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: Τηλεπικοινωνιών & Τεχνολογίας της Πληροφορίας ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ιωάννης Δ. Χαριτούδης Αριθμός Μητρώου: 6879 Θέμα «Διερεύνηση τεχνικών παραμέτρων για τη βέλτιστη διαχείριση πόρων και τη βέλτιστη ραδιοκάλυψη στα σύγχρονα ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα» Επιβλέπων Κωτσόπουλος Σταύρος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Απρίλιος 2013

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Διερεύνηση τεχνικών παραμέτρων για τη βέλτιστη διαχείριση πόρων και τη βέλτιστη ραδιοκάλυψη στα σύγχρονα ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ιωάννης Δ. Χαριτούδης Αριθμός Μητρώου: 6879 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Κωτσόπουλος Σταύρος Καθηγητής Φακωτάκης Νικόλαος Καθηγητής 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Διερεύνηση τεχνικών παραμέτρων για τη βέλτιστη διαχείριση πόρων και τη βέλτιστη ραδιοκάλυψη στα σύγχρονα ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα» Ο Φοιτητής Ο Επιβλέπων Χαριτούδης Ιωάννης Κωτσόπουλος Σταύρος Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ολοκληρωμένη παρουσίαση του προτύπου IEEE , που χρησιμοποιείται από το σύγχρονο ασύρματο ευρυζωνικό δίκτυο με την εμπορική ονομασία WiMAX και η εκπόνηση μίας μελέτης ράδιο-κάλυψης για τον προσδιορισμό των τεχνικών παραμέτρων, ώστε η εφαρμογή ενός τέτοιου δικτύου να προσφέρει τη βέλτιστη ράδιο-κάλυψη. Αρχικά γίνεται μια εισαγωγική παρουσίαση των ασύρματων τεχνολογιών, που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα για την πρόσβαση στις ευρυζωνικές υπηρεσίες και παρατίθενται στατιστικά στοιχεία, που απεικονίζουν την κατάσταση που επικρατή στον ελλαδικό χώρο. Στη συνέχεια καταγράφεται η ανάπτυξη και η εξέλιξη του προτύπου IEEE και γίνεται αναφορά στο ρόλο που διαδραματίζουν το WiMAX Forum και οι επίσημοι κατασκευαστές. Προχωρώντας, εμβαθύνουμε περισσότερο με την παρουσίαση της αρχιτεκτονικής των δικτύων WiMAX, αλλά και των τεχνικών χαρακτηριστικών και των προδιαγραφών, που αυτά προσφέρουν και τα έχουν καταστήσει πρωτοπόρα στην εμπορική αγορά των ασύρματων επικοινωνιών. Τέλος, εκπονούμε μία λεπτομερή μελέτη για τη βέλτιστη ράδιο-κάλυψη σε μία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή, σύμφωνα με τις προδιαγραφές της τεχνολογίας WiMAX και προσδιορίζουμε την ποιότητα των υπηρεσιών που θα μπορεί να προσφέρει το δικτύου WiMAX, στηριζόμενοι στα αποτελέσματα της μελέτης. 4

5 Abstract The subject of this thesis is the complete presentation of the standard IEEE , which is used by the modern wireless broadband network under the trade name WiMAX and the conduction of a radio coverage study to determine the technical parameters, so that the implementation of such a network can offer the optimal radio coverage. First, we make an introduction of wireless technologies used for access to broadband services and we present statistics that reflect the real market condition in Greece. Then we record the development and the progress of the IEEE standard and we also make a small reference to the role of the WiMAX Forum and the official manufacturers. In depth, we analyze the architecture of WiMAX networks and all the technical features and specifications, which make the WiMAX technology a pioneer and have consolidate it in the market of wireless communications. Finally, we work out a detailed study on the optimal radio coverage in a specific geographic area, in accordance with the requirements of WiMAX technology and furthermore we estimate the quality of services that can be provided by the WiMAX network, relying on the results of the simulation. 5

6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να αποδώσω τις ευχαριστίες μου σε όλους όσους συνέβαλαν με το έναν ή τον άλλο τρόπο στην ολοκλήρωση αυτής της εργασίας. Πρώτα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα αυτής της εργασίας και καθηγητή μου κ. Κωτσόπουλο Σταύρο, για την καθοδήγηση και την βοήθειά του, αλλά ακόμη περισσότερο για την όρεξη, την αμεσότητα και τη μεταδοτικότητά του κατά τη διδασκαλία των μαθημάτων του όλα αυτά τα χρόνια. Έπειτα, θα ήθελα να ευχαριστήσω του φίλους και συναδέλφους μου, με τους οποίους μοιράστηκα ευχάριστες στιγμές, με βοήθησαν να ξεπεράσω δυσκολίες και ήταν πάντα δίπλα μου. Τέλος, οφείλω το μεγαλύτερο ευχαριστώ στους γονείς μου, Δημήτρη και Χαρά και στην αδερφή μου Κωνσταντινιά, για την στήριξη, τη συμπαράσταση και την ενθάρρυνσή τους, κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Χαριτούδης Ιωάννης, Απρίλιος

7 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα 1.1 Εισαγωγή Ευρυζωνικότητα στην Ελλάδα Καινοτόμα χαρακτηριστικά δικτύων WiMAX Σύγκριση με άλλες τεχνολογίες Σύγκριση WiMAX με 3G Σύγκριση WiMAX με LTE Σύγκριση WiMAX με Wi-Fi Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο IEEE Εισαγωγή Το πρότυπο IEEE Το πρότυπο IEEE Το πρότυπο IEEE c Το πρότυπο IEEE a Το πρότυπο IEEE d Το πρότυπο IEEE Το πρότυπο IEEE e Το πρότυπο IEEE m Ζώνες συχνοτήτων Αδειοδοτημένη ζώνη συχνοτήτων Μη αδειοδοτημένη ζώνη συχνοτήτων Το WiMAX Forum Στόχος του WiMAX Forum WiMAX Forum Certified Κεφάλαιο 3 Αρχιτεκτονική Δικτύων WiMAX 3.1 Εισαγωγή Βασική τοπολογία δικτύων WiMAX Τοπολογία σημείου προς πολλαπλά σημεία (PMP) Αρχιτεκτονική δικτύων WiMAX Λειτουργικές οντότητες δικτύου Σημεία αναφοράς της αρχιτεκτονικής δικτύου Λειτουργικές οντότητες ASN Προφίλ του δικτύου πρόσβασης υπηρεσιών (ASN) Εφαρμογές του WiMAX Πλεονεκτήματα του WiMAX Κεφάλαιο 4 Τεχνικά χαρακτηριστικά και προδιαγραφές WiMAX 4.1 Εισαγωγή Πρόσβαση και πολυπλεξία Αρχή λειτουργίας OFDM OFDMA και SOFDMA Έξυπνες κεραίες Προσαρμοσμένη διαμόρφωση και κωδικοποίηση Ασφάλεια και κρυπτογράφηση Διαδικασία εισόδου στο δίκτυο Κρυπτογράφηση DES 3DES

8 AES TLS KMP Πιστοποιητικά X EAP Αλγόριθμοι ελέγχου ισχύος Κεφάλαιο 5 Οργάνωση και προμελέτη ράδιο-κάλυψης 5.1 Εισαγωγή Παρουσίαση της εξειδικευμένης εφαρμογής Μοντέλο Longley Rice Εδαφικά δεδομένα Digital Terrain Elevation Data DTED Shuttle Radar Topography Mission SRTM Σύγκριση και επιλογή εδαφικών δεδομένων Έλεγχος καθαρότητας 1 ης ζώνης Fresnel Οριοθέτηση περιοχής Επισκόπηση περιοχής (Site survey) Παρουσίαση εξοπλισμού Προσδιορισμός παραμέτρων συστήματος Παρουσίαση τοπολογίας δικτύου Κεφάλαιο 6 Μελέτη ράδιο-κάλυψης 6.1 Εισαγωγή Έλεγχος μικροκυματικών ζεύξεων Εξομοίωση ράδιο-κάλυψης Παρουσίαση αποτελεσμάτων ράδιο-κάλυψης Διαφοροποιήσεις σχεδιασμού και λοιπές επισημάνσεις Προσδιορισμός ποιότητας υπηρεσιών Αναφορές Βιβλιογραφία

9 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα θεμέλια των ασύρματων επικοινωνιών τέθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, όταν έπαψαν πλέον να αποτελούν απλά ένα κομμάτι της ερευνητικής κοινότητας και πέρασαν στην εφαρμογή ως μία πειραματικά αναπτυσσόμενη τεχνολογία. Έκτοτε η ασύρματη τεχνολογία άρχισε συνεχώς να εξελίσσεται και έφτασε σήμερα να θεωρείται δεδομένη για την κάλυψη των τηλεπικοινωνιακών αναγκών. Καθοριστικό ρόλο σε αυτό έπαιξε η ραγδαία και παράλληλη ανάπτυξη του διαδικτύου, που σε συνδυασμό με τις ασύρματες τεχνολογίες δημιούργησαν ένα ισχυρό εμπορικό υπόβαθρο και εδραίωσαν των τομέα των τηλεπικοινωνιών στους κόλπους των τεχνολογικών επιστημών αλλά και της διεθνής αγοράς. Η συντριπτική πλειοψηφία των σημερινών χρηστών πλοηγείται στο διαδίκτυο μέσω του σταθερού καλωδιακού δικτύου. Η πρόσβαση στο Internet μέσω ενσύρματων δικτύων μπορεί να παρουσιάζει ως πλεονέκτημα την υψηλή σταθερότητα της σύνδεσης, ωστόσο περιορίζει σημαντικά την ευελιξία του χρήστη, ο οποίος θα πρέπει να βρίσκεται σε ένα σταθερό σημείο προκειμένου να χρησιμοποιήσει τις υπηρεσίες του διαδικτύου. Γι αυτό το λόγο η ασύρματη δικτύωση γνωρίζει σημαντική απήχηση σε παγκόσμια κλίμακα. Η τεχνολογία Wi-Fi (κατηγορία προτύπων IEEE ), που αποτελεί έναν από τους δημοφιλέστερους τρόπους ασύρματης σύνδεσης ενός χρήστη με το Internet, είναι ιδιαίτερα εύχρηστη και αποτελεσματική αλλά δεν έφερε την πραγματική επανάσταση, κάτι που οφείλεται κατά κύριο λόγο στην περιορισμένη εμβέλεια της κάλυψης που προσφέρει. Στην πραγματικότητα η συγκεκριμένη τεχνολογία αξιοποιήθηκε κυρίως για τη σύνδεση ηλεκτρικών υπολογιστών και δρομολογητών (routers) σε οικιακούς ή επαγγελματικούς χώρους, αφού η εμβέλειά του περιορίζεται στα 100 μέτρα. Προσπάθειες έγιναν επίσης για την κάλυψη εκτεταμένων γεωγραφικών περιοχών με ισχυρότερα παραδείγματα τα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα της Αθήνας αλλά και της Θεσσαλονίκης (Athens Wireless Metropolitan Network AWMN & Thessaloniki's Wireless Metropolitan Network - TWMN), τα οποία αποτελούν ερασιτεχνικές προσπάθειες και στηρίζονται στα πρότυπα a,b και g του Wi-Fi. Όμως ούτε κάτι τέτοιο ευδοκίμησε και φυσικά δεν υποστηρίχτηκε σαν λύση από καμία εταιρία παροχής ευρυζωνικών υπηρεσιών. Τα παραπάνω δίκτυα όμως παρουσιάζουν κάποια βασικά μειονεκτήματα, τα οποία τα καθιστούν ως μία προσωρινή λύση. Κύριο μειονέκτημα τους είναι ότι έχουν σχεδιαστεί ώστε να εξυπηρετούν ανάγκες μετάδοσης φωνής. Αυτό συνεπάγεται πολύ χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης που βρίσκονται οριακά εντός της σημασίας του όρου ευρυζωνικότητα. Ένας ακόμη πολύ ισχυρός αποτρεπτικός παράγοντας είναι το υψηλό κόστος, το οποίο καλείται να καταβάλει ο συνδρομητής, κάτι που θέτει αυτόν τον τρόπο ασύρματης πρόσβασης στο διαδίκτυο ως μία εναλλακτική λύση ανάγκης. Αυτό 9

10 καταδεικνύεται και από τον τρόπο χρέωσης που χρησιμοποιείται από τις εταιρίες, ο οποίος στην πλειοψηφία τον περιπτώσεων δεν αφορά μόνο την κοστολόγηση του μέγιστου ρυθμού μετάδοσης αλλά και του όγκου των διακινούμενων δεδομένων (ογκοχρέωση). Η μειωμένη χρήση των δικτύων κινητών επικοινωνιών για την εξυπηρέτηση υπηρεσιών ευρυζωνικότητας καταγράφεται και στα επίσημα στοιχεία της Εθνικής Επιτροπής Τηλεπικοινωνιών & Ταχυδρομείων (ΕΕΤΤ) για το δεύτερο τρίμηνο του 2012, όπου ο αριθμός των ενεργών συνδρομητών κινητών τηλεπικοινωνιών 3 ης γενιάς (3G) που αξιοποίησαν υπηρεσίες δεδομένων 3G έφτασε τους , δηλαδή μόλις το 3,45% του συνόλου των συνδρομητών που χρησιμοποιούν ευρυζωνικές υπηρεσίες. Όλα τα παραπάνω καθιστούν σαφή την ανάγκη για τη δημιουργία ενός ασύρματου δικτύου, το οποίο θα σχεδιαστεί ώστε να καλύπτει τις ανάγκες των κινητών χρηστών για ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο με φτηνό κόστος, υψηλή ποιότητα υπηρεσιών και σε εκτεταμένη γεωγραφική κάλυψη. Η ανάγκη αυτή έγινε γρήγορα αντιληπτή από την αντίστοιχη επιστημονική και εμπορική κοινότητα, η οποία αντέδρασε και προχώρησε αρχικά στον αναλυτικό προσδιορισμό όλων εκείνων των συνθηκών και των παραμέτρων που απαιτούνταν για τη δημιουργία μίας σύγχρονής ασύρματης ευρυζωνικής τεχνολογίας που θα αποτελούσε το επόμενο βήμα στον τομέα των τηλεπικοινωνιών. Η τεχνολογία αυτή σύντομα απέκτησε και επίσημη επιστημονική διατύπωση ως ένα παγκόσμιο πρότυπο (standard) από το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (Institute of Electrical and Electronics Engineers - ΙΕΕΕ). Το εν λόγο πρότυπο είναι το IEEE για το οποίο χρησιμοποιείται η εμπορική ονομασία Worldwide Interoperability for Microwave Access WiMAX και αποτελεί το αντικείμενο μελέτης της κείμενης διπλωματικής εργασίας. Γενικά, η δημιουργία και η ανάπτυξη των ασύρματων ευρυζωνικών δικτύων θα πρέπει να έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Ικανότητα να μεταφέρουν φωνή και δεδομένα με πακετική οργάνωση. Εξασφάλιση διαλειτουργικότητας μεταξύ κινητών μονάδων με διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά Διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων απαλλαγμένο από παρεμβολές Ιστορικά, η εμπορική υπηρεσία που συντέλεσε στη γρήγορη ανάπτυξη τόσο των ενσύρματων, όσο και των ασύρματων δικτύων είναι η ανάγκη για επικοινωνία μέσω της μετάδοσης φωνής σε πραγματικό χρόνο. Επομένως, στην προσπάθεια για δημιουργία ενός σύγχρονου ασύρματου ευρυζωνικού δικτύου θα πρέπει να συμπεριληφθεί και αυτή η πάγια πλέον ανάγκη των χρηστών. Παρ όλα αυτά, σήμερα υπάρχουν δύο σημαντικές μακροχρόνιες τάσεις στην αγορά των τηλεπικοινωνιών. Πρώτον, η ζήτηση για προϊόντα και υπηρεσίες δεδομένων μεγαλώνει αισθητά πιο γρήγορα από τη ζήτηση για προϊόντα και υπηρεσίες φωνής. Δεύτερον, και οι δύο προηγούμενες ανάγκες των καταναλωτών αναπτύσσονται και εξελίσσονται, συνεχίζοντας να προσφέρουν μεγάλα κέρδη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα ασύρματα δίκτυα που είναι στη βάση τους προσανατολισμένα για την εξυπηρέτηση αναγκών φωνής, να παρουσιάζουν 10

11 ανεπτυγμένες δυνατότητες και για μεταφορά δεδομένων και σε αντιστοιχία, τα σύγχρονα ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα που σχεδιάστηκαν με κυρίαρχο στόχο τους τη μεταφορά δεδομένων, να μπορούν με ευκολία να καλύψουν ανάγκες μεταφοράς φωνής σε πραγματικό χρόνο. Λογικό επακόλουθο όλων αυτών είναι να αναπτύσσεται ένας υγιείς ανταγωνισμός μεταξύ των εταιριών που αναλαμβάνουν την έρευνα και την ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων, με αποτέλεσμα ο τελικός χρήστης να απολαμβάνει υψηλής ποιότητας προϊόντα. Όλα τα παραπάνω μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η ιδανική ασύρματη τεχνολογία θα πρέπει να είναι ικανή να μεταφέρει φωνή, ήχο, εικόνα, βίντεο καθώς και δεδομένα με την ίδια επιτυχία και ποιότητα. Πρωταρχικός στόχος των εταιριών που δραστηριοποιούνται στις ασύρματες τεχνολογίες επομένως αποτελεί αυτό που στη γλώσσα του μάνατζμεντ ονομάζεται «triple play». Ωστόσο όμως, παρ ότι κάτι τέτοιο μπορεί να ακούγεται εύκολο, προκύπτει η ικανοποίηση αντικρουόμενων τεχνικών διαφορών. Μια τέτοια βασική διαφορά είναι ότι ενώ στη μετάδοση δεδομένων δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην επίτευξη υψηλών ρυθμών (throughput), αδιαφορώντας σε μεγάλο βαθμό για την καθυστέρησή τους, στη μετάδοση φωνής και βίντεο σε πραγματικό χρόνο απαιτείται ένας ελάχιστος ρυθμός μετάδοσης αλλά το σημαντικότερο είναι ο μηδενισμός της καθυστέρησης του σήματος. Στην επίλυση τέτοιων τεχνικών προβλημάτων γίνεται μεγάλη προσπάθεια από την ομάδα του IEEE 802, ώστε να φτάσουμε όσο το δυνατόν πιο κοντά στο ιδανικό πρότυπο ασύρματης επικοινωνίας. 1.2 ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟΤΗΤΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Τα παρακάτω στοιχεία (εικόνα 1.1) παρουσιάζουν την πορεία της ευρυζωνικότητας στον Ελλαδικό χώρο σύμφωνα με την τρίμηνη αναφορά της Εθνικής Επιτροπής Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων (ΕΕΤΤ Β Τρίμηνο 2012). Όπως φαίνεται από το παρακάτω διάγραμμα, οι ευρυζωνικές ενσύρματες συνδέσεις τον Ιούνιο του 2012 ανήλθαν στις ,έναντι που ήταν στο τέλος του Μαρτίου του ίδιου έτους. Η αύξηση αυτή αποτελεί σε ποσοστό το 2% του ρυθμού εξέλιξης των ευρυζωνικών συνδέσεων. Αξίζει να σημειωθεί ότι η πλειονότητα των γραμμών (περίπου το 59%) αντιστοιχεί σε ονομαστικές ταχύτητες άνω των 10 Mbps. Το 14% των γραμμών αντιστοιχεί σε μεσαίες ταχύτητες μεταξύ 2 και 10 Mbps, ενώ το υπόλοιπο 27% σε μικρές ταχύτητες που δεν υπερβαίνουν τα 2 Mbps. Επίσης μεταξύ αυτών, συγκαταλέγονται και 680 γραμμές τεχνολογίας Very-high-bitrate Digital Subscriber Line (VDSL), με ρυθμούς μετάδοσης από 35 έως 50 Mbps. 11

12 Εικόνα Εξέλιξη των ευρυζωνικών συνδέσεων στην Ελλάδα Σύμφωνα με την ίδια αναφορά από την ΕΕΤΤ για την πορεία της αγοράς ηλεκτρονικών επικοινωνιών στην Ε.Ε., το ποσοστό ευρυζωνικής διείσδυσης της Ελλάδας την 31/12/2011 ήταν το έβδομο από το τέλος σε σειρά κατάταξης μεταξύ των 27 κρατών μελών της Ε.Ε.. Ακόμη και με τα νεώτερα στοιχεία του Ιουνίου του 2012, η Ελλάδα παραμένει αρκετά πίσω από τον ευρωπαϊκό μέσο όρο, αφού κατέχει την ένατη θέση από το τέλος, εντούτοις η απόσταση της από τον ευρωπαϊκό μέσο όρο εξακολουθεί να είναι μεγάλη (εικόνα 1.2). Εικόνα Ευρυζωνική διείσδυση στην Ευρωπαϊκή Ένωση 12

13 Τέλος, στη 14 η έκθεση της Ευρωπαϊκής Επιτροπής (δημοσίευση του 2009) για την πορεία της αγοράς ηλεκτρονικών επικοινωνιών στην Ευρώπη προκύπτει το συμπέρασμα ότι η χρήση της κινητής τηλεφωνίας (δίκτυα 2 ης και 3 ης γενιάς) παρουσιάζει έντονη δυναμική, αφού η διείσδυση της κινητής τηλεφωνίας στην Ελλάδα βρίσκεται στο 122% έναντι του 119% του Ευρωπαϊκού μέσου όρου. Ωστόσο όμως η δυναμική αυτή στηρίζεται σχεδόν εξολοκλήρου στην προσφορά υπηρεσιών τηλεφωνίας, αφού το ποσοστό χρήσης των δικτύων αυτών για την εξυπηρέτηση υπηρεσιών ευρυζωνικότητας μόλις που ξεπερνά το 3%. Το πρόβλημα εντοπίζεται κυρίως στα υψηλά τέλη τερματισμού των δικτύων κινητής τηλεφωνίας, που ανέρχεται περίπου στα 8 ευρωλεπτά/λεπτό έναντι των 8,5 ευρωλεπτών/λεπτό του Ευρωπαϊκού μέσου όρου (εικόνα 1.3). Επίσης επισημαίνονται τα σοβαρά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι εταιρίες κατά την εγκατάσταση κεραιών, που δυσχεραίνουν σημαντικά την ανάπτυξη ασύρματων δικτύων. Οι κύριες πηγές των προβλημάτων αυτών είναι κυρίως η μη ορθή εφαρμογή της σχετικής νομοθεσίας από πολλούς δημόσιους φορείς αλλά και το ρυθμιστικό πλαίσιο που θέτει ιδιαίτερα χρονοβόρες διαδικασίες, όπως π.χ. η υποχρέωση για πολύπλοκες περιβαλλοντικές μελέτες. Εικόνα Τέλη τερματισμού στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας στα κράτη μέλη της Ε.Ε. 1.3 ΚΑΙΝΟΤΟΜΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ WIMAX Γενικά το WiMAX θεωρείται ως μία 4 ης γενιάς ασύρματης πρόσβασης τεχνολογία, που παρέχει σπουδαία πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες ασύρματης πρόσβασης. Τα πλεονεκτήματα αυτά πηγάζουν από μία σειρά καινοτόμων χαρακτηριστικών που υιοθετεί το WiMAX και κάποια από αυτά είναι κοινά και απαραίτητα για τον χαρακτηρισμό της τεχνολογίας αυτής ως 4 ης γενιάς. Τα χαρακτηριστικά αυτά θεωρούνται καινοτόμα και χρήζουν ιδιαίτερης αναφοράς είναι τα ακόλουθα: 13

14 1. Ορθογώνια Πολυπλεξία με Διαίρεση στη Συχνότητα Με τη χρήση της διαμόρφωσης ορθογώνιας πολυπλεξίας με διαίρεση στη συχνότητα (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM), η οποία αναλύεται εκτενώς σε επόμενο κεφάλαιο, βελτιώνεται σημαντικά η επίκοινωνία κάτω από συνθήκες πολυδιαδρομικής διάδοσης (multipath propagation), ενώ παράλληλα επιτρέπει στο WiMAX δίκτυο να λειτουργεί κάτω από συνθήκες διάδοσης μη οπτικής επαφής (Non Line Of Sight - NLOS). Ειδικότερα επιτυγχάνεται: Αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος Αξιοπιστία στην επικοινωνία Πολύ καλή λειτουργία κάτω από συνθήκες πολυδιαδρομικής διάδοσης Σε κάθε χρήστη αποδίδεται ο κατάλληλος ρυθμός μέσω OFDMA Θωράκιση έναντι των παρεμβολών, λόγω της στενής ζώνης των καναλιών Καλύτερη αποδιαμόρφωση και κατ επέκταση καλύτερη αξιοποίηση του καναλιού. 2. Υψηλοί Ρυθμοί Μετάδοσης Οι προδιαγραφές του δικτύου ορίζουν λειτουργία με εύρος ζώνης που μπορεί να φτάσει τα 20 MHz, ενώ ο ρυθμός μετάδοσης στο φυσικό στρώμα μπορεί να φτάσει τα 70 Mbps και να τα ξεπεράσει με τη χρήση τεχνικών πολλαπλών κεραιών (multiple antenna techniques). 3. Μεταβλητό Εύρος Ζώνης-Ρυθμού Μετάδοσης Ανάλογα με το ελεύθερο διαθέσιμο εύρος ζώνης, το σύστημα έχει την ικανότητα να προσαρμόζει το είδος των ταχέων μετασχηματισμών Fourier (Fast Fourier Transform - FFT), κάτι που έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη του βέλτιστου ρυθμού μετάδοσης για τον κάθε χρήστη ξεχωριστά. 4. Προσαρμοστική Διαμόρφωση Κωδικοποίηση Ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι μετάδοσης και με κριτήριο τους λόγους σήματος προς θόρυβο (Signal to Noise Ratio - SNR) και σήματος προς παρεμβολή (Signal to Interference Ratio - SIR), τόσο η διαμόρφωση, όσο και η κωδικοποίηση αλλάζουν, επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο το μέγιστο ρυθμό μετάδοσης σύμφωνα με το προφίλ του ραδιοδιαύλου του κάθε χρήστη (εικόνα 1.4). Εικόνα Προσαρμοστική Διαμόρφωση Κωδικοποίηση 14

15 5. Επαναμεταδόσεις Πακέτων Η τεχνολογία WiMAX υποστηρίζει την επαναμετάδοση πακέτων μέσω του μηχανισμού Αυτόματης Αίτησης Επανάληψης (Automatic Repeat request - ARQ) ή του υβριδικού ARQ (H-ARQ), ώστε να εξασφαλίζεται η αξιοπιστία της μετάδοσης των δεδομένων. 6. Υποστήριξη της Αμφιδρόμησης με Διαίρεση Χρόνου-Συχνότητας Η τεχνολογία WiMAX υιοθετεί την αμφίδρομη επικοινωνία με διαίρεση χρόνου (Time Division Duplex - TDD). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την καλύτερη διαχείριση των καναλιών, τόσο στη ζεύξη ανόδου (Uplink - UL) όσο και στη ζεύξη καθόδου (Downlink - DL). 7. Υποστήριξη αναβαθμισμένων τεχνικών κεραιών Η χρήση έξυπνων συστημάτων με πολλαπλές κεραίες είναι μία πρόσφατη τεχνολογική εφαρμογή, η χρήση της οποίας προσφέρει θεαματικά αποτελέσματα στην αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος.. 8. Υποστήριξη διαφορετικής ποιότητας υπηρεσιών Το WiMAX μπορεί να υποστηρίξει ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, όπως για παράδειγμα εφαρμογές πραγματικού χρόνου και ανάλογα με τις απαιτήσεις του κάθε χρήστη να προσαρμόσει το ρυθμό μετάδοσης, εκτός της ήδη υπάρχουσας βέλτιστης προσπάθειας. Επίσης έχει σχεδιαστεί ώστε να εξυπηρετεί πολλούς χρήστες με πολλαπλές συνδέσεις ανά τερματικό, η κάθε μία με τη δική της ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service - QoS). 9. Ασφάλεια Μέσω του επονομαζόμενου «Προηγμένου Προτύπου Κρυπτογράφησης» (Advanced Encryption Standard - AES) και του «Τριπλού Προτύπου Κρυπτογράφησης Δεδομένων» (Triple Data Encryption Standard 3DES), το WiMAX εγγυάται την αξιόπιστη κρυπτογράφηση και ασφαλή μετάδοση των δεδομένων. Τέλος, μέσω του «Επεκτάσιμου Πρωτοκόλλου Πιστοποίησης (Extensible Authentication Protocol - EAP) παρέχει ένα ευέλικτο και γρήγορο σύστημα αναγνώρισης των πιστοποιημένων συνδρομητικών συσκευών, που ζητούν πρόσβαση στο δίκτυο. 10. Υποστήριξη κινητικότητας Η τεχνολογία WiMAX έχει επίσης τις προδιαγραφές να χρησιμοποιηθεί με κυψελωτο σχεδιασμό και να υποστηρίξει βασικές λειτουργίες κυψελωτών δικτύων, όπως είναι η μεταπομπή (Handoff ή Handover) και η περιαγωγή (Roaming). Επιπλέον, στο φυσικό στρώμα (Physical Layer - PHY) υποστηρίζονται λειτουργίες όπως είναι η συχνή εκτίμηση του καναλιού, ο έλεγχος ισχύος και η υποκαναλικοποίηση των ζεύξεων. 11. Αρχιτεκτονική IP Η μετάδοση των δεδομένων στα δίκτυα WiMAX ακολουθεί την IP αρχιτεκτονική. Αυτό καθιστά την τεχνολογία WiMAX συμβατή με όλες τις υπόλοιπες σύγχρονες τεχνολογίες δικτύων, καθώς δεν απαιτούνται ειδικές διεπαφές για την μετατροπή της πληροφορίας κατά την κίνησή της από δίκτυο σε δίκτυο. 15

16 1.4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΆΛΛΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Υπηρεσίες ασύρματης ευρυζωνικής πρόσβασης μπορούν επίσης να προσφερθούν και από άλλες τεχνολογίες, όπως τα δίκτυα UMTS (3G), LTE (4G) και το Wi-Fi. Το γεγονός αυτό καθιστά τις τελευταίες ως ανταγωνίστριες της τεχνολογίας WiMAX. Η επιλογή του είδους της τεχνολογίας που θα χρησιμοποιηθεί επαφίεται στην κρίση του τηλεπικοινωνιακού μηχανικού, οποίος θα πρέπει να γνωρίζει της δυνατότητες και τις διαφορές της κάθε τεχνολογίας. Συνήθως, το πρώτο ερώτημα που πρέπει να απαντήσει ένας μηχανικός, είναι ο προσδιορισμός του εύρους ζώνης του καναλιού του δικτύου. Η επιλογή αυτή παίζει καθοριστικό ρόλο, αφού καθορίζει και δευτερεύοντες παράγοντες του δικτύου. Όσον αφορά λοιπόν το εύρος καναλιού, η τεχνολογία WiMAX αποτελεί μια ευέλικτη λύση, καθώς για το εύρος ζώνης καναλιού διαθέτει διαφορετικές επιλογές, σε αντίθεση με την τεχνολογία UMTS (3G), στην οποία το εύρος ζώνης του καναλιού είναι σταθερό. Ένα ακόμη συγκριτικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας WiMAX αλλά και του Wi-Fi έναντι του 3G είναι η OFDM διαμόρφωση, η οποία προσφέρει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης και μεγαλύτερη χωρητικότητα συστήματος από την CDMA (Code Division Multiple Access - CDMA), που χρησιμοποιείται από το 3G. Επιπλέον, η χρήση έξυπνων κεραιοσυστημάτων πολλαπλών κεραιών από το WiMAX αυξάνει τη φασματική απόδοση του συστήματος. Επιπρόσθετα, η δυναμική προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης τόσο της κάτω ζεύξης (Downlink DL) όσο και της άνω(uplink UL) για κάθε χρήστη ξεχωριστά, δείχνει την αποτελεσματικότερη διαχείριση του διαθέσιμου φάσματος. Τέλος, το σπουδαιότερο πλεονέκτημα του WiMAX είναι το χαμηλό κόστος του, που οφείλεται στην χρήση απλούστερων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων λόγω IP αρχιτεκτονικής. Σε αντίθεση με το 3G, το οποίο διαθέτει ένα ξεχωριστό και περίπλοκο δίκτυο κορμού για φωνή και δεδομένα, το WiMAX απλοποιεί το δίκτυο κορμού με τη χρήση της IP αρχιτεκτονικής και το κάνει εύκολα συμβατό με άλλα δίκτυα. Στο διάγραμμα που ακολουθεί (εικόνα 1.5) προσδιορίζεται ποιοτικά η θέση των διάφορων τεχνολογιών ασύρματων ευρυζωνικών δικτύων συναρτήσει των θεωρητικών μέγιστων ρυθμών που μπορούν να υποστηρίξουν και της θεωρητικής μέγιστης εμβέλειάς τους. Εικόνα Σύγκριση των τεχνολογιών Wi-Fi, 3G και WiMAX 16

17 1.4.1 ΣΥΓΚΡΙΣΗ WIMAX ΜΕ 3G Οι τεχνικές διαφορές ανάμεσα στα συστήματα WiMAX και 3G είναι πολλές και σημαντικές, κάτι που οφείλεται στο διαφορετικό σχεδιαστικό προσανατολισμό που έχουν τα δύο δίκτυα, αφού οι βασικές υπηρεσίες που καλούνται να εξυπηρετήσουν απαιτούν διαφορετικές προδιαγραφές. Ένας ακόμη παράγοντας που συμβάλει στην όξυνση της διαφορετικότητάς τους είναι ότι ο αρχικός σχεδιασμός των δύο αυτών τεχνολογιών άρχισε σε διαφορετικές τεχνολογικά- χρονικές περιόδους. Ξεκινώντας από τα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου ξεχωρίζουμε τις διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων στις οποίες λειτουργεί το σύστημα WiMAX. Όπως αναφέρεται και στην ονομασία του, το WiMAX χρησιμοποιεί μικροκύματα τα οποία ανήκουν στις συχνότητες των 2.3, 2.5, 3.5 και των 5.8 GHz σε αντίθεση με το σύστημα UMTS (3G) που λειτουργεί στα 2.1 GHz. Αυτό κατ επέκταση σημαίνει ότι λόγο της αύξησης της απορροφητικότητας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα όσο αυξάνεται η συχνότητά της, μπορεί να απαιτηθούν περισσότερες κυψέλες σε σύγκριση με το 3G δίκτυο. Μία ακόμη σημαντική διαφορά είναι η ανθεκτικότητα των δικτύων WiMAX στις παρεμβολές λόγω των πολλαπλών διαδρόμων και στις επιλεκτικές διαλείψεις ως προς τη συχνότητα. Αυτό οφείλεται στην εξελιγμένη μέθοδο της ορθογώνιας διαμόρφωσης με διαίρεση στη συχνότητα (OFDMA), η οποία λειτουργεί καλύτερα από την αντίστοιχη διαμόρφωση κατά κώδικα (CDMA), που χρησιμοποιούν τα δίκτυα 3G, σε ένα περιβάλλον πολλαπλών διαδρόμων, δεδομένου ότι υπερνικούν πιο εύκολα τη διασυμβολική παρεμβολή (Inter-Symbol Interference ISI). Όσον αφορά τις επιλεκτικές διαλείψεις, η διαμόρφωση OFDMA είναι ανθεκτικότερη, αφού η παράλληλη φύση της επιτρέπει τη διόρθωση των λαθών που παρουσιάζονται στα υποφέροντα. Ωστόσο όμως η OFDMA παρουσιάζεται πιο ευαίσθητη στη μετατόπιση συχνότητας και το θόρυβο φάσης, που έχει επίπτωση στην παρεμβολή μεταξύ φερόντων (Inter Carrier Interference - ICI), αν και αυτό μπορεί εύκολα να εξαλείφει με τη χρήση των διαστημάτων φύλαξης (guard bands). Επίσης δεδομένου ότι τα σύμβολα OFDMA είναι μεγαλύτερα σε διάρκεια από τα σύμβολα CDMA, ένας παλμικός θόρυβος (impulse noise) δεν έχει την ίδια επίδραση. Εν τέλει, με την τεχνολογία WiMAX μπορεί να μειωθεί ο ρυθμός εμφάνισης εσφαλμένου bit πληροφορίας (Bit Error Rate - BER). Τέλος, η τεχνική OFDMA μπορεί να βελτιώσει περαιτέρω το πλεονέκτημά της σε σχέση με τη CDMA διαμόρφωση, μέσω της εφαρμογής της προσαρμοστικής διαμόρφωσης και κωδικοποίησης (Adaptive Modulation and Coding - AMC) στο επίπεδο των υποφερόντων. 17

18 1.4.2 ΣΥΓΚΡΙΣΗ WIMAX ΜΕ LTE Γίνεται λοιπόν απολύτως εμφανές ότι η τεχνολογία των συστημάτων 3 ης γενιάς (3G) αδυνατεί να καλύψει τις ανάγκες για ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση με μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης και υψηλή ποιότητα υπηρεσιών. Αυτό έγινε γρήγορα αντιληπτό από τον οργανισμό 3 rd Generation Partnership Project 3GPP, ο οποίος δημιούργησε ένα καινούριο πρότυπο βασισμένο στα κλασικά πρότυπα GSM/EDGE και UMTS/HSPA των κινητών επικοινωνιών, με στόχο την αύξηση των ρυθμών μετάδοσης των δεδομένων για τα κινητά τηλέφωνα αλλά και τους τερματικούς σταθμούς. Το καινούριο αυτό πρότυπο έχει την εμπορική ονομασία «Long Term Evolution LTE» και ο βασικός κορμός της προσπάθειας αυτής στηρίζεται στη βελτίωση της ταχύτητας και της χωρητικότητας του δικτύου μέσω της προσθήκης ενός συνόλου ράδιο-διεπαφών σε συνδυασμό με ένα πιο εξελιγμένο δίκτυο κορμού. Η τεχνολογία αυτή τηρεί τις τεχνικές παραμέτρους της Παγκόσμιας Ένωσης Τηλεπικοινωνιών στον τομέα των ράδιοεπικοινωνιών (International Telecommunication Union for Radiocommunications ITU- R), που περιγράφονται από τις επίσημα δημοσιευμένες προδιαγραφές που πρέπει να εκπληρώνει κάποιο πρότυπο (International Mobile Telecommunications-Advanced - IMT-Advanced), ώστε να θεωρηθεί ότι ανήκει στα δίκτυα 4 ης γενιάς, όπως συμβαίνει και με το WiMAX. Το συγκριτικό πλεονέκτημα των δικτύων LTE είναι ότι αποτελούν την μετεξέλιξη των δικτύων 3 ης γενιάς, αφού κληρονομούν τη βασική τους δομή και τις κυριότερες λειτουργίες τους από αυτά και κατά συνέπεια λειτουργούν στις ίδιες ζώνες συχνοτήτων. Αυτό χαρίζει ένα μεγάλο προβάδισμα στις εταιρίες που είχαν επενδύσει στα δίκτυα UMTS/HSPA, οι οποίες μπορούν να μεταβούν σε αυτή την τεχνολογία με μικρότερο κόστος, αφού αποφεύγουν τη σπατάλη χρημάτων για την εξασφάλιση αδειών, τη μελέτη και την εγκατάσταση κεραιών. Αυτός ήταν και βασικός στόχος της 3GPP, η οποία αφιερώνεται στην εξέλιξη των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Πιο συγκεκριμένα τα δίκτυα LTE υιοθετούν το σύνολο των καινοτομιών που διαθέτουν τα δίκτυα WiMAX, όπως είναι η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης OFDMA και η χρήση έξυπνων κεραιών πολλαπλής πρόσβασης (Multiple Input Multiple Output - ΜΙΜΟ). Έτσι επιτυγχάνουν ανταγωνιστικά αποτελέσματα σε σχέση με το WiMAX όσον αφορά τους ρυθμούς μετάδοσης, τη χωρητικότητα του συστήματος και τις καθυστερήσεις. Ωστόσο όμως, παρά τις ομοιότητες προκύπτει ένας καθοριστικός παράγοντας διαφοροποίησης αυτών των δύο τεχνολογιών, ο οποίος δεν είναι άλλος από τη διαφορετική χρονολογική απαρχή ανάπτυξης τους. Σύμφωνα με τα στοιχεία της εταιρίας Motorola, η οποία δραστηριοποιείται στην κατασκευή πιστοποιημένων συσκευών που συμβαδίζουν και με τα δύο εμπορικά πρότυπα, φαίνεται ότι το WiMAX προηγείται κατά δύο χρόνια στην ανάπτυξη πιστοποιημένου εξοπλισμού απ ότι το LTE. (εικόνα 1.6) 18

19 Εικόνα Χρονολογική εξέλιξη των δικτύων WiMAX και LTE ΣΥΓΚΡΙΣΗ WIMAX ΜΕ WI-FI Το WiMAX μπορεί να περιγραφεί ως μία τολμηρή προσπάθεια συνδυασμού πολλών καινοτόμων τεχνολογιών, για να εξυπηρετήσει ασύρματα ευρυζωνικές ανάγκες σε πολλά φάσματα. Εκ πρώτης όψεως οι δύο αυτές τεχνολογίες φαίνεται να λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο, άλλωστε μία από τις παγκοσμίως μεγαλύτερες εταιρίες, η Intel αναφέρει ότι το WiMAX αποτελεί το μεγάλο αδερφό του Wi-Fi. Ωστόσο όμως αναλύοντας το τεχνικό υπόβαθρο των δύο αυτών δικτύων γίνεται αμέσως εμφανής η διαφορά τους στα περισσότερα επίπεδα. Στο φυσικό στρώμα (Physical Layer - PHY) η βασική διαφορά εντοπίζεται στο φάσμα συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται. Το πρότυπο έχει σχεδιαστεί ώστε να λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων των 2,4 GHz. Η χρήση των ζωνών αυτών είναι «ελεύθερη», δηλαδή δεν απαιτεί κάποιου είδους αδειοδότηση από την Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων - ΕΕΤΤ, για την ανάπτυξη τέτοιων εφαρμογών όπως ορίζεται στον «Κανονισμό Όρων Χρήσης Μεμονωμένων Ραδιοσυχνοτήτων ή Ζωνών Ραδιοσυχνοτήτων» και με τη χρήση εξοπλισμού που ικανοποιεί αυστηρά καθορισμένες προδιαγραφές. Επιπλέον και ειδικότερα, η χρήση των ζωνών αυτών για εφαρμογές ασυρμάτων δικτύων (τεχνολογία WiFi, ή και άλλες παρόμοιες) υπόκειται σε περιορισμό μέγιστης επιτρεπομένης εκπεμπόμενης ισχύος. Η μέγιστη επιτρεπόμενη ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς στη ζώνη των 2.4 GHz είναι 100 mw (Equivalent Isotropically Radiated Power E.I.R.P.). Στην ισχύ αυτή συνυπολογίζεται η ισχύς εξόδου του πομπού και το κέρδος της κεραίας. Από αυτές τις παραμέτρους του φυσικού επιπέδου πηγάζουν τα δύο βασικότερα μειονεκτήματα που δεν επέτρεψαν στην τεχνολογία του Wi-Fi να εξελιχτεί και να χρησιμοποιηθεί ως η βασική τεχνολογία για την ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση των χρηστών. Το πρώτο μειονέκτημα που απορρέει είναι ότι λόγω του μη αδειοδοτημένου φάσματος που 19

20 χρησιμοποιεί υπάρχουν παρεμβολές και από άλλες τεχνολογικές εφαρμογές που χρησιμοποιούν την ίδια μπάντα συχνοτήτων. Το δεύτερο βασικό μειονέκτημα είναι ότι η ΕΕΤΤ θέτει το όριο της εκπεμπόμενης ισχύς πολύ χαμηλά ώστε να υποστηριχτεί κάποια τεχνολογία ασύρματης ευρυζωνικής πρόσβασης, με μεγάλη γεωγραφική κάλυψη, όπως συμβαίνει με το WiMAX. Ακόμα και το στρώμα MAC είναι σημαντικά διαφορετικό από αυτό του Wi-Fi (αλλά και του Ethernet). Στο Wi-Fi, το στρώμα MAC χρησιμοποιεί «ανταγωνιστική» πρόσβαση, δηλαδή όλοι οι συνδρομητικοί σταθμοί που επιθυμούν να περάσουν δεδομένα μέσω ενός σημείου πρόσβασης (Access Point - AP), ανταγωνίζονται για την προσοχή του σε τυχαία βάση. Αυτό μπορεί να αναγκάσει τους απόμακρους από το σημείο πρόσβασης κόμβους να διακόπτονται επανειλημμένα από τους λιγότερο ευαίσθητους, πιο κοντινούς κόμβους, μειώνοντας πολύ τη ρυθμοαπόδοσή τους. Αντιθέτως, στο στρώμα MAC του WiMAX ο συνδρομητικός σταθμός πρέπει να ανταγωνιστεί μόνο μία φορά για την αρχική του είσοδο μέσα στο δίκτυο. Μετά από αυτό, διατίθεται μια χρονoσχισμή από το σταθμό βάσης. Η χρονoσχισμή μπορεί να διευρυνθεί ή να περιοριστεί, αλλά παραμένει ορισμένη στο συνδρομητή, με την έννοια ότι άλλοι συνδρομητές δεν μπορούν να την χρησιμοποιήσουν αλλά περιμένουν τη σειρά τους εκ περιτροπής. Αυτός ο αλγόριθμος προγραμματισμού είναι ανθεκτικός στην υπερφόρτωση και το μεγάλο αριθμό εγγραφών, αντίθετα από το Είναι επίσης πολύ περισσότερο αποδοτικός σε εύρος ζώνης. Ο αλγόριθμος επιτρέπει επίσης στο σταθμό βάσης να ελέγχει την ποιότητα της υπηρεσίας, με την εξισορρόπηση των αναθέσεων με βάση τις ανάγκες των συνδρομητικών σταθμών. Μια πρόσφατη προσθήκη στο πρότυπο WiMAX βελτιώνει ακόμα περισσότερο την ευελιξία στην σχεδίαση του δικτύου, αφού προσθέτει πλήρη ικανότητα δικτύωσης πλέγματος (mesh networking) καθιστώντας τους κόμβους WiMAX ικανούς να λειτουργούν ταυτόχρονα σε διαμόρφωση συνδρομητικού σταθμού και σταθμού βάσης. Αυτό δίνει ένα πολύ ισχυρό προβάδισμα και προωθεί την ευρεία υιοθέτηση του πλέγματος δικτύου που βασίζεται στο WiMAX. Οι προδιαγραφές του WiMAX βελτιώνουν πολλούς από τους περιορισμούς του Wi-Fi, όπως είναι η παροχή αυξημένου εύρους ζώνης και ισχυρότερης κρυπτογράφησης. Στοχεύει επίσης να παρέχει σύνδεση μεταξύ των τελικών σημείων (endpoints) των δικτύων που δεν βρίσκονται σε οπτική επαφή με τους σταθμούς βάσης (Non Line of Sight NLOS). Όλα τα παραπάνω θέτουν ένα σαφές προβάδισμα στην τεχνολογία του WiMAX έναντι αυτής του Wi-Fi. Ωστόσο όμως, όπως θα δούμε και στην ενότητα που αναλύεται η αρχιτεκτονική του WiMAX, ο συνδυασμός αυτών των δύο δικτύων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να επιτευχθεί πλήρης ασύρματη πρόσβαση ακόμα και σε σταθερούς χρήστες που βρίσκονται σε εσωτερικούς χώρους. Εν κατακλείδι το WiMAX σαφώς υπερέχει αλλά η συνύπαρξή του με το Wi-Fi μπορεί να δημιουργήσει ένα ισχυρό ασύρματο δίκτυο με μεγάλη ακτίνα κάλυψης και διεισδυτικότητα που θα συμπεριφέρεται ως ενιαίο. Γι αυτό το λόγο στο πρότυπο έχουν προστεθεί διεπαφές (interfaces) που επιτρέπουν την ομαλή διακίνηση δεδομένων μεταξύ των δύο αυτών δικτύων (εικόνα 1.7). 20

21 Εικόνα Ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση με συνδυασμό WiMAX και Wi-Fi 21

22 Κεφάλαιο 2 - Το Πρότυπο IEEE ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μετά την κυψελωτή τηλεφωνία και τα ασύρματα τοπικά δίκτυα έρχονται να προστεθούν τα συστήματα 4 ης γενιάς (4th Generation), που προσφέρουν κυρίως ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση αλλά και άλλες υπηρεσίες και αναμένεται να κυριαρχήσουν τα επόμενα χρόνια στο χώρο των ασύρματων επικοινωνιών. Σε αυτά τα πλαίσια και με στόχο την ικανοποίηση της συνεχώς αυξανόμενης ζήτησης για ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο, ιδιαίτερα από φορητές συσκευές όπως είναι τα έξυπνα κινητά τηλέφωνα (smartphones), ξεκίνησαν οι ενέργειες για την προτυποποίηση των ασύρματων μητροπολιτικών δικτύων (WMANs Wireless Metropolitan Networks) από οργανισμούς όπως το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) και το Ινστιτούτο Ευρωπαϊκών Τηλεπικοινωνιακών Προτύπων (European Telecommunications Standards Institute - ETSI). Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται το πρότυπο IEEE , για το οποίο χρησιμοποιείται το εμπορικό όνομα WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). 2.2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE Η ομάδα εργασίας του IEEE ιδρύθηκε το 1999 και έκτοτε έχει αναπτύξει διάφορες εκδόσεις προτύπων ραδιοδιεπαφής (Air Interface) για ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα με έμφαση στο φυσικό επίπεδο (Physical Layer - PHY) και στο υπόστρωμα ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control - MAC).Τα πρότυπα IEEE x ορίζουν τη δομή των λειτουργιών του φυσικού στρώματος και του στρώματος ζεύξεως δεδομένων που εμφανίζονται μεταξύ του σταθμού βάσης(base Station - BS) και του σταθμού του συνδρομητή (Subscriber Station - SS). Τα ανώτερα στρώματα δεν καθορίζονται από το συγκεκριμένο πρότυπο. Επιπλέον, τα χαρακτηριστικά του για το φυσικό επίπεδο και το στρώμα MAC, αφήνουν πολλές επιλογές και επιτρέπουν διάφορες υλοποιήσεις για τα χαρακτηριστικά του σταθμού βάσης και του κινητού σταθμού (Mobile Station - MS), τα οποία μπορούν να οδηγήσουν σε ασύμβατα προϊόντα εάν δεν ληφθεί ειδική μέριμνα. Εικόνα Λογότυπο ομάδας εργασίας IEEE

23 2.2.1 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ Αρχικά το πρότυπο που προτάθηκε αφορούσε τα ασύρματα δίκτυα μητροπολιτικής περιοχής (WirelessMAN) για συχνότητες 10 έως 66 GHz, ενώ λίγο αργότερα ξεκίνησαν οι μελέτες για παρόμοιες υπηρεσίες στις συχνότητες των 2 έως 11 GHz. Το πρώτο πρότυπο δημοσιεύτηκε και εγκρίθηκε στις 8 Απριλίου του 2002 ως WirelessMAN-SC IEEE Η διαμόρφωση που χρησιμοποιούσε ήταν μονού φέροντος (Single Carrier - SC) και αφορούσε συχνότητες από 10 έως 66 GHz, όπου υπήρχε ακόμα παγκοσμίως διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων. Επειδή οι συχνότητες αυτές είναι υψηλές, επομένως το αντίστοιχο μήκος κύματος είναι μικρό, η διάδοση των σημάτων αφορούσε αποκλειστικά επικοινωνίες οπτικής επαφής (Line of Sight - LOS), λόγω των ισχυρών απωλειών διάδοσης που οφείλονται στα μικρά μήκη κύματος. Το βασικότερο πλεονέκτημα όμως ήταν ότι η ταχύτητα μετάδοσης ξεπερνούσε τα 120 Mbps σε κάθε επαναχρησιμοποιούμενο κανάλι εύρους 25 MHz ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE c Στις 15 Ιανουαρίου του 2003 δημοσιεύτηκε και στις 20 του ίδιου μήνα εγκρίθηκε το υπό-πρότυπο IEEE c, το οποίο αποτελούσε την πρώτη τροποποίηση και ουσιαστικά ήταν μία συλλογή από αποσαφηνίσεις και ενημερώσεις πάνω στο IEEE Η τεκμηρίωση του IEEE c αναπτύχθηκε για ασύρματα δίκτυα σε αδειοδοτημένες ζώνες συχνοτήτων μεταξύ 10 και 66 GHz και σχετίζονταν με το λεπτομερές προφίλ, με την αποτίμηση των επιδόσεων και με τη δοκιμή λειτουργίας του συστήματος ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE a Η ανάγκη για επικοινωνία μεταξύ σταθμών που δεν βρίσκονται σε οπτική επαφή ήταν το κίνητρο ώστε τον Απρίλιο του 2003 να εκδοθεί το υπό-πρότυπο IEEE a, που αποτελούσε την επέκταση του IEEE , ώστε να λειτουργεί και στις συχνότητες από 2 έως 11 GHz, όπου η δημιουργία συνδέσεων χωρίς οπτική επαφή πομπού-δέκτη (Non Line of Sight - NLOS) είναι αποδοτικά εφικτή. Η δυνατότητα σύνδεσης πομπού-δέκτη χωρίς οπτική επαφή κατέστησε το υπό-πρότυπο IEEE a την κατάλληλη τεχνολογία για εφαρμογές τελευταίου μιλίου (Last Mile Applications), όπου υπάρχουν συχνά εμπόδια, όπως δέντρα και κτήρια. Έτσι πλέον παρουσιάζεται η επιλογή για την εγκατάσταση του κεραιοσυστήματος στις στέγες σπιτιών και κτηρίων και δεν είναι απαραίτητη η εγκατάσταση των κεραιών σε πύργους ή κορυφές βουνών. Εκτός του κύριου χαρακτηριστικού της θωράκισης απέναντι σε πολυδιαδρομικές παρεμβολές, το υπό-πρότυπο αυτό υποσχόταν μία σειρά από πλεονεκτήματα όπως ρυθμοί μετάδοσης που αγγίζουν τα 70 Mbps, αποστάσεις κάλυψης μέχρι 50 km, εύρωστα χαρακτηριστικά ασφαλείας και ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service QoS) κατάλληλη ώστε να υποστηριχθούν υπηρεσίες που απαιτούν χαμηλή καθυστέρηση. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά άρχισαν να θέτουν τα θεμέλια ώστε να αναπτυχθεί ένα επικερδές επιχειρηματικό μοντέλο για την ιδανική ασύρματη ευρυζωνική κάλυψη. 23

24 2.2.4 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE d Καθώς ο αριθμός των εφαρμογών που απαιτούν πρόσβαση σε ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα για τη λειτουργία τους ολοένα αυξάνεται, η αντίστοιχη ποιότητα υπηρεσιών αρχίζει να παίζει καθοριστικό ρόλο στον ανταγωνισμό μεταξύ των παρόχων για τη διεκδίκηση του συνόλου των συνδρομητών. Ηχηρό παράδειγμα όλων αυτών είναι η μετάδοση βίντεο σε πραγματικό χρόνο, που αποτελεί μία από τις πιο δημοφιλείς εφαρμογές των χρηστών και απαιτεί από το δίκτυο συνθήκες πολύ χαμηλής καθυστέρησης μετάδοσης. Παράλληλα η κάλυψη ενός μεγάλου μέρους του φάσματος από άλλες τεχνολογίες σε συνδυασμό με την πολύοδη διάδοση επιτάσσουν τον έλεγχο της εκπεμπόμενης ισχύος, ώστε να περιοριστούν οι παρεμβολές και να λειτουργεί αποτελεσματικά ο μηχανισμός διατήρησης της σειράς των πακέτων που καταφθάνουν από διαφορετικές οδεύσεις. Όλοι αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν άμεσα την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών (Quality of Service - QoS) κατά αντιφατικό τρόπο. Για το λόγο αυτό, προκειμένου να ικανοποιηθεί η ανάγκη για υψηλή ποιότητα υπηρεσιών τον Σεπτέμβριο του 2003 ορίστηκε το υπό-πρότυπο IEEE d, το οποίο ασχολείται με τον προσδιορισμό των διάφορων παραμέτρων που επηρεάζουν την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE Το πρότυπο IEEE αποτελεί ουσιαστικά την συγχώνευση των υπό-προτύπων IEEE a,c και d κάτω από μία ενιαία μορφή, ώστε να περιγράφεται πλήρως η λειτουργία των δικτύων WiMAX. Πιο συγκεκριμένα διασφαλίζονται ρυθμοί μετάδοσης της τάξης των 63 Mbps στην κάτω ζεύξη (downlink) και 28 Mbps στην άνω ζεύξη (uplink) για κάθε κανάλι εύρους 10 MHz. Το πρότυπο αυτό αναφέρεται επίσης και ως «σταθερής ασύρματης σύνδεσης» (fixed Wireless), επειδή για την επικοινωνία με το δίκτυο ο συνδρομητής πρέπει να έχει εγκατεστημένη μια κεραία σε κάποιο σταθερό σημείο. Η κεραία αυτή τοποθετείται συνήθως σε εξωτερικό χώρο, όπως για παράδειγμα σε μια στέγη ή σ έναν ιστό με τρόπο παρόμοιο με αυτόν ενός δορυφορικού πιάτου τηλεόρασης. Επιπλέον το πρότυπο ασχολείται περιγραφικά με τη δομή και τον τρόπο σύνδεσης των συσκευών της εσωτερικής εγκατάστασης (indoor installation) που απαιτούνται. Συνοπτικά το πρότυπο αυτό βελτιώνει τη χρήση των δικτύων WiMAX σε εφαρμογές τελευταίου μιλίου (last mile applications) γύρο από τους εξής βασικούς παράγοντες: Παρεμβολή πολλαπλών διαδρομών (Multi-path interference) Καθυστέρηση διάδοσης (Delay spread) Ευρωστία (Robustness) Η παρεμβολή πολλαπλών διαδρόμων (εικόνα 2.2) και η καθυστέρηση διάδοσης είναι δύο παράγοντες που εμφανίζονται σε αστικό περιβάλλον όπου δεν υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ του σταθμού βάσης και του σταθμού του συνδρομητή και παίζουν καθοριστικό ρόλο στη βελτίωση της απόδοσης του δικτύου. 24

25 Εικόνα Παρεμβολή πολλαπλών διαδρόμων Το στρώμα MAC που περιγράφεται στο πρότυπο βελτιστοποιείται για συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων, επειδή έχει σχεδιαστεί να ανέχεται μεγαλύτερες καθυστερήσεις. Ο WiMAX εξοπλισμός που λειτουργεί στις μη αδειοδοτημένες ζώνες συχνοτήτων χρησιμοποιεί αποκλειστικά πρόσβαση με πολυπλεξία στο χρόνο (Time Division Multiplex Access - TDMA), ενώ στον αντίστοιχο που λειτουργεί στις αδειοδοτημένες ζώνες συχνοτήτων η πρόσβαση πραγματοποιείται είτε με πολυπλεξία στο χρόνο, είτε με πολυπλεξία στη συχνότητα (Frequency Division Multiplex Access - FDMA). Πλέον το πρότυπο έχει καθιερώσει πολυπλεξία με ορθογώνια διαίρεση συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM), για τη βελτιστοποίηση των ασύρματων υπηρεσιών. Θα αναφερθούμε πιο αναλυτικά στην πολυπλεξία με ορθογώνια διαίρεση συχνότητας σε επόμενο κεφάλαιο. Τέλος, το πρότυπο προσφέρει ένα σύγχρονο πρωτόκολλο πρόσβασης αιτήματος-χορήγησης (carrier sense multiple access/ collision detection - CSMA/CD), με το οποίο αποτρέπονται οι συγκρούσεις δεδομένων μεταξύ του σταθμού βάσης και των συνδρομητών καθώς καθορίζεται από το σταθμό βάσης ποιος συνδρομητής έχει δικαίωμα να μεταδώσει δεδομένα κάθε χρονική στιγμή. Με τον τρόπο αυτό το διαθέσιμο εύρος ζώνης χρησιμοποιείται αποτελεσματικότερα, αφού η αποφυγή συγκρούσεων συνεπάγεται την αποφυγή απασχόλησης του διαθέσιμου εύρους ζώνης για αναμετάδοση δεδομένων. Επιπλέον χαρακτηριστικά του προτύπου είναι: Βελτιωμένη συνδεσιμότητα των χρηστών: Το προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία στην ποιότητα των υπηρεσιών, καθώς διαθέτει κανάλια διαφορετικού πλάτους και στενότερα σε σχέση με τις υπόλοιπες τεχνολογίες. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι μπορεί να εξυπηρετεί περισσότερους συνδεδεμένους χρήστες. Επίσης, λόγω της προσαρμοστικής διαμόρφωσης μπορεί να υποστηρίξει διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης ανά χρήστη, ανάλογα με τις απαιτήσεις και τις ανάγκες του καθενός. 25

26 Υψηλότερη ποιότητα υπηρεσίας: Το πρότυπο μπορεί να εξασφαλίσει QoS σύμφωνα με τις προτιμήσεις του εκάστοτε πελάτη, που απορρέουν από τις εφαρμογές που αυτός επιθυμεί να χρησιμοποιήσει. Η προσαρμογή του επιπέδου της ποιότητας των υπηρεσιών είναι ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο μάρκετινγκ, ώστε να διαμορφωθούν πακέτα παροχής υπηρεσιών που να απευθύνονται σε διαφορετικές κατηγορίες χρηστών. Για παράδειγμα, μπορεί να εγγυηθεί υψηλό εύρος ζώνης σε επαγγελματικούς πελάτες ή χαμηλή καθυστέρηση για εφαρμογές φωνής και βίντεο, ενώ παράλληλα να παρέχει μόνο υπηρεσίες βέλτιστης προσπάθειας (best-effort) και χαμηλού κόστους στους οικιακούς χρήστες του διαδικτύου. Πλήρης υποστήριξη για υπηρεσίες WMAN: Είναι σε θέση να υποστηρίζει περισσότερους χρήστες με μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης σε μεγαλύτερες αποστάσεις, σε σύγκριση με τις εφαρμογές last-mile που βασίζονται στο πρότυπα g (WiFi). Robust carrier-class operation: Το πρότυπο έχει σχεδιαστεί ώστε να προσφέρει λειτουργία με διαφορετική κλάση φέροντος. Όσο αυξάνονται οι χρήστες που χρησιμοποιούν το δίκτυο, πρέπει να μοιραστεί το συνολικό εύρος ζώνης και ο ρυθμός μετάδοσης του καθενός να μειωθεί. Η μείωση αυτή γίνεται με γραμμικό τρόπο και είναι πολύ λιγότερη από την αντίστοιχη μείωση που συμβαίνει στο πρότυπο Αυτή η ικανότητα καλείται αποδοτική πολλαπλή πρόσβαση. Οι προμηθευτές αναπτύσσουν εσωτερικό και υπαίθριο εξοπλισμό εγκαταστάσεων πελατών (Customer Premises Equipment - CΡE) και lap-top PCMCIA κάρτες. Τα αρχικά προφίλ βρίσκονται στις ζώνες των 3.5GHz και των 5.8GHz ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE e Το 2005 εκδόθηκε το πρότυπο IEEE e για το οποίο χρησιμοποιήθηκε η εμπορική ονομασία Mobile WiMAX και αφορούσε την ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση για κινητούς χρήστες. Σ αυτήν την εξέλιξη του προτύπου καθορίζονται τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες που θα πρέπει να ενσωματωθούν στο βασικό πρότυπο προκειμένου να υποστηριχθεί η κινητικότητα του χρήστη. Η δομή του δικτύου αποκτά κυψελωτή μορφή με μέγεθος ακτίνας που φτάνει τα 4 χιλιόμετρα. Ωστόσο όμως, οι πάροχοι υπηρεσιών που αναπτύσσουν το πρότυπο e μπορούν επίσης να προσφέρουν τις υπηρεσίες τους και σε σταθερούς χρήστες. Παγιώνεται η χρήση της πολυπλεξίας με ορθογώνια διαίρεση συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM) για βελτιωμένη απόδοση σε περιβάλλον μη οπτικής επαφής (Non Line of Sight NLOS) με πολυδιαδρομική διάδοση (multipath propagation), ενώ παρουσιάζεται και η κλιμακωτή OFDMA (Scalable OFDMA - SOFDMA) με στόχο την 26

27 επιλογή διαφορετικού εύρους ζώνης διαύλου από 1.25 έως 10MHz. Επίσης ορίζεται ότι ένας κινητός χρήστης μπορεί να συνεχίσει να εξυπηρετείται από το δίκτυο ακόμα και όταν κινείται με ταχύτητες οι οποίες προσεγγίζουν τα 120Km/h. Για την υποστήριξη της κινητικότητας, προδιαγράφονται διαδικασίες μεταπομπής (handover) και περιαγωγής (roaming) μεταξύ των κυψελών αλλά και διαδικασίες εξοικονόμησης ενέργειας στο φορητό εξοπλισμό (καταστάσεις power off και power up). Ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης που υποστηρίζεται στην κάτω ζεύξη (downlink) μπορεί να φτάσει τα 30 Mbps ανά κανάλι εύρους ζώνης 10 MHz. Για να υποστηριχθούν αυτοί οι ρυθμοί αυτοί γίνεται χρήση έξυπνων κεραιών τύπου Multiple Input Multiple Output MIMO, τεχνολογία στην οποία θα αναφερθούμε αναλυτικότερα σε επόμενο κεφάλαιο. Μερικά ακόμη από τα γενικά χαρακτηριστικά ενός Mobile WiMAX συστήματος είναι: Ασφάλεια: Τα χαρακτηριστικά του Mobile WiMAX που αφορούν τα θέματα της ασφάλειας είναι τα καλύτερα της αγοράς και συμπεριλαμβάνουν: i. Πιστοποίηση με βάση το πρωτόκολλο EAP (Extensible Authentication Protocol). ii. Κρυπτογράφηση με χρήση του κώδικα AES-CCM (Advanced Encryption Std Counter with Cipher-block chaining Message authentication code). iii. Σχήματα προστασίας μηνυμάτων ελέγχου που βασίζονται στους κώδικες CMAC (Cipher-based Message Authentication Code) και HMAC (Hash Message Authentication Code) Κινητικότητα: Υποστηρίζει βέλτιστα σχήματα μεταπομπής με καθυστερήσεις μικρότερες των 50msec για να εξασφαλίσει εφαρμογές πραγματικού χρόνου (real-time) όπως VoIP χωρίς μείωση της ποιότητας, ενώ ευέλικτα σχήματα διαχείρισης διασφαλίζουν την ασφάλεια κατά τη διάρκεια της μεταπομπής. Τα δύο τελευταία πρότυπα αποτελούν τον κορμό ενός WiMAX δικτύου και περιγράφουν με πληρότητα το σύνολο των παραμέτρων και των διαδικασιών που απαιτούνται, ώστε να αποτελέσει το WiMAX μία ανταγωνιστική και καινοτόμο λύση στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Ωστόσο όμως η εξέλιξη του βασικού προτύπου IEEE δεν σταματάει εδώ. Από το 2005 έχει εκδοθεί μια πλειάδα από υπόπρότυπα, όπως τα f,g,h, και i,j,k,m. Η πρώτη ομάδα υπό-προτύπων ασχολείται κυρίως με τη βελτίωση των αλγορίθμων που διαχειρίζονται την κίνηση των δεδομένων στους σταθμούς βάσης, στο στρώμα MAC. Η δεύτερη ομάδα, ασχολείται περισσότερο με το φυσικό επίπεδο και την κωδικοποίηση των σημάτων, ώστε να επιτευχθούν ακόμα μεγαλύτεροι ρυθμοί μετάδοσης, αλλά και με τη δημιουργία των κατάλληλων διεπαφών του αέρα (air interfaces) για την εξασφάλιση της διαλειτουργικότητας μεταξύ συσκευών που χρησιμοποιούν το πρότυπο (WiFi). Πιο συγκεκριμένα με το g επιτυγχάνεται η ικανότητα να υποστηριχτεί η κινητικότητα του χρήστη ακόμα και από το δίκτυο κορμού και στο πρότυπο f βελτιώνεται η κάλυψη με τη χρήση δικτύων τοπολογίας πλέγματος. 27

28 2.2.7 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ m Το πρότυπο IEEE m (αναφέρεται και ως WiMAX 2)αποτελεί την τελευταία και πιο βελτιωμένη δημοσίευση της ομάδας εργασίας x. Η ολοκληρωμένη μορφή του προτύπου δημοσιεύτηκε τον Μάιο του 2011 και αποτελεί τη συνέχεια του προτύπου e και είναι υποψήφια τεχνολογία ώστε να θεωρηθεί ως δίκτυο 4 ης γενιάς από την ITU-R. Το καινούριο αυτό πρότυπο παρέχει αυξημένα πλεονεκτήματα επιδόσεων σε σχέση με τον πρόγονό του. Από τεχνικής άποψης, το m υπόσχεται να παρέχει ρυθμούς μετάδοσης που φτάνουν τα 120 Mbps στην κάτω ζεύξη (downlink) και τα 60 Mbps στην άνω (uplink) για κανάλια μονού φέροντος και εύρους 20 MHz, ενώ τα στοιχεία αυτά αφορούν την δυσκολότερη περίπτωση όπου το δίκτυο θα λειτουργεί σε αστικό περιβάλλον. Το m για να πετύχει αυτούς τους ρυθμούς κάνει χρήση έξυπνων κεραιών πολλαπλών εισόδων και πολλαπλών εξόδων τύπου 4x2 (4x2 MIMO). Ακόμα μεγαλύτεροι ρυθμοί μπορούν να επιτευχθούν ανάλογα με το φάσμα συχνοτήτων που θα χρησιμοποιηθεί. Ενώ το m παρέχει αυξημένη απόδοση για τους χρήστες, ο κυριότερος κινητήριος παράγοντας για την υιοθέτηση της τεχνολογίας από τις επιχειρήσεις είναι η αυξημένη χωρητικότητα που παρουσιάζεται για το δίκτυο κορμού, ώστε να εξυπηρετηθεί ο συνεχόμενα αυξανόμενος αριθμός έξυπνων κινητών τηλεφώνων (smartphones) αλλά και των υπόλοιπων φορητών συσκευών που ζητούν ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο. Επίσης, όσον αφορά τους παρόχους που έχουν ήδη επενδύσει στη απόκτηση εξοπλισμού και την κατασκευή δικτύων σύμφωνα με το πρότυπο e, μπορούν εύκολα να εξελίξουν τη λειτουργία των δικτύων τους με την αντικατάσταση κάποιων βασικών μονάδων εξοπλισμού στους σταθμούς βάσης (Base Station - BS) αλλά και την αναβάθμιση ορισμένων προγραμματιστικών μεθόδων. Όπως προαναφέρθηκε και στην αρχή αυτής της παραγράφου, το πρότυπο IEEE m συναγωνίζεται μαζί με την τεχνολογία LTE (Long Term Evolution) για τη διεκδίκηση του χαρακτηρισμού τους ως 4 ης γενιάς δίκτυα (International Mobile Telecommunication - IMT Advanced Technologies). Παρακάτω ακολουθεί ένας συγκριτικός πίνακας των τεχνολογιών e, m και LTE της εταιρίας Motorola, οι οποία δραστηριοποιείται στη δημιουργία εξοπλισμού και για τις τρεις αυτές τεχνολογίες (εικόνα 2.3) 28

29 2.3 ΖΩΝΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Εικόνα Σύγκριση τεχνολογιών e, m και LTE Κατά το σχεδιασμό ενός ασύρματου δικτύου που χρησιμοποιεί την τεχνολογία WiMAX, ο μηχανικός έχει τη δυνατότητα να επιλέξει μεταξύ του αδειοδοτημένου φάσματος ή μη. Η αδειοδοτημένη ζώνη περιλαμβάνει συχνότητες των 2.3 GHz, 2.5 GHz (γνωστά ως Multipoint Distribution Service - MDS) και των 3,5 GHz. Η μη αδειοδοτημένη μπάντα περιλαμβάνει τη ζώνη συχνοτήτων των 5,8 GHz (γνωστή ως Universal National Information Infrastructure - UNII). Παρόλο που το πρότυπο IEEE ορίζει τη λειτουργία του δικτύου για το ευρύ φάσμα συχνοτήτων από 2 έως 11 GHz, έχουν επιλεγεί οι παραπάνω ζώνες συχνοτήτων με κριτήριο τη παγκόσμια διαθεσιμότητα. Canada USA Central and South America REGION Europe Middle East and Africa Russia Asia Pacific (inc China, India, Australia, etc) FREQUENCY BANDS (GHZ) 2,3 2, ,3 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 3,5-3,5 3,5-3,5 3,3/3,5 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 Πίνακας Διαθέσιμες ζώνες συχνοτήτων ανά ήπειρο 29

30 2.3.1 ΑΔΕΙΟΔΟΤΗΜΕΝΗ ΖΩΝΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Η χρήση του αδειοδοτημένου φάσματος υπερτερεί στο θέμα της προστασίας έναντι παρεμβολών από άλλους ασύρματους παρόχους. Το μοναδικό σημείο στο οποίο ίσως υστερεί, είναι στις διαδικασίες που απαιτούνται για τη χορήγηση των αδειών, αφού κάτι τέτοιο μπορεί να είναι χρονοβόρο, σύνθετο αλλά και μία εξαιρετικά ακριβή και ασύμφορη λύση, ειδικά όταν υπάρχει αυξημένο ενδιαφέρον. Οι υψηλότερες δαπάνες και τα αποκλειστικά δικαιώματα στο φάσμα επιτρέπουν μια πιο προβλέψιμη και σταθερή λύση για τις μεγάλες μητροπολιτικές εφαρμογές. Οι χαμηλότερες συχνότητες που συνδέονται με τις αδειοδοτημένες ζώνες (2,5 και 3,5 GHz) επιτρέπουν καλύτερη επικοινωνία μη οπτικής επαφής (Non Line of Sight - NLOS) και μεγαλύτερη διείσδυση. Εντούτοις, οι ζώνες αυτές έρχονται αντιμέτωπες και με κάποια ελάχιστα - συγκριτικά με τη μη αδειοδοτημένη ζώνη - ζητήματα παρεμβολής. Συνολικά οι αδειοδοτημένες λύσεις προσφέρουν βελτιωμένη ποιότητα υπηρεσιών (QoS) και είναι κατάλληλες για εφαρμογές ευρείας κάλυψης (Point-to Multipoint - PMP). Όσον αφορά την Ελλάδα, άδειες για περιφερειακή κάλυψη στη ζώνη συχνοτήτων των 3,5 GHz διαθέτουν οι εταιρίες ΟΤΕ και Wind, ενώ ο ΟΤΕ έχει ήδη δημιουργήσει τρία πιλοτικά δίκτυα WiMAX, ένα στην περιοχή του Αγίου Όρους και δύο ακόμη στην περιοχή της Αθήνας και της Θεσσαλονίκης. Μία τρίτη άδεια είχε δοθεί στην εταιρία Cosmoline έναντι του ποσού των 20 εκατ. ευρώ, η οποία όμως ανακαλέστηκε από την Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων Ελλάδος (ΕΕΤΤΕ). Στην Ευρώπη έχουν χορηγηθεί συνολικά 145 άδειες στην περιοχή των 3,5 GHz, το 78% των οποίων είναι περιφερειακές και όχι εθνικές. Μάλιστα, σε χώρες ανεπτυγμένες ως προς τη διείσδυση του Internet (όπως η Φινλανδία, η Σουηδία και η Αυστρία) δόθηκαν και εθνικές και περιφερειακές άδειες, και μάλιστα για γεωγραφικές περιοχές μικρότερες από την κάθε περιφέρεια της Ελλάδας. Το κόστος της άδειας έχει ανέλθει στα 0,73 ευρώ ανά Hz, όταν στην Ευρώπη (με μέση διείσδυση της ευρυζωνικότητας στο 14% του πληθυσμού) το μέσο κόστος ανά Hz είναι 0,033 ευρώ. Από μια άλλη οπτική, στην Ελλάδα το κόστος ανά Hz είναι 0,069 ευρώ ανά εκατομμύριο κατοίκους, όταν στην Ευρώπη το κόστος ανά Hz είναι 0,005 ευρώ ανά εκατομμύριο κατοίκους ΜΗ ΑΔΕΙΟΔΟΤΗΜΕΝΗ ΖΩΝΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Η χρήση του μη αδειοδοτημένου φάσματος δίνει στον ασύρματο πάροχο το πλεονέκτημα της άμεσης χρήσης του, με τον κίνδυνο όμως για ισχυρές παρεμβολές από άλλους παρόχους που λειτουργούν στις ίδιες ή κοντινές συχνότητες. Γι αυτό το λόγο είναι περισσότερο επιθυμητή η χρήση του αδειοδοτημένου φάσματος σε περιοχές όπως μεγάλα αστικά κέντρα, όπου είναι πιθανή η δραστηριοποίηση πολλών παρόχων. Σε αντίθεση, η χρήση του μη αδειοδοτημένου φάσματος αποτελεί την πιο συμφέρουσα λύση για την κάλυψη αγροτικών περιοχών. Επίσης οι μη αδειδοτημένες λύσεις κρίνονται κατάλληλες για εφαρμογές σημείο προς σημείο (Point-to-Point P2P) μεγάλης απόστασης. 30

31 2.4 ΤΟ WIMAX FORUM Το WiMAX Forum είναι ένας μη κερδοσκοπικός οργανισμός, που δημιουργήθηκε από κατασκευάστριες εταιρίες ολοκληρωμένων συστημάτων WiMAX, καθώς και από παρόχους τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών με στόχο τη διασφάλιση της συμβατότητας των προϊόντων σύμφωνα με το πρότυπο IEEE αλλά και την τήρηση της διαλειτουργικότητας μεταξύ των συσκευών, που προσφέρουν ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση, ώστε να εξασφαλίζεται η συμβατότητά όλων των οντοτήτων που συνεργάζονται και λειτουργούν στα πλαίσια του προτύπου IEEE Το WiMAX Forum ξεκίνησε τη λειτουργία του το 2003 και ως ιδρυτικά μέλη συμμετείχαν εταιρίες κολοσσοί στον τομέα των τηλεπικοινωνιών και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, όπως οι: Intel, Alvarion, AT&T, Array Com, Nortel, Motorola, Samsung κ.ά. Ο οργανισμός σήμερα αριθμεί πάνω από 400 μέλη στα οποία συμπεριλαμβάνονται κορυφαία ονόματα στο χώρο των κατασκευαστών δικτύων, όπως Nokia, Vodafone, Cisco Systems,BellSouth, China Telecom, Verizon και πολλοί άλλοι. Εικόνα Λογότυπο WiMAX Forum ΣΤΟΧΟΣ ΤΟΥ WIMAX FORUM Στόχος του WiMAX Forum είναι αφενός η διασφάλιση της τήρησης των προδιαγραφών, αφετέρου δε η προώθηση των σύγχρονων ασύρματων ευρυζωνικών εφαρμογών, τόσο για σταθερά όσο και για κινητά συστήματα, στην παγκόσμια αγορά των τηλεπικοινωνιών. Όσον αφορά το πρώτο σκέλος, δηλαδή την τήρηση των προδιαγραφών, επιτυγχάνεται με τη διεξαγωγή συνεχών ελέγχων των προϊόντων εξοπλισμού των εταιριών, σε ανεξάρτητα εργαστήρια που λειτουργούν σε διάφορες περιοχές του κόσμου, όπως για παράδειγμα στην Κορέα και την Ισπανία. Το γεγονός αυτό εγγυάται ότι τα συστήματα αυτά λειτουργούν με βάση τα πρότυπα και ότι είναι εγγυημένη η διαλειτουργικότητα μεταξύ τους WIMAX FORUM CERTIFIED Το πρόγραμμα πιστοποίησης WiMAX Forum Certified ξεκίνησε στα μέσα του 2005 και εξασφαλίζει τη διαλειτουργικότητα μεταξύ των κατασκευαστών, ενώ τα πρώτα πιστοποιημένα προϊόντα για σταθερά συστήματα WiMAX ανακοινώθηκαν τον Ιανουάριο του 2006 και βασίζονται στο πρότυπο IEEE Τα πρώτα 31

32 αντίστοιχα προϊόντα κινητών συστημάτων WiMAX (πρότυπο IEEE e) πιστοποιήθηκαν στα μέσα του έτους Η διαδικασία πιστοποίησης πραγματοποιείται με την κατηγοριοποίηση του υπό έλεγχο εξοπλισμού σε κάποιο από τα προφίλ του συστήματος (System Profile) και στον προσδιορισμό των τάξεων μπάντας (Band-classes) που μπορούν να υποστηριχτούν από την εν λόγο συσκευή. Ένα προφίλ συστήματος (System Profile) δεν είναι τίποτα άλλο παρά μία ολοκληρωμένη λίστα με τα χαρακτηριστικά του προτύπου IEEE , στην οποία δηλώνετε ποια από αυτά κατέχει η συσκευή ως υποχρεωτικά και λειτουργούν ομαλά σύμφωνα με τον έλεγχο που διεξήχθη από το εργαστήριο πιστοποίησης. Οι τάξεις μπάντας αφορούν τον προσδιορισμό του τρίπτυχου συχνότητα λειτουργίας, μέθοδος πολυπλεξίας και εύρος καναλιού. Η πιστοποίηση γίνεται για τα προφίλ συστήματος και τις τάξεις μπάντας που υποστηρίζονται τουλάχιστον από 3 κατασκευαστές. Αυτό σημαίνει ότι τουλάχιστον τρείς κατασκευαστές θα πρέπει να υποβάλλουν προϊόντα εντός του ίδιου προφίλ προκειμένου να ξεκινήσει η διαδικασία ελέγχου. Επίσης, η διαδικασία πιστοποίησης αποτελείται από τους παρακάτω τρείς τύπους ελέγχου: Τον έλεγχο για τη συμμόρφωση σύμφωνα με το πρωτόκολλο (Protocol Conformance Testing - PCT), το οποίο αφορά μόνο το στρώμα ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC layer) Τον έλεγχο για τη συμμόρφωση του ασύρματου καναλιού στις προδιαγραφές του συστήματος (Radio Conformance Testing - RCT), το οποίο αφορά μόνο το φυσικό στρώμα (PHY layer) Τον έλεγχο διαλειτουργικότητας των συσκευών τόσο του τελικού χρήστη (Mobile Interoperability Testing - MIOT), όσο και των παρόχων (Operator Interoperability Testing - OIOT) Στη μελέτη ραδιοκάλυψης που θα διεξάγουμε στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικές εργασίας, όλες οι παράμετροι του εξοπλισμού προέρχονται από τα πιστοποιημένα προϊόντα της σειράς BreezeMAX της εταιρίας Alvarion. Ο εξοπλισμός αυτός πιστοποιήθηκε στις 14 Ιουνίου του 2008 από το ασύρματο εργαστήριο πιστοποίησης AT4 στη Μάλαγα της Ισπανίας και κατέχει το προφίλ πιστοποίησης MP11 (εικόνα 2.5). Εικόνα Επίσημη πιστοποίηση εξοπλισμού BreezeMAX της εταιρίας Alvarion 32

33 Στον παρακάτω πίνακα (πίνακας 2.2) παρουσιάζονται με λεπτομέρειες (συχνότητα λειτουργίας, εύρος καναλιού & μέθοδος πολυπλεξίας) τα προφίλ πιστοποίησης συνοδευόμενα από τη συμβατική τους ονοματολογία. Επίσης είναι σημειωμένο με κόκκινο χρώμα το προφίλ πιστοποίησης του εξοπλισμού BreezeMAX της Alvarion. Marketing Working Group ID Frequency (GHz) Bandwidth (MHz) Duplex ID Mark 1 ID Mark 2 M2300T TDD 1A MP01 M2300T & 10 TDD 1B MP02 M2300T , TDD 2A M2300T , TDD 1B MP03 M2300T , TDD 1C MP04 M2300T , & 10 TDD M2300F , x3.5 FDD 1D M2300F , x5 FDD 1E M2300F , x10 FDD 2F M2300F , TBD FDD M2500T & 10 TDD 3A MP05 2x5 or M2500T , x10 FDD 3B M3300T TDD 4A MP06 M3300T TDD 4B MP07 M3300T TDD 4C M3500T TDD 5A MP08 M3700T TDD 5AH M3500T TDD 5AL MP09 M3700T TDD 5B M3500T TDD 5BH M3700T TDD 5BL MP10 M3500T TDD 5C MP11 M3700T TDD 5CH M3500T TDD 5CL MP12 M1700F , x5 or 2x10 FDD 6A M0700F , x5 or 2x10 FDD 7A Πίνακας 2.2 Προφίλ πιστοποίησης εξοπλισμού WiMAX 33

34 Κεφάλαιο 3 Αρχιτεκτονική Δικτύων WiMAX 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πρότυπο e και η εξελιγμένη επόμενη έκδοση του το m είναι αυτά που έχουν επιλεγεί από τη βιομηχανία ως τα πληρέστερα και τα πιο σύγχρονα σύνολα προδιαγραφών για την κατασκευή των συσκευών και του εξοπλισμού, που απευθύνονται στην ανάπτυξη δικτύων WiMAX. Από την άλλη πλευρά, για τους χρήστες υπάρχει μία πληθώρα συσκευών για τη υποστήριξη τόσο της σταθερής όσο και της κινητής πρόσβασης στο δίκτυο. Οι προδιαγραφές αυτές όμως περιορίζονται στη διεπαφή αέρα μεταξύ μιας συσκευής πελάτη και ενός σταθμού βάσης (Base Station - BS). Τα πρότυπα ορίζουν τις τεχνικές παραμέτρους και τις βασικές διαδικασίες για την ασύρματη σύνδεση των κινητών χρηστών (Mobile Subscriber - MS) με το δίκτυο πρόσβασης, μόνο για τα στρώματα PHY και MAC. Τέτοιες λειτουργίες όπως είναι η ανακάλυψη και η επιλογή του δικτύου, η είσοδο και η έξοδος των χρηστών στο δίκτυο, η ποιότητα υπηρεσιών (QoS), η ασφάλεια, η υποστήριξη της κινητικότητα (διαχείριση διαπομπών), οι αποτελεσματικοί τρόποι διαχείρισης ισχύος (λειτουργίες Active/Sleep/Idle) και άλλα, είναι σαφώς απαραίτητες για τον ορισμό ενός σύγχρονου κινητού σύστημα ασύρματης ευρυζωνικής πρόσβασης. Ωστόσο όμως, η προδιαγραφές του δικτύου που συμπεριλαμβάνονται στα πρότυπα είναι πέρα από το πεδίο εφαρμογής των προτύπων της IEEE , μιας και που προσδιορίζονται οι βασικές διαδικασίες αλλά δεν ρυθμίζονται αυστηρά κρίσιμες διαδικασίες και τεχνικές συνδέσεις μεταξύ των συσκευών του βασικού κορμού του δικτύου. Όπως αναφέραμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, το WiMAX Forum που είναι υπεύθυνο για την τήρηση της διαλειτουργικότητας, σχημάτισε το Network Working Group NWG, μία μη κερδοσκοπική ομάδα εργασίας που ασχολείται αποκλειστικά με την τήρηση της ομαλής λειτουργίας των συστημάτων WiMAX. Ειδικότερα τo Network Working Group ασχολείται με τον προσδιορισμό των πρωτοκόλλων (Protocols) και των διεπαφών (Interfaces) στο επίπεδο μεταγωγής και ελέγχου, για την επικοινωνία μεταξύ των συσκευών του δικτύου, ώστε να διασφαλίζεται η ομαλή ροή των δεδομένων μέσα στο δίκτυο αλλά και να επιτρέπεται η διασύνδεση των δικτύων WiMAX με δίκτυα άλλων τεχνολογιών. 34

35 3.2 ΒΑΣΙΚΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΩΝ WIMAX Πριν αρχίσουμε να αναλύουμε την αρχιτεκτονική δομή των δικτύων WiMAX σε επίπεδο μεταγωγής και ελέγχου, θα περιγράψουμε την τοπολογία που μπορεί να ακολουθηθεί για την ανάπτυξη του δικτύου στο επίπεδο της ράδιο-κάλυψης, οι οποία δεν ξεχωρίζει ιδιαίτερα από αυτή των άλλων ασύρματων τεχνολογιών. Τα δίκτυα WiMAX ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των κυψελωτών ασύρματων δικτύων. Η δομή τους οικοδομείται από σταθμούς βάσης (Base Stations - BS), σταθμούς συνδρομητών (Subscriber Stations - SS), καθώς και από συνδέσεις σημείου προς πολλαπλά σημεία (Point to Multipoint links). Οι σταθμοί συνδρομητή μετονομάστηκαν από το πρότυπο IEEE e-2005 σε κινητούς σταθμούς (Mobile Stations - MS), ώστε να συμπεριληφθεί και η έννοια της κινητικότητας την οποία εισήγαγε αυτή η έκδοση του προτύπου και να γίνεται εμφανές ότι μπορούν να υποστηριχτούν τόσο οι σταθεροί χρήστες, όσο και αυτοί που βρίσκονται σε κίνηση. Ο κάθε σταθμός βάσης (BS) αποτελεί το ακροφύσιο του δικτύου κορμού και προσφέρει ασύρματη σύνδεση σε πολλαπλούς συνδρομητές, που βρίσκονται εντός των γεωγραφικών ορίων ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης του σταθμού. Ο τρόπος διασύνδεσης των σταθμών βάσης με το δίκτυο κορμού δεν προσδιορίζεται από τα πρότυπα IEEE x και επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλες οι διαθέσιμες υλοποιήσεις, όπως είναι το ενσύρματο δίκτυο DSL (Digital Subscriber Line), το δίκτυο οπτικών ινών (Optical Fiber Network) αλλά ακόμα και ασύρματα μέσω μικροκυματικών ζεύξεων (Microwave Links) σημείου προς σημείο. Η τελευταία επιλογή ουσιαστικά εμφανίζεται να είναι και η πιο δημοφιλής, αφού ουσιαστικά σημαίνει ότι ένας σταθμός βάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ασύρματη υποστήριξη ενός ή περισσοτέρων άλλων σταθμών βάσης, λόγω της έτσι κι αλλιώς λειτουργίας τους στην μικροκυματική ζώνη συχνοτήτων. Γίνεται άμεσα αντιληπτό ότι με αυτόν τον τρόπο μπορούν να υποστηριχτούν συνδέσεις σημείου προς πολλαπλά σημεία (Point-to-Multipoint - PMP) για το ίδιο το δίκτυο κορμού. Αυτό αποτελεί ένα τεράστιο πλεονέκτημα για την βελτιστοποίηση και την ευκολία στο σχεδιασμό του δικτύου κορμού, αλλά και την αύξηση της διεισδυτικότητας της ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης με αποτελεσματικότητα. Τέλος, το πιο σημαντικό είναι ότι αυτό το χαρακτηριστικό δίνει τη δυνατότητα να υιοθετηθεί η τεχνολογία του WiMAX από παρόχους που δεν διαθέτουν ενσύρματο δίκτυο κορμού και επιθυμούν να μειώσουν το κόστος για την μίσθωση γραμμών από τρίτους. 35

36 Εικόνα 3.1 Δίκτυο κορμού WiMAX Τα πρότυπα e και m ορίζουν κατά κύριο λόγο δύο βασικές τοπολογίες δικτύου για την ραδιοκάλυψη των χρηστών, οι οποίες είναι (1) η αμφίδρομη σύνδεση σημείου προς πολλαπλά σημεία (Point to Multipoint - PMP) και (2) τοπολογία δικτύου πλέγματος (mesh topology). Η τοπολογία PMP είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τοπολογία δικτύου WiMAX, αφού επιτρέπει τον σχεδιασμό του δικτύου με κυψελωτή μορφή ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΣΗΜΕΙΟΥ ΠΡΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΑ ΣΗΜΕΙΑ (PMP) Η συγκεκριμένη τοπολογία αφορά τόσο την κάτω ζεύξη, όσο και την άνω, δηλαδή πρόκειται για αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ σταθμού βάσης και χρήστη. Η ασύρματη ζεύξη μεταξύ των χρηστών και του δικτύου, σύμφωνα με το πρότυπο πραγματοποιείται με έναν κεντρικό σταθμό βάσης, οποίος χρησιμοποιεί κεραιοσύστημα με τομεακές κεραίες, ώστε να μπορούν να εξυπηρετηθούν αποτελεσματικότερα πολλοί χρήστες. Για ένα συγκεκριμένο κανάλι συχνότητας, όλοι οι τελικοί σταθμοί λαμβάνουν την ίδια εκπομπή ή έστω κομμάτι αυτής. Ο κάθε σταθμός βάσης που είναι εγκατεστημένος, ώστε να εξυπηρετεί το συνδρομητικό φορτίο μιας συγκεκριμένης γεωγραφικής περιοχής, λειτουργεί χωρίς τη συνεργασία με άλλους σταθμούς βάσης. Για την κάτω ζεύξη χρησιμοποιείται από το σταθμό βάσης η ευρυεκπομπή (broadcast), κατά την οποία αποστέλλονται δεδομένα προς όλους τους κινητούς και σταθερούς συνδρομητές. Σε κάθε υποπλαίσιο πληροφορίας που αποστέλλεται στην κάτω ζεύξη είναι προσδιορισμένος ένας συγκεκριμένος συνδρομητικός σταθμός, ο οποίος αποτελεί τον παραλήπτη του συγκεκριμένου υποπλαισίου. Από την άλλη πλευρά, οι συνδρομητική σταθμοί είναι υποχρεωμένοι να ελέγχουν εάν τα ληφθέντα πακέτα δεδομένων τους αφορούν και τελικά να κρατούν μόνο αυτά που απευθύνονται σε 36

37 αυτούς. Οι κινητοί σταθμοί για να επικοινωνήσουν με το σταθμό βάσης υποβάλλουν αίτημα και μετά την αποκατάσταση της σύνδεσής τους μοιράζονται το εύρος ζώνης της άνω ζεύξης. Ωστόσο όμως, κατά τη διαδικασία αυτή οι συνδρομητές ανάλογα με την κλάση της υπηρεσίας που επιθυμούν να χρησιμοποιήσουν, τους εκχωρείται διαφορετικό εύρος ζώνης ή ακόμα μπορεί να τους εκχωρηθεί και το δικαίωμα για συνεχή επικοινωνία με το σταθμό βάσης. Σε διαφορετική περίπτωση το δικαίωμα εκπομπής καταχωρείται από το σταθμό βάσης κατόπιν αιτήματος, όπως περιγράφηκε και προηγουμένως. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα υπηρεσίας, κατά την οποία ο συνδρομητικός σταθμός αποκτά δικαίωμα συνεχούς εκπομπής προς το σταθμό βάσης, είναι η συνδρομητική υπηρεσία IPTV. Τέλος, όπως συμβαίνει σε οποιοδήποτε δίκτυο, χρησιμοποιείται ένα πρωτόκολλο εκπομπής που ελέγχει τη διένεξη μεταξύ των χρηστών και ενεργοποιεί την αντίστοιχη υπηρεσία που σχετίζεται με τις απαιτήσεις σε καθυστέρηση και εύρος ζώνης, σύμφωνα με την κάθε εφαρμογή χρήστη. Εικόνα 3.2 Τοπολογία Point-to-Multipoint σε δίκτυο WiMAX 3.3 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΙΚΤΥΩΝ WIMAX Η εσωτερική αρχιτεκτονική ενός δικτύου τεχνολογίας WiMAX μπορεί να περιγραφεί με τη βοήθεια ενός δικτυακού μοντέλου αναφοράς (Network Reference Model - NRM). Στο μοντέλο αυτό ορίζονται οι κυριότερες λειτουργικές οντότητες αλλά και οι διεπαφές των οντοτήτων αυτών, οι οποίες προσδιορίζονται με τα σημεία αναφοράς. Γενικά, το δικτυακό μοντέλο αναφοράς ενός δικτύου WiMAX αποτελείται από λογικές οντότητες, όπως είναι ο κινητός σταθμός (Mobile Station - MS), το δίκτυο πρόσβασης υπηρεσιών (Access Service Network - ASN), το δίκτυο σύνδεσης υπηρεσιών (Connectivity Service 37

38 Network - CSN) και τις συνδέσεις μεταξύ αυτών μέσω των σημείων αναφοράς R1 έως R5, όπως απεικονίζεται και στην εικόνα 3.3 που ακολουθεί. Εικόνα 3.3 Δικτυακό μοντέλο αναφοράς δικτύου WiMAX ASN: SS/MS: CSM: NAP: NSP: Access Service Network Subscriver/Mobile Station Connectivity Service Network Network Access Providers Network Service Providers Στο υψηλότερό του επίπεδο το δικτυακό μοντέλο αναφοράς του WiMAX διαχωρίζεται στους παρόχους δικτυακής πρόσβασης (Network Access Providers - NAP) και στους παρόχους δικτυακών υπηρεσιών (Network Service Providers - NSP). Ένας πάροχος NAP μπορεί να είναι μια επιχειρηματική οντότητα που παρέχει την απαραίτητη υποδομή για την υλοποίηση της ασύρματη πρόσβασης στο WiMAX και πάνω στο οποίο μπορούν να στηριχθούν ένα οι περισσότερα δίκτυα πρόσβασης υπηρεσιών (Access Service Networks - ASNs). Ένας πάροχος NSP αντίστοιχα, μπορεί να είναι μια διαφορετική επιχείρηση, που να είναι υπεύθυνη για τη συνδεσιμότητα σε επίπεδο IP και να φροντίζει να παρέχονται υπηρεσίες στους συνδρομητές, σύμφωνα με το επίπεδο υπηρεσιών που έχει προκαθοριστεί για τον κάθε χρήστη, από πριν μέσω συμβολέων. 38

39 Εικόνα 3.4 Σχέση μεταξύ συνδρομητών και παρόχων WiMAX ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΟΝΤΟΤΗΤΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ Οι οντότητες MS, ASN και CSN αντιπροσωπεύουν την ομαδοποίηση όλων των λογικών λειτουργιών που λαμβάνουν χώρα μεταξύ του δικτύου και των συνδρομητών. Πιο αναλυτικά: Κινητός Σταθμός (Mobile Station - MS) Περιγράφει κυρίως τον κινητό εξοπλισμό που είναι απαραίτητος για τη σύνδεση και την εξυπηρέτηση ενός συνδρομητή από ένα δίκτυο WiMAX. Δίκτυο Πρόσβασης Υπηρεσιών (Access Service Network - ASN) Το δίκτυο ASN περιγράφει το σημείο σύνδεσης της οντότητας MS με το δίκτυο WiMAX και επομένως, θα πρέπει να είναι σε θέση να διεκπεραιώσει ένα ευρύ σύνολο λειτουργιών, τα οποία ζητούνται από τον συνδρομητή. Οι λειτουργίες που ακολουθούν είναι απαραίτητο να υποστηρίζονται απ όλα τα ASNs ανεξάρτητα από τις υπηρεσίες που υποστηρίζουν Layer-2 συνδεσιμότητα για τους WiMAX MS. Μεταφορά AAA μηνυμάτων σε οικιακό δίκτυο WiMAX συνδρομητή για πιστοποίηση, εξουσιοδότηση και καταμέτρηση (Authentication- Authorization-Accounting - AAA). Ανίχνευση και επιλογή του παρόχου NSR που επιθυμεί ο συνδρομητής. Λειτουργικότητα Relay για την εγκατάσταση συνδεσιμότητας Layer-3 (L3). Διαχείριση ασύρματων πόρων (Radio Resource Management - RRM). QoS και διαχείρισή της. Διοχέτευση ASN-CSN και ASN-ASN(tunneling). Επιπλέον, για τις ανάγκες υποστήριξης της κινητικότητας το ASN διαθέτει και τις παρακάτω λειτουργίες: Κινητικότητα ASN πρόσδεσης (anchored). Κινητικότητα CSN πρόσδεσης (anchored). Αναζήτησης (paging) και διαχείρισης εντοπισμού. 39

40 Δίκτυο συνδεσιμότητας υπηρεσίας (Connectivity Service Network - CSN) Η οντότητα CSN περιγράφει το σύνολο των διαδικασιών, ώστε να παρέχονται υπηρεσίες προς τους συνδρομητές σε επίπεδο IP δομής πληροφοριών. Το CSN δίκτυο περιέχει συνήθως διάφορα υλικοτεχνικά αλλά και λοσμικά στοιχεία του δικτύου, όπως δρομολογητές, proxy servers και βάσεις δεδομένων των χρηστών. Μία οντότητα CSN περιλαμβάνει λειτουργίες όπως: MS IP address και παραμέτρους τερματικών συσκευών. Πρόσβαση στο internet. Υπηρεσίες ΑΑΑ. Έλεγχο εισόδου που βασίζεται σε προφίλ εγγεγραμμένων χρηστών. Υποστήριξη ASN-CSN tunneling. Διευθέτηση του λογαριασμού των συνδρομητών. Inter-CSN tunneling για περιαγωγή. Συνδεσιμότητα σε υπηρεσίες WiMAX, όπως IP multimedia υπηρεσίες (IMS), υπηρεσίες θέσης (Location Based Services - LBS), υπηρεσίες peerto-peer κ.ά. Για την διεκπεραίωση μιας διαδικασίας μπορεί να απαιτεί η συνεργασία δύο ή περισσότερων λειτουργικών οντοτήτων. Επιπλέον, οι λειτουργίες που αναφέραμε προηγουμένως και περιλαμβάνονται μέσα σε μια οντότητα, μπορούν να εκτελεστούν από την ίδια φυσική μονάδα ΣΗΜΕΙΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΤΗΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΔΙΚΤΥΟΥ Στο δικτυακό μοντέλο αναφοράς WiMAX της εικόνας 3.4, εμφανίζονται διάφορα σημεία αναφοράς (Reference Points - RPs). Ένα σημείο αναφοράς ουσιαστικά είναι μια διεπαφή, στην οποία έχουν οριστεί όλα τα απαραίτητα πρωτόκολλα που απαιτουνται για την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών οντοτήτων. Ένα πρωτόκολλο που βρίσκεται σε ένα σημείο αναφοράς μπορεί να είναι αφιερωμένο στην ομαλή επικοινωνία μιας ή περισσοτέρων λογικών οντοτήτων. Σύμφωνα με ατό, δύο πρωτόκολλα που συνυπάρχουν σ ένα σημείο αναφοράς μπορεί να χρησιμοποιούνται από διαφορετικές λογικές οντότητες, ή ακόμα και από την ίδια αλλά για την εκτέλεση διαφορετικών εργασιών. Στο δικτυακό μοντέλο αναφοράς του WiMAX ορίζονται τα παρακάτω σημεία αναφοράς. Inter-ASN Σημεία Αναφοράς R1: Περιέχει το σύνολο των πρωτοκόλλων που είναι αναγκαία για την εκτέλεση διαδικασιών μεταξύ MS και ASN. Τα πρωτόκολλα αυτά διαχειρίζονται πληροφορίες σε επίπεδο στρώματος PHY και MAC R2: Περιέχει το σύνολο των πρωτοκόλλων και των διαδικασιών για την επικοινωνία μεταξύ των οντοτήτων MS και του CSN. Οι διαδικασίες αυτές αφορούν κυρίως θέματα πιστοποίησης, εξουσιοδότησης και διαχείρισης των IP που δημιουργούνται. 40

41 R3: Περιέχει το σύνολο των πρωτοκόλλων ελέγχου επιπέδου, καθώς επίσης και τις διαδικασίες για τη μεταφορά των IP διευθύνσεων ανάμεσα στις οντότητες ASN και CSN. Το R3 σημείο αναφοράς είναι υπεύθυνο για τις διαπομπές και την κινητικότητα, καθώς και για κίνηση των δεδομένων του χρήστη ανάμεσα στις οντότητες ASN και CSN. R4: Περιέχει το σύνολο των πρωτοκόλλων ελέγχου και τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα μεταξύ διαφόρων ASN, όπως RRM και κινητικότητα των MS διαμέσο των ASN. Το R4 εγγυάται τη διαλειτουργικότητα των σημείων αναφοράς κατά μήκος κάθε ζεύγους ASNs. R5: Περιέχει το σύνολο των πρωτοκόλλων ελέγχου και φορέων για την διεκπεραίωση διαδικασιών περιαγωγής (roaming) μεταξύ ενός δικτύου CSN, που λειτουργεί εντός ενός ιδίου δικτύου NSP και ενός που λειτουργεί εκτός ιδίου δικτύου NSP. Το σύνολο των σημείων αναφοράς R1, R2, R3 και R4, εγγυάται την ομαλή διεκπεραίωση των διαδικασιών, που παρέχονται από τον MS, σ ένα ή περισσότερα ASN και στο CSN. Intra-ASN Σημεία Αναφοράς Τα ακόλουθα σημεία αναφοράς ορίζονται εντός του πλαισίου ενός ASN. R6: Αφορά το σύνολο των πρωτοκόλλων ελέγχου και μεταφοράς, που εντοπίζονται ανάμεσα στο σταθμό βάσης και την πύλη ASN-GW. Το επίπεδο ελέγχου αποτελείται από την ποιότητα των υπηρεσιών (Quality of Service - QoS), τα πρωτόκολλα ασφαλείας και τα πρωτόκολλα που συνδέονται με την κινητικότητα. Σε αυτό το σημείο αναφοράς μπορεί να συμπεριλαμβάνονται και πρωτόκολλα διαχείρισης ασύρματων πόρων. R7: Αποτελεί προαιρετικό σημείο αναφοράς που προκύπτει από τη διάσπαση του ASN-GW σε σημείο απόφασης (Decision Point - DP) και σημείο επιβολής (Enforcement Point - EP). Το τελευταίο περιλαμβάνει όλες τις λειτουργίες δεδομένων, ενώ το σημείο απόφασης περιλαμβάνει όλες τις λειτουργίες όχι δεδομένων. R8: Πρόκειται επίσης για ένα προαιρετικό σημείο αναφοράς, το οποίο απαρτίζεται από ένα σύνολο μηνυμάτων ελέγχου μεταξύ των σταθμών βάσεις, για σκοπούς περιαγωγής (roaming) και μεταπομπής (handover). Θα πρέπει να επισημάνουμε ότι, το σημείο αναφοράς R6 μαζί με το R4, μπορεί να αποτελέσει κανάλι ανταλλαγής πληροφοριών σε επίπεδο MAC, για τους σταθμούς βάσης που δεν μπορούν να επικοινωνήσουν μέσω του R8 σημείου αναφοράς. 41

42 3.3.3 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΟΝΤΟΤΗΤΕΣ ASN Το δικτυακό μοντέλο του WiMAX προσδιορίζει το ASN ως την κατηγοριοποίηση των λογικών οντοτήτων και των πρωτοκόλλων, που αφιερώνονται σε διαδικασίες παροχής υπηρεσιών πρόσβασης. Με αυτόν τον τρόπο σχηματίζεται ένα ευέλικτο και διαλειτουργικό πλαίσιο για να εφαρμοστεί η αρχιτεκτονική του ασύρματου δικτύου πρόσβασης WIMAX. Κάνοντας χρήση των ίδιων πρωτοκόλλων, έχουμε τη δυνατότητα να συνδέσουμε ορισμένες λειτουργικές οντότητες με κάποιες διαφορετικές λογικές οντότητες μέσα στο ίδιο το ASN. Με αυτόν τον τρόπο βελτιώνεται ο σχεδιασμός του ASN και ανταποκρίνεται αποτελεσματικότερα για διαφορετικές χρήσεις. Λόγω της διαφοροποίησης στο σχεδιασμό των λειτουργιών ενός δικτύου ASN από τα φυσικά στοιχεία του δικτύου, είναι αναγκαία η ύπαρξη ενός συνόλου από προφίλ στο ASN δίκτυο. Για παράδειγμα, σε μία υλικοτεχνική υλοποίηση μιας συγκεκριμένης εταιρίας, το ASN μαζί με τις λειτουργίες του μπορεί να αναλύεται σε δύο οι περισσότερες φυσικές μονάδες. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι δύο μονάδες που ονομάζονται «σταθμός βάσης» (Base Station - BS) και ASN Gateway (ASN-GW), όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.5 παρακάτω. Αν ακολουθηθεί αυτός ο τρόπος υλοποίησης τότε ένα ASN μπορεί να αποτελείται από ένα ή περισσότερους σταθμούς βάσης (Base Stations - BS) και τουλάχιστον από μία πύλη ASN Gateway (ASN-GW). Εικόνα 3.5 Μοντέλο αναφοράς για διασπασμένο ASN σε BS και μια μονάδα ASN GW Γενικά, ο σταθμός βάσης (BS) είναι μια υλικοτεχνική μονάδα με λογική συμπεριφορά που επιτελεί κατά κύριο λόγο όλες εκείνες τις διαδικασίες που αφορούν την ασύρματη μετάδοση από και προς τους κινητούς χρήστες. Σύμφωνα με αυτόν το γενικό ορισμό, αντιλαμβανόμαστε ότι ένας σταθμός βάσης διαχειρίζεται την εκχώρηση συχνοτήτων, σε μια γεωγραφική περιοχή με συνδρομητές. Επίσης, σ ένα σταθμό βάσης τελούνται και άλλες πρόσθετες εφαρμογές κάποιων ειδικών λειτουργιών, όπως είναι η σωστή ρύθμιση της κάτω και της άνω ζεύξης (downlink-uplink). Η πύλη ASN Gateway (ASN-GW) πρόκειται για μια λογική οντότητα, που στην πραγματικότητα αναφέρεται σε όλες εκείνες τις φυσικές μονάδες, που είναι αφιερωμένες στον έλεγχο. Αυτές οι μονάδες μπορεί να είναι είτε συνδεδεμένες με μια αντίστοιχη λειτουργία στο ίδιο το ASN, είτε με μια λειτουργία του CSN ή ακόμα και με μια λειτουργία σε διαφορετικό ASN. Τέλος, μια πύλη ASN Gateway είναι υπεύθυνη για την απαραίτητη δρομολόγηση ή τη γεφύρωση μεταξύ λειτουργιών. 42

43 Οι λειτουργίες του ASN που πραγματοποιούνται σ ένα ASN-GW μπορούν προαιρετικά να χωριστούν σε δύο κατηγορίες λειτουργιών. Αυτές που αναφέρονται ως σημείου απόφασης (Decision Point - DP) και αυτές που αναφέρονται ως σημείου επιβολής (Enforcement Point - EP). Εικόνα Μοντέλο αναφοράς για διασπασμένο ASN σε BS και πολλαπλές μονάδες ASN GW Εικόνα 3.7 Μοντέλο αναφοράς για διασπασμένο ASN-GW ΠΡΟΦΙΛ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ (ASN) Ένα προφίλ ASN καθορίζει ένα συγκεκριμένα σύνολο από λειτουργίες, εντός του σταθμού βάσης και του ASN-GW και διαθέτει σημεία αναφοράς (reference points), σύμφωνα με τα οποία προσδιορίζονται τα πρωτόκολλα και τα μηνύματα που ανταλλάσσονται μεταξύ των οντοτήτων. Το δικτυακό μοντέλο αναφοράς (NWG) του WiMAX καθορίζει τρία βασικά προφίλ. Αυτά είναι τα Προφίλ A, B και C. Η εικόνα 3.8 περιγράφει τη λειτουργικότητα αυτών των προφίλ σε υψηλό επίπεδο, επικεντρώνοντας κυρίως στις λειτουργίες της μεταπομπή (handover - HO) και του ελέγχου των ασύρματων πόρων (Radio Resource Control - RRC) στο δίκτυο. 43

44 Εικόνα 3.8 Περιγραφεί των προφίλ του WiMAX ASN Προφίλ Α Μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά του Προφίλ A είναι: Ο έλεγχος των μεταπομπών. Ο έλεγχος ασύρματων πόρων (RRC). Η κινητικότητα ASN πρόσδεσης (anchored) μεταξύ των σταθμών βάσης, η οποία θα πρέπει να πραγματοποιείται με τη χρήση των σημείων αναφοράς R6 και R4. Ολοκληρωμένα όλες οι λειτουργίες του Προφίλ A εμφανίζονται στην εικόνα 3.9 που ακολουθεί. 44

45 Εικόνα 3.9 Ανάλυση της λειτουργικότητας του Προφίλ Α Προφίλ Β Τα ASNs που υπάγονται στην κατηγορία Προφίλ B απαρτίζονται από τις αδιαίρετες λειτουργίες των BS και ASN-GW. Ωστόσο όμως, αυτή η ιδιαιτερότητα δεν αποθαρρύνει τη διαλειτουργικότητα με άλλες ASNs, οποιουδήποτε άλλου τύπου προφίλ μέσω των διασυνδέσεων των σημείων αναφοράς R3 και R4. Η διεκπεραίωση της κινητικότητας του Inter-ASN θα πρέπει επίσης να είναι δυνατή διαμέσο της σύνδεσης με το σημείο αναφοράς R4. Οι αδιαίρετες λειτουργίες ανάμεσα σ ένα ASN-GW και ένα BS στο Προφίλ B παρέχουν μικρότερη ευελιξία στους κατασκευαστές υλικού, πάνω σε θέματα επεκτασιμότητας. Το Προφίλ B ενός ASN αποτελεί ένα κλειστό σύστημα από άποψη σχεδιασμού και επομένως δεν υπάρχουν πολλά περιθώρια για τη λειτουργική του βελτιστοποίηση, από τη μεριά των κατασκευαστών. Ωστόσο, ο αυστηρός σχεδιασμός του εγγυάται την ομαλή αλληλεπίδραση με άλλα ASN διαφορετικού προφίλ μέσω της διεπαφής του σημείου αναφοράς R4. 45

46 Εικόνα Ανάλυση της λειτουργικότητας του Προφίλ B Προφίλ C Τα πιο κύρια χαρακτηριστικά του Προφίλ C είναι τα εξής: Ο έλεγχος των μεταπομπών που λαμβάνει χώρα στον σταθμό βάσης. Ο έλεγχος των ασύρματων πόρων (Radio Resource Control - RRC), που γίνεται σε κάθε σταθμό βάσης και αποσκοπεί στην ορθότερη διαχείρισή του σταθμού. Η αναμετάδοση γίνεται στο ASN-GW και πιο συγκεκριμένα τα μηνύματα αναμεταδίδονται από έναν σταθμό βάσης σε άλλο σταθμό, μέσω του σημείου αναφοράς R6. Η κινητικότητα της ASN ανάμεσα στους σταθμών βάσης θα πρέπει να πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τις διεπαφές των σημείων αναφοράς R6 και R4, όπως και στο Προφίλ A. Όπως διαφαίνεται και από τα παραπάνω κυριότερα χαρακτηριστικά του Προφίλ C, αυτά αφορούν κυρίως λειτουργίες που απευθύνονται στη λειτουργία των σταθμών βάσης. Στην εικόνα 3.11 που ακολουθεί φαίνεται διαγραμματικά η λειτουργικότητα του Προφίλ C. 46

47 Εικόνα Ανάλυση της λειτουργικότητας του Προφίλ C 3.4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ WIMAX Έχοντας παρουσιάσει την αρχιτεκτονική ενός δικτύου WiMAX, έτσι όπως αυτή ορίζεται από το δικτυακό μοντέλο αναφοράς, είναι χρήσιμο για λόγους κατανόησης να παρουσιάσουμε μερικές εφαρμογές αυτών των δικτύων. Η τεχνολογία WiMAX έχει σχεδιαστεί, ώστε να ενσωματώνει πρωτοποριακές μεθόδους ασύρματης μετάδοσης, που μέχρι σήμερα αποτελούσαν κομμάτι της έρευνας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να έχουμε αύξηση των ρυθμών μετάδοσης, αλλά και των αποστάσεων κάλυψης, σε σύγκριση πάντα με τα υπάρχοντα ασύρματα δίκτυα. Το γεγονός αυτό καθιστά τα δίκτυα WiMAX την ιδανική λύση σε πολλές εφαρμογές, λύνοντας σημαντικά προβλήματα που απασχολούσαν τους μηχανικούς ασύρματων δικτύων. 47

48 Γενικά υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες εφαρμογών του WiMAX: οι σταθερές εφαρμογές, οι οποίες επιτρέπουν την ευρυζωνική πρόσβαση στα σπίτια και τις επιχειρήσεις και οι κινητές εφαρμογές WiMAX, που προσφέρουν την πλήρη κινητικότητα των κυψελοειδών δικτύων στις αληθινές ευρυζωνικές ταχύτητες. Πιο συγκεκριμένα όμως, το πρότυπο έχει εξαιρετικές εφαρμογές και αναμένεται να δώσει πολλές λύσεις σε υπάρχοντα προβλήματα της βιομηχανίας, μερικές από τις οποίες αναφέρονται περιληπτικά παρακάτω: Κυψελοειδής μετάδοση (backhaul): Οι πάροχοι της κύριας αρτηρίας (backbone) του internet στην Αμερική είναι αναγκασμένοι να μισθώσουν σε τρίτους παρόχους υπηρεσιών (ISPs) γραμμές του δικτύου, μια συμφωνία που κάνει την ενσύρματη σύνδεση στο internet για τους χρήστες αρκετά προσιτή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το 20% των κυψελών που εξυπηρετούν την ασύρματη επικοινωνία να μένουν αχρησιμοποίητες. Στην Ευρώπη όμως δεν συμβαίνει αυτό, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να βρεθούν εναλλακτικές λύσεις. 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. Άρση των περιορισμών των καλωδίων: Λόγω των περιορισμών του υλικού (χαλκός) στην τεχνολογία DSL παρατηρούνται πολλά προβλήματα ποιότητας υπηρεσιών, ειδικά σε χρήστες που βρίσκονται σε μακρινές αποστάσεις από τα ψηφιακά κέντρα. Τα προβλήματα αυτά και οι χαμηλοί ρυθμοί μετάδοσης ωθούν πολλούς συνδρομητές να αναζητήσουν άλλες λύσεις για την κάλυψη των ευρυζωνικών τους αναγκών. Αυτή η κατηγορία συνδρομητών είναι αυτοί που βρίσκονται μακριά από τα κέντρα δρομολόγησης και αντιμετωπίζουν τα μεγαλύτερα προβλήματα. Η χρήση οπτικής ίνας από τη μεριά των παρόχων βελτιώνει την απόδοση του δικτύου αρκετά, ωστόσο όμως ο χαλκός παραμένει στην εγκατάσταση του «τελευταίου μιλίου» και μαζί με αυτόν παραμένουν και τα προβλήματα για τους χρήστες. Επίσης, η αναβάθμιση του DSL δικτύου σε απομακρυσμένες αγροτικές ή νησιωτικές είναι ιδιαίτερα δύσκολη και ακριβή και γίνεται ακόμη πιο ακριβή αν συνυπολογίσουμε το μικρό συνδρομητικό φορτίο που θα καλυφθεί. Η προτυποποίηση της ασύρματης δικτύωσης με τη δημιουργία του μπορεί να λύσει όλα τα παραπάνω προβλήματα. Επίσης μπορεί να παρέχει επιπλέον υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και χαμηλό κόστος. Επέκταση της ασύρματης ευρυζωνικότητας: Το πρότυπο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη μεγαλύτερη αξιοποίηση του Τα σπίτια ή τα γραφεία τα οποία έχουν μικρά τοπικά δίκτυα (LANs) τα οποία χρησιμοποιούν το μπορεί να γίνουν σταθμοί για ένα WAN, ειδικότερα σε περιοχές που η χρήση καλωδίων είναι εξαιρετικά δύσκολη. Επίσης, η χρήση του μας απαλλάσσει από το πρόβλημα της εγκατάστασης καλωδιώσεων σε κτίρια sτα 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. 48

49 Απομακρυσμένες περιοχές: Η ασύρματη τεχνολογία internet με τη χρήση του είναι μία φυσική επιλογή για απομακρυσμένες περιοχές. Σε αυτή τη κατεύθυνση έχουν αρχίσει να δουλεύουν πολλές κυβερνήσεις σε συνεργασία με παρόχους ασύρματων υπηρεσιών (Wireless Internet Service Providers WISPs). Σύμφωνα με πρόσφατα στατιστικά περισσότεροι από WISPs, που εκμεταλλεύονται το χωρίς άδεια φάσμα (exempt-licensed spectrum) έχουν ανοιχτεί σε περισσότερες από αγορές στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής. Γενικά όμως, σε διεθνές επίπεδο οι περισσότερες επεκτάσεις γίνονται στο νόμιμο φάσμα συχνοτήτων σε πελάτες, που απαιτούν καλή ποιότητα μεταφοράς φωνής παρά δεδομένων. Αυτό συμβαίνει κυρίως σε κάποιες περιοχές που δεν υπάρχει ενσύρματο δίκτυο. 3.5 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ WIMAX Αυτό που ώθησε την εμπορική αγορά των ασύρματων δικτύων να στραφεί προς την τεχνολογία WiMAX είναι η υψηλή αποδοτικότητα της τεχνολογίας αυτής, σε συνδυασμό με το χαμηλό κόστος υλοποίησης. Αυτά είναι τα βασικότερα αίτια που οδήγησαν τους παρόχους ασύρματων υπηρεσιών (WISPs) να στραφούν προς την τεχνολογία WiMAX. Το WiMAX προσφέρει σημαντικά οφέλη τόσο στους παρόχους, όσο και στους χρήστες, για διαφορετικά περιβάλλοντα και σε διαφορετικές γεωγραφικές και δημογραφικές περιοχές. Το WiMAX αποτελεί μια λύση που οι εταιρίες που τη στηρίζουν, όπως η Intel, ευελπιστούν να καταφέρει να επικρατήσει στο κοντινό μέλλον, αντικαθιστώντας ίσως ακόμα και τις συνδέσεις ADSL. Σε πολλές χώρες τα δίκτυα WiMAX χρησιμοποιούνται με σκοπό την αποσυμφόρηση του συνδρομητικού φόρτου των δικτύων LTE. Ο στόχος είναι ο κυρίως όγκος της πρόσβασης σε ευρυζωνικές υπηρεσίες να πραγματοποιείται μέσω των δικτύων WiMAX. Εκτός από τα οικονομικά πλεονεκτήματα του WiMAX στην αγορά, συγκεντρώνει συνολικά μια σειρά τεχνοοικονομικών πλεονεκτημάτων, από τα οποία διαφαίνεται ο πρωταγωνιστικός ρόλος που αναμένεται να διαδραματίσει στο άμεσο μέλλον. Στη συνέχεια θα επιχειρήσουμε να αναλύσουμε τα πιο σημαντικά από αυτά. Ευέλικτη αρχιτεκτονική: Ένα WiMAX δίκτυο μπορεί να υλοποιηθεί με πολλές αρχιτεκτονικές δομές. Ο σχεδιασμός του δικτύου κορμού (backbone network) δεν απαιτείται να ακολουθεί κάποια αυστηρά ορισμένη αρχιτεκτονική και επομένως, δομές όπως σημείο-προς-σημείο (Point-to-Point), σημείο-προς-πολλαπλά-σημεία (Point-to- Multipoint), αλλά ακόμη και ευρεία εκπομπή (broadcast), μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίησή του. 49

50 Υψηλή ασφάλεια: Η κρυπτογράφηση που υιοθετεί το πρότυπο είναι τα αξιόπιστα πρότυπα AES (Advanced Encryption Standard) και 3DES (Triple Data Encryption Standard). Η κρυπτογράφηση είναι σε όλα τα δίκτυα ιδιαίτερα στα ασύρματα- ένα πολύ σημαντικό κομμάτι. Η κρυπτογράφηση που ακολουθούν τα δίκτυα WiMAX είναι πολύ ισχυρή και εξασφαλίζει την ασφαλή μετάδοση των πληροφοριών των χρηστών. Η κρυπτογράφηση όμως δεν αφορά μόνο την ασφάλεια κατά τη μετάδοση της πληροφορίας των συνδρομητών, αλλά παρέχει επίσης στους παρόχους υψηλή προστασία εναντίον της κλοπής υπηρεσιών από μη πιστοποιημένους συνδρομητές. Γρήγορη εγκατάσταση και ανάπτυξη: Σε σχέση με τα ενσύρματα ευρυζωνικά δίκτυα είναι προφανές ότι η τεχνολογία WiMAX υπερτερεί, καθώς δεν απαιτείται η εγκατάσταση καλωδιώσεων, ενώ οι δημιουργία σταθμών μεταγωγής και δρομολόγησης είναι απλούστερη. Για την κατασκευή ενός δικτύου WiMAX το μοναδικό ίσως χρονοβόρο και γραφιοκρατικό κομμάτι είναι η απόκτηση αδειών εκπομπής στις αδειοδοτημένες ζώνες συχνοτήτων, ενώ στα αντίστοιχα ενσύρματα δίκτυα απαιτούνται άδειες από περισσότερους φορείς λόγω των πολλών εγκαταστάσεων που πρέπει να κατασκευαστούν. Τέλος, γενικά η υλοποίηση ενός δικτύου WiMAX σε μία περιοχή είναι σημαντικά λιγότερο χρονοβόρα διαδικασία. Υπηρεσία πολλαπλών επιπέδων: Η δυνατότητα που δίνει στους παρόχους η τεχνολογία WiMAX να προσαρμόζουν την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών (Quality of Service - QoS), ανάλογα με τις ανάγκες του κάθε συνδρομητή, αποτελεί ένα ισχυρό επιχειρηματικό εργαλείο. Με αυτή την ιδιότητα οι πάροχοι μπορούν να δημιουργήσουν διαφορετικά συνδρομητικά πακέτα και να απευθυνθούν σε μεγαλύτερο εύρος συνδρομητών, ή ακόμα και να αφήσουν τους ίδιους τους συνδρομητές να επιλέξουν τις υπηρεσίες και την ποιότητα που επιθυμούν από το δίκτυο. Εικόνα 3.12 Πλεονεκτήματα του WiMAX 50

51 Διαλειτουργικότητα: Πίσω από την τεχνολογία των δικτύων WiMAX βρίσκεται ένα πλήρως ορισμένο και σύγχρονο πρότυπο, που διασφαλίζει τη διαλειτουργικότητα των συσκευών τόσο από τη μεριά των παρόχων, όσο και από τη μεριά των συνδρομητών. Το γεγονός αυτό εξασφαλίζεται από τους συνεχείς ελέγχους που διεξάγονται στον εξοπλισμό από το WiMAX Forum Certified. Κάθε συσκευή που κυκλοφορεί στο εμπόριο διαθέτει πιστοποίηση, σύμφωνα με την οποία εγγυάται στον τελικό καταναλωτή η ομαλή λειτουργία σε οποιοδήποτε δίκτυο WiMAX. Φορητότητα: Ένας συνδρομητικός σταθμός μπορεί να έχει πρόσβαση σ ένα δίκτυο WiMAX ενός συγκεκριμένου παρόχου και να κάνει χρήση των υπηρεσιών του δικτύου από οποιοδήποτε σημείο υπάρχει διαθέσιμη ράδιο-κάλυψη. Αυτό συμβαίνει σε κάθε σύγχρονο κυψελωτό δίκτυο και οφείλεται στις θεσπισμένες διαδικασίες αναγνώρισης και επικύρωσης, που διαθέτει και το WiMAX. Επομένως, οι συνδρομητές έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιούν τη συσκευή τους σε διαφορετικές θέσης του δικτύου και να διατηρούν τη πρόσβασή τους με αυτό. Κινητικότητα: Η ανανεωμένη έκδοση του προτύπου ΙΕΕΕ e προσδιορίζει ένα σαφές πλαίσιο για την υποστήριξη και τη διαχείριση της κινητικότητας. Πιο συγκεκριμένα, από αυτή την έκδοση του προτύπου και έπειτα προσδιορίζονται οι απαραίτητοι μηχανισμοί για τον εντοπισμό συνδρομητικών σταθμών, καθώς αυτοί κινούνται από την περιοχή εμβέλειας ενός σταθμού βάσης σ έναν άλλο. Το πρότυπο διαθέτει επίσης πρωτόκολλα που μπορούν να υποστηρίξουν μεταπομπές (handovers) σε χρήστες που έχουν ενεργές συνδέσεις και κινούνται από τον ένα σταθμό βάσης σ έναν άλλο. Η κινητικότητα υποστηρίζεται από το πρότυπο και σε επίπεδο IP διαστρωμάτωσης, που σημαίνει ότι είναι εφικτή η χρήση πρόσβασης στο διαδίκτυο από το χρήστη παράλληλα με την κίνησή του μέσα στο δίκτυο. Χαμηλό κόστος: Το WiMAX είναι βασισμένο σε ένα ανοιχτό, παγκόσμιο πρωτόκολλο. Η μαζική αποδοχή του και η χρήση ηλεκτρονικών (chipsets) χαμηλού κόστους μαζικής παραγωγής, θα οδηγήσει σε δραματική μείωση του κόστους και το αποτέλεσμα του ανταγωνισμού στις τιμές θα παρέχει σημαντικές οικονομίες για τους παρόχους υπηρεσιών και τους τελικούς χρήστες. Ευρεία κάλυψη: Ένα WiMAX δίκτυο μπορεί να προσφέρει ράδιο-κάλυψη στους χρήστες του με διαφορετική διαμόρφωση στον καθένα, ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στον ράδιο-δίαυλο. Το γεγονός αυτό υπόσχεται ότι το δίκτυο θα παρέχει ράδιο-κάλυψη στη βέλτιστη απόσταση και με τους βέλτιστους ρυθμούς μετάδοσης. Αν οι συνθήκες στο κανάλι επικοινωνίας του χρήστη με το σταθμό βάσης είναι ιδανικές τότε η απόσταση κάλυψης μπορεί να φτάσει και τα 50 Km, ενώ οι ρυθμοί μετάδοσης μπορούν να ανέλθουν στα 70 Mbps. Λειτουργία Μη-Οπτικής-Επαφής (NLOS): Όλα τα ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα υποστηρίζουν λειτουργία μη οπτικής επαφής. Αυτό όμως που κάνει το WiMAX να ξεχωρίζει είναι η OFDM τεχνολογία πρόσβασης που χρησιμοποιεί και η οποία, αυξάνει τις επιδόσεις του δικτύου στο βέλτιστο σε περιβάλλοντα μη οπτικής επαφής. Η OFDM 51

52 τεχνική πρόσβασης είναι ιδιαίτερα ανθεκτική στο θόρυβο που υπάρχει λόγω πολυόδευσης του σήματος. Υψηλή χωρητικότητα: Η ποικιλία στο εύρος ζώνης καναλιού σε συνδυασμό με την προσαρμοστική διαμόρφωση επιδρούν στην αύξηση της χωρητικότητας του εκάστοτε καναλιού και ως επέκταση και του συνολικού συστήματος. Γενικά, η τεχνολογία WiMAX προσφέρει υψηλότερα επίπεδα χωρητικότητας από τις αντίστοιχες ανταγωνίστριές της. 52

53 Κεφάλαιο 4 Τεχνικά Χαρακτηριστικά και Προδιαγραφές του WiMAX 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για τη ζώνη των 3,4-3,8 GHz καθώς αναμένεται να διευκολύνει την ανάπτυξη προηγμένων κινητών/σταθερών δικτύων επικοινωνιών. Πλέον, η ζώνη αυτή εμφανίζεται ως κρίσιμη τόσο για την παροχή υπηρεσιών ευρυζωνικής ασύρματης πρόσβασης μέσω τεχνολογιών WiMAX, όσο και για την επίτευξη πολύ υψηλών ταχυτήτων μετάδοσης και την αποσυμφόρηση της συνεχής αύξηση της κίνησης δεδομένων των ευρυζωνικών κινητών δικτύων LTE-Advanced και IMT-advanced. Το βασικότερο χαρακτηριστικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας WiMAX, που την έχει καταστήσει ως μία ραγδαία εφαρμοζόμενη τεχνολογία στα ασύρματα δίκτυα, είναι η διεκπεραιωτική της ικανότητα (throughput). Το πρότυπο καταφέρνει να επιτυγχάνει πολύ μεγάλη διεκπεραιωτική ικανότητα, ακόμα και σε μεγάλες αποστάσεις. Πίσω από αυτή την ισχυρή διεκπεραιωτική ικανότητα βρίσκεται ένα σύνολο πρωτοποριακών τεχνικών χαρακτηριστικών και προδιαγραφών ασύρματης μετάδοσης. Έχοντας αρχικά περιγράψει το πρότυπο που αντιπροσωπεύει την τεχνολογία WiMAX, αλλά έχοντας επίσης αναλύσει και τη βασική του αρχιτεκτονική δομή, είναι πια στιγμή να εμβαθύνουμε στις τεχνικές λεπτομέρειες. Σε αυτό το κεφάλαιο λοιπόν θα ασχοληθούμε με την ανάλυση όλων εκείνων των τεχνικών χαρακτηριστικών και των προδιαγραφών που κάνουν την τεχνολογία WiMAX να πρωτοπορεί και να ξεχωρίζει. 4.2 ΠΡΟΣΒΑΣΗ ΚΑΙ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ Η τεχνολογία WiMAX χρησιμοποιεί την ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM), η οποία είναι μια τεχνική διαμόρφωσης πολλαπλών φερουσών, που βρίσκει εφαρμογή σε ένα μεγάλο εύρος ασύρματων επικοινωνιακών συστημάτων. Η εφαρμογή της στα δίκτυα ασύρματων επικοινωνιών οφείλεται τόσο στην αποτελεσματική μείωση της διασυμβολικής παρεμβολής (Inter-Symbol Interference - ISI), όσο και στη βελτίωση της μετάδοσης σε περιβάλλοντα μη οπτικής επαφής (NLOS). Αυτοί οι δύο παράγοντες επιδρούν στη θεαματική αύξηση των ρυθμών μετάδοσης, ακόμα και σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. 53

54 Τέλος, τα συστήματα στα οποία εφαρμόζεται η τεχνική OFDM, είναι αυτά που ακολουθούν την κυψελοειδή αρχιτεκτονική, δηλαδή σε μία δεδομένη γεωγραφική περιοχή, οι τερματικοί σταθμοί επικοινωνούν με το σταθμό βάσης για την ανταλλαγή δεδομένων. Στο σταθμό βάσης εφαρμόζονται και ένα σύνολο άλλον σύγρονων τεχνικών, όπως είναι τα συστήματα έξυπνων κεραιών, ώστε να βελτιωθεί η συνολική απόδοση του δικτύου ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ OFDM Κύριος στόχος μας είναι να έχουμε ένα κανάλι απαλλαγμένο από τη διασυμβολική παρεμβολή (Intersymbol Interference - ISI). Για να συμβεί κάτι τέτοιο, θα πρέπει ιδανικά η διάρκεια του κάθε μεταδιδόμενου συμβόλου να είναι μεγαλύτερη από τη χρονική διασπορά του. Αυτό όμως, έρχεται σε πλήρη αντίθεση με το στόχο της επίτευξης υψηλών ρυθμών μετάδοσης, που απαιτούν τα σύγχρονα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών, καθώς η διάρκεια του συμβόλου σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να είναι όσον το δυνατόν πιο περιορισμένη, ακόμα και μικρότερη από τη χρονική διασπορά του ράδιο-δίαυλου. Αυτό προκαλεί αύξηση της διασυμβολικής παρεμβολής και δείχνει ότι υπάρχει ένα άνω όριο στη διεκπεραιωτική ικανότητα των ψηφιακών συστημάτων. Επίσης, η τεχνική διαμόρφωσης OFDM αποτελεί το προϊόν μελετών τις επιστημονικής κοινότητας, πάνω στο θέμα της αντιμετώπισης της εξασθένησης του σήματος λόγω διαλείψεων στο κανάλι μετάδοσης. Όπως θα δούμε και από την ανάλυση που ακολουθεί, η τεχνική OFDM δημιουργεί πολλά κανάλια, ορισμένα από τα οποία προσβάλλονται σε σοβαρό βαθμό από τις διαλείψεις. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αλλοίωση ενός μέρους της μεταδιδόμενης πληροφορίας και όχι την απώλεια του συνόλου της, όπως συμβαίνει σ ένα κοινό κανάλι. Γενικά, οι παραπάνω δυσκολίες μπορούν να ξεπεραστούν με δύο τρόπους. Ο πρώτος στηρίζεται στην υλοποίηση ενός σύνθετου κυκλώματος διαμορφωτή, που θα μετατρέπει το προς μετάδοση σήμα έτσι ώστε το κανάλι να επιδρά με επίπεδη εξασθένηση στη ζώνη συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει. Κάτι τέτοιο όμως αφενός ανεβάζει το γενικό κόστος της τεχνολογίας, αφετέρου αποτελεί μια πολύπλοκη κατασκευαστική υλοποίηση. Επομένως, η λύση αυτή απορρίπτεται καθώς δε μπορεί να στηριχτεί τεχνοοικονομικά. Μία δεύτερη λύση είναι να αυξήσουμε τη διάρκεια του συμβόλου (T s ), ώστε να μειώσουμε τη διασυμβολική παρεμβολή (Intersymbol Interference - ISI). Αύξηση της διάρκειας του συμβόλου σημαίνει διεύρυνση στο πεδίο του χρόνου, το οποίο σύμφωνα με τις ιδιότητες του μετασχηματισμού Fourrier οδηγεί με τη σειρά του σε σύμπτυξη του συχνοτικού φάσματος. Με άλλα λόγια, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε σήματα όσον το δυνατόν στενότερης ζώνης. Επομένως, με αυτή την τεχνική εκπομπής σημάτων στενής ζώνης, το διαθέσιμο φάσμα διασπάτε σε πολλά μικρότερα κανάλια, με 54

55 διαφορετική κεντρική συχνότητα το καθένα και τα οποία μεταφέρουν ταυτόχρονα ξεχωριστά σήματα πληροφορίας. Ουσιαστικά μέχρι αυτό το σημείο μιλάμε για πολυπλεξία στο πεδίο της συχνότητας. Αν σε αυτά τα σήματα τους προσδώσουμε και το χαρακτηριστικό της ορθογωνιότητας, τότε περιγράφουμε τη βασική ιδέα της ορθογώνιας πολυπλεξίας με διαίρεση συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDM). Εικόνα 4.1 Εξασθένηση σήματος μονού και πολλαπλών φερόντων Όπως φαίνεται και από την εικόνα 4.1, όταν το σήμα μεταδίδεται με τη χρήση ενός μόνο καναλιού, η εξασθένηση λόγω διαλείψεων μπορεί να το παραμορφώσει σε βαθμό που να μην είναι εφικτή η αποδιαμόρφωσή του από το δέκτη. Από την άλλη πλευρά όταν διαιρούμε το συνολικό φάσμα σε στενότερα κανάλια, η εξασθένηση παραμορφώνει λιγότερο κάθε κανάλι και επομένως είναι ευκολότερο για το δέκτη να αποδιαμορφώσει τα σήματα. Στην πολυπλεξία με διαίρεση στη συχνότητα (Frequency Division Multiplex - FDM), όπου και εκεί έχουμε υποφέροντα, αυτά πρέπει να απέχουν μεταξύ τους κατά μία ζώνη που ονομάζεται ζώνη φύλαξης (guard), ώστε να αποφεύγεται η διασυμβολική παρεμβολή. Στην OFDM τεχνική αυτό δεν είναι απαραίτητο, -αν και όπως θα δούμε και παρακάτω χρησιμοποιούνται διαστήματα φύλαξης- καθώς τα υποφέροντα είναι ορθογώνια μεταξύ τους και επομένως δεν είναι δυνατό να μπορούν να επικαλύπτονται τα φάσματά τους. Εκτός από το προφανές όφελος της θωράκισης έναντι της διασυμβολικής παρεμβολής, με αυτή τη μέθοδο κάνουμε σημαντική εξοικονόμηση του φάσματος, καθώς δημιουργούνται περισσότερα κανάλια, όπως φαίνεται και από την εικόνα 4.2 που ακολουθεί. 55

56 Εικόνα 4.2 Σύγκριση των μεθόδων πολυπλεξίας FDM και OFDM Η ορθογωνιότητα εκφράζεται μαθηματικά από την παρακάτω σχέση: b a * p( t) q( ) t dt K p q 0 p q Όπου το Ψ p αναφέρεται στο p-οστό σήμα από ένα σύνολο Ψ και αντίστοιχα το Ψ q στο q- οστό σήμα. Το βασικότερο πλεονέκτημα της πολυπλεξίας OFDM είναι η αντοχή της έναντι της εξασθένησης, η οποία συναντάται σε καταστροφικό βαθμό στις ζεύξεις μη οπτικής επαφής (NLOS). Αν το σύστημα χρησιμοποιούσε FDM πολυπλεξία, τότε τα σήματα θα μεταδίδονταν μέσω ενός φέροντος, με αποτέλεσμα μία μόνο έντονη διάλειψη να μπορεί να προκαλέσει απώλεια της συνολικής πληροφορίας. Στην OFDM πολυπλεξία που χρησιμοποιεί πολλά υποφέροντα στενής ζώνης, η ίδια διάλειψη θα καταστρέψει ένα μικρό μέρος της μεταδιδόμενης πληροφορίας. Αυτό το μικρό κομμάτι πληροφορίας μπορεί να ανακτηθεί με την εφαρμογή αλγορίθμων διόρθωσης λαθών. 56

57 Το διαμορφωμένο κατά OFDM σήμα προκύπτει με την εφαρμογή του ταχύ μετασχηματισμού Fourier (Fast Fourier Transform - FFT). Πιο αναλυτικά, τα σειριακά δεδομένα που πρόκειται να μεταδοθούν αποκτούν παράλληλη διάταξη και ομαδοποιούνται σε σύνολα των x bits. Από κάθε τέτοιο ξεχωριστό σύνολο παράγεται ένας μιγαδικός αριθμός της μορφής: Όπου, για QPSK a n, b n = 1 για 16-QAM a n, b n = 1, 3 για 64-QAM a n, b n = 1, 3, 5 dn an jb n Ο αριθμός x καθορίζει τον μοναδιαίο αστερισμό των σημάτων της κωδικοποίησης για κάθε υποφέρουσα. Αμέσως γίνεται αντιληπτό ότι κάθε υποφέρουσα δε μεταφέρει το ίδιο ποσό πληροφορίας, αλλά αυτό εξαρτάται από την κωδικοποίηση της πληροφορίας. Ο τρόπος με τον οποίο επιλέγεται ποια κωδικοποίηση θα χρησιμοποιηθεί αναλύεται σε επόμενη παράγραφο αυτού του κεφαλαίου. Τα σύμβολα του αστερισμού διαμορφώνονται σύμφωνα με τον ταχύ μετασχηματισμό Fourier και στη συνέχεια αποκτούν και πάλι σειριακή διάταξη. Έπειτα από έναν αριθμό υποφερόντων προστίθεται ένα διάστημα φύλαξης, που ονομάζεται κυκλικό πρόθεμα (cyclic prefix), το οποίο θωρακίζει τη μετάδοση των σημάτων από παραμορφώσεις που οφείλονται στην πολυόδευση. Στη συνέχεια τα ψηφιακά σύμβολα μετατρέπονται σε αναλογικά και διέρχονται από βαθυπερατά φίλτρα. Όπως σε κάθε αποδιαμόρφωση, έτσι κι εδώ, ο δέκτης πρέπει να επαναλάβει την αντίστροφη διαδικασία από αυτή που περιγράψαμε για να λάβει την πληροφορία. Εικόνα 4.3 Η εξέλιξη της διαμόρφωσης σε κάθε τεχνολογική γενιά ασύρματων επικοινωνιών 57

58 Συνολικά, τα υποφέροντα σήματα που απαρτίζουν την OFDM διαμόρφωση είναι τα εξής: Υποφέροντα δεδομένων (Data Subcarriers) Πρόκειται για τα υποφέροντα που μεταφέρουν την πληροφορία των μεταδιδόμενων δεδομένων. Υποφέροντα Πιλότοι (Pilot Subcarriers) Πρόκειται για υποφέροντα σήματα που περιέχουν πληροφορία για το συντονισμό και τη διαχείριση της μετάδοσης. Υποφέροντα φύλαξης/dc (Guard Subcarriers) Τα υποφέροντα αυτά δε μεταφέρουν καμιά πληροφορία. Ο ρόλος τους είναι να δημιουργούν κενά διαστήματα, ώστε να αποφεύγεται η παρεμβολή μεταξύ γειτονικών φερόντων λόγω πολυόδευσης. Επίσης, βοηθούν στην τήρηση της ορθογωνιότητας της διαμόρφωσης. Εικόνα 4.4 Απεικόνιση υποφερόντων OFDM διαμόρφωσης OFDMA ΚΑΙ SOFDMA Η Πολλαπλή Πρόσβαση Ορθογώνιας Διαίρεσης Συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - OFDMA) είναι ουσιαστικά η ίδια με την OFDM, με τη μόνη διαφορά ότι τα υποφέροντα που μεταφέρουν την πληροφορία δημιουργούν ισάριθμες ομάδες. Τα υποφέροντα των ομάδων αυτών είναι εκχωρημένα σε κάποιον χρήστη. Ο αριθμός των υποφερόντων που εκχωρούνται σε κάθε χρήστη μπορεί να μην είναι ο ίδιος, που σημαίνει ότι μπορεί να υπάρχουν χρήστες με μεγαλύτερο αριθμό υποφερόντων σε μία ομάδα. Επίσης, τα υποφέροντα αυτά δεν έχουν αυστηρή θέση μέσα στην ομάδα και επομένως η διάταξή τους μπορεί να ποικίλει. Εικόνα 4.5 Διάταξη υποφερόντων στην OFDMA πρόσβαση 58

59 Η Κλιμακωτή Πολλαπλή Πρόσβαση Ορθογώνιας Διαίρεσης Συχνότητας (SOFDMA), αποτελεί μια εξέλιξη της OFDMA. Η SOFDMA προσαρμόζει το μέγεθος του μετασχηματισμού Fourier στο μέγεθος του καναλιού, ενώ διατηρεί σταθερή τη συχνοτική διάταξη των υποφερόντων στα διάφορα μεγέθη του εύρους των καναλιών. Μικρότερο μέγεθος μετασχηματισμού αποδίδεται σε στενά κανάλια, ενώ μεγαλύτερα μεγέθη μετασχηματισμού δίνονται σε ευρύτερα κανάλια. Διατηρώντας τη συχνοτική διάταξη των υποφερόντων σταθερή μειώνεται η πολυπλοκότητα των συστημάτων που χρησιμοποιούν μικρά κανάλια και αυξάνει την επίδοση των συστημάτων που χρησιμοποιούν μεγάλου εύρους κανάλια. 4.3 ΈΞΥΠΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ Η τεχνολογία WiMAX υποστηρίζει και μία νέα τεχνική ράδιο-κάλυψης, η οποία υλοποιείται από έναν νέο τύπο κεραιών που ονομάζονται «έξυπνες κεραίες» (smart antennas). Η έξυπνες κεραίες είναι επίσης γνωστές και ως πολλαπλές κεραίες (multiple antennas) και χρησιμοποιούνται για την αύξηση της αποτελεσματικότητας των σύγχρονων ψηφιακών ασύρματων δικτύων. Ουσιαστικά οι έξυπνες κεραίες κάνουν διαχωρισμό των σημάτων και στο πεδίο του χώρου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μειώνεται η παρεμβολή μεταξύ των συνδρομητών που χρησιμοποιούν ταυτόχρονα το ίδιο δίκτυο και το ίδιο φάσμα συχνοτήτων. Για να επιτευχθεί ο χωρικός διαχωρισμός χρησιμοποιούνται πολλές κεραίες με σταθερούς λοβούς και μεγάλο κέρδος. Από την πλευρά του δικτύου υπάρχει ένας αλγόριθμος, οποίος επιλέγει από ποια κεραία θα εξυπηρετηθεί ο κάθε χρήστης που υποβάλλει αίτημα χρήσης, με γνώμονα τη βελτιστοποίηση του σήματος για κάθε περίπτωση. Αυτή είναι η πιο απλή υλοποίηση έξυπνων κεραιών που συναντάται. Εικόνα 4.6 Παράδειγμα έξυπνων κεραιών με τεχνική επιλογής λοβού ακτινοβολίας 59

60 Μία ποιο εξελιγμένη υλοποίηση είναι αυτή της προσαρμογής του συνολικού διαγράμματος ακτινοβολίας, μέσω του ελέγχου των επιμέρους διαγραμμάτων ακτινοβολίας των πολλαπλών κεραιών. Σε αυτή την τεχνική το διάγραμμα ακτινοβολίας της εκπομπής του σταθμού βάσης αλλάζει σύμφωνα με το που προσδιορίζεται ο μεγαλύτερος όγκος του συνδρομητικού φορτίου. Τα λαμβανόμενα σήματα συνδυάζονται με διαφορετικό βαθμό το κάθε ένα, ώστε να αυξηθεί ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR). Οι παρεμβολές μετριάζονται καθώς ο λοβός που βρίσκεται προς την κατεύθυνση του συνδρομητή υπολογίζεται στο μίκτη με το μεγαλύτερο βάρος. Ο κύριος ή οι δευτερεύοντες λοβοί ακτινοβολίας μπορούν εύκολα να οδηγηθούν από το σύστημα, προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Η κατεύθυνση του λοβού προσδιορίζεται σε αυτή την περίπτωση από τη μέθοδο εκτίμησης της κατευθυντικότητας του λαμβανόμενου σήματος (Direction of Arrival - DOA). Εικόνα 4.7 Απεικόνιση της τεχνικής προσαρμογής διαγράμματος ακτινοβολίας Ένας άλλος τρόπος κατηγοριοποίησης των έξυπνων κεραιών είναι ο αριθμός των εισόδων και των εξόδων που χρησιμοποιούνται από το σύστημα. Σύμφωνα με αυτόν τον τρόπο, οι κατηγορίες που έχουμε είναι οι εξής: SIMO (Single Input Multiple Output) Σε αυτή την κατηγορία χρησιμοποιείται μία κεραία για τον σταθμό βάσης και πολλαπλές κεραίες από τους συνδρομητές. MISO (Multiple Input Single Output) Εδώ χρησιμοποιούνται πολλαπλές κεραίες από τη μεριά του δικτύου και μόνο μία κεραία από την πλευρά του χρήστη. MIMO (Multiple Input Multiple Output) Εδώ χρησιμοποιούνται πολλαπλές κεραίες και από τις δύο πλευρές της ζεύξης. Αυτή είναι και η αποτελεσματικότερη μέθοδος από όλες. Ουσιαστικά, δεν πρόκειται για έξυπνες κεραίες αλλά για ένα έξυπνο σύστημα, που μπορεί να προσαρμόζει τον τρόπο με τον οποίο κάθε σταθμός βάσης ακτινοβολεί, σύμφωνα με τις ανάγκες και τις απαιτήσεις του συνδρομητικού φορτίου. 60

61 4.4 ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΑΙ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ Σε όλα τα ψηφιακά συστήματα επικοινωνιών τα σήματα που μεταφέρουν την πληροφορίας κωδικοποιούνται και διαμορφόνονται κατάλληλα, ώστε να μεταδοθούν μέσα από το κανάλι. Κατά τη διαμόρφωση του σήματος επιλέγεται ένα φέρον σήμα το οποίο θα μεταφέρει την ψηφιακή πληροφορία μέσα από το κανάλι. Υπάρχουν τρείς βασικές μέθοδοι διαμόρφωσης από τις οποίες απορρέουν όλες οι υπόλοιπες. Αυτές είναι η διαμόρφωση με αλλαγή του πλάτους (Amplitude Shift Keying - ASK), με αλλαγή της συχνότητας (Frequency Shift Keying - FSK) και με αλλαγή της φάσης (Phase Shift Keying - PSK). Στη WiMAX τεχνολογία εφαρμόζονται οι διαμορφώσεις BPSK, QPSK και QAM. Οι δύο πρώτες στηρίζονται στην PSK, ενώ η QAM προκύπτει ως συνδυασμός της ASK και της PSK. Πιο συγκεκριμένα, στη BPSK (Binary PSK) χρησιμοποιούνται δύο σήματα με διαφορά φάσης Το ένα σήμα έχει φάση 0 0 και το δεύτερο Σε κάθε σήμα αντιστοιχούμε ένα bit ψηφιακής πληροφορίας, είτε το 0, είτε το 1. Στη QPSK (Quatradure PSK) όπως προδίδει και το όνομα, χρησιμοποιούνται τέσσερα σήματα. Τα δύο σήματα είναι ίδια με αυτά της BPSK, ενώ τα δύο επιπλέον έχουν φάση 90 0 και αντίστοιχα. Με αυτή τη διαμόρφωση διπλασιάζουμε τη χωρητικότητα, καθώς με κάθε σήμα μπορούμε να στείλουμε 2 bits πληροφορίας. Η σύμβαση είναι ότι το σήμα με τη μηδενική φάση μεταφέρει τα bits 00, το σήμα με φάση 90 0 τα bits 01, το σήμα με φάση τα bits 11 και στο σήμα με φάση αντιστοιχούν τα bits 10. Οι εικόνες 4.8 και 4.9 που ακολουθούν δείχνουν τα σήματα του κάθε αστερισμού και τα bits πληροφορίας που αυτά μεταφέρουν. Εικόνα 4.8 Παράδειγμα BPSK διαμόρφωσης Εικόνα 4.9 Παράδειγμα QPSK διαμόρφωσης 61

62 Τέλος, η τεχνολογία WiMAX χρησιμοποιεί και τη διαμόρφωση QAM, η οποία αποτελεί το συνδυασμό της ASK και της PSK. Επομένως τα σήματα του αστερισμού της QAM διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το πλάτος αλλά και τη φάση. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της QAM είναι ότι το σύνολο των συμβόλων που αποτελούν τον αστερισμό μπορεί να είναι 16, 32, 64, κλπ, και αυτό το συμβολίζουμε γράφοντας πρώτα τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων συμβόλων. Στο WiMAX χρησιμοποιείται η 16-QAM και η 64-QAM, οι οποίες μπορούν να μεταφέρουν με ένα σύμβολό τους 4 και 6 bits πληροφορίας αντίστοιχα. Παρατηρούμε ότι με την QAM αυξάνεται κατά πολύ η χωρητικότητα του συστήματος επικοινωνίας, αλλά το γεγονός αυτό συνοδεύεται και από το μειονέκτημα ότι αυξάνεται η πιθανότητα σφάλματος κατά τη μετάδοση. Όσο αυξάνουμε τον αριθμό τον σημάτων ενός αστερισμού, αρχίζουμε παράλληλα να αμβλύνουμε τις έντονες διαφορές στα χαρακτηριστικά τους, όπως είναι το πλάτος και η φάση. Επομένως γίνεται δυσκολότερη η διαδικασία της απόφασης στο δέκτη για το πιο σήμα έχει ληφθεί. Οι εικόνες που ακολουθούν παρουσιάζουν τους αστερισμούς των 16- QAM και 64-QAM διαμορφώσεων. Εικόνα 4.10 Ο αστερισμός της 16-QAM διαμόρφωσης Εικόνα 4.11 Ο αστερισμός της 64-QAM διαμόρφωσης 62

63 Όπως προκύπτει από όλα τα παραπάνω, ανάλογα με τη διαμόρφωση που χρησιμοποιούμε αλλάζει και ο αριθμός των bits πληροφορίας, που μπορεί να μεταφέρει κάθε σύμβολο. Όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος bits/σύμβολο, τόσο αυξάνεται η διεκπεραιωτική ικανότητα (throughput) του δικτύου και επιτυγχάνεται καλύτερη αξιοποίηση του φάσματος. Από την άλλη πλευρά, όπως έχουμε ήδη επισημάνει, η χρησιμοποίηση μεγαλύτερων αστερισμών κωδικοποίησης αυξάνει τον ρυθμό των εσφαλμένων λαμβανόμενων bits (Bit Error Rate - BER). Η αλλοίωση των σημάτων οφείλεται στις συνθήκες διάδοσης που επικρατούν στο ράδιο-δίαυλο. Οι συνθήκες αυτές αποτυπώνονται στο λόγο ωφέλιμου σήματος προς θόρυβο (Signal to Noise Ratio - SNR) στο δέκτη. Επομένως, η βέλτιστη αξιοποίηση του καναλιού μπορεί να επιτευχθεί με την προσαρμογή της διαμόρφωσης και κατ επέκταση της κωδικοποίησης των σημάτων ανάλογα με τον σηματοθορυβικό λόγο του καναλιού. Η ιδέα αυτή εφαρμόζεται στην τεχνολογία WiMAX και καλείται «Προσαρμοσμένη Διαμόρφωση και Κωδικοποίηση» (Adaptive Modulation and Coding - AMC) και αποτελεί μία από τις καινοτομίες των δικτύων WiMAX. Εικόνα 4.12 Προσαρμοσμένη Διαμόρφωση και Κωδικοποίηση 63

64 Ο σταθμός βάσης ελέγχει τον λόγο σήματος προς θόρυβο του κάθε συνδρομητή και προσαρμόζει τη διαμόρφωση της πληροφορίας έτσι ώστε να πετυχαίνεται ο μέγιστος ικανός ρυθμός μετάδοσης. Είναι αναμενόμενο ο σηματοθοριβικός λόγος να είναι μεγαλύτερος κοντά στο σταθμό βάσης, αφού σε αυτή τη ζώνη η εξασθένηση του σήματος είναι ακόμα μικρή και επομένως εκεί εντοπίζονται οι υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι αποκλείεται το γεγονός να επιτυγχάνονται μεγάλοι ρυθμοί και σε μακρινές αποστάσεις. Όσο απομακρυνόμαστε από τον σταθμό βάσης και η στάθμη του σήματος πέφτει, μειώνεται και ο ρυθμός μετάδοσης, αφού αναγκαζόμαστε να χρησιμοποιήσουμε διαμόρφωση με μικρότερο αστερισμό ώστε να μειώσουμε τη πιθανότητα σφάλματος μετάδοσης και να παρέχουμε αξιόπιστα την πληροφορία. Σε αυτό το σημείο πρέπει να σημειώσουμε ότι χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι διόρθωσης λαθών, ώστε να αναγνωρίζονται σφάλματα κατά τη μετάδοση και να διορθώνονται από το σύστημα. Αυτό γίνεται εισάγοντας στη διαμόρφωση επιπλέον πληροφορία για τα μεταδιδόμενα bits, η οποία χρησιμοποιείται από τον αλγόριθμο για τον έλεγχο της ορθότητας των bits που λήφθηκαν. Σε αυτή την περίπτωση το ποσοστό των bits που αντιστοιχούν στη χρήσιμη πληροφορία δηλώνεται με ένα κλάσμα μετά το όνομα της διαμόρφωσης. Για παράδειγμα, αν έχουμε διαμόρφωση 64-QAM 5 / 6, σημαίνει ότι τα 5 από τα 6 bits που μεταφέρει το κάθε σύμβολο αντιστοιχούν στη χρήσιμη πληροφορία, ενώ ένα bit χρησιμοποιείται για τη διόρθωση λαθών. Η τεχνική διόρθωσης λαθών που ενσωματώνεται συνήθως στα συστήματα WiMAX είναι η Forward Error Correction FEC, η οποία είναι μία από τις πιο ισχυρές τεχνικές και μειώνει σε μεγάλο βαθμό τις απαιτήσεις του σηματοθορυβικού λόγου (SNR). Αν ο αλγόριθμος διόρθωσης ανιχνεύσει κάποιο σφάλμα, τότε ενεργοποιείται η αυτόματη απαίτηση επανάληψης της πληροφορίας (Automatic Repeat-reQuest - ARQ). 4.5 ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΚΑΙ ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΗΣΗ Στα δίκτυα επικοινωνιών και ιδιαίτερα στα ασύρματα, μπορούν να παρατηρηθούν εισβολές ικανές να επηρεάσουν, να αλλοιώσουν ακόμα και να καταστρέψουν την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Τα πιο ευάλωτα σημεία ενός ράδιο-δικτύου όπως το WiMAX είναι αυτά του φυσικού επιπέδου (PHY Layer) και του επιπέδου μετάδοσης πληροφοριών (MAC Layer). Για την αποφυγή λοιπόν τέτοιων κακόβουλων απειλών, έχει θεσπιστεί ένα σύστημα ασφάλειας και κρυπτογράφησης, που διασφαλίζει την αξιοπιστία των μεταδόσεων και θωρακίζει το σύστημα ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Όλοι οι κινητοί σταθμοί (Mobile Stations - MSs) διαθέτουν ένα πιστοποιητικό X.509, το οποίο συμπεριλαμβάνει και το δημόσιο κλειδί του (Public Key-PK). Ο κινητός σταθμός χρησιμοποιεί το δημόσιο κλειδί κατά την επικοινωνία του με το σταθμό βάσης για να 64

65 εισέλθει στο δίκτυο. Στη συνέχεια, ακολουθεί μια διαδικασία πιστοποίησης, στην οποία ορίζεται μια σειρά από άλλα κλειδιά, τα οποία έχουν περιορισμένο χρόνο ισχύς (διαδικασία γήρανσης) και πρέπει να ανανεώνονται σε περιοδικά διαστήματα, συμβάλλοντας έτσι στην αύξηση της ασφάλειας του δικτύου. Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία πιστοποίησης της συσκευής τότε ο σταθμός βάσης εκδίδει το κλειδί εξουσιοδότησης (Authorization Key - AK) και αφού το κρυπτογραφήσει σύμφωνα με το δημόσιο κλειδί, το αποστέλλει στον κινητό σταθμό. Το κλειδί εξουσιοδότησης αποτελείται από ένα αύξοντα αριθμό από το μηδέν έως το δέκα πέντε και έχει περίοδο ισχύς μερικές μέρες. Για να αποφευχθεί η απώλεια της εξουσιοδότησης κατά τη λήξη του κλειδιού, αποστέλλονται δύο κλειδιά εξουσιοδότησης στο χρήστη με διαφορετική χρονική περίοδο ισχύς το κάθε ένα. Στη συνέχει, ο κινητός σταθμός χρησιμοποιεί τα κλειδιά εξουσιοδότησης, ώστε να του γνωστοποιηθεί το κλειδί της κρυπτογράφησης κλειδιού (Key Encryption Key - KEK) και ο κωδικός πιστοποίησης μηνύματος, που είναι βασισμένος σε μια συνάρτηση κρυπτογράφησης (Hash function-based Message Authentication Code - HMAC). Το ΚΕΚ χρησιμοποιείται για να γνωρίζει ο χρήστης την κρυπτογράφηση με την οποία θα του σταλούν τα τελικά κλειδιά κρυπτογράφησης της κίνησης των δεδομένων (Traffic Encryption Keys - TEK). Τα βήματα που ακολουθούνται για να εισέλθει ένας κινητός σταθμός στο δίκτυο και να μπορεί να το χρησιμοποιεί είναι τα εξής: 1. Ανίχνευση της κάτω ζεύξης και συγχρονισμός με το σταθμό βάσης 2. Ανακάλυψη διαθέσιμων καναλιών άνω ζεύξης 3. Ταξινόμηση 4. Διαπραγμάτευση της χωρητικότητας 5. Εξουσιοδότηση, πιστοποίηση και ανταλλαγή κλειδιών 6. Εγγραφή στο δίκτυο Στο 3 ο στάδιο που είναι η ταξινόμηση, ο συνδρομητικός σταθμός συγχρονίζει το ρολόι του με το σταθμό βάσης και εκτιμάται η λαμβανόμενη ισχύς. Οι διαδικασίες που περιγράφηκαν είναι απαραίτητες και πραγματοποιούνται στα περισσότερα ασύρματα δίκτυα που υπάρχουν. Η ύπαρξη διαδικασιών πιστοποίησης είναι αναγκαία, ώστε να διασφαλίζεται ότι το δίκτυο θα χρησιμοποιείται από συσκευές που οι κατασκευαστές τους έχουν επίσημες άδειες και τηρούν της προδιαγραφές του προτύπου IEEE ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΗΣΗ Η ασφάλεια κατά τη μετάδοση της πληροφορίας είναι ουσιώδους σημασίας για όλα τα ψηφιακά δίκτυα επικοινωνιών και για το λόγο αυτό ένα μεγάλο κομμάτι του προτύπου IEEE αφιερώνεται στον ορισμό διαδικασιών για την τήρηση της ασφάλειας και της ομαλής λειτουργίας του δικτύου. Η μεγαλύτερη έμφαση στην ασφάλεια δίνεται κυρίως στην πλευρά του χρήστη, ο οποίος πρέπει να μπορεί να εμπιστευτεί το δίκτυο 65

66 και να επικοινωνεί ελεύθερα. Για να επιτευχθεί λοιπόν η απαιτούμενη ασφάλεια χρησιμοποιούνται μέθοδοι κρυπτογράφησης, ψηφιακές υπογραφές προϊόντων και πιστοποιητικά ασφαλείας. Το πιο σημαντικό εργαλείο όμως για την ασφάλεια είναι η κρυπτογράφηση. Οι μέθοδοι κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία WiMAX είναι αυτές που περιγράφονται παρακάτω DES 3DES Το Data Encryption Standard DES πρόκειται για το πρώτο συμμετρικό σύστημα κρυπτογράφησης, που γνώρισε ευρέα χρήση. Γενικά, το DES λειτουργεί σύμφωνα με μια συνάρτηση κρυπτογράφησης, η οποία δέχεται πακέτα πληροφορίας σταθερού μεγέθους 64 bits (block plaintext) και παράγει πακέτα κρυπτογραφημένων δεδομένων (block chiphertext) επίσης σταθερού μεγέθους. Για τη διαδικασία αυτή χρησιμοποιείται ένα μυστικό κλειδί μήκους 56 bits. Η ικανότητα του συστήματος κρυπτογράφησης DES κρίνεται αρκετά ικανοποιητική, ωστόσο όμως μπορεί να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο με τη χρήση τεχνικών πολλαπλής κρυπτογράφησης. Σύμφωνα με αυτές, η πληροφορία δεν κρυπτογραφείται μόνο μια φορά, αλλά περισσότερες με διαδοχικό τρόπο και διαφορετικά κλειδιά. Με αυτόν τον τρόπο καταφέρνουμε να ισχυροποιήσουμε την τάξη της ασφάλειας των δεδομένων. Το σύστημα κρυπτογράφησης 3DES στηρίζεται σε αυτή την ιδέα. Για την ακρίβεια πρόκειται για την ίδια διαδικασία κρυπτογράφησης με την DES, αλλά αυτή επαναλαμβάνεται τρείς φορές με διαφορετικά κλειδιά κάθε φορά AES Το «εξελιγμένο πρότυπο κρυπτογράφησης» (Advanced Encryption Standard - AES), ορίζει πρότυπο κρυπτογράφησης δεδομένων με τη χρήση ενός μυστικού κλειδιού, το οποίο έχει εκδοθεί από το Αμερικάνικο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (National Institute of Standards and Technology - NIST). To πρότυπο AES έχει ουσιαστικά αντικαταστήσει το πρότυπο DES. Πάντως και τα δύο πρότυπα είναι συμμετρικά, πράγμα που σημαίνει ότι για την κρυπτογράφηση αλλά και την αποκρυπτογράφηση απαιτείται το ίδιο κλειδί. Σύμφωνα με το AES, πακέτα δεδομένων των 128 bits κρυπτογραφούνται με τη χρήση κλειδιών, το μήκος των οποίων μπορεί να είναι 128, 192 ή 256 bits. Η κρυπτογράφηση των δεδομένων μπορεί να επαναληφθεί πολλές φορές και κάθε επανάληψή της ονομάζεται «γύρος» (round). Η καινοτομία αυτού του συστήματος κρυπτογράφησης είναι ότι σε κάθε γύρο δε χρησιμοποιείται κάποιο σταθερό κλειδί, αλλά παράγεται ένα καινούριο σύμφωνα με τα δεδομένα και το κλειδί που κρυπτογραφήθηκαν στον προηγούμενο γύρο. Τελικά, παράγεται ένα πακέτο κρυπτογραφημένων δεδομένων, το οποίο μάλιστα έχει το ίδιο μέγεθος με το αρχικό πακέτο δεδομένων. Η ισχυρή κρυπτογραφική ικανότητα του AES σε συνδυασμό με τη 66

67 μηδενική επιβάρυνση της πληροφορίας σε όγκο, έχουν εδραίωση τη χρήση του AES παγκοσμίως TLS Το TLS (Transport Layer Security) είναι ένα πρωτόκολλο που εγγυάται την ασφάλεια της επικοινωνίας μεταξύ εξυπηρετητή και πελάτη (server -client) μέσω του Διαδικτύου. Με άλλα λόγια, διασφαλίζεται ότι δεν θα υπάρχει διαρροή της μεταδιδόμενης πληροφορίας. Το TLS αποτελεί το διάδοχο του πρωτοκόλλου κρυπτογράφησης Secure Sockets Layer (SSL), που σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα. Χρησιμοποιούνται ως ενδιάμεσα πρωτόκολλα μεταξύ του επιπέδου εφαρμογών και του επιπέδου μεταφοράς. Το TLS αποτελείται από δύο επίπεδα: το TLS Record Protocol και το TLS Handshake Protocol. Το TLS Record Protocol περιγράφει διαδικασίες κατά τις οποίες ο εξυπηρετητής πιστοποιεί και εγγράφει τον πελάτη στο δίκτυο, ενώ το TLS Handshake Protocol περιγράφει μία διαδικασία «χειραψίας», κατά την οποία ο εξυπηρετητής και ο πελάτης διαπραγματεύονται για το ποιος αλγόριθμος θα χρησιμοποιηθεί για την κρυπτογράφηση των δεδομένων. Μετά το τέλος της «χειραψίας» μπορεί να αρχίσει η επικοινωνία, σύμφωνα με τα κλειδιά κρυπτογράφησης που συμφωνήθηκαν KMP Το πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιού (Key Management Protocol - KMP) σχετίζεται με διαδικασίες συμφωνίας, ανταλλαγής, επικύρωσης, ανανέωσης, συγχρονισμού και αντικατάστασης των κλειδιών, που χρησιμοποιούνται για την κρυπτογράφηση των δεδομένων μεταξύ του σταθμού βάσης και του κινητού σταθμού. Με τη χρήση αυτού του πρωτοκόλλου ο συνδρομητής καταφέρνει την ανανέωση των κλειδιών κρυπτογράφησης, που όπως έχουμε ήδη αναφέρει έχουν περιορισμένη χρονική ισχύ. Ο συνδρομητής στέλνει αίτημα για εξουσιοδότηση (Authorization Request - AR) στο δίκτυο και αναμένει μέχρι να εγκριθεί η αίτησή του. Η αίτηση αυτή περιέχει τη ταυτότητα του συνδρομητή, που δεν είναι άλλη από τον μοναδικό παγκοσμίως κωδικό που του έχει δοθεί από τον κατασκευαστή, σύμφωνα με το πιστοποιητικό X.509. Επιπλέον, στο αίτημά περιλαμβάνονται και οι αλγόριθμοι κρυπτογράφησης που μπορεί να υποστηρίξει ο συνδρομητής. Ο σταθμός βάσης με τη σειρά του ελέγχει το πιστοποιητικό που παρουσιάζει ο συνδρομητής και καθορίζει την κρυπτογράφηση που θα ακολουθηθεί, καθώς και όλες τις υπόλοιπες παραμέτρους ασφαλείας. Αφού γίνουν όλα αυτά, απαντά στον συνδρομητή εγκρίνοντας την αίτησή του (Authorization Reply). Επίσης του αποστέλλει και το κλειδί της εξουσιοδότησης (Authorization Key), το οποίο ουσιαστικά αποτελείται 67

68 από το κλειδί κρυπτογράφησης κλειδιού (Key Encryption Key - KEK) και δύο κλειδιά αυθεντικότητας μηνύματος (HMACs). Εικόνα 4.13 Διαδικασία πιστοποίησης και εξουσιοδότησης του συνδρομητή από το δίκτυο ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΤΙΚΑ X.509 Τα πιστοποιητικά X.509 χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση των συσκευών και γενικότερα εξουσιοδοτημένων συνδρομητών. Ένα τέτοιο πιστοποιητικό προσδιορίζει τον κατασκευαστεί μιας WiMAX συσκευής. Τα πιστοποιητικά περιέχουν πληροφορίες που σχετίζονται κατά κύριο λόγο με τη συσκευή του συνδρομητή, όπως είναι: Ο σειριακός αριθμός του πιστοποιητικού Πληροφορίες σχετικά με την έκδοση του πιστοποιητικού Η ψηφιακή υπογραφή της αρχής που έδωσε το πιστοποιητικό Το δημόσιο κλειδί του κατόχου του πιστοποιητικού EAP Το Extensible Authentication Protocol - EAP είναι ένα πλαίσιο πιστοποίησης αυθεντικότητας που χρησιμοποιείται συχνά στα ασύρματα δίκτυα και τις σημείο-προςσημείο συνδέσεις (Ρ2Ρ). Το EAP είναι απλά ένα πλαίσιο αυθεντικότητας και δεν περιγράφει αυστηρές διαδικασίες. Το EAP προσδιορίζει κάποιους γενικούς κανόνες που σχετίζονται με τη διαπραγμάτευση και την επικύρωση του επιθυμητού μηχανισμού αυθεντικότητας. Τέτοιοι μηχανισμοί καλούνται μέθοδοι EAP και υπάρχουν περίπου 40 68

69 διαφορετικοί. Αυτοί που χρησιμοποιούνται πιο συχνά στα ασύρματα δίκτυα είναι οι EAP-TLS και EAP-SIM. 4.6 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΙΣΧΥΟΣ Κύρια δουλειά των αλγορίθμων ελέγχου ισχύος είναι η συνεχής παρατήρηση των τιμών της λαμβανόμενης ισχύος στους χρήστες και ο επαναπροσδιορισμός του επιπέδου της εκπεμπόμενης ισχύς. Η διαδικασία αυτή, αφενός διασφαλίζει τη βέλτιστη απίδοση του συστήματος όσον αφορά την εκπομπή, αφετέρου συμβάλει στη μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο. Οι αλγόριθμοι ελέγχου ισχύος ουσιαστικά αποτελούν την ανάδραση του δικτύου. Ελέγχοντας την ισχύ στους δέκτες το δίκτυο αντιλαμβάνεται τις συνθήκες που επικρατούν στο ράδιο-δίαυλο και προσαρμόζει την εκπομπή του σήματος, ώστε να ικανοποιήσει τις συνθήκες αυτές. Με αυτό τον τρόπο αποφεύγεται ο αυστηρός σχεδιασμός και η θέσπιση ενός σταθερού επιπέδου ισχύος σύμφωνα με το χειρότερο σενάριο. Επίσης, αποτρέπονται οι παρεμβολές με γειτονικούς σταθμούς βάσης του ίδιου δικτύου, που βρίσκονται σε κοντινή απόσταση. Εικόνα 4.14 Έλεγχος ισχύος σε δίκτυο WiMAX 69

70 Κεφάλαιο 5 Οργάνωση και Προμελέτη Ράδιο-κάλυψης 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στα προηγούμενα κεφάλαια έγινε η πλήρης παρουσίαση των βασικών παραμέτρων, των καινοτομιών αλλά και των διαδικασιών λειτουργίας, που ορίζονται από την οικογένεια των προτύπων IEEE x. Στόχος όμως, της τεχνολογίας αυτής, με την εμπορική ονομασία WiMAX, είναι εν τέλη η δημιουργία ασύρματων μητροπολιτικών ευρυζωνικών δικτύων για την παροχή υπηρεσιών, τόσο σε σταθερούς, όσο και σε κινητούς χρήστες. Τελικός μας στόχος επομένως, δε θα μπορούσε να είναι άλλος από την εκπόνηση μίας μελέτης για τη βέλτιστη ραδιο-κάλυψη σε μία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή, σύμφωνα με τις προδιαγραφές της τεχνολογίας WiMAX. Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με την απαρχή μιας τέτοιας μελέτης, που αφορά όλες εκείνες τις ενέργειες που απαιτούνται για τη συγκέντρωση, τον προσδιορισμό και την παρουσίαση όλων των παραμέτρων και των στοιχείων που είναι απαραίτητα, ώστε να προχωρήσουμε στη διενέργεια της μελέτης. Πιο συγκεκριμένα, θα παρουσιάσουμε ένα εξειδικευμένο πρόγραμμα για μελέτες ραδιοκάλυψης, που θα αποτελέσει το βασικό μας εργαλείο. Επειδή η πρόβλεψη του προγράμματος αυτού για την εξασθένηση του σήματος στηρίζεται στο μοντέλο εξασθένησης σήματος Longley- Rice, θα αναφερθούμε σε αυτό το μοντέλο, με μία αρκετά λεπτομερή για τις ανάγκες της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αναφορά στο επιστημονικό υπόβαθρο της λειτουργίας του μοντέλου και των παραμέτρων που το ορίζουν. Επίσης, θα παρουσιάσουμε τον εξοπλισμό που θα χρησιμοποιήσουμε και σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή και αυτές που ορίζονται από την τεχνολογία WiMΑΧ αλλά και την κείμενη νομοθεσία, θα προσδιορίσουμε επακριβώς όλες τις τεχνικές παραμέτρους του συστήματος. Η ανάγκη της γνώσης του εξειδικευμένου εξοπλισμού, έγκειται στην διεξαγωγή της μελέτης ραδιοκάλυψης με πραγματικά δεδομένα που αντικατοπτρίζουν όσο το δυνατόν περισσότερο τις δυνατότητες του εξοπλισμού που υπάρχει αυτή τη στιγμή στην τεχνολογική εμπορική αγορά. Ο συνδυασμός αυτών των δεδομένων με τους περιορισμούς της υφιστάμενης νομοθεσίας που διέπει αυτή την κατηγορία ασύρματων επικοινωνιών, θα μας επιτρέψει να τοποθετήσουμε τη μελέτη σε ένα ισχυρό ρεαλιστικό περιβάλλον, με αποτέλεσμα οι τελικές προτάσεις και παρατηρήσεις μας να είναι εφαρμόσιμες κάτω από πραγματικές συνθήκες, όπως αρμόζει σε μία επίσημη μελέτη μηχανικού. Τέλος θα οριοθετήσουμε την περιοχή στην οποία θα πραγματοποιήσουμε τη μελέτη μας και θα αναζητήσουμε τα αντίστοιχα γεωδεδομένα (Geodata), που θα μας παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες για το εδαφικό ανάγλυφο της περιοχής. Πολύ σημαντικό κομμάτι αυτής της διεργασίας αποτελεί η επισκόπηση της περιοχής (Site Survey) για την 70

71 εξαγωγή και τελικά την καταγραφή των ιδιαιτεροτήτων της περιοχής αλλά και διάφορων άλλων στοιχείων. Ο ρόλος των γεωδεδομένων (Geodata) είναι κρίσιμης σημασίας, καθώς αποτελεί τη βάση, ώστε να λειτουργήσει αποτελεσματικά και με τη βέλτιστη ακρίβεια το μοντέλο εξασθένησης σήματος. 5.2 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΗΣ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΜΕΝΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Η εφαρμογή που θα χρησιμοποιήσουμε ονομάζεται «Radio Mobile for Windows». Το Radio Mobile είναι ένα ελεύθερο και πανίσχυρο λογισμικό, που χρησιμοποιείται για την εξομοίωση της διάδοσης και την πρόβλεψη της επίδοσης διάφορων ράδιο-συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών, μέσα από ένα σύγχρονο γραφικό περιβάλλον. Το λογισμικό αυτό έχει κατασκευαστεί από τον Γάλλο καθηγητή Roger Coude, ο οποίος είναι ειδικός στον τομέα των ασύρματων τηλεπικοινωνιών. Πιο συγκεκριμένα, το λογισμικό είναι ικανό να προβλέψει την κάλυψη σταθμών βάσης (Base Stations - BS), επαναληπτών (Repeaters) ή διαφόρων άλλων ράδιο-δικτύων. Λειτουργεί σ ένα εύρος συχνοτήτων από 20 MHz έως 20 GHz και η εξομοίωση που επιτελεί βασίζεται στο μοντέλο εξασθένησης σήματος Longley-Rice (εκτενέστερη αναφορά του μοντέλου θα γίνει στη συνέχεια). Για την πραγματοποίηση της εξομοίωσης και τελικά την εξαγωγή αποτελεσμάτων, το πρόγραμμα χρησιμοποιεί εδαφικά δεδομένα (αναφέρονται κι ως γεωδεδομένα - geodata), τα οποία περιέχουν όλη την απαραίτητη πληροφορία για να εφαρμοστεί το μοντέλο Longley-Rice, όπως είναι για παράδειγμα το υψόμετρο της περιοχής σε μία δεδομένη θέση. Τα γεωδεδομένα (geodata) εισάγονται από τον χρήστη και είναι στη δική του ζώνη υπευθυνότητας να τα αναζητήσει και να εκτιμήσει αν η ακρίβεια των γεωδεδομένων τον ικανοποιεί. Εικόνα 5.1 Γραφική διεπαφή του λογισμικού Radio Mobile 71

72 Τα εδαφικά υψομετρικά δεδομένα και μια πλειάδα παραμέτρων του ράδιοσυστήματος, όπως είναι οι θέσεις αλλά και το ύψος των κεραιών, η ισχύς εκπομπής και η λαμβανόμενη ισχύς, καθώς και πολλά άλλα ακόμη τα οποία θα οριστούν με ακρίβεια σε επόμενη παράγραφο αυτού του κεφαλαίου, συνυπολογίζονται, ώστε να εκτιμηθεί η ράδιο-κάλυψη σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Επίσης από τα γεωδεδομένα (geodata) και τα αποτελέσματα της εξομοίωσης παρέχεται η δυνατότητα στο χρήστη να δημιουργήσει τοπογραφικούς χάρτες, με προοπτική δύο ή ακόμη και τριών διαστάσεων, στους οποίους εμφανίζεται το υψομετρικό ανάγλυφο της περιοχής με χρωματικό κώδικα και ισοϋψείς καμπύλες, καθώς επίσης είναι εφικτή και η προσθήκη στοιχείων της περιοχής, όπως είναι οι δρόμοι, οι σιδηροδρομικές γραμμές και τα πολεοδομικά τετράγωνα. Με χρωματικό κώδικα μπορούν να παρουσιαστούν και τα αποτελέσματα της εξομοίωσης για την εξασθένηση του σήματος. Μία ενδιαφέρουσα δυνατότητα που προσφέρει το πρόγραμμα, είναι η δημιουργία ενός κατάλληλου αρχείου (αρχείο με προέκταση.kml) με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης, το οποίο είναι προσπελάσιμο από το γνωστό λογισμικό της εταιρίας «Google» το «Google Earth» και δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να τοποθετήσει τα αποτελέσματα της ράδιοκάλυψης πάνω σε δορυφορικές φωτογραφίες της περιοχής, κάνοντας με αυτόν τον τρόπο πιο κατανοητή τη ράδιο-κάλυψη του δικτύου. Τέλος, μία πολύ σημαντική δυνατότητα που προσφέρεται και είναι απαραίτητη για τη διατύπωση μιας ολοκληρωμένης μελέτης ράδιο-κάλυψης ενός ασύρματου δικτύου, είναι ο έλεγχος της 1 ης ζώνης Fresnel στις ζεύξεις οπτικής επαφής (Line Of Sight - LOS). Η δυνατότητα αυτή υποστηρίζεται τόσο με γραφικό τρόπο, όσο και με ακριβή αριθμητική διατύπωση. Το χαρακτηριστικό αυτό θα μας φανεί ιδιαίτερα χρήσιμο, αφού θα στηρίξουμε τη δημιουργία ενός αποκλειστικά ασύρματου δικτύου WiMAX. Αυτό σημαίνει ότι οι διασυνδέσεις των σταθμών βάσης (Base Station - BS) με το δίκτυο κορμού (Backhaul Network) θα αποτελούνται από μικροκυματικές ζεύξεις οπτικής επαφής (Microwave Line Of Sight Links), των οποίων πρέπει να επιβεβαιωθεί η καθαρότητα της 1 ης ζώνης Fresnel. Επιπλέον, αξίζει να αναφερθεί ότι το Radio Mobile λαμβάνει υπόψη του φαινόμενα ανάκλασης, διάθλασης και περίθλασης, σύμφωνα με την αγωγιμότητα του εδάφους που θα του δοθεί από το χρήστη, κάτι που αποδεικνύει την ακρίβεια των αποτελεσμάτων που εξάγει. Επίσης στον υπολογισμό των αποτελεσμάτων συμπεριλαμβάνεται και ο χαρακτηρισμός της περιοχής, δηλαδή αν αυτή πρόκειται για αστική, ημιαστική, αγροτική ή δασική περιοχή. Όλες αυτές οι σημαντικές παράμετροι θα οριστούν στη συνέχεια. Μέχρι τώρα, κάναμε μία αναφορά στις πιο σημαντικές από ένα εύρος επιλογών που προσφέρει το Radio Mobile, σε κάποιον που επιθυμεί να πραγματοποιήσει μια μελέτη ράδιο-κάλυψης. Οι επιλογές αυτές αποτελούν ένα μικρό κομμάτι των δυνατοτήτων του προγράμματος και η αναφορά τους έχει σαν στόχο την εισαγωγή και την επεξήγηση στον αναγνώστη αυτού του ισχυρού εργαλείου. Σε επόμενες παραγράφους θα γίνει σαφέστερα αντιληπτή η χρήση αυτών των επιλογών. Στη συνέχεια θα αναφερθούμε 72

73 στην παρουσίαση του μοντέλου Longley-Rice. Το μοντέλο αυτό όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, αποτελεί το κύριο εργαλείο του Radio Mobile για τον υπολογισμό της εξασθένησης του σήματος. Επίσης θα κάνουμε και μια λεπτομερή ανάλυση των ιδιοτήτων των εδαφικών δεδομένων που θα χρησιμοποιηθούν, αφού τα τελευταία αποτελούν την «πρώτη ύλη» για να λειτουργήσει με ακρίβεια το μοντέλο εξασθένησης και έτσι ο ρόλος τους είναι πολύ σημαντικός και αξίζει αναφοράς ΜΟΝΤΕΛΟ ΔΙΑΔΟΣΗΣ LONGLEY-RICE Στις ασύρματες επικοινωνίες υπάρχει ένα πολύ μεγάλο σύνολο παραγόντων που επηρεάζουν τις συνθήκες του ράδιο-δίαυλου, όπως για παράδειγμα η ποιότητα του εδάφους, το τεχνητό περιβάλλον (κτίρια, δέντρα κ.ά.), οι συνθήκες πουεπικρατούν στην ατμόσφαιρα και πολλά άλλα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες επιδρούν στο εκπεμπόμενο σήμα και είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί ο βαθμός που συμβαίνει αυτό, ώστε να υπολογίσουμε τις απώλειες του σήματος μεταξύ του πομπού (Tx) και του δέκτη (Rx). Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε τα μοντέλα διάδοσης, τα οποία μας δίνουν με αρκετή ακρίβεια μία εκτίμηση των απωλειών του ράδιο-δίαυλου. Γενικότερα, μία περιοχή εντάσσεται σε μία από τις παρακάτω κατηγορίες, σύμφωνα με τα τεχνητά εδαφικά της χαρακτηριστικά. «Ανοιχτός χώρος» : Πρόκειται για αραιοκατοικημένες περιοχές με χαμηλό ύψος κτηρίων. «Βιομηχανικός ανοικτός χώρος» : Πρόκειται για περιοχές στις οποίες υπάρχουν μεγάλες βιομηχανικές ή αγροτικές εγκαταστάσεις σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους. «Ημιαστικός χώρος» : Πρόκειται για περιοχές με πυκνή και συνήθως χαμηλή δόμηση και χωρίς κυκλοφοριακή συμφόρηση. «Μικρή ή μεσαία πόλη» : Πρόκειται για περιοχές με πυκνή δόμηση και αρκετά ψηλά κτίρια. «Μεγάλη πόλη» : Πρόκειται για περιοχές με πυκνή δόμηση και ψηλά κτίρια. Οι περιοχές αυτές μπορεί να έχουν και βιομηχανικές εγκαταστάσεις και φέρουν μεγάλο τηλεπικοινωνιακό φορτίο. Το μοντέλο Longley Rice, γνωστό και ως «Μοντέλο Ανώμαλου Εδάφους» (Irregular Terrain Model - ITM), σχεδιάστηκε στην Αμερική το 1968 από την Anita Longley και τον Phil Rice. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη ράδιο-κάλυψης του δικτύου τηλεόρασης, στις συχνότητες των VHF (Very High Frequency). Από τότε έχουν γίνει αρκετές βελτιώσεις και επεκτάσεις. Εφαρμόζεται σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις 73

74 περιοχών για ένα πολύ μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Καλύπτει ασύρματες ζεύξεις συχνοτήτων από 20MHz έως 20GHz. Για τον υπολογισμό των απωλειών λαμβάνονται υπόψη ένα σύνολο παραμέτρων, όπως είναι η γεωμετρία του εδάφους και η ανάκλαση λόγω της τροπόσφαιρας. Για τον προσδιορισμό του πεδίου χρησιμοποιούνται οι μέθοδοι οπτικής φυσικής και κυρίως το δισδιάστατο μοντέλο ανάκλασης εδάφους. Επίσης το μοντέλο προβλέπει και την επίδραση της τροποσφαιρικής σκέδασης σε μακρινές αποστάσεις καθώς και τις απώλειες περίθλασης στο μακρινό πεδίο. Πιο συγκεκριμένα, για την πρόβλεψη της εξασθένησης του σήματος, το μοντέλο λαμβάνει υπόψη του γενικές παραμέτρους, που σχεδόν όλα τα μοντέλα χρησιμοποιούν, όπως είναι: Η διαδρομή μετάδοσης Η Συχνότητα εκπομπής Το μήκος της διαδρομής Τα ύψη των κεραιών Την ενεργό ακτινοβολούμενη ισχύ (Effective Radiated Power - ERP) Η διαφοροποίησή του όμως από τα υπόλοιπα μοντέλα έγκειται στο γεγονός ότι συνυπολογίζει μία σειρά από εξειδικευμένες παραμέτρους. Οι παράμετροι αυτοί βελτιώνουν κατά πολύ την ακρίβεια των αποτελεσμάτων και ενσωματώνουν στον υπολογισμό της ράδιο-διάδοσης του σήματος όλα τα φυσικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα. Το μοναδικό μειονέκτημα είναι ότι οι παράγοντες αυτοί αυξάνουν την πολυπλοκότητα των υπολογισμών και καθιστούν χρονοβόρα την εφαρμογή του μοντέλου με παραδοσιακές μεθόδους υπολογισμού. Ωστόσο όμως το πρόβλημα αυτό έχει ξεπεραστεί, αφού έχουν αναπτυχθεί αλγόριθμοι σε υπολογιστικά περιβάλλοντα που με τη χρήση υπολογιστή επεξεργαζόμαστε και λαμβάνουμε άμεσα αποτελέσματα. Οι παράμετροι αυτοί, οι οποίοι αναφέρονται και ως παράμετροι Longley-Rice είναι οι εξής: Πόλωση του εκπεμπόμενου σήματος Η πόλωση του σήματος είναι ένας από τους παράγοντες που είναι ικανός να προσδιοριστεί, ωστόσο όμως δεν είναι απαραίτητος για τη λειτουργία του μοντέλου. Επίσης το μοντέλο υποθέτει ότι η πόλωση μεταξύ των κεραιών του εκπομπού και του δέκτη είναι η ίδια. Καμπυλότητα της Γης Η καμπυλότητα της γης είναι ένας σημαντικός παράγοντας, που παίζει σημαντικό ρόλο κυρίως σε πολύ μακρινές ζεύξεις. Η καμπυλότητα της γης συμβολίζεται με το γράμμα Κ και η τιμή της βρίσκεται μέσα στο διάστημα [1.232, 1.767]. Η τιμή που θα 74

75 χρησιμοποιήσουμε εμείς είναι Κ=1,333, η οποία ονομάζεται και ενεργός καμπυλότητα της γης. Διαθλαστικότητα της ατμόσφαιρας Η διαθλαστικότητα της ατμόσφαιρας συμβολίζεται ως N s και καθορίζει το ποσοστό της κάμψης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που οφείλεται στη διαφορετική πυκνότητα των στρωμάτων της ατμόσφαιρας. Σε άλλα μοντέλα η διαθλαστικότητα της ατμόσφαιρας θεωρείται ίση με την ενεργό καμπυλότητα της γης, δηλαδή έχει την τιμή 1,333. Αυτή την τιμή θα χρησιμοποιήσουμε και εμείς για τους υπολογισμούς μας. Ωστόσο όμως, το μοντέλο Longley-Rice δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε μία ακριβέστερη τιμή. Η τιμή αυτή εξαρτάται αποκλειστικά από την καμπυλότητα της γης και δίνεται από την παρακάτω σχέση σε Ν-μονάδες: Ns *ln[ (1 )] K Οι Ν-μονάδες χρησιμοποιούνται όταν χειριζόμαστε συντελεστές n με πολλά δεκαδικά ψηφία, τα οποία όμως είναι χρήσιμα στον υπολογισμό. Η μετατροπή σε Ν-μονάδες γίνεται από τον παρακάτω τύπο: N ( n 1)*1,000,000 Εικόνα 5.2 Διαθλαστικότητα της ατμόσφαιρας Διηλεκτρικότητα και αγωγιμότητα του εδάφους Η σχετική διηλεκτρική σταθερά αλλά και η αγωγιμότητα του εδάφους λαμβάνονται υπόψη, ώστε να υπολογιστούν φαινόμενα ανάκλασης, διάθλασης και περίθλασης. Οι δύο αυτοί παράγοντες είναι πολύ σημαντικοί και η επίδραση τους στη διάδοση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πρέπει να εκτιμηθεί και να συνυπολογιστεί στο τελικό αποτέλεσμα. Οι τιμές αυτές μπορούν να προσδιορισθούν με βάση τον παρακάτω πίνακα. Η τιμές που εμείς θα χρησιμοποιήσουμε είναι αυτές που δίνονται για ένα «καλό» έδαφος και σημειώνονται στον πίνακα με κόκκινο χρώμα, μιας και που η περιοχή η οποία θα διεξάγουμε τη μελέτη ράδιο-κάλυψης (θα οριοθετηθεί επακριβώς σε 75

76 επόμενη παράγραφο) χαρακτηρίζεται ως «βιομηχανική ανοιχτή». Δηλαδή πρόκειται για ανεπτυγμένη αστική περιοχή με μεγάλες αγροτικές εκτάσεις. Code Relative Permittivity Conductivity (Siemens/meter) Average ground 15 0,005 Poor ground 4 0,001 Good ground 25 0,02 Fresh water 81 0,01 Sea water 81 5 Πίνακας 5.1 Διηλεκτρικότητα και αγωγιμότητα των διάφορων τύπων εδάφους Κλίμα Μία πολύ ιδιαίτερη και πρωτότυπη παράμετρος είναι αυτή του κλίματος. Η παράμετρος αυτή βοηθάει στο να εκτιμηθούν καλύτερα οι ατμοσφαιρικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή. Έχουν διατυπωθεί εφτά κατηγορίες κλίματος, κάθε μία από τις οποίες αντιστοιχεί και ένα κωδικός. Εμείς για τις ανάγκες της μελέτης θα θέσουμε αυτόν τον παράγοντα στην τιμή πέντε, δηλαδή στην κατηγορία του εύκρατου ηπειρωτικού κλίματος, όπως φαίνεται και από τον παρακάτω πίνακα. 1 Equatorial (Congo) 2 Continental Subtropical(Sudan) Climate 3 Maritime Subtropical (West coast of Africa) 4 Desert (Sahara) 5 Continental Temperate 6 Maritime Temperate, over land (United Kingdom and continental west coast) 7 Maritime Temperate, over sea Πίνακας Διαθέσιμες επιλογές κλίματος του μοντέλου Longley-Rice Όλες οι παραπάνω παράμετροι είναι ικανές να αποδώσουν συνολικά μια ακριβή εκτίμηση της ράδιο-διάδοσης του σήματος, η οποία θα αποκλίνει ελάχιστα από τις πραγματικές συνθήκες. Διορθώσεις του μοντέλου Longley Rice έχουν εμφανιστεί και είναι σχετικές κυρίως με αστικά περιβάλλοντα αναφερόμενες σε ραδιοεπικοινωνίες. Μια παράμετρος που έχει προταθεί σε μια διόρθωση προσπαθεί να εξηγήσει την εξασθένιση του σήματος λόγω του θορύβου που συγκεντρώνεται στο αστικό περιβάλλον της κεραίας του δέκτη (R). Ο διορθωτικός αυτός όρος καλείται αστικός παράγοντας (Urban Factor UF) και μοιάζει αρκετά με ανάλογους διορθωτικούς παράγοντες που έχουν προταθεί σε άλλα εμπειρικά μοντέλα όπως για παράδειγμα στο μοντέλο Okumura. 76

77 5.2.2 ΕΔΑΦΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ Τα εδαφικά δεδομένα ή αλλιώς γεοδεδομένα (geodata) παίζουν τον πρωταγωνιστικό ρόλο για την επίτευξη υψηλής ακρίβειας στα αποτελέσματα. Περιέχουν βασικές πληροφορίες που αφορούν το σύνολο των παραμέτρων Longley-Rice και αποτελούν την κύρια είσοδο δεδομένων του μοντέλου. Οι πληροφορίες αυτές μας κάνουν γνωστό το υψόμετρο της περιοχής (elevation data), τις πραγματικές αποστάσεις μεταξύ των σημείων (distance data), καθορίζουν της περιοχές που καλύπτονται με νερό και περιέχουν τις γεωγραφικές συντεταγμένες των σημείων (γεωγραφικό μήκος και πλάτος) στο διεθνές γεωδαιτικό σύστημα αναφοράς. Από τα εδαφικά δεδομένα μπορούμε να κατασκευάσουμε τοπογραφικούς χάρτες που να περιέχουν όλες τις παραπάνω πληροφορίες και να αποτυπώνουν το γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής. Τα γεωδεδομένα είναι διαθέσιμα σε εκτυπωμένη μορφή (εκτυπωμένοι χάρτες), με πάρα πολύ μεγάλη ακρίβεια δεδομένων, για οποιοδήποτε μέρος του κόσμου. Ωστόσο όμως πρόσφατα άρχισαν να υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα σε ηλεκτρονική μορφή, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τους υπολογιστές. Διεθνώς, δύο είναι οι πιο γνωστές μορφές ψηφιακών εδαφικών δεδομένων. Αυτή των «Ψηφιακών Εδαφικών Υψομετρικών Δεδομένων» (Digital Terrain Elevation Data - DTED) και αυτών που προέκυψαν από την τοπογραφική αποστολή με το όνομα «Ραντάρ Σαΐτα» (Shuttle Radar Topography Mission - STRM). Εμείς για τις ανάγκες τις μελέτης μας θα επιλέξουμε τη δεύτερη κατηγορία δεδομένων (δηλαδή STRM Data), για λόγους που θα γίνουν προφανείς αμέσως μετά τη συνοπτική παρουσίαση των δύο αυτών μορφών γεωδεδομένων. Εικόνα 1.3 Απεικόνιση εδαφικών δεδομένων 77

78 DIGITAL TERRAIN ELEVATION DATA DTED Τα εδαφικά δεδομένα DTED είναι μία καινοτόμος προσπάθεια που ξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του 80 από την κυβέρνηση του Καναδά. Τα DTED δεδομένα αποτελούν το πρώτο πρότυπο ψηφιακών εδαφικών δεδομένων, που αναπτύχθηκαν με σκοπό να μπορούν να ερμηνευτούν και να χρησιμοποιηθούν από τους υπολογιστές. Η λογική αυτού του αρχικού προτύπου στηρίζεται στην ιδέα, ότι τα δεδομένα αποτελούνται από πίνακες που περιέχουν τις τιμές του υψομέτρου των περιοχών. Το πρότυπο αυτό χρησιμοποιήθηκε ιδιαίτερα για την εξομοίωση και την πρόβλεψη της ράδιο-κάλυψης των ραντάρ της αεροπορίας. Μπορεί επίσης να υποστηρίξει εφαρμογές όπως είναι η ανάλυση οπτικής επαφής. Το κύριο μειονέκτημα αυτού του είδους των δεδομένων όμως, είναι ότι οι μετρήσεις των τιμών των υψομέτρων λαμβάνονται κάθε 100 μέτρα (ενώ παλαιότερα λαμβάνονταν κάθε 500 μέτρα). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μην καταγράφονται μεγάλη λόφοι ή αιχμές λόφων, κάτι που το καθιστά αναξιόπιστο για λεπτομερείς αναλύσεις ράδιο-διάδοσης και μικροκυματικών ζεύξεων σημείου προς σημείο (Point-To-Point link) SHUTTLE RADAR TOPOGRAPHY MISSION SRTM Τα SRTM εδαφικά δεδομένα προέρχονται από μία διεθνή ερευνητική προσπάθεια με συντονιστή τη NASA, που ξεκίνησε το Στόχος του προγράμματος ήταν να προσδιοριστούν ψηφιακά υψομετρικά εδαφικά δεδομένα σε παγκόσμιο επίπεδο, ώστε να δημιουργηθεί η πιο ολοκληρωμένη ψηφιακή τοπογραφική βάση δεδομένων υψηλής ευκρίνειας της γης. Η ανάκτηση των δεδομένων έγινε με ειδικά τροποποιημένα συστήματα ραντάρ, που προσαρμόστηκαν σε δορυφόρους, οι οποίοι σάρωσαν την επιφάνεια της γης. Έπειτα, οι μετρήσεις αυτές επεξεργάστηκαν ώστε να διορθωθούν λάθη και αστοχίες ή να συμπληρωθούν περιοχές στις οποίες δεν κατάφεραν να πάρουν μετρήσεις. Τελικά προέκυψε μία ακριβείς εδαφική απεικόνιση του ανάγλυφου της γης, η οποία αποτελεί πλέον την πιο δημοφιλή πηγή για την στήριξη μελετών ράδιοκάλυψης και ανάλυσης ζεύξεων οπτικής επαφής ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΔΑΦΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Είναι σαφές από τα παραπάνω, ότι τα ψηφιακά δεδομένα DTED αποτελούν μία αρκετά καλή πρώτη προσπάθεια για την καταγραφή του εδαφικού ανάγλυφου, που ωστόσο όμως δεν μπορεί να ανταποκριθεί στις ανάγκες για υψηλή ακρίβεια στα δεδομένα, όπως απαιτεί μια μελέτη ράδιο-κάλυψης. Τα δύο κυριότερα μειονεκτήματα των δεδομένων DTED έναντι των SRTM, είναι η χαμηλή ακρίβεια και η έλλειψη της περιγραφής επιπλέον πληροφορίας, όπως είναι το αστικό περιβάλλον. 78

79 Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά την ακρίβεια των δεδομένων γίνεται εύκολα αντιληπτό ακόμα και οπτικά ότι τα DTED δεδομένα υστερούν κατά πολύ. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η εμφανής διαφορά μεταξύ της ακρίβειας των δεδομένων DTED (για μετρήσεις ανά 500 και 100 μέτρα) και των SRTM δεδομένων. Εικόνα 5.4 Σύγκριση DTED και STRM εδαφικών δεδομένων Τέλος, μία βασική και πολύ ουσιώδης διαφορά των δύο αυτών τύπων δεδομένων, είναι πως τα δεδομένα DTED καταγράφουν αποκλειστικά το εδαφικό υψόμετρο, χωρίς να προσμετράν τις αστικές ιδιομορφίες που υπάρχουν σε μια κατοικημένη περιοχή ή τις δασικές ιδιομορφίες. Επιπλέον δεν καταγράφουν τις επιφάνειες των θαλασσών ή των λιμνών αλλά το βυθό τους. Η παρακάτω εικόνα είναι χαρακτηριστική των διαφορών που αναφέρθηκαν. Εικόνα 5.5 Διαφορές μεταξύ DTED και STRM εδαφικών δεδομένων 79

80 5.2.3 ΈΛΕΓΧΟΣ ΚΑΘΑΡΟΤΗΤΑΣ 1ΗΣ ΖΩΝΗΣ FRESNEL Οι ζώνες Fresnel χρησιμοποιούνται στη θεωρία ράδιο-διάδοσης, για τον υπολογισμό απωλειών λόγω ανάκλασης αλλά και άλλων απωλειών μεταξύ του εκπομπού και του δέκτη. Οι ζώνες Fresnel συνήθως αριθμούνται και αναφέρονται ως F1 (για την 1 η ζώνη), F2 (για τη 2η) και ούτω καθεξής. Υπάρχει άπειρος αριθμός ζωνών, ωστόσο όμως μόνο οι τρείς πρώτες έχουν πραγματική επίδραση στη ράδιο-διάδοση. Σχηματικά μία ζώνη Fresnel είναι μία τρισδιάστατη έλλειψη ανάμεσα στον εκπομπό και τον δέκτη. Το μέγεθος και η διάμετρος της έλλειψης σ ένα συγκεκριμένο σημείο καθορίζεται από τη συχνότητα λειτουργίας της εκπομπής και την απόσταση μεταξύ των δύο σημείων. Η ακτίνα της ζώνης Fresnel είναι σημαντική όταν υπολογίζουμε τις απώλειες του σήματος μεταξύ δύο σημείων. Ο τύπος που δίνει την ακτίνα της κάθε ζώνης Fresnel είναι ο εξής: R n n d d d d ,όπου R n d 1 d 2 λ = Η ακτίνα της n ης ζώνης Fresnel σε μέτρα = Η απόσταση του εξεταζόμενου σημείου από τον εκπομπό σε μέτρα = Η απόσταση του εξεταζόμενου σημείου από τον δέκτη σε μέτρα = Το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου σήματος σε μέτρα Αν το κύριο σήμα, δηλαδή αυτό που διαδίδεται από τον εκπομπό στον δέκτη ακλουθώντας τη νοητή ευθεία που τους ενώνει, είναι καθαρό από οποιοδήποτε αντικείμενο, όπως δέντρα, λόφοι ή βουνά, κατά μήκος της διάδοσης, τότε η διάδοση θεωρείται ανεμπόδιστη. Όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδίδεται ανάμεσα στον εκπομπό και τον δέκτη, μπορεί να ταξιδέψει με διάφορους τρόπους. Μπορεί να διαδοθεί κατευθείαν από τον εκπομπό στον δέκτη (κύριο σήμα). Μπορεί επίσης, να ανακλαστεί στο έδαφος ή σε κάποιο άλλο αντικείμενο, όπως για παράδειγμα σε μια απότομη πλευρά ενός βουνού ή ένα σύννεφο, και έπειτα να φτάσει στον δέκτη (ανακλώμενο σήμα). Μπορεί ακόμα, να διαδοθεί προς τη δεξιά ή την αριστερή κατεύθυνση και να ανακλαστεί από κάποιο λόφο πάλι προς το μονοπάτι διάδοσης (άλλο ένα ανακλώμενο σήμα). Αυτό ακριβώς το σημείο είναι που το μήκος κύματος του διαδιδόμενου σήματος παίζει σημαντικό ρόλο. Η διαφορά του μήκους κύματος και η διαφορά της φάσης μεταξύ του κύριου σήματος και του ανακλώμενου είναι ο λόγος που πρέπει να γνωρίζουμε τον αριθμό της ζώνης Fresnel. Η ακτίνα της ζώνης Fresnel περιγράφει αυτή την ανάκλαση σε σχέση με το συνολικό μήκος του ράδιο-δίαυλου. Η παρακάτω εικόνα απεικονίζει το κύριο και το ανακλώμενο σήμα και την 1 η και 2 η ζώνη Fresnel. Η ανάκλαση μπορεί να 80

81 λάβει χώρα σε οποιοδήποτε σημείο ανάμεσα στον πομπό και τον δέκτη. Η εικόνα δείχνει την ανάκλαση να συμβαίνει σε τυχαίο σημείο. Όχι στο κέντρο του μήκους διάδοσης. Εικόνα 5.6 Απεικόνιση της 1 ης και 2 ης ζώνης Fresnel Όταν το σήμα ανακλάται δύο πράγματα συμβαίνουν: Η φάση του σήματος αντιστρέφεται και το σήμα αλλάζει φάση κατά Από τη στιγμή που το σήμα ανακλάται και δεν διαδίδεται κατά την ευθεία της διάδοσης, ταξιδεύει πρώτα προς το σημείο ανάκλασης και μετά φτάνει στο δέκτη. Γι αυτό το λόγο, μετατοπίζεται ακόμη περισσότερο η φάση του σήματος, από τη διαφορά του μήκους της διάδοσης που ακολουθεί το ανακλώμενο σήμα. Σ έναν μακρύ ράδιο-δίαυλο αυτό μπορεί να φτάνει ή ακόμα και να ξεπεράσει τις Η κεραία του δέκτη δεν μπορεί να διακρίνει το κύριο από το ανακλώμενο σήμα, αφού και τα δύο έχουν την ίδια συχνότητα. Επομένως λαμβάνει τόσο το κύριο, όσο και το ανακλώμενο σήμα. Επίσης λαμβάνει οποιοδήποτε άλλο σήμα βρίσκεται εντός του εύρους συχνοτήτων που λειτουργεί το σύστημα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα δύο ή περισσότερα σήματα που λαμβάνονται να συναθροίζονται στην κεραία. Αν είναι μετατοπισμένα κατά δεν υπάρχει πρόβλημα. Ωστόσο όμως, αν τα σήματα διαφέρουν ως προς τις φάσεις τους κατά 180 0, τότε αλληλοακυρώνονται και τελικά ο δέκτης δεν λαμβάνει τίποτα. Αυτή η ακύρωση πρέπει να αποφευχθεί. Γι αυτό ελέγχουμε αν στην 1 η ζώνη Fresnel δεν υπεισέρχονται αντικείμενα σε ποσοστό μεγαλύτερο του 40% της ακτίνας. Ή με άλλα λόγια, εξετάζουμε αν το 60% της 1 ης ζώνης Fresnel, μετρώντας από το κέντρο είναι καθαρό, ώστε να θεωρηθεί η ζεύξη ως οπτικής επαφής. Εικόνα 5.7 Ακύρωση σήματος λόγω διαφοράς φάσης 81

82 5.3 ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Σε αυτή την παράγραφο θα προσδιορίσουμε την περιοχή στην οποία θα διεξάγουμε τη μελέτη ράδιο-κάλυψης, σύμφωνα με τα πρότυπα ενός σύγχρονου ασύρματου ευρυζωνικού δικτύου WiMAX. Στη συνέχεια θα διατυπώσουμε σημαντικές παρατηρήσεις, που θα αφορούν ιδιαιτερότητες και χαρακτηριστικά της περιοχής, τα οποία συνδέονται είτε άμεσα είτε έμμεσα με τη μελέτη. Η αναφορά των συντεταγμένων θα γίνεται σύμφωνα με το διεθνές γεωδαιτικό σύστημα αναφοράς, το οποίο ορίζει ότι για τον μοναδικό προσδιορισμό ενός σημείου πάνω στη γη απαιτούνται μόνο το γεωγραφικό μήκος (Longitude) και πλάτος (Latitude) του σημείου. Για την εύρεση όλων των απαραίτητων γεωγραφικών στοιχείων που θα χρησιμοποιηθούν στην παρούσα διπλωματική εργασία, αλλά και για την καλύτερη κατανόηση της περιοχής, θα χρησιμοποιηθεί το ελεύθερο λογισμικό «Google Earth» της εταιρίας Google. Το Google Earth είναι ένα πρόγραμμα απεικόνισης τη γης. Το πρόγραμμα αυτό συνθέτει εικόνες και πληροφορίες από δορυφορικές φωτογραφίες, αεροφωτογραφίες, στοιχεία τύπου GIS (Geographic Information System Σύστημα γεωγραφικών Πληροφοριών) και από άλλες πηγές σε επάλληλα στρώματα, με σημαντική ευκολία χρήσης. Η ανάλυση και η ηλικία των εικόνων ποικίλλουν. Οι φωτογραφίες είναι συνήθως τελευταίων ετών με την ανάλυση να κυμαίνεται από 1m μέχρι τα 15m. Η περιοχή για την οποία θα διεξάγουμε τη μελέτη ράδιο-διάδοσης βρίσκεται στο ανατολικό τμήμα της κοιλάδας του Σπερχειού ποταμού, στο νομό Φθιώτιδας (σημειώνεται με κόκκινο χρώμα στην αεροφωτογραφία). Βόρεια της περιοχής αυτής βρίσκεται η πόλη της Λαμίας χτισμένη ανάμεσα σε δύο υψώματα(σημειώνονται με κίτρινο χρώμα στην αεροφωτογραφία), στα όρια της κοιλάδας και μια σειρά από διάσπαρτα χωριά σε όλη την κοιλάδα, όπως φαίνεται και στην αεροφωτογραφία (εικόνα 5.8) παρακάτω. Αυτός ο συνδυασμός αστικών κέντρων περιτριγυρισμένα από μικρές αγροτικές κοινότητες, είναι πολύ συνηθισμένος στην ελληνική επικράτεια και αποτελεί το χαρακτηριστικό γνώρισμα της ελληνικής επαρχίας. Πιο συγκεκριμένα η περιοχή που αναφερόμαστε και θα διεξάγουμε τη μελέτη μας ορίζεται από τις ακόλουθες συντεταγμένες, σύμφωνα με το κόκκινο πλαίσιο που σημειώνεται στην αεροφωτογραφία. Γεωγραφικό μήκος Γεωγραφικό πλάτος Πάνω αριστερή γωνία 22 16'40.49"E 38 55'55.92"N Πάνω δεξιά γωνία 22 34'54.63"E 38 55'52.09"N Κάτω αριστερή γωνία 22 16'56.96"E 38 46'30.24"N Κάτω δεξιά γωνία 22 34'51.15"E 38 46'23.42"N Πίνακας 5.3 Γεωδαιτικές συντεταγμένες των ορίων της μελετούμενης περιοχής 82

83 Κάποια επιπλέον στοιχεία της περιοχής που οριοθετήσαμε είναι ότι η συνολική έκτασή της είναι 467,28 km 2, ενώ το υψόμετρο του υψώματος 1 είναι 363m και του υψώματος 2 είναι 225m. Εικόνα 5.8 Δορυφορική εικόνα της περιοχής που θα διεξαχθεί η μελέτη ράδιο-κάλυψης 83

84 Το ενδιαφέρον της περιοχής αυτής, όσον αφορά της τηλεπικοινωνίες, εντοπίζεται στο γεγονός ότι όπως και σε κάθε επαρχιακή περιοχή της Ελλάδας, με τα παραπάνω χαρακτηριστικά, η πρόσβαση στην ευρυζωνικότητα είναι περιορισμένη. Αυτό επιβεβαιώνεται και από τα στοιχεία της Εθνικής Επιτροπής Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων-ΕΕΤΤ (εικόνα 5.9), σύμφωνα με τα οποία στην περιοχή που μελετάμε παρατηρούμε ότι η ταχύτητες των ενσύρματων ευρυζωνικών συνδέσεων ADSL φθίνουν, καθώς απομακρυνόμαστε από την μεγάλη αστική περιοχή της Λαμίας. Έτσι οι αγροτικές κοινότητες αρκούνται στη χρήση γραμμών κακής ποιότητας, που υποστηρίζουν πολύ χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Ακριβώς αυτό το πρόβλημα επιδιώκουμε να λύσουμε με ασύρματο τρόπο. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία WiMAX και τους γρήγορους ρυθμούς που προσφέρει, θα επιδιώξουμε τη ράδιο-κάλυψη της ευρύτερης περιοχής. Έτσι, τόσο οι κάτοικοι της πόλης της Λαμίας θα επωφελούνται από τους γρήγορους ρυθμούς μετάδοσης, όσο και οι κάτοικοι των αγροτικών κοινοτήτων. Επιπλέον, ας μην ξεχνάμε το κυριότερο πλεονέκτημα των ασύρματων επικοινωνιών που είναι η πρόσβαση στο διαδίκτυο από φορητές συσκευές. Εικόνα 5.9 Χάρτης ταχυτήτων ADSL της περιοχής Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο τοπογραφικός χάρτης της περιοχής, ο οποίος έχει κατασκευαστεί από τα εδαφικά δεδομένα τύπου SRTM και απεικονίζει αναλυτικά το ανάγλυφο της περιοχής. Αυτός ο χάρτης θα αποτελέσει από εδώ και στο εξής τη βάση μας για τη διεξαγωγή οποιασδήποτε εξομοίωσης. Σε αυτόν τον χάρτη περιέχεται όλη η απαραίτητη πληροφορία των εδαφικών χαρακτηριστικών που είναι απαραίτητη για τη μελέτη της ράδιο-κάλυψης που θα εκπονήσουμε. 84

85 Εικόνα 5.10 Τοπογραφικός χάρτης της περιοχής Το συμπέρασμα που βγάζουμε από τον παραπάνω τοπογραφικό χάρτη είναι ότι η πόλη της Λαμίας αλλά και οι αγροτικές περιοχές που θέλουμε να καλύψουμε ηλεκτρομαγνητικά, βρίσκονται σε μία ενιαία επίπεδη περιοχή, η οποία περιστοιχίζεται από βουνά. Αυτό το χαρακτηριστικό της περιοχής μας διευκολύνει, καθώς τα βουνά που βρίσκονται τριγύρω προσφέρουν πολλές επιλογές για την τοποθέτηση των κεραιών και των σταθμών βάσης. Επιπλέον η απουσία μεγάλων λόφων απομακρύνει την πιθανότητα να προκύψουν σημαντικά εμπόδια εντός των ράδιο-ζεύξεων. Ωστόσο όμως, δεν αρκεί μόνο ο έλεγχος της οπτικής που προσφέρει ένα πιθανό σημείο εγκατάστασης κεραίας, με τον απαραίτητο εξοπλισμό πομποδεκτών, ως προς την περιοχή που θέλουμε να καλύψουμε. Σημαντικό ρόλο παίζει η ύπαρξη ηλεκτροδότησης στο σημείο αυτό. Αυτός είναι και ο κυριότερος παράγοντας που πρέπει να πληρείται, ώστε να μπορεί να εγκατασταθεί ο σταθμός βάσης. Υπάρχουν και άλλοι δευτερεύοντες παράγοντες, όπως είναι η όσο κατά το δυνατόν μικρότερη παρεμβολή από γειτονικούς σταθμούς βάσης, κ.ά. 85

86 5.4 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΠΕΡΙΟΧΗΣ (SITE SURVEY) Για την εκπόνηση μιας μελέτης ράδιο-κάλυψης για ένα ασύρματο δίκτυο όπως το WiMAX, θα πρέπει αρχικά να οριοθετήσουμε την περιοχή που θέλουμε να καλύψουμε. Έπειτα, θα πρέπει να επιλέξουμε τις πιο κατάλληλες θέσεις για την εγκατάσταση των σταθμών βάσης, ώστε να πετύχουμε τη βέλτιστη ράδιο-κάλυψη. Το στάδιο αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό και κρίσιμο, καθώς η απόφαση για την εγκατάσταση των σταθμών βάσης θα κρίνει στο μεγαλύτερο βαθμό την απόδοση της λειτουργίας του δικτύου. Το στάδιο αυτό της μελέτης, χαρακτηρίζεται επίσης από ένα βαθμό δυσκολίας, αφού θα πρέπει να συνυπολογιστούν πολλοί και διαφορετικοί παράγοντες, οι οποίοι σε πολλές περιπτώσεις είναι και αλληλοσυγκρουόμενοι. Τέλος, θα πρέπει να προσπεραστούν σχεδιαστικές δυσκολίες, που έγκεινται στις γεωγραφικές ιδιομορφίες της περιοχής Η διαδικασία της επιτόπιας επισκόπησης (site survey) στοχεύει στην κατανόηση από τον μηχανικό της περιοχής και στην εύρεση των κατάλληλων θέσεων για την εγκατάσταση των κεραιοσυστημάτων και των σταθμών βάσης. Για να γίνει αυτό απαιτείται η συλλογή γεωγραφικών συντεταγμένων. Αφού επιλεγούν οι θέσεις εγκατάστασης των σταθμών βάσης και έχει γίνει ο αρχικός πρώτος σχεδιασμός του δικτύου, το επόμενο βήμα είναι η προσομοίωση της ράδιο-κάλυψης του δικτύου και η πραγματοποίηση αλλαγών και μικροδιορθώσεων. Τα κυριότερα κριτήρια για την επιλογή των θέσεων για την εγκατάσταση των σταθμών βάσης είναι: Η ύπαρξη οπτικής επαφής (LOS) με τους χρήστες. Η επίτευξη οπτικής επαφής (Line of Sight- LOS) της κεραίας του σταθμού βάσης με τους συνδρομητές αποτελεί το ιδανικό σενάριο επικοινωνίας στα ασύρματα δίκτυα. Αυτό το κριτήριο παίζει σημαντικό ρόλο στην απόφαση για την εγκατάσταση των σταθμών βάσης, αφού ο στόχος είναι η ελαχιστοποίηση των απωλειών κατά την διάδοση του σήματος. Οι απώλειες οφείλονται κυρίως στην ύπαρξη εμποδίων, όπως λόφοι, κτήρια, ψηλά δένδρα κλπ. Επομένως η επιδίωξη είναι η επίτευξη οπτικής επαφής με το σταθμό βάσης. Επισημαίνεται ότι κάτι τέτοιο μπορεί να επιτευχθεί κάνοντας πιο πυκνό το πλέγμα των σταθμών βάσης, το οποίο αντίθετα όμως αυξάνει το κόστος της υλοποίησης. Η δυνατότητα εγκατάστασης της κεραίας στο συγκεκριμένο σημείο. Η τήρηση της προηγούμενης συνθήκης μόνο δεν είναι ικανή, ώστε να εγκατασταθεί μια κεραία σ ένα σημείο. Θα πρέπει να ελεγχθούν και να ξεπεραστούν μερικοί ακόμη πολλοί σημαντικοί παράγοντες. Πιο συγκεκριμένα θα πρέπει να προσδιορίσουμε σε ποιόν ανήκει η ιδιοκτησία του οικοπέδου, μέσα στο οποίο βρίσκεται η επιλεχθείσα θέση. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να ξεπεραστεί το πρόβλημα της κυριότητας του οικοπέδου. Επίσης, αν η συγκεκριμένη θέση χρησιμοποιείται και από άλλος παρόχους τηλεπικοινωνιών, 86

87 κάτι που είναι πολύ συχνό φαινόμενο, θα πρέπει να γίνει η κατάλληλη συνεννόηση, σχετικά με το ενδεχόμενο της συνεγκατάστασης στον ίδιο ιστό. Επιπλέον, θα πρέπει να εξετάσουμε αν υπάρχει διαθέσιμη παροχή ρεύματος και τέλος να εξετάσουμε της επιλογές που προσφέρει αυτό το σημείο, ως προς τη διασύνδεση του σταθμού βάσης με το υπόλοιπο δίκτυο κορμού(backhauling). Έχοντας λοιπόν υπόψη μας τα παραπάνω κριτήρια, επιλέγουμε μία σειρά από πιθανές θέσεις, για την εγκατάσταση των κεραιών και των σταθμών βάσης του δικτύου μας. Τα σημεία αυτά καθώς και τα χαρακτηριστικά τους παρουσιάζονται αναλυτικά στον παρακάτω πίνακα. Πιθανές θέσεις Κτήριο ΟΤΕ Προφήτης Ηλίας Γεωγραφικό μήκος Γεωγραφικό πλάτος Υψόμετρο εδάφους Πρόσβαση Πυλώνα εγκατάστασης Προϋπάρχοντα κεραιοσυστήματα Παροχή ρεύματος Δικτυακή υποδομή 22 25'53.24"E 38 54'5.19"N 102,5m Οδικός ATM/SDH /DCN 22 24'45.91"E 38 54'50.78"N 358,9m Οδικός ATM Ύψωμα '12.70"E 38 54'28.86"N 221,9m Οδικός ATM Μπράλος 22 27'23.67"E 38 46'45.72"N 535,6m Οδικός Δύο Βουνά 22 23'24.01"E 38 49'8.50"N 341m Οδικός Μεξιάτες 22 18'31.02"E 38 52'8.08"N 150m Οδικός Φραντζή 22 21'8.85"E 38 51'1.09"N 413m Οδικός Εικόνα 5.11 Οι πιθανές θέσεις εγκατάστασης σταθμών βάσης 87

88 5.5 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε τον εξοπλισμό που θα χρησιμοποιήσουμε για τη μελέτη ράδιο-κάλυψης. Πιο συγκεκριμένα θα αναφερθούμε στα τεχνικά χαρακτηριστικά των κεραιών που θα χρησιμοποιηθούν και θα παραθέσουμε αναλυτικά τα δεδομένα σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστεί. Τα δεδομένα αυτά είναι απαραίτητα για την σωστή παραμετροποίηση του συστήματός μας και έτσι ώστε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης να ανταποκρίνονται σε ρεαλιστικές τιμές. Όπως αναφέρθηκε και στο 2 ο κεφάλαιο, ο εξοπλισμός που θα χρησιμοποιήσουμε είναι της σειράς BreezeMAX, της εταιρίας Alvarion. Πιο συγκεκριμένα, η κεραία που επιλέχθηκε για το σχεδιασμό του δικτύου WiMAX είναι η BreezeMAX Extreme Η BreezeMAX 3600 είναι μια κεραία σταθμού βάσης, εξωτερικού χώρου και με μηδενικό ενεργειακό αποτύπωμα, σχεδιασμένη για ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση σύμφωνα με το πρότυπο WiMAX 16e. Κατέχει πιστοποίηση από το WiMAX Forum και τηρή τους κανονισμούς και της οδηγίες του οργανισμού. Είναι κατασκευασμένη για να λειτουργεί τόσο σε αστικό όσο και σε αγροτικό περιβάλλον και αποτελεί την ιδανική λύση για εταιρίας παροχής υπηρεσιών ασύρματου διαδικτύου (Wireless Internet Service Providers - WISPs). Επίσης, παρέχει εξελιγμένες τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης και υποστηρίζει επικοινωνίες πολλαπλών καναλιών, αυξάνοντας έτσι τη χωρητικότητα του συστήματος. Τέλος λειτουργεί αποτελεσματικά σε ζεύξεις μη οπτικής επαφής (Non Line Of Sight-NLOS) και σε περιβάλλοντα με έντονα χαρακτηριστικά παρεμβολής. Εικόνα 5.12 Κεραία BreezeMAX Extreme

89 Στη συνέχει αναφέρουμε αναλυτικά τις προδιαγραφές της κεραία, σύμφωνα με το φυλλάδιο των τεχνικών χαρακτηριστικών του κατασκευαστή. Radio & Modem Unit Type Cinfiguration options Frequency All outdoor base station Single sector MIMO - Integrated/external antenna Dual sector SISO - external antenna MHz Channel bandwidth 5 MHz, 7 MHz, 2x7 MHz, 10 MHz, 2x10 MHz Number of channels MIMO: 2Rx, 2Tx Radio access method IEEE (16e OFDMA) Operational mode TDD Central frequency resolution 125 KHz FFT size 2x512/1024 QPSK 1/2, 3/4 + Rep Supported modulation QAM16 1/2, 3/4 QAM64 2/3, 3/4, 5/6 Air link optimization support Diversity Transmit Power Max transmit power Integrated antenna gain Security Authentication Data encryption Network interfaces Standard compliance Data interface Power GPS Mechanical Dimensions (H x D x W) Weight Environmental Operating temperature Operating humidity HARQ, CTC compressed DL/UL maps 2x2, MIMO Matrix A, MRC, MIMO Matrix B(Base Station) dbm, 1 db resolution 13 dbi Centralized over RADIUS, MS chap v.2 EAP TTLS over RFC-2865 AES EiMAX 16e IEEE CSMA/CD 10/100 Mbps, half/full duplex with auto negotiation In: 48V DC Out: PoE (55V DC) Antenna (TNC), receiver integrated in unit GPS chaining support 51 x 28x 14.7 cm 11 kg C to 55 0 C 5% - 95% non condensing, weather protected Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά κεραίας ράδιο-κάλυψης των σταθμών βάσης 89

90 Τέλος παρατίθενται το οριζόντιο και το κατακόρυφο διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας, από το οποίο υπολογίζουμε ότι η κεραία έχει εύρος γωνίας 3dB Εικόνα 5.13 Διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης Επίσης, για τη σύνδεση των σταθμών βάσης (base stations - BS) με το δίκτυο κορμού (backhaul network), όπου αυτό κριθεί απαραίτητο θα γίνει με μικροκυματικές ζεύξεις. Σε αυτές τις μικροκυματικές ζεύξεις θα χρησιμοποιήσουμε τα χαρακτηριστικά μιας κατευθυντικής κεραίας με πολύ μεγάλο κέρδος και υψηλές συχνότητες λειτουργίας. Για τις ανάγκες μας επιλέξαμε την κεραία GD58 της αντίστοιχης σειράς από την εταιρία Laird Technologies. Η κεραία αυτή είναι ιδανική για ασύρματες ζεύξεις σημείο προς σημείο (Point to Point link). Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της κεραίας σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστή παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα. Frequency range Polarization Gain Horizontal beamwidth 40 Vertical beamwidth 50 Front to back ratio MHz Vertical/Horizontal 29 dbi 25 db VSWR 1.5:1 Impedance Input Power Operating temperature Weight Dimension (W x L) 50 Ohm 50 dbm -400,+700 C 5 kg 724 x 914 mm Bracket tilt +/-450 Wind loading 100 Mph Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά κεραίας των μικροκυματικών ζεύξεων 90

91 Το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας που θα χρησιμοποιηθεί για τις μικροκυματικές ζεύξεις είναι αυτό που εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα. Παρατηρούμε ότι, η κεραία αυτή έχει πολύ μεγάλο κέρδος και πολύ μικρή γωνία 3-dB. Εικόνα Διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας μικροκυματικών ζεύξεων του σταθμού βάσης Τέλος, για τη σύνδεση της μονάδας του εκπομπού του σταθμού βάσης με την κεραία για την ραδιοκάλυψη και την κεραία της μικροκυματικής ζεύξης θα χρησιμοποιήσουμε ομοαξονικό καλώδιο και κυματοδηγό αντίστοιχα. Είναι σημαντικό να προσδιορίσουμε τον εξοπλισμό της γραμμής μεταφοράς του σήματος από τον εκπομπό στην κεραία, ώστε να γνωρίζουμε με ακρίβεια την απόσβεση του σήματος λόγω απωλειών στο καλώδιο ή τον κυματοδηγό. Με το ομοαξονικό καλώδιο θα συνδέσουμε όπως είπαμε, τον πομπό με την κεραία που θα χρησιμοποιήσουμε για την ράδιο-κάλυψη της περιοχής και την εξυπηρέτηση των χρηστών. Το καλώδιο που επιλέγουμε είναι ένα ομοαξονικό καλώδιο τύπου 7/8. Πιο συγκεκριμένα πρόκειται για το μοντέλο LDF5-50A της εταιρίας Heliax, με κόστος περίπου 6 /m. Τα πιο σημαντικά από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του καλωδίου έχουν ως εξής. Cable impedance Maximum frequency Capacitance Inductance Insulation Resistance Ohm 5 GHz 74,80 pf/m 0,2 microh/m megaohms Attenuation 8,038 db/100m at 3600 MHz Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά ομοαξονικού καλωδίου Σημειώνεται ότι τα κριτήρια για την επιλογή του συγκεκριμένου καλωδίου ήταν κυρίως δύο. Πρώτον η αντίστασή του καλωδίου πρέπει να είναι ίδια με αυτή της κεραίας, ώστε να αποφύγουμε ανεπιθύμητη ανάκλαση του σήματος στο σημείο σύνδεσης, που θα

92 προκαλούσε στάσιμα κύματα και επιπλέον απόσβεση του σήματος. Και δεύτερον η συχνότητα λειτουργίας, ώστε να μπορεί τα σήμα να διέλθει εντός του αγωγού. Με τον κυματοδηγό θα συνδέσουμε τον πομπό με την κεραία της μικροκυματικής ζεύξης, η οποία πετυχαίνει την επικοινωνία του σταθμού βάσης με το δίκτυο κορμού. Σε αυτή την περίπτωση επιλέγουμε κυματοδηγό λόγω της μεγάλης συχνότητας του σήματος. Ο κυματοδηγός που επιλέγουμε είναι ένας απλός ορθογώνιας διατομής. Πιο συγκεκριμένα πρόκειται για τον τύπο κυματοδηγού WR159. Τα χαρακτηριστικά του παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Material Frequency range Frequency cutoff Insertion loss Outside dimensions Copper 4,9-7,05 GHz 3,705 GHz Wall thickness 0,2 cm Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά κυματοδηγού 4,1 db/100m at 5700 MHz 4,4 cm x 2,3 cm 5.6 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σε αυτή την ενότητα θα ορίσουμε αναλυτικά όλες τις παραμέτρους του συστήματος και θα τις παρουσιάσουμε συγκεντρωτικά σε πίνακες. Αυτή η διαδικασία είναι πολύ σημαντική, καθώς συνδέεται άμεσα με την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Εκτός από την ακρίβεια θα πρέπει ο ορισμός του συστήματος και η αρχικοποίηση των τιμών των παραμέτρων να γίνει με τρόπο, έτσι ώστε τα λαμβανόμενα αποτελέσματα να ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα και να είναι σύμφωνα με διάφορους κανονισμούς, περιορισμούς και απαγορεύσεις, όπως για παράδειγμα είναι το όριο της εκπεμπόμενης ισχύος σύμφωνα με το νομοθετικό πλαίσιο. Αρχικά, θα προσδιορίσουμε τις παραμέτρους που αφορούν τη λειτουργία του μοντέλου εξασθένησης σήματος Longley-Rice και παρουσιάστηκαν αναλυτικά στην ενότητα Συγκεντρωτικά οι παράμετροι μαζί με τις τιμές τους εμφανίζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Πόλωση Κάθετη Καμπυλότητα της γης 301 N-Units Ελάχιστη μέση διαθλαστικότητα της ατμόσφαιρας 301 N-Units Αγωγιμότητα εδάφους 0,02 Siemens/m Διηλεκτρικότητα εδάφους 25 Κλίμα 5 (Εύκρατο Ηπειρωτικό) Μικροκυματικές ζεύξεις Spot Καταστατική μεταβλητότητα 90% Μεταβλητότητα λειτουργίας Καταστατική μεταβλητότητα 90% Ράδιο-κάλυψη Mobile Χρονική μεταβλητότητα 90% Πίνακας 5.8 Τιμές παραμέτρων μοντέλου Longley-Rice 92

93 Σε αυτό το σημείο πρέπει να διευκρινίσουμε τις παραμέτρους της «μεταβλητότητας λειτουργίας» (modes of variability), της «καταστατικής μεταβλητότητας» (mode of situation) και της «χρονικής μεταβλητότητας» (mode of time), που εμφανίζονται στον παραπάνω πίνακα με τις παραμέτρους του μοντέλου Longley-Rice και δεν παρουσιάστηκαν στην ενότητα Το μοντέλο Longley-Rice ορίζει τέσσερις λειτουργίες μεταβλητότητας των τιμών. η λειτουργία μεταβλητότητας που επιλέγεται καθορίζει την έννοια των τιμών της αξιοπιστίας και της εμπιστοσύνης που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο. Ο καθορισμός της λειτουργίας που μεταβάλλονται οι τιμές, μπορεί να θεωρηθεί ως μία άποψη των εννοιών της αξιοπιστίας και της εμπιστοσύνης στους υπολογισμούς του μοντέλου. Οι λειτουργίες μεταβλητότητας των τιμών, που πρέπει να καθοριστούν στο μοντέλο Longley-Rice είναι οι εξής τέσσερις: 1. Σημειακή λειτουργία (Spot mode) 2. Τυχαία λειτουργία (Accidental mode) 3. Κινητή λειτουργία (Mobile mode) 4. Λειτουργία ευρυεκπομπής (Broadcast mode) Η μεταβλητότητα της λειτουργίας σχετίζεται με το είδος της σύνδεσης του πομπού και του δέκτη. Γι αυτό το λόγο θέσαμε ως σταθερή λειτουργία (spot mode) τη σύνδεση για τις περιπτώσεις των μικροκυματικών ζεύξεων, όπου και ο πομπός αλλά και ο δέκτης είναι σταθεροί. Ενώ επιλέξαμε ως κινητή λειτουργία (mobile mode) τη σύνδεση του σταθμού βάσης με τους χρήστες. Η χρονική μεταβλητότητα αντιπροσωπεύει την ποικιλία των μέσων τιμών της απόσβεσης ανά ώρα, που οφείλονται στις αλλαγές της πυκνότητας και της διαθλαστικότητας της ατμόσφαιρας. Η τιμή της υπολογιζόμενης έντασης του πεδίου από το μοντέλο είναι η μέση ωριαία τιμή. Η πραγματική τιμή της έντασης του πεδίου στην περιοχή του δέκτη, θα αναμέναμε κανονικά να βρίσκεται πιο κάτω από τη μέση ωριαία τιμή κατά τη μισή περίπου διάρκεια κάθε ώρας και πιο πάνω από αυτή κατά την υπόλοιπη μισή. Τις επιδράσεις αυτών των αλλαγών είναι που περιγράφει η παράμετρος της χρονικής μεταβλητότητας. Η τιμή της παραμέτρου της χρονικής μεταβολής δίνεται σε ποσοστό επί τοις εκατό και περιγράφει το ποσοστό της ώρας κατά το οποίο η πραγματική ένταση του πεδίου αναμένεται να είναι ίση ή υψηλότερη από τη μέση ωριαία τιμή που υπολογίζεται από το μοντέλο. Αυτή η παράμετρος μας επιτρέπει να ρυθμίσουμε το πώς θέλουμε το μοντέλο να χειριστεί την μεταβολή της έντασης του σήματος, λόγω της μεταβολής των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Τέλος, η καταστατική μεταβολή αντιπροσωπεύει τις μακροχρόνιες στατιστικές μεταβολές, που λαμβάνουν χώρα στο ράδιο-δίαυλο, λόγω της περιβαλλοντικής κατάστασης κυρίως, συμπεριλαμβανομένου και της αδυναμίας μας να λάβουμε ακριβείς μετρήσεις της έντασης του πεδίου. Ουσιαστικά η παράμετρος της 93

94 καταστατικής μεταβολής περιγράφει τη διαφοροποίηση του ιδανικού ράδιο-διαύλου από την πραγματικότητα, λόγω αστάθμητων παραγόντων που συμβαίνουν στον πραγματικό κόσμο. Η τιμή της παραμέτρου ορίζεται στο μοντέλο ως ποσοστό επί τοις εκατό. Το ποσοστό αυτό εκφράζει κατά πόσο η τιμή που υπολογίζεται από το μοντέλο και θεωρείται ιδανική, ξεπερνά την πραγματική λαμβανόμενη τιμή της έντασης του πεδίου στην περιοχή του δέκτη. Το μοντέλο Longley-Rice είναι ένα πιθανολογικό μοντέλο, που συνυπολογίζει διάφορους σταθμισμένους παράγοντες, ώστε να εξάγει μία πρόβλεψη για την εξασθένηση του σήματος. Οι παραπάνω παράμετροι μπορούν να προσδιοριστούν με ακρίβεια, έπειτα από μια σειρά μετρήσεων με πεδιόμετρο, που πρέπει να διεξαχθούν στην περιοχή για την οποία θα λειτουργήσει το μοντέλο. Οι μετρήσεις αυτές αφορούν τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή, στην ίδια συχνότητα λειτουργίας με αυτή για την οποία θα τρέξει το μοντέλο, ώστε να εκτιμηθούν οι απώλειες λόγω διαλείψεων (fading). Η μελέτη μας δεν επηρεάζεται από τον μη ακριβή προσδιορισμό αυτών των στοιχείων, καθώς θα χρησιμοποιήσουμε τιμές οι οποίες θα μας αποφέρουν αποτελέσματα για το χειρότερο σενάριο (worst case scenario). Στη συνέχεια ακολουθούν τα στιγμιότυπα από το Radio Mobile με την αρχικοποίηση των παραμέτρων του μοντέλου, σύμφωνα με αυτά που είπαμε, για τις μικροκυματικές ζεύξεις (Backhaul) και το δίκτυο ράδιο κάλυψης αντίστοιχα. Εικόνα 5.15 Στιγμιότυπο από την αρχικοποίηση των παραμέτρων του μοντέλου Longley-Rice για τις μικροκυματικές ζεύξεις. 94

95 Εικόνα Στιγμιότυπο από την αρχικοποίηση των παραμέτρων του μοντέλου Longley-Rice για το δίκτυο ράδιο-κάλυψης. Αφότου ορίσουμε τις σωστές τιμές για τις παραμέτρους του μοντέλου, επόμενό μας βήμα είναι να σχεδιάσουμε το δίκτυό μας. Αυτή η διαδικασία συνεπάγεται τον προσδιορισμό των σταθμών βάσεων αλλά και όλων εκείνων των παραμέτρων του κάθε σταθμού, που είναι απαραίτητες για την πρόβλεψη της εξασθένησης του σήματος και την αποτύπωση της ράδιο-κάλυψης, που προσφέρει ο κάθε σταθμός βάσης. Τα μέρη που επιλέξαμε να εγκαταστήσουμε τους σταθμούς βάσης είναι αυτά που παρουσιάστηκαν και στην ενότητα 5.4. Ο λόγος της επιλογής αυτών των σημείων είναι ότι πληρούν όλα τα βασικά κριτήρια, που πρέπει να πληροί ένα σημείο ώστε να εγκατασταθεί εκεί ένας σταθμός βάσης. Από αυτό το σημείο και έπειτα θα αναφερόμαστε στα σημείο αυτά με το όνομα της περιοχής που βρίσκονται χωρίς να αναφέρουμε τις γεωδαιτικές συντεταγμένες τους. Οι τελευταίες είναι σημειωμένες στην ενότητα 5.4. Επίσης, πρέπει να σημειωθεί ότι η παραμετροποίηση του συστήματος του δικτύου και των σταθμών βάσης, όπως αυτή ορίζεται από τους πίνακες που ακολουθούν, έγινε σύμφωνα με το πρότυπο IEEE e αλλά και τους περιορισμούς που απορρέουν από την κείμενη νομοθεσία της Ελλάδας και την Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων - ΕΕΤΤ. Στη συνέχεια ακολουθεί ο πίνακας με τις τιμές των παραμέτρων των σταθμών βάσης, σύμφωνα με τις οποίες επιτυγχάνεται η βέλτιστη ράδιο-κάλυψη στην περιοχή που έχουμε επιλέξει και πάντα με πρωταρχικό μας στόχο την παροχή ασύρματων ευρυζωνικών υπηρεσιών, κυρίως στις περιοχές που αντιμετωπίζουν πρόβλημα ενσύρματης ευρυζωνικής δικτύωσης. 95

96 Συχνότητα λειτουργίας Εύρος ζώνης καναλιού Κτήριο ΟΤΕ Προφήτης Ηλίας Ύψωμα 2 Σταθμοί Βάσης Μπράλος MHz 10 MHz Ισχύς εξόδου πομπού 34,2 dbm 34,6 dbm Ισχύς κατωφλίου ευαισθησίας δέκτη -95 dbm Δυο βουνά Μεξιάτες Φραντζή Απώλειες γραμμής μεταφοράς Απώλειες μίκτη Ύψος κεραίας από το έδαφος Ύψος κεραίας δέκτη από το έδαφος 1,2057 db 1,6076 db 4 db 15 m 20 m 1,5 m Τεχνικά στοιχεία σταθμού βάσης Κέρδος κεραίας εκπομπού Τοπολογία Πολυπλεξία 13 dbi Κυψέλη (PMP) TDD Μέγεθος FFT 1024 Πλαίσια ανά δευτερόλεπτο PHY 50 (20 ms ανά πλαίσιο) OFDMA Διαμορφώσεις QPSK ½, QPSK ¾, 16-QAM ½, 16-QAM ¾, 64-QAM ½, 64-QAM 2 / 3, 64-QAM ¾, 64-QAM 5 / 6 Μέγιστες επιτρεπτές απώλειες ράδιο-διαύλου Περιθώριο γρήγορων διαλείψεων Πιθανότητα κάλυψης στο χείλος της κυψέλης Πόλωση Αζιμουθιακή γωνία κεραίας 132 db 5 db 80% Κάθετη 144, ,7 0 42, ,4 0 Γωνία ανύψωσης κεραίας -0, , , , ,1 0-14, Πίνακας 5.9 Τιμές παραμέτρων σταθμού βάσης για τη ράδιο-κάλυψη του δικτύου Όπως φαίνεται και από τον παραπάνω πίνακα ορίσαμε τη συχνότητα λειτουργίας του σταθμού βάσης, που αφορά τον ράδιο-δίαυλο εξυπηρέτησης των συνδρομητών, όχι γύρω από μια συγκεκριμένη συχνότητα, αλλά στο εύρος των MHz, που είναι και το εύρος λειτουργίας του μοντέλου της κεραίας που επιλέξαμε. Αυτό έγινε ώστε να μην περιορίσουμε τα αποτελέσματά μας γύρω από μια συγκεκριμένη 96

97 συχνότητα, αλλά να λάβουμε αποτελέσματα για ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Για την ακρίβεια, στην Ελλάδα το αδειοδοτημένο φάσμα συχνοτήτων, το οποίο έχει οριστεί από την Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων για τη λειτουργία δικτύων WiMAX είναι αυτό των 3400 MHz έως τα 3800 MHz. Επομένως τα αποτελέσματα που θα λάβουμε περιγράφουν το ήμισυ του αδειοδοτημένου φάσματος. Επίσης ορίζουμε ως εύρος ζώνης καναλιού τα 10 MHz, που είναι το μέγιστο εύρος ζώνης καναλιού που μας επιτρέπει ο εξοπλισμός που επιλέξαμε. Το εύρος ζώνης καναλιού δεν επηρεάζει τους μηχανισμούς της ράδιο-διάδοσης του σήματος, αλλά καθορίζει το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων μας ενδιαφέρει, καθώς ο στόχος μας είναι να προσφέρουμε ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση σε περιοχές που δεν έχουν αυτή τη δυνατότητα, λόγω της παλαιότητας ή της αδυναμίας πρόσβασης του ενσύρματου δικτύου. Αυτό που έχει ιδιαίτερη σημασία και αξίζει να αναλύσουμε είναι η τιμή της ισχύς εκπομπής που έχουμε θέσει. Η τιμή αυτή περιορίζεται κατά κύριο λόγο από τη μέγιστη επιτρεπόμενη ενεργό ακτινοβολούμενη ισχύ (Equivalent Isotropicallly Radiated Power- EIRP), που ορίζει η ελληνική νομοθεσία και που είναι σύμφωνη και με τους ευρωπαϊκούς κανονισμούς, κατά την απόφαση 2008/411/EC της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. Σύμφωνα με την απόφαση αυτή, τα μέγιστα επιτρεπτά όρια φασματικής πυκνότητας ενεργού ακτινοβολούμενης ισχύς, για ένα στεγασμένο σταθμό βάσης που εξυπηρετεί σταθερές και νομαδικές συνδέσεις, προσδιορίζονται στα 42 dbm/mhz. Στην απόφαση επισημαίνεται επίσης ότι αυτά τα όρια μπορούν να αυξηθούν αν υπάρχει η σύμφωνη απόφαση των παρόχων που κατέχουν γειτονικές συχνότητες, ώστε να μην υπάρχουν προβλήματα παρεμβολών. Επομένως, γνωρίζοντας ότι η ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς και η ισχύς εξόδου του εκπομπού συνδέονται με τον παρακάτω τύπο: EIRP PT Lw Lc G a όπου, EIRP P T L W L C G a = η ενεργός ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς σε dbm = η ισχύς εξόδου του πομπού σε dbm = οι απώλειες του καλωδίου σε db = οι απώλειες του μίκτη σε db = το κέρδος της κεραίας σε dbi Γνωρίζοντας επίσης ότι το καλώδιο που επιλέξαμε έχει απώλειες 8,038 dm/100m, άρα για μήκος 15m και 30m, οι απώλειες λόγω της απόσβεσης του καλωδίου θα είναι 1,6076dB και 1,2057dB αντίστοιχα. Ενώ οι απώλειες του μίκτη που θέσαμε στα 4 db, 97

98 αναφέρονται σ ένα τυπικό μίκτη σύνδεσης. Άρα η ισχύς της εξόδου του πομπού υπολογίζεται ως εξής: P EIRP L L G 42dBm 1, 6dB 4dB 13dBi 34, 6dBm T w c a και P EIRP L L G 42dBm 1, 2dB 4dB 13dBi 34, 2dBm T w c a Οι διαφορετικές τιμές στις ισχύς εξόδου του εκπομπού οφείλονται στις διαφορές των απωλειών του καλωδίου, λόγω του διαφορετικού του μήκους. Τέλος, η ισχύς του κατωφλίου ευαισθησίας του δέκτη, που είναι μία ουσιώδης παράμετρος καθώς καθορίζει το κάτω όριο της λήψης, προσδιορίστηκε από μια τυπική συσκευή συνδρομητή από αυτές που υπάρχουν στην αγορά. Οι μέγιστες επιτρεπτές απώλειες του ράδιο-διαύλου καθορίζονται από την επιτρεπόμενη ενεργό ακτινοβολούμενη ισχύ και το κατώφλι ευαισθησίας του δέκτη. Από αυτά τα δύο προσδιορίσαμε ότι η μέγιστη απόσβεση του σήματος στον αέρα δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 137 db. Οποιαδήποτε τιμή μεγαλύτερη από αυτή προκαλεί την διακοπή της ασύρματης σύνδεσης. P EIRP P P Max Path loss Receiver threshold Fading margin 42dBm 95dBm 5dB 132dB Εικόνα 5.17 Link budget σταθμού βάσης - συνδρομητή3 98

99 Έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον να επισημάνουμε το ύψος της κεραίας του δέκτη. Το έχουμε προσδιορίσει στο 1,5m, κάτι που πρακτικά σημαίνει ότι τα αποτελέσματα της εξομοίωσης για τα επίπεδα του λαμβανόμενου σήματος θα είναι για αυτό το ύψος από το έδαφος. Επιλέξαμε αυτό το ύψος ώστε να υπολογίσουμε τη χειρότερη περίπτωση, που είναι αυτή ενός κινητού συνδρομητή που κρατάει τη συσκευή του στο 1,5m. Προφανώς από το σταθμό βάσης μπορούν να εξυπηρετηθούν και σταθεροί χρήστες, των οποίων συνήθως οι κεραίες είναι σε μεγαλύτερο ύψος. Τέλος, στον παραπάνω πίνακα αναγράφονται αναλυτικά η αζιμουθιακή και η υψομετρική γωνία της κεραίας, ώστε να είναι πλήρως προσδιορισμένη η κατεύθυνση που στοχεύει η κεραία. Όλα τα στοιχεία που παρουσιάσαμε και αναλύσαμε αφορούν το κομμάτι που σχετίζεται με τη ράδιο-κάλυψη των περιοχών και την εξυπηρέτηση των χρηστών. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε τα αντίστοιχα στοιχεία, που αφορούν όμως το κομμάτι της διασύνδεσης των σταθμών βάσης με το δίκτυο κορμού. Τα παρακάτω στοιχεία δηλαδή περιγράφουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά των μικροκυματικών ζεύξεων οπτικής επαφής (LOS Microwave Links). Τεχνικά στοιχεία σταθμού βάσης Συχνότητα λειτουργίας Εύρος ζώνης καναλιού Ισχύς εξόδου πομπού Ισχύς κατωφλίου ευαισθησίας δέκτη Απώλειες γραμμής μεταφοράς Απώλειες συνδετήρα Ύψος κεραίας από το έδαφος Ύψος κεραίας δέκτη από το έδαφος Κέρδος κεραίας εκπομπού Τοπολογία Μέγιστες επιτρεπτές απώλειες ράδιο-διαύλου Περιθώριο γρήγορων διαλείψεων Πόλωση Αζιμουθιακή γωνία κεραίας Γωνία ανύψωσης κεραίας Σταθμοί Μικροκυματικών Ζεύξεων Προφήτης Ηλίας Μπράλος Δυο βουνά Μεξιάτες Φραντζή MHz 20 MHz 8,115 dbm 165,8 0 (προς Μπράλο) 190,6 0 (προς Δυο Βουνά) 240,9 0 (προς Μεξιάτες) 216,4 0 (προς Φραντζή) -0, (προς Μπράλο) -0, (προς Δυο Βουνά) -1, (προς Μεξιάτες) -106,7 dbm 0,615 db 0,5 db 15 m 29 dbi Point-to-Point 137,7 db 5 db Κάθετη -0, (προς Φραντζή) Πίνακας 5.10 Τιμές παραμέτρων των μικροκυματικών ζεύξεων 345,8 0 10,5 0 60,8 0 36,3 0-0, , , ,

100 Από τον παραπάνω πίνακα γίνεται αμέσως κατανοητό, ότι οι απομακρυσμένοι σταθμοί βάσης που βρίσκονται εγκατεστημένοι στις περιοχές «Μπράλος», «Δυο Βουνά», «Μεξιάτες» και «Φραντζή», συνδέονται μέσω μικρόκυματικών ζεύξεων με το σταθμό που βρίσκεται στην περιοχή «Προφήτης Ηλίας». Από εκεί και πέρα, η μετάδοση των πληροφοριών υποστηρίζεται από την υπάρχουσα ενσύρματη υποδομή, μέσω γραμμών ATM μέχρι το κτήριο του ΟΤΕ. Οι σταθμοί βάσης στις περιοχές «Προφήτης Ηλίας» και «Ύψωμα 2» επιλέξαμε να τις συνδέσουμε με ενσύρματο τρόπο, αφού αυτό είναι εφικτό και μπορεί να υποστηριχθεί. Ένας ακόμη παράγοντας που μας ώθησε σε αυτήν την τελική τοπολογία είναι ότι έπειτα από μελέτη διαπιστώσαμε ότι δεν πληρούνται οι προϋποθέσεις οπτικής επαφής για την εγκατάσταση μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ του σταθμού του «Προφήτη Ηλία» και αυτού του «Κτηρίου ΟΤΕ». Ξεκινώντας τώρα την ανάλυσή μας, βλέπουμε ότι το εύρος συχνοτήτων για το οποίο εξετάζουμε και υλοποιούμε τις μικροκυματικές μας ζεύξεις είναι αυτό των 5725 έως 5800 MHz. Ο λόγος είναι ότι αυτό είναι και το εύρος λειτουργίας της κατευθυντικής κεραίας που επιλέξαμε. Επίσης το εύρος ζώνης καναλιού ορίζεται στα 20 MHz, ώστε να μπορεί να υποστηρίξει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης σε συνδυασμό με μια εξελιγμένη κωδικοποίηση. Τέλος, το ύψος των κεραιών τοποθετείται στα 15m, ώστε πρακτικά να υπάρχει απόσταση μεταξύ των κοντινών πεδίων των κεραιών (antenna near fields). Για την ακρίβεια το κοντινό πεδίο μιας κεραίας ορίζεται ως εξής: R near field 0,62* D 3,όπου R near-field D λ = η ακτίνα του κοντινού πεδίου σε m = το μέγιστο μήκος της ενεργούς επιφάνειας της κεραίας σε m = το μικρότερο μήκος κύματος του εκπεμπόμενου σήματος σε m Οπότε, σύμφωνα με τον τύπο, το κοντινό πεδίο της κεραίας που χρησιμοποιείται για τη ράδιο-κάλυψη της περιοχής και βρίσκεται σε ύψος 20m από το έδαφος είναι: R Radio cover 3 3 D 0,51 0,62* 0,62* 0,782m 0,

101 Ενώ το αντίστοιχο για την κεραία που χρησιμοποιείται για τη μικροκυματική ζεύξη και βρίσκεται σε ύψος 15m από το έδαφος είναι: R Microwave links 3 3 D 0,914 0, 62* 0, 62* 2,375m 0,052 Επομένως, η απόσταση των 5m που έχουμε αφήσει μεταξύ των δύο κεραιών στον ιστό είναι αρκετή, ώστε να μην υπάρχει εισχώρηση της μίας κεραία εντός του κοντινού πεδίου της άλλης και να αποφύγουμε δυσλειτουργίες κατά την εκπομπή. Όσον αφορά το ενεργειακό κομμάτι, η ισχύς εξόδου του πομπού ρυθμίζεται στα 8,115 dbm, αφού η επιτρεπόμενη ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς (EIRP) δεν πρέπει να ξεπερνά τα 36 dbm. Πιο αναλυτικά έχουμε ότι, οι απώλειες του κυματοδηγού που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση της κεραίας με το σταθμό βάσης είναι 4,1 db ανά 100m, επομένως 0,615 db για τα 15m. Επιπλέον έχουμε απώλειες 0,5 db λόγω των συνδετήρων. Άρα τελικά η ισχύς της εξόδου του εκπομπού πρέπει να οριστεί στα: P EIRP L L G 36dBm 0,615dB 0,5dB 29dBi 8,115dBm T w c a Επίσης, οι μέγιστες επιτρεπτές συνολικές απώλειες του ράδιο-διαύλου δεν μπορούν να ξεπεράσουν τα: P EIRP P P Max Path loss Receiver threshold Fading margin 36dBm 106.7dBm 5dB 137.7dB Εικόνα 5.18 Link budget μικροκυματικής ζεύξης 101

102 Παρατηρούμε ότι οι μέγιστες επιτρεπτές απώλειες σε αυτή την περίπτωση είναι αρκετά μεγαλύτερες από αυτές του ράδιο-διαύλου μεταξύ σταθμού βάσης και συνδρομητών. Αυτό οφείλεται κυρίως στο υψηλό κέρδος των κατευθυντικών κεραιών που χρησιμοποιούνται στις μικροκυματικές ζεύξεις. Στο τέλος, αναγράφονται η αζιμουθιακή και η υψομετρική γωνία, που θα πρέπει να έχουν τόσο οι κατευθυντικές κεραίες που θα εγκατασταθούν στο σταθμό βάσης «Προφήτης Ηλίας», όσο και αυτές που θα βρίσκονται στους υπόλοιπους σταθμούς. Οι γωνίες αυτές παίζουν σημαντικό ρόλο σε μια ζεύξη οπτικής επαφής, καθώς οι αποστάσεις είναι μεγάλες και το κέρδος των κεραιών σε συνδυασμό με τη γωνία 3-dB επιτάσσουν μεγάλη ακρίβεια στην τήρησή τους. 5.7 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΚΤΥΟΥ Σε αυτή την τελευταία ενότητα παρουσιάζουμε την τελική τοπολογία του δικτύου, που ορίσαμε με αναλυτικό τρόπο στις προηγούμενες ενότητες. Συνδυάζοντας όλα αυτά τα στοιχεία και τις παραμέτρους του μοντέλου, των σταθμών βάσεις, των ιδιαιτεροτήτων της περιοχής και του εξοπλισμού, τελικά κατασκευάζουμε ένα σύγχρονο ευρυζωνικό ασύρματο δίκτυο. Το δίκτυο αυτό συμβαδίζει με το σύγχρονο πρότυπο ασύρματης ευρυζωνικής δικτύωσης WiMAX και σχεδιάστηκε με σκοπό την εξυπηρέτηση, κυρίως συνδρομητών που για τεχνικούς λόγους είτε δεν μπορούν να έχουν πρόσβαση σε ευρυζωνικές υπηρεσίες, είτε οι ρυθμοί μετάδοσης είναι ιδιαίτερα χαμηλοί. Εκτός όμως του κυρίαρχου αυτού στόχου, το δίκτυο που σχεδιάστηκε μπορεί να εξυπηρετήσει και συνδρομητές που έχουν πρόσβαση σε ευρυζωνικές υπηρεσίες, αλλά επιθυμούν να μπορούν να τις χρησιμοποιούν από κινητές συσκευές. Στην επόμενη σελίδα παρουσιάζεται η τελική τοπολογία του δικτύου, αποτυπωμένη στον τοπογραφικό χάρτη της περιοχής. Πιο συγκεκριμένα, είναι σχεδιασμένο το δίκτυο του κορμού αλλά και το δίκτυο εξυπηρέτησης των συνδρομητών, με διαφορετικό χρώμα. Επίσης, εμφανίζονται όλες οι μονάδες που συμμετέχουν σε αυτό. Το δίκτυο με όλες τις συνδέσεις (ράδιο-δίαυλος κάλυψης συνδρομητών, μικροκυματικές ζεύξεις & ενσύρματες ζεύξεις) και τις μονάδες του (συνδρομητές, σταθμοί βάσης & κόμβοι), αποτυπώνεται στο στιγμιότυπο έτσι όπως το παράγει το λογισμικό μας (Radio Mobile). Στη συνέχει ακολουθεί η ερμηνεία του κάθε συμβόλου που χρησιμοποιείται στην τοπολογία. Συνδρομητικός Σταθμός (Subscriber Station - SS) Σταθμός Βάσης (Base Station - BS) Σύνδεση Συνδρομητών (Subscriber Line) Σύνδεση Δικτύου Κορμού (Backhaul Line) 102

103 Εικόνα 5.19 Τελική τοπολογία του δικτύου WiMAX στην περιοχή 103

104 Κεφάλαιο 6 Μελέτη Ράδιο-Κάλυψης 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για τη ζώνη των 3,4-3,8 GHz καθώς αναμένεται να διευκολύνει την ανάπτυξη προηγμένων κινητών/σταθερών δικτύων επικοινωνιών. Πλέον, η ζώνη αυτή εμφανίζεται ως κρίσιμη, τόσο για την παροχή υπηρεσιών ευρυζωνικής ασύρματης πρόσβασης μέσω τεχνολογιών WiMAX, όσο και για την επίτευξη πολύ υψηλών ταχυτήτων μετάδοσης και την αποσυμφόρηση της συνεχής αύξηση της κίνησης δεδομένων των ευρυζωνικών κινητών δικτύων LTE-Advanced. Σε αυτό το τελευταίο λοιπόν κεφάλαιο, ολοκληρώνεται μία πλήρης μελέτη για την εφαρμογή ενός δικτύου WiMAX στην ευρύτερη περιοχή της πόλης της Λαμίας στο νομό Φθιώτιδας. Σε αυτό το τελικό βήμα ολοκλήρωσης της μελέτης, θα διεξάγουμε εξομοιώσεις με τη βοήθεια του λογισμικού Radio Mobile, ώστε να προβλέψουμε ποια θα είναι η εξασθένηση του εκπεμπόμενου σήματος. Επιπλέον, θα ασχοληθούμε με την εξέταση της καθαρότητας της 1 ης ζώνης Fresnel στις μικροκυματικές ζεύξεις. Οι διαδικασίες αυτές θα παρουσιαστούν τόσο με γραφικό τρόπο, όσο και με την παράθεση των αναλυτικών αποτελεσμάτων των εξομοιώσεων. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα αυτά θα τα εξετάσουμε, ώστε να διαπιστώσουμε ότι τηρούνται οι βασικοί κανονισμοί ράδιο-διάδοσης, που πρέπει να διέπουν ένα τέτοιο δίκτυο. Σε αυτό το σημείο, θα πρέπει να εντοπίσουμε τυχόν συνθήκες που δεν διασφαλίζουν την ομαλή λειτουργία του δικτύου και να επαναλάβουμε τη διαδικασία για εναλλακτικές προτάσεις. Εφόσον όλα τα παραπάνω πραγματοποιηθούν και ξεπεραστούν πρακτικές δυσκολίες ή αστοχίες του δικτύου, θα πρέπει να εξάγουμε τα δεδομένα των παραμέτρων εκείνων που περιγράφουν τη λειτουργία του δικτύου, στο επίπεδο που αυτή γίνεται αντιληπτή από το χρήστη. Το τελικά βήμα δηλαδή και η πεμπτουσία της μελέτης αυτής, είναι ο προσδιορισμός της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών (Quality of Services - QoS), έτσι ώστε να εξασφαλίσουμε ότι θα παρέχονται στους συνδρομητές ευρυζωνικές υπηρεσίες υψηλής ποιότητας. 104

105 6.2 ΈΛΕΓΧΟΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΖΕΥΞΕΩΝ Οι μικροκυματικές ζεύξεις είναι μία ευρέως διαδεδομένες τεχνική, που χρησιμοποιείται για επικοινωνίες σημείου-προς-σημείο (Point-to-Point). Οι υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης, η ανοχή σε δυσμενής καιρικές συνθήκες, το χαμηλό κόστος, η ευκολία στο σχεδιασμό και η συνδεσιμότητα που προσφέρουν ειδικά σε δυσπρόσιτες περιοχές όπως βουνά και ποτάμια, τις καθιστά ως την πρώτη επιλογή για την υλοποίηση συνδέσεων στο δίκτυο κορμού. Θα ξεκινήσουμε λοιπόν τη μελέτη μας, από τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας των μικροκυματικών ζεύξεων, σύμφωνα με την αρχιτεκτονική του δικτύου που καταλήξαμε και παρουσιάσαμε στην ενότητα 5.7. Ο έλεγχος αυτός επικεντρώνεται κυρίως στην τήρηση των κριτηρίων οπτικής επαφής και της καθαρότητας της 1 ης ζώνης Fresnel του ράδιο-διαύλου. Ωστόσο όμως, θα εξετάσουμε και την ικανοποίηση βασικών αρχών σχεδιασμού που πρέπει να διέπουν μια ασύρματη εκπομπή, όπως για παράδειγμα η σύγκριση της λαμβανόμενης ισχύος και του κατωφλίου ευαισθησίας στο δέκτη. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά της κάθε μικροκυματικής ζεύξης. Για κάθε μία ζεύξη παρατίθεται ένας συγκεντρωτικός πίνακας με όλα τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ζεύξης. Στον πίνακα αυτό συμπεριλαμβάνεται και η μορφολογική τομή μεταξύ των δύο κεραιών, στην οποία απεικονίζονται και τα διάφορα περιβάλλοντα που υπάρχουν (αστικό, ημιαστικό, δασικό κ.ά.). Επιπλέον, για την καλύτερη κατανόηση της σύνδεσης μεταξύ των σταθμών αλλά και της 1 ης ζώνης Fresnel που σχηματίζεται, παραθέτουμε επίσης και μια τρισδιάστατη απεικόνιση της μικροκυματικής ζεύξης. Σε αυτή την εικόνα σχηματίζονται η απευθείας ένωση του ράδιο-δίαυλου (με μπλε γραμμή), το 60% της 1 ης ζώνης Fresnel (με πράσινη γραμμή), το 100% της 1 ης ζώνης Fresnel (με κίτρινη γραμμή) και οι υπόλοιπες ζώνες Fresnel (με κόκκινη γραμμή). Η σειρά με την οποία παρουσιάζονται οι μικροκυματικές ζεύξεις του δικτύου κορμού (backhaul network) είναι η παρακάτω: 1. «Προφήτης Ηλίας» - «Μπράλος» 2. «Προφήτης Ηλίας» - «Δύο Βουνά» 3. «Προφήτης Ηλίας» - «Μεξιάτες» 4. «Προφήτης Ηλίας» - «Φραντζή» 105

106 Επίτευξη οπτικής επαφής Ζεύξη μεταξύ "Προφήτης Ηλίας" - "Μπράλος" Καθαρότητα 1 ης ζώνης Fresnel 110% Απόσταση ράδιο-δίαυλου Λαμβανόμενη ισχύς Περιθώριο από το κατώφλι ευαισθησίας Συνολικές απώλειες ράδιο-δίαυλου Απώλειες ελεύθερου χώρου Απώλειες παρεμπόδισης Απώλειες αστικού περιβάλλοντος Απώλειες δασικού περιβάλλοντος 15,4 km -98,8 dbm 7,9 db 162,3 db 131,4 db -0,1 db Αξιοπιστία ράδιο-δίαυλου 99% Πίνακας 6.1 Προφίλ μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ «Προφήτης Ηλίας» - «Μπράλος» 0 db 0 db Εικόνα 6.1 Τρισδιάστατη απεικόνιση των ζωνών Fresnel της μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ των σταθμών «Προφήτης Ηλίας» και «Μπράλος» 106

107 Επίτευξη οπτικής επαφής Ζεύξη μεταξύ "Προφήτης Ηλίας" - "Δυο Βουνά" Καθαρότητα 1 ης ζώνης Fresnel 123% Απόσταση ράδιο-δίαυλου Λαμβανόμενη ισχύς Περιθώριο από το κατώφλι ευαισθησίας Συνολικές απώλειες ράδιο-δίαυλου Απώλειες ελεύθερου χώρου Απώλειες παρεμπόδισης Απώλειες αστικού περιβάλλοντος Απώλειες δασικού περιβάλλοντος 10,7 km -96,6 dbm 10,1 db 160,2 db 128,3 db Αξιοπιστία ράδιο-δίαυλου 99% Πίνακας 6.2 Προφίλ μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ «Προφήτης Ηλίας» - «Δυο Βουνά» 0,8 db 0 db 0 db Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση των ζωνών Fresnel της μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ των σταθμών «Προφήτης Ηλίας» και «Δυο Βουνά» 107

108 Επίτευξη οπτικής επαφής Ζεύξη μεταξύ "Προφήτης Ηλίας" - "Μεξιάτες" Καθαρότητα 1 ης ζώνης Fresnel 104% Απόσταση ράδιο-δίαυλου Λαμβανόμενη ισχύς Περιθώριο από το κατώφλι ευαισθησίας Συνολικές απώλειες ράδιο-δίαυλου Απώλειες ελεύθερου χώρου Απώλειες παρεμπόδισης Απώλειες αστικού περιβάλλοντος Απώλειες δασικού περιβάλλοντος 10,3 km -94,5 dbm 12,2 db 158,1 db 127,9 db -0,8 db Αξιοπιστία ράδιο-δίαυλου 99% Πίνακας 6.3 Προφίλ μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ «Προφήτης Ηλίας» - «Μεξιάτες» 0 db 0 db Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση των ζωνών Fresnel της μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ των σταθμών «Προφήτης Ηλίας» και «Μεξιάτες» 108

109 Επίτευξη οπτικής επαφής Ζεύξη μεταξύ "Προφήτης Ηλίας" - "Φραντζή" Καθαρότητα 1ης ζώνης Fresnel 132% Απόσταση ράδιο-δίαυλου Λαμβανόμενη ισχύς Περιθώριο από το κατώφλι ευαισθησίας Συνολικές απώλειες ράδιο-δίαυλου Απώλειες ελεύθερου χώρου Απώλειες παρεμπόδισης Απώλειες αστικού περιβάλλοντος Απώλειες δασικού περιβάλλοντος 8,8 km -93,7 dbm 13 db 157,3 db 126,5 db -0,4 db Αξιοπιστία ράδιο-δίαυλου 99% Πίνακας 6.4 Προφίλ μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ «Προφήτης Ηλίας» - «Φραντζή» 0 db 0 db Εικόνα 6.4 Τρισδιάστατη απεικόνιση των ζωνών Fresnel της μικροκυματικής ζεύξης μεταξύ των σταθμών «Προφήτης Ηλίας» και «Φραντζή» 109

110 Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τα αποτελέσματα της εξομοίωσης, για τις μικροκυματικές ζέυξεις, είναι ότι σε όλες τις περιπτώσεις επιτυγχάνεται οπτική επαφή με πλήρης καθαρότητα της 1 ης ζώνης Fresnel. Αυτό αποτελεί την πρώτη βασική συνθήκη που πρέπει να ικανοποιείται. Επίσης, επιβεβαιώνουμε ότι η λαμβανόμενη ισχύς του σήματος είναι σε ασφαλή όρια πάνω από το κατώφλι ευαισθησίας των δεκτών (receiver threshold). Αξίζει να επισημάνουμε ότι το λογισμικό λαμβάνει υπόψη του για τον υπολογισμό της λαμβανόμενης ισχύς, παράγοντες όπως η ανάκλαση του σήματος στην επιφάνεια του εδάφους, η διάθλασή του από την ατμόσφαιρα και την καμπυλότητα της γης. db 0,15 0,145 0,14 0,135 0,13 0,125 0,12 0,115 0,11 0,105 0,1 0,095 0,09 0,085 0,08 0,075 0,07 0,065 0,06 0,055 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 Ζεύξη 1 Ζεύξη 2 Ζεύξη 3 Ζεύξη 4 Περιθώριο από το κατώφλι ευαισφησίας Τέλος, πρέπει να σημειώσουμε ότι τα αποτελέσματα που παρήγαγε η εξομοίωση έχουν συντελεστή αξιοπιστίας 99%. Πρακτικά αυτό σημαίνει, ότι οι τιμές των παραμέτρων που υπολογίζονται από το μοντέλο επικρατούν στο 99% των περιπτώσεων, συμπεριλαμβανομένης οποιασδήποτε μεταβολής των συνθηκών του περιβάλλοντος. Διαφορετικά εκφρασμένο, μπορούμε να πούμε ότι είμαστε σίγουροι για τις τιμές των τεχνικών παραμέτρων που υπολόγισε το μοντέλο, σε ποσοστό 99%. Η τήρηση όλων των απαραίτητων τεχνικών συνθηκών, σε συνδυασμό με τον υψηλό δείκτη αξιοπιστία, μας επιτρέπουν να εγγυηθούμε την αποτελεσματική λειτουργία των μικροκυματικών ζεύξεων του δικτύου κορμού. Όλες οι μικροκυματικές ζεύξεις του κορμού του δικτύου, παρουσιάζονται στη συνέχεια σε μία τρισδιάστατη απεικόνιση της περιοχής. 110

111 Εικόνα 6.5 Οι μικροκυματικές ζεύξεις του δικτύου κορμού μεταξύ των σταθμών βάσης 111

112 6.3 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΡΑΔΙΟ-ΚΑΛΥΨΗΣ Σε αυτήν την ενότητα θα ασχοληθούμε με το μέρος του δικτύου WiMAX που σχετίζεται με τη ράδιο-κάλυψη της περιοχής και την εξυπηρέτηση των συνδρομητών. Πιο συγκεκριμένα θα εξομοιώσουμε τον τρόπο με τον οποίο ακτινοβολούν οι κεραίες εξυπηρέτησης των συνδρομητών, που βρίσκονται εγκατεστημένες στους σταθμούς βάσης, σε ύψος 20m από το έδαφος. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης παρουσιάζονται με γραφικό τρόπο, ώστε να γίνονται καλύτερα κατανοητά από τον αναγνώστη. Επίσης, πρέπει να υπενθυμίσουμε μια πολύ σημαντική, για την κατανόηση της ράδιο-κάλυψης, παράμετρο. Οι τιμές τις λαμβανόμενης ισχύος που υπολογίζονται από το λογισμικό, προσδιορίζονται στο 1,5m πάνω από το έδαφος. Αυτό προέκυψε από δική μας ρύθμιση, που προβλέπει ότι η κεραία του συνδρομητή βρίσκεται σε αυτό το ύψος. Ο λόγος είναι ότι θέλουμε να εξομοιώσουμε το χειρότερο-δυσκολότερο σενάριο, που είναι αυτό που περιγράφει έναν κινητό συνδρομητή. Σε διαφορετική περίπτωση και για μεγαλύτερο ύψος των κεραιών των συνδρομητών από το έδαφος, τα αποτελέσματα της εξομοίωσης είναι σαφέστερα βελτιωμένα. Επομένως, τα αποτελέσματα της εξομοίωσης καλύπτουν και όλες τις υπόλοιπες περιπτώσεις, όπως αυτή ενός σταθερού συνδρομητή που έχει τοποθετήσει την κεραία λήψης στην οροφή ή το μπαλκόνι της κατοικίας του και έπειτα διαμοιράζει το σήμα στις τερματικές συσκευές μέσω ειδικών δρομολογητών. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η ράδιο-κάλυψη που προσφέρει ο κάθε σταθμός βάσης, σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά και την παραμετροποίηση του συστήματος που ορίστηκε στην παράγραφο 5.6. Στις εικόνες που ακολουθούν απεικονίζεται ο τρόπος διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, συναρτήσει του ανάγλυφου και των διάφορων ιδιαιτεροτήτων τις περιοχής. Επίσης, εμφανίζεται η εξασθένηση του σήματος με τη βοήθεια χρωματικής κλίμακας, έτσι όπως υπολογίζεται από το μοντέλο Longley- Rice. Η χρωματική κλίμακα που χρησιμοποιείται για την γραφική απεικόνιση της λαμβανόμενης ισχύος και η σειρά παρουσίασης της ράδιο-κάλυψης, που προσφέρουν οι σταθμοί βάσης είναι οι εξής: Signal (dbm) ,2-77,4-79,6-81, ,2-88,4-90,6-92, Σταθμός Βάσης «Μπράλος» (Mpralos BS) 2. Σταθμός Βάσης «Δυο Βουνά» (Duo Vouna BS) 3. Σταθμός Βάσης «Φραντζή» (Frantzi BS) 4. Σταθμός Βάσης «Μεξιάτες» (Meksiates BS) 5. Σταθμός Βάσης «Προφήτης Ηλίας» (Profitis Hlias BS) 6. Σταθμός Βάσης «Ύψωμα 2» (Ypswma 2 BS) 7. Σταθμός Βάσης «Κτήριο ΟΤΕ» (Ktirio OTE BS) 112

113 Ράδιο-κάλυψη Σταθμού Βάσης «Μπράλος» Εικόνα 6.6 Η ράδιο-κάλυψη που επιτυγχάνεται από το σταθμό βάσης «Μπράλος» Εικόνα 6.7 Τρισδιάστατη απεικόνιση της ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης «Μπράλος» 113

114 Ράδιο-κάλυψη Σταθμού Βάσης «Δυο Βουνά» Εικόνα Η ράδιο-κάλυψη που επιτυγχάνεται από το σταθμό βάσης «Δυο Βουνά» Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση της ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης «Δυο Βουνά» 114

115 Ράδιο-κάλυψη Σταθμού Βάσης «Φραντζή» Εικόνα Η ράδιο-κάλυψη που επιτυγχάνεται από το σταθμό βάσης «Φραντζή» Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση της ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης «Φραντζή» 115

116 Ράδιο-κάλυψη Σταθμού Βάσης «Μεξιάτες» Εικόνα Η ράδιο-κάλυψη που επιτυγχάνεται από το σταθμό βάσης «Μεξιάτες» Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση της ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης «Μεξιάτες» 116

117 Ράδιο-κάλυψη Σταθμού Βάσης «Προφήτης Ηλίας» Εικόνα Η ράδιο-κάλυψη που επιτυγχάνεται από το σταθμό βάσης «Προφήτης Ηλίας» Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση της ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης «Προφήτης Ηλίας» 117

118 Ράδιο-κάλυψη Σταθμού Βάσης «Ύψωμα 2» Εικόνα Η ράδιο-κάλυψη που επιτυγχάνεται από το σταθμό βάσης «Ύψωμα 2» Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση της ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης «Ύψωμα 2» 118

119 Ράδιο-κάλυψη Σταθμού Βάσης «Κτήριο ΟΤΕ» Εικόνα Η ράδιο-κάλυψη που επιτυγχάνεται από το σταθμό βάσης «Κτήριο ΟΤΕ» Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση της ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης «Κτήριο ΟΤΕ» 119

120 Συνολική Ράδιο-κάλυψη Όλων των Σταθμών Βάσης Εικόνα 6.20 Η συνολική ράδιο-κάλυψη του δικτύου WiMAX στην περιοχή Εικόνα Τρισδιάστατη απεικόνιση της συνολικής ράδιο-κάλυψης του δικτύου WiMAX στην περιοχή 120

121 Πρέπει να διευκρινίσουμε ότι η επιλογή των ορίων της χρωματικής κλίμακας για τη λαμβανόμενη ισχύ δεν έγινε τυχαία. Επιλέξαμε ως άνω όριο την τιμή των -73 dbm, καθώς σύμφωνα με την προσαρμοσμένη διαμόρφωση και κωδικοποίηση (Adaptive Modulation and Coding - AMC), που προσφέρει η τεχνολογία WiMAX, αυτή είναι η ελάχιστη τιμή της λαμβανόμενης ισχύος για την οποία η κωδικοποίηση είναι η 64QAM 5 / 6. Κατά την μετάδοση πληροφοριών με αυτή την κωδικοποίηση επιτυγχάνονται οι μέγιστοι ρυθμοί μετάδοσης. Επίσης, επιλέξαμε ως κάτω όριο αυτό των -95 dbm, αφού αυτό αποτελεί και το κατώφλι ευαισθησίας μιας τυπικής συσκευής λήψης ενός συνδρομητή. Τιμές μικρότερες από -95 dbm δεν εμφανίζονται στα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν. 6.4 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΡΑΔΙΟ-ΚΑΛΥΨΗΣ Σε πρώτο στάδιο, οι γραφική απεικόνιση της ράδιο-κάλυψης του κάθε σταθμού βάσης που παρουσιάστηκε στην προηγούμενη ενότητα, είναι μια καλή αρχή για την κατανόηση των αποτελεσμάτων και την εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων. Σε αυτή την ενότητα θα παρουσιάσουμε μια πιο αναλυτική άποψη των αποτελεσμάτων, ώστε να αποκτήσουμε μια ακριβέστερη εικόνα για την τελική ράδιο-κάλυψη του δικτύου. Σε μια αρχική προσέγγιση των αποτελεσμάτων των εξομοιώσεων, παραθέτουμε στη συνέχεια ένα πίνακα, ο οποίος καταγράφει τα τετραγωνικά χιλιόμετρα της καλυπτόμενης περιοχής και το ποσοστό αυτής επί τοις εκατό, ανά σταθμό βάσης. Σταθμοί Βάσης Ράδιο-κάλυψη (km 2 ) Ράδιο-κάλυψη (%) «Μπράλος» 143 km 2 30,6 % «Δυό Βουνά» 168 km 2 35,9 % «Φραντζή» 175 km 2 37,4 % «Μεξιάτες» 128 km 2 27,3 % «Προφήτης Ηλίας» 152 km 2 32,5 % «Ύψωμα 2» 242 km 2 51,7 % «Κτήριο ΟΤΕ» 154 km 2 33,0 % Πίνακας 6.5 Προσφερόμενη ράδιο-κάλυψη του κάθε σταθμού βάσης Παρατηρούμε ότι η ράδιο-κάλυψη που προσφέρει ο κάθε σταθμός βάσης είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική, μιας και που το σύνολο των σταθμών βάσης καλύπτουν πολύ μεγαλύτερο ποσοστό από το 21,4%, που αποτελεί το ποσοστό μιας τυπικής κυψέλης WiMAX για την έκταση της περιοχής που ασχολούμαστε. Αξίζει να σημειώσουμε, ότι σχεδόν το πλήρες σύνολο του συνδρομητικού φορτίου που θέλουμε να καλύψουμε βρίσκεται εντός της καλυπτόμενης περιοχής, όπως μπορεί να επιβεβαιωθεί και από τις εικόνες της προηγούμενης ενότητας. Οι περιοχές που δεν ράδιο-καλύπτονται είναι ορεινές και δεν ήταν εξαρχής σχεδιαστικός μας στόχος η κάλυψη αυτών των περιοχών. 121

122 Τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων αποτελούνται από τιμές της λαμβανόμενης ισχύος, για κάθε γεωγραφικό μήκος και πλάτος, που αντιστοιχεί σε ένα εικονοστοιχείο (pixel) του χάρτη της περιοχής που έχουμε οριοθετήσει. Η τιμή της λαμβανόμενης ισχύος υπολογίζεται από το λογισμικό, σύμφωνα με το μοντέλο Longley-Rice, για τους σταθμούς βάσης που εμείς επιλέγουμε. Εμείς πραγματοποιήσαμε εξομοιώσεις και λάβαμε αποτελέσματα για τον κάθε σταθμό ξεχωριστά αλλά και για όλους τους σταθμούς μαζί. Στην τελευταία περίπτωση, το λογισμικό συγκρίνει τη λαμβανόμενη ισχύ σ ένα σημείο από τους διάφορους σταθμούς βάσης και τελικά επιλέγει τη μεγαλύτερη. Η διαδικασία αυτή αντικατοπτρίζει την πραγματική λειτουργία του δικτύου, καθώς το ίδιο θα συνέβαινε σε μια συσκευή η οποία θα μπορούσε να εξυπηρετηθεί από διάφορους γειτονικούς σταθμούς βάσης, όμως τελικά ο σταθμός που αποφασίζει το δίκτυο να εξυπηρετήσει έναν συνδρομητή καθορίζεται από την τιμή της λαμβανόμενης ισχύος από τον εκάστοτε σταθμό βάσης. Η εικόνα που ακολουθεί περιγράφει ποιοτικά αυτή ακριβώς τη διαδικασία. Μας δείχνει δηλαδή από ποιον σταθμό βάσης θα εξυπηρετηθεί ένας συνδρομητής αν βρεθεί σ ένα συγκεκριμένο σημείο της περιοχής. Στον κάθε σταθμό βάσης αντιστοιχεί ένα χρώμα, που υποδεικνύει ότι ο συνδρομητής που βρίσκεται εντός των ορίων του χρώματος εξυπηρετείται από τον αντίστοιχο σταθμό βάσης. Εικόνα 6.22 Περιοχές εξυπηρέτησης του κάθε σταθμού βάσης4 Για τα σημεία στα οποία δεν επικρατεί μόνο ένας χρωματισμός, δεν μπορεί να προσδιοριστεί με αξιοπιστία ποιός σταθμός βάσης είναι αποκλειστικά υπεύθυνος, να εξυπηρετήσει το συνδρομητικό φορτίο σε εκείνη την περιοχή. 122