω των διεπαφών ή κομβικών σημείων R1 ως R5 που φαίνονται στο σχήμα. Τα τμήματα αυτά είναι: MS (Mobile Station) ASN (Access Service Network) CSN (Connectivity Service Network) Σχ Δομή Δικτύου WiMax Κινητός Υποσταθμός (Mobile Station MS): είναι το υλικό και ο κινητός εξοπλισμός μέσω του οποίου πραγματοποιείται η σύνδεση μεταξύ του χρήστη και του WiMax BS. Σταθμός Βάσης (Base Station BS) : κύριος ρόλος του είναι να παρέχει το εναέριο κανάλι στους κινητούς υποσταθμούς (Mobile Station MS) του δικτύου. Επίσης, παίζει σημαντικό ρόλο στην κινητικότητα του συστήματος καθώς αναλαμβάνει τον έλεγχο του handoff ανάμεσα στους χρήσετς, κάνει δηλαδή διαχείρηση των συχνοτήτων. Αυτή η λειτουργία του BS συμβάλλει θετικά και στο QoS των υπηρεσιών, καθώς γίνεται κατηγοριοποίηση και ομαδοποίηση της κίνησης και εξυπηρέτησή της ανάλογα με την προτεραιότητα και τις απαιτήσεις της. Τέλος, ο BS έχει σημαντική λειτουργία και ως πληρεξούσιος εξυπηρετητής (Proxy Server) κατά τη διάρκεια συνόδων (sessions) ανάμεσα

40 σε πολλούς χρήστες οι οποίοι μπορεί να χρησιμοποιούν πολλά διαφορετικά μέσα για την επικοινωνία (ήχο, εικόνα, βίντεο). Δίκτυο Πρόσβασης (Access Service Network Gateway ASN-GW) : Στο τμήμα αυτό του δικτύου υπάρχουν οι βάσεις δεδομένων που περιέχουν τα στοιχεία των χρηστών που είναι σημαντικά, καθώς εξασφαλίζουν το απόρρητο της επικοινωνίας αυξάνοντας έτσι το QoS. Εδώ γίνεται η σύνδεση των χρηστών με τον πυρήνα του δικτύου για παροχή τηλεφωνίας, Internet, κ.α. και σύνδεση των διάφορων ASN μεταξύ τους. Πολλά ASN συνδεδεμένα μεταξύ τους μέσω της διεπαφής R4 εξαπλώνονται μέσω του Παρόχου Πρόσβασης Δικτύου (Network Access Provider NAP). Ένας NAP παρέχει ασύρματη πρόσβαση σε πολλαπλούς Παρόχους Υπηρεσιών Δικτύου (Network Service Provider NSP). Ο NSP επιτρέπει στους συνδρομητές WiMax τη σύνδεση στο Internet και στις άλλες υπηρεσίες του WiMax μέσω του δικτύου σύνδεσης (Connectivity Service Network CSN) όπου γίνεται η σύνδεση με το Internet ή με άλλα δίκτυα (ISDN, DSL, κλπ). Σχ Δομή ενός δικτύου WiMAX

41 Σχ Παράδειγμα ενός δικτύου WiMAX 3.7 Υποπρότυπα του IEEE Το αρχικό πρωτόκολλο IEEE όριζε το WiMax στο εύρος των 10 με 66 GHz. Το πρωτόκολλο a αναβαθμίστηκε το 2004 σε προσθέτοντας προδιαγραφές για το εύρος 2 με 11 GHz. Το αναβαθμίστηκε στο e το 2005 και χρησιμοποιεί τύπο συχνότητας scalable orthogonal frequency-division multiple access (SOFDMA) ο οποίος συγκρούεται με την έκδοση OFDM-256 που χρησιμοποιείται από το d. Οι πιο εξελιγμένες μορφές πρωτοκόλλων, συμπεριλαμβανομένου και του e, χρησιμοποιούν Multiple Antenna Support δια μέσω του συστήματος Multipleinput multiple-output (MIMO) το οποίο παραπέμπει στη χρήση Multiple Antenna και από τον πομπό και από τον δέκτη. Αυτό μπορεί να επιφέρει θετικά αποτελέσματα στον τομέα της κάλυψης, της ατομικής εγκατάστασης, της αποτελεσματικής χρήσης και της ευρυζωνικής αποτελεσματικότητας. Το e προσθέτει την ικανότητα για κάλυψη σε περίπτωση κίνησης του χρήστη. ΙΕΕΕ a: Η ανάγκη για επικοινωνία μεταξύ σταθμών που δεν βρίσκονται σε οπτική επαφή ήταν το κίνητρο για τη δημιουργία του υποπροτύπου ΙΕΕΕ a. Τον Ιανουάριο του 2003 το πρότυπο επεκτάθηκε ώστε να λειτουργεί και στις συχνότητες από 2-11 GHz όπου στις συχνότητες αυτές ήταν δυνατή η δημιουργία συνδέσεων χωρίς οπτική επαφή πομπού - δέκτη. Το υποπρότυπο το οποίο περιγράφει τη διαδικασία αυτή ονομάστηκε ΙΕΕΕ a. Τα πρώτα προϊόντα WiMAX τα οποία σήμερα είναι διαθέσιμα στην αγορά ακολουθούν στην μεγαλύτερή τους πλειοψηφία το υποπρότυπο αυτό

42 ΙΕΕΕ b: Το πρότυπο b ήταν από τα πρώτα που δημιουργήθηκαν. Η δημιουργία του υποπροτύπου αυτού στόχευε στις εφαρμογές εκτός νόμιμης (licensed) περιοχής στις συχνότητες 5-6GHz.To b παρέχει QoS διαβεβαιώντας ότι θα υπάρχει προτεραιότητα στη μετάβαση πραγματικού χρόνου εικόνας και ήχου καθώς επίσης παρέχει διαφοροποιημένα επίπεδα υπηρεσίας σε διαφορετικού τύπου μετακίνησης δεδομένων. IΕΕΕ c: Όπως έχει ήδη αναφερθεί, στην αρχική του έκδοση το πρότυπο ΙΕΕΕ λειτουργούσε στην ζώνη συχνοτήτων GHz. Στις παραπάνω συχνότητες η επικοινωνία μεταξύ δύο σταθμών επιτυγχάνεται μόνο όταν οι σταθμοί αυτοί βρίσκονται σε συνθήκες οπτικής επαφής. Η παραπάνω διαδικασία περιγράφεται στο υποπρότυπο ΙΕΕΕ c. ΙΕΕΕ d: Καθώς η πολυπλοκότητα των εφαρμογών που διαδίδονται πάνω από ένα ασύρματο δίκτυο ολοένα και αυξάνει, η ποιότητα υπηρεσίας πάνω από τέτοια δίκτυα γίνεται ένας πολύ καθοριστικός παράγοντας για την ποιότητα της επικοινωνίας. Για παράδειγμα, η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο απαιτεί από το δίκτυο συνθήκες πολύ χαμηλής καθυστέρησης μετάδοσης. Για αυτό το λόγο, προκειμένου να ικανοποιηθεί η ανάγκη για ποιότητα υπηρεσίας ορίστηκε το υποπρότυπο ΙΕΕΕ d. ΙΕΕΕ e: Το υποπρότυπο ΙΕΕΕ e εισάγει και περιγράφει την έννοια της κινητικότητας των χρηστών από ένα base station σε άλλο. Στο υποπρότυπο αυτό ορίζεται ότι ένας κινητός χρήστης μπορεί να συνεχίσει να εξυπηρετείται από το δίκτυο ακόμα και αν κινείται με ταχύτητες οι οποίες προσεγγίζουν τα 120 km/h. Ωστόσο η παραπάνω τιμή είναι ενδεικτική - πειραματική, καθώς μέχρι τη στιγμή αυτή δεν υπάρχει κάποιο διαθέσιμο προϊόν στην αγορά συμβατό με το ΙΕΕΕ e υποπρότυπο που να πιστοποιεί την προαναφερθείσα τιμή. ΙΕΕΕ : Η ένωση των υποπροτύπων ΙΕΕΕ a, c, d όρισε το πρότυπο ΙΕΕΕ το οποίο περιγράφει τη συνολική λειτουργικότητα των επιμέρους υποπροτύπων που προαναφέρθηκαν για συχνότητες λειτουργίας 2-66 GHz. Το πρότυπο ΙΕΕΕ ορίζει την επικοινωνία χρηστών οι οποίοι βρίσκονται μέσα σε ένα κελί το οποίο καλύπτεται από ένα base station. Όταν κάποιος χρήστης κινηθεί σε περιοχή που βρίσκεται εκτός περιοχής κάλυψης του base station η σύνδεση χάνεται. Οικονομικό και εμπορικό ενδιαφέρον εντοπίζεται στα πρωτόκολλα d και e, αφού οι χαμηλότερες συχνότητες όταν χρησιμοποιούνται σε αυτές τις παραλλαγές δεν χαρακτηρίζονται από έμφυτη εξασθένιση του σήματος και γι αυτό διαθέτουν βελτιωμένο εύρος και ικανότητα στη διαπερατότητα κτηρίων. Ήδη σήμερα, αρκετά δίκτυα ανά τον κόσμο χρησιμοποιούν για εμπορικούς σκοπούς πιστοποιημένο εξοπλισμό με WiMAX, συμβατό με το υποπρωτόκολλο d. 3.8 Η ποιότητα υπηρεσίας (QoS) στο WiMAX Στο MAC του WiMAX υπάρχουν μηχανισμοί παροχής διαφοροποιημένου QoS για την υποστήριξη των διαφόρων αναγκών των διαφόρων εφαρμογών. Για παράδειγμα, η φωνή και το βίντεο απαιτούν χαμηλή καθυστέρηση αλλά ανέχονται κάποιο ρυθμό σφαλμάτων. Σε αντίθεση, γενικές εφαρμογές δεδομένων δεν ανέχονται σφάλματα, αλλά η καθυστέρηση δεν είναι κρίσιμης σημασίας. Το πρότυπο εξυπηρετεί φωνή, βίντεο, και άλλες εκπομπές

43 δεδομένων χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα χαρακτηριστικά στο στρώμα MAC, που είναι πιο αποτελεσματικό από τη χρήση αυτών των χαρακτηριστικών σε στρώματα που ο έλεγχός τους επικαλύπτει το MAC. Εν συντομία, εφαρμόζοντας περισσότερο εύρος ζώνης στο σωστό κανάλι τη σωστή στιγμή επιτυγχάνεται μείωση της καθυστέρησης και βελτίωση του QoS. Το πρότυπο WiMAX υποστυρίζει προσαρμοστική διαμόρφωση, με αποτέλεσμα την ισορρόπηση διαφορετικών ρυθμών μετάδοσης δεδομένων και ποιότητας ζεύξης. Η μέθοδος διαμόρφωσης μπορεί να ρυθμιστεί σχεδόν στιγμιαία για βέλτιστη μεταφορά δεδομένων. Το WiMAX είναι ικανό να μεταβάλλει δυναμικά τις διαμορφώσεις από 64-QAM σε QPSK μέσω 16-QAM, δείχνοντας τη δυνατότητά του να λύσει ζητήματα QoS με δυναμική κατανομή εύρους ζώνης στην απόσταση μεταξύ BS και SS. H προσαρμοστική διαμόρφωση επιτρέπει την αποδοτική χρήση του εύρους ζώνης και ευρύτερη πελατειακή βάση. Το πρότυπο επίσης υποστηρίζει FDD και TDD. H FDD, η συμβατική μέθοδος αμφίδρομης επικοινωνίας (Duplexing), έχει ευρέως χρησιμοποιηθεί στην κινητή τηλεφωνία. Απαιτεί δύο ζεύγη καναλιών, ένα για εκπομπή και ένα για λήψη, με κάποιο διαχωρισμό συχνοτήτων μεταξύ τους για το μετριασμό των αυτό-παρεμβολών. Ένα σύστημα TDD μπορεί να κατανείμει δυναμικά εύρος ζώνης στην ανοδική και κατερχόμενη ροή, ανάλογα με τις απαιτήσεις της κίνησης. Η παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών όπως μεταφορά φωνής, είναι εξαιρετικά σημαντική για υιοθέτηση και εξάπλωση του προτύπου. Για αυτό ακριβώς το λόγο το υποπρότυπο a συμπεριλαμβάνει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που κάνουν δυνατή τη μεταφορά φωνής και βίντεο αφού για να είναι εφικτή αυτή η μεταφορά χρειάζεται ένα χαμηλού φόρτου δίκτυο. Να σημειώσουμε εδώ ότι τα χαρακτηριστικά του MAC του a δίνουν τη δυνατότητα σε ένα χειριστή να παρέχει ταυτόχρονα υπηρεσίες σε επιχειρήσεις (υπηρεσίες τύπου τεχνολογίας Τ1) και σε σπίτια (υπηρεσίες τύπου καλωδιακής επικοινωνίας) χρησιμοποιώντας τον ίδιο σταθμό βάσης. Στο WiMAX έχουμε πολλές κατηγορίες κίνησης, οι οποίες διαφέρουν ως προς τις απαιτήσεις και έτσι διακρίνουμε τέσσερα είδη υπηρεσιών για τις οποίες το πρότυπο παρέχει QoS: Υπηρεσίες Ανεπίκλητης Χορηγίας (Unsolicited Data Grants UGS) : είναι υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπου γίνεται αποστολή πακέτων σταθερού μεγέθους, π.χ. VoIP, με υψηλές απαιτήσεις στην ποιότητα. Υπηρεσίες Πραγματικόχρονης Σταθμοσκόπησης (Real Time Polling Service rtps) : είναι υπηρεσίες πραγματικού χρόνου στις οποίες γίνεται αποστολή πακέτων μεταβλητού μεγέθους, π.χ. MPEG video. Μη Πραγματικόχρονες Υπηρεσίες Σταθμοσκόπησης (non-real Time Polling Service nrtps) : αποστολή πακέτων μεταβλητού μεγέθους που αποστέλονται σε μη πραγματικό χρόνο, π.χ. FTP. Εδώ έχουμε χαμηλότερες απαιτήσεις σε ποιότητα. Best Effort (BE) Service: εδώ ανήκει το Internet Protocol (IP) και δεν υπάρχει εγγυημένο QoS

44 3.9 Χρήσεις του WiMax, τοπολογίες και ρυθμοί μετάδοσης Χρήσεις Λόγω των μεγάλων αποστάσεων που καλύπτει και ταυτόχρονα τους υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης που μπορεί να παρέχει, το πρότυπο WiMAX βρίσκει πολλές εφαρμογές, λύνοντας σημαντικά προβλήματα που απασχολούσαν του τεχνικούς δικτύων σήμερα. Τρεις είναι οι βασικότερες χρήσεις του: Δίκτυο κορμού στα κυψελωτά συστήματα κινητής τηλεφωνίας: Η εισαγωγή του προτύπου αυτού αναμένεται να μειώσει σημαντικά το κόστος εξάπλωσης των δικτύων κινητής τηλεφωνίας μιας και αποτελεί μια οικονομικότερη πρόταση, αν συγκριθεί με την οπτική ίνα, για τις εταιρίες κινητής τηλεφωνίας. Εξασφαλίζει ταυτόχρονα αξιοπιστία και υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης που απαιτούν τα δίκτυα κορμού των κινητών δικτύων επικοινωνιών. Το a αποτελεί μία εξαιρετική λύση σε εταιρίες παροχής τέτοιων υπηρεσιών που τώρα δε θα είναι αναγκασμένες να μισθώνουν ενσύρματες γραμμές αλλά μπορούν με τη χρήση των ασύρματων κυψελών να παρέχουν φτηνό internet στους χρήστες. Οικιακή και SOHO υψηλής ταχύτητας πρόσβαση στο Διαδίκτυο: Σήμερα αυτός ο τομέας της αγοράς βασίζεται πρωτίστως στη διαθεσιμότητα του ADSL ή του καλωδίου. Σε μερικές περιοχές η διαθέσιμες υπηρεσίες μπορεί να μην ανταποκρίνονται στις προσδοκίες του αγοραστικού κοινού ως προς την απόδοση καθώς περιορίζονται σε χαμηλές dial-up συνδέσεις. Στις αναπτυσσόμενες χώρες υπάρχουν πολλές περιοχές όπου δεν υπάρχει με κανένα τρόπο σύνδεση στο Διαδίκτυο. Η ανάλυση θα δείξει ότι η τεχνολογία WiMAX καθιστά δυνατόν, ένας πάροχος να καλύψει αυτές τις περιοχές με καθόλου υπέρογκο κόστος και η εταιρεία του να είναι ιδιαίτερα επικερδής Broadband on Demand: Παρέχει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης κάνοντας εφικτή τη χρήση της τεχνολογίας για εφαρμογές πραγματικού χρόνου κάτι που με το πρότυπο ΙΕΕΕ σε μεγάλες αποστάσεις δεν ήταν εφικτό. Το πρότυπο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη μεγαλύτερη αξιοποίηση του Τα σπίτια ή τα γραφεία τα οποία έχουν μικρά LAN τα οποία χρησιμοποιούν το μπορεί να γίνουν σταθμοί για ένα WAN ειδικότερα σε περιοχές που η χρήση καλωδίων είναι εξαιρετικά δύσκολη. Εδώ μπαίνει ξανά το θέμα σύνδεσης στο internet ειδικότερα για εταιρίες οι οποίες χρειάζεται να μετακινούνται. Επίσης, η χρήση του μας απαλλάσσει από το πρόβλημα της εγκατάστασης καλωδιώσεων σε κτίρια τα οποία δεν είχε γίνει καμία προηγούμενη τέτοια εγκατάσταση και με πολύ χαμηλό κόστος. Επιπλέον μας δίνεται το πλεονέκτημα να διαμορφώσουμε τη σύνδεση μας σε πιο αργή ή πιο γρήγορη χωρίς καμία επιπλέον εγκατάσταση. Παρέχει κάλυψη σε περιοχές που είναι αδύνατο τα καλυφθούν με χρήση χαλκού ή οπτικής ίνας: Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν συμπλήρωμα δικτύων οπτικών ινών σε τμήματα του εδάφους στα οποία το κόστος εγκατάστασης και συντήρησης δικτύων οπτικών ινών είναι απαγορευτικό. Η ασύρματη τεχνολογία internet με τη χρήση του είναι μία φυσική επιλογή για απομακρυσμένες περιοχές. Μικρές και μεσαίου μεγέθους επιχειρήσεις: Ο τομέας αυτός του αγοραστικού κοινού πολύ συχνά, εξυπηρετείται από χαμηλής ποιότητας υπηρεσίες, αν εξαιρέσουμε τις υψηλά ανταγωνιστικές αστικές περιοχές. Η τεχνολογία WiMAX μπορεί με υψηλό συντελεστή

45 απόδοσης-κόστους να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις μιας μικρής ή μεσαίου μεγέθους επιχείρησης σε αραιοκατοικημένες περιοχές. Επίσης μπορεί να προσφέρει εξαιρετικά ανταγωνιστικές και οικονομικές λύσεις σε αστικές περιοχές με ADSL και μισθωμένες γραμμές υπηρεσιών. Σχ Αρχιτεκτονική WiMAX Τοπολογίες Το WiMΑΧ έχει δύο κύριες εφαρμογές: οι σταθερές εφαρμογές WiMΑΧ είναι Point-to- Multipoint επιτρέποντας την ευρυζωνική πρόσβαση στα σπίτια και τις επιχειρήσεις, ενώ κινητό WiMax προσφέρει την πλήρη κινητικότητα των κυψελοειδών δικτύων με τις αληθινές ευρυζωνικές ταχύτητες. Το WiMΑΧ σχεδιάστηκε κατά βάση ώστε να καλύπτει κυρίως Point-to-Multipoint (PTM) συνδέσεις χωρίς ωστόσο να αποκλείεται και η χρήση του για point to point συνδέσεις. Η διαμόρφωση η οποία χρησιμοποιείται ονομάζεται OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Πρόκειται για μια πολύ ανθεκτική διαμόρφωση σε ότι αφορά το φαινόμενο της πολυόδευσης ειδικότερα στις συχνότητες πάνω των 2 GHz όπου το πρότυπο χρησιμοποιεί. Συγκεκριμένα, αυτή η διαμόρφωση έχει πλεονεκτήματα στη ρυθμοαπόδοση, στη λανθάνουσα κατάσταση, τη φασματική αποδοτικότητα και την προηγμένη υποστήριξη κεραιών κάνοντάς το ικανό να παρέχει την υψηλότερη απόδοση από τις σημερινές ευρείες ασύρματες τεχνολογίες περιοχής. Παρακάτω παρουσιάζονται γραφικά οι point to point και οι Point-to-Multipoint συνδέσεις: Σχ Point-to-Point