Tecnologia

O termo WiMAX tem sido genericamente utilizado para descrever sistemas wireless certificados e baseados no standard 802.16-2004 na gama 2-11GHz. O standard apenas especifica a camada 1 e 2, sendo compatível com diferentes tecnologias de camada 3 e acima. Irão ser descritas e explicadas as principais propriedades técnicas deste standard quanto às duas camadas para o standard 802.16-2004 e as principais diferenças do novo standard 802.16e.

Principais Características

• Largura de Banda até 70Mbps num canal de 20MHz.
• Canal variável de 1.25MHz até 20MHz.
• Suporte para ambientes LOS e NLOS.
• Raio de 8 Km NLOS, raio de 16 Km LOS, alcance de 50 Km em Point-to-pointP LOS para acesso fixo.
• Full-Duplex ou Half-Duplex com TDD e FDD.
• Funcionamento em espectro licenciado ou livre.
• Portadora em múltiplas frequências com OFDM e OFDMA (2-11GHz).
• Tecnologia de camada 1 e 2. Apenas a camada PHY e MAC são especificadas pelo standard. Compatível com protocolos de comunicação de camada 3 (IPv4, IPv6, ATM...).
• Soft Handoff não especificado na norma, opcional de cada fabricante.
• Roaming pode ser implementado mas é uma capacidade de um nível superior que vai para lá do âmbito do programa de certificação WiMAX Forum que se preocupa com as camadas PHY e MAC.
• Diferentes níveis de QoS.
• Modulação adaptativa (BPSK, QPSK, 16QAM e 64QAM).
• Topologia Point-to-point, Point-to-Multipoint e opcionalmente logical mesh Networks.
• Novos e avançados algoritmos de segurança.
• Suporte para a utilização de Adaptative Antena Systems (Antenas Inteligentes) e MIMO (Multiple Input Multiple Output)

O WMAN define dois tipos de estações:

• BASE STATION (BS) - controla e gere as conexões. Envia dados em canais downlink dieferentes para cada subscritor. A estação base pode cobrir multiplos sectores com a ajuda de antenas sectorizadas. Cada BS é identificada com um endereço MAC único de 48bits.
• SUBSCRIBER STATION (SS) - A estação subscritora é um terminal que comunica com a estação base. O uplink é ponto-a-ponto numa configuração de rede ponto-a-multiponto mas numa configuração de rede mesh tanto pode ser ponto-a-ponto como ponto-a-multiponto. Todos os SS no mesmo sector e no mesmo canal de frequência recebem a mesma informação. Cada SS é identificada por um endereço MAC único de 48bits.

Camada Física

O standard 802.16d define 4 tecnologias de interface com o meio:

WirelessMAN-SC 10-66GHz - Modulação baseada em uma única portadora. Cada canal possui 25-28 MHz de largura. Raw Data até 120Mbit/s. Necessita LOS.

WirelessMAN-SCa 2-11GHz - Modulação baseada em uma única portadora. Semelhante à anterior mas com menor débito devido à descida na zona de espectro mas com suporte para ambientes NLOS. Exemplo backhaul links.

WirelessMAN-OFDM 2-11GHz - 256-carrier Orthogonal-Frequency Division Multiplexing. Desenhada para ambientes NLOS. Exemplo Acesso Fixo.

WirelessMAN-OFDMA 2-11GHz - 2048-carrier Orthogonal-Frequency Division Multiple Access. Desenhada para ambientes NLOS. Exemplo Acesso Móvel.

As duas últimas tecnologias são as mais utilizadas para NLOS. Inicialmente os fabricantes tem preferido utilizar WirelessMAN-OFDM 256 nos seus equipamentos devido à sua menor complexidade e facilidade de sincronização relativamente à OFDMA 2048. A largura de banda é variável podendo assumir valores entre 1.25-20MHz dependendo de cada fabricante e da banda disponível. A tecnologia pode ser extensível a frequências mais baixas tais como os 700MHz que irão ser utilizados nos EUA.

Modulação adaptativa dinâmica - esta propriedade permite que a estação base altere o seu esquema de modulação dependendo das condições de transmissão. Por exemplo, se uma estação base não consegue estabelecer uma conexão robusta com um subscritor usando o esquema de modulação de maior ordem, 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation), pode reduzir para 16QAM ou QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) que reduz a data-rate mas aumenta o alcance efectivo. O standard 802.16d define até 7 combinações de modulação que são utilizadas dependento da condição SNR (Signal to Noise Ratio).

Duplexing TDD/FDD- as opções contidas no WiMAX permitem a compatibilidade com os requerimentos impostos às portadoras de cada país. Os sistemas WiMAX podem ser configurados em FDD (Frequency Division Duplex) ou em TDD (Time Division Duplex). Em FDD a comunicação é Full-Duplex e é efectuada em 2 canais em frequências diferentes, um para upload e outro para download. Normalmente a frequência mais baixa é a da estação móvel pois implica menor potencia da fonte. Em TDD o canal é dividido em slots de tempo para upload e download. É também uma comunicação full-duplex. Como utiliza um canal apenas, a taxa de transmissão reduz-se para metade mas a largura de banda necessária também.

Escalabilidade - a grande flexibilidade do WiMAX permite a utilização de várias frequências (licenciadas ou livres) e larguras de banda de canal, necessárias para a aplicação ou também pelas restrições impostas pela entidade reguladora de atribuição do espectro (ANACOM em Portugal). Actualmente os equipamentos permitem as frequências: 2.3-2.4GHz, 3.3-3.8GHz, 4.9-5.0GHz, 5.8GHz e canais com 1.75, 3.5, 5, 7, 10, 14 MHz.

Cobertura - tecnologias que aumentam a cobertura NLOS (sem linha de vista) como as topologias mesh (de implementação opcional não estão a ser disponibilizadas de momento pelos fabricantes), as Smart Antenas e as múltiplas antenas MIMO.

Selecção dinâmica das frequências - em bandas livres, várias portadoras podem ter de conviver na mesma zona de espectro. O WiMAX incorpora a tecnologia de Selecção dinâmica das frequências onde o rádio automaticamente procura um canal disponível.

Técnicas de correcção de erros - Utiliza FEC de Reed-Solomon, uma técnica robusta, para detectar e corrigir erros de transmissão. As tramas que não possam ser corrigidas são retransmitidas graças à utilização da metodologia ARQ (Automatic Repeat Request).

Controlo de potência - Utiliza algoritmos de controlo de potência para aumentar o desempenho do sistema e a autonomia das estações móveis. A estação base envia informação de controlo de potência a todos os CPEs para que estes irradiem apenas a potência suficiente ao serviço contactado.

Várias topologias suportadas - permite topologia Point-to-Multipoint onde uma BS envia dados ou informação de controlo aos vários SS e estes quando querem comunicar entre si têm comunicar sempre com a BS. Outra opção são as redes mesh onde os vários SS podem comunicar entre si directamente. As redes mesh são de momento opcionais de cada fabricante e estarão integradas efectivamente no protocolo 802.16e.

Camada MAC

• orientada à conexão.
• foi desenhada para suportar TDM, voz, dados, conectividade com IP, VoIP, ATM e protocolos baseados em pacotes.

SUBCAMADAS MAC

• Service-Specific Convergence Sublayer - semelhante à camada LLC de todos os protocolos da família 802. Recebe PDUs dos protocolos da camada superior que pode ser baseada em datagramas (PPP, IP, Ethernet...) ou ATM (Assinchronous Time Mode), classifica-os e passa-os ao MAC SAP que os irá entregar ao MAC Common Part Sublayer. Este processo é feito nos 2 sentidos.
  
  
• MAC Common Part Sublayer - onde estão localizados os protocolos principais. É orientado à conexão. Mapea todos os serviços numa conexão. Inclui mecanismos que possibilita uma estação móvel requisitar largura de banda e diferentes QoS. Responsável também pelos processos de fragmentação, reagrupamento e ARQ.
  
• Security Sublayer - autenticação, secure key exchange e encriptação.

Segurança - o standard 802.16a e posteriores incluem de privacidade e encriptação. Autenticação con o certificado x.509 e encriptação de dados utilizando algoritmos DES e AES.

QoS - o standard 802.16a e posteriores incluem características para QoS que permitem serviços como Voz e Vídeo que necessitam uma rede com baixa latência. Para isso foram criadas 4 classes de serviços para atender aos requisitos de QoS de cada aplicação.

Standard IEEE 802.16e

Optimizado para canais de rádio dinâmicos móveis. Esta emenda ao standard 802.16-2004 providencia suporte a handoff e roaming. O standard foi publicado a 28 de Fevereiro de 2006 mas os primeiros equipamentos são irão ser disponibilizados em fins de 2006 início de 2007.

Na tabela abaixo podemos verificar os principais campos de operação dos dois standards:.

Modulação e gama de frequências- Tal como o 16d, o 16e permite FDD e TDD e utiliza modulação adaptativa BPSK, QPSK, 16-QAM e 64-QAM. Está também definido para gamas de frequências abaixo dos 6GHz (banda planeada 2.3-2.4, 2.5-2.7, 3.4-3.5), enquanto o 16d permite gamas até os 11GHz. A largura de banda dos canais é a mesma mas o seu alcance é praticamente metade do 16e (1.6 a 3.2 Km). Para uso fixo, o 16e pode "trocar" mobilidade por alcance utilizando recolocação das sub-portadoras. 16e está também definido para gamas de frequências abaixo dos 6GHz enquanto o 16d permite gamas até os 11GHz.

Esquema de acesso ao meio aperfeiçoado - o 16e utiliza OFDMA com 128, 512, 1024 ou 2048 portadoras em vez do esquema OFDM 256 utilizado pelo standard anterior. 16e. Existe ainda a possibilidade de utilizar SOFDMA (variante do OFDMA que permite um número variável de sub-portadoras a cada utilizador em vez do número fixo definido pelo OFDM e OFDMA), ver aqui as diferenças entre OFDM, OFDMA e SOFDMA. O modo SOFDMA e OFDM não são compatíveis, um CPE OFDM não trabalhará numa rede SOFDMA e vice versa.

Autonomia - Continua a providenciar suporte para power-saving e sleep mode, sendo agora indispensável a sua utilização pelo facto de a subscriber station poderá ser um dispositivo com bateria.

Mobilidade - O seu grande trunfo é o suporte a mobilidade (até 150Km/h). Soft e Hard handoff, QoS e os Service Level Agreements são mantidos durante o handoff. Roaming pode ser implementado mas é uma capacidade de uma camada num nível superior que vai para lá do âmbito do programa de certificação WiMAX Forum que se preocupa com as camadas PHY e MAC. Vários Work Groups estão a tentar desenvolver uma plataforma de roaming mas de momento cada utilizador tem a sua solução.

Novas funcionalidades - Melhor cobertura indoor devido à utilização da opção AAS e de sub-canalização. H-ARQ.

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