docWiMAX jako alternatywa sieci GSM,GPRS i UMTS
download 
Reklamacja Transkrypt
WiMAX jako alternatywa sieci GSM,GPRS i UMTS
SAMODZIELNY ZAKŁAD SIECI KOMPUTEROWYCH Wydział Fizyki Technicznej, Informatyki i Matematyki Stosowanej POLITECHNIKA ŁÓDZKA 90-924 Łódź ul. Stefanowskiego 18/22 tel./fax. (42) 6 360 300 e-mail: [email protected] Karol Jurkowski Nowoczesne technologie: WiMAX jako alternatywa sieci GSM, GPRS i UMTS Praca dyplomowa magisterska Promotor: dr inŜ. Michał Morawski Dyplomant: Karol Jurkowski Nr albumu: 124716 Łódź 2007 SPIS TREŚCI AKRONIMY .............................................................................................................................................. 3 1. WSTĘP.............................................................................................................................................. 5 1.1. 1.2. 1.3. 2. TECHNOLOGIA METROPOLITARNYCH SIECI BEZPRZEWODOWYCH – WIMAX ... 9 2.1. 2.2. 2.3. 3. CEL I ZAKRES PRACY ................................................................................................................. 6 STRESZCZENIE ROZDZIAŁÓW ..................................................................................................... 7 AKTUALNOŚĆ TEMATU .............................................................................................................. 8 CHARAKTERYSTYKA SIECI WIMAX ....................................................................................... 10 STANDARYZACJA TECHNOLOGII WIMAX ............................................................................... 12 MODEL REFERENCYJNY STANDARDU 802.16 (WIMAX) ......................................................... 15 WARSTWA FIZYCZNA TECHNOLOGII WIMAX ................................................................ 17 3.1. CHARAKTERYSTYKA MEDIUM ................................................................................................. 18 3.2. PROPAGACJA SYGNAŁU RADIOWEGO ....................................................................................... 19 3.3. TECHNIKI WIELODOSTĘPU, MODULACJI I TRANSMISJI. ............................................................. 23 3.3.1. Techniki wielodostępu........................................................................................................ 23 3.3.2. Techniki transmisji danych ................................................................................................ 27 3.3.3. Obsługa transmisji dwukierunkowej .................................................................................. 28 3.3.4. OFDM................................................................................................................................ 29 3.3.5. OFDMA ............................................................................................................................. 33 3.3.6. Parametry OFDM w rozwiązaniach WiMAX..................................................................... 33 3.3.7. Definicja slotu i format ramki transmisyjnej...................................................................... 35 3.3.8. Modulacja adaptacyjna...................................................................................................... 38 3.4. OPCJONALNE ROZWIĄZANIA WARSTWY PHY.......................................................................... 40 3.4.1. Zaawansowane techniki antenowe..................................................................................... 40 3.4.2. Mechanizm korekcji błędów H-ARQ.................................................................................. 42 3.4.3. Częściowe uŜycie częstotliwości......................................................................................... 42 4. WARSTWA DOSTĘPU DO NOŚNIKA MAC............................................................................ 44 4.1. TRYBY PRACY SIECI WIMAX.................................................................................................. 45 4.2. PODWARSTWA KONWERGENCJI USŁUG (SC)............................................................................ 47 4.2.1. Likwidacja nadmiarowści nagłówków PHS ....................................................................... 48 4.3. ZASTOSOWANIE I ZADANIE WARSTWY WSPÓLNEJ MAC .......................................................... 49 4.3.1. Format jednostki PDU ...................................................................................................... 49 4.3.2. Konstrukcja i transmisja jednostek PDU ........................................................................... 50 4.3.3. Włączanie do sieci i inicjalizacja....................................................................................... 54 4.3.4. Zarządzanie pasmem w warstwie MAC ............................................................................. 59 4.3.5. Zarządzanie usługami w warstwie MAC (QoS w grupie standardów 802.16)................... 60 4.4. ROZWIĄZANIA WARSTWY MAC WSPIERAJĄCE MOBILNOŚĆ. ................................................... 64 4.4.1. Zarządzanie oszczędzaniem energii ................................................................................... 64 4.4.1.1. Tryb uśpienia................................................................................................................. 64 4.4.1.2. Tryb bezczynności ......................................................................................................... 66 4.4.2. Zarządzanie mobilnością ................................................................................................... 67 4.4.2.1. Przełączanie pomiędzy stacjami bazowymi – Handover............................................... 69 4.4.2.2. MDHO i FBSS............................................................................................................... 70 5. PODWARSTWA BEZPIECZEŃSTWA...................................................................................... 73 5.1. ARCHITEKTURA ....................................................................................................................... 73 5.2. LOGOWANIE URZĄDZENIA W SIECI .......................................................................................... 76 5.2.1.1. Proces uwierzytelniania ................................................................................................ 76 5.2.1.2. Proces wymiany kluczy.................................................................................................. 78 5.2.2. Metody kryptograficzne stosowane w standardzie 802.16Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. 5.3. JAKOŚĆ BEZPIECZEŃSTWA W SYSTEMIE WIMAX.................................................................... 79 6. PORÓWNANIE TECHNOLOGII TRANSMISJI DANYCH W SIECIACH KOMÓRKOWYCH I WIMAX.............................................................................................................. 80 6.1. TRANSMISJA DANYCH W SIECIACH MOBILNYCH 3G I 3,5G ...................................................... 80 1 6.1.1. GSM ................................................................................................................................... 81 6.1.2. GPRS/EDGE ...................................................................................................................... 82 6.1.3. UMTS (HSDPA/HSUPA) ................................................................................................... 84 6.1.4. 1xEVDO ............................................................................................................................. 85 6.2. ANALIZA MOśLIWOŚCI I ROZWIĄZAŃ SIECI 3G I TECHNOLOGII WIMAX................................. 86 7. PODSUMOWANIE ....................................................................................................................... 93 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................................... 95 2 AKRONIMY 3GPP 3GPP2 AAS ACK AES AMC A-MIMO AMS ARQ ASN BE CC CDM CDMA CINR CP CTC DL DPCCH DSC DSL DVB EAP ErtPS EVDO E-UTRA FBSS FCH FDD FFT FTP FUSC GPRS HARQ HMAC HSPA HSDPA HS-DPCCH HS-DSCH HS-SCCH HSUPA HTTP IFFT IR ISI LOS MAC 3G Partnership Project 3G Partnership Project 2 Adaptive Antenna System also Advanced Antenna System Acknowledge Advanced Encryption Standard Adaptive Modulation and Coding Adaptive Multiple Input Multiple Output (Antenna) Adaptive MIMO Switching Automatic Repeat reQuest Access Service Network Best Effort Chase Combining (also Convolutional Code) Code Division Multiplex Code Division Multiple Access Carrier to Interference + Noise Ratio Cyclic Prefix Convolutional Turbo Code Downlink Downlink Physical Control Channel Data Source Control Digital Subscriber Line Digital Video Broadcast Extensible Authentication Protocol Extended Real-Time Polling Service Evolution Data Optimized or Evolution Data Only Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Fast Base Station Switching Frame Control Header Frequency Division Duplex Fast Fourier Transform File Transfer Protocol Fully Used Sub-Carrier General Packet Radio Service Hybrid Automatic Repeat reQuest Hash Message Authentication Code High Speed Packet Access High Speed Downlink Data Packet Access High-Speed Dedicated Physical Control Channel High-Speed Downlink Shared Channel High-Speed Shared Control Channel High-Speed Uplink Data Packet Access Hyper Text Transfer Protocol Inverse Fast Fourier Transform Incremental Redundancy Inter-Symbol Interference Line of Sight Media Access Control 3 MAI MAN MAP MBS MDHO MIMO NACK NLOS nrtPS OFDM OFDMA PER PKM PSK PUSC QAM QoS QPSK RRI RTG rtPS SDMA SIM SIMO SINR SISO SM SNIR SNR S-OFDMA SS STBC STC TD-CDMA TD-SCDMA TDD TDM TEK TTG TTI UGS UL UMTS UTRAN VoIP VPN VSM WCDMA WiBro WiMAX 4 Multiple Access Interference Metropolitan Area Network Media Access Protocol Multicast and Broadcast Service Macro Diversity Hand Over Multiple Input Multiple Output (Antenna) Not Acknowledge Non Line-of-Sight Non-Real-Time Polling Service Orthogonal Frequency Division Multiplex Orthogonal Frequency Division Multiple Access Packet Error Rate Public Key Management Phase Shift Keying Partially Used Sub-Carrier Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying Reverse Rate Indicator Receive/transmit Transition Gap Real-Time Polling Service Space (or Spatial) Division (or Diversity) Multiple Access Subscriber Identity Module Single Input Multiple Output (Antenna) Signal to Interference + Noise Ratio Single Input Single Output (Antenna) Spatial Multiplexing Signal to Noise + Interference Ratio Signal to Noise Ratio Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access Subscriber Station Space Time Block Code Space Time Coding Time Division Code Division Multiple Access Time Division Synchronous Code Division Multiple Access Time Division Duplex Time Division Multiplex Traffic Encryption Key Transmit/receive Transition Gap Transmission Time Interval Unsolicited Grant Service Uplink Universal Mobile Telecommunications System UMTS Terrestrial Radio Access Network Voice over Internet Protocol Virtual Private Network Vertical Spatial Multiplexing Wideband Code Division Multiple Access Wireless Broadband (Service) Worldwide Interoperability for Microwave Access 1. Wstęp Rozwój współczesnej informatyki i telekomunikacji następuję w bardzo dynamicznym tempie i stawia coraz to nowe wymagania przed ludźmi zajmującymi się rozwojem tych gałęzi techniki. Sprzęt komputerowy niegdyś zarezerwowany dla wielkich przedsiębiorstw i środowisk akademickich w dniu dzisiejszym jest elementem, który występuje niemalŜe w kaŜdym miejscu naszego Ŝycia. Współczesny człowiek świadomie lub nieświadomie spotyka się z technologią informatyczną niemalŜe na kaŜdym kroku, począwszy od komputera w pracy, poprzez wszelkiego rodzaju automaty a kończąc na telefonie komórkowym noszonym przez większość z nas w kieszeni kaŜdego dnia. Mnogość zastosowań urządzeń do przetwarzania informacji, jakimi są urządzenia techniki komputerowej oraz wzrost zapotrzebowania na szybką i bieŜącą informację spowodowała, iŜ urządzenia te nie mogą pracować jak kiedyś jako urządzenia autonomiczne ale muszą wymieniać pomiędzy sobą informację. Dostępność sprzętu, potrzeba dynamicznego dostępu do informacji i jej przetwarzania spowodowała szybki rozwój telekomunikacji oraz technologii sieci komputerowych. Rozpowszechnienie globalnego źródła informacji jakim stał się Internet uczyniła z informatyki i telekomunikacji jedne z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin współczesnego Ŝycia. Jednym z podstawowych motorów, które napędzają rozwój tych dwóch dziedzin jest niewątpliwie przedsiębiorczość, która to z dnia na dzień stawia ekspertom od informatyki i telekomunikacji coraz to nowe wymagania. Rozwój współczesnego przedsiębiorstwa, które nie korzysta z dobrodziejstw nowoczesnych technologii jest raczej skazana na niepowodzenie. Obserwując wzrost wykorzystania technologii przetwarzania informacji, sieci komputerowych oraz rozwój handlu elektronicznego moŜna stwierdzić, Ŝe niebawem będą istniały dwa rodzaje biznesów - te które są w sieci i te które niestety wypadły z interesu. Komunikacja stała więc się koniecznością. Wynikiem tak szybkiego rozwoju i dostępności technologii zarówno sprzętu jak i oprogramowania jest wzrost zapotrzebowania na jakość usług oraz ich dostępność. Ten wzrost zapotrzebowania na dostępność informacji szczególnie dotyczy rozwoju sieci komputerowych oraz telekomunikacyjnych. W dniu dzisiejszym, coraz większej rzeszy klientów nie wystarczają juŜ szybkie usługi dostępowe świadczone przez operatorów sieci przewodowych, czy nawet dynamicznie rozwijające się usługi transmisji danych 5 operatorów sieci komórkowych, współczesny klient zaczyna wymagać dostępności informacji w kaŜdym miejscu i o kaŜdym czasie z zapewnieniem jakości i bezpieczeństwa. Wymagania takie wymuszają na dostawcach sprzętu unowocześnianie dostępnych technologii lub tworzenie nowych rozwiązań. W dziedzinie komunikacji bezprzewodowej jednym z takich rozwiązań mających zaspokoić potrzeby rynku, dać moŜliwość szybkiej i bezpiecznej z zachowaniem bardzo wysokich wymagań jakościowych wymiany informacji jest standaryzowana technologia miejskich sieci radiowych WIMAX (ang. Worldwide Interoperability for Microwave Access). 1.1. Cel i zakres pracy Celem pracy dyplomowej jest przedstawienie bezprzewodowej technologii transmisji danych opartej o opracowaną przez organizację IEEE grupę standardów 802.16. Przedstawiona w pracy technologia oparta jest na dwóch standardach 802.16d oraz 802.16e, które z całej grupy standardów opracowanych przez IEEE doczekały się komercyjnych wdroŜeń. Praca przedstawia podstawowe rozwiązania jakie są stosowane w technologii, która bazuje na powyŜszych standardach. Jednak głównym celem jest przedstawienie rozwiązań technologii WiMAX, które pozwalają na traktowanie jej jako alternatywy rozwiązań stosowanych w systemach transmisji danych w sieciach komórkowych. Praca przedstawia więc w miarę szczegółowo rozwiązania jakie zostały zastosowane w najnowszym standardzie IEEE 802.16e, który został opracowany w celu zapewnienia wsparcia mobilności terminali klienckich pracujących w sieci WiMAX. Przedstawienie rozwiązań standardu mobilnego WiMAX, ma na celu umoŜliwienie porównania tych rozwiązań z systemami GSM, GPRS i UMTS. 6 1.2. Streszczenie rozdziałów Rozdział 1. Rozdział ten stanowi wprowadzenie do pracy oraz przedstawienie celu i zakresu niniejszej pracy. Rozdział 2. Przedstawione zostały w tym rozdziale podstawowe informacje o moŜliwościach technologii WiMAX. Rozdział zawiera równieŜ opis, historię powstawania standardów na jakich opiera się technologia WiMAX .Opisany został równieŜ podstawowy model odniesienia opisujący warstwową budowę sieci WiMAX Rozdział 3. W rozdziale tym przedstawione zostały mechanizmy oraz techniki zastosowane w warstwie fizycznej technologii WiMAX. Rozdział 4. Zawarte w tym rozdziale informację dotyczą warstwy dostępu do nośnika, która została zaimplementowana w technologii WiMAX. Rozdział zawiera opis wszystkich procedur oraz moŜliwości, jakie stosowane są w warstwie MAC standardu opisującego sieci WiMAX. Rozdział 5. W rozdziale tym przedstawione są mechanizmy bezpieczeństwa jakie zostały zaimplementowane w sieciach WiMAX. Rozdział 6. Rozdział ten stanowi ogólny przegląd technologii transmisji danych w sieciach komórkowych oraz ogólne zestawienie moŜliwości tych sieci z uwzględnieniem rozwiązań zastosowanych w sieciach WiMAX. 7 1.3. Aktualność tematu Technologia sieci bezprzewodowych opartych na standardzie 802.16 w okresie pisania niniejszej pracy znajduję się w fazie projektowania oraz wstępnych wdroŜeń. W chwili obecnej jedyną z popularniejszych metod dostępu bezprzewodowego są rozwiązania oferowane przez dostawców telefonii komórkowej, bazujące na rozszerzeniu technologii cyfrowej transmisji głosu. Opracowany standard 802.16 jest natomiast nowością, która wprowadza bardzo uniwersalne jak równieŜ ekonomiczne podejście do transmisji danych, wykorzystujące znane dotąd technologie łącząc je w jednolitą znormalizowaną całość. WiMAX jako nowa technologia jest w chwili obecnej cały czas w centrum zainteresowania duŜej grupy odbiorców jak i producentów sprzętu. Szacuje się, Ŝe technologia WiMAX zacznie być wykorzystywana masowo po roku 2008, gdyŜ po zakończeniu certyfikacji sprzętu w tym okresie szacuje się rozpoczęcie masowej produkcji urządzeń, a co za tym idzie spadek ich cen. WiMAX jako rozwiązanie o duŜej skalowalności stanowi ciekawe rozwiązanie dla operatorów świadczących usługi dostępowe, lecz niestety w czasie pisania pracy jest technologią słabo rozpowszechnioną, co związane jest prawdopodobnie z koniecznością poniesienia dodatkowych inwestycji na budowę sieci szkieletowej, gdyŜ technologia ta wymaga całkiem nowego sprzętu i niestety nie daje moŜliwości rozszerzenia dotychczasowych systemów nadawczych o nową funkcjonalność, co osiągalne jest w przypadku technologii transmisji danych w sieciach komórkowych. WiMAX jednak coraz częściej zaczyna być stosowany przez operatorów świadczących przewodowe usługi dostępowe, jako substytut tych usług. Pojawiające się nowe rozwiązania sprzętowe, jak równieŜ spadające koszty sprzętu mogą uczynić z technologii WiMAX jedną z czołowych w dostępie bezprzewodowym. 8 2. Technologia metropolitarnych sieci bezprzewodowych – WIMAX WIMAX jest technologią opartą na standardach IEEE 802.16 i ETSI HiperMAN, stworzoną by umoŜliwić dostęp do szerokopasmowych usług na duŜych obszarach (np. obszar miasta, gminy, powiatu). Standardy IEEE 802.16 i ETSI HiperMAN pomimo, iŜ są bardzo podobne pozwalają na powstawanie róŜnych konfiguracji sprzętowych, co pozwala na wystąpienie sytuacji, w której urządzenia wielu producentów pracowałyby w innych konfiguracjach. Technologia WIMAX ma zapewnić poprzez certyfikację sprzętu pełną kompatybilność urządzeń róŜnych producentów. Standard ten stanowić ma w załoŜeniu alternatywę dla sieci przewodowych czy DSL, szczególnie na obszarach o słabo rozbudowanej sieci telekomunikacyjnej. W praktyce wszystkie technologie, które wykorzystuje standard WiMax, były juŜ dostępne i wykorzystywane w róŜnego rodzaju rozwiązaniach bezprzewodowych. Jednak brak jednolitego standardu uniemoŜliwiał tworzenie przez firmy trzecie tanich rozwiązań klienckich, oraz powodował, Ŝe ceny indywidualnych rozwiązań utrzymywały na niezmiennym wysokim poziomie przez wiele lat. Podobna sytuacja miała miejsce w przypadku sieci bezprzewodowych pracujących w standardzie Wi-Fi. Stworzenie jednolitego standardu umoŜliwiło lawinowy rozwój sieci bezprzewodowych i spowodowało drastyczny spadek cen urządzeń.[15] WiMAX zapewni moŜliwość świadczenia usług w kilku obszarach, dotychczas obsługiwanych przy pomocy wielu róŜnych, niekompatybilnych technologii: • Usługi dostępowe oraz VoIP na duŜych obszarach mieszkalnych i SOHO dziś obsługiwane przez DSL i łącza kablowe • Usługi dostępowe oraz VoIP dla małego i średniego biznesu – dziś obsługiwane przez łącza dzierŜawione, DSL, LMDS czy róŜnego rodzaju radiolinie. • Usługi dostępowe oraz VoIP dla uŜytkowników mobilnych – dziś obsługiwane przez bardzo ograniczoną sieć hot-spotów i przy pomocy technologii GPRS i UMTS. 9 Mobilność standardu (802.16e) daje operatorom moŜliwość powiększenia palety usług i wejście na zupełnie nowe, nieobsługiwane dotychczas rynki. Pojawienie się urządzeń pracujących w standardzie 802.16e, obsługujących mobilność, umoŜliwi stworzenie konkurencji dla technologii UMTS, a usługi VoIP, świadczone przez sieci WiMax, mogą zrewolucjonizować rynek usług głosowych, otwierając przed uŜytkownikami zupełnie nowe moŜliwości. 2.1. Charakterystyka sieci WIMAX Technologia WIMAX ma zapewnić moŜliwość budowy sieci o wysokiej przepustowości oraz duŜej skalowalności. Sieci oparte o technologię WIMAX poprzez zastosowanie wielu skalowalnych rozwiązań warstwy fizycznej, jak równieŜ warstwy MAC, dają operatorom moŜliwości dostosowania konfiguracji sieci do aktualnych wymagań klientów. Uzyskuje się dzięki temu moŜliwość konfiguracji stacji bazowych dostosowanych do bieŜącego obciąŜenia sieci, dostępnego pasma, warunków w kanale komunikacyjnym, co pozwala na efektywne wykorzystanie pasma, sprzętu i ograniczeniu kosztów inwestycji. Sieci WIMAX są typowymi sieciami bezprzewodowymi o zasięgu miejskim MAN i w związku z tym, wymagają one w celu pokrycia terenu o powierzchni podobnej do osiągalnej w sieciach telefonii komórkowej większej ilości stacji nadawczych. [16] Rys. 2.1: Podział standardów sieci bezprzewodowych pod względem zasięgu 10 Podstawę funkcjonalności sieci WiMAX stanowi stacja bazowa, która za pomocą anten wysyła i odbiera sygnał od urządzeń klienckich, zapewniając dostęp do sieci. W standardach tworzących technologię WIMAX przyjęto podział obszaru działania sieci na komórki oraz sektory podobnie jak w innych rozwiązaniach bezprzewodowych, dzięki temu stworzono moŜliwość duŜej skalowalności i zwiększenie efektywności działania. Pod względem efektywności transmisji technologia WiMAX osiągnąć prędkości rzędu 70Mbps, co przy wsparciu pozwala teoretycznie mobilności czy chociaŜby dostępu nomadycznego sytuuję ją w czołówce dostępnych rozwiązań.[7] Rys. 2.2: Przepustowość poszczególnych rozwiązań sieci bezprzewodowych w zaleŜności od poziomu wspieranej mobilności Technologia WIMAX w dniu dzisiejszym pozwala na tworzenie sieci umoŜliwiających trzy tryby dostępu: I Dostęp stały (ang. Fixed access) - bez moŜliwości przełączania pomiędzy sektorami, co wyklucza jakiekolwiek aspekty mobilności; II Przenośność (ang. Nomadicity/Portability with simple Mobility) - moŜliwe przełączenia ze stratami w transmisji, moŜliwość połączenia do sieci z dowolnego miejsca w zasięgu systemu; 11 III Pełna mobilność (ang. Full mobility) - szybkie przełączenia w infrastrukturze sieci z bardzo małymi stratami pakietów – akceptowalnymi przez aplikacje czasu rzeczywistego, jak np. VoIP; Charakterystyczną cechą sieci opartych o standard 802.16, jest moŜliwość pracy urządzeń przy bezpośredniej widoczności optycznej jak i bez niej, co w dotychczasowych sieciach bezprzewodowej, szerokopasmowej transmisji danych było trudne do osiągnięcia na większych odległościach (rzędu setek metrów lub kilometrów) przy zachowaniu duŜej przepustowości. 2.2. Standaryzacja technologii WIMAX Technologia WIMAX związana jest ściśle z grupą standardów opracowanych przez stowarzyszenie IEEE oraz ETSI. Standardy opisujące technologię, budowę, zasadę działania oraz wytyczne co do wymagań sprzętu zdefiniowane są w jednej grupie o roboczej nazwie 802.16. W standaryzacji 802.16 zawarte są równieŜ wytyczne zdefiniowane przez ETSI a mianowicie standard ETSI HiperMAN. Standard 802.16 definiuje interfejs radiowy (warstwa fizyczna PHY) oraz warstwę dostępu do nośnika MAC dla szerokopasmowej sieci bezprzewodowej.[7] Pierwsza część standaryzacji (802.16) jaka została opracowana w roku 2001, definiowała szerokopasmowy radiowy system dostępowy, który miał pracować w zakresie częstotliwości mikrofalowych 10-66 GHz. Ze względu na ograniczone moŜliwości transmisji w pierwszym standardzie, spowodowane duŜą podatnością sygnału na zakłócenia oraz małym zasięgiem jak równieŜ wymogiem bezpośredniej widoczności anten pomiędzy stacją bazową a terminalem, rozszerzono zakres prac nad drugą wersję standardu, która definiowała dwie warstwy sieciowej transmisji w paśmie 2-11 GHz (standard 802.16a). Standard 802.16a, który został zatwierdzony w roku 2003 definiuje nowy interfejs radiowy z moŜliwością realizacji połączeń radiowych, poza strefą bezpośredniej widoczności anten. Kolejne dwa standardy opublikowane i zatwierdzone w roku 2003 – 802.16b i 802.16c, wprowadzały poprawki dotyczące mechanizmów zapewnienia jakości połączenia QoS oraz kompatybilności wstecznej standardów. 12 W roku 2004 opublikowano zrewidowaną wersję specyfikacji IEEE 802.16-2004 nazwaną równieŜ 802.16d, w której poprawiono, uzupełniono i scalono w jednym opracowaniu wcześniejsze specyfikację. Publikacja ta uznawana jest powszechnie za podstawę definiowania charakterystyk, projektowania i wdroŜeń dla radiowego systemu dostępu szerokopasmowego znanego pod nazwą WiMAX. Standard jest podstawą budowy systemów dla uŜytkowników stacjonarnych i nie wspiera on mobilności, jedynie przenośność terminala klienckiego. Kolejnym etapem w opracowaniu technologii WiMAX był standard 802.16e, nazwany równieŜ „mobilnym WiMAX-em”, w którym opracowano obsługę urządzeń stacjonarnych jak i ruchomych. Specyfikacja ta dotyczy pasma 2-6GHz w którym moŜliwa jest obsługa komunikacji z terminalami ruchomymi. Data zatwierdzenia Standard Opis 2001 Grudzień Stały dostęp w paśmie 10-66GHz, wymagany 802.16 LOS 2003 Marzec 802.16a Stały dostęp w paśmie 2-11GHz, środowisko NLOS 2003 802.16b Poprawki mechanizmu QoS 2003 802.16c Kompatybilność i protokoły testujące 2004 Czerwiec 802.16d Separacja antenowa, podział na podkasały 2006 Luty 802.16e Mobilność w paśmie 2-6GHz Tab. 2.1: Proces standaryzacji standardu IEEE 802.16 Procesem standaryzacji zajmuje się stowarzyszenie IEEE, natomiast promowaniem technologii oraz certyfikacją sprzętu w celu uzyskania kompatybilności oraz globalnego zasięgu, zajmuje się organizacja WiMAX Forum. Organizacja ta jest zrzeszeniem ponad 230 członków wśród, których znajdują się zarówno wielcy potentaci telekomunikacyjni, producenci sprzętu, dostawcy usług oraz integratorzy systemowi. Obecność takiej organizacji daje pewność klientowi końcowemu, Ŝe zakupiony przez niego sprzęt, który przeszedł proces certyfikacji będzie pracował bezproblemowo bez względu od jakiego producenta pochodzi.[16] 13 W związku z bogatą ilością rozwiązań zdefiniowaną w standardach 802.16, WiMAX Forum jest organizacją wydającą odpowiednie wytyczne co do budowy konkretnych systemów oraz późniejszym ich certyfikowaniu. 14 2.3. Model referencyjny standardu 802.16 (WIMAX) WiMAX jest technologią sieciową, w związku z tym moŜemy zasadę jego działania odnieść do modelu referencyjnego OSI. WiMAX jako technologia transmisji drogą radiową, swym działaniem obejmuje dwie pierwsze warstwy modelu referencyjnego OSI, warstwę dostępu do medium transmisji MAC oraz warstwę fizyczną. WyŜsze warstwy: IP,ATM…. Warstwa łącza danych Podwarstwa konwergencji usług (CS) MAC Wspólna część podwarstwy MAC (CPS) Podwarstwa bezpieczeństwa (Security) Warstwa fizyczna Warstwa zbieŜności transportu (TC) PHY (tylko dla WirelessMAN SC) Właściwa warstwa fizyczna Rys 2.3: Model referencyjny WiMAX WiMAX ze względu na wsparcie róŜnych protokołów komunikacyjnych, dzieli warstwę MAC na trzy podwarstwy (CS, MAC CPS i Security)[7]: Podwarstwa konwergencji usług (ang. Service-Specific Convergence Sublayer) CS przyjmuje ruch i dokonuje wszelkich czynności związanych z przyjęciem z zewnątrz danych lub ich odwzorowaniem do MAC PDU (ang. Protocol Data Unit). W tej podwarstwie następuje więc przekształcenie jednostek danych protokołów wyŜszych, do jednostek danych zgodnych ze specyfikacją warstwy MAC. Podwarstwa CS moŜe takŜe zawierać funkcje, których zadaniem jest usuwanie nadmiarowości nagłówka w pakietach warstw wyŜszych tzw. PHS (ang. Payload Header Suppression) . W 802.16 stosuje się dwie róŜne podwarstwy CS specyficzne dla zastosowań: podwarstwę CS dla komórek ATM oraz podwarstwę CS dla danych pakietowych. Wspólna część warstwy MAC CPS (ang. Common Part Sublayer), której zadaniem jest dostarczanie takich funkcjonalności jak dostęp do systemu, alokacja pasma dla poszczególnych usług, ustanowienie połączenia oraz zarządzanie połączeniem. 15 Podwarstwa ta związana więc jest z zapewnieniem jakości usług (QoS), które jest wykorzystywane przy transmisji i kolejkowaniu danych przez warstwę fizyczną. Podwarstwa bezpieczeństwa (ang. Security Sublayer) udostępnia funkcje, których głównym celem jest zapewnienie bezpiecznego połączenia pomiędzy komunikującymi się węzłami. Zapewnia ona więc usługi takie jak autentyfikacja, wymiana klucza i szyfrowanie. Pomiędzy warstwą fizyczną, a podwarstwą dostępu do medium (MAC) znajduje się podwarstwa konwergencji (TC), która dokonuje transformacji zmiennej długości jednostek danych protokółów MAC, na jednostki o stałej długości stosowane w warstwie fizycznej. Występuję ona jedynie w warstwie fizycznej, w której wykorzystywana jest w transmisji, modulacja pojedynczej nośnej sygnału radiowego (WirelessMAN SC) 16 3. Warstwa fizyczna technologii WiMAX WiMAX jest technologią tworzoną pod kątem wydajnej transmisji danych i w stosunku do technologii sieci komórkowych, gdzie podstawą tworzenia standardów była i jest transmisja głosu, wykorzystuje ona nowatorskie rozwiązania warstwy fizycznej, pozwalające na wydajniejsze przesyłanie danych. Podstawą działania i zarazem źródłem moŜliwości transmisyjnych technologii WiMAX jest technika transmisji OFDM (ang. orthogonal frequency division multiplexing), wykorzystywana wraz z róŜnymi schematami modulacyjnymi i kodowymi. OFDM jest techniką, która zapewnia szybką transmisje danych, co zostało wykorzystane w juŜ dotychczasowych systemach takich jak ADSL, WiFi czy cyfrowym przekazie obrazu DVB-H. Warstwa fizyczna WIMAX definiuje równieŜ, stosowanie zawansowanych rozwiązań antenowych jak i rozbudowanych mechanizmów kontroli transmisji H-ARQ. [7][9] W technologii WiMAX zdefiniowano pięć wariantów warstwy fizycznej w zaleŜności od wykorzystywanego pasma oraz technik modulacyjnych: WirelessMAN-SC Warstwa fizyczna oparta na transmisji w paśmie 10-66MHz, wykorzystująca kanał transmisji o szerokości 20MHz. Transmisja odbywa się z wykorzystaniem modulacji pojedynczej nośnej sygnału radiowego. Tryb transmisji z wykorzystaniem dupleksu częstotliwościowego FDD, jak i czasowego TDD z wykorzystaniem metody wielodostępu TDMA. Osiągalne są w tej warstwie maksymalne przepustowości teoretyczne na poziomie 144Mbps. Warstwa fizyczna SC została zaprojektowana do pracy przy bezpośredniej widoczności radiowej pomiędzy nadajnikiem, a odbiornikiem. WirelessMAN-SCa Rozwiązanie podobne do warstwy SC z moŜliwością pracy w środowisku bez bezpośredniej widoczności optycznej. Transmisja odbywa się w paśmie <11GHz. W tym rozwiązaniu zastosowano zmienną szerokość kanału transmisji, będącego wielokrotnością 1,25MHz lub 2MHz i o maksymalnej wartości 20MHz. Maksymalna osiągalna przepustowość w tym rozwiązaniu to ok. 70Mbps. 17 WirelessMAN-OFDM W rozwiązaniu tej warstwy fizycznej zastosowano nową, lepszą metodę transmisji z wykorzystaniem zwielokrotniania częstotliwości – OFDM. Wielodostęp w tym rozwiązaniu zrealizowany jest poprzez podział w dziedzinie czasu TDMA. Transmisja odbywa się w licencjonowanym paśmie częstotliwości poniŜej 11GHz. Ten typ warstwy fizycznej, stanowi podstawę budowy sieci WiMAX dla uŜytkowników nomadycznych (stacjonarnych terminali klienckich lub przenośnych). WirelessMAN-OFDMA Najnowsze rozwiązanie warstwy fizycznej, które wspiera mobilność terminala klienckiego. Pasmo częstotliwości podobne jak w poprzednich rozwiązaniach ( <11GHz). Nowością w tym rozwiązaniu jest zastosowanie skalowalnej metody wielodostępu opartej na technice OFDM, a mianowicie SOFDMA. WiMAX jako technologia transmisji, utoŜsamiana jest w dniu dzisiejszym z dwoma ostatnimi rozwiązaniami warstwy fizycznej, opartymi na technice OFDM (określany mianem stacjonarnego WiMAXa) oraz OFDMA (nazywany mobilnym WiMAX-em). W związku z zamierzeniem, przedstawienia w tej pracy rozwiązań w sieciach WiMAX, które mogą stanowić rozwiązania komplementarne w stosunku do technologii transmisji danych wykorzystywanych w sieciach komórkowych, w dalszej części pracy przedstawione zostaną rozwiązania, bazujące na warstwach opartych na technikach OFDM oraz OFDMA. 3.1. Charakterystyka medium Technologia WiMAX, podobnie jak technologie sieci komórkowych wykorzystuje jako medium transmisji fale radiowe, w związku z tym wszystkie te technologie muszą radzić sobie z niedogodnościami, jakie związane są z transmisją za pomocą tego medium. Do najwaŜniejszych uciąŜliwości, które są technicznymi ograniczeniami transmisji radiowej zaliczyć moŜemy: 18 • wielodrogowość sygnału radiowego • tłumienie • interferencje WiMAX został zaprojektowany do pracy w pasmach częstotliwości mikrofalowych 1066GHz oraz 2,5-11GHz i w związku z tym, jako technologia jest bardziej podatna na wyŜej wymienione negatywne aspekty transmisji radiowej, niŜ technologie stosowane w sieciach komórkowych takie jak GSM, GPRS czy UMTS. Standardy stosowane w sieciach komórkowych, zostały zaprojektowane do pracy w paśmie 400-2100MHz, w którym takie aspekty jak tłumienie sygnału czy interferencje są mniej dokuczliwe i pozwalają w związku z tym, na obsługę większych powierzchni niŜ rozwiązania stosowane w sieciach WiMAX.[20] Praca systemów opartych na standardzie 802.16 w tak wysokim paśmie, wymaga stosowania odpowiednich metod kodowania oraz modulacji sygnałów radiowych w celu zapewnienia dobrej jakości usług . Systemy transmisji oparte o technologie GSM, GPRS, w związku z wykorzystywanym pasmem częstotliwości są mniej wydajne jeŜeli chodzi o wydajność widmową, a w szczególności, jeśli chodzi o ilość danych przenoszonych przez Hz w ciągu sekundy. Systemy transmisji takie jak GSM czy GPRS oraz jego rozwinięcie EDGE w związku z tym, iŜ bazują na rozwiązaniach, które zostały stworzone do transmisji głosu i wykorzystują szerokość kanału transmisji 200kHz, pozwalają na osiągnięcie maksymalnej prędkości transmisji w granicach 473kbps. [18] Nowsze rozwiązania takie jak UMTS czy EVDO, przechodząc w wyŜsze pasma transmisji, umoŜliwiają wydajną szerokopasmową transmisyjne z wykorzystaniem szerokości kanału odpowiednio 5MHz i 1,25MHz. W technologii WiMAX, która została zaprojektowana do pracy w róŜnych pasmach transmisji (2,5GHz – 11GHz oraz 10-66GHz), szerokość kanału transmisji moŜe być dobierana w zaleŜności od potrzeb oraz dostępności w zakresie od 1,25 do 20 MHz, co czyni ją dostępną prawie w kaŜdym rejonie świata, gdzie dostępne częstotliwości oraz szerokości kanałów są róŜne.[7] 3.2. Propagacja sygnału radiowego Propagacja sygnału radiowego ma zasadniczy wpływ na jakość transmisji w systemach radiowych. Własności propagacyjne środowiska pomiędzy stacją nadawczą a odbiornikiem, nabierają coraz wykorzystywanych częstotliwości i większego znaczenia wraz ze wzrostem tak w przypadku technologii WiMAX, która została zaprojektowana do pracy w paśmie częstotliwości mikrofalowych, odgrywa ona kluczową rolę . Standard 802.16 przyjmuje dwa modele propagacji sygnału radiowego: 19 z bezpośrednią widocznością radiową pomiędzy komunikującymi się urządzeniami oraz bez bezpośredniej widoczności radiowej. W specyfikacjach sieci pracujących w paśmie GSM, propagacja sygnału radiowego ze względu na zastosowane częstotliwości fali nośnej, ma mniejszy wpływ na jakość transmisji, gdyŜ wykorzystywane pasmo jest bardziej odporne na ugięcia oraz tłumienie. W tych technologiach wykorzystuje się całkiem odmienne modele propagacyjne, niŜ w sieciach opartych na technologii WiMAX. LOS Większość systemów radiowych zaprojektowanych do pracy w pasmach mikrofalowych, wykorzystuje jako podstawowym model pracy model z bezpośrednią widocznością pomiędzy antenami - LOS (ang. Line Of Sight). Jest to model o pełnej widoczności, wymagający całkowicie przejrzystej pierwszej I strefy Fresnela. Strefa Fresnela, do której odnosi się powyŜszy model jest jednym z najwaŜniejszych pojęć w dziedzinie komunikacji radiowej. Strefa taka tworzy się pomiędzy anteną nadajnika (Tx) a anteną odbiornika (Rx). Strefę taką w przestrzeni naleŜy rozpatrywać w dwóch przekrojach: w przekroju poprzecznym stanowi ona koła, natomiast w przekroju wzdłuŜnym elipsę. Promień koła zmienia się na całej długości, stanowiącej drogę sygnału radiowego i najwyŜszą wartość przyjmuję w połowie tej drogi. Rys. 3.1:Strefa Fresnela wraz z przeszkodami 20 Pierwsza strefa Fresnela obejmuje, w kaŜdym punkcje leŜącym wzdłuŜ linii łączącej nadajnik i odbiornik koło o promieniu: gdzie: d1, d2 są odległościami czoła fali odpowiednio od anteny nadajnika (Tx) i anteny odbiornika (Rx), a λ jest długością fali, por rys. 3.2. Rys. 3.2: Rozkład parametrów strefy Fresnela Dla pojedynczej przeszkody łącze jest określane jako LOS, gdy R0>0,6R1. KaŜdy dodatkowy obiekt, który przesłania pierwszą strefę Fresnela, powoduję dyfrakcję fali radiowej oraz wprowadza dodatkowe tłumienie. Jeśli na trasie fali radiowej takich przeszkód znajduje się wiele, to warunek LOS wynika z minimalnej wartości R0/R1. Elipsoida stanowiąca strefę Fresnela, składa się z trzech wymiarów, więc przeszkody mogą występować poniŜej, z boków i powyŜej jej osi. Z zaleŜności jaka pozwala nam na wyliczenie promienia strefy Fresnela wynika jasno, Ŝe w zakresie częstotliwości radiowych w których pracują systemy oparte na specyfikacji IEEE 802.16, gdzie λ jest w granicach 0,5 cm (60GHz) do 15 cm (2GHz), promień strefy Fresnela jest duŜo większy, niŜ dla częstotliwości światła widzialnego. Brak przeszkód na trasie sygnału w zakresie częstotliwości promieniowania widzialnego (optyczna widoczność dla oka ludzkiego), nie jest równowaŜny z brakiem przeszkód w strefie Fresnela na trasie mikrofalowego łącza radiowego. NaleŜy tą 21 własność wziąć pod uwagę przy określeniu bezpośredniej widoczności pomiędzy punktami. [16] Jeśli w obszarze pierwszej strefy Fresnela pojawią się obiekty zakłócające widoczność obu anten, nastąpi znacząca redukcja mocy sygnału, co znacznie zdegraduje jakość transmisji. Standard WiMax - 802.16 równieŜ początkowo zaprojektowany został do pracy w warunkach pełnej widoczności optycznej obu anten, zapewniających czystość pierwszej strefy Fresnela na poziomie przynajmniej 60%. Wiązało się to przede wszystkim z wykorzystaniem wysokich pasm częstotliwości (10-66GHz), choć technologie umoŜliwiające pracę w modelu NLOS były juŜ dostępne, to jednak zastosowanie ich w tak wysokich pasmach było niemoŜliwe.[15] NLOS W obszarach w których zachowanie wymagań dotyczących widoczności I strefy Fresnela nie jest moŜliwe, a do takich zaliczyć moŜemy gęsto zabudowane aglomeracje miejskie, stosowany jest model NLOS (ang. Non-Line-Of-Sight), w którym sygnał dociera do odbiornika w wyniku odbić, rozproszeń i ugięć. Odbiornik odbiera kilka róŜnych sygnałów, dochodzących do niego róŜnymi ścieŜkami i w konsekwencji posiadających róŜne opóźnienia, tłumienie oraz polaryzację w odniesieniu do sygnału ścieŜki bezpośredniej. Rys. 3.3: Model NLOS 22 Stosując model NLOS, trzeba mieć na uwadze znaczne zmniejszenie zasięgu stacji bazowej. Ma to związek z większym wytracaniem mocy na drodze sygnału niŜ w środowisku LOS.[15] System WiMAX począwszy od pojawienia się standardu 802.16a, uwzględnia brak widoczności optycznej pomiędzy antenami odbiorczą i nadawczą oraz zapewnia moŜliwość utrzymania jakości transmisji w środowisku NLOS (bez widoczności optycznej). Zdolność do obsługi modelu propagacji NLOS - brak widoczności anten, wymaga zastosowania dodatkowych funkcjonalności warstwy fizycznej WiMAX, takich jak obsługa zaawansowanych technik zarządzania mocą, stosowanie wielu anten oraz mechanizmów osłabiania i współistnienia interferencji. Praca w środowisku NLOS ja juŜ wspomniano nie była moŜliwa w paśmie 10-60GHz, więc w standardzie 802.16a zdefiniowano zakres pracy częstotliwości poniŜej 11GHz. 3.3. Techniki wielodostępu, modulacji i transmisji. 3.3.1. Techniki wielodostępu Systemy radiowej transmisji danych w załoŜeniach mają być dostępne dla więcej niŜ jednego uŜytkownika, w związku z tym muszą one zapewniać wielodostęp do medium transmisyjnego. Ustalenie podziału zasobów radiowych, pomiędzy grupę terminali klienckich, przez stację nadawczą następuje z wykorzystaniem metod rywalizacji takich jak: • przepytywanie – gdzie stacja bazowa przepytuje kolejno stacje klienckie o wymagany poziom zasobów i na tej podstawie je przydziela • rezerwacja – stacja kliencka w procesie komunikacji ze stacją bazową na bieŜąco ustala poziom wymaganych zasobów wymaganych do przeprowadzenia transmisji. • rywalizacja – stacje klienckie na bieŜąco rywalizują o zasoby w kanale komunikacyjnym, a stacja bazowa przydziela je w kolejności ich zwalniania. 23 Rozwiązania wielodostępu stosowane we współczesnych technologiach transmisji bezprzewodowej, opierają się na jednym lub kilku rozwiązaniach wielodostępu z przedstawionych poniŜej: • Wielodostęp z podziałem częstotliwości FDMA (ang. Frequency Division Multiple Access). Wielodostęp w tym rozwiązaniu realizowany jest przez podział przyznanego pasma częstotliwości na kanały, kaŜdemu uŜytkownikowi przydziela się kilka nie nachodzących na siebie kanałów po których to następuje komunikacja. W tym trybie kontroluje się aby kaŜdy z przyznanych kanałów, był w danym czasie uŜywany przez jednego uŜytkownika.[10] Rys. 3.4: Wielodostęp FDMA • Wielodostęp z podziałem czasowym TDMA (ang. Time Division Multiple Access). Pojedyncza częstotliwość radiowa jest dzielona na przedziały czasowe. KaŜdy uŜytkownik przechodzi proces synchronizacji, po którym to dostaje przedział czasowy (ang. timeslot), w którym moŜe się komunikować. Technika ta jest często łączona z FDMA. [10] Rys. 3.5: Wielodostęp TDMA 24 • Wielodostęp ze specjalnym kodowaniem sygnału CDMA (ang. Code Division Multiple Access). Kanały, które zostają przypisane do uŜytkowników, wykorzystują to samo pasmo częstotliwości. Wielodostęp zorganizowany jest w tym przypadku poprzez przypisanie kaŜdemu uŜytkownikowi indywidualnego kodu, dzięki któremu jest on identyfikowany i za pomocą, którego kodowane są jego informacje. Rys. 3.6: Wielodostęp CDMA Kodowanie odbywa się z wykorzystaniem kodu Walsha, którym kodowany jest kaŜdy bit informacji. W wyniku kodowania bitu powstaje elementarna jednostka (której długość jest większa od kodowanej informacji) i nosi one nazwę chipa (ang. chip). Przykładem takiego kodowania moŜe być przypisanie dla jakiegoś uŜytkownika kodu 1101, gdzie binarnej 1 odpowiada kod 1101, a binarnemu 0 negacja kodu czyli 0010. W takim przypadku kaŜdy bit wysyłany przez i do uŜytkownika będzie kodowany przydzielonym mu kodem.[17] Rys. 3.7: Transmisja z wykorzystaniem wielodostępu CDMA 25 • Wielodostęp z podziałem na połoŜenie SDMA(ang. Space Division Multiple Access). Stosowanie tego typu wielodostępu, wymaga ukierunkowania sygnału w określone miejsce na terenie komórki, obsługiwanej przez stację nadawczą. Wykorzystuje się w tej metodzie złoŜone systemy anten inteligentnych, które potrafią emitować sygnał o określonej kierunkowości. Zaletą tego sposobu komunikacji jest to, Ŝe eliminuje się zbędny szum i interferencję. Rys. 3.8: Wielodostęp SDMA [21] • Wielodostęp z nasłuchiwaniem pasma CSMA (ang. Carrier Sense Multiple Access). Komunikacja następuje tylko wtedy, gdy pasmo jest wolne, jeśli jest zajęte to następuje wstrzymanie nadawania. Obsługa wielodostępu w systemach opartych na technologii GSM, GPRS zrealizowana jest z wykorzystaniem połączenia technik TDMA i FDMA. Jedno z nowszych rozwiązań do transmisji danych w sieciach bezprzewodowych telefonii komórkowej jakim jest UMTS wykorzystuje do realizacji wielodostępu technikę WCDMA (ang. Wideband CDMA), która jest implementacją techniki CDMA w szerokim paśmie częstotliwości. [19] WiMAX oferuje wielodostęp wykorzystując technikę TDMA, jak równieŜ jej rozszerzenie z uwzględnieniem wykorzystania wielu nośnych OFDMA, oraz opcjonalnie z wykorzystaniem anten inteligentnych SDMA. W sieciach WiMAX wykorzystuje się wszystkie z przedstawiony wyŜej metod rywalizacji.[7][8][9] 26 3.3.2. Techniki transmisji danych Współczesne technologie zapewniające dostęp bezprzewodowy za pomocą radiowego medium transmisji, wykorzystują w swym działaniu złoŜone techniki transmisji danych, w których wykorzystywane są technologie podziału kanału transmisyjnego na wiele częstotliwości podnośnych oraz stosowane są jedna lub kilka metod modulacji sygnału fali nośnej lub podnośnych. W zaleŜności od wykorzystywanej techniki transmisji, modulacji oraz kodowania informacji, poszczególne rozwiązania uzyskują róŜne wydajności transmisyjne. W systemach GSM, w których jako pierwszych z systemów telefonii komórkowej zaimplementowano usługi transmisji danych, wykorzystano modulację GMSK wraz z systemem transmisji opartym na przełączaniu kanałów (Circuit Switched Data – CSD), która pozwalała na maksymalną transmisję na poziomie 9,6kbps w jednej szczelinie czasowej. Kolejne rozwiązanie HSCSD (ang. High Speed Circuit Switched Data) wykorzystujące tą samą technologię modulacji, ale inne metody kodowania, pozwala na osiągnięcie transmisji na poziomie 14,4 kbps w jednej szczelinie czasowej. W powyŜszym rozwiązaniu na potrzeby transmisji moŜe być wykorzystywane do czterech szczelin co zwiększa teoretyczną szybkość transmisji do poziomu 57,6 kbps. [18] PowyŜsze technologie wykorzystywane w transmisji GSM, pracowały na zasadzie komutacji kanałów, które stanowiły przyznane na czas transmisji szczeliny czasowe. Kolejnym rozwiązaniem, które pojawiło się w systemach telefonii komórkowej była transmisja opierająca się na komutacji pakietów (umieszczania w kolejnych szczelinach pakietów uŜytkownika) GPRS, w której wprowadzono nową modulację sygnału 8-PSK (EDGE) i dzięki temu uzyskano większe moŜliwości transmisji na poziomie 553,5 kbps. Wprowadzenie technologii UMTS, opartej na technologii WCDMA, w której wykorzystuje się metodę wielodostępu CDMA wraz z uŜyciem szerokiego pasma transmisji, zwiększyło poziom przesyłu informacji w najnowszych rozwiązaniach (HSDPA/HSUPA) do prędkości 14Mbps. Technologia WiMAX w rozwiązaniach mobilnych dzięki wykorzystaniu techniki OFDMA wraz z technikami wieloantenowymi (MIMO) pozwala na osiągniecie transmisji na poziomie 46Mbps. 27 WiMAX korzysta z kilku rozwiązań warstwy fizycznej, które pozwalają na osiągnięcie takich przepustowości i zostaną one pokrótce przedstawione w następnych podrozdziałach. 3.3.3. Obsługa transmisji dwukierunkowej Standard WiMAX podobnie jak rozwiązania GSM moŜe pracować w trybie FDD (ang. Frequency Division Duplex), co oznacza transmisję dupleksową z podziałem częstotliwościowym, gdzie nadawanie i odbiór realizowane są na osobnych kanałach radiowych, przez co mogą odbywać się jednocześnie. Nie występuje wtedy wzajemne zakłócanie obu sygnałów. Rys. 3.9: Tryb dupleksu FDD [14] Ze względu na uregulowania prawne, w Polsce (jak i w większości krajów) podstawową trybem transmisji w pasmach licencjonowanych, zarówno dla systemów punkt-punkt (radiolinie) jak i punkt-wielopunkt jest FDD. Otrzymując zezwolenie radiowe otrzymujemy do dyspozycji kanał dwuczęstotliwościowy. Czyli rezerwując kanał dupleksowy 7MHz, otrzymujemy w rzeczywistości dwa pojedyncze (simpleksowe) kanały 7MHz, obejmujące łącznie 14MHz widma.[14] W układzie z architekturą TDD (ang. Time Division Duplex) transmisja odbywa się z dupleksowym podziałem czasowym. Oznacza to, Ŝe nadawanie i odbiór odbywają się na w tym samym kanale radiowym i tylko w jednym kierunku w danym momencie. 28 TDD jest podstawowym trybem transmisji sieciach WiMAX opartych na standardach 802.16d oraz 802.16e. Rys. 3.10: Tryb dupleksu TDD [14] Zalety TDD: • Nie występują zakłócenia pomiędzy sygnałami nadawania i odbioru, • Znaczne oszczędności mocy, • Tania konstrukcja, • Łatwe do zaimplementowania z technikami anten inteligentnych, • Dowolnie regulowany stosunek downloadu do uploadu. 3.3.4. OFDM Specyfikacje standardu WiMAX związane z grupą standardów 802.16, przewidują róŜne techniki transmisji danych w warstwie fizycznej. W pierwszych dwóch standardach, podobnie jak w systemach transmisji danych GSM, GPRS wykorzystano do przesyłu techniki modulacji i kodowania wykorzystujące modulacje pojedynczej nośnej. W standardzie 802.16d jak równieŜ w 802.16e wykorzystano technikę zwielokrotnienia z podziałem częstotliwości OFDM (ang. Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing), która pozwala na transmisję jednego strumienia danych w wielu podnośnych. Działanie tego typu techniki polega na rozdzieleniu strumienia bitów, jaki ma być transmitowany na kilkanaście równoległych strumieni, które będą transmitowane z uŜyciem roŜnych podnośnych. Podnośne są wybierane tak, aby kaŜdy 29 zmodulowany strumień był ortogonalny w stosunku do innych, dzięki temu eliminowane są zakłócenia międzykanałowe.[10][16][20] Technika ta podobna jest w zasadzie działania do techniki FDM (ang. FrequencyDivision Multiplexing), gdzie całe dostępne pasmo kanału podzielone jest na nie zachodzące na siebie podnośne, tak jak przedstawia to rysunek poniŜej. KaŜda z podnośnych transmituje przy takim podziale oddzielny strumień bitów, lecz dla zapewnienia odporności na zakłócenia stosuje się odstępy ochronne pomiędzy nimi. Rys. 3.11: Podział częstotliwości z wykorzystaniem FDM W technice OFDM podział taki dokonany jest podobnie z tą róŜnicą, iŜ uzyskane w wyniku podziału podnośne zachodzą na siebie, ale są względem siebie prostopadłe w sensie matematycznym, co czyni ich odpornymi na wzajemne zakłócanie się. Uzyskuje się dzięki temu, moŜliwość podziału kanału na większą liczbę zdolnych do transmisji podnośnych. Ortogonalność uzyskuje się dzięki zastosowaniu w podziale częstotliwości algorytmu wykorzystującego szybką transformate Fouriera FFT (ang. Fast Fourier Transformation), a dokładniej jej odwrotność w przypadku kodowania strumienia bitów. Rys. 3.12: Podział częstotlwisći z wykorzystaniem OFDM W dziedzinie częstotliwości, podział kanału transmisji w technice OFDM zrealizowany jest jak juŜ wspomniano, przez podział pasma na podnośne. W budowie takiego kanału transmisji w zaleŜności od zastosowań podnośne podzielić moŜna na: 30 Podnośne przenoszące dane (ang. Data Sub-carriers) których są wykorzystywane w transmisji danych w sieci. Podnośna DC i ochronne (ang. DC and Guard Sub-carriers) których zadaniem jest kontrola transmisji oraz zachowanie marginesu ochronnego pomiędzy wykorzystywanymi częstotliwościami w innymi kanałami. Podnośne ochronne powstają w wyniku uŜycia algorytmu FFT, który wymaga uŜycia 2n podnośnych co pozwala z dostępnego pasma wygospodarować dodatkowe podnośne które nie będą uŜywane przez algorytm. Kanały te nie przenoszą Ŝadnych informacji cyfrowych jedynie ich amplituda jest podstawą do ich identyfikacji. Podnośna DC (ang. divided carrier ) jest główną nośną która podlega podzieleniu. Podnośne pilotujące (ang. Pilot sub-carriers) – wykorzystywane w róŜnych operacjach szacunkowych i synchronizacji odbiornika. Na rysunku poniŜej przedstawiono rozmieszczenie podnośnych w kanale oraz odwzorowanie ich amplitudy. Rys. 3.13: Podział na podnośne w technice OFDM [20] Podział kanału komunikacyjnego na podkanały, następuje w przypadku OFDM poprzez grupowanie aktywnych podnośnych (przenoszących oraz pilotujących) w grupy, z których kaŜda taka grupa stanowi pojedynczy podkanał. Wchodzące w skład podkanału podnośne nie mogą być sąsiadującymi podnośnymi. 31 W dziedzinie czasu, transmisja z wykorzystaniem OFDM odbywa się jak w większości systemów cyfrowych za pomocą szczelin czasowych, które w technice OFDM są określane mianem symboli o czasie trwania Ts. W technice OFDM kaŜdy symbol składa się z cyklicznego prefiksu CP (ang. cyclic prefix) o czsie trwania Tg, który jest kopią końcowej porcji danych symbolu OFDM i wykorzystywany on jest w celu zwiększenia odporności transmisji w warunkach odbioru wielodrogowego. Stanowi on równieŜ czas ochronny pomiędzy symbolami. Kolejnym elementem takiego symbolu jest czas uŜyteczny Tu, w którym transmitowane są dane uŜytkowe (ang. data payload). Specyficzny parametr CP (Tg/Tu) ustalany jest w procesie inicjalizacji stacji bazowej i jest wykorzystywany w łączu w dół DL. KaŜda stacja odbiorcza w łączu w górę UL, powinna stosować taki sam parametr CP. [20] Rys. 3.14: Struktura symbolu OFDM [20] Transmisję z wykorzystaniem OFDM w dziedzinie czasu oraz częstotliwości przedstawia rysunek 3.15. Rys. 3.15: Rozmieszczenie zasobów przy transmisji z wykorzystaniem OFDM 32 3.3.5. OFDMA Technologia mobilna WiMAX wprowadza nowy sposób zarządzania dostępnym pasmem częstotliwości, poprzez zastosowanie techniki łączącej OFDM wraz z wielodostępem w dziedzinie częstotliwości. OFDMA (ang. Orthogonal Frequency Division Multiple Access) jest techniką wielodostępu wykorzystującą technikę podziału częstotliwości OFDM wraz z podziałem na podkanały. Rozwiązanie to polega na przydziale róŜnych podkanałów róŜnym uŜytkownikom, co pozwala na dynamiczne alokowanie zasobów w zaleŜności od wymagań uŜytkowników. OFDMA zapewnia równieŜ moŜliwość, dopasowania mocy sygnału nadawanego do poziomu jakościowego kanału, co jest istotne w przypadku obsługi uŜytkowników mobilnych. Rys. 3.16: Wielodostęp z wykorzystaniem techniki OFDMA [20] Wersja mobilna WiMAX pozwala na skalowanie liczby podnośnych OFDMA w celu dostosowania do szerokości kanału. 3.3.6. Parametry OFDM w rozwiązaniach WiMAX W technologii WiMAX, która jest bardzo elastyczną technologią moŜna stosować, pod względem parametrów róŜne implementacje warstwy fizycznej, opartej na OFDM . Stacjonarna implementacja WiMAX-a bazująca na standardzie IEEE 802.16d jest mniej rozbudowana pod względem parametrów OFDM, gdyŜ nie posiada ona wsparcia mobilności i w związku z tym określone dla niej parametry, pozwalają na wydajną prace jedynie ze stacjami stacjonarnymi lub przenośnymi terminalami klienckimi. Mobilna wersja WiMAX-a (802.16e), która musi radzić sobie z większymi 33 wymaganiami w stosunku do warstwy fizycznej, pozwala na skalowanie parametrów OFDMA w zaleŜności od potrzeb oraz dostępnych zasobów częstotliwościowych czy uregulowań prawnych. Podstawowe parametry OFDM dla warstwy fizycznej opartej na tych dwóch standardach przedstawia tabela poniŜej.[8][9][10] Parametr FFT rozmiar Ilość uŜywanych podnośnych Ilość pilotowych podnośnych Ilość pustych/ochronncyh podnośnych Współczynnik rozmiaru CP lub odstępu ochronnego (Tg/Tb) Współczynnik oversamplingu (Fs/BW) Szerokość kanału (MHz) Odstęp pomiędzy podnośnymi (kHz) UŜyteczny czas symbolu (μs) Odstęp ochronny 12,5 % pomiędzy 802.16d (OFDM) 256 192 8 56 802.16e (OFDMA) 128 1024 512 72 720 360 12 120 60 44 184 92 1/32, 1/16, 1/8, ¼ 2048 1440 240 368 ZaleŜny od szerokości pasma: 7/6 dla 256 OFDM, 8/7 dla wielokrotności 1,75MHz, 28/25 dla wielokrotności 1,25MHz, 1,5MHz, 2MHz lub 2,75MHz 3,5 1,25 10 20 5 15,625 10,94 64 91,4 8 11,4 symbolami (μs) Czas trwania symbolu OFDM (μs) Ilość symboli OFDM w 5ms ramce 72 69 102,9 48 Tab. 3.1: Parametry symbolu OFDM w technologii WiMAX [10] Stacjonarny WiMAX W implementacji stacjonarnej WiMAX rozmiar transformaty Fouriera FFT wynosi 256 podnośnych, gdzie 192 są wykorzystywane jako przenoszące dane, 8 jako pilotujące dla oszacowania kanału transmisji i synchronizacji, reszta jako pasmo ochronne, które jest rozmieszczane symetrycznie po obu stronach wykorzystywanych podnośnych. Przyjęcie stałej FFT wiąŜe się z tym, iŜ odstępy między podnośnymi zmieniają się wraz ze wzrostem szerokości pasma kanału. Wraz ze wzrostem szerokości pasma, wzrastają odstępy między podnośnymi, a maleją czasy trwania symbolu, co wiąŜe się ze zwiększeniem czasy interwałów ochronnych w celu zapewnienia prawidłowej transmisji, w środowisku z występowaniem wielodrogowości. Dla zapewnienia maksymalnej odporności na błędy stosuje się 25% interwał ochronny, który daje opóźnienie ramki 16 µs w kanale 3,5MHz, a 8 µs w kanale 7MHz. W naprawdę dobrym 34 kanale pod względem wielodrogowości, moŜna zredukować interwał ochronny do poziomu 3%.[10] Mobilny WiMAX W mobilnym WiMAX-ie stosuje się skalowalny rozmiar FFT w zakresie od 128 do 2048. W tym przypadku zwiększenie dostępnej szerokości pasma wiąŜe się ze zwiększeniem rozmiaru FFT, przy zachowaniu stałego odstępu pomiędzy podnośnymi, wynoszącego 10.94kHz. Utrzymanie takiego stałego odstępu, pozwala zachować niezmienny rozmiar symbolu OFDM, co pozwala z kolei na minimalną ingerencję w wyŜsze warstwy sieciowe. Taki stały odstęp pomiędzy podnośnymi pozwala na osiągnięcie opóźnienia międzysymbolowego do 20µs oraz poruszanie się stacji klienckiej z prędkością do 120km/h, przy załoŜeniu wykorzystania kanału 3,5MHz.[10] 3.3.7. Definicja slotu i format ramki transmisyjnej Zadaniem warstwy fizycznej PHY w technologii WiMAX, jest zarządzanie slotami oraz ramkami, które są podstawowymi jednostkami alokacji danych uŜytkownika oraz danych komunikatów wymienianych pomiędzy stacją nadawczą BS a stacją kliencką SS. Minimalne zasoby czasowe i częstotliwościowe, które mogą zostać przydzielone przez warstwę PHY noszą nazwę slotu. KaŜdy taki slot składa się z podkanału oraz jednego, dwóch lub trzech symboli OFDM w zaleŜności od uŜytego schematu podziału na podkanały. Seria sąsiadujących slotów przydzielona do uŜytkownika, określana jest mianem obszaru danych (ang. data region). Algorytm szeregujący moŜe przydzielić obszary danych róŜnym uŜytkownikom, w zaleŜności od ich wymagań oraz jakości kanału radiowego. [8] Podstawową jednostką transmisji w warstwie fizycznej jest ramka danych, której przykładową budowę w przypadku wykorzystywania techniki OFDM/OFDMA w trybie dupleksu TDD przedstawiono poniŜej. 35 Rys. 3.17: Budowa ramki DL i UL [10] Ramka taka jest podzielona na dwie ramki, jedna dla transmisji w kierunku „w dół” (ang. downlink), tj. nadawana przez stację bazową BS do stacji klienckiej SS oraz druga dla transmisji „w górę” (ang. uplink), tj. wykorzystywana w przypadku transmisji od SS do BS. Pomiędzy tymi ramkami występuje krótka przerwa (interwał ochronny), którya słuŜy do przełączenia się stacji z trybu nadawania na odbiór. Współczynnik długości ramek moŜe przyjmować zakres od 3:1 do 1:1 w zaleŜności od rozkładu prędkości transmisji. W przypadku transmisji w trybie dupleksu FDD struktura ramki wygląda podobnie, z tą róŜnicą, Ŝe ramki DL i UL transmitowane są z wykorzystaniem oddzielnych kanałów (częstotliwości).[10] Ramka dla łącza w dół zaczyna się preambułą, która jest uŜywana w procedurach warstwy fizycznej takich jak czasowa i częstotliwościowa synchronizacja oraz wstępna inicjalizacja kanału. Po preambule występuje nagłówek kontrolny ramki FCH (ang. frame control header), który zawiera informację odnośnie parametrów ramki, takich jak długość komunikatu MAP, schemat modulacji i kodowania oraz ilość uŜywanych podnośnych. W ramce transmisyjnej przedstawionej na rys. 3.17 uŜytkownikom są przypisane obszary danych (składające się z przydzielonych slotów oraz regionów), których alokacja opisana jest za pomocą komunikatów MAP (dla ruchu w dół DL_MAP, a dla ruchu w górę UL_MAP) ,które występują po nagłówku FCH. Tego typu pola mogą być stosowane dla wszystkich uŜytkowników i definiować parametry takie jak: schemat modulacji i kodowania oraz przyznane parametry kanałów. Stosuję 36 się równieŜ indywidualne umieszczanie komunikatów MAP w porcjach danych przeznaczonych dla kaŜdego uŜytkownika (DL Burst). WiMAX jest bardzo elastyczny w kwestii rozmieszczania pakietów w pojedynczej ramce, która moŜe zawierać wiele porcji danych o róŜnej strukturze i dla wielu uŜytkowników. Rozmiar ramki moŜe zmieniać się w zakresie od 2ms do 20ms i wszystkie porcje danych przenoszone w takiej ramce, równieŜ mogą mieć róŜny rozmiar, co pozwala na przenoszenie całych pakietów (lub ich fragmentów) pochodzących z warstw wyŜszych. W chwili obecnej urządzenia, które są wprowadzane na rynek, posiadają moŜliwość transmisji najmniejszej ramki o długości 5ms. [10] Ramka transmisji w górę składa się z wielu porcji danych, pochodzących od róŜnych uŜytkowników. Ramka ta wykorzystywana jest równieŜ w celu przeprowadzenia wstępnych ustawień (ang. ranging) czasowych i częstotliwościowych w procesie włączania się stacji SS do sieci. Taki kanał (ranging) do transmisji ustawień, słuŜy równieŜ do dostarczania informacji dla BS o jakości kanału transmisyjnego, co umoŜliwia dostosowanie parametrów ramki transmisji w dół. 37 3.3.8. Modulacja adaptacyjna Modulacja adaptacyjna pozwala na zmianę techniki modulacyjnej wraz ze wzrostem spadku jakości sygnału w kanale. W technologii WiMAX uniknięto uciąŜliwego zjawiska występującego w sieciach komórkowych bazujących na technologii wielodostępu CDMA (UMTS,1xEVDO), a mianowicie oddychania komórki. Zjawisko powyŜsze polega na tym, iŜ wraz ze wzrostem ruchu wewnątrz komórki zmniejsza się stosunek sygnału do interferencji i jednocześnie następuje nakładanie się sygnałów transmitowanych przez poszczególnych uŜytkowników. Takie zjawisko wiąŜe się ze zwiększeniem mocy sygnału uŜytkowników znajdujących się w pobliŜu stacji nadawczej i zakłócaniu sygnałów uŜytkowników, znajdujących w dalszej odległości, a co za tym idzie zmniejsza się efektywny promień komórki.[17] W technologii WiMAX problem powyŜszy rozwiązano poprzez zastosowanie modulacji adaptacyjnej polegającej na dynamicznym dostosowywaniu modulacji w zaleŜności od ostępu sygnał-szum (SNR) w podkanale radiowym. W przypadku dobrych warunków panujących w podkanale wybierany jest najlepszy schemat modulacyjno-kodowy, który pozwala na transmisję o wysokiej przepustowości. Gdy sygnał zanika następuje przełączenie na niŜszą modulację, w celu zachowania stabilności sygnału. Proces ten zobrazowany jest na rysunku poniŜej.[10] Rys. 3.18: Modulacja adaptacyjna 38 Standard 802.16 dopuszcza stosowanie czterech schematów modulacyjnych: BPSK, QPSK, 16QAM oraz 64QAM. Zdefiniowano takŜe siedem kombinacji modulacji i technik kodowych, dzięki którym moŜna uzyskać róŜne przepustowości oraz zasięgi w zaleŜności od warunków kanałowych i interferencyjnych.[7] Modulacja adaptacyjno kodowa stosowana jest w technologii WiMAX zarówno w kanale w dół jak i w górę, co jest odmienne w stosunku do systemów telefonii komórkowej, gdzie stosowanie modulacji adaptacyjnej wykorzystywane jest jednie w kanale w dół. W systemach WiMAX w zaleŜności od przyjętego sposobu modulacji oraz kodowania sygnału, moŜemy osiągnąć róŜne przepustowości warstwy fizycznej, co przedstawione jest w tabeli poniŜej. a) System WiBro wdroŜony w Korei Tab. 3.2: Szybkość transmisji w rozwiązaniach WiMAX w zaleŜności od typu modulacji i kodowania [10] Przedstawione poziomy szybkości transmisji w warstwie fizycznej są teoretycznymi danymi, które mogą zostać uzyskane przez uŜytkowników pracujących w obrębie pojedynczego sektora stacji BS, z wykorzystaniem trybu dupleksu TDD i przyjętemu stosunkowi prędkości DL/UL równemu 3:1. Obliczenia zostały wykonane dla ramki o rozmiarze 5ms, interwale ochronnym Tg stanowiącym 12,5% pola uŜytecznego symbolu oraz schemacie rozmieszczenia podnośnych PUSC. [10] 39 3.4. Opcjonalne rozwiązania warstwy PHY 3.4.1. Zaawansowane techniki antenowe W standardach 802.16d oraz 802.16e zdefiniowano moŜliwość wykorzystania najnowszych technik antenowych w celu zwiększenia jakości transmisji jak i szybkości. Techniki takie w dotychczasowych rozwiązaniach komercyjnych nie były stosowane, chociaŜ w rozwinięciach technologii UMTS zostały niektóre z nich równieŜ przewidziane. WiMAX pozwala na zastosowania rozwiązań antenowych typu AAS oraz MIMO. Zawansowany System Antenowy AAS (ang. Advenced Antena System), który pozwala na skierowanie wiązki wypromieniowanej z anteny (czyli zmianę jej charakterystyki kierunkowej) w kierunku jednego uŜytkownika lub ich grupy, co w przypadku zastosowania tego typu zespołu umoŜliwia lepsze pokrycie terenu oraz umoŜliwia lepszy podział zasobów jak równieŜ uniknięcie obszarów o wysokich interferencjach.[16] Techniki wielotorowe MIMO (ang. Multiple Input Multiple Output) wykorzystują roŜną liczbę torów nadawczych jak i odbiorczych. Stosowane są w celu zwiększenia przepływności toru radiowego i występować mogą zarówno po stronie nadajnika jak i odbiornika. Zastosowanie takich technik wielotorowych w łączach punkt-punkt zwiększa przepływność systemu liniowo w zaleŜności od ilości zastosowanych anten. Na przykład technika MIMO 2x2 zwiększa prędkość dwukrotnie. Często MIMO wykorzystuje multipleksację przestrzenną SM (ang. Spatial Multiplexing) polegającą na przesyłaniu kodowanych strumieni danych za pośrednictwem róŜnych domen jak równieŜ technikę kodowania przestrzenno-czasowego STC (ang. Space Time Coding) polegającą na przestrzennym i czasowym podziale informacji, które są transmitowane przez poszczególne anteny. W zaleŜności od wykorzystywanej liczby anten techniki te dzielimy na: 40 SIMO (ang. Single Input Multiple Output) jedna antena do nadawania a N do odbioru. Odbiornik moŜe wybierać jedną z anten do odbioru najlepszego sygnału lub teŜ stosować kombinację sygnałów wszystkich anten w celu uzyskania lepszego stosunku sygnału do szumu. MISO (ang. Multiple Input Single Output) N anten nadawczych a jedna odbiorcza. Wykorzystanie techniki nadawania zbiorczego. MIMO (ang. Multiple Input Multiple Output) N anten (torów) nadawczych N anten (torów) odbiorczych tworzy tory transmisji o o parametrach statystycznie niezaleŜnych. :2 1:1 0:1 W mobilnej wersji WiMAX stosowana jest technika MIMO pozwalająca wykorzystać technikę STC jak i SM, razem lub osobno. MoŜliwe jest dynamiczne przełączane pomiędzy tymi trybami w zaleŜności od warunków w kanale i nazywane jest to adaptacyjnym przełączaniem MIMO – AMS (ang. Adaptive MIMO Switching). Technika MIMO stosowana jest głównie w celu zwiększenia przepustowości łącza. W tabeli poniŜej przedstawione są szczytowe prędkości, moŜliwe do uzyskania przy róŜnych konfiguracjach antenowych oraz róŜnych stosunkach prędkości DL i UL. Podane dane dotyczą szczytowej prędkości dla uŜytkownika (ang. User Peak Rate) oraz dla sektora stacji BS (ang. Sektor Peak Rate).[21] Tab. 3.3: Szybkość transmisji przy róŜnych rozwiązaniach torów nadawczo-odbiorczych [21] 41 3.4.2. Mechanizm korekcji błędów H-ARQ Z punktu widzenia uŜytkownika systemu transmisji danych, najwaŜniejsze są jego dwa parametry: szybkość transmisji i wierność odbieranych danych. Przy rozwiązaniu tego problemu uŜywane jest kodowanie nadmiarowe, czyli dopisywanie do bitów informacyjnych, w pewien wykorzystanego kodu) kontrolowany dodatkowych sposób bitów. Bity (uzaleŜniony nadmiarowe od rodzaju mogą zostać wykorzystane do detekcji błędów lub korekcji błędów (system FEC - Forward Error Correction). Wykorzystanie systemów kodowania korekcyjnego nie daje pełnej gwarancji skorygowania błędów, więc w systemach przeznaczonych do przesyłania danych stosuje połączenie technik wykrywania i korekcji błędów połączonych z retransmisją błędnych bloków czyli techniką ARQ. Taka hybryda dwóch technik stosowana jest pod nazwą HARQ (ang. Hybrid ARQ) Technologia WiMAX podobnie jak stosowany w telefonii 3G system UMTS wspiera wykorzystanie techniki HARQ w trzech jej odmianach HARQI, II, III. [10] 3.4.3. Częściowe uŜycie częstotliwości Sieć WiMAX moŜe podobnie jak sieci komórkowe, składać się z wielu sąsiadujących stacji bazowych w celu zapewnienia pokrycia określonego terenu. W tego typu rozwiązaniach najlepszym sposobem wykorzystania widma jest praca wszystkich sektorów oraz stacji bazowych na tej samej częstotliwości (współczynnik wykorzystania 1). Jednak w wielu systemach takie wykorzystanie częstotliwości jest kłopotliwe ze względu na zakłócenia, jakie pojawiają się na granicach komórki. W technologii WiMAX, biorąc pod uwagę wykorzystywane w transmisji OFDM podkanały, wydziela się większą część podkanałów do transmisji do uŜytkowników w pobliŜu BS, a mniejszą na obrzeŜach komórki, przy zachowaniu zmienności takich podzbiorów w róŜnych komórkach. Rozwiązanie takie pozwala na stosowanie tych samych częstotliwości w poszczególnych komórkach, co pozwala na maksymalne wykorzystanie dostępnego pasma transmisji.[21] 42 Rys. 3.19: Rozwiązanie ponownego uŜycia częstotliwości.[21] 43 4. Warstwa dostępu do nośnika MAC W poprzednim rozdziale przedstawiona została warstwa fizyczna PHY standardu WiMAX, którą porównać moŜemy do warstwy 1 modelu warstwowego OSI. Głównym załoŜeniem warstwy fizycznej jest wiarygodne dostarczenie informacji bitowej z nadajnika do odbiornika, wykorzystując fizyczne medium transmisji, którym w przypadku technologii WiMAX jest fala radiowa. Budowa i przeznaczenie tego typu warstwy nie zapewnia obsługi kluczowych aspektów transmisji takich jak: obsługa jakościowa połączenia QoS, zestawienie połączenia i jego bieŜące utrzymywanie, lecz fizycznym medium a procesami stanowi ona jedynie interfejs pomiędzy zarządzającymi transmisją jakimi są usługi warstwy dostępu do medium MAC (ang. Media Access Layer). Warstwa MAC znajdująca się w modelu referencyjnym nad warstwą fizyczną jest odpowiedzialna za ustanawianie i zarządzanie wieloma róŜnymi połączeniami z wykorzystaniem jednego fizycznego nośnika. Do najwaŜniejszych funkcji warstwy MAC w standardzie WiMAX naleŜy zaliczyć: • Segmentacje lub scalanie jednostek danych SDU (ang. Service Data Unit) otrzymywanych z warstw wyŜszych oraz umieszczanie ich w jednostkach danych PDU (ang. Protocol Data Unit), które są podstawowymi jednostkami którymi operuje warstwa MAC. • Zarządzanie błędami transmisji i retransmisja PDU w przypadku kiedy wykorzystywany jest mechanizm automatycznego powtarzania transmisji ARQ (ang. Automatic Request). • Zarządzanie jakością transmisji QoS i priorytetami jednostek PDU pochodzącymi z róŜnych źródeł. • Zarządzanie rozkładem PDU w zasobach radiowych warstwy PHY. • Wspieranie warstw wyŜszych w pracy w środowisku mobilnym. • Zarządzanie bezpieczeństwem połączeń. • Zarządzania mechanizmami oszczędzania energii oraz trybem bezczynności. • Wspieranie róŜnych trybów pracy sieci (sieci kratowe, punkt-punkt, punkwielopunkt). Warstwa MAC w standardzie WiMAX jak juŜ wspomniano wcześniej, została podzielona na odrębne komponenty: podwarstwę konwergencji (zbieŜności) usług (CS), podwarstwę wspólną (CP), oraz podwarstwę zapewniającą bezpieczeństwo połączeń. 44 Podwarstwa CS która w załoŜeniu stanowi interfejs pomiędzy warstwą MAC i warstwą 3 sieci, odbiera pakiety danych z warstw wyŜszych, które nazywane są SDU (ang. Service Data Unit). Podwarstwa CS jest odpowiedzialna za wykonanie wszystkich operacji które są związane z naturą protokołów warstw wyŜszych, czyli kompresje nagłówków i mapowanie adresów. Podwarstwa wspólna warstwy MAC wykonuje wszystkie operacje na pakietach, które są niezaleŜne od warstw wyŜszych, takie jak fragmentacja i łączenie jednostek SDU w jednostki PDU, transmisje stworzonych PDU, zarządzanie poziomem usług QoS, oraz retransmisją uszkodzonych PDU z wykorzystaniem techniki ARQ. Podwarstwa bezpieczeństwa jest odpowiedzialna za kodowanie, autoryzację oraz prawidłową wymianę kluczy kodujących pomiędzy stacją bazową BS a stacją kliencka SS. [10] 4.1. Tryby pracy sieci WIMAX Sieci WiMAX mogą działać w dwóch trybach – tryb punkt-wielopunkt PtMP (ang. Point to Multi Point) oraz tryb kraty (ang. mesh) . W pierwszym z wymienionych trybów punktem centralnym jest stacja bazowa BS, za pomocą której komunikują się wszystkie pozostałe urządzenia w sieci WiMAX. Stanowi ona miejsce styku z innymi sieciami podłączonymi za pomocą kabla lub połączeń radiowych. Mamy tutaj sytuację podobną do sieci komórkowych w której podobnie moŜemy wyróŜnić stację bazową oraz terminale klienckie. [16] BS SS SS SS SS SS Rys. 4.1: Technologia transmisji PtMP 45 Innym trybem, w którym moŜna wykorzystać urządzenia bazujące na technologii WiMAX, jest tryb połączenia pomiędzy stacjami nadawczymi typu backhaul. Stosuje się tutaj ograniczony tryb PtMP, a mianowicie tryb punkt-punkt PtP (ang. Point to Point). W trybie tym mamy do czynienia z komunikacją pomiędzy dwiema stacjami, co pozwala na osiągnięcie maksymalnych poziomów transmisji pomiędzy komunikującymi się urządzeniami. BS BS Rys. 4.2: Transmisja PtP Tryb kraty natomiast jest rozwiązaniem w sytuacji kiedy pewne stacje bazowe nie mają bezpośredniej łączności z częścią przewodową sieci. W takim wypadku, zamiast łącza przewodowego do sieci zewnętrznej wykorzystywane jest połączenie radiowe do innej stacji bazowej. Inną sytuacją, w której moŜemy zastosować tryb mesh, jest połączenie pomiędzy uŜytkownikami lub wykorzystanie terminala uŜytkownika, przez inne terminale do łączności ze stacją bazową. W trybie kraty, gdzie kaŜde urządzenie abonenckie moŜe komunikować się z kaŜdym jest rozwiązaniem, które moŜe zapewnić duŜo większe pokrycie terenu przez daną sieć. Tryb tego typu przewidziany jest w sieciach WiMAX, pracujących głównie z wykorzystaniem warstwy fizycznej WirelessHUMAN, czyli dla pasma nie licencjonowanego 5-6 GHz.[16] Tryby pracy sieci mogą zostać zastosowane łącznie w celu większego pokrycia terenu czy teŜ odciąŜenia stacji bazowych. Sytuację wykorzystania przedstawionych trybów pracy w budowie sieci przedstawia rysunek 4.3. 46 wszystkich Rys. 4.3: RóŜne tryby pracy sieci WiMAX 4.2. Podwarstwa konwergencji usług (SC) W technologii WIMAX, która od podstaw zaprojektowana została do transmisji danych, w warstwie dostępu do medium uwzględniono obsługę większości protokołów warstw wyŜszych z zapewnieniem bezproblemowego przenoszenia ich poprzez zasoby warstwy fizycznej. Zadaniem przekształcenia struktur danych warstw wyŜszych, zajmuje się w technologii WiMAX wyspecjalizowana podwarstwa MAC, słuŜąca do konwergencji usług CS (ang. Convregation Sublayer). W technologii WiMAX zaprojektowano dwa typy podwarstw konwergencji, z których pierwsza zajmuje się transmisją komórek protokołu ATM, a druga przekształcaniem do warstw niŜszych protokołów opartych o transmisję pakietową, takich jak ramki Ethernetowe czy jedne z najpopularniejszych w dobie Internetu pakiety IP.[10] MoŜliwość transmisji tak wielu protokołów, daje moŜliwość świadczenia usług w wielu technologiach sieciowych. Systemy transmisji danych w telefonii komórkowej, zorientowane są głownie na transmisje z wykorzystaniem protokołu IP i nie zapewniają przenoszenia struktur innych protokołów warstw wyŜszych. 47 Wartość Warstwa konwergencji (zbieŜności) 0 ATM CS 1 Packet CS IPv4 2 Packet CS IPv6 3 Packet CS 802.3 (Ethernet) 4 Packet CS 802.1/Q VLAN 5 Packet CS IPv4 over 802.3 6 Packet CS IPv6 over 802.3 7 Packet CS IPv4 over 802.1/Q VLAN 8 Packet CS IPv6 over 802.1/Q VLAN 9 Packet CS 802.3 z opcją znaczników VLAN i kompresją nagłówka ROHC 10 Packet CS 802.3 z opcją znaczników VLAN i kompresją nagłówka ERTCP 11 Packet IPv4 z kompresją nagłówka ROHC 12 Packet IPv6 z kompresją nagłówka ROHC 13-31 Zarezerwowane Tab. 4.1: Rodzaje obsługiwanych protokołów w podwarstwie CS Podwarstwa CS oprócz kompresji nagłówków jest równieŜ wykorzystywana do odwzorowania adresacji warstw wyŜszych (takich jak adresowanie IP) z jednostek SDU na PDU. Działanie tej podwarstwy polega na dwukierunkowym odwzorowywaniu powyŜszych informacji. 4.2.1. Likwidacja nadmiarowści nagłówków PHS Jednym z kluczowych zadań podwarstwy CS jest usuwanie nadmiarowej informacji nagłówków pakietów (PHS). Przy transmisji usuwane są powtarzające się elementy nagłówków wszystkich struktur SDU. Przykładowo jeŜeli SDU dostarczane do podwarstwy CS są pakietami IP, wszystkie dostarczone pakiety zawierają w nagłówku ten sam adres docelowy jak i źródłowy, który nie zmienia się w ciągu dostarczonych pakietów i moŜe zostać zastąpiony mniejszym polem indeksowym z większości pakietów w celu efektywniejszej transmisji torem radiowym. Protokół PHS wymaga synchronizacji stacji nadawczej BS ze stacją odbiorczą SS. Stacja odbierająca musi umieścić usunięte nagłówki w SDU w celu przekazania ich warstwą wyŜszym. W WiMAX, PHS jest stosowana opcjonalnie, jednak moŜe okazać się niezbędna w związku z zapewnieniem obsługi takich usług jak VoIP.[10] 48 Operacje wykonywane na nagłówkach bazują na określonych regułach PHS, które definiują wszystkie parametry nagłówka przewidziane do redukcji w SDU. Po otrzymaniu SDU podwarstwa CS wybiera odpowiednią regułę bazując na takim parametrze jak adres przeznaczenia i docelowy. Reguły wykorzystywane w PHS mogą być uzaleŜnione równieŜ od typu usług takich jak VoIP, HTTP lub FTP, gdzie liczba bitów przeznaczonych do redukcji w nagłówku moŜe być róŜna i zaleŜeć od natury danej usługi. Przykładowo w przypadku VoIP, nagłówek oprócz powtarzających się adresów źródła i przeznaczenia zawiera wskaźnik długości, który nie moŜe zostać usunięty. WiMAX zakłada uŜycie mechanizmu reguł PHS w CS, ale nie specyfikuje jak oraz gdzie takie reguły są tworzone, pozostawione jest to obiektom warstw wyŜszych. 4.3. Zastosowanie i zadanie warstwy wspólnej MAC Warstwa wspólna MAC jest niezaleŜną od protokołów warstw wyŜszych i zapewnia w związku z tym takie usługi jak planowanie, ARQ, alokacje pasma, wybór modulacji i systemu kodowania sygnału w celu jak najefektywniejszego wykorzystania medium transmisji. W tej podwarstwie otrzymywane z warstw wyŜszych jednostki SDU są gromadzone w celu stworzenia jednostki MAC PDU (ang. Protocol Data Unit), podstawowej jednostki uŜywanej przez warstwę MAC jak i fizyczną PHY. 4.3.1. Format jednostki PDU Podstawową jednostką uŜywaną w transmisji danych w sieciach WiMAX w warstwie MAC jest MAC PDU składająca się z zmiennej długości nagłówka, po którym moŜe występować wartość uŜyteczna przesyłanych informacji (ang. payload). Jeśli występuje pole wartości uŜytecznej moŜe ono zawierać dodatkowe nagłówki (ang. subheaders) lub teŜ jednostki SDU lub ich fragmenty. Zawartość uŜytkowa moŜe mieć zmienną wielkość co czyni z MAC PDU równieŜ zmiennej wielkości jednostkę. Pozwala to na tunelowanie komunikacji warstw wyŜszych bez ich znajomości (fromatu oraz budowy bitowej), co zapewnia obsługę protokołów, które nie są jeszcze znane. Graficznie budowę PDU przedstawiono na rysunku 4.4.[8][9][10] 49 Nagłówek Zmiennej długości pole uŜytkowe (payload) CRC (opcjonalnie) Rys. 4.4: Budowa jednostki PDU MAC PDU moŜe równieŜ zawierać pole cyklicznego kodu nadmiarowego CRC słuŜące do kontroli błędów. Implementacja tego pola jest wymagana w specyfikacjach standardu WiMAX korzystających z warstw fizycznych SCa, OFDM i OFDMA. 4.3.2. Konstrukcja i transmisja jednostek PDU Jednostka danych PDU tworzona jest na potrzeby transmisji oraz zapewnienia wszystkich usług dostępnych w warstwie MAC. Proces tworzenia jednostek PDU rozpoczyna się przez wstępną konwersję jednostek warstw wyŜszych w podwarstwie CS. W zaleŜności od wielkości informacji jaka przenoszona jest przez SDU moŜliwe jest stworzenie jednej jednostki MAC PDU lub teŜ podzielenie jednostki SDU na kilka jednostek PDU w celu transmisji przez łącze radiowe. JeŜeli jednostka SDU podzielona została na części, pozycja kaŜdego fragmentu z SDU jest numerowana. Tego typu przekształcenia ma zapewnić moŜliwość odtworzenia sekwencji SDU przez warstwę MAC w odbiorniku. W celu zapewnienia efektywnego wykorzystania zasobów warstwy PHY, kilka PDU przeznaczonych do tego samego odbiornika moŜe być łączonych w celu przesłania ich podczas pojedynczej transmisji. Podczas gdy nie są wykorzystywane mechanizmy ARQ, wszystkie fragmenty SDU są transmitowane kolejno. Wykorzystanie ARQ wiąŜe się z podziałem jednostek SDU na zmiennej długości bloki ARQ którym przypisywane są w kolejności tworzenia numery BSN (ang. block sequence number). Długość kaŜdego bloku jest ustalana przez stację bazową BS dla kaŜdego identyfikatora połączenia CID 1 poprzez uŜycie parametru ARQ-BLOCK- SIZE. 1 Identyfikator CID (ang. Conection Identyfier) uŜywany w tym procesie jest podstawowym identyfikatorem uŜywanym do oznaczania kaŜdego połączenia ustanowionego ze stacją bazową. Szczegóły powstawania takiego identyfikatora omówione zostaną w rozdziale dotyczącym włączania stacji klienckiej do sieci. 50 JeŜeli rozmiar jednostki SDU nie pozwala na jej podzielenie na jednakowego rozmiaru bloki, wtedy tworzony jest ostatni blok który zostaje dopełniony. Kiedy proces podziału na bloki zostaje ukończony jednostki SDU są gromadzone w MAC PDU w normalny sposób taki jak przedstawiony na rys. 4.5.[10] Rys. 4.5: Transmisja jednostek PDU [10] Kiedy jest obsługiwany tryb ARQ, w podrzędnym nagłówku związanym z fragmentacją (ang. fragmentation and parking subheader) umieszczany jest numer BSN bloku, który poprzedza występujący po nagłówku blok ARQ. Poprawna transmisja kaŜdego bloku ARQ sygnalizowana jest potwierdzeniem otrzymania ACK poprzez odbiornik. W technologii WiMAX mechanizm potwierdzeń ARQ moŜe przyjmować formę selekcyjnych potwierdzeń lub teŜ zbiorowych (ang. selective ACK or cumulative ACK). Selekcyjne potwierdzanie dla kaŜdego numeru BSN informuje, Ŝe blok ARQ został odebrany bez błędów, natomiast zbiorowe potwierdzenie bloku o numerze BSN oznacza, Ŝe on oraz poprzedzające go bloki zostały odebrane bezbłędnie.[10][20] Jak juŜ zostało zaznaczone wcześniej wszystkie jednostki PDU zawierają nagłówek oraz występujące po nim dane uŜytkowe oraz pole CRC słuŜące do sprawdzenie integralności danych. WiMAX definiuje dwa typy PDU, kaŜdy z odmienną strukturą nagłówka. 51 1. Standardowy MAC PDU który jest uŜywany do przenoszenia danych uŜytkowych oraz komunikatów warstwy MAC. Taka jednostka PDU rozpoczyna się standardowym nagłówkiem którego struktura przedstawiona jest poniŜej, po nagłówku przenoszone są dane uŜytkowe a kończy on się polem zawierającym CRC. Rys. 4.6: Nagłówek standardowy PDU [10] Pole Przeznaczenie HT Typ nagłówka EC Występowanie kodowania (0= porcja danych nie kodowana, 1= porcia danych kodowana) Type Typ ESF Dodatkowe nagłówki (1 = występują, 0 = nie występują) CI Występowanie CRC (1 =tak, 0 = nie) EKS Pole uŜywane do identyfikacji kluczy kodujących Rsv Zarezerwowane LEN Długość jednostki PDU wraz z nagłówkiem (jednostka bajt) CID Identyfikator połączenia dla którego przeznaczona jest porcja danych umieszczona za nagłówkiem HCS Pole kontroli poprawności nagłówka Tab. 4.2: Przeznaczenie poszczególnych pól nagłówka standardowego 52 2. Drugi typ PDU związany jest z Ŝądaniem pasma transmisji jest uŜywany przez stację kliencką SS do sygnalizacji stacji bazowej BS, iŜ potrzebna jest większa przepustowość do przeprowadzenia transmisji danych. Tego typu jednostka zawiera jedynie nagłówek Ŝądania pasma przepustowości w którym zawarte są informację o wymaganych parametrach pasma. Rys. 4.7: Nagłówek Ŝądania pasma [10] Pole Przeznaczenie HT Typ nagłówka EC Występowanie kodowania (0= porcja danych nie kodowana, 1= porcia danych kodowana) Type Typ BR Ilość bajtów przepustowości Ŝądana przez stacje kliencką CID Identyfikator połączenia dla którego Ŝądane są parametry pasma HCS Pole kontroli poprawności nagłówka Tab 4.3. Przeznaczenie pól nagłówka Ŝądania pasma Oprócz powyŜszych dwóch nagłówków technologia WiMAX definiuje pięć podrzędnych nagłówków, które mogą zostać uŜyte w standardowym PDU: • Mesh który występuje po głównym nagłówku w transmisji w sieciach kratowych • Nagłówek fragmentacji. Występujący po nagłówku standardowym wskazuje Ŝe SDU jest podzielone na kilka PDU. 53 • Nagłówek upakowania. Informuje o fakcie umieszczenia wielu SDU lub ich fragmentów w pojedynczym PDU. • Nagłówek szybkiej alokacji jest uŜywany wtedy gdy PDU zawiera informacje zwrotne od stacji klienckiej SS odnoście stanu kanału transmisji. Wykorzystywany on jest przewaŜnie w sytuacji stosowania technologii MIMO. • Nagłówek zarządzania przyznawaniem zasobów, który jest uŜywany przez stację SS do przesyłania róŜnych komunikatów odnośnie zarządzania przepustowością, takich jak Ŝądanie pollingu i dodatkowego Ŝądania zasobów przepustowości. UŜywanie tego rodzaju nagłówka jest bardziej efektywne niŜ nagłówka Ŝądania pasma, gdyŜ nie wymaga transmisji oddzielnej PDU oraz pozwala na dynamiczne zgłaszanie potrzeb w czasie trwania sesji. PDU z nagłówkiem Ŝądania pasma wykorzystywany jest jedynie przy inicjacji przyznawania pasma transmisji. Jednostka PDU skonstruowana według powyŜszych zasad przekazywany jest do mechanizmu szeregującego, który rozmieszcza MAC PDU w dostępnych zasobach warstwy PHY (slotach i regionach). Mechanizm taki sprawdza identyfikator strumienia usług SFID oraz identyfikator połączenia CID w jednostce PDU, co pozwala na jednoznaczne określenie poziomu usług wymaganych dla danego PDU i przydzielenie odpowiednich zasobów warstwy fizycznej. Funkcjonowanie takiego mechanizmu szeregującego, moŜe wykorzystywać róŜne algorytmy szeregujące i w standardzie WiMAX wybór tych algorytmów oraz ich implementacja zostały pozostawione producentom sprzętu.[10] 4.3.3. Włączanie do sieci i inicjalizacja W sieciach WiMAX, osiągnięcie przez stację kliencką pełnego podłączenia do zasobów sieci wymaga przejścia przez róŜne kroki podłączania. Zanim zostanie przeprowadzona jakakolwiek transmisja danych uŜytkowych, stacja bazowa BS i stacja kliencka SS zestawiają jednokierunkowe logiczne łączne na poziomie warstwy MAC, które nazywamy połączeniem. KaŜde takie połączenie jest identyfikowane poprzez unikatowy identyfikator połączenia CID (ang. connettion 54 identifier), który jako tymczasowy adres w zestawionym łączu, jest uŜywany głównie do wymiany komunikatów pomiędzy BS a SS. Poza głównym CID stacja kliencka SS moŜe ubiegać się o nadanie kolejnych identyfikatorów CID dla kolejnych połączeń, ale dopiero po pełnym przejściu procesu włączania się do sieci. W technologii WiMAX zdefiniowano równieŜ pojęcie strumienia usług, który jest jednokierunkowym strumieniem pakietów z uwzględnieniem szczegółowych parametrów QoS. Strumień taki identyfikowany jest przez identyfikator strumienia usług SFID (ang. Service flow identyfier). Strumień usług moŜe być definiowany bezpośrednio przez system zarządzania siecią, lub teŜ tworzony dynamicznie poprzez zdefiniowany w standardzie rozbudowany mechanizm sygnalizacji. Stacja bazowa w sieciach WiMAX jest odpowiedzialna za tworzenie SFID oraz przypisywanie ich do odpowiednich identyfikatorów CID. Strumień usług będzie omawiany jeszcze w rozdziale dotyczącym zarządzania usługami. Proces włączania do sieci przebiega etapowo, tak jak zobrazowane to jest na rysunku poniŜej. Rys. 4.8: Proces włączania stacji klienckiej do sieci WiMAX [10] 55 Wyszukiwanie i synchronizacja kanału „łącza w dół” (ang. Scan for Downlink Chanel and Synchronize witch Downlink of Serving BS) Stacja kliencka po włączeniu zasilania wyszukuje dostępne częstotliwości na których nadaje stacja bazowa sieci WiMAX. Dostępne częstotliwości przechowywane są w pamięci SS wraz z ostatnią częstotliwością na której stacja się komunikowała. Po odnalezieniu dostępnej częstotliwości następuje proces nasłuchiwania preambuły ramki DL, która jeŜeli zostanie wykryta dzięki zawartym w niej informacją, takim jak FCH, DCD, UCD, DL-MAP i UL-MAP, pozwoli na synchronizację stacji klienckiej oraz uzyskanie parametrów kanału zwrotnego.[7][8][9][10] Uzyskanie parametrów „łącza w górę” (ang. Obtain uplink parameters) następuje w wyniku zdekodowania komunikatu UL-MAP zawartego w ramce DL. Na podstawie, zawartej w takim komunikacie informacji o rozmieszczeniu poszczególnych kanałów, SS określa kanał zwrotny, który posłuŜy do dalszych wstępnych ustawień (kanał ranging). Stacja kliencka SS decyduje na podstawie odebranych parametrów, czy kanał jest odpowiedni do jej zastosowań, a jeśli taki nie jest, następuje przeszukiwanie innych kanałów. JeŜeli któryś z kanałów zostanie zaakceptowany SS nasłuchuje komunikatu UL-MAP aby uzyskać informację o zawartych w nim, dostępnych moŜliwościach transmisji. Ustalanie parametrów łącza (zakresu komunikacji) (ang. Ranging)– W tym kroku, SS dokonuje wstępnych ustawień parametrów, takich jak parametry czasowe oraz poziomy mocy. W warstwie PHY OFDMA, stacja kliencka SS wysyła kod CDMA wraz z parametrami łącza (poziom zakłóceń, poziom dobieranego sygnału), poprzez pierwszy wolny slot kanału ranging. Podobnie, w warstwie PHY OFDM, stacja SS wysyła komunikat RNG-REQ z ustawionym (standardowo równym 0 ) identyfikatorem początkowym połączenia CID. Jeśli po wysłaniu komunikatów stacja bazowa nie odpowie na nie w ustalonym okresie czasu, stacja kliencka uznaje transmisję za nieudaną. W takim przypadku SS rozpoczyna proces wysyłania komunikatów ponownie po określonym czasie, ze zwiększoną mocą sygnału o jedną jednostkę. Proces wstępnego ustalania parametrów przedstawiony jest na rys 4.9. 56 Rys. 4.9: Proces ustalania parametrów łącza. JeŜeli, w ramce DL stacja SS otrzyma komunikat potwierdzający RNG-RSP, który zawiera parametry kodu CDMA, lub w przypadku OFDM wstępnie ustalony początkowy CID. Stacja kliencka przechodzi następnie do dostosowania swoich parametrów do przesłanych w komunikacie RNG-RSP, który często zawiera podstawowy CID przyznany stacji klienckiej. Stacja bazowa BS uŜywając początkowego CID lub parametrów kodu CDMA, wysyła w polu ramki DL-MAP , która zawiera komunikat RNG-RSP, informację o przyznanych stacji SS zasobach. Stacja kliencka posiadając juŜ wydzielone zasoby, oraz przyznany podstawowy CID, moŜe przeprowadzać dalszą negocjację parametrów za pomocą komunikatu RNG-REQ skojarzonego juŜ z jej podstawowym identyfikatorem CID. Po ustaleniu w ten sposób parametrów łącza, stacja kliencka moŜe rozpocząć pełną transmisję UL.[10] Negocjacja podstawowych moŜliwości (ang. Negotiate Basic Capabilities), która jest kolejnym etapem i następuje po ustaleniu wstępnych ustawień parametrów łącza. Podczas tej fazy połączenia stacja SS wysyła do BS informację za pomocą wiadomości SBC-REQ o moŜliwościach komunikacyjnych jakie sama posiada takich jak 57 obsługiwane warstwy PHS, moŜliwości alokacji pasma oraz inne informacje które przedstawiono w tabeli poniŜej. BS odpowiada SS komunikatem SBC-RSP w którym zawarta jest informacja jakie moŜliwości stacji SS będą wykorzystywane podczas komunikacji. Parametr warstwy PHY Opis Odstęp ochronny Odstęp ochronny pomiędzy ramkami UL i DL w transmisji TDD Maksymalna moc nadawania Maksymalna moc dostępna dla modulacji BPSK,QPSK,16QAM i 64QAM BieŜąca moc nadawania Moc z jaką nadawana jest aktualna jednostka PDU (zawierająca komunikat SBC-REQ) Rozmiar FFT Wspierana rozmiary FFT Wsparcie 64QAM Wsparcie dla modulacji 64QAM Wspieranie FEC Opcjonalne wspierane kodowanie FEC Wspieranie HARQ Czy wspierany jest tryb HARQ Wsparcie STC i MIMO Dostępność trybów STC i MIMO Wsparcie AAS Czy stacja wspiera AAS Kontrola mocy w kanale w Wspierane opcje kontroli mocy w kanal UL (zamknięta pętla, otwarta pętla, preambuła kontroli górę mocy AAS) Metody rozmieszczenia Wspierane metody permutacji podnośnych podnośnych PUSC,FUSC,AMC i TUSC Wsparcie FDD Wspierane przez stacje tryby FDD (pełny czy pół duplex) Tab. 4.5: Podstawowe parametry wymieniane podczas procesu włączania Rejestracja i ustanowienie połączenia – jest ostatnim etapem w którym stacja kliencka w wyniku wymiany kluczy oraz pozytywnej autoryzacji jest uprawniona do otwarcia kolejnych połączeń a co za tym idzie uzyskania kolejnych identyfikatorów CID. Główne połączenie (jak równieŜ podstawowy CID) uŜywane jest jedynie w celu transmisji wiadomości kontrolnych, pozostałe ustanowienie w tym etapie słuŜą do transmisji strumieni danych uŜytkowych. Na tym etapie włączania się do sieci stacja 58 kliencka SS sygnalizuje stacji BS o swoich dodatkowych moŜliwościach takich jak wersja obsługiwanego protokołu IP, obsługiwanej warstwie CS czy wsparcia dla transmisji ARQ. Ustanowienie strumieni usług inicjowane poprzez stację SS lub BS w zaleŜności od tego którego połączenia strumień będzie dotyczył UL czy DL. Na tym etapie tworzone są strumienie o uzgodnionych parametrach jakościowych QoS. 4.3.4. Zarządzanie pasmem w warstwie MAC Jednym z kluczowych zadań jakie są stawiane dla systemów oferujących szerokopasmowy przepustowości. dostęp, W jest systemach zarządzaniem opartych na szerokością technologii dostępnego pasma WiMAX, zostały zaimplementowane róŜne mechanizmy, pozwalające efektywnie przydzielać dostępne pasmo dla wielu urządzeń. Podczas transmisji „w dół” wszystkie decyzje związane z alokacją pasma dla róŜnych stacji klienckich SS podejmuje stacja bazowa BS. BS otrzymując jednostkę MAC PDU, przydziela dla kaŜdego połączenia identyfikowanego poprzez CID, zasoby fizyczne bazując na umieszczonych w PDU wymaganiach odnośnie parametrów QoS, informując jednocześnie stacje kliencką o przyznanych zasobach poprzez komunikat DL-MAP w ramce warstwy fizycznej. Przy łączu „w górę” stacja kliencka SS sama troszczy się o przyznanie jej zasobów transmisyjnych w postaci pasma przepustowości, poprzez odpowiednie mechanizmy dostępne w jednostce PDU (nagłówek Ŝądania pasma lub nagłówek zarządzania przyznawaniem zasobów). MoŜliwe jest równieŜ zgłoszenie potrzeby zwiększenia przepustowości bez wykorzystywania konkretnych nagłówków, a jedynie poprzez wysłanie komunikatu Ŝądania pasma podczas procesu transmisji, co określane jest równieŜ zgłoszeniem typu piggyback. [10] śądanie zasobów przepustowości przez stacje kliencką przy łączu UL moŜe być przyrostowe lub globalne. W pierwszym przypadku stacja SS zgłasza zapotrzebowanie zwiększenia pasma dla danego CID o określoną ilość, w wyniku czego stacja bazowa do aktualnego poziomu przyznanego pasma dodaje w miarę moŜliwości Ŝądane zasoby. W drugim przypadku przyznany poziom zasobów przepływności zmieniany jest na ten, który zgłosiła stacja kliencka SS. śądanie pasma poprzez zgłoszenie typu piggyback 59 moŜe być realizowane jedynie jako przyrostowe. W celu poinformowania stacji BS w nagłówku Ŝądania pasma przewidzianej jest pole TYP, które informuje o sposobie zmiany zasobów przepustowości. W technologii WiMAX występuje równieŜ proces pollingu czyli odpytywania, który polega na ustalaniu w drodze przepytywania stacji klienckich przez stację bazową BS o zapotrzebowanie na zasoby pasma. Proces taki moŜe być zainicjowany dla kaŜdej stacji klienckiej indywidualnie (ang. unicast polling), grupowo (ang. multicast polling) lub teŜ dla wszystkich (ang. broadcast polling).[20][21] 4.3.5. Zarządzanie usługami w warstwie MAC (QoS w grupie standardów 802.16) Technologia WiMAX jako jedna z pierwszych zapewnia bardzo rozbudowany mechanizm zapewnienia jakości usług. W systemach takich jak GSM, GPRS czy UMTS rozwiązania tego typu nie istnieją (GSM czy GPRS) lub są implementowane w dość ograniczonym zakresie - UMTS.[19] Warstwa MAC standardu 802.16 od samego początku projektowana był z uwzględnieniem zapewnienia mechanizmów jakości usług QoS (ang. Quality of Service). Bardzo dobre zarządzanie parametrami QoS osiągnięte zostało poprzez wykorzystanie zorientowanej połączeniowo warstwy MAC, gdzie zarówno połączenia „w górę” jak i „w dół” zarządzane są poprzez obsługującą sieć stację bazową BS. WiMAX w procesie zarządzania usługami wykorzystuje poza wyŜej wymienionymi, koncepcję klas usług, które są zdefiniowane dla obsługi danego typu połączenia i określają jego parametry jakościowe.[7][8][9][10] Do podstawowych zadań jakie są stawiane warstwie MAC pod kątem jakości usług naleŜy wymienić: Zapewnić gwarancje dotyczące pasma oraz opóźnień dla róŜnego typu aplikacji Zachować wysokie efektywne wykorzystanie pasma. Zapewnić sprawiedliwy podział pasma pomiędzy strumienie. zapewnić mechanizmy kontroli pozwalające na transmisje z zachowaniem podanych parametrów QoS Zapewnić mechanizmy konfiguracji i obsługi strumieni danych oraz ich parametrów. 60 Zapewnić protokół sygnalizacyjny, słuŜący dynamicznemu tworzeniu strumieni o określonych parametrach. Stworzenie z wyŜej wymienionych elementów klas obsługi, aby elementy wyŜszych warstw mogły wykorzystać ich moŜliwości w zunifikowanych sposób. W technologii WiMAX głównym obiektem dla którego ustalane są parametry jakościowe połączenia QoS jest strumień usług, który posiada przyporządkowane do siebie unikatowy zestaw ustawień parametrów QoS, które sieć powinna zagwarantować i do których zaliczyć moŜna: opóźnienia transmisji pakietów (ang. latency), wahania przepustowości (ang. jitter throughput), stosunek błędnych pakietów (ang. packet to error rate). KaŜdy taki strumień charakteryzuje się następującymi parametrami: • Identyfikator strumienia (SFID) – 32 bitowy identyfikator przypisywany do kaŜdego strumienia bitowego do którego przypisano określony poziom usług • Identyfikator połączenia (CID) -16 biotwy identyfikator połączenia związany z przesyłanymi danymi. • Wymagane parametry QoS (ang. Provisioned QoS parameter set) – rekomendowane parametry QoS którymi powinna charakteryzować się transmisja. • Przyznane parametry QoS (ang. Admited QoS parameter set)– parametry przyznane przez stację bazową BS dla których zaalokowano zasoby warstwy MAC i PHY, stanowią one podzbiór wymaganych parametrów i są związane z brakiem moŜliwości transmisyjnych stacji BS. Parametry te nie określają jednoznacznie transmisji strumienia bitów, lecz dostępne zasoby w chwili przydziału. • Aktualne parametry QoS (ang. Active QoS parametr set)– faktycznie przyznane parametry QoS, którymi charakteryzuje się strumień bitów w czasie transmisji • Moduł zezwolenia (ang. Authorization module) – zezwolenie lub zabronienie na jakiekolwiek zmiany w parametrach QoS danego strumienia usług. 61 W procesie ustalania parametrów jakościowych dla poszczególnych strumieni wykorzystywane są następujące parametry jakościowe QoS: Minimum Reserved Traffic Rate (MRTR) - minimalna, gwarantowana przepływność dla danego strumienia, Maximum Sustained Traffic Rate (MSTR) - maksymalna dopuszczalna przepływność dla strumienia, Maximum Traffic Burst (MTB) - maksymalny dopuszczalny chwilowy poziom ruchu przy zachowaniu przydzielonych zasobow, Minimum Tolerable Traffic Rate (MTTR) – minimalna przepustowość przy której połączenie zostaje uznane za nieaktywne, Maximum Lantency (ML) - maksymalne opóźnienie transmisji, Tolerated Jitter (TJ) – dopuszczalna zmienność opóźnienia transmisji, Traffic Priority (TP) – parametr definiujący priorytety przepustowości dla strumieni o identycznych parametrach, Request/Transmission Policy (R/TP) - określa moŜliwe sposoby Ŝądań pasma, sposoby pracy podwarstwy CS, oraz tworzenia MAC-PDU Dla wsparcia duŜej ilości aplikacji wymagających róŜnych parametrów jakościowych w technologii WiMAX zdefiniowano pięć klas usług zróŜnicowanych pod względem wymaganych parametrów QoS: CG (ang. Continuous Grant) / UGS (ang. Unsolicited Grant Service) – Usługi charakteryzujące się stałą charakterystyką ruchu i wymagające transmisji paczek danych o stałej wielkości bitowej (CBR), co określony przedział czasu. Do przykładowych rozwiązań tego typu usług zaliczyć moŜemy: transmisję ATM, emulację linii T1/E1 lub teŜ usługi VoIP bez redukcji ciszy. Parametry QoS: MSTR, ML, TJ, R/TP. rtPS (ang. real-time Polling Service) – Usługi typu transmisji strumieni MPEG lub komunikacji VoIP z redukcią ciszy charakteryzujące się zmienną intensywnością ruchu, ale jest wymagana obsługa w czasie rzeczywistym (ang. real-time services). Usługi tego typu wymagają regularnego przyznawania zasobów czasowych. Parametry QoS: MRTR, MSTR, ML, R/TP. 62 nrtPS (ang. non-real-time Polling Service) – Usługi tolerujące opóźnienia strumienia dancyh takie jak FTP z zapewnieniem minimalnej i maksymalnej przepływności. W tego typu usługach parametry jakościowe negocjowane są w trakcie trwania połączeń. Parametry QoS: MRTR, MSTR, TP, R/TP. Best Effort – Usługa transmitująca dane w sieci o moŜliwie najwyŜszej przepustowości ale praktycznie bez gwarancji jakości usług QoS. Parametry QoS: MSTR, TP, R/TP. 63 4.4. Rozwiązania warstwy MAC wspierające mobilność. WiMAX w początkowej fazie projektów w przeciwieństwie do sieci transmisji danych w telefonii komórkowej nie był projektowany jako sieć obsługująca klientów mobilnych, dopiero burzliwy rozwój rynku bezprzewodowych sieci komputerowych i coraz większe wymagania klientów, idące w stronę mobilności, zmobilizowały grupę IEEE 802.16 do opracowania standardu 802.16e, który definiuje mechanizmy obsługi stacji klienckiej będącej w ruchu. W standardzie poza rozwiązaniami warstwy fizycznej wprowadzono równieŜ odpowiednie mechanizmy w warstwie MAC, które mają zapewnić bezproblemową pracę usług warstw wyŜszych w środowisku mobilnym. Do takich kluczowych rozwiązań, które równieŜ stawiają sieci WiMAX jako alternatywne w stosunku do sieci GSM, GPRS czy UMTS moŜemy zaliczyć zaawansowane zarządzanie oszczędzaniem energii, (tryb uśpienia ,tryb bezczynności), czy teŜ metody przenoszenia połączenia pomiędzy stacjami bezowymi (handover, MDHO). [10] 4.4.1. Zarządzanie oszczędzaniem energii Mobilna wersja WiMAX (802.16e) wprowadza nowe rozwiązania związane z zapewnieniem obsługi urządzeń mobilnych, które w większości przypadków zasilane są z autonomicznych akumulatorów z ograniczoną wydajnością energetyczną. Zapewnienie rozwiązań oszczędzania energii takich stacji klienckich jest jednym z wymogów stawianym współczesnym systemom dostępu radiowego z zapewnieniem mobilności. WiMAX jest technologią w której obsługa procesu zarządzania energią odbywa się w warstwie MAC sieci. Dostępne są dwa rozwiązania zarządzania energią: tryb uśpienia oraz tryb bezczynności. 4.4.1.1. Tryb uśpienia Tryb uśpienia jest opcjonalnym trybem w technologii WiMAX. Pozwala on na wynegocjowanie pomiędzy stacją bazową BS a stację kliencką SS z aktywnymi połączeniami (jeden lub kilka CID) zerwania komunikacji radiowej (brak nadawania do określonej stacji) na predefiniowany okres czasu nazwanym oknem uśpienia (ang. sleep window). Po takim wydzielonym oknie uśpienia następuje równieŜ określony odcinek czasu, który nosi nazwę okno nasłuchiwania (ang. listen window) podczas którego 64 następuje wznawianie połączeń poprzez stację kliencką. Proces usypiania i wznawiania połączeń moŜe następować naprzemiennie dla kaŜdego ustanowionego połączenia. Długość obydwu okien ustalana jest pomiędzy SS a BS i uzaleŜniona jest od klasy oszczędzania energii (ang. power-saving class). Czas w którym wszystkie połączenia dla danej stacji SS są w stanie uśpienia nazywany jest okresem niedostępności (ang. unavailability interval) a czas w którym chociaŜ jedno z połączeń SS jest aktywne jest nazywany okresem dostępności (ang. avaibility interval). PoniewaŜ tryb uśpienia związany jest z wyłączeniem podzespołów sprzętowych stacji SS wymaganych do komunikacji, stacja bazowa BS w tym okresie musi buforować wszystkie jednostki SDU w przypadku komunikacji unicast lub opóźnić wysyłanie SDU w komunikacji multicast do czasu nadejścia okresu dostępności.[10] Rys. 4.10: Proces uśpienia stacji klienckiej W zaleŜności od ustalonych parametrów trybu uśpienia pomiędzy SS a BS, moŜemy wyróŜnić trzy klasy oszczędzania energii: Klasa 1 – po wszystkich oknach nasłuchiwania o określonej długości następują okna uśpienia które zwiększają swą wielkość dwukrotnie w kaŜdym wystąpieniu, lecz wielkość ich nie osiąga wartości większej od ustalonej poprzez stację bazową BS maksymalnej długości okna uśpienia (ang. final sleep window). Przed wejściem w tryb uśpienia SS otrzymuje równieŜ długość początkową okna uśpienia (ang. initial sleep window), która jest zwiększana. Osiągnięcie maksymalnej wartości poprzez okno 65 uśpienia kończy cykl, który moŜe zostać powtórzony ponownie. Wartość początkowa okna uśpienia moŜe zostać poprzez stację bazową ustawiona w kaŜdym momencie trwania procesu usypiania. [10] Klasa 2 – wszystkie okna nasłuchiwania jak i uśpienia mają określoną długość, zdefiniowaną poprzez stację bazową BS przed wejściem SS w proces uśpienia. Klasa 3 – występuje tutaj tylko okno uśpienia o określonej długości, która jest definiowana poprzez BS. Tej klasy uŜywa się dla transmisji typu multicast, co pozwala stacji bazowej na kontrolowanie czasu jaki musi upłynąć kiedy ponownie będzie mogła wysłać strumień danych. 4.4.1.2. Tryb bezczynności W technologii WiMAX tryb bezczynności jest mechanizmem, który pozwala stacji SS na odbiór transmisji typu broadcast ze stacji bazowej bez potrzeby rejestrowania się w sieci. Stosowanie tego trybu oszczędzania energii jest opcjonalne w technologii WiMAX i słuŜy to oszczędzaniu zasobów stacji bazowej poprzez wyeliminowanie procedury przełączania (ustanawiania połączenia) stacji klienckiej SS pomiędzy stacjami bazowymi, co nie jest wymagane w przypadku transmisji typu broadcast, jak równieŜ słuŜy oszczędzaniu energii w SS poprzez rzadsze wykorzystywanie toru nadawczego . W tym trybie stacje bazowe są grupowane i tworzą obszary tzw. paging group w których nadawana jest transmisja broadcast. [10] Rys. 4.11: Podział stacji bazowych na obszary 66 Stacja kliencka SS jest rejestrowana poprzez jedną stację BS w celu pobrania parametrów, a następnie poruszając się w taki obszarze synchronizuje się jedynie z kolejnymi stacjami BS wykorzystując parametry przekazywane w transmisji DL poszczególnych stacji. Informacje o stacji w trybie uśpienia są współdzielone przez wszystkie stacje znajdujące się w obszarze, dzięki czemu moŜe ona w kaŜdej chwili wznowić nadawanie niezaleŜnie od tego w obrębie, której stacji bazowej w obszarze się znajduje. 4.4.2. Zarządzanie mobilnością W sieciach WiMAX podobnie jak w sieciach komórkowych, procedura przełączania stacji klienckiej pomiędzy stacjami bazowymi (ang. handover) wymaga wsparcia ze strony trzech warstw sieciowych 1, 2 i 3. Ostateczna decyzja o przeprowadzeniu procedury handoveru jest podejmowana przez warstwę trzecią, jednak warstwa MAC oraz PHY odgrywają kluczową rolę w procesie dostarczania informacji potrzebnych warstwie 3 w celu wykonania operacji handoveru.[10] W celu monitorowania zasobów radiowych stacja bazowa BS wyznacza pewne okresy czasu dla stacji klienckich, w których to okresach wykonywane są przez SS pomiary sygnału radiowego z sąsiednich stacji bazowych. Taki proces nazywamy skanowaniem a czas przeznaczony na wykonanie wszystkich operacji z nim związanych interwałem (okresem) skanowania (ang. scaning interval). Po kaŜdym takim okresie skanowania następuje normalny okres pracy. Operacje te są wykonywane naprzemiennie i jako dwa okresy występujące po sobie, noszą nazwę interwału przeplatania (ang. interleaving interwal). W celu zlecenia procesu skanowania stacja bazowa BS wysyła komunikat MOB_SCN-REQ w którym zawarta jest informacja o długości interwału skanowania, interwału przeplatania oraz ilości pomiarów jakie ma wykonać stacja kliencka dla określonych stacji BS. Odpowiedzią na tego typu komunikat jest MOB_SCN-RES komunikat w którym stacja kliencka informuje o wynikach procesu skanowania. W celu zidentyfikowania sąsiednich stacji BS oraz częstotliwości na jakich one pracują stacja bazowa wysyła komunikat MOB_NBR-ADV za pomocą kanału broadcast. Podczas interwału skanowania stacja kliencka SS mierzy poziomu odebranego sygnału RSII (ang. recived signal strenght indicator) oraz poziom zaszumienia sygnału SINR 67 (ang. signal to nosie plus nosie ratio), pomiar taki wykonywany jest dla kaŜdej zleconej przez BS sąsiadującej z nią stacji bazowej. MoŜliwe jest równieŜ w procesie skanowania przyłączenie się chwilowe SS do jednej lub kilku BS w celu wykonania procedury ustalenia parametrów łącza (ang. ranging). Takie przyłączenie moŜe być zrealizowane na trzech poziomach (ang. association level): Poziom przyłączenia 0 występuje wtedy kiedy stacja SS wykorzystując jedynie komunikaty kontrolne wykonuje ustalenia parametrów łącza. Pomiary wykonywane poprzez stację SS wykonywane są bez Ŝadnego koordynowania z siecią. Poziom przyłączenia 1 występuje w przypadku kiedy stacja bazowa BS informuje sąsiadujące stacje bazowe o przeprowadzaniu procedury pomiaru, wobec tego cała operacja jest skoordynowana z innymi stacjami BS. Sieć zapewnia przyznanie odpowiednich zasobów do przeprowadzenia procedury ustalenia parametrów łącza poprzez stację SS. Poziom przyłączania 3 charakteryzuje się podobną organizacją przyłączenia jak poziom 1 tylko w tym przypadku nie jest wymagane ukończenie procesu ustalania parametrów. Po ustaleniu wszystkich parametrów jakościowych interfejsu radiowego warstwa trzecia na podstawie otrzymanych informacji moŜe podjąć decyzję o przełączeniu stacji klienckiej pomiędzy aktualną stają bazową a charakteryzującą się lepszymi parametrami stacją sąsiadującą. 68 4.4.2.1. Przełączanie Handover pomiędzy stacjami bazowymi – W sieciach WiMAX proces przełączenia połączenia (ang. handover) jest zdefiniowany jako zbiór procedur i decyzji które pozwalają na przeniesienie połączeń stacji klienckiej SS pomiędzy interfejsem radiowym aktualnej stacji bazowej, a interfejsem radiowym innej stacji bazowej.[10] Proces taki obejmuje następujące etapy: Wyszukanie komórki stacji bazowej (ang. cell reselection). Podczas tego etapu stacja kliencka SS wykonuje skanowanie oraz przyłączanie się do sąsiadujących stacji bazowych w celu wybrania docelowej stacji bazowej. Podjęcie decyzji o rozłączeniu (ang. handover decision). Etap w którym na podstawie przprowadzonych pomiarów podejmowana jest decyzja o przełączeniu pomiędzy stacjami bazowymi. Etap ten moŜe zostać zainicjowany poprzez stację kliencką SS lub aktualną stację BS. Kiedy rozpoczęcie tego etapu jest inicjowane poprzez SS, wysyła ona komunikat MOB_MSHO-REQ do stacji bazowej informując ją o sugerowanej lub sugerowanych docelowych stacjach BS. W odpowiedzi na taki komunikat stacja BS wysyła komunikat MOB_BSHO-RSP zawierający informację o preferowanych przez nią stacjach bazowych do przeprowadzenia procedury przełączenia. Ostateczną decyzję podejmuje stacja kliencka na podstawie komunikatu ze stacji BS wybiera ona stację bazową która zostanie uŜyta w procedurze przełączania. W przypadku rozpoczęcia tego etapu poprzez stację bazową BS, wysyła ona komunikat MOB_BSHO-RSP z propozycją stacji bazowych do których moŜe przełączyć się stacja kliencka, natomiast stacja kliencka w odpowiedzi wysyła komunikat MOB_MSHOIND informujący o przyjęciu procedury przełączania oraz wyborze docelowej stacji BS. Synchronizacja z docelową BS. Kiedy docelowa stacja BS została wybrana, stacja kliencka przeprowadza proces synchronizacji na podstawie odebranej transmisji DL z docelowej stacji BS. Przetwarzając preambułę ramki DL stacji docelowej BS stacja SS otrzymuje moŜliwość synchronizacji czasowej oraz częstotliwościowej. Stacja kliencka dekodując informację DL-MAP, UL-MAP, DCD i UCD uzyskuje dane kanału dzięki, któremu moŜe przeprowadzić proces ustalania parametrów łącza. 69 Ustalanie parametrów z docelową stacją BS. Dzięki ustaleniu w poprzednim kroku parametrów kanału, który ma słuŜyć ustaleniu parametrów połączenia stacja kliencka przechodzi do procesu w który ustanawiane są parametry transmisji UL jak równieŜ synchronizacja czasowa i ustalenie poziomu mocy. Przerwanie kontekstu z poprzednią stacją bazową BS. Po ustanowieniu połączenia z nową stacją bazową stacja kliencka SS rozłącza połączenia z poprzednią stacją bazową BS wysyłając komunikat MOB_HO-IND. Po otrzymaniu tego komunikatu BS zaczyna odliczać czas zachowania zasobów (ang. resource-retain time) przez który wszystkie jednostki PDU oraz ustawienia warstwy MAC powiązane z odłączoną stacją kliencką są zachowywane. Po upłynięciu powyŜszego czasu wszystkie buforowane dane oraz ustawienia związane z odłączoną stacją są usuwane. W tym momencie kończy się proces przełączania. Przedstawiony proces przełączania wiąŜe się z koniecznością ustanowienia połączenia z nową stacją bazową i jednoczesnym zerwaniem połączenia z dotychczasową BS (w większości przypadków równieŜ ze zmianą częstotliwości pracy SS). Proces taki i nosi on nazwę twardego przełączenia (ang. hard handover). Specyfikacja WiMAX definiuje jeszcze sytuację zerwania połączenia (ang. call drop) podczas której przerwana zostaje transmisja DL lub UL pomiędzy SS a aktualną stacją bazową jeszcze przed zakończeniem pełnego procesu przełączania. W wyniku wykrycia takiej sytuacji poprzez stację kliencką, następuje procedura renegocjacji połączenia ze stacją docelową do której przenoszone mają być połączenia. 4.4.2.2. MDHO i FBSS Oprócz konwencjonalnego procesu przenoszenia połączenia w technologii WiMAX, opisanego w poprzednim podrozdziale, zdefiniowano dwa opcjonalne typy przenoszenia połączenia, bazujące na utrzymywaniu połączeń zarówno z docelową jak i aktualną stacją bazową do momentu, kiedy nie nastąpi pełne ustalenie najlepszej pod względem jakości połączenia stacji bazowej dla aktualnego połoŜenia stacji klienckiej. Trybami wspierającymi takie miękkie przechodzenie (ang. soft handover), którego główną zasadą działania jest transmisja do dwóch lub więcej nadajników jednocześnie, 70 są mianowicie MDHO (ang. macro diversity handover) oraz szybkie przełączanie stacji bazowej FBSS (ang. Fast base station switching). W przełączaniu połączenia MDHO stacja kliencka moŜe komunikować się jednocześnie z kilkoma stacjami bazowymi. Wszystkie stacje bazowe biorące udział w MDHO z którymi komunikuje się stacja kliencka SS stanowią zespół połączonych stacji (ang. diversity set) - nazywany w dalszym opisie zespołem. Konwencjonalny tryb przenoszenia połączenia moŜe być spostrzegany jako ograniczony tryb MDHO w którym zespół zawiera jedną stację bazową BS. [20][21] W przypadku kiedy zespół stacji dla określonej SS zawiera więcej niŜ jedną BS, jedna z nich stanowi punkt zaczepienia, która w dalszym opisie nazywana będzie stacją główna (ang. anchor BS). Stacja główna w całym zespole moŜe stanowić jednostkę alokującą zasoby UL jak i DL. W technologii WiMAX występują dwa tryby w których SS będąca w trybie MDHO moŜe kontrolować parametry DL i UL. W pierwszej sytuacja SS monitoruje parametry DL_MAP i UL_MAP stacji głównej, które ustalają przydział pasma DL i UL do komunikacji z główna BS jak i innymi stacjami będącymi w zespole. W drugim przypadku stacja SS monitoruje parametry DL_MAP i UL_MAP wszytkich stacji bazowych będących w zespole i odbywa się to kolejno dla kaŜdej stacji bazowej oddzielnie dla zasobów UL i DL, co pozwala na komunikację z parametrami przydzielonymi przez poszczególne stacje. Na podstawie przeprowadzonych transmisji z wszystkimi stacjami w zespole mechanizm zarządzania siecią lub sama SS wybiera najlepszą z moŜliwych BS pod względem jakości połączenia. Cały proces przełączania polega na nawiązaniu połączeń z kilkoma zsynchronizowanymi stacjami bazowymi i wykonywaniu pomiarów parametrów łącza pod względem jakości kanału transmisji oraz współczynnika występowania błędów. Wszystkie zmierzone parametry są podstawą do wyboru najlepszej stacji BS dla stacji klienckiej. Szybkie przetłaczanie stacji bazowej FBSS jest pod względem funkcjonalności podobne do MDHO z tą róŜnicą, iŜ transmisja nie odbywa się z wszystkimi stacjami w zespole ale tylko z jedną w danym czasie.[10] Wykonanie opisanych procedur miękkiego przeniesienia połączenia wymaga spełnienia następujących warunków: • Stacje bazowe są zsynchronizowane i bazują na wspólnym źródle taktowania • Stacje bazowe pracują na tych samych częstotliwościach • Stacje bazowe musza mieć zsynchronizowane ramki dla transmisji DL i UL 71 • Stacje bazowe muszą udostępniać pomiędzy sobą informację potrzebne w trybie włączania do sieci oraz informację odnośnie połączenia CID, SFID, kodowania , i kluczy uŜywane do identyfikacji dla SS. 72 5. Podwarstwa bezpieczeństwa W stosie protokołów WiMAX wprowadzono specjalną podwarstwę odpowiedzialną za zapewnienie bezpieczeństwa pomiędzy komunikującymi się urządzeniami (ang. Security Sublayer). Podwarstwa ta odpowiedzialna jest za uwierzytelnienie komunikujących się stron oraz zapewnianie integralności i poufności transmitowanych danych. W standardzie WiMAX wykorzystano silne algorytmy kryptograficzne, których podstawowym zadaniem jest zapewnienie bezpiecznej wymiany informacji. WiMAX wykorzystuje algorytmy symetryczne DES (ang. Data Encryption Standard), 3DES (ang. Triple DES), AES (ang. Advanced Encryption Standard) oraz asymetryczny RSA (Rivest, Shamir, Adleman) w celu zapewnienia poufności danych. W celu zapewnienia integralności danych uŜyto natomiast mechanizmów rodziny MAC: HMAC (ang. Keyed-Hash Message Authentication Code) lub CMAC (ang. Cipher-based Message Authentication Code). Autoryzacje oraz uwierzytelnienia realizuje protokół PKM (ang. Privacy Key Management), który wykorzystuje w swym działaniu m.in. szyfrowanie asymetryczne i certyfikaty klucza publicznego, wystawiane dla urządzeń pracujących w sieci WiMAX. W standardzie 802.16e wprowadzono nowszą wersję protokołu PKM, a mianowicie PKMv2. W WiMAX zastosowano równieŜ mechanizm zarządzania kluczami (równieŜ wspierany przez protokół PKM), których wymiana związana jest bezpośrednio z procesem logowania do sieci i uwierzytelnianiem stacji klienckiej SS. [13] 5.1. Architektura W technologii WiMAX jak zostało wspomniane moŜliwe jest utworzenie wielu strumieni danych dla kaŜdego połączenia. KaŜde zestawione połączenie posiada oddzielnie wynegocjowane parametry dotyczące bezpieczeństwa. Dla przechowywania informacji o tych parametrach stworzona została struktura nazwana asocjacją bezpieczeństwa (Security Association, SA). Struktura ta przechowuje informacje pozwalające na przeprowadzenie procesów zaszyfrowania i odszyfrowania czy sprawdzenia integralności przesyłanych danych. W takiej strukturze znajdują się równieŜ informacje o wynegocjowanych i aktualnie uŜywanych algorytmach 73 kryptograficznych, aktualnie uŜywanych kluczach i ich czasach obowiązywania oraz inne informacje wymagane do prawidłowej pracy algorytmów kryptograficznych. W strukturze takiej dla ustalonego zestawu algorytmów utrzymywane są dwa komplety informacji odpowiadające dwóm moŜliwym do wykorzystania kluczom – starszemu i nowszemu co pozwala na płynne przechodzenie z klucza nieobowiązującego na nowszy. SS oraz BS identyfikują dla kaŜdego połączenia asocjację bezpieczeństwa poprzez identyfikator SAID (ang. Security Association ID). Biorąc pod uwagę przyszłościowe zastosowania sieci WiMAX zastosowano kilka rodzajów połączeń i odpowiadających im asocjacji bezpieczeństwa. KaŜda SS posiada przynajmniej podstawową asocjację bezpieczeństwa (Primary SA), która odpowiada za obsługę połączenia wykorzystywanego do zarządzania komunikacją pomiędzy stacjami SS i BS. Połączenie to jest wykorzystywane tylko przez te dwa urządzenia. Poza tym połączeniem jest moŜliwe utworzenie dowolnej liczby tzw. statycznych asocjacji pomiędzy daną SS i BS. Utworzone w ten sposób takie statyczne asocjacje wykorzystane mogą zostać do przesyłania innych danych, takich jak zwykłe dane komputerowe lub teŜ telefonia VoIP. Standard WiMAX wprowadza jeszcze dwa rodzaje asocjacji – dynamiczne i grupowe. Asocjacje dynamiczne tworzone są na Ŝądanie stacji klienckiej przy wykorzystaniu komunikatów DSA-XXX, których wysyłaniem sterują warstwy wyŜsze. Asocjacje grupowe w sieciach WiMAX (ang. Group Security Association, GSA) wykorzystywane są do obsługi transmisji typu brodcast i multicast, które to połączenia mogą zostać wykorzystane do realizacji transmisji cyfrowego radia, czy cyfrowej telewizji z wykorzytaniem sieci WiMAX. Transmisja tego typu jest odbierana przez wiele stacji i aby ułatwić proces zmiany kluczy w tym trybie, nowe klucze są przesyłane w komunikatach Group Key Update, do wszystkich zainteresowanych stacji.[13] Rysunek poniŜej przedstawia stan stacji klienckich SS oraz jednej stacji bazowej SB w przykładowej sieci WiMAX wykorzystującej róŜne połączenia. 74 Rys. 5.1: Wymiana certyfikatów w technologii WiMAX [13] Dla wszystkich stacji przypisana jest jedna asocjacja bezpieczeństwa. Poza nią stacje klienckie posiadają jeszcze inne połączenia wykorzystywane do wymiany pozostałych danych. Przykładowo stacja B posiada dynamicznie wynegocjowane połączenie, które słuŜy do dostarczania zamówionego przez uŜytkownika filmu. Stacja C natomiast posiada asocjację statyczną odpowiedzialną za obsługę połączeń VoIP. Na rysunku pokazano równieŜ transmisję typu broadcast, dzięki której dostarcza jest telewizja cyfrowa dla stacji A i C. Przedstawione połączenia mają oddzielnie wynegocjowane parametry bezpieczeństwa, co daje pewność, Ŝe jakiekolwiek dane mogą nie zostaną odczytane przez nieuprawnione osoby.[13] 75 5.2. Logowanie urządzenia w sieci Ogólny przebieg procesu podłączenia się i uzyskiwania dostępu w sieciach WiMAX przedstawiono na rysunku 5.2. Rys. 5.2: Ogólny schemat wymiany informacji pomiędzy stacją kliencką a stacją bazową [13] 5.2.1.1. Proces uwierzytelniania KaŜda stacja kliencka SS przechodzi dwustronny proces uwierzytelnienia ze stacją bazową, aby móc wymieniać informacje z innymi urządzeniami w sieci WiMAX lub uzyskać dostęp do innych urządzeń podłączonych do stacji bazowej połączeniem przewodowym. W procesie uwierzytelniania wykorzystywane są certyfikaty cyfrowe zgodne z standardem X.509. Zgodnie ze standardem, kaŜde urządzenie abonenckie w sieci WiMAX powinno posiadać dwa certyfikaty. Pierwszy certyfikat producenta, który umoŜliwia weryfikację autentyczności certyfikatu urządzenia. W skład opisu takiego certyfikatu powinny wchodzić: nazwa kraju oraz nazwa producenta oraz moŜe on zostać podpisany przez producenta stacji (Self-signed Certificate) lub teŜ organizację poświadczającą, która jest ogólnie znana. Poświadczenie przez organizację zewnętrzą daje moŜliwość niezaleŜnego sprawdzenia autentyczności certyfikatu producenta stacji BS w fazie wstępnego uwierzytelniania stacji SS w sieci. Poza certyfikatem stacji BS występuje równieŜ indywidualny certyfikat stacji klienckiej SS, który powinien zostać wygenerowany podczas produkcji urządzenia. Składa on się z nazwy producenta 76 urządzenia, kraju produkcji oraz numeru seryjnego i adresu MAC stacji klienckiej. Standard w przypadku tego certyfikatu daje moŜliwość jego wygenerowania oraz wygenerowania kluczy samoczynnie przez urządzenie, co musi byś wykonane przed próbą włączenia się do sieci.[11][12][13] Rysunek 5.3 prezentuje schemat wymiany certyfikatów pomiędzy urządzeniami w procesie uwierzytelniania stacji SS. Rys. 5.3: Infrastruktura Klucza Publicznego (PKI) w sieciach WiMAX [13] KaŜdy z etapów uwierzytelnienia realizowany jest przez protokół PKM (ang. Privacy Key Management). Standard 802.16e-2005 [9] definiuje nową wersja protokołu PKMv2, która przewiduje moŜliwość uwierzytelniania stacji bazowych, co wiąŜe się z wygenerowaniem certyfikatów dla kaŜdej stacji. Certyfikaty stacji bazowej powinny zawierać nazwę kraju, nazwę operatora oraz numer seryjny i unikalny w sieci operatora identyfikator stacji. Certyfikacja stacji bazowej uniemoŜliwi podszycie się atakującego pod stację bazową i przeprowadzenie ataków przechwytywania przez podmiot pośredniczący (ang. Man In The Middle). W standardzie 802.16e wprowadzono równieŜ moŜliwość wykorzystania głównego serwera przechowującego dane niezbędne do procesu autoryzacji – serwera AAA (ang. Authentication Authorization Accounting). W procesie komunikacji z wykorzytaniem serwera AAA wykorzytano protokoły rodziny EAP (ang. Extensible Authentication Protocol) [5]. Obszerny opis protokołów PKMv1 i PKMv2 przedstawiony został w [9]. 77 5.2.1.2. Proces wymiany kluczy Po fazie uwierzytelniania, następuje realizowana przez protokół PKM faza odpowiedzialna za wymianę kluczy i ustalenie algorytmów kryptograficznych. W fazie tej bezpieczeństwo oparte jest na publicznych kluczach, które zawarte są w wymienianych wcześniej certyfikatach oraz algorytmie RSA. W protokołach PKM ze względów wydajnościowych stworzone są hierarchie kluczy i jedynie główny klucz jest wymieniany w ten sposób. Produktem tej fazy jest uzgodniony pomiędzy stacją bazową BS a stacją kliencką SS klucz AK (ang. Authorization Key) zaszyfrowany przy pomocy publicznego klucza algorytmu RSA. Klucz publiczny przekazywany jest do stacji bazowej w certyfikacie zgodnym z protokołem X.509. Uzgodniony wcześniej klucz jest podstawą do wygenerowania kluczy KEK (ang. Key Encryption Key), które wykorzystywane są do zabezpieczenia kluczy sesyjnych TEK (ang. Traffic Encryption Key), które z kolei stosowane są do bezpiecznej wymiany danych uŜytkowych. Szyfrowanie kluczy TEK moŜne być zrealizowane w wykorzystaniem następujących algorytmów: 3DES (128 bitowy klucz), RSA (1024 bitowy klucz), AES w trybie ECB (ang. Electronic Code Book) z 128 bitowym kluczem i dodany w standardzie 802.16e AES w trybie Key-Wrap ze 128 bitowym kluczem.[13] 5.2.1.3. Stosowane metody kryptograficzne Zakończenie fazy wymiany kluczy wiąŜe się ze stworzeniem wszystkich statycznych asocjacji bezpieczeństwa. Posiadanie przez stację SS takich asocjacji daje moŜliwość na w pełni bezpieczną wymianę danych zabezpieczonych we wcześniej wynegocjowany sposób (wybrany algorytm szyfrowania). Klucze, które zostały uzgodnione są waŜne przez określony okres i po jego upływie są zmieniane. W celu zapewnienia ciągłej pracy, stacja bazowa przechowuje po dwa komplety kluczy. Transmitowane w sieci dane mogą być poddane szyfrowaniu za pomocą jednego z algorytmów: DES (w trybie CBC) lub AES (w trybach CCM, CBC lub CTC). W sieciach WiMAX zapewnienie integralności moŜe wiązać się z dwoma rodzajami transmisji – danych uŜytkownika i informacji zarządzających. W pierwszym przypadku w chwili konfiguracji moŜna zdecydować, Ŝe oprócz szyfrowania transmitowane ramki 78 z danymi uŜytkowymi będą równieŜ uwierzytelnione. W tym celu stosuje się algorytm AES w trybie CCM. W takim wypadku oprócz zaszyfrowania ramki z danymi dodany zostanie 8 bajtowy blok ICV (ang. Integrity Check Value). Integralność wiadomości zarządzających jest zapewniana za pomocą algorytmów HMAC [6] w połączeniu z funkcją skrótu SHA-1 lub algorytmu CMAC [6]. W tym przypadku wybrane ramki zarządzania na końcu będą posiadały dodane pole, które zawiera kod uwierzytelniający wiadomość wyliczony dla transmitowanej zawartości i zabezpieczony wcześniej uzgodnionym kluczem. Wyliczanie kodu uwierzytelniającego wiadomość odbywa się z wykorzystaniem kluczy ustalonych w trakcie uwierzytelniania z wykorzystaniem protokołu PKM. 5.3. Jakość bezpieczeństwa w systemie WIMAX Warstwa bezpieczeństwa w sieciach WiMAX została ogólnie zaprojektowana na dość wysokim poziomie. Istnieje kilka aspektów związanych z bezpieczeństwem, które mogą spowodować obniŜenie poziomu bezpieczeństwa sieci WiMAX. Jedną z takich aspektów na pewno jest umoŜliwienie wyłączenia mechanizmów zabezpieczeń, co moŜe zostać wykorzystane w przypadku problemów konfiguracyjnych oraz w celu zwiększenia wydajności. Innym z aspektów jest brak w standardach 802.16 obowiązku skorzystania z certyfikatów producenta wykorzystywanych do weryfikacji autentyczności przesyłanych certyfikatów urządzeń. Stanowi on jedynie rolę informacyjną i poza tym nie wymuszono podpisywania tego certyfikatu przez zaufaną organizację, która zajmuje się dostarczaniem certyfikatów. Takie podejście moŜe spowodować pomniejszenie roli certyfikatów, co w efekcie moŜe wpłynąć na zmniejszenie poziomu bezpieczeństwa całej sieci, a to praktycznie moŜe zredukować przydatność tego rozwiązania do zera. Jeśli chodzi o proces certyfikacji naleŜy pamiętać, Ŝe producenci urządzeń powinni być uwaŜani za zaufane trzecie strony, podobnie jak to ma miejsce w telefonii GSM z kartami SIM. Producent urządzeń powinien przyjąć obowiązek odpowiedniego zabezpieczenia informacji związanych z procesem wgrywania oraz ewentualnego przechowywania informacji na temat kluczy prywatnych. Na producentach więc spoczywa obowiązek stworzenia odpowiednich jednostek certyfikujących (ang. Certification Authority, CA). [13] 79 6. Porównanie technologii transmisji danych w sieciach komórkowych i WiMAX 6.1. Transmisja danych w sieciach mobilnych 3G i 3,5G Współczesne sieci komórkowe jeśli chodzi o transmisję danych przeszły kilka etapów rozwoju zanim osiągnęły poziom usług dostępny w dzisiejszych sieciach UMTS czy 1xEVDO, które pozwalają na transmisję powyŜej 2Mbps w stronę klienta. Wszystkie współczesne technologie transmisji danych w sieciach komórkowych oparte są na pakietowej transmisji danych w oparciu o protokół IP. ZbliŜone parametry transmisji osiągane w poszczególnych rozwiązaniach osiągane są poprzez róŜne rozwiązania warstwy fizycznej oraz dostępu do medium MAC. W rozdziale tym przedstawione zostaną moŜliwości transmisyjne poszczególnych rozwiązań oraz pokrótce technologie stosowane w poszczególnych systemach. [21] Rys. 6.1: Rozwój poszczególnych technologii bezprzewodowej transmisji danych. 80 6.1.1. GSM GSM (ang. Global System for Mobile Communications) jest najbardziej popularnym systemem telefonii komórkowej na świecie. Oferuje on usługi transmisji głosu oraz danych. Transmisja w systemach GSM oparta jest na systemie dupleksu częstotliwościowego FDD, a podział pomiędzy uŜytkowników następuje z wykorzystaniem techniki wielodostępu TDMA. Pasmo dzielone jest na wiele kanałów komunikacyjnych składających się z dwóch częstotliwości radiowych. Następnie kanał dzielony jest na ramki TDMA, które są dzielone na szczeliny czasowe, w których z kolei alokowane są zasoby uŜytkownika (głos lub pakiety danych). Podzielony ramka składa się z 8 równych szczelin czasowych z których kaŜda jest w danym czasie przypisywana pojedynczemu uŜytkownikowi. Transmisja danych w systemach GSM odbywa się z wykorzystaniem komutacji łącz CSD (ang. Circuit Switched Data) z maksymalną, teoretyczną prędkością 9600bps dla kaŜdej szczeliny czasowej. Rozszerzeniem moŜliwości transmisji danych w systemach GSM, jest rozwiązanie nazywane HSCSD (ang. High Speed Circuit Switched Data ), które dzięki innemu systemowi kodowania i korekcji błędów pozwala na osiągnięcie maksymalnej prędkości transmisji 14,4 kb/s w jednej szczelinie czasowej, co przy moŜliwości obsadzenia maksymalnie czterech szczelin danymi, pozwala na transmisję z prędkością 57,6 kb/s. Wadą tego typu transmisji jest konieczność przydziału całego kanału cyfrowego (szczelin czasowych) uŜytkownikowi na okres transmisji, bez względu na to czy wymienia on dane czy tez nie. GPS pomimo niskich parametrów transmisji był jednym z pierwszych wdroŜonych na masową skalę systemów transmisji danych dla uŜytkowników mobilnych z zapewnieniem przenośności połączenia pomiędzy stacjami bazowymi. Wykorzystano tutaj miękki handover, dzięki czemu osiągnięto stabilną przenośność połączenia bez jego zrywania. Jeśli chodzi o parametry jakościowe transmisji w specyfikacji standardu sieci GSM nie przewidziano Ŝadnych mechanizmów zarządzania parametrami przesyłanych strumieni danych. [18] W tego typu sieciach technologia WiMAX moŜe zostać zastosowana jako tanie, pod względem inwestycji rozszerzenie dobrze dopracowanej technologii transmisji głosu, o funkcjonalność bardzo dobrze dopracowanej technologii transmisji danych. 81 6.1.2. GPRS/EDGE Kolejnym rozwiązaniem, które pozwoliło na zwiększenie transmisji danych w sieciach GSM było wprowadzenie pakietowej transmisji danych GPRS (ang. General Packet Radio Service). Technologia ta zakłada pakietową transmisję danych do pojedynczych uŜytkowników (ang. unicast) oraz do określonej grupy (ang. multicast). W GPRS w stosunku do transmisji GSM, stało się moŜliwe naliczanie opłat za ilość przesłanych danych, a nie za czas połączenia jak dotychczas. W sieciach GPRS wykorzystano dotychczasowe kanały komunikacyjne GSM, zmieniając jedynie podejście do wykorzystania szczelin czasowych. W rozwiązaniu pakietowym zastosowano moŜliwość, wykorzystywania tego samego kanału oraz tych samych szczelin czasowych przez wielu uŜytkowników. W technologii GPRS wykorzystuje się podobnie jak w GSM technikę transmisji dupleksowej FDD wraz z wielodostępem oparty na TDMA. Polega to na przydzieleniu uŜytkownika podczas inicjacji połączenia do określonej pary częstotliwości z której jedna jest wykorzystywana dla łącza w dół druga dla łącza w górę, tak para częstotliwości stanowi tu identycznie jak w GSM kanał komunikacyjny. Wykorzystuje się równieŜ statystyczne multipleksowanie w dziedzinie czasu, co pozwala na uŜytkowanie jednego kanału przez wielu uŜytkowników i polega na umieszczaniu, kolejnych oznaczonych pakietów danych w szczelinach czasowych, bez przydzielania całego kanału konkretnemu uŜytkownikowi. Identyfikacja, który pakiet naleŜy do kogo moŜliwa jest poprzez odpowiednie jego oznaczenie. W standardzie GPRS zastosowano równieŜ wydzielone kanały do transmisji pakietów, co pozwala na wykorzystywanie wszystkich ośmiu szczelin czasowych (teoretycznie) do przenoszenia danych. Zmiany takie pozwalają technologii GPRS na transmisję danych o maksymalnej przepustowości 171,2kbps. W technologii GPRS wspierającej jako pierwszej protokół IP, stworzono moŜliwość zarządzania jakością transmisji QoS, ale na poziomie warstwy 3 i wyŜszych.[18] W związku z rozwojem usług sieciowych, zapotrzebowanie na przepustowość wciąŜ rośnie i w związku z tym parametry transmisji na realnym poziomie 60kbps, jakie daje technologia GPRS okazały się niewystarczające. W związku z powyŜszym opracowano standard EDGE (ang. Enhanced Data rates for GSM Evolution), w którym zastosowano nowsze metody modulacji i kodowania, co pozwoliło na zwiększenie transferu uzyskiwanego przy wykorzystaniu jednej szczeliny czasowej. Transfer osiągany 82 poprzez pojedynczą szczelinę czasową w technologii EDGE w zaleŜności od modulacji i kodowania przedstawia tabela poniŜej. [18] Schemat Współczynnik Modulacja Transfer Rodzina kodowy MCS-1 0.53 GMSK 8.8 kbit/s C MCS-2 0.66 GMSK 11.2 kbit/s B MCS-3 0.85 GMSK 14.8 kbit/s A MCS-4 1 GMSK 17.6 kbit/s C MCS-5 0.37 8-PSK 22.4 kbit/s B MCS-6 0.49 8-PSK 29.6 kbit/s A MCS-7 0.76 8-PSK 47.8 kbit/s B MCS-8 0.92 8-PSK 54.4 kbit/s A MCS-9 1 8-PSK 59.2 kbit/s A Tab. 6.1: Szybkość transmisji w pojedynczej szczelinie czasowej w technologii EDGE W technologii EDGE, maksymalna teoretyczna przepustowość dla ośmiu szczelin czasowych wynosi 473,6 kbps, lecz w rzeczywistych systemach przyjmuje się maksymalne wykorzystanie 5 szczelin czasowych, co realnie daje maksymalny transfer 296 kbps. EDGE jako pierwsza z technologii stosowanych w telefonii komórkowej, pozwala na zmianę metody kodowania oraz modulacji. Odbywa się to poprzez podziale metod modulacyjno kodowych na rodziny, tak jak pokazane jest to w tabeli 6.1. W przypadku niskiej jakości kanału, stacja bazowa moŜe zmieniać schemat modulacyjno kodowy w zakresie danej rodziny, w celu uzyskania jak największych parametrów transmisji. [18][19] Technologia WiMAX, jak przedstawiono to w poniŜszej pracy, posiada większe moŜliwości transmisji oraz jak juŜ wspomniano jest technologią zorientowaną na transmisję danych, co w kontekście przedstawionych powyŜej technologii sieci komórkowych jest rozwiązaniem całkowicie odmiennym, gdyŜ technologie te powstały 83 z zorientowanej na transmisję głosu technologii GSM, poprzez zmiany technik kodowania i modulacji. 6.1.3. UMTS (HSDPA/HSUPA) UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System) jest technologią telefonii komórkowej trzeciej generacji, która została stworzona w celu zapewnienia większych przepustowości sieci pod względem transmisji danych. Zmieniono tutaj całkowicie interfejs radiowy zarówno pod względem wykorzystywanego pasma częstotliwości jaki i szerokości kanału transmisji. Technologia UMTS działa w paśmie 1885-2200MHz wykorzystując kanał transmisyjny o szerokości 5MHz. Dodatkową nowością w stosunku do poprzedników jest wykorzystania wielodostępu WCDMA wykorzystując jednocześnie technikę dupleksową FDD. Wykorzystanie techniki WCDMA wraz z wykorzystaniem szerszego pasma transmisji, pozwala na uzyskanie większych przepustowości sieci niŜ dotychczasowe rozwiązania. W UMTS maksymalna prędkość teoretyczna transmisji osiąga 2Mbps. W technologii WCDMA dane transmitowane są jednym kanałem transmisyjnym, a podział kanału pomiędzy uŜytkownikami następuje za pomocą kodów rozpraszających. Technologia UMTS definiuje kanał komunikacyjny, jako dwa osobne kanały DPDCH jeden dla łączności w górę UL, drugi dla łączności w dół DL. Poza powyŜszymi kanałami przeznaczonymi dla uŜytkowników, występują dwa kanały sterujące DPCCH dla łącza w górę UL oraz dla łącza w dół DL.[19][21] W zaleŜności od zastosowanego współczynnika rozpraszania, otrzymujemy róŜne wydajności kanału, tak jak przestawiono to w tabeli poniŜej. Tab. 6.2: Szybkości transmisji uzyskiwane w technologii UMTS 84 W standardzie UMTS zastosowano nowy typ modulacji QPSK, który w dotychczasowych rozwiązaniach nie był stosowany. Przepustowości podane w powyŜszej tabeli są wartościami teoretycznymi. Rzeczywiste osiągi technologii UMTS, są duŜo niŜsze i w duŜej mierze uzaleŜnione od ilości uŜytkowników oraz jakości kanału transmisyjnego. Technologia UMTS posiada równieŜ niesymetryczny kanał UL o duŜo mniejszej przepustowości. Pod względem zarządzania jakością usług, standard UMTS wprowadza jako pierwszy klasyfikację usług (cztery grupy) pod względem ich wymagań i w związku z tym, wspiera rozwiązania wymagające określonych parametrów łącza. W technologii tej zastosowano równieŜ adaptacyjną kontrolę mocy, w zaleŜności od jakości kanału komunikacyjnego, polegającą na dostosowaniu mocy nadawania w celu poprawy jakości transmisji. [19] W związku z dąŜeniem do uzyskania większej przepustowości, wprowadzono rozszerzenia technologii UMTS, pozwalające na zmianę parametrów łącza w dół jak i w górę. Rozwiązanie te noszą odpowiednio nazwy HSDPA i HSUPA. HSDPA wprowadza zmiany w rozmiarze ramki z 10ms stosowanej w UMTS na 2ms, co pozwala na szybsze rozmieszczanie ramek w zasobach radiowych, a co za tym idzie zwiększenie szybkości transmisji.[2][17][21] Wprowadzono równieŜ mechanizmy nie stosowane w dotychczasowych rozwiązaniach, a słuŜące poprawie jakości i szybkości transmisji. Z mechanizmów takich moŜemy wyróŜnić: • Modulacje adaptacyjną i kodowanie • Hybrydowy mechanizm Ŝądania powtórzeń HARQ • Wielokodowe operacje 6.1.4. 1xEVDO Jednym ze standardów opracowanych w celu zwiększenia transmisji w sieciach komórkowych wykorzystujących metodę wielodostępu CDMA jest rozwiązanie 1xEVDO. 1xEVDO jest technologią zorientowaną na transmisję danych, stworzoną na bazie standardu sieci komórkowych CDMA2000. Wykorzystuje się, w tej technologii do transmisji jeden lub więcej kanałów radiowych o szerokości 1,25MHz oraz technikę wielodostępu CDMA wraz z dupleksem częstotliwościowym FDD. Technologia ta w 85 zaleŜności od wykorzystywanych metod kodowania i modulacji kanału, osiąga róŜne przepustowości. [2][4][21] Tab. 6.3: Transfer w warstwie fizycznej technologii 1xEVDO 6.2. Analiza moŜliwości i rozwiązań sieci 3G i technologii WIMAX W sieciach komórkowych 3G oraz 3,5G najnowsze rozwiązania takie jak UMTS (HSDPA/HSUPA) oraz 1xEVDO, są zaprojektowane w celu zapewnienia szerokopasmowych usług dostępowych i w związku z tym są one porównywalne pod względem funkcjonalności oraz rozwiązań z technologią WiMAX. Starsze rozwiązania stanowią jedynie, rozszerzenie moŜliwości sieci transmitujących głos o funkcjonalność transmisji danych i niestety nie posiadają one mechanizmów, których odpowiedników moŜna szukać w technologii opartej na standardach 802.16. W związku z powyŜszym w rozdziale tym analizie poddane zostaną technologie 1xEVDO, HSDPA/HSUPA oraz WiMAX. Porównanie podstawowych parametrów technologii transmisji danych w sieciach komórkowych oraz standardu WiMAX, przedstawiono w tabeli 6.4. 86 Atrybut 1xEVDO Rev A HSDPA/HSUPA Mobilny WiMAX Standard CDMA2000/IS-95 WCDMA IEEE 802.16e Metoda dupleksu FDD FDD TDD Technika DL TDM CDM-TDM OFDM Wielodostęp UL CDMA CDMA OFDMA Szerokość kanału 1.25MHz 5MHz Skalowalna: 5, 7, 8.75, 10 MHz Rozmiar ramki DL 1.67ms 2 ms 5 ms TDD Rozmiar ramki UL 6.67ms 2 lub 10 ms 5 ms TDD Modulacja DL QPSK/8PSK/16QAM QPSK/16QAM QPSK/16QAM/64QA M Modulacja UL BPSK/QPSK/8PSK BPSK/QPSK QPSK/16QAM Kodowanie Turbo CC, Turbo CC, Turbo DL w warstwie PHY 3,1 Mbps 14 Mbps 46 Mbps, DL/UL=3 32 Mbps, DL/UL=1 (10 MHz kanał) UL w warstwie PHY 1,8 Mbps 5,8 Mbps 7 Mbps, DL/UL=3 4 Mbps, DL/UL=1 (10MHz kanał) Tryb H-ARQ Handover ZróŜnicowanie toru Szybki 4-kanałowy Szybkie 6-kanałowe Wielokanałowy Synchroniczy IR Asynchroniczny CC Asynchroniczny CC Virtual Soft Inciiowany przez Zarządzany przez Handover sieć Hard Handover sieć Hard Handover Pojedynczy Pojedynczy MIMO STBC,SM Brak Tak Tak nadawczego (MIMO) Wsparcie dla anten inteligentnych Tab. 6.4: Porównanie parametrów WiMAX, 1xEVDO, HSDPA/HSUPA [21] Jak zostało to przedstawione w powyŜszej tabeli, wiele rozwiązań jest wspólnych dla powyŜszych technologii, a zaliczyć do nich moŜna: • Adaptacyjną modulację i kodowanie (AMC) • Wsparcie mechanizmu H-ARQ • Efektywne szerokopasmowe metody przenoszenia połączeń (Handover) 87 Wykorzystanie widma Systemy, których podstawą tworzenia są technologie wykorzystywane do cyfrowej transmisji głosu, pod względem wydajności osiągają mniejsze parametry jeśli chodzi o wykorzystanie pasma. WiMAX w stosunku do tych technologii posiada o wiele większe moŜliwości przesyłu danych, co zostało osiągnięte poprzez zastosowanie wydajniejszych metod kodowania oraz metody transmisji OFDM. PoniŜszy rysunek przedstawia wyniki symulacji dla trzech porównywanych technologii, przy załoŜeniu jednakowego obciąŜenia systemu.[21] Rys. 6.2:Wydajność widmowa i przepustowość per sektor technologii WiMAX, HSPA, 3xEVDO.[21] W stosunku do najnowszych specyfikacji, takich jak HSPA czy teŜ 3xEVDO, technologia WiMAX zapewnia prawie dwukrotnie większe wykorzystanie widma sygnału, co przekłada się bezpośrednio na przepustowość osiągalną przez jeden sektor stacji bazowej. Adaptacyjna modulacja i kodowanie W rozwiązaniach takich jak 1xEVDO i HSDPA zastąpiono nieefektywne zarządzanie mocą w kanale DL, adaptacyjną modulacją i kodowaniem. W HSUPA wprowadzono taką funkcjonalność w kanale UL. W powyŜszych rozwiązaniach zastosowano technikę AMC, w której zastosowano ograniczoną liczbę formatów transmisji określonych poprzez rozmiar pakietu, typ kodowania oraz modulacje. Wymusza to fragmentacje przychodzących pakietów z warstw wyŜszych, w celu dostosowania ich do określonych formatów transmisji. WiMAX natomiast wspiera AMC zarówno w kanałach DL jak i UL. W kanale UL wykorzystywana jest wydajniejsza modulacja 16QAM (opcjonalnie 64QAM) dla kaŜdego podkanału OFDMA. Jednocześnie WiMAX pozwala na 88 stosowanie zmiennych rozmiarów pakietów co zmniejsza konieczność fragmentacji.[21] MoŜliwości poszczególnych rozwiązań zestawione są w tabeli poniŜej. Technologia Modulacja DL Współczynnik Modulacja UL kodowy DL 1xEVDO-Rev 0 Współczynnik kodowy UL 16QAM, Stała (BPSK) Stały BPSK,QPSK,8PSK Turbo: 1/2, ¼ Stała (BPSK) Stała 8PSK, 1xEVDO-Rev A QPSK Turbo: 1/3, 1/5 64QAM, 2xEVDO-Rev B 16QAM, 8PSK,QPSK HSDPA 16QAM, QPSK HSPA Turbo,CC: 1/4, 2/4, 3/4, 4,4 (HSDPA+HSUPA) Mobilny WiMAX 64QAM, 16QAM, QPSK Turbo,CC: 1/12, 1/8, 1/4, 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 BPSK,QPSK 16 QAM, QPSK, 64QAM (opcja) Turbo,CC: 2/4, 3/4, 4/4 Turbo, CC: 1/12, 1/8, 1/4, 1/2, 2/3, 3/4, 5,6 Tab. 6.5: Parametry kodowe i modulacyjne poszczególnych technologii.[21] Hybrydowy ARQ Wszystkie systemy wspierają HARQ jako jeden z waŜniejszych sposobów na poprawienie odporności na błędy transmisji danych w kanale radiowym. Stosowane są dwa rodzaje metod kodowania i retransmisji danych: wielokrotnych powtórzeń (ang. Chase Combinning) CC oraz zwiększonej redutancji (ang. Incremental Redutancy) IR. HARQ CC jest wykorzystywana w sieciach WiMAX. W 1xEVDO, UMTS, GPRS wykorzystywana jest metoda HARQ IR. Metoda wielokrotnych powtórzeń jest prostsza do implementacji sprzętowej, natomiast IR jest metodą wykorzystującą w procesie dekodowania większe zasoby fizyczne. Wszystkie systemy wspierają równieŜ wykorzystanie HARQ w kilku kanałach transmisji. [3][21] 89 Szybkie mechanizmy szeregujące W stacjach bazowych nowoczesnych sieci przeznaczonych do transmisji danych takich jak porównywane w tym rozdziale, zastosowano szybkie mechanizmy szeregujące oraz planujące rozmieszczenie zasobów w warstwie fizycznej. Technologie takie jak GPRS, UMTS, HSDPA czy 1xEVDO, stosują szybkie mechanizmy szeregujące w łączu w dół. HSUPA oraz WiMAX stosują mechanizmy planowania (szeregowania) zarówno w łączu w dół jak i w górę. WiMAX wspiera planowanie zasobów na poziomie pojedynczej ramki, co realizowane jest poprzez zbiór komunikatów MAP. Handover Stosowane w sieciach zorientowanych na transmisję głosu GSM, GPRS, UMTS miękkie przeniesienie połączenia (handover), zostało zastąpione w nowszych rozwiązaniach poprzez mniej wymagające pod względem zasobów sieci mechanizmy. W sieciach HSPA (HSDPA/HSUPA) wykorzystano zarządzany poprzez sieć mechanizm „Network Initiated Hard Handover”, dzięki któremu zmniejszono wykorzystanie pasma w stosunku do poprzednich rozwiązań oraz utrzymano małe opóźnienia związane z przełączeniem, na poziomie 20ms. 1xEVDO wykorzystując komunikaty informujące o stanie kanału równieŜ stosuje bardziej efektywne rozwiązanie a mianowicie „Virtual Soft Handover”. W sieciach WiMAX moŜliwe jest zastosowanie róŜnych metod handoveru (Hard Handover, MDHO lub FBSS) które pozwalają na zachowanie opóźnienia na poziomie 50ms.[10][21] Zjawisko wielodrogowości i tłumienia Systemy oparte na technologii CDMA, w celu rozwiązania kwestii wielodrogowości sygnału radiowego oraz podatności na tłumienia, stosują wyspecjalizowany układ odbiornika RAKE, którego zadaniem jest odkodowanie przesyłanych informacji, które z kolei kodowane są za pomocą kodów rozpraszających. Taki system transmisji pozwala na uzyskanie dosyć wysokiego bezpieczeństwa, gdyŜ tylko znajomość kodu rozpraszającego pozwala na odkodowanie informacji. Wadą tych systemów jest natomiast podatność na interferencję oraz zjawisko wielodrogowości, gdyŜ opóźnienie sygnału nawet o jeden bit, spowoduje przesunięcie sygnału rozproszonego względem ciągu rozpraszającego i w konsekwencji nie będzie on nadawał się do uŜytku. Takie rozwiązanie wymaga więc bardzo dokładnej synchronizacji, która moŜe zostać zakłócona poprze zjawisko wielodrogowości oraz tłumienie. 90 W systemach WiMAX odporność na tego typu problemy została rozwiązana poprzez zastosowanie techniki transmisji OFDM, która w bardzo duŜym stopniu odporna jest na zjawisko wielodrogowości oraz tłumienia. Nie wymaga więc ona Ŝadnych dodatkowych rozwiązań sprzętowych, takich jak kosztowny i wyspecjalizowany odbiornik RAKE w systemach 3G. W kwestii propagacji sygnału radiowego, jeśli bierzemy pod uwagę wykorzystanie mocy nadajnika, technologia CDMA, pozwala na osiągnięcie duŜo większych zasięgów stacji bazowej przy porównywalnej mocy do OFDMA. [1][3][21] Skalowalna szerokość kanału WiMAX w stosunku do rozwiązań transmisji danych w sieciach telefonii komórkowej, posiada moŜliwości skalowania szerokości wykorzystywanego do transmisji pasma, co nie zostało zaimplementowane w rozwiązaniach GSM, UMTS czy najnowszych HSPA lub 1xEVDO. Systemy transmisji danych w sieciach komórkowych posiadają sztywne rozwiązania w dziedzinie wykorzystywanego pasma częstotliwości, a co za tym idzie, równieŜ rozwiązania warstw sieciowych, takie jak struktura ramki czy stosowane ciągi rozpraszające. Zastosowanie w takich systemach innych szerokości pasma transmisji, wiąŜe się ze zmianami tych struktur i metod.[21] WiMAX poprzez zastosowanie skalowalnej OFDMA, pozwala na natychmiastowe dostosowanie systemu transmisji do nowej szerokości pasma. Selekcyjny podział częstotliwości W systemach opartych na technologii CDMA nie ma moŜliwości selekcyjnego zarządzania częstotliwością, gdyŜ do transmisji wykorzystywane jest całe dostępne pasmo. Technologia OFDM, zastosowana w sieciach WiMAX, pozwala natomiast na zawansowane zarządzaniem częstotliwościami kanału radiowego, poprzez dynamiczny podział na podkanały. Rozwiązanie takie, pozwala na dostosowanie rozmieszczenia oraz przydziału podnośnych wchodzących w skład kanału komunikacyjnego, co pozwala na obsługę wielu uŜytkowników wraz z dostosowaniem parametrów kanału do wymagań jakościowych QoS oraz warunków propagacyjnych transmisji. Częściowe uŜycie częstotliwości. Wszystkie systemy telefonii komórkowej, wykorzystują częściowe uŜycie częstotliwości w celu większego pokrycia terenu, poprzez wiele stacji bazowych, wykorzystujących tą samą szerokości pasma transmisji. W takich rozwiązaniach nie jest 91 potrzebny podział na kanały, które zostaną przypisane do poszczególnych stacji bazowych. W systemach CDMA stosuje się wykorzystywanie innego podzbioru kodów rozpraszających na granicach komórek. WiMAX który w transmisji wykorzystuje podkanały OFDM, na granicach komórek stosuje podgrupę kanałów, całkiem odmienną, niŜ w pobliŜu stacji bazowej. Stosowanie róŜnych grup kanałów, czy sekwencji kodujących na granicach poszczególnych komórek, pozwala na uŜytkowanie całego dostępnego pasma transmisji bez obawy o zjawiska interferencji na granicach komórek.[4][21] Zarządzanie jakością usług QoS Rozwiązanie zarządzeniem jakością usług jest jedną z najmocniejszych stron technologii WiMAX. W rozwiązaniach takich jak GPRS, UMTS, HSPA, 1xEVDO zastosowano priorytetowy podział na cztery grupy usług, do których mogą zostać przypisane transmitowane dane. Takie sztywne przypisanie do grupy usług wiąŜe się z tym, iŜ podczas kiedy transmisje o wyŜszym priorytecie potrzebują zasobów komunikacyjnych, transmisje o niŜszych priorytetach mogą w tym samym czasie otrzymywać zasoby, których nie wykorzystują. W sieciach WiMAX rozwiązanie zarządzania jakością usług jest bardziej rozbudowane i bazuje na ustalaniu parametrów transmisji, praktycznie dla kaŜdej transmitowanej ramki danych. Zawansowane techniki antenowe Rozwiązania stosowane poprzez nowoczesne techniki antenowe, nie są wpierane przez systemy transmisji danych w sieciach komórkowych. Wprowadzone dopiero w HSPA wsparcie dla ukierunkowania wiązki sygnału radiowego, stosowanego w antenach inteligentnych, jest jedynym rozwiązaniem, które pozwala na lepsze wykorzystanie pasma. Ogólnie w sieciach komórkowych stosowane jest pojedyncze wykorzystanie anten, zarówno w terminalach klienckich jak i stacjach nadawczych. WiMAX, który został oparty na bardzo przyjaznej technologii OFDM/OFDMA, posiada bardzo duŜe moŜliwości w wykorzystywaniu najnowszych rozwiązań w torach transmisyjnych. Stosowane są tutaj technologie wielotorowej transmisji MIMO oraz zawansowane technologie sterownia wiązką wypromieniowaną poprzez anteny inteligentne. 92 7. Podsumowanie Przedstawiona w pracy technologia WiMAX jest rozwiązaniem, które posiada bardzo duŜy potencjał, jeśli chodzi o szerokopasmową transmisję danych. Zastosowane w niej rozwiązania pozwalają na bardzo dobre wykorzystanie dostępnych zasobów radiowych. Początkowe wersje technologii WiMAX (802.16- 802.16d) zapewniały bardzo duŜe moŜliwości transmisyjne wraz z bardzo dobrym wsparciem dla zarządzania poziomem usług, lecz wspierały jedynie transmisję do uŜytkowników nomadycznych. Wprowadzenie obsługi mobilności w rozwiązaniach WiMAX, pozwoliło na otwarcie całkiem nowych moŜliwości przed tą technologią. Takimi właśnie moŜliwościami są na pewno zastosowania w sieciach telefonii komórkowej. Technologia, która została przestawiona w tej pracy, posiada wszelkie rozwiązania zarówno warstwy fizycznej, jak równieŜ warstwy MAC, które pozwalają na zastosowanie jej jako substytutu oferowanych technologii, bazujących na rozwiązaniach telefonii komórkowej. WiMAX w stosunku do transmisji danych w systemach GSM czy GPRS, posiada o wiele większe moŜliwości transmisyjne, jak równieŜ moŜe obsłuŜyć większą liczbę uŜytkowników z zapewnieniem jakości usług QoS. Rozwiązania ukierunkowane na transmisję danych, zastosowane w sieciach WiMAX mogą stanowić znakomite uzupełnienie, oferowanej przez operatorów GSM transmisji głosu. Technologia sieci WiMAX daje więc operatorom sieci komórkowych bardzo duŜe moŜliwości poszerzenia usług o wydajne szerokopasmowe usługi dostępowe. Jednak naleŜy teŜ podkreślić, iŜ WiMAX jest technologią zbudowaną od podstaw, nie tak jak w przypadku technologii GSM, GPSR, EDGE, gdzie podstawą tworzenia technologii były dostępne rozwiązania sieci transmitujących głos. WiMAX w związku z powyŜszym, jest technologią, która oferując duŜe moŜliwości transmisyjne, wymaga równieŜ budowy sieci praktycznie od podstaw, gdyŜ nie moŜe zostać zaimplementowana jako rozszerzenie aktualnie dostępnych rozwiązań. Inaczej ma się sytuacja z nowszymi i konkurencyjnymi systemami, takimi jak rozwiązania UMTS (HSPA) czy 1xEVDO, których standardy zdefiniowane są równieŜ jako rozszerzenia wdroŜonych technologii. NaleŜy jednak podkreślić w tym wypadku, iŜ technologie te oferują mniejsze poziomy transmisji oraz większą podatność na zakłócenia. WiąŜe się to z wykorzystywaną technologią wielodostępu i rozpraszania widma CDMA, która pomimo, iŜ pozwala na obsługę większej ilości terminali w stosunku do technologii OFDMA, jest jednocześnie 93 mniej odporna na zakłócenia panujące w kanale radiowym. Inną waŜną zaletą w stosunku do technologii opartych na CDMA, jest zapewnienie dzięki wykorzystaniu S-OFDMA, większych moŜliwości skalowalności sieci, a co za tym idzie na dostosowanie wydatków na infrastrukturę oraz pasmo, do aktualnych wymagań. Problem skalowalności zauwaŜalny jest równieŜ w procesie przydział zasobów, technologia OFDMA pozwala dynamicznie przydzielać zasoby dla kaŜdego uŜytkownika (zarówno w łączu w górę jak i w dół). Technologia CDMA, posiada w tym zakresie ograniczone moŜliwości, co wiąŜe się z asymetrią kanałów DL i UL, oraz brakiem czasowej alokacji zasobów. W chwili obecnej śledząc powstawanie najnowszych rozwiązań telefonii 4G, moŜna zauwaŜyć, kierowanie się technologii transmisji danych w sieciach komórkowych w stronę rozwiązań opartych na technologii OFDMA. Reasumując, moŜna stwierdzić, iŜ technologia WiMAX potrafi zapewnić jednakowy poziom usług, jeśli chodzi o transmisję danych w stosunku do technologii stosowanych w sieciach telefonii komórkowej, a jednocześnie posiada szereg rozwiązań zwiększających wydajność sieci, których implementacja w systemach GSM, GPRS czy CDMA nie jest moŜliwa (MIMO, AAS, QoS). Pozwala to na traktowanie technologii WiMAX jako alternatywy sieci GSM, GPRS czy UMTS, wraz pewną wartością dodaną, która moŜe w bardzo szybkim tempie przyspieszyć rozwój szerokopasmowych usług transmisji danych. 94 Bibliografia [1] 3GPP TSG-RAN-1, "Effective SIR Computation for OFDM System-Level Simulations", R1-03-1370, Meeting #35, Lisbon, Portugalia, Listopad 2003. [2] 3GPP TSG-RAN-1, “System-Level evaluation of OFDM - further Considerations”, R1-031303, Listopad 2003. [3] 3GPP TSG-RAN-1,”Performance Comparison of Hybrid-ARQ Schemes”, R1-001396, Listopad 2000 http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_17/Docs/PDFs/R1-00-1396.pdf [4] 3GPP2 C.R1002-0, “CDMA2000 Evaluation Methodology”, Grudzień 2004. [5] B. Aboba, L. Blank, J. Vollbrecht, “Extensible Authentication Protocol (EAP)”, Request for Comments: 3748, Czerwiec 2004 [6] H. Krawczyk, M. Bellare, R. Canetti, “HMAC: Keyed-Hashing for Message Authentication”, Request for Comments: 2104, Luty 1997 [7] IEEE. Standard 802.16-2004. “Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems”, Czerwiec 2004. [8] IEEE. Standard 802.16-2005. “Part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless Access systems”, Grudzień 2005. [9] IEEE. Standard 802.16e-2005. “Part16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless Access systems—Amendment for physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operation in licensed band.”, Grudzień 2005. [10] Jeffrey Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, “Fundamentals of WiMAX Understanding Broadband Wireless Networking”, Prentice Hall, 2007r. [11] K. Cabaj, W. Mazurczyk, K. Szczypiorski, „Zarządzanie kluczami w sieciach WiMAX”, Materiały: XI Krajowa Konferencja Zastosowań Kryptografii Enigma'2007, 23-25 maja 2007, Warszawa [12] K. Szczypiorski (kier.), K. Cabaj, I. Margasiński, „Analiza zagroŜeń i ochrona danych w sieciach bezprzewodowych”, Warszawa, listopad 2005, Instytut Telekomunikacji PW na zlecenie Instytutu Łączności w ramach Programu Wieloletniego - "Rozwój Telekomunikacji i Poczty w Dobie Społeczeństwa Informacyjnego 95 [13] Krzysztof Cabaj, Wojciech Mazurczyk, Krzysztof Szczypiorski, „Bezpieczeństwo bezprzewodowych sieci WiMAX”, ENIGMA 2007 - XI Krajowa Konferencja Kryptografii i Ochrony Informacji, Warszawa, 23 - 25 maja 2007, http://www.tele.pw.edu.pl/~krzysiek/pdf/enigma2007_bez.pdf [14] Olga Pochodaj, „Tryby dupleksu w WiMax”,2005, http://www.wimax.biz.pl/wimax-artykuly/tryby-dupleksu-w-wimax-4.html [15] Olga Pochodaj, „Czy potrzebna jest widoczność optyczna - LOS i NLOS”, 2005, http://www.wimax.biz.pl/wimax-artykuly/czy-potrzebna-jest-widocznosc-optyczna-los-inlos-4.html [16] Praca zbiorowa, „Program Wieloletni Rozwój Telekomunikacji i Poczty w dobie Społeczeństwa Informacyjnego - Rozwój sieci telekomunikacyjnych sieci następnej generacji – aspekty strukturalne, funkcjonalne, techniczne i normalizacyjne, Szerokopasmowe radiowe sieci dostępowe WiMAX”, Politechnika Warszawska Instytut Łączności, Warszawa 2006, www.mt.gov.pl/viewattach.php/id/760900385c150529f1ab7546ec53a621 [17] „Technologia CDMA”, http://www.fkn.pl/4,0,1357733,1,1,artykul.html [18] Tomasz Boczyński, Tomasz Janoś, Stefan Kaczmarek, „Vadecum Teleinformatyka II” , 2002, IDG Poland SA [19] W.Lipiński, „Technologia UMTS, analiza modulacji i transmisji sygnałów”, Praca dyplomowa 2005, http://www.wlipinski.ps.pl/download/DYDAKTYKA/2DYPLOMY/DYPLOMY/UMTS-2003/ [20] WiMAX Forum. “Mobile WiMAX—Part I: A technical overview and performance evaluation. White Paper.”, Mrzec 2006. www.wimaxforum.org. [21] WiMAX Forum. “Mobile WiMAX—Part II: A comparative analysis. White Paper.” Lipiec 2006. www.wimaxforum.org. 96
