ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΤΣΕΚΜΕΖΟΓΛΟΥ ΣΩΤΗΡΙΟΣ Α.Ε.Μ. 4242 E-Mail: sotirist@auth.gr ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΞΕΝΟΣ ΘΩΜΑΣ, ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2006

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1.1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 1 1.2 ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ....1 1.3 ΛΟΓΙΣΜΙΚΌ ΔΙΚΤΥΩΝ...2 1.3.1 ΔΙΑΣΤΡΩΜΑΤΩΣΗ...3 1.3.2 ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ...4 1.3.3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ OSI...5 1.3.3.1 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ (PHYSICAL LAYER)...6 1.3.3.2 ΣΤΡΩΜΑ ΖΕΥΞΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (DATA LINK LAYER) 6 1.3.3.3 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ/ΛΗΨΗΣ ΣΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ OSI..7 1.4 ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ..8 1.5 ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟΤΗΤΑ.10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16..12 2.1 IEEE...12 2.2 ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ ΠΡΟΤΥΠΩΝ IEEE 802...12 2.3 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE 802.16...13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ 21 3.1 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ..21 3.2 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ OFDM...22 3.3 ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ.26 3.4 FORWARD ERROR CORRECTION (FEC)...28 3.5 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ/ΛΗΨΗΣ..28 3.5.1 DOWNLINK......31 3.5.2 UPLINK.33 3.6 ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΣΥΓΚΛΙΣΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ (TRANSMISSION CONVERGENCE SUBLAYER 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ MAC..37 4.1 ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ MAC (MEDIUM ACCESS CONTROL 37 4.2 ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΣΥΓΚΛΙΣΗΣ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ (SERVICE SPECIFIC CONVERGENCE SUBLAYER) 39 4.3 ΚΥΡΙΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ MAC.39 4.3.1 ΔΙΟΙΚΗΤΙΚΕΣ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ (MANAGEMENT CONNECTIONS)..40 4.3.2 MAC PDU.41 4.3.3 ΜΕΤΑΦΟΡΑ MAC PDU..43 4.4 ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΡΑΔΙΟ ΖΕΥΞΗΣ RLC (RADIO LINK CONTROL).46 4.5 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΕΝΕΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ UPLINK...49

4.6 ΑΠΑΙΤΗΣΗ ΕΥΡΟΥΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΧΩΡΗΣΗ..51 4.7 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ 54 4.7.1 ΑΠΟΚΤΗΣΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ...54 4.7.2 ΑΡΧΙΚΗ ΠΑΡΑΧΩΡΗΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΠΡΑΓΜΑΤΕΥΣΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΩΝ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ....55 4.7.3 ΑΥΘΕΝΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΕΓΓΡΑΦΗ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ.55 4.7.4 ΣΥΝΔΕΣΙΜΟΤΗΤΑ IP.56 4.7.5 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ.56 4.8 ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ..57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ-ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΙΚΤΥΟΥ...59 5.1 LOS NLOS OLOS ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ..59 5.2 PTP PMP...61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΤΟ IEEE 802.16 ΣΤΗΝ ΑΓΟΡΑ 64 6.1 WiMAX....64 6.2 ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΙΕΕΕ 802.16...64 6.3 ΓΙΑΤΙ ΙΕΕΕ 802.16;.65 6.4 ΤΟ ΟΡΑΜΑ..67 ΑΚΡΩΝΥΜΑ...68 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.71

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με το πρότυπο ασύρματης ευρυζωνικής τεχνολογίας ΙΕΕΕ 802.16. Στο πρώτο κεφάλαιο θα δώσουμε τις βασικές εισαγωγικές έννοιες που είναι απαραίτητες για την κατανόηση του προτύπου στη συνέχεια. Παράλληλα γίνεται μια προσέγγιση του όρου της ευρυζωνικότητας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια περιγραφή της οικογένειας των προτύπων ΙΕΕΕ 802.16 και τα χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια στο τρίτο κεφάλαιο αναπτύσσονται οι τεχνικές μετάδοσης στο φυσικό στρώμα. Στο επόμενο κεφάλαιο γίνεται μια προσέγγιση των διαδικασιών ελέγχου πρόσβασης στο κοινό κανάλι και των πρωτοκόλλων που εξασφαλίζουν ασφάλεια στο ΙΕΕΕ 802.16. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναπτύσσεται η αρχιτεκτονική και η τοπολογία ενός δικτύου βασισμένο στο πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16. Τέλος στο τελευταίο κεφάλαιο συνοψίζονται τα πλεονεκτήματα του προτύπου και γίνεται αναφορά στην προώθησή προϊόντων που το υποστηρίζουν στην αγορά. 1.2 ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Η πρόοδος του ανθρώπου ήταν αυτή που οδήγησε στη βιομηχανική επανάσταση το 18 ο αιώνα και αργότερα στην εποχή της ατμομηχανής το 19 ο αιώνα. Ο 20 ος αιώνας σημαδεύτηκε από την ανάγκη του ανθρώπου για χρήση της πληροφορίας. Η συλλογή, αποθήκευση, επεξεργασία και χρήση των πληροφοριών οδήγησαν στην ανάπτυξη συστημάτων πληροφορικής. Από νωρίς έγινε φανερή η αξία της ικανότητας μεταφοράς της πληροφορίας. 1

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Έτσι άρχισαν να γίνονται τα πρώτα βήματα της υλοποίησης δικτύων υπολογιστών (computer networks). Με τον όρο δίκτυο υπολογιστών εννοούμε τη διασύνδεση αυτόνομων υπολογιστικών μονάδων που έχουν τη δυνατότητα ανταλλαγής πληροφοριών. Στην αρχική τους μορφή μιλούσαμε για δίκτυα υπολογιστών εντός δωματίου με μικρό αριθμό διασυνδεδεμένων μονάδων για να φτάσουμε σήμερα να μιλάμε για δίκτυα παγκόσμιας εμβέλειας. Στον πίνακα 1.1 απεικονίζεται μια ταξινόμηση των δικτύων σύμφωνα με την κλίμακά τους. Απόσταση μεταξύ Επεξεργαστές Παράδειγμα επεξεργαστών που βρίσκονται 0,1m Στην ίδια κάρτα Μηχανή ροής δεδομένων 1m Στο ίδιο σύστημα Πολλαπλός υπολογιστής 10m Στο ίδιο δωμάτιο Τοπικό δίκτυο 100m Στο ίδιο κτίριο << 1km Στην ίδια περιοχή << 10km Στην ίδια πόλη Μητροπολιτικό δίκτυο 100km Στην ίδια χώρα Δίκτυο ευρείας περιοχής 1.000km Στην ίδια ήπειρο << 10.000km Στον ίδιο πλανήτη Διαδίκτυο Πίνακας 1.1 Ταξινόμηση δικτύων κατά κλίμακα 1.3 ΛΟΓΙΣΜΙΚΌ ΔΙΚΤΥΩΝ Για την υλοποίηση των πρώτων δικτύων ως κύριο μέλημα ήταν το υλικό (hardware). Σήμερα όμως τα δίκτυα βασίζονται σε πολύ καλά δομημένο λογισμικό. 2

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.3.1 ΔΙΑΣΤΡΩΜΑΤΩΣΗ Τα δίκτυα οργανώνονται σε μια σειρά από στρώματα (layer) ή επίπεδα (level). Το κάθε στρώμα χτίζεται πάνω στο κατώτερό του. Σκοπός του στρώματος είναι να παρέχει υπηρεσίες στα ανώτερα στρώματα αποδεσμεύοντας τα έτσι από την υλοποίηση διεργασιών για την ικανοποίηση των προσφερόμενων υπηρεσιών. Ο αριθμός των στρωμάτων, τα ονόματά τους, το περιεχόμενο τους και οι προσφερόμενες υπηρεσίες διαφέρουν από δίκτυο σε δίκτυο ανάλογα με τις ανάγκες και το σχεδιαστή. Το στρώμα n του ενός υπολογιστικού συστήματος διεξάγει συζήτηση με το αντίστοιχο στρώμα n του άλλου συστήματος. Οι κανόνες και οι συμβάσεις που χρησιμοποιούνται στη συζήτηση αυτή συλλογικά ονομάζονται πρωτόκολλο (protocol) στρώματος. Πρωτόκολλο είναι μια συμφωνία ανάμεσα στα επικοινωνούντα μέρη που καθορίζει το πώς θα συνεχιστεί η επικοινωνία. Μεταξύ γειτονικών στρωμάτων υπάρχει μια διεπαφή (interface) που καθορίζει τις στοιχειώδεις λειτουργίες και υπηρεσίες που παρέχει το στρώμα στο ανώτερό του. Στην πραγματικότητα δε μεταβιβάζονται δεδομένα απευθείας μεταξύ των ομότιμων στρωμάτων. Τα δεδομένα μαζί με τις πληροφορίες ελέγχου μεταβιβάζονται από κάθε στρώμα στο αμέσως κατώτερό του μέχρι να φτάσουν στο κατώτατο στρώμα κάτω από το οποίο βρίσκεται το φυσικό μέσο (physical medium) μέσω του οποίου γίνετε η πραγματική επικοινωνία. Το φυσικό μέσο μπορεί να είναι διπλαγωγοί, ομοαξονικό καλώδιο, οπτικές ίνες ή ακόμα και ο αέρας. Τα ενεργά στοιχεία ενός στρώματος καλούνται οντότητες (entities). Οι οντότητες μπορεί να είναι οντότητες λογισμικού, όπως για παράδειγμα μια διεργασία, ή οντότητες υλικού, όπως για παράδειγμα ένα chip. Οι οντότητες των ίδιων στρωμάτων σε διαφορετικά υπολογιστικά συστήματα καλούνται ομότιμες οντότητες (peer entities). 3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.3.2 ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Όπως είπαμε κάθε στρώμα παρέχει υπηρεσίες στα ανώτερά του. Οι υπηρεσίες διατίθενται στα Σημεία Πρόσβασης Υπηρεσίας SAP (Service Access Point). Δηλαδή τα SAP του στρώματος n είναι τα σημεία όπου το στρώμα n+1 έχει πρόσβαση στις προσφερόμενες υπηρεσίες. Κάθε SAP προσδιορίζεται από μια μοναδική διεύθυνση. Για να αλλάξουνε δύο γειτονικά στρώματα πληροφορίες πρέπει να έχει συμφωνηθεί ένα σύνολο κανόνων σχετικά με τη διεπαφή. Η Μονάδα Δεδομένων Υπηρεσίας SDU (Service Data Unit) είναι η πληροφορία που μεταδίδεται μεταξύ των ομότιμων οντοτήτων. Η οντότητα ενός στρώματος προκειμένου να μεταφέρει την SDU την τεμαχίζει σε τμήματα, όπου στο κάθε τμήμα επισυνάπτεται μια επικεφαλίδα και στέλνεται ως ξεχωριστή Μονάδα Δεδομένων Πρωτοκόλλου PDU (Protocol Data Unit), όπως για παράδειγμα ένα πακέτο. Οι επικεφαλίδες των PDUs χρησιμοποιούνται από τις ομότιμες οντότητες για να φέρουν σε πέρας οι τελευταίες το δικό τους ομότιμο πρωτόκολλο. Οι επικεφαλίδες αυτές καθορίζουν ποιες PDUs περιέχουν δεδομένα, ποιες πληροφορίες ελέγχου κ.ο.κ. Σχήμα 1.1 Διαδικασία μεταφοράς δεδομένων 4

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα στρώματα μπορούν να παρέχουν δύο τύπους υπηρεσιών προς τα αμέσως ανώτερά τους, τις υπηρεσίες με σύνδεση (connection oriented service) και τις υπηρεσίες χωρίς σύνδεση (connectionless service). Για να χρησιμοποιήσει μια υπηρεσία δικτύου με σύνδεση ο χρήστης πρώτα εγκαθιστά μια σύνδεση, τη χρησιμοποιεί και μετά την απολύει. Το ουσιώδες χαρακτηριστικό μιας σύνδεσης είναι ότι λειτουργεί σαν ένας σωλήνας, ο πομπός σπρώχνει (στέλνει) αντικείμενα (bit) από τη μια πλευρά και ο δέκτης τα λαμβάνει από την άλλη με την ίδια σειρά. Αντίθετα στην υπηρεσία χωρίς σύνδεση κάθε μήνυμα μεταφέρει την πλήρη διεύθυνση προορισμού και διακινείται στο δίκτυο ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα. Κάθε υπηρεσία μπορεί να χαρακτηριστεί από την ποιότητα υπηρεσίας QoS (Quality of Service). Έτσι υπάρχουν αξιόπιστες, αναξιόπιστες υπηρεσίες κτλ. 1.3.3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ OSI Το μοντέλο αναφοράς OSI (Open System Interconnection) αποτελεί μια πρόταση που ανέπτυξε ο Οργανισμός Διεθνών Προτύπων ISO(International Standards Organization) ως ένα πρώτο βήμα της προσπάθειας διεθνούς προτυποποίησης των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται στα διάφορα στρώματα. Το όνομά του το οφείλει στο γεγονός ότι αναφέρεται σε ανοιχτά συστήματα, δηλαδή σε συστήματα ανοιχτά στην επικοινωνία με άλλα συστήματα. Αποτελείται από εφτά στρώματα. Το μοντέλο OSI δεν αποτελεί αρχιτεκτονική δικτύου από μόνο του γιατί δεν προδιαγράφει ακριβώς τις υπηρεσίες και τα πρωτόκολλα που πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε κάθε στρώμα. Καθορίζει απλώς τι πρέπει να κάνει το κάθε στρώμα. Τα εφτά στρώματα του μοντέλου OSI με τη σειρά από το ανώτατο προς το κατώτατο είναι το στρώμα εφαρμογής (application layer), το στρώμα παρουσίασης (presentation layer), το στρώμα συνόδου (session layer), το στρώμα μεταφοράς (transport layer), το στρώμα δικτύου (network 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ layer), το στρώμα ζεύξης δεδομένων (data link layer) και το φυσικό μέσο (physical layer). Παρακάτω θα αναφέρουμε λίγα λόγια για τα δύο κατώτερα στρώματα, το φυσικό στρώμα και το στρώμα ζεύξης δεδομένων που είναι απαραίτητα για την κατανόηση του προτύπου IEEE 802.16 που θα μας απασχολήσει. 1.3.3.1 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ (PHYSICAL LAYER) Το φυσικό στρώμα αναφέρεται στη μετάδοση ακατέργαστων bit μέσω ενός επικοινωνιακού καναλιού. Τα θέματα της σχεδίασης σχετίζονται με το ότι όταν η μία πλευρά στέλνει το bit 1 η άλλη πλευρά λαμβάνει το bit 1 και όχι το bit 0. Τυπικά ερωτήματα που απασχολούν το φυσικό στρώμα είναι το πόσα volt απαιτούνται για τη μετάδοση του bit 1, πόσα για τη μετάδοση του bit 0, πόσα μικροδευτερόλεπτα διαρκεί ένα bit, κατά πόσο μπορεί να διεξάγεται επικοινωνία και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, πως εγκαθίσταται η αρχική σύνδεση και πως απολύεται όταν τελειώσουν και οι δύο πλευρές. Γενικά τα προβλήματα σχεδίασης στο φυσικό στρώμα αφορούν τα ηλεκτρικά, μηχανικά χαρακτηριστικά, τις διεργασίες στις διεπαφές καθώς και το φυσικό μέσο μετάδοσης που τοποθετείται κάτω από αυτό. 1.3.3.2 ΣΤΡΩΜΑ ΖΕΥΞΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (DATA LINK LAYER) Το κύριο καθήκον του στρώματος ζεύξης δεδομένων είναι να μετατρέπει το αναξιόπιστο μέσο μετάδοσης σε μία γραμμή που εμφανίζεται στο υπερκείμενο στρώμα δικτύου σαν ελεύθερη από σφάλματα μετάδοσης. Εκπληρώνει το καθήκον του βάζοντας τον πομπό να τεμαχίζει τα δεδομένα εισόδου σε πλαίσια δεδομένων (data frames) λίγων εκατοντάδων ή χιλιάδων byte και κατόπιν να τα μεταδίδει είτε μόνα τους είτε κωδικοποιημένα με 6

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ κάποιο κώδικα διόρθωσης λαθών. Αφού το φυσικό στρώμα στέλνει και λαμβάνει απλά ένα συρμό bit χωρίς να το απασχολεί η σημασία τους ή η δομή τους, είναι δουλειά του στρώματος ζεύξης δεδομένων να δημιουργεί και να αναγνωρίζει τα πλαίσια δεδομένων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί επισυνάπτοντας ακολουθίες bit στην αρχή και στο τέλος του πλαισίου. Τα δίκτυα εκπομπής έχουν ένα πρόσθετο πρόβλημα στο στρώμα ζεύξης δεδομένων που είναι ο έλεγχος πρόσβασης στο κοινό δίαυλο. Ένα υπόστρωμα του στρώματος ζεύξης δεδομένων, το υπόστρωμα ελέγχου προσπέλασης στο μέσο μετάδοσης MAC (Medium Access Control) ασχολείται με το πρόβλημα αυτό. 1.3.3.3 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΛΗΨΗΣ ΣΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ OSI Στο σχήμα 1.2 απεικονίζεται ένα παράδειγμα του πως μπορούν να μεταδοθούν δεδομένα στο μοντέλο αναφοράς OSI. Η διεργασία αποστολέα έχει κάποια δεδομένα που θέλει να στείλει στη διεργασία παραλήπτη. Η διεργασία αποστολής δίνει τα δεδομένα στο στρώμα εφαρμογής. Αυτό με τη σειρά του αφού έχει τη δυνατότητα να βάλει κάποια επικεφαλίδα στα δεδομένα ή να τα μετατρέψει τα στέλνει στο αμέσως κατώτερο του στρώμα, το στρώμα παρουσίασης. Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι τα νέα πλέον δεδομένα να φτάσουν στο φυσικό στρώμα και κατόπιν να μεταδοθούν από το φυσικό μέσο μετάδοσης. Η μηχανή παραλήπτη παραλαμβάνει τα δεδομένα και τα οδηγεί στο φυσικό στρώμα (του παραλήπτη). Στη συνέχεια τα μηνύματα αυτά ανέρχονται σταδιακά τα στρώματα του παραλήπτη όπου τους αφαιρούνται διαδοχικά οι επικεφαλίδες μέχρι να φτάσουν στη διεργασία του παραλήπτη. Η βασική ιδέα σε όλη αυτή τη διαδικασία είναι ότι παρόλο που η μετάδοση των δεδομένων γίνεται κάθετα τα στρώματα προγραμματίζονται ως εάν αυτή ήταν οριζόντια. Για παράδειγμα όταν το στρώμα μεταφοράς αποστολέα λαμβάνει δεδομένα από το στρώμα συνόδου, επισυνάπτει μια 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ επικεφαλίδα μεταφοράς και τα στέλνει στο στρώμα μεταφοράς παραλήπτη. Από τη δική του οπτική γωνία το γεγονός ότι πρέπει να μεταδώσει τα δεδομένα στο δικό του στρώμα δικτύου αποτελεί μια ασήμαντη τεχνική λεπτομέρεια. Τα παραπάνω απεικονίζονται στο σχήμα 1.2. Σχήμα 1.2 Μοντέλο αναφοράς OSI και διαδικασία μεταφοράς 1.4 ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Η εποχή μας έχει δημιουργήσει μια γενιά ατόμων εξαρτημένων από την πληροφορία. Γι αυτούς τους κινητούς χρήστες οι διπλαγωγοί, τα ομοαξονικά καλώδια και οι οπτικές ίνες είναι άχρηστα. Έχουν ανάγκη να πάρουν τη δόση δεδομένων για τους διαφόρων ειδών υπολογιστές τους, επιγονάτιο (laptop), επιπαλάμιο (palmtop), σημειωματάριο (notebook), τσέπης (shirt pocket) ή ρολογιού (wristwatch) χωρίς να είναι αλυσοδεμένοι με την επίγεια επικοινωνιακή υποδομή. Γι αυτούς τους χρήστες η λύση είναι η ασύρματη επικοινωνία. Οι ασύρματες επικοινωνίες έχουν πλεονεκτήματα ακόμα και για ορισμένες σταθερές συσκευές σε ορισμένες περιπτώσεις. Έτσι για την 8

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ κάλυψη περιοχών όπου είναι πρακτικά αδύνατη η καλωδίωση λόγω της μορφολογίας του εδάφους οι ασύρματες τεχνολογίες δίνουν λύση. Είναι γνωστό ότι όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται δημιουργούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται στο χώρο. Με τη σύνδεση κεραίας κατάλληλου μεγέθους σε ηλεκτρικό κύκλωμα παράγονται και διαδίδονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα που μπορούν να παραληφθούν από κάποιον δέκτη (κεραία) σε κάποια απόσταση. Σε αυτή τη φιλοσοφία στηρίζονται οι ασύρματες τεχνολογίες. Ένα ασύρματο δίκτυο δεν χρησιμοποιεί καλώδια για τις συνδέσεις των υπολογιστών. Αντί του καλωδίου χρησιμοποιείται μετάδοση μέσω ειδικά διαμορφωμένων οπτικών, υπέρυθρων ή ακόμα και ραδιοκυματικών σημάτων. Όπως είναι γνωστό ο αριθμός των ανά δευτερόλεπτο ταλαντώσεων του ηλεκτρομαγνητικού κύματος λέγεται συχνότητα f του κύματος. Η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων στο κενό είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός c και αυτή προσδιορίζεται περίπου στα 8*10 8 m/sec. Στο χαλκό και στις οπτικές ίνες η ταχύτητα διάδοσης πέφτει περίπου στα 2/3 αυτής της τιμής. Στον πίνακα 1.2 φαίνονται οι ζώνες (bands) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Συχνότητα Χαρακτηρισμός HZ 10 4-10 8 Ραδιοσυχνότητες 10 8-10 11 Μικροκύματα 10 11-10 14 Υπέρυθρη ακτινοβολία 10 14-10 16 UV 10 16-10 22 Ακτίνες Χ >10 22 Ακτίνες γάμα Πίνακας 1.2 Ζώνες ηλεκτρομαγνητικού φάσματος 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ποσότητα πληροφορίας που μπορεί να μεταφέρει ένα κύμα σχετίζεται με το εύρος ζώνης του. Επίσης όσο μεγαλύτερη είναι η ζώνη τόσο υψηλότερος είναι και ο ρυθμός δεδομένων. Παράλληλα όμως πρέπει να υπάρχει σεβασμός προς το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και να μη γίνεται αλόγιστη χρήση του. Για το λόγο αυτό έχουν οριστεί αρμόδιες αρχές σε κάθε κράτος που διαμοιράζουν το φάσμα στους χρήστες. 1.5 ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟΤΗΤΑ Τα τελευταία χρόνια όλο και περισσότερο αναφέρεται ο όρος ευρυζωνικότητα. Ο όρος αυτός σχετίζεται με τις ηλεκτρονικές επικοινωνίες και είναι πολύ ευρύς, με την έννοια ότι περιλαμβάνει και αποδίδεται και σε πολλές έννοιες άσχετες με τεχνολογικά ζητήματα. Συνήθως μιλάμε για ευρυζωνικές συνδέσεις αναφερόμενοι σε τηλεπικοινωνιακές συνδέσεις χρηστών που χαρακτηρίζονται από υψηλή ταχύτητα, συνεχούς σύνδεσης (always-on) και αμφίδρομης κατεύθυνσης (συνήθως). Οι συνδέσεις αυτές μπορούν να υποστηρίξουν τη χρήση εφαρμογών με απαιτήσεις υψηλών ρυθμών μετάδοσης. Η ευρυζωνική πρόσβαση, υπό την στενή έννοια, ταυτίζεται με την ικανότητα μεταφοράς μεγάλου όγκου πληροφορίας μεταξύ των επικοινωνούντων συστημάτων και των τελικών χρηστών με έμφαση στην δυνατότητα συνεχούς σύνδεσης με παρόχους πολυμεσικού περιεχομένου και την μετάδοση στον βρόχο πρόσβασης (last mile) καλής ποιότητας διαδραστικού video. Προϋποθέτει πολιτικές και οικονομικές συνθήκες που διασφαλίζουν την επεκτασιμότητα, κλιμάκωση και βιωσιμότητα υποδομών και υπηρεσιών, με απαραίτητο όρο την ύπαρξη δικτυακών υποδομών κορμού υπερ-υψηλών ταχυτήτων και αντίστοιχου όγκου, ενδιαφέροντος και οικονομικής αξίας διακινούμενης πληροφορίας. Οι τεχνολογίες που βασίζονται στη μετάδοση δεδομένων κάνοντας χρήση συγκεκριμένων μέσων όπως είναι ο χαλκός και ο αέρας (π.χ. ADSL, Wireless LAN), παρά το γεγονός ότι σήμερα επιτυγχάνουν σχετικά 10

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης έχουν αναγνωρισμένα όρια όσο αναφορά τις πιθανές μελλοντικές αναβαθμίσεις τους, λόγω της φύσης του μέσου μετάδοσης. Θα πρέπει όμως να λαμβάνονται υπόψη, δεδομένου ότι μπορούν να αξιοποιηθούν ως ενδιάμεσοι σταθμοί για την επίτευξη ευρυζωνικής πρόσβασης. Για το λόγο αυτό γίνεται μια προσπάθεια εύρεσης ενός σημείου αναφοράς των τεχνολογιών αυτών σε σχέση με τις δυνατότητες των ευρυζωνικών δικτύων. Το πιο επαναστατικό χαρακτηριστικό των ευρυζωνικών δικτύων είναι η εξάλειψη σημαντικών παραγόντων αποκλεισµού μεγάλων ομάδων πληθυσμού και περιοχών της χώρας όπως της απόστασης και του χρόνου. Η εγκατάσταση ευρυζωνικών υποδομών μπορεί να λειτουργήσει ευεργετικά στη γεφύρωση του ψηφιακού χάσματος, κυρίως σε απομακρυσμένες και λιγότερο ανεπτυγμένες περιοχές, οι οποίες συνήθως είναι αυτές που αντιμετωπίζουν τους πιο έντονους τεχνολογικούς αποκλεισμούς. Ευρυζωνικά δίκτυα και υπηρεσίες είναι αυτά που σε κάθε εποχή είναι σε θέση να εγγυηθούν την απροσδόκητη και διαφανή πρόσβαση όλων των πολιτών στην πληροφορία και τα συστήματα επικοινωνίας, ώστε να ικανοποιήσουν και να εκπληρώσουν τις διάφορες ανάγκες τους. Η ευρυζωνικότητα δεν κάνει αναφορά σε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά δικτύου, συγκεκριμένη τεχνολογία μετάδοσης και επιπρόσθετα δεν προσδιορίζεται συγκεκριμένος ρυθμός μετάδοσης πάνω από τον οποίο ένα δίκτυο χαρακτηρίζεται ευρυζωνικό. 11

2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 2.1 IEEE Το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) είναι ένας οργανισμός που αποτελεί τον παγκόσμιο οδηγό για την ανάπτυξη της τεχνολογίας. Τα πεδία στα οποία δραστηριοποιείται ποικίλουν από αεροδιαστημικά συστήματα, υπολογιστές και τηλεπικοινωνίες μέχρι βιοιατρική κ.α. Το ΙΕΕE αποτελεί τον ηγέτη της ανάπτυξης προτύπων (standards) που υποστηρίζουν πολλές από τις τεχνολογικές εφαρμογές. Τα πρότυπα αναπτύσσονται σε ένα μοναδικό περιβάλλον απόλυτης ομοφωνίας κάτω από ανοιχτές διαδικασίες στις οποίες μετέχουν όλοι οι εμπλεκόμενοι. Έτσι λοιπόν το ΙΕΕΕ σήμερα μετρώντας περίπου 1300 πρότυπα αποτελεί βασική πηγή αυτών τόσο για παραδοσιακά όσο και για ανερχόμενα τεχνολογικά πεδία όπως οι τηλεπικοινωνίες, η πληροφορική, η παραγωγή ισχύος κ.α. 2.2 ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ ΠΡΟΤΥΠΩΝ IEEE 802 Το IEEE παρήγαγε πρότυπα για την λειτουργία τοπικών LAN (Local Area Network) και μητροπολιτικών δικτύων MAN (Metropolitan Area Network). Τα πρότυπα αυτά είναι συνολικά γνωστά ως IEEE 802. Έχουν γίνει αποδεκτά από την ISO ως διεθνή πρότυπα, γνωστά ως ISO 8802. Τα πρότυπα χωρίζονται σε τμήματα καθένα από τα οποία κυκλοφορεί ως ξεχωριστό βιβλίο. Το πρότυπο IEEE 802.1 κάνει μια εισαγωγή στην ομάδα των προτύπων και προσδιορίζει τα στοιχεία υπηρεσίας στις διεπαφές. Το πρότυπο IEEE 802.2 περιγράφει το άνω μέρος του στρώματος ζεύξης δεδομένων, το οποίο χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο 12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 Έλεγχος Λογικής Σύνδεσης LLC (Logical Link Control. Τα πρότυπα IEEE 802.3 έως 802.5 εξηγούν τα τρία πρότυπα των LAN, το CSMA/CD, την αρτηρία με σκυτάλη και το δακτύλιο με σκυτάλη αντίστοιχα. Το τμήμα ΙΕΕΕ 802.11 Wireless LAN αναφέρεται σε τοπικά ασύρματα δίκτυα. Ακόμα το ΙΕΕΕ 802.15 Wireless PAN (Personal Area Network) σε ασύρματα δίκτυα προσωπικής χρήσης, όπως για παράδειγμα το Bluetooth. Τέλος το πρότυπο IEEE 802.16 Wireless MAN αναφέρεται σε ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα. Υπάρχουν και άλλα πρότυπα της οικογένειας ΙΕΕΕ 802 όπως το 802.17 και το 802.20. Κάθε πρότυπο καλύπτει τα πρωτόκολλα του φυσικού στρώματος και του υποστρώματος MAC (σχήμα 2.1) του μοντέλου αναφοράς OSI. Σχήμα 2.1 Οικογένεια προτύπων ΙΕΕΕ 802 2.3 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE 802.16 Το ΙΕΕΕ 802.16 δημοσιεύτηκε τον Απρίλιο του 2002. Προσδιορίζει την ασύρματη επικοινωνία σε μητροπολιτικά δίκτυα, σταθερών συστημάτων ευρυζωνικής πρόσβασης, εξασφαλίζοντας υψηλού επιπέδου QoS. Μιλάμε για σταθερά συστήματα καθώς απαιτείται η εγκατάστασή τους σε σταθερά σημεία. Υποστηρίζει συνδέσεις κυρίως Point To Multipoint (PMP) χωρίς να αποκλείονται και οι Point To Point για backhaul συνδέσεις. Η ολοκλήρωση του πρώτου ΙΕΕΕ 802.16 χαιρετίζει μια εποχή όπου η ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση θα παίξει κυρίαρχο ρόλο στη σύνδεση χρηστών, είτε αυτοί είναι οικιακοί είτε βιομηχανίες με τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα κορμού. 13

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 Το πρότυπο αυτό σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί σε µία ευρεία ζώνη συχνοτήτων η οποία εκτείνεται από 2 ως 66 GHz. Υποστηρίζει ταχύτητες μετάδοσης ως και 70Mbps στον αέρα ενώ η πραγματική ταχύτητα στο Ethernet υπολογίζεται στα 50Mbps. Οι αποστάσεις που µμπορεί να καλυφθούν ξεπερνούν τα 50Km σε συνθήκες οπτικής επαφής. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε συνθήκες µη οπτικής επαφής φυσικά µε ρυθμούς µμετάδοσης πολύ χαμηλότερους των 50Mbps. Σχήμα 2.2 Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16 σε Point To Multipoint χρήση Υπάρχουν τα εξής υποπρότυπα ΙΕΕΕ 802.16 ΙΕΕΕ 802.16: Λειτουργεί σε ένα εύρος συχνοτήτων από 10-66GHz. Απαιτείται οπτική επαφή Line Of Sight (LOS). Η φιλοσοφία του στηρίζεται στη σύνδεση των σταθμών βάσης BS (Base Station) σε δημόσια δίκτυα. Οι σταθμοί βάσης εξυπηρετούν τους συνδρομητικούς σταθμούς SS (Subscriber Station). Οι σταθμοί βάσης και οι συνδρομητικοί σταθμοί είναι σταθεροί. Ένας συνδρομητικός σταθμός μπορεί να εξυπηρετεί είτε έναν χρήστη είτε μια βιομηχανία. Υποστηρίζει πολλαπλές υπηρεσίες με προτεραιότητα QoS. ΙΕΕΕ 802.16a: Ήρθε για να καλύψει την επικοινωνία χωρίς οπτική επαφή Non Line Of Sight (NLOS). Λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων από 2-11GHz. Σε αυτές τις συχνότητες συνήθως απαιτείται άδεια χρήσης από την αρμόδια αρχή που καθορίζει το 14

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 ηλεκτρομαγνητικό φάσμα σε κάθε χώρα. Το πρότυπο αυτό μπορεί να υποστηρίξει εκατοντάδες αν όχι χιλιάδες συνδρομητικούς σταθμούς ανά σταθμό βάσης. ΙΕΕΕ 802.16b: Χρησιμοποιεί τη ζώνη συχνοτήτων από 5-6GHz. Καλείται και WirelessHUMAN. Δεν απαιτείται αδειοδότηση για τη χρήση αυτής της ζώνης συχνοτήτων. Επιτρέπει την άμεση επικοινωνία ανάμεσα σε συνδρομητικούς σταθμούς. ΙΕΕΕ 802.16c: Όπως έχει ήδη αναφερθεί, στην αρχική του έκδοση το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16 λειτουργούσε στην ζώνη συχνοτήτων 10-66 GHz. Στις παραπάνω συχνότητες η επικοινωνία μεταξύ δύο σταθμών επιτυγχάνεται μόνο όταν οι σταθμοί αυτοί βρίσκονται σε συνθήκες οπτικής επαφής. Η παραπάνω διαδικασία περιγράφεται στο υποπρότυπο αυτό. ΙΕΕΕ 802.16d: Καθώς η πολυπλοκότητα των εφαρμογών που διαδίδονται πάνω από ένα ασύρματο δίκτυο ολοένα και αυξάνει, η ποιότητα υπηρεσίας πάνω από τέτοια δίκτυα γίνεται ένας πολύ καθοριστικός παράγοντας για την ποιότητα της επικοινωνίας. Για παράδειγμα, η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο απαιτεί από το δίκτυο συνθήκες πολύ χαμηλής καθυστέρησης μετάδοσης. Για αυτό το λόγο, προκειμένου να ικανοποιηθεί η ανάγκη για ποιότητα υπηρεσίας ορίστηκε το υποπρότυπο αυτό. ΙΕΕΕ 802.16-2004: Η άθροιση όλων των παραπάνω προτύπων ορίζει το υποπρότυπο αυτό. ΙΕΕΕ 802.16e: Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16-2004 ορίζει την επικοινωνία χρηστών οι οποίοι βρίσκονται μέσα σε ένα κελί το οποίο καλύπτεται από ένα σταθμό βάσης. Όταν κάποιος χρήστης κινηθεί σε περιοχή που βρίσκεται εκτός περιοχής κάλυψης του σταθμού βάσης η σύνδεση χάνεται. Το υποπρότυπο ΙΕΕΕ 802.16e εισάγει και περιγράφει την έννοια της κινητικότητας των χρηστών από ένα σταθμό βάσης σε άλλο (σχήμα 2.3). Στο υποπρότυπο αυτό ορίζεται ότι ένας κινητός 15

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 χρήστης μπορεί να συνεχίσει να εξυπηρετείται από το δίκτυο ακόμα και αν κινείται με ταχύτητες οι οποίες προσεγγίζουν τα 120 Km / h. Ωστόσο η παραπάνω τιμή είναι ενδεικτική - πειραματική, καθώς μέχρι τη στιγμής αυτή δεν υπάρχει κάποιο διαθέσιμο προϊόν στην αγορά συμβατό με το ΙΕΕΕ 802.16e υποπρότυπο που να πιστοποιεί την προαναφερθείσα τιμή. Σχήμα 2.3 Κινητικότητα χρηστών στο υποπρότυπο ΙΕΕΕ 802.16e ΙΕΕΕ 802.16j: Αναμένεται να δημοσιευτεί το Σεπτέμβριο του 2007 και θα αφορά τους συνδρομητικούς σταθμούς που λειτουργούν ως αναμεταδότες ΙΕΕΕ 802.16k: Αναμένεται να δημοσιευτεί το Μάρτιο του 2007 και θα έχει ως σκοπό την τροποποίηση του προτύπου ΙΕΕΕ 802.1D που ασχολείται με τη γεφύρωση για την αναγνώρισή του από το MAC του ΙΕΕΕ 802.16. Οι τεχνολογίες αυτές λειτουργούν συμπληρωματικά και όχι ανταγωνιστικά καλύπτοντας η κάθε μία τις εφαρμογές που μπορεί καλύτερα. 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 Υποπρότυπο 802.16 802.16a 802.16e Φάσμα 10-60GHz <11GHz <6GHz Συνθήκες LOS(μόνο) NLOS NLOS επικοινωνίας Ταχύτητα 32-134 Mbit/sec με εύρος καναλιού 28MHz >70Mbit/sec με εύρος καναλιού 20MHz >15Mbit/sec με εύρος καναλιού 5MHz Διαμόρφωση QPSK, 16 QAM, 64 QAM OFDM 256, OFDMA, 16 QAM, 64 QAM, QPSK, BPSK OFDM 256, OFDMA, 16 QAM, 64 QAM, QPSK, BPSK Κινητικότητα Σταθερά Σταθερά και φορητά Κινητικότητα, Roaming Εύρος διαύλου 20, 25, 28MHz Επιλογή από 1,25-20MHz με 16 υποκανάλια Επιλογή από 1,25-20MHz με 16 υποκανάλια Ακτίνα 1-3 μίλια 3-5 μίλια, με μέγιστο 1-3 μίλια κελιού βεληνεκές τα 30 μίλια υπό συνθήκες παροχής ισχύος και ενίσχυσης Πίνακας 2.1 Υποπρότυπα ΙΕΕΕ 802.16 Τυπικά, ένα σύστημα που χρησιμοποιεί το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16 αποτελείται από τα εξής μέρη: Ένας σταθμός βάσης BS: Ο σταθμός βάσης αποτελείται από τις ηλεκτρονικές εγκαταστάσεις και έναν πύργο IEEE 80216. Xαρακτηριστικά, ένας σταθμός βάσης μπορεί να καλύψει ακτίνα μέχρι 10 km. Θεωρητικά, ένας σταθμός βάσης μπορεί να καλύψει ακτίνα μέχρι 50 km, εντούτοις οι πρακτικές μελέτες το περιορίζουν σε περίπου 10 km. Οποιοσδήποτε ασύρματος 17

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 κόμβος μέσα στην περιοχή κάλυψης θα είναι σε θέση να έχει πρόσβαση στο Διαδίκτυο. Σχήμα 2.4 Τρόπος χρήσης του προτύπου ΙΕΕΕ 802.16 Ένας συνδρομητικός σταθμός SS: ο συνδρομητικός σταθμός και η κεραία θα μπορούσαν να είναι ένα αυτόνομο κιβώτιο ή μια κάρτα PCMCIA που βρίσκεται στο laptop ή τον υπολογιστή. Προαιρετικά ένας επαναλήπτης Repeater: Οι συσκευές που μπορούν να λειτουργήσουν με αυτό τον τρόπο χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν την κάλυψη από ένα σταθμό βάσης. Ο αναμεταδότης είναι ένας φτηνός και απλός τρόπος να αυξήσουμε την κάλυψη. Το μειονέκτημα των συσκευών αυτών είναι ότι δεν υπάρχει συμβατότητα ανάμεσα στις διάφορες υλοποιήσεις από διαφορετικούς κατασκευαστές και ότι το εύρος μειώνεται στο μισό αφού ο αναμεταδότης πρέπει να μοιράσει το χρόνο του για λήψη και επανεκπομπή της ίδιας πληροφορίας. 18

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 Διάφοροι σταθμοί βάσεων μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους μέσω backhaul συνδέσεων μικροκυμάτων μεγάλης ταχύτητας. Αυτό θα επέτρεπε την περιπλάνηση ενός συνδρομητή από έναν σταθμό βάσης σε μια άλλη περιοχή σταθμού βάσης, παρόμοια με την περιπλάνηση που επιτρέπεται από τις επιχειρήσεις κινητής τηλεφωνίας. Όπως έχουμε διαπιστώσει το ΙΕΕΕ 802.16 χρησιμοποιεί μικροκύματα για τη μετάδοση της πληροφορίας. Λόγω του εύρους ζώνης που χρησιμοποιείται πετυχαίνετε η ευρυζωνική πρόσβαση, δηλαδή υψηλές ταχύτητες, συνεχή και αξιόπιστη σύνδεση. Μπορεί να καλύψει πληθώρα υπηρεσιών όπως VoIP (Voice Over IP), ψηφιακό βίντεο, τηλεφωνία κτλ. Αποτελεί ένα πρότυπο που ανήκει στη δεύτερη γενιά, μετά το ΙΕΕΕ 802.11 που πετυχαίνει ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση BWA (Broadband Wireless Access). Σχήμα 2.5 ΙΕΕΕ 802.16 και ευρυζωνικότητα Θα πρέπει όμως να σημειώσουμε ότι η χρήση μικροκυμάτων προκαλεί προβλήματα. Έτσι λόγω του μικρού μήκους κύματος εμφανίζουν μεγάλη εξασθένηση στο νερό, δηλαδή σε βρόχινο περιβάλλον. Επίσης τα μικροκύματα μεταδίδονται σε ευθείες γραμμές και μπορούν να εστιασθούν. Όμως όσο καλή και αν είναι η εστίαση της δέσμης στον πομπό υπάρχει κάποια διεύρυνση στον αέρα. Έτσι κάποια κύματα μπορούν να 19

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.16 αντανακλασθούν στα χαμηλότερα στρώματα και να αργήσουν να φτάσουν στο δέκτη σε σχέση με τα απευθείας. Αυτή η διαφορά φάσης με τα απευθείας μπορεί να οδηγήσει στην εξουδετέρωση του σήματος. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως διάλειψη πολλαπλών διαδρομών (multipath fading). Παρακάτω θα δούμε πως αντιμετωπίζει το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.16 αυτές τις δυσκολίες. Στο σύστημα αναφοράς OSI, τα πρωτόκολλα των ανώτερων στρωμάτων, στρώμα δικτύου και πάνω, είναι ανεξάρτητα από την αρχιτεκτονική του δικτύου και μπορούν να εφαρμοστούν σε ποικιλία διεπαφών δικτύων. Συνεπώς η συζήτηση αναφορικά με τα πρωτόκολλα του προτύπου 802.16, τα οποία βασίζεται στο σύστημα αναφοράς OSI, αφορά τα δύο κατώτερα στρώματα, το φυσικό στρώμα (PHY) και το υπόστρωμα MAC µε επιλογές για συγκεκριμένες ρυθμίσεις. Σχήμα 2.6 Διαστρωμάτωση στο ΙΕΕΕ 802.16 Στα επόμενα κεφάλαια 3 και 4 θα αναφερθούμε στις προδιαγραφές του φυσικού στρώματος και του υποστρώματος MAC. 20

3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ 3.1 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Το φυσικό στρώμα θέτει τις προδιαγραφές για το μέσο μετάδοσης, τη ζώνη συχνοτήτων όπου λειτουργεί το πρότυπο και είναι υπεύθυνο για την κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση σημάτων, τη διαμόρφωση/σποδιαμόρφωση και την αποστολή/λήψη bit. Αρχικά το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16 χρησιμοποίησε ένα φυσικό επίπεδο που καθοριζόταν για λειτουργία στις συχνότητες από 10 έως 66GHz. Σε αυτή την περίπτωση ήταν απαραίτητο να ικανοποιείται η συνθήκη της οπτικής επαφής μεταξύ του σταθμού βάσης και του συνδρομητικού σταθμού. Δεδομένου ότι ικανοποιείται αυτή η συνθήκη η διαμόρφωση απλού φέροντος ήταν αρκετή για την αποστολή και λήψη του σήματος. Η προδιαγραφή αυτή καλείται Wireless MAN SC (Single Carrier). Στη συνέχεια το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16a υιοθέτησε μια ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας η οποία εκτείνεται από 2 ως 11 GHz και αυτή είναι η ζώνη συχνοτήτων που χρησιμοποιούν και τα προϊόντα τα οποία είναι διαθέσιμα στην αγορά σήμερα. Το κύριο πλεονέκτηµα της δεύτερης ζώνης λειτουργίας είναι ότι κάνει εφικτή την επικοινωνία σημείων τα οποία δεν βρίσκονται σε οπτική επαφή, κάτι που στις υψηλότερες συχνότητες δεν είναι εφικτό. Στο φυσικό επίπεδο ορίζονται τρεις προδιαγραφές διαμόρφωσης: WirelessMAN SC2: Χρησιμοποιεί διαμόρφωση μονού φέροντος. WirelessMAN OFDM: Χρησιμοποιεί ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex) σε 256 σημεία γρήγορου μετασχηματισμού Fourier FFT (Fast Fourier Transform). Αυτή η διαμόρφωση είναι αναγκαία για χρήση σε μη αδειοδοτημένες συχνότητες. 21

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ WirelessMAN OFDMA: Χρησιμοποιεί πολλαπλή πρόσβαση με ορθογώνια διαίρεση συχνότητας OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), με 2048 σημεία γρήγορου μετασχηματισμού Fourier. Αυτή που κυριάρχησε όμως είναι η WirelessMAN OFDM. Τους λόγους που οδήγησαν σε αυτό θα τους αντιληφθούμε στην επόμενη ενότητα όπου θα εξηγήσουμε τον τρόπο λειτουργίας της ορθογώνιας πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας. 3.2 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ OFDM To OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) χρησιμοποιεί πολλαπλά σήματα μεταφοράς σε διαφορετικές συχνότητες, στέλνοντας μερικά από τα bits σε κάθε κανάλι. Αυτό είναι παρόμοιο και με το FDM (Frequency Division Multiplex), μόνο που σε αυτήν την περίπτωση όλα τα υποκανάλια λαμβάνουν δεδομένα από μία πηγή. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μία ροή δεδομένων (stream) που λειτουργεί σε R bps και εύρος φάσματος ΝΔf, επικεντρωμένο στο f 0. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε όλο το εύρος για να στείλουμε την ροή δεδομένων, οπότε η διάρκεια κάθε bit θα ήταν 1/R. Η εναλλακτική λύση είναι να χωρίσουμε τη ροή δεδομένων σε Ν substreams, χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα από σειριακό σε παράλληλο. Κάθε substream λειτουργεί στα R/N bps και μεταδίδεται σε ξεχωριστή υπο-γραμμή, με απόσταση ανάμεσα σε γειτονικές γραμμές μετάδοσης ίση προς Δf. Τώρα η διάρκεια κάθε bit είναι N/R. Σε ένα κλασικό σύστημα παράλληλης μετάδοσης δεδομένων η συνολικά διαθέσιμη ζώνη συχνοτήτων διαιρείται σε N µη επικαλυπτόμενα υποκανάλια συχνοτήτων. Κάθε υποκανάλι διαμορφώνεται και από διαφορετικό σύμβολο και ακολούθως τα Ν υποκανάλια πολυπλέκονται στο πεδίο των συχνοτήτων. Η ιδέα που εισήγαγε το OFDM ήταν πρωτοποριακή 22

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ μιας και οδηγούσε στην εξοικονόμηση φάσματος. Πιο συγκεκριμένα, έκανε λόγο για χρήση επικαλυπτόμενων υποκαναλιών, που χαρακτηρίζονται από Σχήμα 3.1 Τεχνική OFDM την κοινή ιδιότητα της μεταξύ τους ορθογωνιότητας, γεγονός που οδηγεί στην αποφυγή ισοστάθμισης, την αντιμετώπιση θορύβου και εξασθένησης σήματος λόγω πολυδιόδευσης (multipath fading) καθώς και την πλήρη αξιοποίηση του διαθεσίμου φάσματος. Το σχήµα 3.2 αποδεικνύει τα ανωτέρω. Φαίνεται καθαρά η διαφορά μεταξύ των συμβατικών τεχνικών µε µη επικαλυπτόμενα υποκανάλια και του OFDM. Κατά αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται εξοικονόμηση εύρους φάσματος που αγγίζει κατά περίπτωση ακόμα και το 50%. Βέβαια οφείλουμε να εξασφαλίσουμε την όσο το δυνατόν μικρότερη παρεμβολή μεταξύ των υποφερουσών. 23

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Σχήμα 3.2 Διαμόρφωση μονής φέρουσας και OFDM Ένας από τους κυριότερους λόγους υιοθέτησης του OFDM ως του μοντέλου διαμόρφωσης για ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα είναι η μεγάλη αντοχή που επιδεικνύει σε περιβάλλοντα εξασθένησης σήματος και παρεμβολών. Σε συστήματα μονής φέρουσας ένας επίδοξος παρεµβολέας μπορεί να προκαλέσει ακόμα και την κατάρρευση μιας σύνδεσης, σε αντίθεση µε τα συστήματα πολλών φερουσών, όπου ένα μικρό µόνο ποσοστό των φερουσών θα επηρεαστεί. Μία από τις προτεινόμενες λύσεις για βέλτιστη αντιμετώπιση του προβλήματος είναι η χρήση Κώδικα Διόρθωσης Σφάλματος (Error Correction Coding). Σχήμα 3.3 (a) Συμβατική τεχνική πολλών φερουσών (b) OFDM 24

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Το OFDM έχει πολλά πλεονεκτήματα. Αρχικά, το ξεθώριασμα της συχνότητας επηρεάζει μόνο μερικά υποκανάλια και όχι ολόκληρο το σήμα. Εάν η ροή δεδομένων προστατεύεται από Κώδικα Διόρθωσης Σφαλμάτων αυτό το πρόβλημα μπορεί εύκολα να αντιμετωπιστεί. Το πιο σημαντικό είναι το ότι το OFDM ξεπερνά τα inter-symbol παράσιτα ISI (Inter-Symbol Interference) σε ένα περιβάλλον πολυδιόδευσης. To ISI έχει μεγάλο αντίκτυπο σε υψηλά bit rates επειδή η απόσταση ανάμεσα στα bits ή τα σύμβολα είναι μικρότερη. Με το OFDM το data rate μειώνεται σε παράγοντα Ν, και έτσι αυξάνεται ο χρόνος. Έτσι, εάν η περίοδος του συμβόλου είναι T s για το stream της πηγής, η περίοδος των σημάτων OFDM γίνεται NT s. Δηλαδή μειώνεται σημαντικά η επίδραση του ISI. Σχεδιαστικά, το Ν επιλέγεται έτσι ώστε το NT s να είναι σημαντικά μεγαλύτερο από την διάδοση καθυστέρησης στο κανάλι. Συνοπτικά, λοιπόν, τα σπουδαιότερα από τα πλεονεκτήματα χρήσης του OFDM είναι τα ακόλουθα : Το OFDM αντιμετωπίζει αποτελεσματικά το φαινόμενο της πολυδιόδευσης ενώ η πολυπλοκότητα ενός OFDM συστήματος είναι αισθητά μικρότερη από ένα σύστημα μονής φέρουσας µε χρήση ισοσταθµιστή, ο οποίος θα αναλαμβάνει το ίδιο έργο. Σε συστήματα όπου οι δίαυλοι μετάδοσης μεταβάλλονται πολύ αργά σε σχέση µε τη συχνότητα μετάδοσης των δεδομένων είναι εφικτή η αύξηση της χωρητικότητας µε την ανάλογη προσαρμογή της συχνότητας δεδομένων ανά υποφέρουσα σε σχέση πάντα και µε το λόγο σήματος προς θόρυβο SNR για το συγκεκριμένο κανάλι. Το OFDM είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στην παρεμβολή στενού φάσματος διότι τέτοιου είδους παρεμβολή επηρεάζει µόνο ένα μικρό ποσοστό των υποφερουσών. Υποστηρίζει NLOS συνδέσεις. 25

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ 3.3 ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Παράλληλα με το OFDM το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16 χρησιμοποιεί 8 διαφορετικούς τύπους διαμόρφωσης. Συνήθεις διαμορφώσεις είναι η QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), η BPSK (Binary Phase Shift Keying), η 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) και η 64- QAM. Το φυσικό στρώμα υποστηρίζει προσαρμοστική διαμόρφωση (Adaptive Modulation). Προσαρμόζει τη ποιότητα διαβάθμισης της ζεύξης ενώ προσφέρει το μέγιστο ρυθμό μετάδοσης για δεδομένα σενάρια ανάπτυξης. Επιλέγει τη διαμόρφωση ανάλογα με το λόγο σήματος προς θόρυβο SNR (Signal to Noise Ratio). Έτσι οι διαμορφώσεις QPSK και BPSK χρησιμοποιούνται για μακρινούς συνδρομητές, η διαμόρφωση 16-QAM για συνδρομητές που βρίσκονται σε μεσαία απόσταση και η διαμόρφωση 64-QAM για κοντινούς συνδρομητές (Σχήμα 3.3). Όσο πιο μακριά βρίσκεται ο συνδρομητής από τον σταθμό βάσης, τόσο πιο χαμηλός θα είναι ο ρυθμός μετάδοσης. Συνεπώς οι διαμορφώσεις BPSK και QPSK οι οποίες εξασφαλίζουν μεγάλη κάλυψη του συστήματος, χρησιμοποιούνται για συνδρομητές μακριά από τους σταθμούς βάσης, έχουν τον χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, ενώ η διαμόρφωση 64-QAM έχει τον υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης. Σχήμα 3.4 Προσαρμοστική διαμόρφωση ανάλογα με το SNR 26

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Ο Πίνακας 3.1 απεικονίζει τους τύπους διαμόρφωσης και κωδικοποίησης και τον ρυθμό μετάδοσης που πετυχαίνουν. Πίνακας 3.1 Τύποι διαμόρφωσης και ρυθμοί μετάδοσης Εξαιτίας της μεγάλης ποικιλίας τοπικών κανονισμών, κανένα πλάνο συχνότητας δεν έχει προσδιοριστεί για το πρότυπο. Κανένα σήμα δεν μπορεί να εξυπηρετήσει όλες τις περιπτώσεις. Έτσι λοιπόν το τυπικό εύρος φάσματος καναλιού στις Η.Π.Α. είναι 20 ή 25MHz ενώ στην Ευρώπη 28MHz. Στον πίνακα 3.2 απεικονίζεται ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων μαζί με τα μεγέθη των καναλιών σε 0.25 roll-off παράγοντα. Μέγεθος Ρυθμός Ρυθμός Ρυθμός Ρυθμός Προτεινόμενη Αριθμός Καναλιού GHz Συμβόλου MBd bit (Mbit/s) bit (Mbit/s) bit (Mbit/s) Διάρκεια Frame (ms) PSs/frame QPSK 16-QAM 64-QAM 20 16 32 64 96 1 4000 25 20 40 80 120 1 5000 28 22,4 44,8 89,6 134,4 1 5600 Πίνακας 3.2 Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων σε σχέση με τη διαμόρφωση και το εύρος καναλιού 27

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ 3.4 FORWARD ERROR CORRECTION FEC Ο FEC είναι ένας κώδικάς διόρθωσης λαθών που χρησιμοποιείται ευρύτατα στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα καθώς επιτρέπει τον παραλήπτη να διορθώσει τυχόν λάθη μετάδοσης από μόνος του χωρίς να ζητήσει επανεκπομπή. Αυτός είναι και ο λόγος που βρίσκει εφαρμογή στο φυσικό στρώμα του προτύπου ΙΕΕΕ 802.16. Υπάρχουν δύο κατηγορίες FEC, οι κώδικες block και οι κώδικες περιέλιξης. Ο πιο σημαντικός block κώδικας είναι ο Read-Solomon. Χρησιμοποιείται για κωδικοποίηση δεδομένων σταθερού μεγέθους. Τα δεδομένα μεταφέρονται σαν κωδικοποιημένα block. Ο αριθμός των m-bit συμβόλων σε κάθε κωδικοποιημένο bock είναι n=2 m -1. Στην περίπτωση του προτύπου ΙΕΕΕ 802.16 χρησιμοποιεί 2 8-1=255 σύμβολα για κάθε κωδικοποιημένο block. Για τη μεταφορά κρίσιμων δεδομένων όπως ο έλεγχος πλαισίων (frame control) και πληροφοριών της αρχικής πρόσβασης (initial access) ο Read-Solomon χρησιμοποιείται από κοινού με έναν κώδικα περιέλιξης. 3.5 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ-ΛΗΨΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Αφού περιγράψαμε κάποια βασικά στοιχεία που χαρακτηρίζουν το φυσικό στρώμα του ΙΕΕΕ 802.16 θα δούμε τώρα τη διαδικασία μετάδοσης και λήψης δεδομένων. Η διαδικασία αυτή απεικονίζεται στο Σχήμα 3.5. Αρχικά τα δεδομένα τυχαιοποιούνται randomized. Αυτό γίνεται για τη διαμόρφωση του φάσματος. Στη συνέχεια κωδικοποιούνται σε FEC blocks. Υπάρχει πιθανότητα το τελευταίο FEC block να μην είναι συμπληρωμένο. Τότε αυτό μπορεί να κοπεί με απόφαση του σταθμού βάσης. Κατόπιν προτάσσονται κάποια προθέματα και χαρτογραφούνται. Στη συνέχεια προσαρμόζεται το σήμα στην κύρια συχνότητα του καναλιού, διαμορφώνεται, και οδηγείται στην κεραία για μετάδοση με την 28

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ απαιτούμενη ισχύ. Ο δέκτης εκτελεί την ανάστροφη διαδικασία. Έτσι αρχικά αποδιαμορφώνει το σήμα, το αποχαρτογραφεί, το αποκωδικοποιεί και τέλος το απο-τυχαιοποιεί. Σχήμα 3.5 Διαδικασία μετάδοσης-λήψης δεδομένων Η κωδικοποίηση FEC μαζί με την εκάστοτε διαμόρφωση δημιουργούν ένα burst profile. Το φυσικό επίπεδο επιτρέπει την προσαρμοστική διαμόρφωση burst profile ανάλογα με τις συνθήκες της σύνδεσης. Χρησιμοποιείται μια τεχνική burst by burst για κάθε συνδρομητικό σταθμό. Με τη χρήση των προσαρμοστικών burst profiles επιτυγχάνεται περίπου ο διπλασιασμός της χωρητικότητας συνδρομητών που εξυπηρετούνται από κάποιο σταθμό βάσης. Εξ αιτίας της ύπαρξης των ποικίλων burst profiles το φυσικό επίπεδο υποστηρίζει τη χρήση έξυπνων κεραιών. Το burst profile που χρησιμοποιείται για την κατερχόμενη κίνηση αναφέρεται στο DIUC (Downlink Interval Usage Code) ενώ για την ανερχόμενη κίνηση στο UIUC (Uplink Interval Usage Code). Για τον τρόπο που γίνεται η αλλαγή από ένα burst profile μιας δυναμικότητας σε κάποιο άλλο θα ασχοληθούμε σε επόμενη παράγραφο. Η κίνηση δεδομένων από το σταθμό βάσης προς το συνδρομητικό σταθμό καλείται κατερχόμενη κίνηση (downlink) ενώ από το συνδρομητικό σταθμό προς το σταθμό βάσης ονομάζεται ανερχόμενη (uplink). Το φυσικό επίπεδο του IEEE 802.16 υποστηρίζει διαφορετική δομή για τα point-tomultipoint κανάλια κατερχόμενης κίνησης και τα multipoint-to-point 29

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ κανάλια ανερχόμενης κίνησης. Αυτές οι δομές αντικατοπτρίζουν τις διαφορετικές απαιτήσεις στις δύο κατευθύνσεις. Γενικά, τα περισσότερα συστήματα απαιτούν μεγαλύτερη χωρητικότητα σε ατομικούς συνδρομητές για να υποστηρίξουν ασύμμετρες συνδέσεις δεδομένων, όπως οι Web εφαρμογές στο Internet. Για την ανερχόμενη κατεύθυνση, καθώς υπάρχουν πολλοί συνδρομητές που ανταγωνίζονται για την διαθέσιμη χωρητικότητα, πρέπει να διευθετηθεί το ζήτημα της πρόσβασης. Το πρότυπο χρησιμοποιεί πλαίσια (frames) του 1ms. Το πλαίσιο διαιρείται σε διαστήματα PS (Physical Slots) για τις ανάγκες της κατανομής εύρους φάσματος και της αναγνώρισης της προσαρμοστικής διαμόρφωσης του φυσικού επιπέδου. Το PS αποτελείται από 4 διαμορφωμένα σύμβολα. Ανάλογα με τη διαμόρφωση αποτελείται από 1,2 ή 3 byte. Τα πλαίσια διαιρούνται σε subframe για τη μετάδοσή τους. Κάθε subframe περιλαμβάνει στην αρχή του έναν ελεγκτή πλαισίου (frame control), που περιέχει μηνύματα DL-MAP και UL-MAP. Αυτά περιλαμβάνουν πληροφορίες για το πότε θα γίνονται οι μεταβολές των burst profile στο φυσικό επίπεδο, καθώς και θα καθορίζουν τη διαμόρφωση του φάσματος στην ανερχόμενη κίνηση. Ο DL-MAP αποτελείται συνήθως από δύο FEC blocks. Πρέπει να σημειωθεί πως η πλαισίωση και η δημιουργία των UL- MAP και DL-MAP δεν πραγματοποιείται από το φυσικό στρώμα. Το φυσικό στρώμα απλά καθορίζει τις συνθήκες για αποτελεσματική μετάδοση. Τα αναφέρουμε εδώ για να κατανοήσουμε τις τεχνικές μετάδοσης που ακολουθούν. Υπάρχουν δύο βασικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων ή καλύτερα για την εκχώρηση του καναλιού: TDD (Time Division Duplex): Η ανερχόμενη και η κατερχόμενη κίνηση χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι. Ο χρόνος διαιρείται σε διαστήματα και το κάθε ένα αποδίδεται διαδοχικά στο downlink και στο uplink. Το χρονικό διάστημα που προσδίδεται είναι δυναμικό, δηλαδή μπορεί να μεταβληθεί ανάλογα με τις ανάγκες. 30

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Οι συνδρομητικοί σταθμοί δε μπορούν να αποστείλουν και να λάβουν συγχρόνως δεδομένα.(σχήμα 3.6) Σχήμα 3.6 Διαδικασία TDD FDD (Frequency Division Duplex): Η ανερχόμενη και η κατερχόμενη κίνηση πραγματοποιούνται σε διαφορετικά κανάλια. Γίνεται διαχωρισμός του διαθέσιμου καναλιού σε δύο τμήματα για την εξυπηρέτηση του uplink και του downlink. Υπάρχει δυνατότητα παράλληλης λήψης και αποστολής δεδομένων. Το πρότυπο υποστηρίζει τη χρήση half-duplex συνδρομητικών σταθμών οι οποίοι δεν μπορούν να στέλνουν και να λαμβάνουν συγχρόνως. Και οι δύο παραπάνω τεχνικές υποστηρίζουν διαμορφωμένα burst profiles όπου οι επιλογές κωδικοποίησης και διαμόρφωσης μπορούν να μεταβάλλονται δυναμικά. 3.5.1 DOWNLINK Το κατερχόμενο subframe ξεκινάει με το frame control που περιέχει το DL-MAP για το συγκεκριμένο frame καθώς και το UL-MAP για κάποια ανερχόμενη μετάδοση σε προσδιορισμένη στιγμή στο μέλλον. Ο DL-MAP 31

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ αναφέρει πότε θα πραγματωθούν οι διαμορφώσεις των burst profile στο φυσικό στρώμα. Στο downlink subframe αμέσως μετά το frame control υπάρχει το TDM (Time Division Multiplex) τμήμα. Τα δεδομένα παραλαμβάνονται από τους συνδρομητικούς σταθμούς, χρησιμοποιώντας τα διαπραγματευόμενα burst profile. Κάθε συνδρομητικός σταθμός μπορεί να ακούσει όλα τα burst profiles που είναι ίδιας ή μεγαλύτερης δύναμης από αυτό που έχει διαπραγματευτεί. Σχήμα 3.7 TDD downlink subframe Στα συστήματα που χρησιμοποιούν FDD αμέσως μετά από το TDM τμήμα πιθανώς να υπάρχει ένα TDMA κομμάτι το οποίο περιλαμβάνει ένα επιπλέον προοίμιο για κάθε νέο burst profile. Αυτό επιτρέπει την καλύτερη υποστήριξη half-duplex συνδρομητικών σταθμών. Σε ένα αποτελεσματικό FDD σύστημα που αποτελείται από πολλούς half-duplex συνδρομητικούς σταθμούς, πιθανόν κάποιοι να χρειάζεται να στέλνουν νωρίτερα απ ότι λαμβάνουν. Λόγω της half-duplex φύσης τους αυτό θα οδηγούσε στο να χάσουν το συγχρονισμό με το downlink. Το TDMA προοίμιο βοηθάει στην ανάκτηση του συγχρονισμού. 32

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Εξ αιτίας της δυναμικής, της κατανομής φάσματος, λόγω των διάφορων υπηρεσιών που απαιτούνται, η διάρκεια και η μίξη των διάφορων burst profiles καθώς και η παρουσία ή απουσία του TDMA τμήματος ποικίλουν δυναμικά από frame σε frame. Ένα τυπικό παράδειγμα downlink subframe σε σύστημα FDD που περιλαμβάνει TDMA τμήμα φαίνεται στο σχήμα 3.8. Σχήμα 3.8 FDD downlink subframe 3.5.2 UPLINK Σε αντίθεση με την κατερχόμενη κίνηση, ο UL-MAP καθορίζει ζώνες φάσματος για συγκεκριμένους συνδρομητικούς σταθμούς. Οι συνδρομητικοί σταθμοί μπορούν να στείλουν δεδομένα μέσω της ζώνης που τους καθορίστηκε χρησιμοποιώντας το burst profile που δείχνεται στο UIUC, που βρίσκεται στην αρχή του UL-MAP. Το uplink subframe πιθανώς να περιέχει και πληροφορίες για την ανταγωνιστική κατανομή για το σύστημα αρχικής πρόσβασης καθώς και για τις απαιτήσεις εύρους για broadcast ή multicast. Στο σχήμα 3.9 φαίνεται ένα τυπικό παράδειγμα uplink subframe. 33

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Σχήμα 3.9 Uplink subframe σε FDD και TDD συστήματα Τόσο στα FDD όσο και στα TDD συστήματα ο UL-MAP καθορίζει τις κατανομές όχι νωρίτερα από το επόμενο downlink subframe. O UP-MAP μπορεί να αρχίσει να κατανέμει στο τρέχον downlink subframe αφού ληφθούν υπόψη ο χρόνος διεξαγωγής μιας πλήρης διαδικασίας αποστολής frame καθώς και ο χρόνος της διεργασίας. Ο ελάχιστος χρόνος ανάμεσα στη λήψη και στην εφαρμογή του UL-MAP σε ένα FDD σύστημα απεικονίζεται στο σχήμα 3.10. Σχήμα 3.10 Ελάχιστος χρόνος εφαρμογής του UL-MAP σε FDD σύστημα Στον πίνακα 3.3 συνοψίζονται τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου 34

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ. Πίνακας 3.3 Χαρακτηριστικά φυσικού επιπέδου 3.6 ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΣΥΓΚΛΙΣΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ (TRANSMISSION CONVERGENCE SUBLAYER) Ανάμεσα στο φυσικό στρώμα και στο υπόσρωμα MAC υπάρχει το υπόστρωμα σύγκλισης μεταφοράς TC (Transmission Convergence Sublayer), όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.5. Αυτό το υπόστρωμα εκτελεί τη μετατροπή των διαφόρων μήκους PDUs σε σταθερού μήκους FEC blocks για κάθε burst profile. Το υπόστρωμα έχει ένα τάξης μεγέθους PDU για να συμπληρώσει το τρέχον FEC block. Ξεκινάει με ένα δείκτη ο οποίος δείχνει που ξεκινάει η επόμενη MAC PDU επικεφαλίδα εντός του FEC block. Αυτό φαίνεται στο σχήμα 3.11. Σχήμα 3.10 TC PDU 35

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Η μορφή του TC PDU επιτρέπει τον επανασυγχρονισμό του επόμενου MAC PDU στην περίπτωση που το προηγούμενο FEC block παρουσίασε λάθη. Χωρίς την ύπαρξη του υποστρώματος αυτού ο δέκτης συνδρομητικός σταθμός ή σταθμός βάσης θα έχανε ολόκληρο τμήμα του burst profile αν συνέβαινε κάποιο λάθος στο σχηματισμό του FEC block. 36

4 ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ MAC 4.1 ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ MAC (MEDIUM ACCESS CONTROL) Σε κάθε ασύρµατο δίκτυο είναι απαραίτητος ένας µηχανισµός ο οποίος να ελέγχει την πρόσβαση στο κοινό ασύρµατο µέσο. Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16 χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο MAC για να διευθετήσει τις ανάγκες τόσο των συνδρομητικών σταθμών όσο και των σταθμών βάσης για υψηλές ταχύτητες downlink και uplink. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε για να υποστηρίξει αρχιτεκτονική PMP. Οι αλγόριθμοι καθορισμού πρόσβασης και διαμερισμού του φάσματος πρέπει να ικανοποιούν τις ανάγκες εκατοντάδων τερματικών που μοιράζονται το ίδιο κανάλι, με κάθε τερματικό να αντιστοιχεί σε έναν ή περισσότερους τελικούς χρήστες. Οι υπηρεσίες που απαιτούνται από τους τελικούς χρήστες είναι ποικίλες ως προς τη φύση τους και περιλαμβάνουν υπηρεσίες υψηλών ταχυτήτων µε δεδοµένο SLA (Service Level Agreement), υπηρεσίες πραγµατικού χρόνου, οι οποίες όπως είναι γνωστό είναι ευαίσθητες στην καθυστέρηση, συνδεσιμότητα με IP, VoIP κτλ. Για να ικανοποιήσει αυτές τις υπηρεσίες πρέπει να προσφέρει συνεχή και μαζική κίνηση δεδομένων. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιεί ένα slotted TDMA πρωτόκολλο το οποίο εκτελείται στο σταθμό βάσης µε στόχο τη δέσµευση χωρητικότητας από το δίκτυο για τους χρήστες µιας PMP δοµής. Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16a υποστηρίζει πέρα από PMP και αρχιτεκτονική πλέγματος. Το MAC επίπεδο εκτελεί την τυποποιημένη λειτουργία ελέγχου παροχής μιας διεπαφής ανεξάρτητης του μέσου στο ΙΕΕΕ 802.16 φυσικό επίπεδο. Επειδή το φυσικό στρώμα του ΙΕΕΕ 802.16 είναι ένα ασύρματο επίπεδο, η κύρια εστίαση του επιπέδου MAC είναι να ρυθμιστούν οι πόροι της σύνδεσης κατά τρόπο αποδοτικό. Το 37

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ MAC επίπεδο MAC σχεδιάζει τη χρήση των πόρων σύνδεσης και παρέχει διάκριση στην ποιότητα υπηρεσιών (QoS). Εκτελεί λειτουργίες προσαρμογής συνδέσεων και αυτόματου αιτήματος επανάληψης ARQ (Automatic Repeat Request) για να διατηρήσει τα BER (Bit Error Rates) μεγιστοποιώντας την έξοδο δεδομένων. Το επίπεδο MAC χειρίζεται επίσης την είσοδο και έξοδο συνδρομητικών σταθμών από το δίκτυο κάτι που εκτελεί έργα δημιουργίας PDU. Όταν εγκαθιδρύεται μία σύνδεση, ο χρήστης και το υποδίκτυο, δηλαδή ο πελάτης και ο φορέας, συμφωνούν σε ένα συγκεκριμένο μοτίβο κίνησης για το κύκλωμα αυτό. Μερικές φορές αυτό ονομάζεται Συμφωνία Επιπέδου Υπηρεσιών ή SLA. Όσο ο πελάτης υπακούει στην συμφωνία, στέλνοντας πακέτα μόνο με βάση το συμφωνημένο συμβόλαιο, ο φορέας υπόσχεται να τα παραδίδει όλα εγκαίρως. Η μορφοποίηση κίνησης μειώνει την συμφόρηση και βοηθά έτσι τον φορέα να υλοποιήσει την υπόσχεσή του. Οι συμφωνίες αυτές δεν είναι τόσο σημαντικές για τις μεταφορές αρχείων, έχουν όμως μεγάλη σημασία για τα δεδομένα πραγματικού χρόνου, όπως τις συνδέσεις ήχου και βίντεο, όπου υπάρχουν αυστηρές απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσιών. Το πρωτόκολλο MAC μπορεί επίσης να υποστηρίξει διάφορα πρωτόκολλα των ανωτέρων επιπέδων όπως ATM (Asynchronous Transfer Mode) και packet-based πρωτόκολλα. Επίσης υποστηρίζει μηχανισμούς αιτήματος παραχώρησης (Request Grant) οι οποίοι είναι κλιμακωτοί, αποδοτικοί και έχουν ικανότητα αυτο-διόρθωσης. Έτσι ένα σύστημα ΙΕΕΕ 802.16 δεν χάνει την αποδοτικότητά του όταν υπάρχουν πολλοί χρήστες σε ένα τερματικό που απαιτούν διάφορα επίπεδα υπηρεσιών. Το MAC πρωτόκολλο έχει το πλεονέκτημα του πλήθους των μηχανισμών απαίτησης προσπαθώντας να ισορροπήσουν τη σταθερότητα των συστημάτων μη ανταγωνιστικής πρόσβασης με την αποδοτικότητα των συστημάτων που είναι ανταγωνιστικά προσανατολισμένα. Παρότι το πρωτόκολλο MAC ορίζει εκτεταμένες κατανομές φάσματος και υποστήριξη πολλών QoS, οι λεπτομέρειες της υλοποίησης 38