Pracovní skupina IEEE 802.16, Broadband Wireless Access (BWA), zahájila svou činnost v roce 1999. První norma 802.16 z roku 2001 definuje fyzickou vrstvu a podvrstvu MAC (Media Access Control) bezdrátové metropolitní sítě. Je určena pro kmitočty v intervalu 10–66 GHz, z čehož také vyplývá požadavek přímé viditelnosti mezi rádiovým vysílačem a přijímačem. Na druhou stranu to ale také znamená slušnou kapacitu sítě: na fyzické vrstvě může být kapacita až 268 Mbit/s.
Přímá viditelnost a použité kmitočty ale neudělaly z 802.16 ideálního kandidáta pro širokopásmový bezdrátový přístup. Pro něj se hodí až nová specifikace, schválena v letošním roce pod označením 802.16a.
802.16a
V lednu letošního roku byla schválená norma IEEE 802.16a, která rozšiřuje původní normu o nižší kmitočty v intervalu 2–11 GHz (zahrnující kmitočty jak bez licence, tak s licencí). Tyto kmitočty ve srovnání s vyššími umožňují levnější pokrytí pro více uživatelů, i když s nižšími přenosovými rychlostmi. Toto řešení bude více vyhovovat jednotlivým koncovým uživatelům, domácím kancelářím nebo malým podnikům pro připojení k Internetu.
Kromě využití 802.16a jako řešení první míle, tedy přístupu k Internetu pro koncové uživatele a sítě (domácnosti i podniky), bude specifikace pravděpodobně zajímavým řešením pro propojení veřejných WLAN (tzv. hot spots) podle IEEE 802.11, protože dovoluje vytvořit bezdrátovou páteřní síť těchto přípojných míst poskytovatelů bezdrátového přístupu k Internetu (WISP, Wireless Internet Service Provider). Tak by přestaly být veřejné WLAN pouze osamocenými ostrůvky pro uživatele, ale dosáhly by lepšího pokrytí (v souvislosti s řešením otázek roamingu). Pro mobilní profesionály je stále důležitější rychlý přístup k Internetu a podnikovým sítím a využívání širokopásmových služeb i mimo kancelář (obrázek 1 od Intelu připomíná i další možnosti využití specifikace).
Jako první se ale 802.16a uplatní zřejmě v mimoměstských oblastech, které nejsou vybaveny kabelovými nebo DSL službami. V husté zástavbě a obchodním středu měst, kde se již hojně využívá jiný typ širokopásmových přípojek, zájem o přechod na bezdrátovou technologii nelze očekávat. Navíc v husté zástavbě může hrozit rušení jinými bezdrátovými technologiemi. 802.16a ale může být zajímavou alternativou pro investory do administrativních center, protože umožní širokopásmový přístup pro řadu uživatelů bez nutnosti pokládat optiku.
NLOS a OFDM
Oproti řešení komunikace na vyšších kmitočtech první normy nevyžaduje 802.16a přímou viditelnost (pracuje v režimu NLOS, Non-Line-Of-Sight), protože využívá OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a volitelně topologii sítě se smyčkami (mesh). 802.16a má také zabudovanou podporu kvality služeb (QoS, Quality of Service), která je nezbytná pro aplikace citlivé na zpoždění a/nebo ztráty paketů, jako jsou hlasové nebo obrazové interaktivní služby.
OFDM se používá již delší dobu, např. od roku 1992 pro digitální vysílání, od roku 1995 pro DSL a v posledních letech také ve WLAN. Přichází ke slovu všude tam, kde je potřeba docílit vysoké propustnosti a přitom podmínky na kanálu mohou být ztíženy. OFDM rozděluje signál pro vysílání do více signálů, např. v nejoblíbenější variantě pro WMAN, 256 OFDM, se místo jediného signálu přenášejícího 70 Mbit/s dat používá 256 samostatných signálů, z nichž každý přenáší kolem 280 kbit/s. Tím se přenos chrání proti rušení způsobenému různými cestami signálu a vůbec útlumu signálu právě ve venkovním prostředí.
Fyzická vrstva 802.16a
Norma nabízí tři řešení fyzické vrstvy (včetně OFDM), časový duplex TDD (Time-Division Duplexing) a kmitočtový duplex FDD (Frequency-Division Duplex). Rádiové kanály mají šířku pásma od 1,5 do 20 MHz. Použité kmitočty ve srovnání s vyššími umožňují levnější pokrytí pro více uživatelů s přenosovými rychlostmi až 63 Mbit/s, ale tuto kapacitu sdílejí všichni uživatelé připojení k téže základnové stanici. 802.16a používá pevnou venkovní základnovou stanici, která komunikuje s transceivery až na vzdálenost 20 kilometrů.
Metropolitní sítě podle 802.16 se musí, podobně jako všechny rádiové sítě, vyrovnávat s měnícími se podmínkami prostředí, protože zejména déšť může mít negativní vliv na kvalitu příjmu signálu. Specifikace proto zahrnuje řízení rádiového spoje (radio link control) pro nastavení počátečních parametrů rádiového spojení a pro jejich změnu při změně podmínek. Zařízení podle 802.16 monitoruje kvalitu spoje po jeho inicializaci a příslušně přizpůsobuje přenosové parametry.
Pozitivní prvky 802.16a
802.16a jako moderní norma pro širokopásmové metropolitní bezdrátové sítě má své kvality zejména v oblasti pokrytí, schopnosti růstu při zvyšujícím se počtu uživatelů a také v oblasti podpory QoS.
802.16a MAC používá protokol typu požadavek-přidělení šířky pásma, takže umí podporovat různé úrovně služeb. Protokol používá TDM (Time Division Multiplex) pro dopředný směr (od základny k uživateli, downstream) a TDMA (Time-Division Multiple Access) pro zpětný směr (od uživatele k základně, upstream), s centralizovaným plánovačem, který se stará o efektivní a přednostní přidělení šířky pásma. Proto je vhodný pro provoz citlivý na zpoždění, jako je hlas nebo video v reálném čase.
Na rozdíl od technik náhodného přístupu s možnými kolizemi, CSMA/CA, používaných v jiných bezdrátových sítích (802.11), zajišťuje 802.16a MAC přístup k rádiovému kanálu bez jakýchkoli potenciálních kolizí a navíc garantuje určité maximální zpoždění. TDM/TDMA také zajišťuje jednodušší podporu pro skupinové vysílání. MAC také podporuje mechanizmy pro úsporné napájení pro přenosné terminály.
802.16a podporuje čtyři úrovně QoS: pro hlasové přenosy (VoIP), přenos v reálném čase na základě výzvy (MPEG video), přenos na základě výzvy nikoli v reálné čase (FTP) a základní službu bez jakéhokoli upřednostňování dat (best effort).
802.16a podporuje pružné přidělování šířky pásma rádiových kanálů a opětovné využívání kanálů (spektra) pro zvýšení kapacity buňky při růstu sítě. Specifikuje také řízení vysílacího výkonu (TPC, Transmit Power Control) a měření kvality kanálu jako doplňkové prostředky pro plánování buněk a efektivního využívání spektra. Dynamický výběr kmitočtu (DFS, Dynamic Frequecy Selection) je povinný pro práci v bezlicenčních pásmech. Norma podporuje stovky až tisíce uživatelů v rámci jednoho kanálu. Provozovatelé mohou spektrum realokovat prostřednictvím dělení buněk do sektorů podle rostoucího počtu uživatelů.
802.16a je navržen pro optimální výkonnost ve všech typech prostředí šíření rádiového signálu: v přímé viditelnosti (LOS), téměř přímé viditelnosti (near-LOS) a NLOS. Vypořádá se spolehlivě i se situacemi, kde vznikají odrazy signálu.
Modulace OFDM zajišťuje vysoké spektrální využití (v bitech za sekundu na Hertz) v dosahu do 40 kilometrů s kapacitou 70 Mbit/s na jednom rádiovém kanálu. 802.16a nabízí kromě vyspělé modulace také použití moderní topologie propojených sítí (mesh, viz obrázek 2). Kromě toho specifikuje také vyspělou technologii antén (např. antény s formováním paprsku, beam-forming) pro využití v BWA pro zvýšení pokrytí. Tyto moderní techniky umožňují zvýšit kapacitu, opětovné využívání spektra a průměrnou i vrcholnou propustnost na rádiový kanál.
Ještě jednou WiMAX Forum
WiMAX Forum (Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum) jsme si přestavili už minule jako hlavního propagátora BWA podle 802.16×yz. Jeho práce je klíčová v oblasti certifikace zařízení podle normy (podobně jako WiFi Aliance certifikuje zařízení pro WLAN).
WiMAX Forum se zabývá přípravou profilů (souboru funkčních prvků) pro vzájemnou spolupráci systémů WiMAX. Profily se mohou týkat např. regulačních omezení spektra v různých regionech světa. V Evropě poskytovatel služby pracující v pásmu 3,5 GHz, s alokovaným pásmem 14 MHz, může chtít, aby jeho zařízení podporovalo šířku pásma kanálů 3,5 anebo 7 MHz. A v závislosti na požadavcích regulátora TDD nebo FDD.
Jakmile budou profily dokončené, WiMAX začne s testování vzájemné spolupráce podle 802.16a (zřejmě koncem roku 2004). WiMAX Forum provádí kromě zkoušek vzájemné spolupráce mezi zařízeními od různých výrobců také zkoušky souladu s normou.
Příště se podíváme, jak vypadá potenciální podpora pro mobilní profesionály v rámci BWA.
Normy pro bezdrátové metropolitní sítě
IEEE 802.16 (2001) Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 16: Standard Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems
IEEE 802.16.2 (2001) Recommended Practice for Local and Metropolitan Area Networks – Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access System
Pozn.: Připravuje se revize normy IEEE 802.16.2a, která bude zahrnovat koexistenci systémů jak v pásmu 10–66 GHz, tak v pásmu 2–11 GHz.
IEEE 802.16a (2003) Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems – Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2–11GHz
IEEE 802.16c (2003) Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wirelesss Access Systems – Detailed System Profiles for 10–66 GHz
Pozn.: Do poloviny příštího roku by měla být hotová norma 802.16d, která v sobě bude zahrnovat 802.16/a/c.
ČLÁNKY DO MAILU