Bude WiMAX konkurencí xDSL? Část I

Bezdrátový přístup se díky novým otevřeným technologiím, nabízejícím mimo jiné zajímavou kapacitu a dosah, těší zvýšenému zájmu a brzy se podle předpovědí mnoha analytiků stane skutečným konkurentem xDSL, kabelových přípojek nebo optických sítí. Širokopásmový bezdrátový přístup se totiž zatím realizuje firemními systémy, které jsou drahé a nespolupracují se systémy od jiných výrobců.

Moderní systémy BWA (Broadband Wireless Access) nabízejí jednak rychlý přístup k Internetu a také další služby včetně interaktivních hlasových či obrazových. Cenově se díky otevřeným řešením a masovější výrobě potřebných zařízení bezdrátový přístup může stát konkurenčním řešením první míle: nepotřebuje totiž budovat pevnou infrastrukturu pro každou přípojku, instalace je rychlá a levná a přitom pokrytí může být pro provozovatele zajímavé.

BWA lze realizovat jak v licenčním tak v bezlicenčním spektru. Řešení první míle prostřednictvím bezdrátové technologie v bezlicenčním spektru zatím tvoří pouze kolem 1% všech existujících širokopásmových přípojek (podle nové zprávy Unlicensed Broadband Wireless společnosti Parks Associates), protože bezlicenční spektrum bývá příliš zarušené pro provozování spolehlivé a dostupné služby přístupu k Internetu.

Otevřené řešení = WiMAX

Prvním otevřeným řešením pro bezdrátový širokopásmový přístup je WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), založený na normě IEEE 802.16a (a její revizi 802.16d).

WiMAX pracuje v pásmu 2-11 GHz a má maximální dosah ve venkovských oblastech do 50 km a v husté zástavbě do 3-5 kilometrů. Značný dosah signálu umožňuje jednak vyšší vysílací výkon a také použití směrových antén (nejčastěji tři sektorové antény na základnové stanici). WiMAX nabízí kapacitu do 70 Mbit/s, kterou ovšem sdílejí všichni uživatelé připojení k téže základnové stanici. Předpokládá se, že provozovatelé budou podporovat kolem 500 uživatelů na jednu základnovou stanici, tzn. v okruhu zhruba 15 km. Základnové stanice budou podobně jako u současných firemních systémů BWA umístěny nejčastěji na střechách budov a budou zpočátku komunikovat pouze s  anténami přijímačů pevně umístěnými také na střechách nebo na zdech domů. Použití vnitřních antén se zatím zkoumá.

Primárním účelem WiMAX je širokopásmový bezdrátový přístup k Internetu jak pro domácnosti, tak pro podniky. Své zákazníky si WiMAX najde nejen v jinak širokopásmovými službami nedotčených oblastech, ale i v centrech měst, protože nepotřebuje přímou viditelnost mezi přijímačem a základnovou stanicí.

Dalším plánovaným využitím WiMAX je páteřní propojení veřejných přístupových míst na bázi Wi-Fi (hot spots). V budoucnu má podporovat nejen pevný přístup, ale i slušnou mobilitu koncových uživatelů (802.16e), v nižších pásmech 2-6 GHz, s nižší rychlostí. WiMAX proto bude podle všech předpovědí nejen silným konkurentem kabelových sítí a digitálních přípojek (DSL), ale také doplňkem k mobilním službám 3G (UMTS). Využití WiMAX dobře dokresluje následující obrázek z dílny Intel, největšího propagátora WiMAX.

Technologie WiMAX

Norma IEEE 802.16a, na níž je WiMAX založen, je určena pro kmitočty z intervalu 2-11 GHz (zahrnující kmitočty jak bez licence, tak s licencí). WiMAX nepotřebuje přímou viditelnost (pracuje v režimu NLOS, Non-Line-Of-Sight), protože využívá OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Na rozdíl od jiných specifikací pro bezdrátové systémy realizuje WiMAX datový přenos po několika kmitočtových pásmech, čímž se minimalizuje nebezpečí rušení s jinými rádiovými aplikacemi. V závislosti na volbě spektra se také mění dosah i vysílací rychlost. To na druhou stranu umožňuje provozovatelům používat různé kmitočty právě v závislosti na konkrétní vzdálenosti uživatele od základnové stanice a na požadované kapacitě připojení.

OFDM se používá již delší dobu, např. od roku 1995 pro DSL a ve posledních letech také ve WLAN (802.11a/g). Používá se všude tam, kde je potřeba docílit vysoké propustnosti a přitom podmínky na kanálu mohou být ztíženy. OFDM rozděluje širokopásmový signál do více úzkopásmových kanálů, z nichž každý přenáší kolem 280 kbit/s. Kanály jsou velmi blízko u sebe, ale nepřekrývají se, takže nehrozí jejich vzájemné rušení. Přenos pomocí OFDM také nepodléhá rušení způsobenému různými cestami signálu (multipath distortion), a vůbec útlumu signálu právě ve venkovním prostředí. WiMAX bude používat 256 OFDM (ve srovnání s 64 OFDM u 802.11g).

Norma 802.16a nabízí tři řešení fyzické vrstvy (včetně OFDM), časový duplex TDD (Time-Division Duplexing) a kmitočtový duplex FDD (Frequency-Division Duplex). Rádiové kanály mají šířku pásma od 1,5 do 20 MHz. Použité kmitočty ve srovnání s vyššími umožňují levnější pokrytí pro více uživatelů s přenosovými rychlostmi až 75 Mbit/s, ale tuto kapacitu sdílejí všichni uživatelé připojení k téže základnové stanici.

Kapacita 75 Mbit/s znamená v 2,5 GHz 5 kanálů po 20 MHz, kanály lze ovšem rozdělit až na 1,5 MHz, nebo naopak sdružit. Takže ve výsledku lze podporovat např. 375 uživatelů po 1 Mbit/s, nebo 750 uživatelů s kapacitou 500 kbit/s (jistá konkurence vůči DSL nebo kabelovce, cenově zajímavá zejména v případě budování širokopásmového připojení na zelené louce). Reálněji to spíš budou např. 3 podnikoví uživatelé, každý s 75 Mbit/s, a zbývající dva kanály s celkovou kapacitou 150 Mbit/s lze rozdělit po 1 Mbit/s na 150 domácích uživatelů.

Protokol MAC (Media Access Control) pracující nad fyzickou vrstvou používá TDM (Time Division Multiplex) pro dopředný směr (od základny k uživateli, downstream) a TDMA (Time-Division Multiple Access) pro zpětný směr (od uživatele k základně, upstream), s centralizovaným plánovačem, který se stará o efektivní a přednostní přidělení šířky pásma. Proto je vhodný pro provoz citlivý na zpoždění, jako hlas nebo video v reálném čase. 802.16a podporuje čtyři úrovně kvality služby (QoS): pro hlasové přenosy (VoIP), přenos v reálném čase na základě výzvy (MPEG video), přenos na základě výzvy nikoli v reálné čase (FTP) a základní službu bez jakéhokoli upřednostňování dat (best effort).

802.16a podporuje pružné přidělování šířky pásma rádiových kanálů a opětovně využívání kanálů (spektra) pro zvýšení kapacity buňky při růstu sítě. Specifikuje také řízení vysílacího výkonu (TPC, Transmit Power Control) a měření kvality kanálu, jako doplňkové prostředky pro plánování buněk a efektivního využívání spektra. Dynamický výběr kmitočtu (DFS, Dynamic Frequecy Selection) je povinný pro práci v bezlicenčních pásmech. Provozovatelé mohou spektrum efektivně realokovat prostřednictvím dělení buněk do sektorů podle rostoucího počtu uživatelů.

WiMAX jako moderní bezdrátová technologie používá vyspělé zabezpečení. Bezpečnost je založena na autentizaci na bázi infrastruktury veřejného klíče (PKI, Public-Key Infrastructure), kdy komunikující strany používají pro vzájemnou autentizaci digitální certifikáty od třetí důvěryhodné strany.

Kromě topologie point-to-multipoint, typické pro bezdrátové systémy, může WiMAX volitelně využít také smyčkovou topologii (mesh). Topologie mesh se v bezdrátových systémech začíná zkoušet, protože do značné míry řeší otázky dosahu versus výkonnosti centrální základnové stanice. Koncoví uživatelé mohou využít replikace signálu bezdrátovými směrovači na cestě od základnové stanice, takže nemusí být nutně v dosahu nebo téměř v přímé viditelnosti. Signál totiž putuje nikoli přímo k cílovému přijímači, ale skok po skoku, hop by hop.

20. 6. 2004

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA