WiMAX

WiMAX (angl. Worldwide Interoperability for Microwave Access) – bevielio ryšio technologija, kuri leidžia sparčiai perduoti duomenis radijo ryšiu. Dažnai teigiama, kad WiMAX sukurta remiantis tais pačiais principais kaip ir Wi-Fi, kadangi priklauso tai pačiai IEEE 802 standartų grupei. Tačiau WiMAX techninės charakteristikos yra kur kas pranašesnės. Ši technologija gali būti naudojama fiksuotai ir judriai plačiajuostei bevielio ryšio prieigai, taip pat taškas-taškas sujungimams sudaryti. Išleidus WiMAX standarto pataisymus, įgalinančius judrumą, WiMAX tapo lyderiaujančia tarp judraus plačiajuosčio ryšio technologijų.

Technologiniai pranašumai

Bazinės WiMAX stoties antena Lepšiškių kaime

Bazinė WiMAX stotis

WiMAX antena Lietuvoje, iškelta į 13 m aukštį virš žemės paviršiaus

Pagrindiniai technologiniai WiMAX pranašumai:

• Įvairių pločių dažniniai kanalai. Tai leidžia lanksčiai plėsti tinklą pateikiant didesnius radijo resursus, taigi ir didesnes perdavimo spartas.
• Efektyvus dažnių spektro panaudojimas. Fizinis lygmuo realizuotas OFDM ir OFDMA technologijomis, leidžiančiomis pasiekti didelį spektro panaudojimo efektyvumą, efektyviai kovoti su įprastais radijo perdavimo aplinkos reiškiniais – interferencija, signalo nykimais. Dar labiau spektro išnaudojimo efektyvumas didinamas naudojant MIMO (angl. Multiple Input - Multiple Output) antenas. Naudojant dvi antenas siuntimui ir dvi priėmimui (2x2 MIMO), gaunamą spartą tame pačiame dažnių ruože galima padvigubinti. Vystomame WiMAX standarte IEEE 802.16 m numatomas dar didesnis MIMO antenų skaičius, taigi spektrinis efektyvumas dar labiau didės.
• Efektyvus energijos panaudojimas. Naudojant OFDM, signalo galia paskirstoma visame naudojamame spektre, todėl perdavimui reikalingos mažesnės galios ir apie bazines stotis sukuriama spinduliuotė yra daug mažesnė nei analogiškose ne OFDM perdavimo sistemose. OFDM panaudojimas taip pat lemia ir mažas energijos sąnaudas, todėl WiMAX dažnai vadinama „žaliąja“ technologija.
• Lankstus kokybės valdymas. WiMAX įgalina naudoti skirtingas paslaugų klases, siuntimo planuokles ir srautų prioritetus, todėl tame pačiame prieigos tinkle skirtingos paslaugos ir naudotojai gali būti diferencijuoti, jiems užtikrinami individualūs kokybiniai rodikliai.
• Judrumas. Judrioji WiMAX versija įgalina greitas perjungtis tarp bazinių stočių, leidžiančias išlaikyti duomenų sesijas ir netgi realaus laiko srautinių paslaugų, tokių kaip vaizdo, balso perdavimas, kokybę.

Taikymai

Judraus WiMAX technologinės ypatybės leidžia sukurti daug konkurencingų produktų, skirtų pačioms įvairiausioms naudotojų grupėms.

• Judrusis internetas, atitinkantis plačiajuosčio DSL kokybę. Visos plačiajuosčiu fiksuotu ryšiu įprastos paslaugos gali būti pasiekiamos kelyje.
• Interaktyvios judriosios paslaugos – balso telefonija, vaizdo skambučiai ir konferencijos. Pigios VoIP paslaugos arba visiškai nemokami komunikacijos būdai („Skype“ ir pan.).
• Fiksuotas ryšys užmiestyje ir nutolusiose vietose

WiMAX paremtas mobilusis internetas yra keturis kartus spartesnis, nei šiuo metu Lietuvoje plėtojamas 3G/HSDPA. Taip pat ši technologija gali drąsiai konkuruoti ir su kokybišku plačiajuosčiu internetu miestuose bei padėti lengviau padengti kokybišku interneto ryšiu priemiesčius ir atokias gyvenvietes.

Šiuo metu Lietuvoje AB Lietuvos radijo ir televizijos centras (internetas MEZON) ir UAB Balticum TV teikia interneto paslaugas WiMAX technologijų pagrindu.

Standartai

Prekinis ženklas WiMAX priklauso WiMAX forumui – organizacijai, besirūpinančiai standartų adaptavimu ir suderinamumu. Forumas jungia įvairius rinkos dalyvius – operatorius, lustų gamintojus, bazinių stočių ir naudotojų įrangos gamintojus, net turinio gamintojus – taip sukurdamas palankią ekosistemą WiMAX populiarinimui ir tobulinimui.

Technologija veikia IEEE 802.16 standartų grupės pagrindu. Pirmasis standartas IEEE 802.16-2001 buvo išleistas 2001 metais, vėliau išleista papildymų, išplečiant taikymus bei dažnių ruožus. 2004 metais išleista versija IEEE 802.16-2004 pakeitė prieš tai buvusius papildymus ir buvo adaptuota Europos standartizavimo organizacijos ETSI kaip HIPERMAN (angl. High-performance Metropolitan Area Network).

Geriausiai šiuo metu žinomi WiMAX standartai:

• IEEE 802.16-2004, skirtas 2-11 GHz fiksuotam bevieliam perdavimui
• IEEE 802.16e-2005, skirtas dažnių ruožui iki 6 GHz, fiksuotam ir judriam perdavimui
• IEEE 802.16 m, kuriamas.

Kanalo (MAC) lygmuo

WiMAX kanalo lygmens architektūra yra nepriklausoma nuo fizinio lygmens, jo pagrindinės funkcijos yra valdyti perdavimo resursus viena ir kita kryptimi, valdyti saugumo bei QoS procedūras, ARQ, BER. Taip pat atlikti fragmentaciją, persiuntimus. WiMAX MAC lygmuo paremtas laiko patikrintu DOCSIS standartu, naudojamu duomenų perdavimui kabeliniais tinklais. MAC lygmuo vienu metu gali tiekti tiek pliūpsnines duomenų, tiek srautines ir vėlinimui jautrias paslaugas tame pačiame kanale. Kanalo lygmenį sudaro ne tik MAC, bet ir kiti sub-lygmenys – MAC konvergencijos sublygmuo, skirtas aukštesnių protokolų adaptacijai (ATM, Ethernet ir pan.), bei MAC saugumo sub-lygmuo, skirtas tapatumo nustatymo, šifravimo, raktų paskirstymo algoritmams įgyvendinti. Resursų paskirstymas WiMAX vienai stočiai (SS) MAC lygmenyje gali kisti nuo vieno laiko tarpsnio iki viso duomenų kadro, taip leidžiama lanksčiai plačiose ribose paskirstyti pralaidą. Kadangi išteklių paskirstymas vykdomas specialiomis MAP žinutėmis kiekvieno kadro pradžioje, planavimas gali būti dinamiškai keičiamas kiekvienam kadrui, taip prisitaikant prie duomenų pliūpsnių. Tai reiškia, kad perdavimo organizavimas turi kanalų komutavimo savybių, tačiau kanalų resursai gali būti dinamiškai keičiami perduodant kiekvieną kadrą, taip pasiekiant paketinio perdavimo lankstumą ir išlaikant visišką perdavimo kanalais kontrolę. IEEE 802.16 Kryptyje aukštyn (nuo SS link BS) naudojamas TDMA bei DAMA (angl. demand assigned multiple acces) – daugialypė prieiga paremta SS poreikiais. BS nustato reikalingą duomenų kiekį (slot) kiekvienai SS, kuris bus dedikuotas išsiuntimo kadre. Šią informaciją BS transliuoja naudodama UL-MAP (uplink MAP) žinutes kiekvieno kadro pradžioje. UL-MAP žinutė turi informacinį elementą IE, kuris aprašo stočių perdavimo galimybes.

QoS

Paslaugų kokybė (angl. Quality of Service - QoS) IEEE 802.16 įgyvendintas paslaugų srautais (angl. Service Flows), kurie yra vienakrypčiai ir apibūdinami individualiais QoS parametrais. Prieš pradedant konkretaus duomenų srauto siuntimą, BS ir SS sudaro vienpusį loginį sujungimą. Siuntėjo pusėje (priklausomai nuo sujungimo krypties) paketai susiejami su konkrečiu paslaugų srautu. Paslaugų srautas savo ruožtu yra aprašytas QoS parametrais ir jais vadovaujantis atliekamas siuntimo į fizinį lygmenį planavimas. Toks į sujungimus orientuotas QoS leidžia tiksliai kontroliuoti fizinį perdavimą. Paslaugų srautų parametrai gali būti dinamiškai valdomi MAC žinutėmis tam, kad prisitaikytų prie kintančių SS poreikių.

WiMAX tinkluose MAC lygmuo naudoja siuntimo planuokles (angl. Scheduler) tam, kad duomenų blokai būtų pristatomi atsižvelgiant į reikalaujamą paslaugų kokybę. WiMAX technologijoje naudojamas 5-ios paslaugų klasės, kurios naudoja skirtngas siuntimo planuokles (pirmos 4 aprašytos IEEE 802.16 standarte, paskutinė (ertPS) aprašyta IEEE 802.16e-2005 papildyme):

1. BE (angl. Best Effort) – geriausių pastangų paslaugų klasė. BE planuoklė pagrįsta užklausų-leidimų mechanizmu, kurio metu kiekviena stotis siunčia užklausas resursams. Kadangi leidimai suteikiami geriausių pastangų principu, tarp užklausų galimas varžymasis. Tarp vienodo prioriteto paslaugų srautų resursai padalinami lygiateisiškai. Kadangi bazinės stoties resursai išskiriami tik tada, kai yra poreikis, ši planuoklė turimus radijo resursus panaudoja efektyviai, tačiau dėl užklausų-leidimų mechanizmo išauga vėlinimas iššiuntimo kryptimi.
2. UGS (angl. Unsolicited Grant Service) – pastovios perdavimo spartos paslaugų klasė. UGS planuoklė suteikia stočiai pastovios spartos kanalą, rezervuodama reikiamos apimties ir reikiamo periodiškumo vietą duomenims WiMAX kadre. Kadangi resursai rezervuojami iš anksto, duomenų perdavimo vėlinimas bei vėlinimo variacijos minimizuojamos. Ši klasė paprastai naudojama, kai siunčiami duomenų srautai sudaryti iš periodiškų, vienodo dydžio duomenų blokų, pvz., E1, CBR balso perdavimas ir pan.
3. rtPS (angl. real-time Polling Service) – realaus laiko perdavimo su užklausimu paslaugų klasė. rtPS planuoklė suteikia galimybę naudotojų stotims perduoti duomenis, periodiškai apklausus jas apie turimą duomenų kiekį. Dėl apklausos procedūros, vėlinimas išauga, tačiau resursų paskirstymas yra efektyvesnis nei UGS planuoklėje, ypač kai paslaugos generuojamas duomenų srautas yra netolygus, pvz., vaizdas, koduotas kintamos spartos kodekais.
4. nrtPS (angl. non-real-time Polling Service) – nerealaus laiko perdavimo su užklausimu paslaugų klasė. Pagrindinis skirtumas nuo rtPS planuoklės – stočių apklausa nėra nuolatinė. Siekiant sutaupyti bazinės stoties radijo resursus, neaktyvios stotys grupuojamos ir apklausinėjamos kartu, o konkrečioje stotyje atsiradus poreikiui išsiųsti duomenis, siunčiamos resursų užklausos. Kadangi apklausa vyksta ne individualiai, resursų užklausos gali sukelti kolizijas, kurios dar pailgins resursų išskyrimo laiką. Dėl šios priežasties pailgėja vėlinimas duomenų pliūpsnio pradžioje. Ši paslaugų klasė taikoma pliūpsninėms paslaugoms, kurioms siekiama užtikrinti minimalią gaunamą spartą, taip pat turi mažesnį vėlinimą už BE klasę.
5. ertPS (angl. extended real-time Polling Service) – išplėsta realaus laiko perdavimo su užklausimu paslaugų klasė