Obiectivul global al unei retele wireless este destul de simplu: conectarea unor utililzatori wireless la un core network si apoi la la reteaua fixa. Figura 4.1 ilustreaza principiul Public Land Mobile Network (PLMN), asa cum este definit pentru retelele GSM de generatie a doua.
Figura Prezentare a conceptului
Public Land Mobile Network ce ofera un serviciu de telefonie celulara
Primul sistem de telefonie wireless a fost inventat in 1930. Aceste sisteme erau destul de simple si aveau o capacitate foarte mica de transport. Adevaratul sprijin pentru retelele wireless a venit odata cu conceptul celular inventat de catre Bell Labs in 1970. Acest concept simplu dar extrem de puternic era urmatorul: fiecare statie de baza (BS) acopera o celula; celulele se aleg suficient de mici pentru a permite reutilizarea frecventelor (Figura 4.2). Utilizand acest concept, teoretic, este posibila acoperirea unei arii geografice de dimensiunea de care este nevoie.
Figura Conceptul celular
Conceptul celular a fost aplicat in multe sisteme celulare (cele mai multe analogice) ale anilor 1980: AMPS (SUA), R2000 sau Radiocom 2000 (Franta), TACS (UK), NMT (tarile scandinave), s.a. Cum aceste sisteme erau incompatibile, a fost inventat un sistem celular european, numit GSM, care es 121c27b te in prezent utilizat in toata lumea
WiMAX aplica acelasi principiu: un BS acopera toate SS din celula sa. In aceasta sectiune, vor fi prezentate cateva elemente ale teoriei conceptului celular de care are nevoie dimensionarea WiMAX. Primul prezentat este sectorizarea.
O statie de baza reprezinta un cost mare (investitie, CAPEX, OPEX) pentru un operator de retea. In loc de a avea un BS pentru fiecare celula, care reprezinta cazul unui BS echipat cu antene omnidirectionale, trisectorizarea permite ca trei BS sa fie grupate intr-un singur site, acesta acoperind 3 celule. (Figura 4.3). Aceste 3 celule sunt denumite sectoare. Trei nu este singura posibilitate. Teoretic este posibila o sectorizare cu n sectoare. Dar, din motive practice, trisectorizarea este utilizata cel mai mult. Pentru sectorizare este nevoie de antene directionale, iar trisectorizarea are nevoie de antene ce acopera 120o.
Figura Antene
omnidirectionale si trisectorizarea
Din motive economice sectorizarea este aproape intotdeauna preferata, in timp ce antenele omnidirectionale sunt utilizate in cazuri rare, cum ar fi pentru celulele foarte mari din ariile geografice foarte putin populate. WiMAX nu reprezinta o exceptie, iar sectorizarea este de asemenea recomandata.
Retelele celulare sunt bazate pe un principiu simplu. Cu toate acesetea, pentru a obtine o performanta ridicata si o calitate foarte buna este nevoie de o foarte buna planificare inainte de instalarea in teren. Aceasta planificare se bazeaza pe instrumente software foarte sofisticate si de asemenea pe experienta inginerilor radio.
Reutilizarea frecventelor duce la o valoare a interferentelor care poate fi pastrata la un nivel scazut. Asa cum este ilustrat in Figura 4.4, la semnalul util, un SS receptioneaza interferente de la alte BS ce utilizeaza aceeleasi frecvente. Calcularea sau estimarea SNR (raportul semnal zgomot) este utilizata pentru planificarea retelei. SNR este de asemenea cunoscut ca Carrier-Interference-and-Noise Ration (CINR). O planificare a retelei celulare corecta este cea in care valoarea SNR este aproximativ constanta, in timp ce capacitatea se maximizeaza.
Figura Prezentare a
semnalului util si a interferentelor utilizate pentru calcularea SNR
Un parametru al planificarii retelei este dimensiunea clusterului. Un cluster este definit ca numarul minim de celule ce utilizeaza o singura data frecventele unui operator. Este demonstrat ca in cazul unui cluster de dimensiuni mai mici creste capacitate unei celule in timp ce la un cluster de dimensiuni mai mari scad interferentele globale si aceasta reprezinta o crestere a calitatii. Alegerea dimensiunii clusterului trebuie facuta cu foarte multa grija. In cazul retelelor GSM, valoarea clusterului era initial de 12 sau 9 celule. Cu timpul si datorita aparitiei diferitelor tehnici radio (saltul in frecventa, etc), dimensiunea clusterului a fost redusa pana la 3 celule.
Figura Exemplu
teoretic al unei retele haxagonale. Dimensiunea clusterului este 3
Reteaua de tip hexagonal este un model care poate fi utilizat pentru prima estimare. Pentru acest model, poate fi stabilita o relatie matematica intre valoarea minima a SNR in retea si dimensiunea clusterului:
Minimal SNR = 0,17 x (3n)
Unde n este dimensiunea clusterului si α este o valoare ce depinde de canalul radio (ordin de marime 4). Aceasta este doar o formula de aproximare folosita pentru un canal teoretic (prea simplu) si pentru tiparele celulelor, utilizata doar pentru prima estimare a lui n. Dezvoltarea practica utilizeaza mai multe mijloace, dar valoarea SNR (utilizata pentru planificarea sau dimensionarea celulelor) creste cu n.
Ce se poate spune despre reutilizarea frecventelor in WiMAX? WiMAX este un sistem OFDM (in timp ce GSM este sistem SC Single Carrier) unde pot fi luate in considerare dimensiuni mici ale clusterului. Sunt des utilizate dimensiuni ale clusterului de 1 sau 3. Cu alte cuvinte, este foarte probabil sa se aplice sectorizarea. Aceasta da 2 posibilitati de reutilizare a frecventelor prezentate in Figura 4.6. Prin urmare, un operator ce are 10,5 MHz bandwidth va avea 3,5 MHz bandwidth pe celula daca este luat in considerare un cluster cu valoarea 3. Cu toate acestea, nu este sigur ca un cluster cu valoarea 1 va conduce la marirea capacitatii globale. Cu un cluster ce are valoarea 1, frecventele reutilizate sunt foarte apropiate iar SNR va avea o valoare mica, ceea ce inseamna mai putin b/s Hz daca se aplica link adaptation. Cu siguranta, alegerea dimensiunii clusterului nu este o sarcina usoara.
Figure 4.6
Figura - Varianta de reutilizare a frecventelor in WiMAX
Exista, de asemenea, si alte tehnici de reutilizare a frecventelor. WiMAX Forum White Paper mentioneaza reutilizarea fractionala a frecventelor. Printr-o configurare corecta a subcanalelor, utilizatorii vor opera pe subcanale, ceea ce ocupa doar o mica parte din latimea de banda alocata unui intreg canal. Modelul de reutilizare a subcanalelor poate fi configurat in asa fel incat utilizatorii aflati mai aproape de statia de baza vor opera cu toate subcanalele (sau frecventele) disponibile, in timp ce utilizatorii de la margine vor utiliza o fractiune din subcanalele disponibile. Prin acest tip de configurare, reutilizarea in intregime a frecventelor pentru utilizatorii din centrul BS este realizata in ideea maximizarii utilizarii spectrului, iar reutilizarea fractionala a frecventelor pentru utilizatorii de la margine este implementata in ideea de a asigura acelor utilizatori conexiuni de calitate si throughput. Planificarea de reutilizare a subcanalelor poate fi optimizata dinamic de-a lungul sectoarelor si celulelor bazandu-se pe incarcarea retelei si interferente. Figura 4.7 prezinta un exemplu de utilizare a frecventelor din fiecare zona geografica intr-o schema de reutilizare fractionala a frecventelor. In OFDMA PHYsical Layer (Mobile WiMAX), reutilizarea flexibila a subcanalelor este facilitata de segmentarea subcanalelor si schimbarea zonelor. Un segment este o subdiviziune a subcanalelor disponibile OFDMA (un segment poate contine toate subcanalele).
Figura Exemplu de
utilizare a frecventelor pentru fiecare zona geografica in cazul utilizarii
unei scheme de reutilizare fractionala a frecventelor
Handover (cunoscut si ca handoff) este de fapt atunci cand un utilizator mobil se deplaseaza dintr-o celula in alta fara intreruperea legaturii (indiferent daca era un apel telefonic, o legatura de date sau altceva). Handover este o caracteristica obligatorie a unei retele celulare (vezi Figura 4.8). Exista mai multe variante de implementare a acestei caracteristici. Fiecare sistem wireless cunoscut dispune de propria varianta de implementare.
Figura Prezentare a caracteristicii
de handover intr-o retea celulara
Retelele 3G utilizeaza benzi de frecventa licentiate. Aceste benzi sunt 1,885 2,025 GHz si 2,110 2,200 GHz. Deasemenea retelele wireless (802.11b) utilizeaza benzi de frecventa fixe 2,410 2,480 GHz. Aceasta din urma banda se gaseste in ISM (Industrie, Stiinta si Medicina), o banda libera utilizata si de alte sisteme decat WiFI.
Pentru WiMAX, standardul IEEE 802.16 ia in considerare faptul ca sistemul lucreaza la frecventa mai mici de 11GHz (pentru nivelul fizic considerat pentru WiMAX). Frecventele de operare corecte sunt indicate in profilele de sistem ale Forumului WiMAX.
WiMAX utilizeaza ambele tipuri de benzi de frecventa, atat licentiate cat si nelicentiate.
Deseori se mentioneaza ca frecventele nelicentiate ale WiMAX vor fi utilizate pentru zone de acoperire limitate, campusuri (intreprinderi sau facultati), initiative particulare, etc. Cu alte cuvinte, veniturile operatorilor ar trebuie sa vina doar din frecventele licentiate, unde serviciile ar fi mai usor garantate.
In unele tari si regiuni, atribuirea licentelor este cunoscuta ca o licentiere agnostica, unde nu este obigatorie o anumita tehnologie sau alte cerinte. Sunt indicate doar configuratia filtrului de frecvente si puterea maxima de emisie. De exemplu, in aceste benzi, poate oferi servicii bazate pe 3G sau UMTS. Oricum, nu toate frecventele distribuite sunt agnostice. In unele tari, benzile licentiate WiMAX pot fi utilizate doar pentru servicii WiMAX. Pot exista limitari aditionale. De exemplu, WiMAX nu poate fi utilizat de operatorii retelelor mobile in unele tari.
Standardul indica ca centrul frecventei RF este centrul benzii de frecventa in care un BS sau SS poate transmite. Frecventele de uplink, respectiv de downlink trebuie sa fie multiplu cu 250 khz. Precizia solicitata este de ordinul a 10-5 (in functie de PHYsical Layer si daca este BS sau SS).
In aceasta sectiune, sunt prezentate cateva frecvente care se asteapta sa fie utilizate pentru WiMAX. Benzile de frecventa care vor fi utilizate in citeva tari, conform datelor din Octombrie 2006 sunt:
Benzi licentiate: 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3,3 GHz si 3,5 GHz, ultima fiind anuntata ca cea mai raspandita frecventa WiMAX. Trebuie mentionat ca in banda de 2,5 GHz sunt furnizate si servicii 3G;
Benzi nelicentiate: 5GHz.
Tabelul 4.3 prezinta frecventele WiMAX pe glob. Dar mai sunt cautate si alte frecvente. Aceste frecvente nu ar trebui sa depaseasca 5,8 GHz pentru ca operatiunile NLOS ar deveni dificile, ceea ce evident este o problema de mobilitate. RWG (Regulatoy Working Group) incearca sa defineasca atat frecvente noi (se pare ca in benzile de 450 si 700 MHz) cat si regulile pentru un roaming universal in conditiile in care ar putea fi utilizate frecvente diferite in unele tari. Cerintele principale de reglementare permit utilizarea atat a TDD (Time Division Duplexing) cat si FDD (Frequency Division Duplexing). Atribuirea dimensiunii spectrului de frecvente pentru operatori este in sarcina fiecarei tari. Unele elemente despre distribuirea frecventelor in unele tari sunt prezentate in tabelul de mai jos:
|
Regiunea sau tara |
Benzi de frecventa WiMAX raportate |
|
USA |
2.3, 2.5 si 5.8 GHz |
|
America Centrala si de sud |
2.5, 3.5 si 5.8 GHz |
|
Europa |
3.5 si 5.8 GHz; posibil: 2.5 GHz |
|
Asia de Sud-Est |
2.3, 2.5, 3.3, 3.5 si 5.8 GHz |
|
Orientul Apropiat si Africa |
3.5 si 5.8 GHz |
Tabelul Frecvente WiMAX care vor fi utilizate
In Franta, ca peste tot, autoritatile doresc sa aiba disponibil acces la comunicatii de banda larga (cel putin din punct de vedere fix) in cea mai mare parte a teritoriului. WiMAX a fost vazut ca o mijloc de a oferi acest acces la comunicatii de banda larga. Operatorul Altitude (detinut de Iliad) are o licenta WiMAX in banda de 3,5 GHz. Altitude a obtinut aceasta licenta in 2003, atunci cand ART (Autorite de Regulation des Telecommunication) a acceptat ca Altitude sa preia o licenta WLL detinuta, dar nu si utilizata de un alt operator. De atunci, ART si-a schimbat numele in ARCEP (Autoritι de Rιgulation des Communications Electroniques et des Postes). In August 2005, ARCEP a inceput procesul de atribuire a altor doua licente WiMAX (2 x 15 MHz fiecare):
BLR 1: 3465 3480 si 3565 3580 MHz;
BLR 2: 3432,5 3447,5 si 3532,5 3547,5 MHz.
Acest proces a luat sfarsit in Iulie 2006 prin alocare acestor 2 licente catre 2 operatori in fiecare dintre cele 22 regiuni metropolitane franceze. Oricum, Altitude este singurul operator francez cu o licenta nationala WiMAX. Alegerea castigatorilor licitatiei a fost bazata pe 3 criterii de importanta egala:
Contributia adusa la dezvoltarea accesului la comunicatii de banda larga;
Aptitudinea de a se adapta la cerintele pietei;
Suma de bani platita de catre operator.
In iunie 2008 operatorii ar trebui sa aiba un minim de 3500 site-uri. Pentru licente ei au trebuit sa plateasca 125 milioane Euro in 2006.
In Coreea de Sud frecventele atribuite se gasesc in banda de 2,3 2,4 GHz. In 2002, s-a decis atribuirea a 100 MHz pentru Wireless Broadband iar licentele au fost atribuite in Ianuarie 2005. Cei trei operatori sunt Korea Telecom (KT), SK Telecom (SKT) si Hanaro Telecom. Retelele pilot sunt deja instalate din Aprilie 2006. Ofertele comerciale ar fi trebuit sa inceapa inainte de finalul lui 2006.
In SUA, un numar mare de licente din benzile de 2,5 GHz (BRS - Broadband Radio Service, EBS - Educational Broadband Service) si 2,3 GHz (WCS - Wireless Communications Service) sunt detinute de mai multi operatori. 2 mari operatori (Sprint si Nextel) si-au unit fortele, devenind astfel, de departe, operatorii cu cea mai mare populatie ce ar putea beneficia de serviciile WiMAX. In USA, pana acum banda de 2,5 GHz era deseori atribuita pentru MMDS. Oricum, licentele EBS au fost alocate institutiilor educationale iar acestea nu o pot folosi decit pentru scopuri educationale iar Federal Communications Commission (FCC) a permis detinatorilor de licente EBS inchirierea spectrului propriu catre institutii comerciale numai cu indeplinirea anumitor conditii.
In acest moment 2 operatori au licente BWA in UK: PCCW (UK Broadband) si Pipex. Licentele acestora sunt in banzile de 3,4 GHZ (PCCW), respectiv 3,5 GHz (Pipex). Mai multi operatori mici utilizeaza sau planuiesc sa utilizeze benzile nelicentiate WiMAX pentru operatii limitate.
China este o tara cu o mare suprafata si cu o retea de telecomunicatii inca in dezvoltare. Pentru moment (cu datele oficiale din octombrie 2006), nici o licenta WiMAX pentru servicii comerciale nu a fost alocata. Oricum, incercari WiMAX au loc in mai multe regiuni si sunt raportate cu regularitate. Liderii pietei chineze in productia si livrarea de echipamente, Huawey si ZTE, sunt membri activi in zona WiMAX (membri ai WiMAX Forum, contribuie la experimente, au in dezvoltare produse WiMAX, etc)
Un profil de certificare de sistem WiMAX este un set de caracteristici ale standardului 802.16, selectat de Forumul WiMAX, care este recomandat sau obligatoriu pentru acele profile specifice. Aceasta lista stabileste, pentru fiecare dintre profilele de certificare ale unui profil de sistem lansat, caracteristicile care vor fi utilizate in cazuri specifice de instalare. Profilele certificarilor de sistem sunt definite de catre TWG in Forumul WiMAX. Standardul 802.16 indica ca un profil de certificare de sistem consta in 5 componente: profilul MAC, profilul PHY, profilul RF, tipul de duplex (TDD sau FDD) si clasa de putere. Benzile de frecvente si latimea de banda a unui canal sunt alese in asa fel incat sa acopere cat mai mult posibil din alocarea spectrala asteptata pentru WiMAX.
Echipamentele pot fi apoi certificate de catre Forumul WiMAX in acord cu un profil specific de certificare de sistem. Sunt definite doua profile de sistem: fix si mobil. Aceste profile sunt prezentate mai jos.
Tabelul 4.2 prezinta profilele pentru WiMAX fix. Aceste profile de sistem sunt bazate pe OFDM PHYsical Layer 802.16-2004 (de fapt, acest profil de sistem nu s-a schimbat foarte mult prin introducerea 802.16e). Toate profilele utilizeaza modul PMP. Acesta a fost primul set de cerinte stabilit in iunie 2004 (in acelasi timp cu aprobarea 802.16-2004). Fiecare profil de certificare are un identificator care se utilizeaza in documente cum ar fi PICS proforma statements. In plus, profilele de sistem trebuie sa fie definite in spiritul legilor si conform dezvoltarii pietei. Dincolo de altele, noile profile de certificare trebuiau sa fie aprobate pana la sfarsitul lui 2006. Este planificat sa fie adaugate schemele cu profilele de sistem WiMAX cu latimea de banda a canalului de 5MHz si banda de frecvente de 2,5 GHz. Sunt planificate de asemenea, profilele fixe de sistem bazate pe 802.16e.
|
Banda de frecvente (GHz) |
Tipul de duplex |
Latimea de banda a unui canal (MHz) |
Numele profilului |
|
TDD |
3.5T1 |
||
|
TDD |
3.5T2 |
||
|
FDD |
3.5F1 |
||
|
FDD |
3.5F2 |
||
|
TDD |
5.8T |
Tabelul Profilele de certificare WiMAX fix toate acestea utlizeaza OFDM PHY si modul PMP
Dincolo de munca la amendamentul 802.16e, au fost definite profilele de sistem pentru WiMAX-ul mobil.Aceste profile de certificare, cunoscute ca profilele de sistem Release-1 Mobile WiMAX si aratate in Tabelul 4.5 au fost aprobate in Februarie 2006. Acestea sunt bazate pe OFDMA PHYsical layer (IEEE 802.16e) si includ doar topologia PMP. Aceste profile sunt definite de catre Mobile Task Group (MTG), un subgrup al TWG in Forumul WiMAX. Certificarea Release 1 va fi probabil separata in diferite Certification Waves, incepand cu Wave 1, care cuprinde doar parti ale caracteristicilor Release 1.
|
Banda de frecventa (GHz) |
Tipul de duplex |
Latimea de banda a unui canal si dimensiunea FFT (numarul subpurtatoarelor OFDMA) |
|
TDD |
5 MHz 512; 8,75 MHz 1024; 10 MHz 1024; |
|
|
TDD |
3,5 MHz 512; 5 MHz 512; 10 MHz 1024; |
|
|
TDD |
3,5 MHz 512; 5 MHz 512; 10 MHz 1024; |
|
|
TDD |
5 MHz 512; 7 MHz 1024; 10 MHz 1024; |
|
|
TDD |
5 MHz 512; 7 MHz 1024; 10 MHz 1024; |
Tabelul Profilele de certificare WiMAX mobil Release 1
In OFDMA PHYsical Layer, asa cum a fost corectat prin 802.16e, numarul subpurtatoarelor OFDMA (echivalent cu marimea FFT) este scalabil. OFDMA-ul utilizat in WiMAX este numit OFDMA scalabil. Modul TDD este singurul care a fost ales pentru acest prim set, unul dintre motive fiind utilizarea mai eficienta a resurselor. Profilele FDD pot fi definite in viitor. Lungimea unui cadru este egala cu 5 ms.
|
