TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL Raadio- ja sidetehnika instituut Sidetehnilised standardid IEEE 802.16 Kodutöö Teostaja: Mikk Peetrimägi IATM-21 Juhendaja: Maret Ots Tallinn 2006
Sisukord Sissejuhatus 3 1. Traadita standardid 4 2. Standardi eelised (tootjatele, tarbijatele, teenusepakkujatele) 5 3. Ülevaade 802.16 standardist 6 4. Tehniline informatsioon 8 3.1 2-11 GHz 3.2 10-66 GHz 5. Koostoimivus 10 6. Kokkuvõte standardist ja alamstandarditest 11 Kasutatud materjalid 13 Tähistused 14
Sissejuhatus Paljud operaatorid ja teenusepakkujad ei pruugi veel olla kursis IEEE 802.16 standardiga ning WiMAX-iga, kuid see traadita tehnoloogia pöörab laiaribalises traadita ühenduse tööstuses uue lehekülje. 802.16 standardit (Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems) tuntakse ka IEEE WirelessMAN õhuliidese nime all. See tehnoloogia disainiti algusest peale pakkumaks viimase miili laiariba juurdepääsu MANis (Metropolitan Area Network), pakkudes jõudlust, mis on võrreldav DSLi või T1-ga. 802.16-l ja WiMAX-il baseeruvate süsteemide põhieelised on järgnevad: pakkuda kiirelt teenust alades, kuhu juhtmetega infrastruktuuri juurdepääs on raskendatud; vältida suuri paigaldamiskulusid; võimaldada üle saada traadiga infrastruktuurist tulenevatest füüsilistest piirangutest.
1. Traadita standardid Traadiga laiaribalise ühenduse pakkumine hetkel alapakutud piirkondadele võib olla väga kallis ning aeganõudev protsess. 802.16 traadita tehnoloogia pakub paindliku, odavama ning standarditele baseeruva vahendi täitmaks hetkel laiaribalises ühenduses olevaid aukusid, luues uusi laiariba teenuseid, mis ei ole võimalikud traatidega maailmas. IEEE on loonud juba mitmed teineteist täiendavad standardid. Nende hulka kuuluvad IEEE 802.15 Personal Area Network (PAN), IEEE 802.11 Local Area Network (LAN), IEEE 802.15 Metropolitan Area Network (MAN) ja veel oma arengustaadiumi alguses olev IEEE 802.20 Wide Area Network (WAN või MBWA) ning 802.22 WRAN. Lähemat selgitust nõuavad ehk standardid IEEE 802.20 ning IEEE 802.22. 802.20 on loodav mobiilne lairiba standard alla 3.5 GHz lubadega sagedusalades ning 802.22 on loodav traadita lairiba standard sagedusalas 54-862 MHz. IEEE 802.22 WRAN standard ehk Wireless Rural Area Network on eelkõige mõeldud töötamaks vabadel telekanalitel, hõreasustusega aladel ja sagedustel 54 862 MHz. Iga standard esindab optimeeritud tehnoloogiat kindlale turule ja kasutusmudelile ning nad täiendavad üksteist. Hea näide sellest oleks 802.11 standardi kasutusele võtmine.
Operaatoritele ja teenusepakkujatele on süsteemid, mis on ehitatud vastavalt 802.16 standardile, kergelt tööle rakendatavad ning võimaldavad paindlikku ning odavat laiariba ühendust pakkuda miljonitele kodukasutajatele ja firmadele. IEEE 802.16, nagu näha, on üks mitmest teineteist täiendavast standardist, mis on loodud IEEE poolt tagamaks koostoimimist ning vähendamaks traadita tehnoloogiaga kaasnevaid riske. 2. Standardi eelised Tootjatele Standarditele baseeruv, ühine platvorm tagab kiire uuenduse ja uute komponentide ning teenuste lisamise. Saab kontsentreeruda spetsialiseerumisele (näiteks ainult tugijaama (BS) või kliendiseadmed (CPE)) Tarbijatele Teenust saavad kliendid, kes asuvad väljaspool kujunenud lairiba ringi arengumaades, kus infrastruktuur pole nii kõrgelt arenenud; arenenud maades, kus osa kliente paikneb maapiirkondades või alades, kus on raske teenust pakkuda. Rohkem pakkujaid turul tagab valikuvõimaluse. Rohkem pakkujaid tagab parema hinna-kvaliteedi suhte. Teenusepakkujatele Ühine platvorm surub hinnad alla, soodustab tervislikku konkurentsi ja innovatsiooni. Pole vaja ennast enam siduda ühe tootjafirmaga, kuna kui seadmed on standardsed, siis võib valida mitme tootja vahel. Traadita süsteemid alandavad operaatorite investeerimisriske.
Komponenditootjatele Standardiseerimine loob ärivõimalused kiibitootjatele 3. Ülevaade 802.16 standardist IEEE 802.16 õhuinterfeisi standard on tõeliselt tänapäevane lairiba traadita süsteemide spetsifikatsioon, mis kasutab point-to-multipoint (PMP) arhitektuuri. Esialgne versioon loodi 10 66 GHz sagedusala jaoks, kuid selle sagedusala funktsionaalsus jäi puudulikuks. Edaspidi võeti sihiks konkreetsed turud ning 2004 aasta juulis avaldati 802.16 standardi parandus, mis oli suunatud sagedustele alla 11 GHz. Selles ülevaates oli C, A ja D töörühma parandused. Töörühmad on sihiks võtnud süsteemi profiilide arendamise, protokollide rakendamise kontrolli, testide struktuurid ja põhjused. Lisaks sellele abstraktsete testide spetsifikatsioonid 10-66 GHz ja alla 11 GHz sagedusalas, kõik vastavuses ISO/IEC 9464 seeria (võrdväärne ITU-T x.290 seeriaga) kvaliteeditestimisstandarditega. IEEE 802.16 töörühm on loonud point-to-multipoint lairiba traadita juurdepääsu standardi süsteemidele, mis töötavad sagedusvahemikes 10 66 GHz ja alla 11 GHz. Ta kirjeldab MAC kihi protokolli, mis toetab erinevaid füüsilisi kihte erinevates sagedusalades. Mitu füüsilise kihi (PHY) nõudmist võeti arvesse (kõrgematel sagedustel peab kindlasti olema otsenähtavus). Selline nõudmine kergendab mitmekiirelise levi poolt tekitatavaid probleeme, lubades laiemaid kanaleid, üldiselt suuremaid kui 10 MHz. See võimaldab IEEE 802.16 standardil pakkuda kõrgemahulisi linke nii üla- kui alasuunas. Alla 11 GHz sagedusalas ei ole enam otsenähtavust nõutud vaid see on lihtsalt soovitatav. Algse IEEE 802.16 MAC-i muudeti piisavalt, et ta sobiks erinevate PHY kihtide ja teenustega, mis omakorda on vastavuses erinevate keskkondade poolt seatud nõuetega. Standard on loodud toetama ajalist dupleksühendust (TDD) või sageduslikku dupleksit (FDD), lubades nii pool- kui ka täisdupleksühendust FDD puhul.
MAC loodi, võttes spetsiaalselt arvesse PMP (point-to-multipoint) traadita juurdepääsu keskkonna. Ta toetab kõrgema kihi või transpordi protokolle nagu ATM, Ethernet või Interneti Protokoll (IP), ja on loodud sobima tuleviku protokollidega, mis pole veel välja arendatud. MAC loodi kõrgete bitikiiruste saavutamiseks (kuni 268 mbps mõlemas suunas), mida võib pidada ka tõeliseks lairiba ühenduseks, tagades samal ajal ATM-ga (asünkroonne transfeerimismood) sobivat teenusekvaliteeti (QoS quality of service); rtps, nrtps, ja parim pingutus. Sama kaadristruktuur võimaldab terminalidele dünaamiliselt teha lasta üleslingi või allalingi profiile vastavalt lingi võimalustele. See võimaldab reaalajas mängida mahu ja robustsusega ning võrreldes mitte-adaptiivsete süsteemidega on keskmise mahu suurenemine pea kaks korda. 802.16 standardi MAC kasutab muudetava pikkusega protokolli andmeüksust (PDU Protocol Data Unit) koos teiste võimalustega, mis suurendavad standardi efektiivsust. Mitme MAC-i PDU-d ühendatakse üheks purskeks, et suurendada PHY arvelt efektiivsust. Lisaks, mitme sama teenuse andmeüksuse (SDU Service Data Unit) ühendamine üheks MAC PDUks, suurendades jällegi MAC- i arvelt efektiivsust. Kaaderdamine võimaldab väga suuri SDUsi saata üle kaadri piiride, et garanteerida teenuse kvaliteeti. MAC kasutab ise-parandavad ribalaiuse nõue/lubatud skeemi, mis elimineerib kinnitussõnumite hilinemise, samal ajal võimaldades paremat teenusekvaliteedi käsitlemist, kui tavalised süsteemid. Terminalide puhul on võimalik valida mitmete ribalaiuse nõuete vahel, sõltudes teenuse QoS-ist ja ühenduse parameetritest. Neid on võimalik ka ühendada gruppideks.
4. Tehniline informatsioon 4.1 2-11 GHz 2003-nda aasta alguses laiendati IEEE 802.16 standardit 802.16a lisaga, mis käsitles eelkõige traadita lairiba juurdepääsu sagedustel 2 11 GHz. WiMAX-i 2 11 GHz-i tehnilisel töögrupil (TWG) on mandaat, et luua testimise ja kvaliteedikontrolli dokumente vastavalt IEEE ja ETSI standarditele toetades IEEE 802.16 ja ETSI HiperMAN standardeid. Konkreetseid koostoimivus ja standardivastavus teste teostatakse sõltumatute laborite poolt. 2 11 GHz sagedusala süsteemi profiilid. WiMAX-i 2-11 GHz tehniline töörühm defineerib IEEE 802.16a MAC-i ja PHY-i kihi süsteemi profiilid IEEE 802.16a ja HiperMAN-i standardite jaoks. MAC-i kihtide profiilides on ka kirjeldatud IP-põhised versioonid nii WirelessMAN-ist (litsentseeritud) kui ka WirelessHUMAN-ist (litsentseerimata). IEEE 802.16 parandustes kirjeldatakse mitmeid füüsilise kihi profiile, keskendudes eelkõige 256 punktise FFT OFDM füüsilisele moodile. Mitmed kanalirastreid, mis katavad tüüpilist spektrijaotust litsentseeritud ja litsentseerimata sagedusalades, toetavad 256 punkti FFT OFDM füüsilist moodi. Lisaks süsteemi profiilidele luuakse teisi testimise ja kvaliteedikontrollidokumente, mis lihtsustavad testimist ja koostoimivuse kontrolli (PICS Protocol Implementation Conformance Statement; TSS ja TP Test Suite Structure & Test Plan; Abstract Test Suite ATS).
10 66 GHz sagedusala süsteemi profiilid. WiMAX on defineerinud 2 MAC-i süsteemi profiili, mida lisati IEEE 802.16c-sse: ATM süsteemi MAC profiil IP-põhise süsteemi MAC profiil Defineeriti ka kaks peamist PHY (füüsilise kihi) süsteemi: 25 MHz laiune kanal (enamasti Ameerika Ühendriikides), mida kasutatakse 10 66 GHz sagedusalas. 28 MHz laiune kanal (enamasti Euroopa riikides), mida kasutatakse 10 66 GHz sagedusalas. PHY kihi profiilid on samad, kui jätta välja kanalilaius ja sümbolikiirus, mis on proportsionaalses sõltuvuses kanalilaiusega. Igal peamisel PHY kihi profiilil on kaks alaprofiili FDD (sagedusdupleks) ja TDD (aegdupleks).
5. Koostoimivus IEEE 802.16 õhuinterfeisi spetsifikatsioon on väga mitmekülgne ja komplekse. Seal lubatakse mitu füüsilist kihti erinevate sagedusvahemike jaoks ja regioonidest sõltuvaid sagedusjaotusi. Lubatakse IP-põhist või ATM-põhist süsteemi olenevalt tarbija vajadustest. See spetsifikatsioon on mõeldud nii kiiremahulistele ärilahendustele kui ka kodustele ühendustele. Kuna võimalusi on väga palju siis on loodud süsteemi profiilid, mille mõte on spetsifitseerida, mis võimalused on kohustuslikud ja mis valikulised MAC-i ja PHY-i kihi jaoks, sõltuvalt rakendustest. See võimaldab tootjatel, kelle sihiks on sama turg, tooteid teiste tootjatega ühildada, ilma et peaks iga võimalust käiku laskma. Veel üks probleem, millega IEEE 802.16 arendajad silmitsi seisavad on standardi loomise protsessi osa, mis on seotud nõudmistega. Seega IEEE 802.16 töögrupi tulemus on standard, teisisõnu nõudmiste spetsifikatsioon. Töögrupp jätkab oma tegevust, et laiendada standardit vastavalt turu nõuetele, vastavalt paranduste ja täienduste näol. Testide spetsifikatsioonid on vajalikud, et: Veenduda, et süsteemide ja vahendite loojad on piisavalt testinud oma tooteid vastavalt standardi nõuetele. Garanteerida, et erinevate tootjate seadmeid on testitud samamoodi, vastavalt standardile. Seda võib pidada ka üheks 802.16 koostoimivuse nõudeks. Võimaldada iseseisvat kvaliteedi kontrolli, mis lisab usaldust eelnevale kahele. See testide spetsifikatsioon on ETSI poolt ametlikult ära kirjeldatud ja on üldjuhul täielikum, kui IEEE enda oma. ETSI järgib ISO/IEC 9646 seeriat (ITU-T X.29x seeria). Testide struktuuri ja põhjuste (TSS ja TP) dokument ja abstraktne testide (ATC) spetsifikatsioon on mõlemad kirjeldatud ISO/IEC 9646-2-s (ITU-T X.291). Profiilide omamine on vaid üks koostoimivusega seotud probleemidest. Peab olema standardne meetod koostoimivate süsteemide ja seadmete tuvastamiseks. See annab süsteemiloojatele hea ülevaate sellest, mida tarvis parandada ja mis vahendeid valida. Pöördudes IEEE puuduste juurde on loodud kvaliteedikontrolli dokumendid, mis on vastavuses ISO/IEC nõuetega ning mis anti IEEE 802.16 töögrupile. Nende hulgas ka
Protokollirakenduse Vastavuse Nõue (Protocol Implementation Conformance Statement (PICS), TSS ja TP, ning ATS. 6. Kokkuvõte standardist ja alamstandarditest Põhistandard Raadiointerfeisi standard linnaala traadita võrkudele (WirelessMAN) Kirjeldab MAC kihi protokolli, mis toetab erinevaid füüsilisi kihte erinevates sagedusalades Alamstandardid 802.16-2004 - paikse ühenduse tagamiseks 802.16e - mobiilse ühenduse tagamiseks Nõuded Peab toetama QoS-i nõudmisi järgnevatel teenustel» POTS» E1» VoIP (Voice over IP)» VToA (Voice and Telephony over ATM) Peab toetama IPv4 ja IPv6 Peab toetama reaalaja teenuseid Toetatavad teenused 1. Digitaalne audio/video multicast 2. Digitaalne telefoniühendus 3. ATM cell relay 4. Kohtvõrkude ühendamine 5. Back-haul teenus 6. PPP tunnel 7. Frame relay service
Täpsemalt: IEEE 802.16 traadita linna-ala võrk e. Metropolitan Area Network (MAN) o 10-66 GHz sagedusvahemik o Line-of-Sight ühendus o Kuni 134 Mbps 28 MHz kanali puhul o QPSK, 16 QAM, 64 QAM modulatsioon o paikne teenus o 20, 25, 28 MHz laiused kanalid o Kärje raadius 2 5 km IEEE 802.16-2004 Metropolitan Area Network (2-11GHz) o Alla 11 GHz sagedustel o Non Line-of-Sight ühendus o Kuni 75 Mbps 20 MHz kanali puhul o OFDM 256, 64 QAM, 16 QAM, QPSK, BPSK modulatsioon o OFDMA o paikne või nomaadiline teenus o 1.25 kuni 20 MHz laiune kanal o Kärje raadius 5-8 km (max. 40km point to point) IEEE 802.16e mobiilne Metropolitan Area Network o Alla 6GHz sagedustel o Non Line-of-Sight ühendus o Kuni 15 Mbps 5 MHz kanali puhul o OFDM 256, 64 QAM, 16 QAM, QPSK, BPSK o OFDMA o Paikne, nomaadiline või mobiilne o 1.25 kuni 20 MHz laiune kanal o Kärje raadius 2-5 km
Kasutatud materjalid: 1) www.alvarion.com http://www.alvarion.com/runtime/materials/pdffiles/wimax_wp.pdf 2) www.intel.com www.intel.com/ebusiness/pdf/wireless/intel/80216_wimax.pdf 3) Ainetöö WiMax, Mikk Peetrimägi 4) www.wimaxforum.org http://www.wimaxforum.org/technology 5) www.wimaxforum.org http://www.wimaxforum.org/news/downloads/mobile_wimax_part1_overview_and_pe rformance.pdf 6) www.ieee.org http://www.ieee802.org/16/
Tähistused IP - Internet Protocol MAN - Metropolitan Area Network IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers DSL - Digital Subscriber Line MAC - Medium Access Control LAN - Local Area Network PAN - Private Area Network WAN - Wireless Area Network MBWA - Mobile Broadband Wireless Access WRAN - Wireless Regional Area Network LOS - Line of Sight NLOS - Non Line of Sight QPSK - Quadrature Phase Shift Keying BPSK - Binary Phase-shift Keying QAM - Quadrature Amplitude Modulation OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access ATM - Asynchronous Transfer Mode PPP - Point to Point Protocol PMP - Point to Multipoint WiFi - Wireless Fidelity SDU - Service Data Unit PDU - Protocol Data Unit TSS - Test Suite Structure TP - Test Plan ATC - Abstract Test PICS - Protocol Implementation Conformance Statement ATS - Abstract Test Suite POTS - Plain Old Telephony System E1 - Euroopa digitaalse andmeside vorming VoIP - Voice over Internet Protocol VToA - Voice and Telephony over ATM IPv4/IPv6 - Internet Protocol version 4 / version 6 WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access T1 GSM - Global System for Mobile Communications EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution ETSI - European Telecommunications Standards Institute BS - Base Station CPE - Customer Premises Equipment TDD - Time-Divsion Duplexing FDD - Frequency Division Duplexing