Δίκτυα Δεδομένων WiMAX

Μελέτη στα πλαίσια του μαθήματος [Enter Document «Ειδικά θέματα στα Δίκτυα» Title] Πανεπιστήμιο Πελοποννήσου Δίκτυα Δεδομένων WiMAX Δημητρακόπουλος Νικόλαος Παπαδημητρίου Αργύρης [ Ακαδημαϊκό έτος 2005-06] [ Διδάσκον: Απόστολος Γκάμας]

ΜΕΛΕΤΗ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ» Δίκτυα δεδομένων WiMAX Δημητρακόπουλος Νικόλαος Α.Μ. 2024200400010 e-mail nikosd@uop.gr Παπαδημητρίου Αργύρης Α.Μ. 2024200400034 e-mail pa34@uop.gr Απαγορεύεται η οποιαδήποτε αναδημοσίευση μέρους ή ολοκλήρου του παρόντος κειμένου, χωρίς την προηγούμενη έγγραφη άδεια των συγγραφέων

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 Πίνακας Περιεχομένων ΕΙΣΑΓΩΓΗ...4 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ WIMAX...4 1.1 Πρόλογος...4 1.2 Ιστορική Αναδρομή...5 1.3 Γενικά Χαρακτηριστικά...6 2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ...9 2.1 Προκλήσεις στο 802.11...9 2.2 Πλεονεκτήματα του 802.16...10 2.3 Τα πλεονεκτήματα της προτυποποίησης...10 2.4 Πρώτα συμπεράσματα και σύγκριση του 802.16 με άλλες τεχνολογίες...11 ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ 802.16...13 3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ...13 4 ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ (PHY)...14 4.1 WirelessMAN-SC PHY...14 4.2 WirelessMAN-SCa PHY...16 4.3 WirelessMAN-OFDM PHY...17 4.4 WirelessMAN-OFDMA PHY...20 4.5 WirelessMAN-HUMAN PHY...20 5 ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΜΕΣΟΥ (MAC)...21 5.1 Γενικά...21 5.2 Ασφάλεια (Security Sublayer)...22 5.2.1 Γενικά...22 5.2.2 Υποεπίπεδο Ασφάλειας...22 5.3 MAC Common Part Sublayer (MAC CPS)...23 5.3.1 Γενικά...23 5.3.2 MAC PDUs...24 5.3.3 Είσοδος χρήστη στο δίκτυο...24 5.3.4 Μηχανισμοί αίτησης και δέσμευσης πόρων (Bandwidth Request Bandwidth Allocation)...25 5.3.5 Scheduling Services...26 5.3.5.1 Unsolicited Grant Service (UGS)...26 5.3.5.2 Real-Time Polling Service (rtps)...27 5.3.5.3 Non-Real-Time Polling Service (nrtps)...27 5.3.5.4 Best Effort (BE) Service...27 5.3.6 QoS...27 5.3.6.1 Παροχή QoS (Provision)...28 5.3.6.2 Μηχανισμοί QoS...30 Classification...30 5.3.6.2.1...30 Πρόσβαση στο κανάλι...30 5.3.6.2.2...30 5.3.7 ARQ...32 5.3.8 Υποστηριζόμενες τοπολογίες...32 5.3.8.1 Σημείο προς πολλά σημεία (PMP)...32 5.3.8.2 Mesh...32 5.4 Υποεπίπεδο Σύγκλισης (CS)...33 6 MOBILE WIMAX (802.16E)...35 6.1 Εισαγωγή...35 6.2 Φυσικό Επίπεδο...37 6.2.1 OFDMA...37 6.2.2 Scalable OFDMA-SOFDMA...38 6.3 Τεχνικές μετάδοσης...38 6.4 Περιγραφή MAC επιπέδου...39 6.5 Αρχιτεκτονική...39 2

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...40 7 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ...40 7.1 Γενικά...40 7.2 Διεθνείς συνεργασίες...41 7.3 Το WiMAX στον κόσμο...41 7.3.1 2006...41 7.4 WiMAX στην Ελλάδα...43 8 ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ, ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...45 8.1 Χρησιμότητα...45 8.2 Συμπεράσματα...46 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...47 9 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ...47 10 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ...51 10.1 OFDM:...51 10.2 QAM modulations:...52 10.3 Interleaving στο OFDM...53 10.4 Automatic Repeat Request (ARQ)...53 10.5 Adaptive Antenna Systems (AAS) και συστήματα Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)54 11 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΜΕΛΗ ΤΟΥ WIMAX FORUM...57 12 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...58 3

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 Εισαγωγή 1 1 Εισαγωγή στο WiMAX Στην κούρσα που έχει επιβάλλει η σύγχρονη εποχή για καλύτερη ασύρματη πρόσβαση στον Ιστό, το WiMAX θα έκλεβε το χρυσό από το WiFi 1.1 Πρόλογος Μία σημαντική υπόσχεση της ασύρματης ευρυζωνικής δικτύωσης ήταν ότι θα παρέχει ασφαλή, γρήγορη και σχετικά φθηνή μετάδοση δεδομένων και υπηρεσιών καλύπτοντας μεγάλες περιοχές με επιχειρήσεις και οικιακούς χρήστες. Δυστυχώς όμως οι υποσχέσεις αυτές διαψεύσθηκαν στο πρόσφατο παρελθόν λόγω τόσο της ανωριμότητας των τρεχουσών τεχνολογιών όσο και του υψηλού κόστους του εξοπλισμού δικτύωσης. Το σκηνικό άρχισε να αλλάζει με τη δημοσίευση ενός νέου, περιεκτικού και βιομηχανικά τυποποιημένου προτύπου, το IEEE 802.16, που αντιπροσωπεύει μια συγχώνευση της πιο προηγμένης τεχνολογίας και τη δυνατότητα για διαλειτουργικότητα μεταξύ του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται. Έτσι η ασύρματη ευρυζωνικότητα έχει κερδίσει την ωριμότητα που έλλειπε στο παρελθόν και είναι έτοιμη για άμεση εφαρμογή σε κάθε μητροπολιτικό δίκτυο (MAN). Τα πρώτα τσιπ βασίζονται στα πρότυπα 802.16 έχουν αρχίσει να κυκλοφορούν από ένα σημαντικό αριθμό κατασκευαστών ημιαγωγών. Βέβαια θα περάσει κάποιος χρόνος μέχρι να εμφανιστούν μέσα σε ολοκληρωμένα συστήματα και να πιστοποιηθούν για τη συμμόρφωση και τη συμβατότητα με άλλα πρότυπα, αλλά ακόμη και τώρα μπορούμε να πούμε ότι η ασύρματη ευρυζωνικότητα φτάνει στο επίπεδο της πρόωρης ωριμότητας. Τέτοιες εξελίξεις θα παράσχουν τη βάση ώστε η ασύρματη ευρυζωνικότητα να καθιερώσει μια πραγματικά ανταγωνιστική παρουσία στην παγκόσμια αγορά, κάτι που μέχρι τώρα δεν έχει κατορθώσει να επιτύχει στο παρελθόν. Τεράστια άλματα έχουν γίνει στην ψηφιακή ραδιοτεχνολογία κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, που καταλήγουν στα πρότυπα 802.16, και η ασύρματη πρόσβαση έχει εξελιχθεί σε μια βιώσιμη ευρυζωνική τεχνολογία πρόσβασης, όπου μέχρι πριν τέσσερα χρόνια ήταν οριακή και στα πιο αισιόδοξα σενάρια. Σε πολλές περιπτώσεις, η ασύρματη ευρυζωνική σύνδεση μπορεί να είναι η προτιμώμενη τεχνολογία πρόσβασης προσφέροντας το χαμηλότερο κόστος σε αναλογία με την απόδοση, την ασφάλεια και την ταχύτητα υπηρεσιών. Ακόμα και σε αγορές που οι ενσύρματες ευρυζωνικές συνδέσεις προϋπάρχουν, απολαμβάνει ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα, καθώς παρέχει την δυνατότητα για κινητικότητα των χρηστών και φυσικά την ευελιξία που έχει μία ασύρματη σύνδεση. Το φυσικό επίπεδο είναι ένα μόνο μέρος του δικτύου υπηρεσιών και η επιμονή στην ασύρματη τεχνολογία, αγνοώντας τη γενική δικτυακή αρχιτεκτονική, έχει μικρό αποτέλεσμα. Το φυσικό 4

επίπεδο, το επίπεδο πρόσβασης, και τα άλλα επίπεδα υποστηρίζουν τελικά το επίπεδο εφαρμογών, και το ζήτημα που πρέπει πάντα να είναι στο μυαλό του διαχειριστή δικτύου είναι πώς οι εφαρμογές και οι υπηρεσίες που ζητούν οι χρήστες θα μπορούν να παρασχεθούν με το λιγότερο δυνατό κόστος.[apr05] Το WiMAX είναι μια τεχνολογία που βασίζεται στα πρότυπα 802.16 της IEEE και επιτρέπει ασύρματη μετάδοση στο τελευταίο μίλι του δικτύου, σαν εναλλακτική λύση στις ενσύρματες συνδέσεις και στην τεχνολογία DSL. Το WiMAX είναι σε θέση να παρέχει σταθερή, φορητή, και προσφάτως, κινητή ασύρματη ευρυζωνική σύνδεση, χωρίς να είναι απαραίτητη η άμεση οπτική επαφή με έναν σταθμό βάσης. Σε μια τυπική ακτίνα κυψελωτής κάλυψης που κυμαίνεται από τρία έως δέκα χιλιόμετρα, ο επίσημος εξοπλισμός, WiMAX Forum Certified, θα είναι σε θέση να παρέχει χωρητικότητα από 1 έως 70 Mbps ανά κανάλι, τόσο για τις σταθερές εφαρμογές όσο και για τις φορητές. Αυτό είναι αρκετό εύρος ζώνης για να υποστηρίξει ταυτόχρονα εκατοντάδες επιχειρήσεις με τη σύνδεση T1 και χιλιάδες οικιακούς χρήστες με συνδέσεις DSL. Αναμένεται ότι η τεχνολογία WiMAX θα ενσωματωθεί στους υπολογιστές και στους PDAs (υπολογιστές παλάμης) μέχρι το 2007, επιτρέποντας στις αστικές περιοχές και στις μικρότερες πόλεις να γίνουν ένα είδος μητροπολιτικών δικτύων για τη φορητή ευρυζωνική ασύρματη πρόσβαση. 1.2 Ιστορική Αναδρομή Τον Ιούλιο του 1999 η IEEE ξεκίνησε την ανάπτυξη του προτύπου IEEE 802.16. Αυτό, διευκρινίζει την διεπαφή WirelessMAN (Metropolitan Area Network) για ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα στο εύρος των συχνοτήτων από 10 έως 66 GHz. Το πρότυπο αυτό δημοσιεύτηκε στις 8 Απριλίου του 2002. Δημιουργήθηκε μέσω μίας ανοιχτής διαδικασίας, με την συνδρομή εκατοντάδων μηχανικών από τους μεγαλύτερους παγκοσμίως κατασκευαστές και εταιρίες. Το 2003, το πρότυπο 802.16 έγινε η πιο πολλά υποσχόμενη, ανερχόμενη τεχνολογία, σχετικά με ευρυζωνική δικτύωση υπολογιστών σε ασύρματο περιβάλλον. Το 802.16 ασχολείται με το κομμάτι που συχνά αναφέρεται από τους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους ως «πρώτο μίλι/τελευταίο μίλι» σε μητροπολιτικά δίκτυα. Εστιάζει δε στην αποτελεσματική χρήση του εύρους συχνοτήτων ανάμεσα στα 10 και στα 66 GHz. Επίσης ορίζει ένα επίπεδο ελέγχου πρόσβασης υλικού (MAC Media Access Control) το οποίο υποστηρίζει πολλαπλές υλοποιήσεις στο φυσικό επίπεδο, που εξειδικεύονται για το χρησιμοποιούμενο εύρος ζώνης. Το επίπεδο αυτό (MAC) επιτρέπει επίσης πολλαπλές παραμέτρους ποιότητας υπηρεσίας (QoS Quality Of Service) στον ίδιο σταθμό εξυπηρέτησης. Το πρότυπο 802.16a, που ξεκίνησε στις 30 Μαρτίου του 2000 και έγινε αποδεκτό στις 29 Ιανουαρίου του 2003, σχεδιάστηκε για να γίνει ένα πρότυπο για ασύρματα MAN/WAN (Metropolitan / Wide Area Network) από την αρχή ως το τέλος του. Προϊόντα που συμβαδίζουν με το πρότυπο αυτό που μπορούν να κάνουν χρήση των πλεονεκτημάτων της ποιότητας υπηρεσίας (QoS) που υποστηρίζεται, με υλοποιήσεις που χρησιμοποιούν Πολλαπλή Πρόσβαση Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiple Access) ή Πολλαπλή Πρόσβαση Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiple Access) σε αντίθεση με την προσέγγιση που χρησιμοποιείται συνήθως σε ενσύρματα περιβάλλοντα (CSMA/CA). Το πρότυπο 802.16a έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Είναι σχεδιασμένο για την ζώνη συχνοτήτων από 2 έως 11 GHz και υποστηρίζει τόσο ελεύθερες όσο και αδειοδοτούμενες ζώνες συχνοτήτων (σε αντίθεση με τον αρχικό σχεδιασμό του 802.16 που ήταν για τα 10-66GHz) Προσδιορίζει το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσου της ασύρματης διεπαφής για σταθερές συνδέσεις σημείου-με-πολλά σημεία (Point-to- Multipoint). 5

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 Προσδιορίζει προαιρετικά τοπολογίες τύπου mesh 1 για ευρυζωνικά ασύρματα συστήματα σε ελεύθερες ζώνες συχνοτήτων. Το πρότυπο 802.16 είναι ένα πραγματικά, παγκόσμιο πρότυπο. H ΙΕΕΕ το υποστηρίζει σε μία παγκόσμια βάση, όπως και ο οργανισμός ETSI με το HiperMan για Ευρωπαϊκές υλοποιήσεις. Οι αλλαγές που υιοθετούνται από οποιοδήποτε σώμα αντικατοπτρίζονται στις βασικές τεχνικές προδιαγραφές. Υποστηρίζεται παράλληλα από προσπάθειες που γίνονται από το WiMAX Forum. Ο εξοπλισμός που είναι βασισμένος στο πρότυπο 802.11 (WiFi ), όταν χρησιμοποιείται ως τεχνολογία για δίκτυα MAN ή WAN πιθανότατα δεν μπορεί να προσφέρει το βαθμό αξιοποίησης του εύρους ζώνης που παρέχεται αλλά επίσης ούτε και τις λειτουργίες διαχείρισης και ποιότητας υπηρεσίας (QoS) που προσφέρει ο αντίστοιχος εξοπλισμός που είναι βασισμένος σε 802.16. Τον Ιούνιο του 2004, η οργανισμός προτυποποίησης της IEEE (IEEE-SA, Standards Association) ανακοίνωσε την επίσημη έκδοση ενός νέου προτύπου, του 802.16-2004, το οποίο αναθεωρεί και αντικαθιστά τα 802.16, 802.16a και 802.16REVd. Αυτή η ανακοίνωση σηματοδότησε ένα νέο κομβικό σημείο για την ανάπτυξη του προτύπου αυτού καθώς και των τεχνολογιών που προταθήκαν από το WiMAX Forum. Ένα σημείο κλειδί είναι ότι το 802.16-2004 βοηθάει να ξεκαθαριστεί το πρότυπο για την ευρύτερη βιομηχανία, περιλαμβάνοντας τελικούς χρήστες αλλά και παρόχους. Έτσι μετά από αυτό ξεκινάει μία νέα φάση όπου πλέον αναμένονται προϊόντα βασισμένα σε αυτήν την τεχνολογία με κόστος, πανομοιότυπο με αυτό των προϊόντων που είναι βασισμένα στο 802.11 αλλά και παρεμφερή χρόνο αποδοχής της νέας αυτής τεχνολογίας (περίπου δύο με τρία χρόνια). Το νεότερο μέλος της οικογένειας προτύπων 802.16 είναι το 802.16e ή αλλιώς mobile WiMAX. Αυτό αναφέρεται για υλοποιήσεις δικτύων με κυψέλες και ασχολείται κυρίως με θέματα κινητικότητας χρηστών. [RC1] 1.3 Γενικά Χαρακτηριστικά Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16 όπως αναφέρθηκε, σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί σε μια ευρεία περιοχή συχνοτήτων η οποία εκτείνεται από 2 ως 66 GHz και υποστηρίζει ταχύτητες ασύρματης μετάδοσης ως και 70Mbps. Μια σημαντική διαφορά του προτύπου IEEE 802.16 σε σχέση µε το 802.11 είναι ότι το πρώτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε συνθήκες που δεν υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ σταθμού και χρήστη, φυσικά µε ρυθμούς μετάδοσης χαμηλότερους των 70Mbps. Το WiMAX σχεδιάστηκε κατά βάση ώστε να καλύπτει κυρίως συνδέσεις σημείου προς πολλά σημεία χωρίς ωστόσο να αποκλείεται και η χρήση του για συνδέσεις σημείου προς σημείο καθώς και τοπολογίες mesh. Η διαμόρφωση η οποία κυρίως χρησιμοποιείται είναι η OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Πρόκειται για μια πολύ ανθεκτική διαμόρφωση σε ότι αφορά φαινόμενα εξωτερικών παρεμβάσεων ειδικότερα στις συχνότητες άνω των 2 GHz όπου το πρότυπο χρησιμοποιεί. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά του προτύπου είναι η υποστήριξη QoS, έξυπνων-προσαρμοστικών κεραιών (Adaptive Antenna System AAS), υποστήριξη για διαφορετικούς τύπους δικτύων (ATM, Ethernet, PPP κ.λ.π.) για καλύτερη διασυνδεσιμότητα κ.α. 1 Mesh: Η δικτύωση πλέγματος είναι ένας τρόπος να καθοδηγηθούν τα στοιχεία, η φωνή και οι οδηγίες μεταξύ των κόμβων. Επιτρέπει τις συνεχείς συνδέσεις και τον επαναδρομολόγηση γύρω από τις σπασμένες ή παρεμποδισμένες συνδέσεις, κάνοντας "hopping" από κόμβο σε κόμβο έως ότου προσεγγιστεί ο προορισμός. Ένα δίκτυο πλέγματος οι του οποίου όλοι οι κόμβοι συνδέονται ο ένας με τον άλλον είναι ένα πλήρως συνδεδεμένο δίκτυο. Η δικτύωση πλέγματος είναι μια υποκατηγορία της ad-hoc δικτύωσης [WP1] 6

Τυπικά, ένα σύστημα WiMAX αποτελείται από δύο μέρη: Ένας σταθμός βάσης WiMAX: Ο σταθμός βάσης αποτελείται από τις ηλεκτρονικές εγκαταστάσεις και έναν πύργο WiMAX. Χαρακτηριστικά, ένας σταθμός βάσης μπορεί να καλύψει ακτίνα μέχρι 10 χλμ (θεωρητικά, ένας σταθμός βάσης μπορεί να καλύψει ακτίνα μέχρι 50 χλμ, εντούτοις οι πρακτικές μελέτες το περιορίζουν σε περίπου 10 χλμ). Οποιοσδήποτε ασύρματος κόμβος μέσα στην περιοχή κάλυψης θα είναι σε θέση να έχει πρόσβαση στο Διαδίκτυο. Ένας δέκτης WiMAX: ο δέκτης και η κεραία θα μπορούσαν να είναι ένα αυτόνομο κιβώτιο ή μια κάρτα PCMCIA που βρίσκεται στο laptop ή τον υπολογιστή σας. Η πρόσβαση στο σταθμό βάσης WiMAX είναι παρόμοια με στην πρόσβαση ενός ασύρματου σημείου πρόσβασης σε ένα δίκτυο WiFi, αλλά η κάλυψη είναι μεγαλύτερη. Διάφοροι σταθμοί βάσεων μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους μέσω backhaul συνδέσεων μικροκυμάτων μεγάλης ταχύτητας. Αυτό θα επέτρεπε την περιπλάνηση ενός συνδρομητή WiMAX από έναν σταθμό βάσης σε μια άλλη περιοχή σταθμού βάσης, παρόμοια με την κινητή τηλεφωνία.[ππ1] Τα τερματικά, δηλαδή οι χρήστες του δικτύου μπορούν να χωριστούν ως εξής: Σταθερά Τερματικά: Το πρότυπο 802.16-2004 (που αντικατέστησε το 802.16a και το 802.16REVd) είναι σχεδιασμένο για συνδέσεις σταθερής πρόσβασης. Αναφέρεται και ως «σταθερό ασύρματο» ( fixed wireless ) γιατί χρησιμοποιεί κεραίες που είναι τοποθετημένες στον χώρο του συνδρομητή. Η κεραία είναι τοποθετημένη στην οροφή του κτηρίου ή σε κάποιον ιστό, όπως και συμβαίνει και με τα δορυφορικά πιάτα που χρησιμοποιούνται για την δορυφορική τηλεόραση. Στο 802.16-2004 προβλέπονται επίσης και εσωτερικές εγκαταστάσεις, οι οποίες όμως ενδεχομένως να μην είναι το ίδιο αποδοτικές. Βλέπουμε έτσι ότι το πρότυπο αυτό παρέχει μία αξιόπιστη λύση για παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών στο τελευταίο μίλι του δικτύου, έχοντας την δυνατότητα να είναι μία εναλλακτική, ασύρματη τεχνολογία σε σχέση με τις καλωδιακές και xdsl γραμμές καθώς και με τις γραμμές οπτικών ινών. Η λύση της Intel WiMAX χρησιμοποιεί τις ζώνες συχνοτήτων των 2.4, 3.5 και 5.8GHz. Έτσι, υποστηρίζονται τόσο οι ελεύθερες ζώνες όσο και οι δεσμευμένες. 7

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 Φορητά Τερματικά: Για τα φορητά τερματικά είναι υπεύθυνο ένα νέο πρότυπο, το 802.16e, το οποίο είναι μία προσθήκη στο ήδη υπάρχον 802.16-2004. Σκοπός του είναι η προσθήκη φορητότητας και η δυνατότητα για άμεση σύνδεση φορητών συσκευών στο WiMAX δίκτυο. Χρησιμοποιεί την OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), παρόμοια με την OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing), δηλαδή ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, αλλά εξελιγμένη αφού επιπλέον, «ομαδοποιεί» τις φέρουσες σε υποκανάλια. Έτσι ένας χρήστης μπορεί να εκπέμπει χρησιμοποιώντας ένα μέρος των υποκαναλιών, ή όλα ταυτόχρονα. [ΙΝ1] 8

2 Πλεονεκτήματα και προκλήσεις 2.1 Προκλήσεις στο 802.11 Οι συνήθεις δικτυακές τοπολογίες που χρησιμοποιούνται στο 802.11 και έχουν να κάνουν με το «τελευταίο-μίλι» ή με κάλυψη τύπου hot-spot χρησιμοποιούν είτε κατευθυντικές κεραίες, είτε τοπολογίες τύπου mesh. Το WiFi παρέχει πιστοποίηση για επικοινωνίες «πελάτη-σημείου πρόσβασης» (client-to-access point). Όμως, οι υλοποιήσεις που έχουν να κάνουν με επικοινωνία σημείου πρόσβασης με σημείο πρόσβασης (AP-to-AP) και σημείου πρόσβασης με πάροχο υπηρεσιών (AP-to-service provider),δηλαδή συνδέσεις κορμού που τυπικά είναι απαραίτητες για την σύνδεση με το τελευταίο κομμάτι του δικτύου, είναι βασισμένες σε μη ανοικτά πρότυπα 1, κάτι που σημαίνει ότι έχουν λίγη έως καθόλου διαλειτουργικότητα. Ακριβώς επειδή το 802.11 σχεδιάστηκε για απελευθερώσει τις τοπικές συνδέσεις από την ανάγκη ύπαρξης ενσύρματου δικτύου, όπως στα γνωστά, τοπικά δίκτυα Ethernet, οι τοπολογίες που έχουν να κάνουν με κάλυψη μεγαλύτερης περιοχής αντιμετωπίζουν τις εξής προκλήσεις: Μη προτυποποιημένη επικοινωνία μεταξύ των σημείων πρόσβασης (Access Point) Σήμερα, οι ασύρματες ζεύξεις που χρησιμοποιούνται για την διασύνδεση των σημείων πρόσβασης σε τοπολογίες δικτύου τύπου mesh εξαρτώνται άμεσα από την εκάστοτε υλοποίηση του κατασκευαστή. Αυτό εκτιμάται ότι θα αλλάξει (για τα δίκτυα που είναι βασισμένα στο 802.11) το 2007 με την έλευση του προτύπου 802.11s. Ποιότητα Υπηρεσίας (QoS) Ο όρος QoS αναφέρεται στην δυνατότητα του δικτύου να παρέχει καλύτερες υπηρεσίες σε επιλεγμένα είδη κίνησης. Ο στόχος του QoS είναι δίνουν προτεραιότητα σε υπηρεσίες πραγματικού χρόνου καθώς και σε διαδραστικές υπηρεσίες, οι οποίες έχουν αυξημένες ανάγκες σε εύρος ζώνης, καθυστέρηση και διακύμανση καθυστέρησης, ενώ ταυτόχρονα να μην καταρρέει η υπόλοιπη κίνηση του δικτύου. Γενικότερα, σε ζώνες συχνοτήτων που είναι ελεύθερες προς χρήση χωρίς αδειοδότηση, υπάρχουν προβλήματα στην εφαρμογή Ποιότητας Υπηρεσίας, αφού η υλοποίηση ενός ασύρματου δικτύου (deployment) είναι ανοιχτή και ελεύθερη για όλους. Υψηλά κόστη διασυνδέσεων με το δίκτυο κορμού. Οι διασυνδέσεις αυτές αναφέρονται στο κομμάτι που ενώνει το Σημείο Πρόσβασης (AP) με το δίκτυο κορμού του τηλεπικοινωνιακού παρόχου. Για την διασύνδεση των ασύρματων κόμβων, οι πάροχοι βασίζονται ακόμα, ως ένα μεγάλο βαθμό, σε ενσύρματα δίκτυα. Από την άλλη, αυτό το είδος των διασυνδέσεων για μεγάλες αποστάσεις, είναι εξαιρετικά ακριβό. Περιορισμένες υπηρεσίες Χωρίς την υποστήριξη για QoS, υπηρεσίες όπως φωνή (για παράδειγμα Voice over IP VoIP), είναι εξαιρετικά πιθανό να έχουν μειωμένη ποιότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να είναι δύσκολη 1 Proprietary: Στη βιομηχανία υπολογιστών, η ιδιοκτησία είναι το αντίθετο ανοικτού λογισμικού. Ένα ιδιόκτητο σχέδιο ή μια τεχνική είναι ένα που την κυριότητα την έχει μία επιχείρηση. Επίσης υπονοεί ότι η επιχείρηση δεν έχει αποκαλύψει τις προδιαγραφές που θα επέτρεπαν σε άλλες επιχειρήσεις για να αναπαραγάγουν το προϊόν. Όλο και περισσότερο, οι ιδιόκτητες αρχιτεκτονικές αναφέρονται ως μειονέκτημα. Οι καταναλωτές προτιμούν τις ανοικτές και τυποποιημένες αρχιτεκτονικές, οι οποίες επιτρέπουν σε αυτούς να συνδυάσουν και να ταιριάξουν προϊόντα από τους διαφορετικούς κατασκευαστές. 9

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 η εμπορική χρήση τους, παρότι το εύρος των νεότερων ασύρματων τεχνολογιών είναι αρκετά μεγάλο. Αυτή τη στιγμή οι μόνες υλοποιήσεις που προσφέρονται για QoS είναι ιδιόκτητες. Παρά τις προκλήσεις που υπάρχουν αυτή την στιγμή και αναφέρθηκαν προηγουμένως τα ασύρματα δίκτυα χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο για τους εξής λόγους: Οι ασύρματες λύσεις που είναι διαθέσιμες σήμερα, όπως υλοποιήσεις mesh τοπολογιών, έχουν μικρότερο κόστος και είναι πιο ευέλικτες από ότι οι ενσύρματες Οι λύσεις αυτές παρέχουν μία προτυποποιημένη σύνδεση μεταξύ των Σημείων Πρόσβασης (AP) και των χρηστών του δικτύου σε hot-spot σημεία Οι πάροχοι ασύρματων υπηρεσιών διαδικτύου (Wireless Internet Service Providers WISPs) μπορούν να προσφέρουν ευρυζωνικές υπηρεσίες σε γεωγραφικά απρόσιτες περιοχές όπως επαρχίες, ύπαιθρο, ημιαστικές περιοχές κ.λ.π. Οι τοπικές διοικήσεις (Δήμοι, Κοινότητες, Νομαρχίες κ.λ.π.) μπορούν να προσφέρουν δωρεάν πρόσβαση για επιχειρήσεις ή υπηρεσίες επείγουσας ανάγκης (Αστυνομία, Πυροσβεστική, κ.λ.π.) Εκπαιδευτικά και επιστημονικά ιδρύματα μπορούν να παρέχουν δικτυακές υπηρεσίες στους σπουδαστές, καθηγητές αλλά και στην ευρύτερη κοινότητα 2.2 Πλεονεκτήματα του 802.16 Εγγενής υποστήριξη για Ποιότητα Υπηρεσίας (QoS) Υψηλή απόδοση Προτυποποιημένο Υποστήριξη για έξυπνες κεραίες Υποστήριξη backbone συνδέσεων 1 Νέα τεχνολογία με ολοένα αυξανόμενη υποστήριξη από τους κατασκευαστές αλλά και από την επιστημονική κοινότητα 2.3 Τα πλεονεκτήματα της προτυποποίησης Σύμφωνα με το WiMAX Forum, τα πλεονεκτήματα αυτών των προτύπων για τους κατασκευαστές, προμηθευτές αλλά και για την κοινότητα των χρηστών είναι πολυάριθμα. Μερικά είναι τα εξής [IN1]: Μεγαλύτερος αριθμός προϊόντων από τους κατασκευαστές μέσω προτυποποιημένων εξαρτημάτων για αποτελεσματικότερη παραγωγή 1 Backbone network: Ένα δίκτυο κορμού είναι το κορυφαίο επίπεδο ενός ιεραρχικού δικτύου υπολογιστών. Συνδέεται με τους κόμβους σε χαμηλότερα επίπεδα στην ιεραρχία. Τα δίκτυα κορμού υπάρχουν συχνά απλώς για να παρέχουν τη συνδεσιμότητα μεταξύ των χαμηλότερων δικτύων. Τις πρώτες ημέρες του Διαδικτύου, ένα ενιαίο δίκτυο κορμού υπήρξε υπό την μορφή πρώτα του ARPANET και αργότερα του NSFNET. Όλα τα άλλα δίκτυα συνδέθηκαν με ένα άλλο μέσω του δικτύου κορμού του Διαδικτύου, και οι πληροφορίες δρομολόγησης μεταξύ του κορμού και των άλλων δικτύων μεταβιβάστηκαν μέσω του εξωτερικού πρωτοκόλλου πυλών (EGP). Σήμερα, δεν υπάρχει ένα μεμονωμένο δίκτυο κορμού για το Διαδίκτυο. Μάλλον, κάθε φορέας παροχής υπηρεσιών Διαδικτύου έχει το δίκτυο κορμού του, και ανταλλάσσει την κυκλοφορία με άλλα δίκτυα με συμφωνίες διέλευσης.[wp2] 10

Λιγότερες διαφοροποιήσεις ανάμεσα στα προϊόντα που έχουν ένα κοινό σύνολο από λειτουργίες και χαρακτηριστικά Συμβατότητα του εξοπλισμού από κάποιον κατασκευαστή με διαφορετικές γενιές συστημάτων Μικρότερο ρίσκο, χαμηλότερο κόστος και μεγαλύτερη απόσβεση της επένδυσης Γρηγορότερη και φθηνότερη πρόσβαση σε ένα μεγαλύτερο εύρος, υψηλής ποιότητας, υπηρεσιών Σημαντική αύξηση των προοπτικών ανάπτυξης ευρυζωνικών ασύρματων δικτύων σε αγορές με μικρή μέχρι στιγμής διείσδυση. Ισάξια ποιότητα με τις υπηρεσίες που προσφέρονται μέσω χαλκού ή οπτικών ινών Εγγυημένη ελάχιστη απόδοση Σταθερά επίπεδα ποιότητας ροής για φωνή, video και δεδομένα. 2.4 Πρώτα συμπεράσματα και σύγκριση του 802.16 με άλλες τεχνολογίες Σύμφωνα με τα πρότυπα της ΙΕΕΕ, το WiMAX φαίνεται να συμπληρώνει το WiFi, με την επέκταση της παροχήq κάλυψης σε μια μεγαλύτερη γεωγραφική περιοχή. Η τεχνολογία WiFi σχεδιάστηκε και βελτιστοποιήθηκε για τοπικά δίκτυα (LAN), ενώ το WiMAX φαίνεται να είναι καταλληλότερο για εφαρμογή σε μητροπολιτικά δίκτυα κάνοντάς τα πιο ευέλικτα και χρήσιμα (ΜΑΝ). Έτσι, μέχρι σήμερα το WiFi επέτρεπε την πρόσβαση στο Internet σε πολύ μικρή εμβέλεια γύρω από hotspots, όπως αεροδρόμια, συνεδριακοί χώροι ή ξενοδοχεία. Αντίθετα, το WiMAX θα είναι σε θέση να κάνει το ίδιο σε εμβέλεια ολόκληρης πόλης, τα κτήρια της οποίας θα καλύπτουν με το σήμα τους οι ISPs. Το WiMAX θα χρησιμοποιείται για την παροχή υπηρεσιών ευρυζωνικής πρόσβασης στο Internet σε τελικούς χρήστες, με εξοπλισμό ιδιαίτερα εύκολο στην εγκατάσταση. Με τον ίδιο τρόπο που σήμερα εγκαθιστά κανείς στον υπολογιστή του μια κάρτα δικτύωσης WiFi, μελλοντικά θα εγκαθιστά μια κάρτα WiMAX η οποία θα του επιτρέπει να χρησιμοποιήσει από τον οικιακό του χώρο (και όχι μόνο) τις ασύρματες υπηρεσίες που παρέχουν οι ISP. Αναλογιζόμενοι το γεγονός ότι στη σύγχρονη εποχή τα ασύρματα δίκτυα έχουν γίνει απαραίτητα στην καθημερινότητά μας, γίνεται σαφές ότι το WiMAX και το WiFi είναι συμπληρωματικές τεχνολογίες και θα συνεχίσουν να συνυπάρχουν στο κοντινό μέλλον. Τυπικά το WiMAX δεν σχεδιάστηκε με την προοπτική να αντικαταστήσει το WiFi. Η ευρεία διαθεσιμότητα των ενσωματωμένων προτύπων 802.11b/g/a σε φορητές συσκευές, πχ laptop, παρέχει μια συνεχώς αυξανόμενη βάση για τους χρήστες του WiFi. Το WiMAX Forum προσδοκά ότι θα υπάρξουν τρία στάδια μέχρι την ενσωμάτωση κατάλληλου εξοπλισμού στις περισσότερες ασύρματες συσκευές και θα ολοκληρωθούν μέχρι το τέλος του 2007. Έτσι αναμένεται ότι για ακόμα λίγα χρόνια θα συνυπάρχουν οι διάφορες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σήμερα όπως WiFi / WiMAX ή πιο πολύπλοκα WiFi / WiMAX / Cellular. Δεδομένου ότι τα πρότυπα WiMAX αυξάνονται και συνεχίζουν να κερδίζουν την αποδοχή όλο και περισσότερων χρηστών και να οδηγούν σε συνεχείς μειώσεις του κόστος των chipsets, αρχίζουν να ενσωματώνονται και να λειτουργούν σε πιο πολύπλοκες πλατφόρμες. Έτσι το WiMAX αρχίζει να ξεφεύγει από τα στενά όρια ενός MAN δικτύου και να εξαπλώνεται μέσω 11

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 όλο και περισσότερων hotspots σε μεγάλες εκτάσεις εξυπηρετώντας διάφορες κατηγορίες χρηστών. Αυτό σημαίνει ότι οι χρήστες WiMAX σε μερικά χρόνια θα είναι σε θέση όχι μόνο να έχουν πρόσβαση σε WiFi hotspots από μια καφετερία αλλά θα μπορούν επίσης να έχουν κινητή πρόσβαση μέσω WiMAX σε μια πιο ευρεία περιοχή. Εντούτοις, άλλα πρότυπα τεχνολογίας PAN, όπως το Bluetooth και το Ultra wideband που προσφέρουν τις υπηρεσίες τους σε δίκτυα μικρής κάλυψης, θα αναπτυχθούν και θα ενσωματώσουν chipsets που θα τους επιτρέπουν να μεταδίδουν δεδομένα με την ίδια ευκολία, αλλά όχι και με την ταχύτητα που μεταδίδουν τα ασύρματα κυψελωτά δίκτυα και τα νέα WiMAX δίκτυα. Τα νέα πρότυπα WiMAX αποτελούν ένα μέρος του πολύ φωτεινού οράματος του ευρυζωνικού ασύρματου μέλλοντος όπου η ευελιξία στις νέες συνθήκες και η ταχύτητα παίζουν σημαντικό ρόλο. Όμως πέρα από το βασικό αντίπαλο του WiMAX, το WiFi, υπάρχουν και τεχνολογίες που εξυπηρετούν άλλες ανάγκες ασύρματης μετάδοσης. Κάποιες από αυτές παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα συγκρίνοντας ορισμένους παράγοντες όπως: ταχύτητα μετάδοσης, περιοχή κάλυψης, συχνότητες λειτουργίας, διαθεσιμότητα και εταιρείες που παρέχουν αυτές τις τεχνολογίες. Μελετώντας τον πίνακα αυτόν βλέπουμε ότι η τεχνολογία που αναμένεται να υπερισχύσει έναντι των εναλλακτικών είναι το WiMAX, μιας και παρέχει τους πιο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και έχει αρκετά μεγαλύτερη εμβέλεια. Στις μέρες µας όμως, το πρότυπο ασύρματης δικτύωσης που είναι ευρέως διαδεδομένο είναι το ΙΕΕΕ 802.11. 12

Το πρότυπο 802.16 2 3 Μοντέλο Αναφοράς Η ΙΕΕΕ με την εισαγωγή της σειράς προτύπων 802 δίνει βάση στα δύο χαμηλότερα επίπεδα του OSI, στο φυσικό στρώμα (PHY) και στο MAC (Medium Access Control). Έτσι και το 802.16 που αναφέρεται στο WiMAX αναλύει αυτά τα δύο επίπεδα. Οι καινοτομίες που έλαβαν χώρα στα δύο παραπάνω στρώματα σε σχέση µε το πρότυπο 802.11 είναι σημαντικές. Κύριος σκοπός των αλλαγών αυτών είναι η δημιουργία ενός νέου προτύπου που θα μπορούσε να καλύψει τα κενά που αφήνει ο προκάτοχος του (ΙΕΕΕ 802.11) και ταυτόχρονα να κάνει πραγματικότητα την ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση. Μοντέλο Αναφοράς του 802.16 Στο εικόνα μπορούμε να δούμε το μοντέλο αναφοράς για το πρότυπο 802.16. Βλέπουμε ότι προδιαγράφονται δύο βασικά επίπεδα, το φυσικό (PHY) που είναι υπεύθυνο για την μετάδοση των δεδομένων στον ασύρματο δίαυλο και ότι αυτό απαιτεί (όπως κωδικοποίηση, διαμόρφωση, μετάδοση, λήψη κ.λ.π.) και το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC), το οποίο υποδιαιρείται σε τρία υποεπίπεδα, το υποεπίπεδο ασφάλειας, το MAC Common Part Sublayer (MAC CPS) και το Service-Specific Convergence Sublayer (CS). Το υποεπίπεδο ασφάλειας είναι υπεύθυνο για την πιστοποίηση, την ασφαλή ανταλλαγή κλειδιών και την κωδικοποίηση. Το MAC CPS είναι αυτό που προσφέρει την κύρια MAC λειτουργικότητα όπως είναι η πρόσβαση του συστήματος, η δέσμευση του απαραίτητου bandwidth, η εγκαθίδρυση μιας σύνδεσης και η συντήρησή της. Τέλος το ανώτερο επίπεδο, το CS, είναι υπεύθυνο για την επικοινωνία του συστήματος με άλλα συστήματα και πρωτόκολλα, δηλαδή έχει ουσιαστικά τον ρόλο του «μεταφραστή». 13

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 4 Φυσικό Επίπεδο (PHY) Το φυσικό επίπεδο του 802.16 είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να μπορεί να υποστηρίξει διαφορετικές τεχνολογίες και τύπους μετάδοσης, χωρίς να επηρεάζονται τα υψηλότερα από αυτό επίπεδα. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως το WiMAX λειτουργεί τόσο στην αδειοδοτούμενη περιοχή συχνοτήτων από 10-66GHz όσο και περιοχές κάτω των 11 GHz, αδειοδοτούμενες (όπως 3GHz) αλλά και ελεύθερες (όπως 2,4GHz και 5GHz). Αυτό δίνει το πλεονέκτημα της διαλειτουργικότητας στο 802.16 αφού έτσι ουσιαστικά δίνεται η δυνατότητα για την ύπαρξη ενός μεγάλου εύρους επιλογών από τον σχεδιαστή διαχειριστή του δικτύου καθώς και του κατασκευαστή. Οι διαφορετικές υλοποιήσεις για το φυσικό επίπεδο είναι οι εξής: WirelessMAN-SC WirelessMAN-SCa WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA WirelessHUMAN Συνοπτικά οι ιδιαιτερότητες και τα κύρια χαρακτηριστικά τους: Υλοποίηση Ζώνη Συχνοτήτων Λειτουργίες Duplexing WirelessMAN-SC 10-60GHz TDD FDD WirelessMAN-SCa WirelessMAN- OFDM WirelessMAN- OFDMA <11GHz αδειοδοτούμενες <11GHz αδειοδοτούμενες <11GHz αδειοδοτούμενες AAS ARQ STC AAS ARQ STC Mesh AAS ARQ STC WirelessHUMAN <11GHz ελεύθερες AAS ARQ STC Mesh Topology TDD FDD TDD FDD TDD FDD TDD 4.1 WirelessMAN-SC PHY Το όνομα του επιπέδου αυτού προκύπτει από το Single-Carrier modulation και όπως αναφέρθηκε το φυσικό αυτό επίπεδο λειτουργεί στις ζώνες από 10GHz έως 60GHz. Οι ζώνες αυτές παρέχουν ένα φυσικό περιβάλλον, το οποίο λόγω του μικρού μήκους κύματος, που απαιτεί οπτική επαφή πομπού με δέκτη (Line Of Sight LOS) και αμελητέο θόρυβο πολλαπλών διαδρομών (multipath interference). Στην ζώνη αυτή, το εύρος των καναλιών είναι συνήθως 25MHz ή 28MHz με καθαρό ρυθμό αποστολής δεδομένων να υπερβαίνει τα 125Mb/s. Είναι προφανές ότι αυτό το περιβάλλον είναι κατ εξοχήν χρήσιμο για πρόσβαση σημείου προς πολλά σημεία (PMP) υποστηρίζοντας εφαρμογές από μικρές έως μεγάλες επιχειρήσεις. Σημαντικό ρόλο σε αυτό παίζει προφανώς και το ότι αναφερόμαστε αυστηρά σε ζώνες μηελεύθερες δηλαδή που απαιτούν αδειοδότηση. Το επίπεδο αυτό είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να παρέχει ένα πολύ μεγάλο βαθμό ευελιξίας, με σκοπό να παρέχει την δυνατότητα της βέλτιστης ανάπτυξης και υλοποίησης από τους παρόχους, ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες και απαιτήσεις αναφορικά με τον σχεδιασμό των κυψελών, του κόστους, των ασύρματων δυνατοτήτων, των υπηρεσιών και της χωρητικότητας. 14

Για λόγους ευέλικτης χρήσης του φάσματος, υποστηρίζονται τόσο FDD όσο και TDD παραμετροποιήσεις. Στην περίπτωση όπου χρησιμοποιείται FDD υποστηρίζεται full-duplex επικοινωνία με τους σταθμούς βάσης αλλά και half-duplex 1. Και οι δύο χρησιμοποιούν φορμά μετάδοσης με ριπές, του οποίου ο μηχανισμός ενθυλάκωσης υποστηρίζει προσαρμοζώμενες τεχνικές όσο αναφορά τις παραμέτρους μετάδοσης, όπως τον τύπο της διαμόρφωσης και τον τύπο της κωδικοποίησης. Αυτές μπορούν να ρυθμιστούν ξεχωριστά για κάθε σταθμό συνδρομητή (SS), πλαίσιο προς πλαίσιο αναλόγως με τις συνθήκες και την ποιότητα της ζεύξης την κάθε χρονική στιγμή. Το κομμάτι της άνω ζεύξης δηλαδή της επικοινωνίας του συνδρομητή με τον σταθμό βάσης είναι βασισμένο σε έναν συνδυασμό TDMA και DAMA. Συγκεκριμένα, το κανάλι της άνω ζεύξης είναι χωρισμένο σε ένα αριθμό από χρονοθυρίδες. Ένας αριθμός από αυτές, που χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για λειτουργίες του δικτύου, ελέγχονται από το MAC επίπεδο στον σταθμό βάσης μπορεί να αλλάζουν στο πέρασμα του χρόνου για μέγιστη απόδοση. Η κάτω ζεύξη χρησιμοποιεί TDM με την πληροφορία που προορίζεται για κάθε σταθμό βάσης πολυπλεγμένη σε μία και μοναδική ροή δεδομένων που λαμβάνεται από όλους τους σταθμούς βάσης του ίδιου τομέα ταυτόχρονα. Το κομμάτι του φυσικού επιπέδου που είναι υπεύθυνο για την κάτω ζεύξη, περιλαμβάνει και ένα υποεπίπεδο σύγκλισης μετάδοσης (Transmission Convergence - TS) το οποίο εισάγει έναν δείκτη στην αρχή των MAC PDUs 2, δηλαδή των πακέτων που προέρχονται από το ανώτερο επίπεδο, ώστε να είναι εύκολα αναγνωρίσιμα από τον δέκτη. Τα δεδομένα που έρχονται από το επίπεδο αυτό κωδικοποιούνται με randomization, ύστερα με FEC και τέλος αντιστοιχούνται σε μία QPSK, 16-QAM ή 64-QAM διαμόρφωση. Κάτω ζεύξη Στην άνω ζεύξη χρησιμοποιείται σύστημα μετάδοσης TDMA με ριπές. Κάθε ριπή είναι σχεδιασμένη ώστε να μεταφέρει MAC PDUs μεταβλητού μήκους. Ο πομπός κωδικοποιεί τα δεδομένα με βάση της ίδιας διαδικασίας που γίνεται και για την ζεύξη καθόδου. 1 full-duplex είναι η ταυτόχρονη, αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ πομπού (BS) και δέκτη, ενώ half-duplex είναι η επικοινωνία όπου, είναι μεν αμφίδρομη αλλά όχι ταυτόχρονη. Ο σταθμός δεν μπορεί να στέλνει και να λαμβάνει ταυτόχρονα. 2 Ο ορισμός του PDU σύμφωνα με ATIS Committee T1A1 είναι ο εξής:: 1. Πληροφορία που μεταφέρεται ως μονάδα ανάμεσα στις οντότητες ενός δικτύου και μπορεί να περιέχει πληροφορία ελέγχου, πληροφορία διευθυνσιοδότησης ή δεδομένα. 2. Σε συστήματα με στρώματα, ένα PDU που είναι προδιαγεγραμένο σε ένα πρωτόκολλο ή ένα στρώμα (επίπεδο) και αποτελείται από πληροφορία ελέγχου του πρωτοκόλλου ή και δεδομένα χρήστη αυτού του επιπέδου 15

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 Άνω ζεύξη Το φυσικό αυτό επίπεδο, λειτουργεί, όπως ήδη αναφέρθηκε, με ενθυλάκωση των δεδομένων σε πλαίσια. Μέσα σε κάθε πλαίσιο υπάρχει ένα υποπλαίσιο για την ζεύξη καθόδου και ένα για ζεύξη ανόδου. Το υποπλαίσιο της καθόδου ξεκινά με πληροφορία απαραίτητη για τον συγχρονισμό και τον έλεγχο του πλαισίου από τον δέκτη. Στην περίπτωση όπου χρησιμοποιείται TDD, το υποπλαίσιο αυτό προηγείται του αντίστοιχου της ανόδου. Στην περίπτωση όπου χρησιμοποιείται FDD αυτά συμβαίνουν ταυτόχρονα. 4.2 WirelessMAN-SCa PHY Το WirelessMAN-SCa PHY είναι βασισμένο στην τεχνολογία single-carrier access και σχεδιασμένο για NLOS λειτουργία χρησιμοποιώντας φάσμα κάτω από τα 11GHz. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε δεσμευμένες ζώνες συχνοτήτων, όσο και σε ελεύθερες. Κύρια χαρακτηριστικά του είναι: Λειτουργία TDD ή FDD Χρησιμοποίηση TDMA για την ζεύξη ανόδου TDM ή TDMA για την ζεύξη καθόδου Block-adaptive διαμόρφωση και FEC κωδικοποίηση και για την ζεύξη ανόδου και για την ζεύξη καθόδου Βελτιωμένη πρόβλεψη και εξισορρόπηση καναλιού για NLOS περιβάλλοντα καθώς και για περιβάλλοντα όπου η διακύμανση καθυστέρησης διάδοσης είναι αυξημένη Concatenated FEC με Read-Solomon και TCM διαμόρφωση. 16

BTC και CTC FEC επιλογές Μη χρησιμοποίηση FEC όταν χρησιμοποιείται ARQ για έλεγχο λαθών. Εξαίρεση αποτελούν τα FCH. STC Robust modes για λειτουργία με χαμηλό CINR AAS (προαιρετικά) Έλεγχος ισχύος Επίσης το WirelessMAN-SCa PHY υποστηρίζει τις εξής διαμορφώσεις: Spread BPSK BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM 256-QAM (προαιρετικά) 4.3 WirelessMAN-OFDM PHY Το WirelessMAN-OFDM PHY είναι σχεδιασμένο για περιβάλλοντα NLOS και για συχνότητες κάτω των 11GHz και χρησιμοποιεί, όπως αναφέρεται και στο όνομά του OFDM διαμόρφωση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε αδειοδοτούμενες συχνότητες όσο και σε ελεύθερες. 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, μόνο που σε αυτήν την περίπτωση όλα τα υποκανάλια λαμβάνουν δεδομένα από μία πηγή. 17

ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ WIMAX IEEE 802.16 Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μία ροή δεδομένων που λειτουργεί σε R bps και εύρος φάσματος (bandwidth) 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 το stream σε Ν substreams, χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα από σειριακό σε παράλληλο. Κάθε substream έχει data rate R/N bps και μεταδίδεται σε ξεχωριστή υπογραμμή, με απόσταση ανάμεσα σε γειτονικές γραμμές μετάδοσης του Δf. Τώρα η διάρκεια κάθε bit είναι N/R. Σε ένα κλασικό σύστημα παράλληλης μετάδοσης δεδομένων το συνολικά διαθέσιμη εύρος συχνοτήτων διαιρείται σε N µη επικαλυπτόμενα υποκανάλια συχνοτήτων. Κάθε υποκανάλι διαμορφώνεται και από διαφορετικό σύμβολο και ακολούθως τα Ν υποκανάλια πολυπλέκονται στο πεδίο των συχνοτήτων. Η ιδέα που εισήγαγε το OFDM ήταν πρωτοποριακή μιας και οδηγούσε στην εξοικονόμηση φάσματος. Πιο συγκεκριμένα, έκανε λόγο για χρήση επικαλυπτόμενων υποκαναλιών, που χαρακτηρίζονται από την κοινή ιδιότητα της μεταξύ τους ορθογωνιότητας, γεγονός που οδηγεί στην αποφυγή ισοστάθμισης, την αντιμετώπιση θορύβου και εξασθένησης σήματος λόγω πολυδιόδευσης (multipath fading) καθώς και την πλήρη αξιοποίηση του διαθέσιμου φάσματος. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται πώς επιτυγχάνεται αυτό. Φαίνεται καθαρά η διαφορά μεταξύ των συμβατικών τεχνικών µε µη επικαλυπτόμενα υποκανάλια (a) και του OFDM (b). Κατά αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται εξοικονόμηση εύρους φάσματος που αγγίζει κατά περίπτωση ακόμα και το 50%. Βέβαια όπως προαναφέρθηκε οφείλουμε να εξασφαλίσουμε την όσο τη δυνατόν μικρότερη παρεμβολή μεταξύ των υποφερουσών. [ΠΠ1 & Παράρτημα] 18

Άλλα χαρακτηριστικά του φυσικού αυτού επιπέδου είναι τα εξής: AAS ARQ Mesh Topology STC (προαιρετικά) Concatenated FEC με Read-Solomon BTC, CTC (προαιρετικά) Transmission Convergence Layer ίδιο με του WirelessMAN-SC (προαιρετικά) Έλεγχος ισχύος Μεταβλητό εύρος καναλιού (ελάχιστο εύρος 1.25MHz) Η κωδικοποίηση του καναλιού γίνεται σε τρία βήματα: randomizing, FEC και τέλος interleaving [Παράρτημα]. Το επόμενο βήμα είναι η διαμόρφωση των δεδομένων. Υποστηριζόμενες μορφές διαμόρφωσης είναι οι εξής: BPSK Gray-mapped QPSK 16-QAM 64-QAM (προαιρετική για χρήση σε ελεύθερη ζώνη συχνοτήτων) [Παράρτημα] Όπως και τα άλλα, έτσι και το WirelessMAN-OFDM μπορεί να χρησιμοποιεί είτε FDD είτε TDD. Επίσης αντίστοιχα, σε ελεύθερες ζώνες συχνοτήτων χρησιμοποιείται μόνο το TDD. Στο αναφέρονται ενδεικτικά οι ταχύτητες που μπορούν να επιτευχθούν με το WirelessMAN- OFDM PHY. 19