1

Tehnologia WiMAX

1. Aspecte generale

După o lungă perioadă de evoluţie dezordonată, la începutul noului secol, se poate

remarca dezvoltarea unei soluţii pentru comunicaţii fără fir, având la bază un

standard care să creeze premizele interoperabilităţii. Un consorţiu de mare

anvergură format din entităţi industriale în anul 2001, WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access Forum) a început să certifice produse

destinate acestui gen de comunicaţii cu privire la interoperabilitate şi la

conformitatea cu un standard: IEEE 802.16. Acest standard se referă la reţele

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), a fost dezvoltat de un grup de

lucru constituit în cadrul grupului de standardizare IEEE (Institute of Electrical and

Electronics Engineers) - LAN/MAN şi a fost adoptat şi de grupul de standardizare

ETSI HIPERMAN.

Spre sfârşitul deceniului 9 al secolului XX preocupările pentru realizarea unor

transmisiuni de bandă largă pe arie mare au fost delegate unui grup de lucru

constituit în cadrul grupului de standardizare IEEE (Institute of Electrical and

Electronics Engineers) - LAN/MAN. La început, prin anul 1998, a fost creat un

grup de studiu denumit 802.BWA (Broadband Wireless Access) care a devenit

grupul de lucru IEEE 802.16 în 1999. Obiectivul acestui grup a constat din

dezvoltarea unui standard care să sistematizeze tehnologiile de acces de banda largă

de arie metropolitană – permiţând instalarea reţelelor WMAN. Primele versiuni au

vizat transmisia, în vizibilitate (LOS) între puncte fixe lucrând în benzile 10GHz şi

2

66GHz şi urmăreau să asigure acces de bandă largă companiilor care nu puteau

instala fibră optică. Această variantă, denumită simplu 802.16 are la bază un nivel

fizic (PHY) care prevede folosirea unor transmisiuni monopurtătoare. Nivelul

MAC are la bază multiplexarea cu diviziune în timp (TDM). Multe concepte

folosite la acest nivel au fost preluate dintr-un standard asociat transmisiunilor de

date pe cablu (DOCSIS - Data Over Cable Service Interface specification).

Ulterior grupul a elaborat o nouă versiune 802.16a, care a se referă la

comunicaţii în lipsa vizibilităţii directe lucrând în benzile nelicenţiate din intervalul

2,4 GHz - 11Ghz. În acest scop nivelul fizic prevede folosirea tehnicii de modulaţie

OFDM. Au fost introduse şi specificaţiile MAC implicate de folosirea noii tehnici

de modulaţie. Au mai apărut o serie de revizii care au condus, în 2004, la adoptarea

unui standard, IEEE 802.16-2004 sau 802.16d, care a înlocuit toate versiunile

anterioare. Acest standard a reprezentat baza pentru primele soluţii certificate

WIMAX. În anul 2005 a apărut amendamentul 802.16-2005 cunoscut şi ca 802.16e

care introduce specificaţiile necesare pentru a asigura mobilitatea staţiilor de

utilizator. Reţelele de comunicaţie care au la bază standardul IEEE 802.16-2004

vizează comunicaţii punct la punct şi punct multipunct între echipamente fixe, de

aceea mulţi autori se referă la echipamentele corespunzătoare care trec testele

forumului WIMAX cu sintagma WIMAX fix în vreme ce echipamentele realizate

şi certificate conform standardului 802.16e sunt cunoscute ca WIMAX mobil.

Este remarcabilă colaborarea între grupul 802.16 şi forumul WIMAX. Grupul

IEEE 802.16 nu are resurse şi nici nu şi-a propus decât elaborarea standardelor nu

şi evaluarea şi certificarea echipamentelor. Forumul WIMAX şi-a asumat această

activitate iar echipamentele 802.16 care trec testele WIMAX devin echipamente

WIMAX.

Reţelele WiMAX acoperă arii având raze de cca 50 km pentru staţii fixe şi pe

raze de 5 - 15 km pentru staţii for mobile. Se remarcă deosebirea faţă de

tehnologiile WiFi care se limitează la raze de numai 30-100 m. Sistemele de

comunicaţie WiMAX funcţionează atât în benzi licenţiate (tabelul 1.1) cât şi în

benzi nelicenţiate.

3

Tabelul 1.1- Exemple de benzi de frecvenţă licenţiate folosite în reţele WiMAX

Frecvenţa ( GHz ) Banda ( MHz )

2,3 – 2,4

5

10

8,75

2,305 – 2,320

2,345 – 2,360

3,5

5

10

2,496 – 2,690 5

10

3,3 – 3,4

5

7

10

3,4 – 3,8

5

7

10

Se constată că tehnologiile din familia WiMAX asigură două variante de

servicii de bandă largă fără fir:

1. Comunicaţii care folosesc propagarea fără vizibilitate directă

(NLOS); serviciile sunt asemănătoare celor oferite de tehnologiile Wi-Fi;

cu ajutorul unei antene de mici dimensiuni, care este situată lângă

calculatorul utilizatorului, se poate realiza conexiunea la o staţie de bază.

Se folosesc benzi de frecvenţe din domeniul 2GHz până la 11GHz. Este

util de amintit că transmisiunile care utilizează frecvenţe mai joase sunt

mai puţin perturbate de obstacolele în comparaţie cu cele care utilizează

frecvenţe mai înalte.

2. Comunicaţii care folosesc propagarea în vizibilitate directă (LOS)

între staţia mobilă şi staţia de bază. O conexiune de tipul LOS este mult

mai stabilă faţă de o conexiune NLOS, fiind capabilă să transmită o

4

cantitate mare de date în condiţii de calitate adecvate. Transmisiunile de

tip LOS utilizează benzi la frecvenţe mai înalte. De precizat, că la frecv

înalte, există mai puține interferențe și se poate folosi o bandă mai largă.

Fig 1.1 Sistem WiMAX tipic

Echipamentele tipice întâlnite în structura unui sistem WiMAX (figura 1.1,

1.2) sunt:

1. Staţia de bază (BS); Este alcătuită din unitatea de interior şi un pilon pe

care se montează antenele În mod obişnuit o staţie de bază poate să

asigure o rază de acoperire de până la 50km dar din consideraţii practice

această rază de acoperire a fost limitată la 10km.

2. Staţiile mobile – MS (sau SS – Subscriber Station); Există diverse moduri

în care pot fi realizate staţiile mobile de pildă: antena şi receptorul pot fi

două entităţi separate, sau sub forma unei cartele care este conectată în

calculatorul portabil (laptop) sau la calculatorul personal.

Mai multe staţii de bază pot fi conectate între ele (figura.5.1.2) prin utilizarea

unei magistrale de microunde de mare viteză (microwave backhaul), a unei

conexiuni pe fir (wireline backhaul) sau chiar a unei conexiuni care este realizată în

tehnologia WiMAX (WiMAX backhaul).

5

Fig.1.2 – Aplicații ale rețelelor WiMAX

2. Caracteristici proeminente pentru WIMAX

În prezent specialiştii sunt unanim de acord că soluţia de de comunicaţii fără fir de

bandă largă WIMAX are o seamă de caracteristici extrem de interesante în ceea ce

priveşte posibilităţile de instalare şi oferta de servicii. În acest paragraf vom trece în

revistă pe cele mai importante dintre ele:

1. Nivel fizic realizat pe baza tehnicii de modulaţie OFDM; această opţiune

asigură o bună rezistenţă la propagarea multi-cale şi permite funcţionarea

atât în vizibilitate directă (LOS) cât şi fără vizibilitate directă (NLOS).

2. Rate de transmisie a datelor de vârf foarte mari; la nivelul fizic

tehnologia WIMAX poate atinge rate de vârf de până la 74 MHz dacă se

dispune de canale cu banda de 20MHz. Mai des se foloseşte varianta TDD în

canale cu banda de 10 MHz, la care raportul cale ascendentă/cale

descendentă este de 1/3 iar ratele de vârf sunt de 25Mbps pentru calea

descendentă şi de 6,7 Mbps pentru calea ascendentă. Aceste performanţe se

obţin prin folosirea unor semnale OFDM, 64QAM şi a unei rate a codului

corector de erori de 5/6. În condiţiile în care semnalul radio este de bună

6

calitate se pot obţine rate mai mari prin folosirea unor antene multiple şi a

multiplexării spaţiale.

3. Suport pentru bandă şi rată de transmitere a datelor scalabile;

Tehnologia dispune de arhitectură a nivelului fizic care permite ca rata de

transmitere a datelor să se adapteze cu uşurinţă la banda de trecere a

canalului alocat. De exemplu sistemul poate folosi transformată Fourier

Rapidă realizată în 128, 512, 1048 puncte corespunzător unor canale cu benzi

de 1,25 MHz, 5MHz, 10MHz respectiv. Scalarea poate fi realizată în mod

dinamic pentru a permite deplasarea utilizatorului prin reţele diferite care pot

avea diferite alocări de bandă.

4. Modulaţie şi codare adaptive (AMC); Standardul 802.16 prevede

posibilitatea folosirii unui număr de scheme de modulaţie OFDM şi de

scheme de codare. Aceste scheme pot fi schimbate pentru fiecare utilizator şi

şi pentru fiecare cadru OFDM funcţie de condiţiile de propagare. Folosind

acest mecanism se poate maximiza debitul binar în cazul uni canal cu

parametrii variabili în timp. De regulă algoritmul de adaptare tinde să

folosească cea mi bună schemă de modulaţie şi de codare pe care o permite

raportul dintre semnal şi suma zgomot plus interferenţe realizat la recepţie.

În acest mod fiecare utilizator va profita de cea mai mare rată permisă de

conexiunea sa.

5. Retransmisii la nivelul legăturii de date; Pentru transmisiunile care

necesită fiabilitate ameliorată WIMAX permite folosirea unui mecanism

ARQ la nivelul legăturii de date. Conexiunile care activează mecanismul

ARQ solicită ca după fiecare pachet transmis să se primească o confirmare

de la receptor. Pachetele neconfirmate sunt considerate pierdute şi sunt

retransmise. Opţional este prevăzută şi un mecanism HARQ (Hybrid ARQ)

care este o combinaţie între soluţia FEC şi ARQ.

7

6. Duplexarea poate folosi diviziunea în timp (TDD) sau în frecvenţă

(FDD); Ambele standarde (802.16-2004 şi 802.16-2005) acceptă ambele

soluţii ca şi o variantă semiduplex-FDD. Aceasta din urmă permite realizarea

unor sisteme cu costuri reduse. Datorită unor avantaje specifice cum ar fi:

flexibilitatea în alegerea raportului dintre ratele alocate pe canalele ascendent

şi descendent, capacitatea de a folosi reciprocitatea canalului sau

complexitatea redusă echipamentelor de emisie/recepţie, soluţia TDD este

folosită de cele mai multe sisteme realizate în prezent. Cu excepţia a două

profile destinate WIMAX fix în gama de 3.5GHz toate celelalte au la bază

soluţia TDD.

7. Folosirea tehnicii de acces multiplu OFDMA; Această tehnică este folosită

în varianta WIMAX mobil ea permiţând ca pentru diferiţi utilizatori să se

aloce subseturi de subpurtătoare OFDM. Pe această cale se poate mări

capacitatea sistemului folosind, în mod simplu, diversitatea în frecvenţă şi

diversitatea multi-utilizator.

8. Alocare flexibilă şi dinamică realizată per utilizator; Alocarea resurselor

atât pentru calea ascendentă cât şi pentru cea descendentă se realizează de

către un programator implementat la staţia de bază. Capacitatea este

distribuită între utilizatori pe baza cererilor folosind o schemă bazată pe salve

TDM. Atunci când se foloseşte nivelul fizic bazat pe OFDMA se realizează,

în plus, o multiplexare în domeniul frecvenţă utilizatorilor fiindu-le alocate

subseturi diferite de subpurtătoare OFDM. Mai mult atunci când se foloseşte

sistemul de antene avansate (AAS), care este opţional, resursele pot fi alocate

şi în domeniul spaţiu. Aşadar standardul permite alocarea resurselor în timp,

frecvenţă, spaţiu şi are un mecanism flexibil pentru a transfera informaţia de

alocarea a resurselor cadru cu cadru.

8

9. Folosirea unor tehnici avansate în domeniul antenelor; Standardul 802.16

prevede o serie de elemente constituite la proiectarea nivelului fizic care

permit folosirea unor tehnici bazate pe antene multiple cum ar fi formarea

fasciculelor, codarea spaţio-temporală şi multiplexarea spaţială. Aceste

tehnici permit îmbunătăţirea capacităţii globale a sistemului şi a eficienţei

spectrale prin instalarea mai multor antene la emisie şi/sau la recepţie.

10. Calitatea serviciului (QoS); Nivelul MAC WIMAX are o arhitectură

orientată pe conexiune concepută pentru a permite realizarea unei multitudini

de aplicaţii printre care şi servicii de voce sau multimedia. Se poate asigura

rată de transmitere constantă sau variabilă, fluxuri cu trafic în timp real sau

nu alături de traficul de date în regim “best effort”. Se poate asigura

deservirea unui mare număr de utilizatori cu multiple conexiuni per terminal

fiecare dintre acestea cu propriile cerinţe de calitate.

11. Securitate robustă; Standardul 802.16 specifică posibilitatea de a se folosi

o criptare puternică folosind AES (Advanced Encryption Standard) şi un

protocol care asigură securitate robustă şi administrarea cheilor. Se asigură

de asemenea o arhitectură foarte flexibilă pentru autentificare bazat pe EAP

(Extensible Authentication Protocol) care permite folosirea unei varietăţi de

soluţii de acces: nume de utilizator/parolă, certificate digitale, carduri

inteligente.

12. Asigurarea mobilităţii; Varianta WIMAX mobil include mecanisme care

permit realizarea transferului (handover) insesizabil şi sigur pentru aplicaţii

care necesită mobilitate deplină tolerantă la întârzieri cum ar fi VOIP.

Standardul prevede şi mecanisme pentru economisirea energiei pentru a

extinde durata de utilizare a bateriilor. Alături de suportul pentru mobilitate

se mai prevede: estimarea frecventă a canalului, sub-canalizarea pe calea

ascendentă controlul puterii etc.

9

13. Arhitectură bazată pe IP; Forumul WIMAX a definit arhitectura unui

model de referinţă bazat pe o platformă integral IP. Toate serviciile cap-la-

cap sunt distribuite folosind o arhitectură IP, cu protocoale bazate pe IP,

pentru: transport cap-la-cap, QoS, administrarea sesiunii, securităţii şi

mobilităţii. Folosirea acestei concepţii permite ca WIMAX să micşoreze

costurile cu prelucrarea IP să faciliteze convergenţa cu alte reţele şi să

exploateze complexul bogat de aplicaţii existent pentru reţelele IP.

3. Nivelului fizic (PHY) pentru WiMAX

Tehnica de modulaţie folosită la nivelul fizic WIMAX este OFDM. În continuare

vor fi precizate diverse aspecte cu privire la aspectele specifice.

3.1 Parametrii semnalelor OFDM folosite în WiMAX

Aşa cum s-a mai precizat, cele două versiuni WiMAX, fixă şi mobilă, au la bază

soluţii uşor diferite pentru nivelul fizic. WiMAX fix, (standardul 802.16d – 2004),

foloseşte un nivel fizic bazat pe OFDM cu transformata Fourier calculată în 256 de

puncte, în timp ce WiMAX mobil (standardul 802.16e – 2005), foloseşte un nivel

fizic bazat pe OFDMA scalabil. În acest caz dimensiunea FFT poate să varieze

între 128 şi 2048 de puncte.

În tabelul 4.1 sunt daţi parametrii semnalului OFDM pentru ambele versiuni.

Au fost alese o serie de profile WIMAX mai des implementate. Există şi altele deci

nu trebuie considerat că acestea sunt toate soluţiile acceptate de standarde. Deşi

tehnica OFDMA scalabilă este specifică WIMAX mobil ea poate fi utilizată în

orice aplicaţii: fixe, nomade, mobile.

Nivelul fizic pentru WiMAX fix; Pentru această versiune dimensiunea FFT

este de 256, deci 256 de subpurtătoare dintre care 192 de subpurtătoare sunt

10

folosite pentru transportul datelor, 8 sunt folosite ca subpurtătoare pilot pentru

estimarea canalului şi sincronizare, iar restul sunt utilizate ca subpurtătoare de

gardă (subpurtătoare nule). Deoarece dimensiunea FFT este fixă, distanţa dintre

subpurtătoare variază o dată cu banda canalului. Atunci când sunt folosite lărgimi

de bandă mai mari, distanţa dintre subpurtătoare creşte, iar durata simbolului

descreşte. Descreşterea duratei simbolului implică faptul că rebuie să fie alocată o

fracţiune mai mare ca interval de gardă pentru a împiedica interferenţele

intersimbol datorate împrăştierii întârzierilor. Aşa cum se observă din tabelul 4.1,

WiMAX permite folosirea unei game extinse de intervale de gardă care va permite

proiectanţilor de reţele să găsească un compromis optim între eficienţa spectrală şi

rzistenţa la împrăştierea întârzierilor. Cea mai bună rezistenţă se poate realiza

folosind un interval de gardă de 25% care poate accepta împrăştieri ale întârzierilor

de la 16 μs (când se lucrează în canale de 3.5MHz) până la 8 μs (când se lucrează

în canale de 7MHz). În cazul canalelor cu efecte multicale reduse se poate reduce

intervalul de gardă la 3%.

Tabelul 4.1- Parametrii OFDM folosiţi în WiMAX

Parametrii WiMAX fix

OFDM – PHY

WiMAX mobil scalabil

OFDMA - PHY

Dimensiunea FFT 256 128 512 1024 2048

Numărul de subpurtătoare de

date 192 72 360 720 1440

Numărul de subpurtătoare

pilot 8 12 60 120 240

Numărul de subpurtătoare

nule/interval de gardă 56 44 92 184 368

11

Prefixul ciclic al intervalului

de gardă (Tg/Tb) 1/32 1/16 1/8 1/4

Banda canalului (MHz) 3,5 1,25 5 10 20

Rata de supraeşantionare

(Fe/B)

Dpinde de bandă: 7/6 pentru 256FFT, 8/7 pentru

multiplii de 1,75MHz şi 28/25 pentru multiplii de

1,25MHz, 2MZz şi 2,75MHz.

Distanța dintre subpurtătoare

(KHz) 15,625 10,94

Interval de calcul FFT (μs) 64 91,4

Durata simbolului OFDM (μs)

pentru 1/8 72 102,9

Numărul de simboluri OFDM

dintr-un cadru de 5ms 69 48

Nivelul fizic pentru WiMAX mobil: Se observă că în acest caz dimensiunea

FFT este scalabilă, între 128 de puncte şi 2048 de puncte. Atunci când lărgimea de

de bandă disponibilă creşte, dimensiunea FFT creşte la rândul ei datorită faptului

că distanţa dintre subpurtătoare este fixă şi egală cu 10,94 KHz. Conservând

această valoare se conservă durata simbolului care reprezintă parametrul

fundamental al semnalului OFDM şi deci scalarea va avea un impact minim asupra

nivelele superioare ale stivei de protocoale. Valoarea de 10,94 kHz a fost aleasă

deoarece reprezintă un compromis bun între rezistenţa la împrăştierea întârzierilor

şi cerinţele de evitare a efectelor negative ale fenomenului Doppler de care trebuie

ţinut cont atunci când se lucrează atât în medii fixe cât şi în medii mobile. Cu

această distanţă între subpurtătoare, atunci când se lucrează în gama de 3,5 GHz, se

pot evita efectele unor împrăştieri ale întârzierilor de până la 20 μs şi se poate

accepta o mobilitate a vehiculelor de până la 125 km/h. Valaoarea distanţei dintre

12

subpurtătoare de 10,94 KHz implică faptul că atunci când banda canalului este de

1,25 MHz, 5 MHz, 10 MHz şi respectiv 20 MHz se vor folosi prelucrări FFT cu

dimensiuni de 128, 512, 1024 şi 2048 respectiv.

3.2 Subcanalizarea : OFDMA

Subpurtătoarele disponibile pot să fie divizate în mai multe grupuri de

subpurtătoare denumite subcanale. WIMAX fix (OFDM-PHY) permite o formă

limitată de subcanalizare numai la calea ascendentă. Standardul defineşte 16

subcanale, dintre care o staţie de abonat poate primi pentru comunicaţia pe calea

ascendentă 1, 2, 4, 8 sau toate subcanalele. Subcanalizarea căii ascendenta într-o

reţea WIMAX fixă permite staţiilor de utilizator să transmită folosind numai o

fracţiune (de minim 1/16) din lărgimea de bandă alocată ei de către staţia de bază,

care asigură o îmbunătăţire a bugetului legăturii de comunicare. În acest mod se

poate extinde aria de acoperire şi/sau durata de utilizare a bateriilor. O

subcanalizare cu un factor de 1/16 asigură o îmbunătăţire a bugetului legăturii de

comunicaţie de până la 12 dB.

O reţea WIMAX mobilă (OFDMA-PHY) prevede subcanalizarea atât pe

calea ascendentă cât şi calea descendentă. În acest caz subcanalele formează

unităţile minime de resurse de frecvenţă care pot fi alocate de staţia de bază. Ca

atare, pentru utilizatori diferiţi se pot aloca subcanale diferite şi se creează un

mecanism de acces multiplu. În acest fel s-a ajuns la OFDMA, tehnică specifică

nivelului fizic pentru WIMAX mobil.

Subcanalele pot să fie constituite utilizând fie subpurtătoare grupate fie

subpurtătoare dispuse în mod aleator în banda disponibilă. Subcanalele formate din

13

subpurtătoare distribuite asigură o diversitate mai mare în domeniul a frecvenţă,

aspect deosebit de util în cazul aplicaţiilor mobile.

WIMAX defineşte câteva scheme de subcanalizare bazate pe purtătoare

distribuite atât pe calea ascendentă cât şi calea descendentă. Una dintre aceste

scheme denumită – PUSC (Partial Usage of Subcariers) este obligatorie pentru

toate variantele de reţele de tip WIMAX mobil. Profilul iniţial WIMAX, pentru

funcţionare în regim PUSC în benzi de 5 MHz defineşte 15 şi 17 subcanale, pentru

calea ascendentă şi pentru calea descendentă, respectiv. Pentru a lucra în benzi de

10 MHz este nevoie de 30 respectiv 35 de canale pentru cele două căi.

Se ia ca exemplu varianta cu utilizare parţială aplicată pentru calea

descendentă aşa cum este prezentată în figura 3.1. Aceasta se bazează pe

constituirea a 6 grupuri. Înaintea grupurilor se constituie aşa-numitele pachete

(cluster) care constă din 14 subpurtătoare adiacente peste două simboluri OFDM

(figura 3.1.a). Aşadar fiecare pachet constă din 24 de subpurtătoare de date şi din

patru subpurtătoare pilot. Gruparea pachetelor pentru a forma grupurile se face în

aşa fel încât fiecare grup să fie făcut din pachete care sunt distribuite în întreg

spaţiul subpurtătoarelor. Un subcanal va consta din două pachete (cluster) dintr-un

grup, respectiv din 48 de subpurtătoare de date şi 8 subpurtătoare pilot.

14

a. Structura pachetului

b. Constituirea subcanalelor

Fig 3.1 – Utilizarea PUSC pentru calea descendentă

Mecanism Adaptiv de Modulaţie şi Codare (AMC) de bandă este un

mecanism de subcanalizare bazat pe subpurtătoare grupate. Acest mecanism are la

bază grupe de câte nouă subpurtătoare vecine (8 de date şi una pilot) denumite

bini. Un subcanal AMC se constituie din 6 entităţi (1 bin peste 6 simboluri, 2 bini

peste 2 simboluri sau 3 bini peste 2 simboluri).

15

Deşi se pierde diversitatea de frecvenţă, AMC de bandă permite exploatarea

diversităţii multi-utilizator, alocând fiecărui utilizator subcanale funcţie de

răspunsul în frecvenţă asociat acestuia. Diversitatea multi-utilizator poate să

asigure un câştig semnificativ în capacitatea globală a sistemului, având în vedere

că sistemul tinde să asigure fiecărui utilizator un subcanal care maximizează astfel

raportul semnal/zgomot+interferenţă (SINR). În general, subpurtătoarele grupate

sunt mai potrivite pentru aplicaţii fixe şi de mobilitate redusă.

3.3 Structura cadrelor

Nivelul WIMAX PHY realizează alocarea segmentelor şi constituirea cadrelor la

transmisia radio. Resursa minimă timp-frecvenţă care poate fi alocată de către un

sistem WiMAX unei anumite legături este denumită segment (slot). Un segment

este format dintr-un subcanal peste 1, 2 sau 3 simboluri OFDM, funcţie de

mecanismul particular de subcanalizare utilizat. O succesiune continuă de semente

atribuită unui utilizator este denumită regiunea (domeniul) de date al

utilizatorului. Algoritmii de programare alocă pentru diverşi utilizatori regiuni de

date funcţie de cerere, de cerinţele QoS şi de condiţiile de propagare.

În figura 3.2 este prezentată structura unui cadru OFDMA/OFDM dintr-un

sistem care utilizează modul de lucru TDD. Cadrul este format din două subcadre:

unul pentru calea descendentă urmat de unul pentru calea ascendentă după un mic

interval de gardă. Raportul de transmisie între subcadrele descendent/ascendent

poate să varieze de la 3:1 până la 1:1 pentru a se putea realiza diferite profile de

trafic.

16

Fig 3.2 – Structura unui cadru TDD pentru o reţea WIMAX mobilă

Standardul 802.16 specifică şi posibilitatea folosirii duplexării cu diviziune

în frecvenţă (FDD). În acest caz structura cadrului este aceeaşi cu excepţia faptului

că pot să existe simultan transmisiuni pe calea ascendentă şi pe calea descendentă

folosind purtătoare diferite.

În prezent majoritatea sistemelor WiMAX folosesc tehnica TDD datorită

următoarelor avantaje:

a. Este posibilă o divizare flexibilă a lărgimii de bandă disponibile între

calea descendentă şi calea ascendentă,

b. Nu sunt necesare două benzi separate prin distanţa duplex

c. Există un canal reciproc care poate utilizat pentru procesare spaţială;

d. Se poate realiza o schemă simplă a transceiver-ului.

Dezavantajul TDD constă în faptul că este necesară sincronizarea între

multiple staţii de bază de pentru a asigura o coexistenţă fără interferenţe.

17

Cel mai des utilizarea FDD este rezultatul unor reglementări care impun

divizarea spectrului în benzi perechi duplex. În prezent există şi operatori care au

instalat sisteme care folosesc FDD.

Aşa cum ne observă în figura 2.1 subcadrul pentru calea descendentă începe

cu un preambul specific care este folosit pentru unele proceduri implementate la

nivelul fizic cum ar fi: sincronizarea de timp, sincronizarea de frecvenţă şi

estimarea iniţială a canalului. Preambulul pentru calea descendentă este urmat de

un Antet de Control al Cadrului (FCH - Frame Control Header), care transportă

informaţii de configurare cum ar fi: lungimea mesajului MAP, schema de

modulaţie, schema de codare şi subpurtătoarele folosite. Utilizatorilor le sunt

alocate regiuni de date în interiorul cadrului, iar informaţiile cu privire la aceste

alocări sunt transmise în mesajele MAP pentru calea descendentă sau ascendentă

(DL-MAP şi UL-MAP) care sunt transmise după FCH în subcadrul de pe calea

descendentă. Mesajele MAP includ profilele rafalei pentru fiecare utilizator, profile

care definesc schemele de modulare şi de codare utilizate pentru acea legătură.

Mesajele MAP sunt trimise folosind o legătură cât mai sigură, folosind BPSK cu o

rată de codare de ½ şi cu o codare prin repetare. Deşi mesajele MAP reprezintă o

formă elegantă pentru ca staţiile de bază să informeze staţiile de abonat cu privire

la profilele pe care acestea le vor folosi, ele pot reprezenta un consum suplimentar

(overhead) semnificativ de resurse, mai ales în situaţiile când există un număr mare

de utilizatori cu pachete mici (exemplu VoIP). Pentru a diminua acest efect,

sistemele WiMAX mobile au opţiunea de a folosi mesaje sub-MAP multiple caz în

care mesajele de control dedicate diverşilor utilizatori sunt transmise cu viteze

mari, funcţie de condiţiile individuale de din punctul de vedere al raportului

semnal/zgomot+interferenţă. Opţional, pentru a spori eficienţa mesajele MAP pot

să fie comprimate.

18

WiMAX este destul de flexibil din punctul de vedere al modului în care

pachetele mai multor utilizatori sunt multiplexate într-un cadru. Un cadru pentru

calea descendentă poate să conţină mai multe rafale de mărimi şi tipuri diferite care

transportă date pentru mai mulţi utilizatori. Mărimea cadrului este de asemenea

variabilă pe o bază cadru-cu-cadru de la 2ms la 20 ms şi fiecare rafală poate să

conţină mai multe pachete concatenate de mărimi fixe sau variabile sau fragmente

de pachete. Totuşi, cel puţin, la început, toate echipamentele WiMAX trebuie să

poată folosi numai cadre de 5 ms.

Subcadrul de pe calea ascendentă este alcătuit din câteva rafale de cale

ascendentă provenite de la câţiva utilizatori. O parte din acest subcadru este

rezervat temporar pentru acces prin disputarea mediului. Subcadrul de cale

ascendentă este utilizat în principal ca un canal de ordonare (ranging channel)

pentru a efectua ajustări de frecvenţă, timp şi putere pe buclă închisă în timpul

accesului în reţea dar şi în mod periodic în timpul realizării transmisiunilor. De

asemenea, canalul de ordonare poate să fie folosit de către staţiile de utilizator

sau de către staţiile mobile (SS/MS) pentru a solicita bandă. În plus pe canalul cu

disputare a mediului pot fi transmise date BE, mai ales dacă este vorba de cantităţi

reduse de date care nu ar justifica cererea unui canal dedicat. În afară de canalul de

ordonare şi de rafalele de trafic, subcadrul de cale ascendentă include un canal

pentru informaţii cu privire la calitatea canalului (CQICH) şi canal de confirmare

(ACK). Pe CQICH SS transmite către staţia de bază informaţii despre calitatea

canalului descendent care vor fi folosite de către programatorul staţiei de bază în

realizarea profilului rafalei asociate fiecărui utilizator

Pentru a gestiona variaţiile de timp, opţional WIMAX poate repeta mai des

preambulul. Pentru calea ascendentă se pot folosi preambuluri scurte numite

midambuluri, după transmiterea a 8, 16 sau 32 de simboluri. Pe calea descendentă

se poate însera un preambul scurt la începutul fiecărei rafale.

19

3.4 Mecanismul Adaptiv de Modulaţie şi Codare (AMC) în WIMAX şi rata de

transmitere a datelor la nivelul fizic

Aşa cum s-a mai menţionat standardul 802.16 prevede o mare varietate de scheme

de modulaţie şi de codare. Acestea pot fi modificate, independent, pentru fiecare

rafală şi pentru fiecare conexiune funcţie de caracteristicile canalului. Informaţii cu

privire la calitatea canalului descendent se pot obţine din CQICH iar pentru canalul

ascendent prin analiza semnalului recepţionat de către staţiile de bază.

Programatorul de la staţia de bază (scheduler) va ţine cont de aceste informaţii

pentru a alege schemele optime pentru modulaţie şi codare care să maximizeze

debitul funcţie de raportul semna/zgomot particular. Prin folosirea modulaţiei şi

codării adaptive se măreşte semnificativ capacitatea globală a sistemului realizând

un compromis în timp real între debit şi stabilitatea pe fiecare legătură.

Aşa cum rezultă din tabelul 3.2 pentru calea descendentă WIMAX specifică

OFDM cu modulaţie QPSK, 16QAM şi 64 QAM. Pentru calea ascendentă 64QAM

este o schemă opţională. Codarea anticipativă (FEC) foloseşte obligatoriu coduri

convoluţionale. Pe calea descendentă, OFDM-PHY, codul convoluţional este

combinat cu un cod extern Reed-Solomon. Opţional standardul specifică şi coduri

de densitate redusă pentru controlulparităţii (LDPC - low-density parity check). Se

pot identifica 52 de combinaţii scheme de modulare – scheme de codare care pot fi

folosite pentru a define profile pentru diverşi utilizatori.

20

Tabelul 3.2 Scheme de modulaţie şi codare WIMAX

Este evident că funcţie de combinaţia schemă de modulaţie-schemă de

codare se modifică rata de transmitere a datelor la nivelul fizic. Aceasta rată mai

este influenţată, într-o măsură mai mică, de numărul de subcanale, durata

intervalului de gardă, rata de supraeşantionare.

Tabelul 3.3 evidenţiază ratele de transmisie în cazul particular al unui sistem

TDD cu raportul caledescendentă-cale ascendevtă de 3:1. Dimensiunea cadrului

este considerată de 5ms iar intervalul de gardă de 12,5% din durata simbolului.

Schema de permutare a subpurtătoarelor este PUSC. În fine se consideră că toate

simbolurile OFDM sunt utilizate pentru transmisie de date de utilizator cu excepţia

unui simbol folosit pentru transmisiuni auxiliare (overhead) pe calea descendentă.

21

Tabelul 3.3 Rate de transmisie a datelor la startul fizic pentru diferite benzi alocate

4 Prezentarea sumară a nivelului MAC

Sarcina principală a nivelului MAC pentru WiMAX constă în a asigura o interfaţă

între nivelele superioare de transport şi nivelul fizic. Nivelul MAC preia pachete

provenite de la nivelele superioare, pachete denumite unităţi de date pentru

serviciul MAC - MSDU (MAC service data units) şi le organizează în unităţi de

date pentru protocolul MAC – MPDU (MAC protocol data units) care vor fi

transmise pe canalul radio. Evident la recepţie nivelul MAC realizează operaţiile

inverse. Cele două standarde IEEE 802.16d şi 802.16e includ şi un subnivel de

convergenţă care asigură interfaţarea cu o diversitate de protocoale la nivelele

superioare cum sunt: ATM,TDM pentru voce, Ethernet, IP etc. Având în vedere

poziţia pe care o ocupă în contextul actual tehnologia IP şi Ethernet forumul

22

WiMAX a decis că, deocamdată, WiMAX să accepte numai aceste două

protocoale. Pe lângă realizarea unei corespondenţe spre şi de la nivelele superioare

subnivelul de convergenţă realizează şi suprimarea anteturilor MSDU pentru a

reduce transmisiunile în exces de la fiecare pachet.

Nivelul MAC WiMAX este proiectat pentru a accepta rate de bit de vârf

foarte mari asigurând, simultan, calitate a serviciului comparabilă cu cea de la

ATM sau DOCSIS. Se folosesc MPDU de lungime variabilă şi au fost definite o

serie de mecanisme pentru a realiza transmiterea eficientă a acestora. De exemplu

mai multe MPDU de lungimi egale sau diferite pot fi grupate într-o singură salvă

(burst) pentru a reduce transmisiunile în exces (overhead) de la nivelul fizic.

Similar mai multe MSDU de la acelaşi serviciu de la nivelele superioare pot fi

concatenate într-o MPDU pentru a reduce transmisiunile în exces de la nivelul

MAC. Invers, MSDU de dimensiuni mari pot fi fragmentate în MPDU de

dimensiuni mai mici care să fie transmise folosind mai multe cadre.

În figura 3.3 sunt date exemple de cadre MPDU. Fiecare cadru MAC este

precedat de antetul generic MAC – GMH (Generic MAC Header) care conţine un

identificator de conexiune (CID), lungimea cadrului şi o serie de biţi care

precizează prezenţa CRC, sub-anteturi, dacă datele sunt încriptate şi dacă da cu ce

cheie. Sarcina utilă din cadru reprezintă fie date de utilizator fie date de

administrare (management). Alături de MSDU sarcina utilă a cadrului poate

transporta cereri de alocare de bandă sau cereri de retransmisie. Tipul sarcinii utile

este identificat de sub-antetul care o precede. Exemple de sub-antet: sub-antetul de

împachetare sau sub-antetul de fragmentare.

23

Figura 3.3. Exemple de cadre MPDU

Aşa cum s-a mai menţionat WiMAX prevede folosirea mecanismului ARQ

care poate fi utilizat pentru a solicita retransmiterea unor MSDU nefragmentate sau

a unor fragmente de MSDU. Lungimea maximă a unui cadru este de 2017 de octeţi

iar informaţii despre acest parametru se transmit într-un grup de 11 biţi din GMH.

4.1 Mecanismele de acces la canalul radio

În WiMAX nivelul MAC implementat la staţia de bază este responsabil în totalitate

de alocarea resurselor de bandă către utilizatori atât pentru calea ascendentă cât şi

pentru calea descendentă. Singurele momente când o staţie de abonat are un

oarecare control asupra alocării de bandă apare în cazul în care staţia de abonat are

multiple conexiuni sau sesiuni cu staţia de bază. În acest caz staţia de bază alocă

24

bandă în mod global şi rămâne la latitudinea staţiei de abonat să o distribuie între

multiplele conexiuni. Orice alte programări de resurse pentru cele două sensuri de

comunicaţie sunt realizate la SB. Pentru calea descendentă alocarea se face pe baza

traficului destinat fiecărui abonat iar pentru calea ascendentă alocările au la bază

cererile lansate de staţia de abonat.

Standardul prevede mai multe mecanisme prin care o staţie de abonat poate

solicita şi obţine bandă pentru calea ascendentă. SM alege unul sau mai multe

dintre aceste mecanisme funcţie de calitatea serviciului (QoS) şi de parametrii de

trafic specifici unui anumit serviciu. Periodic staţia de bază alocă resurse în vederea

lansării cererilor de bandă. Acesta este un proces de interogare. Interogarea se

poate realiza individual (transmisiuni pentru a staţie - unicast) sau pe grupuri de

staţii de abonat (transmisie multiplă - multicast/difuzare - broadcast). Cea de a două

variantă se aplică atunci când nu sunt suficiente resurse pentru interogare

individuală. În cazul interogării unui grup de staţii se alocă un segment care este

folosit în comun de grupul de staţii pentru a lansa cererile de bandă, deci fiecare

staţie care solicită bandă va încerca să acceseze segmentul alocat. Standardul

defineşte accesul prin disputarea canalului şi un mecanism de separare a

solicitărilor atunci când mai multe staţii de abonat solicită simultan resurse. O staţie

care are resurse alocate pentru transmisiune nu este interogată. În schimb ea are

voie să solicite mai multă bandă prin:

- transmiterea unui MPDU cu o cerere de bandă;

- transmiterea unei cereri de bandă prin canalul de (evaluare a distanţei -

ranging);

- transmiterea unei cereri de bandă sub forma „piggyback” printr-un

pachet oarecare.

25

4.2 Calitatea Serviciului

Unul dintre aspectele specifice importante ale WiMAX se referă la posibilitatea de

a permite realizarea de transmisiuni cu calitate a serviciului controlată. Controlul

riguros al QoS se realizează prin folosirea unei arhitecturi orientate pe conexiune,

arhitectură în care toate conexiunile ascendente şi descendente sunt controlate de

către staţia de bază. Înainte de a se realiza orice transmitere de date staţia de bază şi

cea de abonat se stabileşte o legătură logică unidirecţională între entităţi similare de

la două nivele MAC. Aceasta se numeşte conexiune şi este identificată printr-un

identificator de conexiune (CID). Identificatorul de conexiune serveşte ca o adresă

temporară pentru datele transmise peste o anumită legătură. În afară de conexiunile

folosite pentru a transfera date în WiMAX se mai definesc trei conexiuni de

management (de bază, primară şi secundară) care sunt folosite pentru a se realiza

funcţii specifice cum ar fi ordonarea (ranging).

Alături de conexiune în WiMAX se mai defineşte şi fluxul-serviciu. Acesta

este identificat printr-un identificator de flux-serviciu (SFID) şi reprezintă un flux

unidirecţional de pachete caracterizat de un set unic de parametrii QoS. Dintre

parametrii QoS avuţi în vedere se pot menţiona: prioritatea traficului, rata de trafic

maximă care poate fi asigurată, rata maximă a rafalelor (burst), rata minimă care

poate fi acceptată, tipul de programare (scheduling), tipul de ARQ, întârzierea

maximă, fluctuaţiile (jitter) acceptabile, tipul şi lungimea MSDU, mecanismul de

cerere de bandă folosit, regulile de transmisie a PDU etc.

Fluxurile – serviciu pot fi structurate printr-un sistem de management al

reţelei sau pot fi create dinamic pe baza unui mecanism de semnalizare definit în

standard. Răspunderea pentru definirea fluxurilor-serviciu şi punerea lor în

corespondenţă cu o conexiune unică revine staţiei de bază. Pentru a permite

transmisiuni cap-la cap bazate pe IP cu QoS fluxurile serviciu pot fi puse în

corespondenţă cu codurile DiffServ sau cu etichetele MPLS.

26

Pentru a se permite implementarea unei mari varietăţi de aplicaţii, WiMAX

defineşte cinci servicii de programare (scheduling) (tabelul 3.4) care trebuie să

poată fi materializate de către programatorul de la staţia de bază pentru transportul

de date peste o conexiune:

1. Servicii asigurate fără solicitare (UGS - Unsolicited grant services):

Acest serviciu este proiectat pentru a asigura transmiterea de pachete la o

rată de bit constantă (CBR - constant bit rate) Exemple de aplicaţii care pot

beneficia de acest serviciu sunt fluxurile T1/E1 şi VOIP fără suprimarea

perioadelor de tăcere. Parametrii obligatorii pentru a defini acest serviciu

sunt: rata de trafic maximă care poate fi asigurată, întârzierea maximă în

sistem, acceptabile şi politica de cerere/transmitere.

2. Servicii cu interogare în timp real (rtPS - Real-time polling services):

Această variantă este proiectată să deservească fluxuri în timp real cum ar fi

fluxurile video MPEG, care generează pachete de date cu lungime variabilă

pe o bază periodic. Parametrii obligatorii pentru a defini acest serviciu sunt:

rata minimă de trafic rezervată, rata maximă care poate fi asigurată,

întârzierea maximă în sistem, acceptabile şi politica de cerere/transmitere.

3. Servicii cu interogare care nu se realizează în timp real (nrtPS - Non-

real-time polling service): Acest serviciu a fost proiectat pentru a fi utilizat

în transportul unor fluxuri de date tolerante la întârzieri aşa cum sunt

aplicaţiile de transfer de fişiere (FTP). Acestea pot fi transportate la o rată

garantată minimă. Parametrii obligatorii pentru a defini acest serviciu sunt:

rata minimă de trafic rezervată, rata maximă care poate fi asigurată,

priorităţile traficului şi politica de cerere/transmitere.

27

Tabelul 3.4 Fluxuri-Servicii definite în WiMAX

4. Serviciul fără garanţii (BE - Best-effort service); Acest serviciu este

proiectat pentru a asigura transportul unor fluxuri de date care nu implică un

nivel minim garantat. Un exemplu de astfel de aplicaţie o reprezintă

navigarea pe WEB. Parametrii obligatorii pentru a defini acest serviciu sunt:

rata maximă care poate fi asigurată, priorităţile traficului şi politica de

cereri/transmitere.

5. Serviciul cu rată variabilă, în timp real, extins (ERT-VR- Extended real-

time variable rate service); Acest serviciu a fost proiectat pentru a fi utilizat

pentru aplicaţiile în timp real cum ar fi VoIP cu suprimarea momentelor de

tăcere. Acestea au rată de rată e transfer variabilă dar cer garantarea ratei şi

întârzierii. Acest serviciu este definit numai în standardul IEEE 802.16e. Mai

28

este cunoscut şi ca serviciu cu interogare în timp real extins (ErtPS -

extended real-time polling service).

Deşi În WiMAX nu se defineşte programatorul ca atare se definesc, în schimb,

câţiva parametrii şi câteva caracteristici care permit implementarea cu uşurinţă a

acestuia:

Sunt definite toate elementele necesare pentru a preciza, în detaliu,

cerinţele cu privire la QoS precum şi o serie de mecanisme pentru ca pe

calea ascendentă să se semnalizeze condiţiile de trafic şi cerinţele QoS;

S-a creat posibilitatea pentru alocarea tridimensională a resurselor la

nivelul MAC; Astfel resursele pot fi alocate, cadru cu cadru, în timp

(segmente de timp – time slots), în frecvenţă (grupuri de subpurtătoare)

şi în spaţiu (antene multiple);

S-a creat suportul pentru un canal rapid de informare înapoi către staţia

de bază cu privire la calitatea transmisiunii pentru a permite

programatorului să aleagă schema de codare şi/sau de modulaţie

(profilul rafalei) pentru fiecare alocare de resurse;

S-a creat suportul pentru permutarea subpurtătoarelor grupate, a se

vedea AMC, ceea ce permite ca programatorul să folosească

diversitatea multiutilizator, alocând fiecărui utilizator cel mai

performant subcanal.

Trebuie remarcat că implementarea unui programator eficient este foarte

importantă pentru capacitatea globală şi performanţele unui sistem WiMAX.

29

4.3 Reducerea consumului de putere (power-saving)

Pentru a permite utilizarea eficientă a dispozitivelor portabile, WiMAX mobil

include o serie de caracteristici specifice.

Reducerea consumului de putere se realizează prin scoaterea din funcţiune a

unor secţiuni din ale echipamentului atunci când acesta nu transmite sau

recepţionează activ date. Sunt definite metode de semnalizare care permit staţiei de

abonat mobile ca, atunci când nu este activă, să treacă în modul somn (sleep) sau

inactiv (idle). Modul somn corespunde unei stări în care SM se opreşte şi devine

indisponibilă pentru o perioadă predeterminată de timp. Perioada de absenţă este

negociată cu staţia de bază la care este conectată. În WiMAX sunt definite trei clase

de reducere a consumului de putere funcţie de modul în care se execută modul

somn.

Când lucrează în clasa 1 staţiile folosesc o fereastră de somn care creşte

exponenţial între o valoare minimă şi una maximă. Acest mod se foloseşte, de

regulă, pentru staţii angajate în trafic fără garanţii sau care nu este în timp real.

Când lucrează în clasa 2 staţiile folosesc o fereastră de lungime fixă. Tipic

această clasă este folosită pentru trafic UGS.

Clasa 3 de reducere a consumului prevede folosirea unei ferestre de somn de

durată determinată şi la momente determinate şi este folosită de către staţiile

angajate în trafic de tip multi-destinaţie sau de management adică în acele situaţii în

care se ştie când are loc următoarea transmisie. Pentru a permite realizarea

transferului în timp ce o staţie este în modul somn, SM are voie să scaneze alte

staţii de bază pentru a colecta informaţiile legate de acest proces.

Modul inactiv permite o reducere a consumului mai mare. În WiMAX este o

facilitate opţională. Acest mod permite SM să înceteze să funcţioneze complet, să

30

nu fie înregistrată cu nici o staţie de bază şi totuşi să poată recepţiona trafic pe calea

descendentă. Atunci când soseşte trafic pentru o staţie aflată în inactivitate, aceasta

este căutată (paged) de câteva staţii de bază care formează un grup de căutare

(paging group). Staţia mobilă este asignată unui grup de căutare înainte de a intra

în modul inactiv şi ea va reveni periodic pentru a actualiza grupul de căutare. Acest

mod reduce consumul de putere mai mult decât modul somn deoarece SM nu

trebuie nici să se înregistreze nici să realizeze transferuri între staţiile de bază. Din

acest motiv acest mod de lucru este benefic şi pentru reţea şi staţia de bază

eliminând traficul de transfer pentru staţiile inactive.

4.4 Tratarea mobilităţii

Alături de accesul fix de bandă largă, WiMAX are în vedere şi patru scenarii de

lucru în condiţii de mobilitate:

1. Mobilitate de nivel nomad; Utilizatorul poate să ia o staţie de abonat fixă şi

să se reconecteze din orice punct de ataşare;

2. Mobilitate de nivel portabil: Accesul de tip nomad se poate materializa

folosind un dispozitiv portabil, cum ar fi un card PC sau un laptop cu cartelă

WiMAX cu speranţa realizării unui transfer în cele mai bune condiţii posibile

(best effort);

3. Mobilitate simplă; Abonatul se poate deplasa cu viteze de până la 69km/h cu

scurte întreruperi, de sub o secundă, în timpul transferului (handoff);

4. Mobilitate deplină; utilizatorul se poate deplasa cu până la 120km/h iar

transferul se realizează fără ca utilizatorul să sesizeze procedura (latenţă de

sub 50 ms şi pierderi de pachete mai mici de 1%) ;

31

Este foarte probabil ca majoritatea reţelelor WiMAX să vizeze la început aplicaţii

de tip fix şi nomad, urmând ca treptat, în timp, să evolueze spre acceptarea

portabilităţii şi a mobilităţii depline.

Standardul IEEE 802.15e, defineşte un cadru care permite administrarea

mobilităţii. În particular, standardul defineşte un mecanism pentru a urmări staţiile

de abonat care fiind în stare activă se mută din aria de acoperire a unei staţii de

bază în alta precum şi staţiile care în repaus fiind trec de la un grup de căutare

(paging). De asemenea standardul include protocoale pentru a se putea realiza

transferul insesizabil de la o staţie de bază la alta pentru conexiunile de intrare.

Forumul WiMAX a folosit cadrul creat de standardul IEEE 802.16 2005 pentru a

dezvolta, în continuare management-ul mobilităţii într-un cadru arhitectural de

reţea de la cap-la-cap. Arhitectura acceptă şi mobilitatea la nivelul IP bazată pe

conceptul IP mobil.

Standardul IEEE 802.16e prevede 3 metode de transfer:

a. HHO - transfer hard (hard handover);

b. FBSS – comutarea rapidă a staţiilor de bază (Fast Base Station

Switching);

c. MDHO – transfer cu diversitate la nivel macro (macro diversity

handover).

Metoda HHO este obligatorie şi se impune a fi implementată de orice soluţie

WiMAX mobil la început. Ea implică o trecere abruptă a conexiunii de o staţie de

bază la alta. Deciziile cu privire la realizarea transferului pot fi luate de către SB,

SM sau altă entitate pe baza rezultatelor măsurătorilor raportate de către SM.

Periodic SM realizează o scanare a domeniului de RF alocat şi măsoară calitatea

semnalului la staţiile de bază vecine. Scanarea are loc în intervalele de scanare

alocate de către SB. În aceste intervale SM are voie să facă şi o ordonare iniţială şi

32

se poate asocia cu una sau mai multe staţii de bază vecine. Odată ce se ia decizia cu

privire la realizarea unui transfer, SM începe sincronizarea pe transmisia

descendentă a staţiei de bază vizate, se realizează ordonarea dacă nu a fost deja

făcută în timpul scanării şi apoi se încheie conexiunea cu fosta staţie de bază. Orice

MPDU, nelivrat către o SM, este păstrat până la trecerea unui anumit interval de

timp după care este aruncat.

În cazul celorlalte două metode de transfer SM menţine o conexiune validă cu

mai multe staţii de bază.

În cazul metodei FBSS staţia mobilă menţine o listă cu staţiile de bază care

pot fi implicate în comunicaţie şi care formează aşa numitul set activ. Staţia mobilă

monitorizează continuu setul activ, realizează determinarea distanţelor şi menţine o

conexiune validă cu fiecare dintre staţiile de bază din setul activ. Totuşi staţia

mobilă comunică numai prin o staţie de bază numită staţie de bază acncoră. Atunci

când este necesară schimbarea staţie ancoră conexiunea este comutată de la o staţie

de bază la alta fără a se realiza semnalarea specifică transferului. Pur şi simplu

staţia mobilă raportează staţia de bază ancoră selectată pe CQICH.

MDHO este similar cu FBSS exceptând faptul că SM comunică, simultan, atât

pe calea descendentă cât şi pe calea ascendentă cu toate staţiile de bază din setul

activ – care în acest caz se numeşte set de diversitate. Pe calea descendentă, staţia

mobilă primeşte multiple copii pe care le poate combina folosind o variantă

oarecare dintre tehnicile de diversitate. Pe calea ascendentă, staţia mobilă trimite

date către mai multe staţii de bază diversitatea manifestându-se prin alegerea căii

celei mai bune.

Atât FBSS cât şi MDHO oferă performanţe superioare prin comparaţie cu

HHO, dar este necesar ca toate staţiile de bază din setul activ sau din setul de

diversitate să fie sincronizate, să folosească aceeaşi frecvenţă purtătoare şi să

folosească în comun informaţia relativ la intrarea de reţea.

33

4.5 Funcţiile de securitate

Spre deosebire de tehnologia Wi-Fi, WiMAX a fost proiectat de la început avându-

se în vedere asigurarea unei securităţi robuste. Standardul a inclus metode la zi

pentru a se asigura confidenţialitatea datelor transmise şi prevenirea accesului

neautorizat. Adiţional au fost prevăzute facilităţi pentru a permite implementare

procedurilor de transfer. Pentru a se implementa cerinţele de securitate a fost creat

un subnivel la nivelul de control al accesului la mediu - MAC. În cele ce urmează

vor fi prezentate pe scurt aspectele principale.

Suportul pentru confidenţialitate: Se folosesc scheme de criptare a căror

eficienţă a fost dovedită: AES (Advanced Encryption Standard) şi 3DES (Triple

Data Encryption Standard). Foarte probabil, cele mai multe implementări vor folosi

AES care este acceptat şi în SUA şi este mai uşor de implementat. Cheile de

criptare de 128 sau de 256 de biţi sunt generate în faza de autentificare şi, pentru

protecţie suplimentară, sunt reîmprospătate periodic.

Autentificarea echipamentului/utilizatorului: WiMAX oferă mijloace pentru a

se realiza autentificarea utilizatorilor şi a echipamentelor pentru a preveni folosirea

neautorizată a resurselor. Cadrul creat pentru autentificare are la bază procedura

EAP dezvoltată de IETF (Internet Engineering Task Force) care acceptă o mare

varietate de soluţii pentru acest obiectiv: nume de utilizator/parolă, certificat digital

şi carduri inteligente. Terminalele WiMAX sunt livrate cu certificat digital X.509

care are asociată o cheie publică şi o adresă MAC. Operatorii WiMAX folosesc

acest certificate pentru a autentifica echipamentul şi folosesc numele de

utilizator/parola sau un card inteligent pentru a autentifica utilizatorul.

34

Protocol Flexibil pentru administrarea cheilor: Pentru a transfera fără riscuri

cheile de la staţia de bază la staţia mobilă şi reactualizarea periodică a lor se

foloseşte Protocolul de administrare a Cheilor versiunea 2 (Privacy and Key

Management Protocol Version 2 - PKMv2). Acesta este un protocol de tip client-

server: staţia mobilă joacă rolul de client iar staţia de bază de server. Protocolul se

bazează pe certificatul digital X.509 şi pe un algoritm de criptare a cheilor (RSA -

Rivest-Shamer-Adleman) pentru schimbul de chei.

Facilitarea transferului: Pentru a permite realizarea rapidă a transferurilor

WiMAX permite ca staţiile mobile să realizeze o pre-autentificare cu o anume

staţie de bază ţintă pentru a accelera reasocierea. Există un protocol cu trei căi care

permite implementarea procedurii de transfer rapid evitând totodată atacurile de tip

omul-de-la-mijloc.

4.6 Servicii de transmisiuni multi-destinaţie sau de tip difuziune (MBS - Multicast

and Broadcast Services)

Pentru a se putea realiza astfel de servicii au fost introduse o serie de funcţii

specifice la nivelul MAC cum ar fi:

Mecanisme de semnalizare pentru ca SM să ceară şi să realizeze MBS;

Posibilitatea de acces a staţiei de abonat la MBS prin intermediul uneia sau a

mai multor staţii de bază funcţie de posibilităţile acesteia şi de necesităţi;

Calitatea serviciilor (QoS) şi criptare asociate MBS folosind o cheie de

criptare globală;

O zonă distinct în cadrul MAC cu propriile informaţii pentru traficul MBS;

35

Metode de livrare a traficului MBS către staţiile de abonat aflate în modul de

repaus (idle);

Posibilitatea de a ameliora performanţele de livrare a traficului MBS prin

macro diversitate.

4.7 Advanced Features for Performance Enhancements

WiMAX defines a number of optional advanced features for improving the

performance. Among the more important of these advanced features are support for

multiple-antenna techniques, hybrid-ARQ, and enhanced frequency reuse.

4.7.1Sisteme avansate de antene

The WiMAX standard provides extensive support for implementing advanced

multiantenna solutions to improve system performance. Significant gains in overall

system capacity and spectral efficiency can be achieved by deploying the optional

advanced antenna systems (AAS) defined in WiMAX. AAS includes support for a

variety of multiantenna solutions, including transmit diversity, beamforming, and

spatial multiplexing.

Transmit diversity: WiMAX defines a number of space-time block coding

schemes that can be used to provide transmit diversity in the downlink. For

transmit diversity, there could be two or more transmit antennas and one or more

receive antennas. The space-time block code (STBC) used for the 2 × 1 antenna

case is the Alamouti codes, which are orthogonal and amenable to maximum

likelihood detection. The Alamouti STBC is quite easy to implement and offers

36

the same diversity gain as a 1 × 2 receiver diversity with maximum ratio

combining, albeit with a 3 dB penalty owing to redundant transmissions. But

transmit diversity offers the advantage that the complexity is shifted to the base

station, which helps to keep the MS cost low. In addition to the 2 × 1 case,

WiMAX also defines STBCs for the three- and four-antenna cases.

Beamforming: Multiple antennas in WiMAX may also be used to transmit the

same signal appropriately weighted for each antenna element such that the effect is

to focus the transmitted beam in the direction of the receiver and away from

interference, thereby improving the received SINR. Beamforming can provide

significant improvement in the coverage range, capacity, and reliability. To

perform transmit beamforming, the transmitter needs to have accurate knowledge

of the channel, which in the case of TDD is easily available owing to channel

reciprocity but for FDD requires a feedback channel to learn the channel

characteristics. WiMAX supports beamforming in both the uplink and the

downlink. For the uplink, this often takes the form of receive beamforming.

Spatial multiplexing: WiMAX also supports spatial multiplexing, where multiple

independent streams are transmitted across multiple antennas. If the receiver also

has multiple antennas, the streams can be separated out using space-time

processing. Instead of increasing diversity, multiple antennas in this case are used

to increase the data rate or capacity of the system.

Assuming a rich multipath environment, the capacity of the system can be

increased linearly with the number of antennas when performing spatial

multiplexing. A 2 × 2 MIMO system therefore doubles the peak throughput

capability of WiMAX. If the mobile station has only one antenna, WiMAX can still

support spatial multiplexing by coding across multiple users in the uplink. This is

37

called multiuser collaborative spatial multiplexing. Unlike transmit diversity and

beamforming, spatial multiplexing works only under good SINR conditions.

5.4.2 Hybrid-ARQ

Hybrid-ARQ is an ARQ system that is implemented at the physical layer together

with FEC, providing improved link performance over traditional ARQ at the cost of

increased implementation complexity. The simplest version of H-ARQ is a simple

combination of FEC and ARQ, where blocks of data, along with a CRC code, are

encoded using an FEC coder before transmission; retransmission is requested if the

decoder is unable to correctly decode the received block. When a retransmitted

coded block is received, it is combined with the previously detected coded block

and fed to the input of the FEC decoder. Combining the two received versions of

the code block improves the chances of correctly decoding. This type of H-ARQ is

often called type I chase combining.

The WiMAX standard supports this by combining an N-channel stop and

wait ARQ along with a variety of supported FEC codes. Doing multiple parallel

channels of H-ARQ at a time can improve the throughput, since when one H-ARQ

process is waiting for an acknowledgment, another process can use the channel to

send some more data. WiMAX supports signaling mechanisms to allow

asynchronous operation of H-ARQ and supports a dedicated acknowledgment

channel in the uplink for ACK/NACK signaling. Asynchronous operations allow

variable delay between retransmissions, which provides greater flexibility for the

scheduler.

To further improve the reliability of retransmission, WiMAX also optionally

supports type II H-ARQ, which is also called incremental redundancy. Here, unlike

in type I H-ARQ, each (re)transmission is coded differently to gain improved

performance. Typically, the code rate is effectively decreased every retransmission.

38

That is, additional parity bits are sent every iteration, equivalent to coding across

retransmissions.

5.4.4 Improved Frequency Reuse

Although it is possible to operate WiMAX systems with a universal frequency

reuse plan, doing so can cause severe outage owing to interference, particularly

along the intercell and intersector edges. To mitigate this, WiMAX allows for

coordination of subchannel allocation to users at the cell edges such that there is

minimal overlap. This allows for a more dynamic frequency allocation across

sectors, based on loading and interference conditions, as opposed to traditional

fixed frequency planning. Those users under good SINR conditions will have

access to the full channel bandwidth and operate under a frequency reuse of 1.

Those in poor SINR conditions will be allocated nonoverlapping subchannels such

that they operate under a frequency reuse of 2, 3, or 4, depending on the number of

nonoverlapping subchannel groups that are allocated to be shared among these

users. This type of subchannel allocation leads to the effective reuse factor taking

fractional values greater than 1. The variety of subchannelization schemes

supported by WiMAX makes it possible to do this in a very flexible manner.

Obviously, the downside is that cell edge users cannot have access to the full

bandwidth of the channel, and hence their peak rates will be reduced.