WIMAX
1. Yleistä
Wimax-verkoista on käytännössä kaksi versiota: 802.16-2004 (fixed Wimax) ja 802.16e-2005 (mobile Wimax). Versiolla 802.16-2004 korvataan kiinteitä laajakaistayhteyksiä ja 802.16e-2005 versio vastaa ainakin datansiirron kannalta normaaleja matkapuhelinverkkoja.
Kuva 1. Wimax-verkon rakenne.
Kuva 2. Wimax-verkko.
Taulukko 1. Wimax-standardit.
IEEE Wimax-standardeissa on periaatteessa tuki hyvin monenlaisille laitekonfiguraatioille.
Esimerkiksi half-duplex ja full-duplex päätelaitteille. Half-duplex laitteissa voi taas olla laitteita jotka (jonkin kehyksen sisällä) vastaanottavat ensin ja lähettävät sitten tai lähettävät ensin ja
vastaanottavat sitten. WimaxForumin Mobile Technical Group on määritellyt ainakin mobiili- Wimax:lle muutamia systeemiprofiileja, joita on tarkoitus käyttää ensimmäisissä mobiili-Wimax verkoissa. Lisäksi Wimax Forumin Network Working Group on tekemässä ylempien
protokollakerrosten määrittelyjä Wimax-verkoille, koska IEEE-standardeissa on määritelty vain PHY- ja MAC-kerrokset.
Standard Family Primary Use Radio Tech Downlink (Mbit/s)
Uplink
(Mbit/s) Notes
LTE UMTS/4GSM Mobile Internet OFDMA/MIMO/SC-
FDMA 326.4 86.4
LTE-Advanced update to offer over 1 Gbit/s speeds.
802.16e WiMAX Mobile Internet MIMO-SOFDMA 70 70
Quoted speeds only
achievable at very short ranges, more practically 10 Mbit/s at 10 km.
EDGE Evolution GSM Mobile Internet TDMA/FDD 1.9 0.9
UMTS W- CDMA HSDPA+HSUPA
HSPA+
UMTS/3GSM Mobile Internet
CDMA/FDD
CDMA/FDD/MIMO
0.384 14.4 42
0.384 5.76 11.5
Typical
downlink rates today 1–2 Mbit/s, ~200 kbit/s uplink;
HSPA+
downlink up to 42 Mbit/s.
Taulukko 2. Eri järjestelmien vertailua datansiirron kannalta
.
Kuva 3. PHY- ja MAC-kerrokset.
2. Taajuusalueet
Wimax-taajuusalueet on määritelty melko väljästi. 802.16-2004 standardissa puhutaan 10-66 GHz ja alle 11 GHz taajuusalueista. Tarkemmin määritelty taajuusalue kiinteissä (NLOS) 802.16-2004 yhteyksissä on 2-11 GHz ja 802.16e-2005 mobiiliverkoissa 2-6 GHz. Tyypillisiä verkoissa käytettäviä taajuusalueita ovat esimerkiksi 2.3, 2.5(USA), 3.3, 3.5(Euroopassa) ja 5.8(USA) GHz.
3. Modulaatiomenetelmät
IEEE standardi määrittelee neljä erilaista PHY-kerroksen toimintatapaa: 1 kantoaalto yli 11 GHz, 1 kantoaalto alle 11 GHz, OFDM ja OFDMA. Yli 11 GHz taajuudella toimiminen vaatii näköyhteyden tukiaseman ja päätelaitteen välille (LOS). Modulaatio on dynaaminen, modulaatiomenetelmiä ovat QPSK, 16-QAM ja 64-QAM. Mobile Wimax:n monikäyttömenetelmä on (skaalautuva) OFDMA, jolloin käytetään 1.25 MHz x 2n (n = 0,1,2,3,4) taajuuskaistaa. Yhtä kantoaaltoa tai OFDM-tekniikkaa käytettäessä monikäyttömenetelmänä on TDMA. Myös erilaisten moniantennijärjestelmien käyttö on mahdollista.
Teoreettiset bittinopeudet esimerkiksi 20 Mhz kaistalla ovat välillä 32-96 Mbit/s (1 kantoaalto NLOS) modulaatiosta riippuen. Parempia arvioita bittinopeuksista ovat 70 Mbit/s hyvin lähellä tukiasemaa ja yleisemmin 3-10 Mbit/s 10 km etäisyydellä.
Ensimmäiset mobiili-Wimax systeemiprofiilit käyttävät 5, 7, 8.75 tai 10 MHz taajuuskaistaa.
Suurimmat datanopeudet ovat 63 Mbit/s (downlink) ja 28 Mbit/s (uplink, 10 MHz kaista).
Esimerkiksi 5 MHz taajuuskaistan systeemiprofiilin parametreja ovat: näytetaajuus 5.6 MHz, FFT:n koko 512, 8 alikanavaa, alikanavien väli 10.94 kHz, ”hyödyllinen” symbolin kesto (Tb) 91.4 µs, suoja- aika (Tb/8) 11.4 µs, OFDMA symbolin kesto 102.9 µs ja OFDMA symbolien lukumäärä 5 ms
kehyksessä 48. Wimax-verkko voi käyttää joko FDD- tai TDD-tekniikkaa mutta ensimmäiset mobiili- Wimax systeemiprofiilit määrittelevät vain TDD-profiileja.
Kuva 4. Modulaatiomenetelmien käyttöalueet (QoS kannalta).
4. Tehonkulutuksen säätötekniikat
Päätelaitteen tullessa verkkoon määritetään sopiva tehotaso. Päätelaite pyrkii säilyttämään tietyn tehotiheyden, joten alikanavien määrän muuttuessa päätelaite säätää tehoa automaattisesti ottaen huomioon suurimman sallitun tehotason. Tehotasossa on kiinteä osuus ja sen päälle tuleva
säädettävä osuus. Tarkempi tehonsäätöalgoritmin suunnittelu on laitevalmistajan vastuulla.
Solun koko voi olla maaseudulla noin 20 km tai 30-50 km jos tukiaseman ja päätelaitteen välillä on näköyhteys.
5. Virheenkorjaus
Kanavakoodaus on dynaaminen. Erilaiset modulaatio- ja koodausvaihtoehdot on kerrottu
purskeprofiileissa (burst profile). Tukiasema lähettää DL_MAP- ja UL_MAP-tietoja, joista nähdään eri purskeiden sijainti kehysrakenteessa. Varsinaiseen tiedonsiirtoon käytettävä purske käyttää jotakin purskeprofiilia. Yhden kantoaallon järjestelmät voivat käyttää Reed-Solomon koodausta ja lisäksi konvoluutiokoodausta tai pariteettitarkistuskoodeja tai pelkästään lohkoturbokoodausta (BTC).
Joissakin tilanteissa on mahdollista käyttää pelkkää ARQ-uudelleenlähetystä ilman virheenkorjausta.
OFDMA-järjestelmässä on mahdollista käyttää konvoluutiokoodausta, konvoluutioturbokoodausta (CTC), lohkoturbokoodausta tai pariteettitarkistuskoodeja. Space-time koodausta (STC) ja spatial multiplexing koodausta voidaan käyttää MIMO-järjestelmissä ja muissa moniantennijärjestelmissä.
Lisäksi radiolähetettä voidaan suunnata keilana (beamforming). Mobiili-Wimax systeemiprofiilin 63 Mbit/s (downlink) nopeus vaatii 2x2 MIMO:n käyttöä.
Kuva 5. Spatial multiplexing.
Kuva 6. Space-time koodaus.
Kuva 7. OFDM-MIMO.
6. Salaus
Salauksessa käytetään PKM versio 2 (Privacy and Key Management Protocol) ja EAP (Extensible Authentication Protocol) protokollia. EAP-protokollaa käytetään käyttäjän tunnistamiseen. Itse dataliikenteen salaukseen käytetään AES-CCM salausta. Salausavaimia vaihdetaan säännöllisesti.
7. Miksi kehitetty
Wimax-tekniikan tarkoituksena on tarjota käyttäjille liikennöintinopeuksiltaan nykyisiä
kaapelimodeemi- ja DSL-yhteyksiä vastaava langaton verkkoyhteys, jonka käyttö ei ole sidoksissa esimerkiksi rakennuskohtaisiin rajoihin. Käytännössä Wimax:n toimintaa voidaan verrata WLAN- verkkoon, mutta sen toiminta-alue on huomattavasti suurempi.
Laajan kantoalueensa ja langattomuutensa ansiosta Wimax sopii hyvin laajakaistayhteyksien tarjoamiseen harvaan asutuille seuduille. Haja-asutusalueiden lisäksi samaa tekniikkaa voidaan hyödyntää kokonaisia kaupunkialueita kattavien MAN-verkkojen (Metropolitan Area Network) toteuttamiseen. Tällaisen verkon alueella käyttäjä voisi liikkua solusta toiseen yhteyden katkeamatta.
8. Monimutkaisuus
Päätelaitteita varten on olemassa valmiita piirisarjoja, joissa on kantataajuustoiminnot ja ainakin osa RF-toiminnoista.
Esimerkki päätelaitteen piirisarjasta:
http://www.beceem.com/products/bcs200.shtml Esimerkki tukiaseman piirisarjasta:
http://www.sequans.com/products/sqn2130.php ja http://www.pmc- sierra.com/products/details/pm8800/
Kuva 8. Fyysisen kerroksen toiminnot.
Kuva 9. Wimax-antenni.
Kuva 10. Esimerkki Wimax-päätelaitteesta.
9. Tulevaisuus
Wimax:n pahin haastaja on LTE. Wimax:n päähanke on amerikkalaisen Sprintin projekti rakentaa koko Yhdysvallat kattava Wimax-verkko (www.xohm.com ). LTE:tä aikovat käyttää monet
suurimmista operaattoreista.
Useat suuret laitevalmistajat, kuten Nokia ovat aloittaneet Wimax-standardin mukaisten kannettavien päätelaitteiden suunnittelemisen ja kehitystyön. Myös Intel on kertonut alkavansa integroida joihinkin kannettavien tietokoneiden piirisarjoihin Wimax-ominaisuuden (nykyinen versio: http://www.intel.com/network/connectivity/products/wireless/wimax/wifi/index.htm ).
Ouluun on määrä syntyä joulukuussa 2008 langaton laajakaistaverkko (130 neliökilometriä, 13 tukiasemaa), joka perustuu 2,5 GHz mobiili-Wimax teknologiaan
(http://www.panoulu.net/news/fi/1225438080 ). Käyttäjille ilmainen kokonaisuus täydentää langatonta panOulu-verkkoa. Uuden verkon tiedonsiirtonopeus on parhaimmillaan 13 Mbit/s.
Rakennettava verkko mahdollistaa käyttäjän liikkumisen verkon alueella nettiyhteyden katkeamatta.
Toisen sukupolven Wimax2-tekniikan kehittäjien tavoitteena on saavuttaa 350 megabitin nopeus.
Tämä pyritään saavuttamaan MIMO-AAS:n ja uuden verkkotopologian avulla. Wimax2-tekniikkaa työstetään parhaillaan Euroopan komission kolmivuotisessa WiMagic-projektissa. IEEE 802.16m standardoinnissa pyritään LTE-Advanced tekniikkaa vastaaviin tiedonsiirtonopeuksiin. Nykyinen aikataulu standardin hyväksymiselle on maaliskuu 2010, mutta tällä hetkellä yksityiskohdat lienevät aika avoimia. Joissakin mielipiteissä on ehdotettu tulevien LTE- ja Wimax-versioiden
yhdenmukaistamista ilmarajapinnan osalta.
10. Lähteet
http://standards.ieee.org/getieee802/802.16.html http://www.wimaxforum.org/home/
http://fi.wikipedia.org/wiki/WiMAX http://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX
