INTRODUCERE IN DOMENIUL WIMAX

Reţelele wireless sunt reţele de aparate interconectate pe bază de unde radio, infraroşii şi alte metode fără fir (în engleză: tip wireless). În ultimii ani ele au cunoscut o dezvoltare semnificativă pe plan mondial, reprezentând o soluţie alternativă la legăturile terestre. Conexiunile fără fir devin tot mai populare, deoarece ele rezolvă probleme ce apar în cazul când avem multe cabluri, conectate la multe dispozitive. Tehnologiile moderne pot interconecta echipamentele (sau/ şi LAN-urile) la distanţe mici, dar şi la distanţe mari. O reţea fără fir ,Wireless Local Area Network ( WLAN ) , este un sistem de comunicaţii implementat ca alternativă pentru un LAN cablat, într-o clădire sau campus, combinând conectivitatea la viteză mare cu mobilitatea utilizatorilor , într-o configuraţie mult simplificată. Avantaje evidente , cum ar fi: mobilitate , flexibilitate , simplitate în instalare , costuri de întreţinere reduse şi scalabilitate au impus WLAN ca o soluţie tot mai mult utilizată. În prezent există mai multe moduri de a capta datele din eter : Wi-Fi , Bluetooth, GPRS , 3G ş.a . Acestora li se adaugă o nouă tehnologie care poate capta datele de şapte ori mai repede şi de o mie de ori mai departe decât populara tehnologie Wireless Fidelity (Wi-Fi) , numită WiMax . În timp ce Wi-Fi are o rază de acţiune de aproximativ 30 m , WiMax utilizează o tehnologie de microunde radio care măreşte distanţa la aproximativ 50 km . Aceasta înseamnă că ar putea fi folosită ca o alternativă la firele de cupru şi cablul coaxial pentru conectarea la Internet. WiMAX , definit ca “Interoperabilitate Globală pentru Accesul cu ajutorul Microundelor” , este o tehnologie care oferă transmisiuni de date wireless folosind o serie de moduri de transmisie de la legături punct la multipunct la acces la internet portabil şi mobil .Tehnologia asigură accesul la internet cu o viteză de până la 72 Mbit/s şi se bazează pe standardul IEEE 802.16 (numit si acces wireless în bandă largă) . Numele de WiMax a fost creat de WiMax forum , care a fost fondat în iunie 2001 pentru a promova interoperabilitatea standardului . Forumul descrie WiMax-ul , ca o tehnologie bazată pe standarde, capabilă să ofere acces wireless în bandă largă până la client , ca o alternativă la cablu sau DSL. Standardul IEEE 802.16 este cunoscut şi ca interfaţă aeriană IEEE WirelessMAN. Avantajele sistemelor bazate pe 802.16 sunt multiple: abilitatea de a porni rapid acest serviciu chiar şi în zone unde ar fi greu de ajuns cu interfeţe pe bază de cablu , evitarea costurilor mari de instalare şi posibilitatea de a depăşi limitările fizice ale infrastructurilor tradiţionale cu conexiune prin fir . Instalarea unei conexiuni prin fir cu bandă largă pe bază de cablu sau DSL poate fi un proces consumator de timp, avînd ca rezultat faptul că un mare număr de zone din toată lumea nu are acces la conexiuni de bandă largă. Flexibilitatea WiMAX privind utilizarea spectrului de frecvenţe , creează condiţii pentru preţuri atractive de implementare , o mare diversitate de servicii : telefonie (VoIP – Voice over Internet Protocol) , supraveghere video , consultări , monitorizare de la distanţă , e-learning , reţele ad-hoc de întreprindere etc. şi o extindere progresivă în toate zonele geografice. Aceeaşi reţea poate suporta simultan servicii publice şi private.

1

WiMAX are un potenţial imens în lumea wireless, extinzându-se în utilizare de la fix , la portabil şi mobil . Dar cine alege o soluţie wireless doreşte să beneficieze de un atribut esenţial: mobilitatea . Aici se va discuta despre tranziţiile WiMAX-ului fix la portabil şi apoi la mobil şi cerinţele impuse WiMAX-ului de a satisface necesităţile de bandă largă pentru diverse tipuri de acces , aşa cum au fost definite de WiMAX Forum.

Grupul de lucru al IEEE 802.16 a adoptat mai multe extensii ale standardului de bază si anume:

-IEEE 802.16a , dezvoltat pentru a fi folosit , cu licenţă sau fară , în banda de frecvenţă cuprinsă între 2GHz şi 11 GHz . Din cauza benzii relativ joase de frecvenţă folosite , nu este necesară realizarea vizibilităţii directe între punctele de comunicaţie . Astfel , se permit implementări mai flexibile , menţinând distanţa şi viteza de transmisie . Se pot realiza reţele tip plasă , în care se pot folosi echipamente emiţător –receptor ca puncte intermediare de transmisie. -IEEE 802.16b , este o extensie a spectrului în care poate fi utilizată tehnologia , în benzile de frecvenţă de 5 GHz şi 6GHz şi oferă o bună calitate a serviciului . Prin QoS se poate asigura prioritatea transmisiilor de voce si video în timp real şi se oferă niveluri deferenţiate de servicii pentru diverse tipuri de trafic. -IEEE 802.16c , reprezintă sisteme proiectate să funcţioneze în benzi cuprinse între 10 GHz şi 66 GHz -IEEE 802.16d (ulterior numit IEEE 802.16-2004) aduce unele îmbunătăţiri minore şi elimină unele neajunsuri ale 802.16a -IEEE 802.16e standardizează posibilitatile de formare a reţelelor între staţii de bază fixe si echipamente mobile şi trebuie să permită un transfer rapid al legăturii de comunicaţie în cazul deplasării la viteza vehiculelor O comparaţie între profilele 802.16-2004 şi 802.16e

Cele două versiuni ale lui WiMAX-ului reflectă cererea de produse ce sunt optimizate fie pentru acces fix , fie mobil . Cerinţele celor două tipuri de acces variază şi se cer soluţii diferite pentru a le satisface . Câteva caracteristici opţionale suportate de ambele profile vor fi probabil implementate în produsele 802.16e care au mai mult de câstigat din funcţionalitatea suplimentară pe care o aduc . Dintre acestea enumerăm : suport imbunatăţit pentru MIMO (Multiple input multiple output) si AAS (Adaptive Antenna Systems), care va aduce o creştere substanţială a debitului efectiv şi abilităţii NLOS . O diferenţă majoră între profilele 802.16-2004 şi 802.16e constă în tehnicile de multiplexare folosite : OFDM pentru primul şi OFDMA pentru cel de-al doilea. Profilele WiMAX bazate pe 802.16-2004 sunt mai potrivite pentru aplicaţiile fixe care folosesc

2

antene directive , deoarece OFDM este mai puţin complex decat SOFDMA . Ca urmare , reţelele 802.16-2004 sunt primele instalate şi mai ieftine , ca de altfel şi produsele certificate WiMAX . OFDMA conferă profilelor 802.16e o mai mare flexibilitate când gestionează diferite dispozitive ale utilizatorului cu variate tipuri de antenă şi factori de formă . Acest standard aduce o reducere a interferenţei pentru dispozitivele utilizatorului cu antene omnidirecţionale şi capabilităţi NLOS îmbunatăţite , cerinţe esenţiale pentru abonaţii mobili . Posibilitatea de a meţine conexiunea când se trece de la o celulă la alta (handoff) este o caracteristică esenţială a amendamentului 802.16e pentru acces mobil . 802.16e va oferi diferite tipuri de handoff , operatorul având libertatea să aleagă între ele . Capabilităţile de roaming între furnizorii de servicii sunt implemente atât în 802.16-2004 cât şi în 802.16e WiMAX , dar ele sunt în special utile pentru accesul portabil si mobil.

Mai departe această lucrare va prezenta pe larg date despre cele două aplicaţii principale ale WiMax-ului şi anume :WiMax-ul fix şi mobil.

3

Capitolul 1 Introducere în WiMax-ul fix

Munca progrsivă asupra WiMax-ului a fost realizată în timp şi a fost dezvoltată astfel încât să ofere distanţă maxină , scopul final fiind de a oferi 90% fiabilitate . Pentru atingerea acestor obiective , organizaţia IEEE s-a bazat pe tehnologii deja existente pentru PHY(nivelul fizic) şi anume : multiplexarea cu diziziune ortogonală de frecvenţă (OFDM) , duplexare prin diviziunea timpului (TDD) , duplexare prin diviziunea frecvenţei (FDD) , modulaţie cu salt de fază în cuadratură (QPSK) şi modulaţie de amplitudine pe purtatoare ortogonală (QAM).

APLICAŢIE

PREZENTARE

TRANSPORT

REŢEA

CONTROLUL LEGĂTURII LOGICE (LLC)

CONTROLUL ACCESULUI LA MEDIU (MAC)

SPECTRU IMPRĂŞTIAT CU SALT DE FRECVENŢĂ(FHSS)

NIVEL FIZIC(PHY)

SPECTRU IMPRĂŞTIAT CU SALT DE FRECVENŢĂ(FHSS)

NIVEL FIZIC(PHY)

SPECTRU IMPRĂŞTIAT CU SALT DE FRECVENŢĂ(FHSS)

NIVEL FIZIC(PHY)

Figura 1. IEEE 802.11 MAC şi nivelele fizice

SESIUNE

4

1.1 NIVELUL FIZIC LA WIMAX

Figura 2.Nivelul MAC si nivelul Fizic pentru IEEE 802.16

WiMax cunoscut şi ca 802.16 include şi 802-tehnologia Ethernet –care utilizeazã cabluri de categoria 5 , folosite de majoritatea reţelelor din lume . Nivelul fizic este inclus în categoria 5 de cabluri când este vorba de Ethernet . Prin urmare se spune că predecesorii WiMax-ului sunt reprezentaţi de Ethernet.

1.2 FUNCŢIILE NIVELULUI FIZIC

Funcţia de bază a nivelului fizic este chiar transportul datelor . O varietate de tehnologii ca : OFDM , TDD , FDD , QAM şi sistemele adaptive de antene (AAS) sunt folosite pentru a obţine performanţă maximă de la nivelul fizic.

1.2.1 OFDM la WiMax

Unul din principalele repere la WiMax este tehnica OFDM . Această tehnică se

bazează pe ideea multiplexarii cu divizare în frecvenţă (FDM) . In sistemele FDM ,

, semnalele de la mai multe emiţătoare sunt transmise simultan (pe acelaşi slot de

timp) însă pe mai multe frecvenţe . Fiecare domeniu de frecvenţă (sub-purtătoare)

SUBNIVELUL DE CONVERGENŢĂ MAC

→ATM,Ethernet,IP

NIVELUL MAC →Impachetare,Fragmentare,ARQ,QoS

SUBNIVELUL DE SECURITATE MAC

→Autentificare,Securitate(criptare)

NIVELUL FIZIC →OFDM,Controlul puterii, DFS,Transmisie,recepţie

5

este modulat separat iar între sub-purtătoare se lasă un spaţiu numit banda de gardă

pentru a evita suprapunerea semnalelor. Când se utilizează multiplexarea prin divizarea în

frecvenţă pentru a permite mai multor utilizatori să împartă acelaşi canal fizic de

comunicaţie, atunci se numeşte Frequency Division Multiple Access (FDMA) – acces

multiplu cu divizare în frecvenţă.

Figura 3 tehnica FDM

Ca şi FDM-ul , OFDM-ul foloseşte sub-purtătoare multiple foarte apropiate însă una

de alta fără să cauzeze interferenţă , eliminând banda de gardă dintre sub-purtătoarele

alăturate . Acest lucru este posibil pentru că frecvenţele (sub-purtătoarele) sunt

ortogonale , adică vârful unei sub -purtătoare coincide cu nulul sub-purtătoarei alăturate.

Figura 4 Tehnica OFDM

Intr-un sistem OFDM , un şir de date cu o rată ridicată este divizat în mai multe

şiruri paralele de date cu o rată scăzută. Fiecare şir de date mai mic este ataşat unei sub-

6

Frecventa

Frecventa

Canal 1

Canal 2

Canal 3

Canal 4

Canal 5

Canal 6

(a)

(b)

purtătoare individuale şi apoi modulat folosind tehnici precum QPSK , 16-QAM , 64-

QAM .

OFDM-ul necesită mai puţină lăţime de bandă decât FDM-ul pentru a transporta

aceeaşi cantitate de informaţie , lucru care se traduce ca eficienţă spectrală superioară. Pe

lângă eficienţa spectrală ridicată , un sistem OFDM este mai potrivit într-un mediu fără

vizibilitate directă (NLOS).

Tehnologia OFDM cuplată cu o metodă de modulaţie avansată , conduce la obţinerea unui semnal care prezintă o rezistenţă ridicată la interferenţe şi este utilizată pe o scară largă în aplicaţiile de tip wireless.

Distanţa limitată Staţia de bază →→→→→→→→→→→→→→→→Staţia de abonat Probleme de interferenţă

NON-OFDM

Distanţă maximăStaţia de bază →→→→→→→→→→→→→→→→→Statia de abonat Rezistenţă la interferenţă OFDM

Figura 5. Semnificaţia OFDM-ului : distanţă maximă cu interferenţă minimă

Transformata Fourier rapidă este folosită în OFDM , lucru care permite să se suprapună 52 de canale fără a-şi pierde caracteristicile individuale . Acest lucru permite canalelor să fie prelucrate la recepţie într-un mod mai eficient.

7

Figura 6. Tehnica FDM-OFDM

1.2.2 TDD si FDD

WiMax-ul este unicul standard care permite ambele tehnici de duplexare, şi anume : TDD(duplex cu diviziune în timp) şi FDD(duplex cu diviziune în frecvenţă). Duplexarea se referă la felul în care datele de UL(uplink) şi DL(downlink) sunt aranjate într-o transmisiune wireless pe două căi . Legătura de DL transportă informaţii de la o Staţie de bază (BS) la Staţiile de abonat (SSs) . Legătura de UL transportă informaţii de la SS la BS.

Figura 7. Legaturile DL şi UL

Tehnica de duplexare cu diviziune în frecvenţă , necesită două canale distincte pentru a transmite atât sub-cadre de DL cât şi sub-cadre de UL în acelaşi timp .WiMax-ul sprijină atât FDD-ul (full-duplex) cât şi H-FDD (semi-duplex) . Diferenţa este că la full-duplex FDD un utilizator poate transmite şi recepţiona simultan , în timp ce la semi-duplex utilizatorul poate doar transmite sau doar recepţiona la un moment dat.

8

Figura 8. FDD-modul full-duplex FDD-ul nu este eficient în tratarea serviciilor asimetrice de date deoarece traficul de date poate ocupa doar o mică porţiune din banda unui canal într-un anumit moment.TDD-ul este alt tip de duplexare care necesită doar un canal pentru transmiterea sub-cadrelor de DL si UL în momente de timp diferite . De aceea metoda TDD are eficienţă spectrală mai ridicată decât FDD-ul.TDD-ul ofera flexibilitate , putându-se ocupa atât de traficul simetric cât şi de cel asimetric.

Figura 9. Duplex cu diviziune în timp

Pentru trafic asimetric (capacităţi diferite de downlink şi uplink) este preferat modul de transmisie TDD (Time Division Duplex). Pe termen lung , FDD (Frequency Division Duplex) , care conduce la sisteme simetrice , poate deveni mai atractiv.

1.2.3 Sisteme adaptive de antenă(AAS)

AAS descrie tehnica de formare a fasciculului şi este folosit la staţia de bază pentru o creştere în câştig la destinaţia SS şi în acelaşi timp pentru a elimina interferenţa spre şi dinspre alte staţii de abonat.

9

Tehnica AAS este utilizată pentru accesul multiplu cu diviziune spaţială (SDMA) astfel încât mai multe staţii de abonat sunt activate şi pot recepţiona în acelaşi timp fiind separate în spaţiu . Staţia de bază este capabilă să direcţioneze semnalul dorit către diferite staţii de abonat folosind fasciculul şi poate lua în considerare diferenţele între semnalele de la staţii de abonat diferite chiar dacă acestea operează pe acelaşi subcanal.

1.3 Variante ale WiMax-ului fix

Sunt cinci variante în cadrul WiMax-ului fix ce sunt specificate la nivelul fizic . Variantele sunt divizate în două categorii:

→cu o singura purtatoare →cu OFDM

1.3.1 Variantele OFDM 2-11 GHz

Operarea în benzi cuprinse între 2 şi 11 GHz a fost necesară pentru a oferi posibilitatea de funcţionare NLOS (fără vizibilitate directă).Din cauza existenţei diferitelor obstacole în calea semnalului , operarea cu rază vizuală (LOS) este ineficientă darorită propagării pe mai multe căi . Datorită echipamentului şi a costurilor de instalare , antenele de exterior sunt foarte scumpe . O descriere a specificaţiilor pentru patru interfeţe aeriene (2-11 GHz) sunt prezentate mai jos.

DENUMIRE FUNCŢIE LOS/NLOS FRECVENŢĂ DUPLEXAREReţele metropolitane wireless-cu o purtătoare

Punct-punct LOS 10-66 GHz TDD,FDD

Reţele metropolitane wireless-cu o purtătoare a

Punct-punct NLOS 2-11 GHz TDD,FDD

Reţele metropolitane wireless-OFDM

Punct-multipunct

NLOS 2-11 GHz TDD,FDD

Reţele metropolitane wireless-OFDMA

Punct-multipunct

NLOS 2-11 GHz TDD,FDD

Wireless HUMAN

Punct-multipunct

NLOS 2-11 GHz TDD,FDD

Tabel 1. Specificaţii interfeţe aeriene

10

1.3.2 Reţele metropolitane wireless OFDM

In reţelele metropolitane wireless OFDM , accesul este realizat prin acces multiplu cu diviziune în timp (TDMA) şi în acest caz , interfaţa aeriana foloseşte multiplexarea cu diviziune ortogonală în frecvenţă cu 256 de purtătoare.

Nivelul fizic în reţelele metropolitane (MAN) wireless este în mare , bazat pe tehnica OFDM care este şi baza pentru TDD şi FDD . Nivelele de modulaţie folosite atât pentru comunicaţia de la utilizator la staţia de bază (UL – UpLink) cât şi pentru comunicaţia inversă (DL – DownLink) sunt BPSK -modulaţie cu deplasare binară de fază , QPSK-modulaţie cu deplasare de fază în cuadratură, 16-QAM -modulaţie de amplitudine în cuadratură cu 16 nivele şi 64-QAM . In final , nivelul fizic suportă fluxul transmis pe DL folosind STC (codare spaţio-temporală) şi AAS cu SDMA (acces multiplu cu diviziune spaţială) . Structura cadrului pentru un sistem TDD este dată in figura 10 .Cadrul este divizat în două părţi şi anume sub-cadrul de DL şi de UL . Sub-cadrul de DL este format dintr-un antet de control al cadrului (FCH) ,un preambul si un număr de burst-uri de date . Antetul specifică profilul burst-ului (tip de modulaţie , schema FEC-schema de contro a erorii) şi lungimea unuia sau a mai multor burst-uri care îl urmează.

Figura 10. Structura cadrului pentru un sistem tip TDD

11

Elementele cadrului care sunt : DL-MAP , UL-MAP , DCD(desciptorul canalului pentru DL) , UCD (descriptorul canalului pentru UL) şi alte mesaje de difuzare sunt toate transmise la începutul primului burst . Restul sub-cadrului de DL constă în burs-uri de date către staţiile de abonat individuale.

Algoritmul de cod este specificat de fiecare burst de date şi constă într-un număr întreg de simboluri OFDM şi este asignat un profil de burst , o rată de cod şi un nivel de modulaţie ce sunt folosite pentru acele date transmise în burst . Conţinutul sub-cadrelor de DL şi UL sunt caracterizate de către DL-MAP şi UL-MAP . Ele descriu staţiile de abonat care primesc şi/sau trimit în fiecare burst , sub-canalele pe care fiecare staţie de abonat transmite (pe UL) şi codarea cu modulaţia care sunt folosite în fiecare burst şi în fiecare sub-canal . O porţiune a cadrului de DL numită zonă , poate fi desemnată ca zonă de transmisie diversificată dacă este folosită transmisia diversificată . Folosind codarea spaţio-temporală toate burst-urile de date din zona de transmisie diversificată vor fi trimise . Dacă se foloseşte un sistem de antenă adaptiv o porţiune din sub-cadrul de DL poate fi desemnată zonă de sistem adaptiv de antenă . In această parte a sub-cadrului , sistemul adaptiv de antenă este folosit pentru a comunica cu staţiile de abonat . Şi în cazul UL sistemul adaptiv de antenă este suportat .

1.4 Reţele metropolitane wireless –OFDMA

Reţelele metropolitane wireless OFDMA folosesc accesul multiplu cu diviziune ortogonală de frecvenţă care reprezintă o versiune îmbunătăţită a tehnicii de tip OFDM . Ca şi la OFDM , la OFDMA sub-purtătoarele sunt foarte apropiate dar acestea sunt împărţite în grupuri de sub-purtătoare . Fiecare astfel de grup poartă numele de sub-canal . Sub-purtătoarele unui sub-canal nu trebuie neapărat să fie alăturate . OFDMA distribuie utilizatorilor un număr de sub-purtătoare ,astfel încât aceştia să poată transmite şi recepţiona în cadrul aceluiaşi canal , pe câte un sub-canal . Acest lucru va permite rate mici de transfer a datelor . Un aspect foarte important care trebuie menţionat este că aceste date sunt transmise simultan.

Figura 11. OFDMA-împărţirea în sub-canale

Sub-purtatoarele cu aceeaşi culoare reprezintă acelaşi sub-canal

12

Figura 12. OFDMA-atribuirea unui set de sub-purtătoare fiecărui utilizator O serie de tehnici este folosită de MIMO (multiple input-multiple output) pentru utilizarea mai multor antene la staţia de bază si staţia de abonat astfel încât capacitatea canalelor să crească. Nivelul MAC este responsabil cu divizarea cadrelor în zone şi comunicarea acestei structuri staţiilor de abonat în DL-MAP şi UL-MAP.

1.4.1 Reţele metropolitane wireless de mare viteză (wireless HUMAN)

Este similar cu schemele OFDM şi se concentrează asupra benzilor de frecvenţă nelicenţiate.

1.4.2 Variante cu o singură purtătoare (SC)

Sunt două variante cu o singură purtătoare pentru WiMax-ul fix . Aceste variante sunt fondate pe FDD şi TDD.

1.4.3 Reţele metropolitane cu o singură purtătoare 10-66 GHz

13

Staţia de bază transmite practic un semnal TDM în această arhitectură punct la multipunct , având la dispoziţie sloturi de timp seriale , individuale pentru fiecare staţie de abonat . In această situaţie este permisă operarea simultană cu TDD şi FDD.

1.4.4 Uplinks(ULs) –legătura ascendentă( SS-BS)

UL-ul la nivel fizic se bazează pe o combinaţie între :

→TDMA

→DAMA (acces multiplu cu alocare la cerere)

TDMA este o metodă de acces la mediul de transmisiune.Această metodă permite mai multor utilizatori să folosească acelaşi canal de frecvenţă divizând semnalul pe sloturi de timp .Utilizatorii transmit într-o succesiune rapidă , unul după altul , fiecare folosindu-şi propriul slot de timp . Acest lucru permite mai multor staţii să împartă acelaşi mediu de transmisiune (canal de frecvenţă) în timp ce folosesc doar o parte din capacitatea canalului.

TDMA se bazează pe TDM însă în loc să fie un transmiţător conectat la un receptor , există mai mulţi transmiţători .

Pentru UL , MAP-ul descrie alocarea benzii pentru comunicaţie , pentru un utilizator .

1.4.5 Downlinks(DLs)-legătura descendentă (BS-SS)

Pentru comunicaţia între BS şi SS , deci în cazul legaturii de DL , se utilizează tehnica TDM.

Un sub-cadru pentru DL conţine două părţi – una pentru informaţia de control (ce include preambulul de sincronizare) şi una pentru date . Un MAP de DL oferă informaţii legate de atributele transmisiunii şi de momentul de inceput al acesteia.

1.4.6 Subcadrul de DL

Există câte un DL-MAP pentru fiecare cadru de DL . Funcţia lui DL-MAP este să indice cu precizie timpul de tranziţie la nivel fizic dintr-un sub-cadru de DL care intră în componenţa TDM . Profilul unui burst este folosit pentru transmiterea informaţiei pe DL către fiecare SS. Informaţia este transmisă către SS în ordine descrescătoare a robusteţii , ceea ce poate avea ca rezultat o pierdere a sincronizării în DL.

La începutul fiecărui profil de burst se găseşte un set de instrucţiuni pentru suportul unui SS semi-duplex . Intr-un sistem FDD cu un mare număr de SS-uri semi-duplex există probabilitatea ca unele SS-uri să trebuiască să transmită datele într-un cadru care

14

precede recepţia , ceea ce rezultă în pierderea sincronizării , şi doar instrucţiunile acestea predefinite de TDA permit recâstigarea sincronizării.

Pentru a avea o varietate de servicii în raport cu lărgimea de bandă , perioada de duraţie a profilului burst-ului , precum şi existenţa ori inexistenţa porţiunii TDMA pot varia dinamic de la cadru la cadru.

Din moment ce SS este menţionată în antetele MAC , ea va asculta subcadru de DL pe care trebuie să-l recepţioneze . In cazul SS-urilor duplex, este necesarăo robusteţe egală , ori mai mare a profilului de burst.

1.4.7 Reţea metropolitană cu acces la o singură purtătoare 2-11 GHz (Wireless MAN SCa)

Wireless MAN SCa este definită de cinci concepte în nivelul fizic.Acestea sunt următoarele:- TDD- FDD- TDMA-UL- TDM sau TDMA-DL- Modulaţie adaptivă de bloc Nivelul fizic include codare FEC folosită pe UL şi pe DL dar şi pentru structura cadrului . Aceste aspecte ajută la estimarea performanţei canalului la o transmisiune fără rază vizuală.

15

CAPITOLUL 2 INTRODUCERE IN NIVELUL MAC

Protocolul MAC este folosit pentru aplicaţii wireless punct la multipunct şi oferă o rată de bit îmbunatăţită atât pentru UL cât şi pentru DL . Cu ajutorul algoritmilor de alocare a benzii acesta asigură o cale prin care mai mulţi utilizatori să impartă acelaşi canal. Fiecare utilizator necesită diferite servicii în funcţie de nevoile şi cerinţele sale . In acest caz nivelul MAC în WiMax , oferă suport atât pentru trafic constant cât şi pentru trafic în rafale , lucru care ajută la îmbunătăţirea calităţii serviciilor (QoS). Nivelul MAC la WiMax oferă două lucruri foarte importante :

-inteligenţă pentru nivelul fizic-îmbunătaţirea calităţii serviciilor

2.1 Arhitectura MAC şi WiMax

Arhitectura este de tip punct la multipunct pentru WiMax DL(de la staţia de bază la staţiile de abonat). Legăturile în cazul WiMax-ului se realizează având o staţie de bază ca punct central cu o antenă ce ajută la acoperirea mai multor sectoare independente. Nivelul MAC în cazul standardului 802.16 este orientat pe conexiune . Nivelul MAC al IEEE 802.16 a fost proiectat pentru comunicaţii wireless de bandă largă de tip punct la multipunct . Comunicaţia între BS şi SS se face la nivel wirelesss . Faţă de 802.11 unde se folosea metoda CSMA/CD pentru evitarea coliziunilor , în cazul standardului 802.16 acest rol este preluat de UL şi DL MAP . Staţia de abonat foloseşte TDMA pentru a transmite către BS iar pentru comunicaţia BS→SS se utilizează TDM . Controlul ambelor transmisiuni se realizează prin intermediul MAP-urilor.

Nivelul MAC conţine trei sub-nivele :MAC CS(sub-nivelul de convergenţă) , MAC CPS (sub-nivel MAC) şi subnivelul de securitate.

Sub-nivelul de convergenţă ajută la comunicaţia cu nivelele superioare nivelului MAC , transformând informaţia primită de la acestea în fluxuri specifice MAC.

Sub-nivelul principal pentru IEEE 802.16 MAC este MAC CPS întrucât defineşte toate metodele pentru managementul conexiunii.

Sub-nivelul de securitate este responsabil pentru criptarea şi decriptarea fluxurilor de date ce vin dinspre sau trec spre nivelul fizic.

Identificatorul de conexiune (CID-connection identifier) pe 16 biţi , funcţionează ca o referinţă pentru conexiune şi prin urmare îi este alocată banda la fiecare cerere în acest

16

sens . Există două tipuri de conexiune MAC :una de management şi una pentru transportul datelor . O staţie de abonat poate avea mai multe conexiuni cu staţia de bază pentru servicii diferite , fie că este vorba de managementul reţelei sau transmiterea efectivă de date.

Staţia de bază alocă un nou identificator CID pentru fiecare comunicaţie cu SS . Imediat ce SS s-a asociat în reţeaua staţiei de bază , îi sunt alocaţi trei identificatori diferiţi din oficiu (conexiuni de managemen) . Fiecare conexiune descrie nivele de calitate ale serviciului (QOS) diferite . Astfel avem conexiune de bază , onexiune primară şi conexiune secundară (de transport) .

1. Conexiunea de bază →folosită pentru transferarea mesajelor de control atât ale legaturii radio cât şi pentru nivelul MAC - transfer scurt

2. Conexiunea primară→la nivelul acestei legături se realizează autentificarea şi realizarea conexiunii

3.Conexiunile de transport →pentru transferul mesajului

Primele două conexiuni (primară şi de bază) se realizează imediat ce SS este asociată în reţeaua staţiei de bază . Conexiunile de transport se realizează doar la cerere fiind folosite pentru transmiterea fluxului de date .

2.2 Clasele de servicii şi calitatea serviciilor

Utilizatorii pot controla protocolul de transmisiune care la rândul său controlează situaţiile de contenţie ce apar între diferiţi utilizatori în fiecare sector şi care pot activa serviciul de ajustare referitor la întârziere şi laţimea de bandă în funcţie de necesitaţile aplicaţiilor.

Există patru tipuri de mecanisme de UL care sunt utilizate pentru atingerea scopurilor . Aceste mecanisme sunt utilizate prin folosirea laţimilor de bandă allocate , metodelor de interogare şi procedurilor de contenţie.

WimMax-ul furnizează diferite tipuri de calitaţi de servicii în funcţie de tipul aplicaţiei ce este procesată.

1) UGS(Unsolicited Grant service-serviciu garantat nesolicitat)-proiectat să suporte fluxuri de date în timp real , compuse din pachete de date de mărime fixă , emise la intervale periodice de timp precum T1/E1 şi VoIP(voce prin protocolul internet-fară suprimarea momentelor de linişte de pe canalul de comunicaţie) numită şi telefonie IP (conversaţiile vocale transmise prin reţele în care e folosit protocolul IP)

17

2) rtPS( Real time polling service –serviciu de alegere în timp real)-oferă suport pentru fluxuri de date în timp real , compuse din pachete de dimensiune variabilă emise la intervale periodice de timp precum fluxuri video MPEG.

3) nrt PS(non real time polling service-servicii de alegere in timp non-real)-oferă suport pentru fluxuri de date tolerante la întârzieri compuse din pachete de dimensiune variabilă

4) BE(best effort-cel mai bun efort-efort minim)-oferă suport pentru fluxuri de date ce nu au un minim de nivel al serviciului şi care sunt transmise în limita laţimii de bandă disponibilă.

Utilizarea metodei de interogare ajută la simplificarea diferitelor operaţii şi garantează că o aplicaţie particulară primeşte partea cuvenită.

In cazul aplicaţiilor în timp real cum ar fi vocea , sunt necesare mai multe servicii periodice , astfel încât factorul de întarziere să fie evitat pe cât se poate .

Maparea diferitelor servicii pe o staţie de abonat permite obţinerea unor nivele variate ale calitaţii serviciilor la stabilitea unei conexiuni .Ca şi consecinţă a instalării unei staţii de abonat este furnizat un serviciu adecvat . Odată ce staţia de abonat înregistrează acest tip de serviciu particular , oferă o referinţă pentru cererea de bandă şi similar noi conexiuni sunt create când un utilizator cere o schimbare de serviciu . Conexiunea constă din două lucruri :

- tip de serviciu

- MAC

Scopul tipului de serviciu este de a defini calitatea serviciilor odată ce conexiunea a fost realizată.

Funcţionarea unui tip de serviciu depinde de DL şi de UL pentru controlul calităţii serviciilor.

Pe cealaltă parte , nivelul MAC va face tot ce poate pentru a oferi o utilizare cât mai eficientă a laţimii de bandă.

2.3 Servicii specifice sub-nivelului de convergenţă

Sub-nivelul de convergenţă (MAC CS) are la rândul său două sub-nivele:

-sub-nivelul de convergenţă ATM (Asynchronous Transfer Mode- mod de transfer asincron) - pentru reţelele şi serviciile de tip ATM

18

-sub-nivelul de convergenţă al pachetelor pentru servicii cu pachetizare (Ethernet,IP,VLAN)

Funcţia de bază a sub-nivelului de convergenţă e că primeşte date de la nivele superioare numite SDU (Service Data Unit-unitaţi de date de servicii)pe care apoi , le clasifică fie ca celule ATM fie ca pachete pe care le va trimite sub-nivelului inferior MAC CPS , pentru a avea o îmbunataţire a QoS şi o alocare eficientă a benzii . In consecinţă , seturile de date (SDU) sunt schimbate între două nivele învecinate . Unităţile de date sunt de sub-nivelul precedent . Maparea depinde de tipul de serviciu care este utilizat . Cealaltă funcţie pe care sub-nivelul de convergenţă o îndeplineşte este suprimarea antetului la emisie şi refacerea sa la recepţie pentru o mai bună eficienţă a legăturii.

2.1.1 Sub-nivelul MAC CPS

Sub-nivelul MAC CPS este sub-nivelul principal , pentru că el defineşte toate metodele pentru managementul conexiunii , distribiţia benzii , rezolvarea cererilor de acces la mediu , controlul conexiunii.

2.1.2 Formatul MAC PDU (Unităţi de date de protocol MAC)

Un MAC PDU constă în :

-antet MAC de lungime fixă

-payload de lungime variabilă

-câmp opţional pentru verificarea ciclică a redundanţei (CRC-Cyclic Redundant Check)

Sunt definite doua formate de antet :

-antet generic : folosit pentru a transmite date sau mesaje MAC

-antet de cerere de bandă : folosit de SS pentru a cere mai multă bandă pe UL

Există trei tipuri de sub-antete MAC prezentate în continuare:

1. Sub-antetul de garantare a managementului –folosit de SS pentru a transmite nevoile de management către BS

2.Sub-antetul de fragmentare – indică prezenţa şi orientarea fragmentelor de SDU (unităţi de date de serviciu) în payload.

3.Sub-antet de pachet – indică împachetarea mai multor SDU într-un singur PDU

19

2.4 Impachetarea şi fragmentarea

Impachetarea şi fragmentarea reprezintă procese ce sunt potrivite pentru WiMax-ul fix ,în acest caz alocarea de bandă este realizată astfel încât să se obţina mai multă fiabilitate şi eficienţă.

In cazul fragmentării , o unitate de date de servicii (MAC SDU) este subdivizată în mai multe unităţi de date de servicii (MAC SDUs) diferite.

In cazul împachetării , mai multe unităţi de date de servicii (MAC SDUs) sunt împachetate într-o singură unitate de date de servicii , care este diferită faţă de fragmentare.

Pentru a folosi eficient banda , WiMax-ul permite procesări paralele pentru fragmentare şi împachetare.

2.5 Crearea PDU şi cererea automată de retransmisie (ARQ)

Funcţia de bază a procedurii ARQ este de a transmite blocuri MAC SDU , în cazul recepţionării unui bloc eronat . MAC foloseşte un mecanism bazat pe fereastră glisantă , caz în care transmiţătorul poate trimite mai multe blocuri fără a primi vreo confirmare . In plus receptorul trimite transmiţătorului mesaje ce conţin confirmări pentru a-i specifica câte blocuri SDU au fost pierdute şi câte au fost primite . Blocurile pierdute sunt transmise din nou .

O clasă de servicii este definită pentru fiecare SS şi BS care au stabilit deja o conexiune între ele. Pachetele sunt plasate într-o conexiune ce se bazează pe tipul calităţii serviciilor cerute de aplicaţie.

20

CAPITOLUL 3 Nivelul de convergenţă a transmisiei (TC)

Nivelul TC(convergenţa transmisiei ) se află între nivelul fizic şi nivelul MAC . Funcţia de bază a nivelului TC este de a transforma unităţile de date ale protocolului MAC în blocuri de lungime fixă . Totul începe cu un pointer care indică următorul antet al unităţii de date a protocolului MAC care este prezent în blocul FEC . In cazul blocurilor deteriorate , nivelul TC urmează o resincronizare pentru următoarea unitate de date a protocolului MAC.

Figura 13. Relaţia între nivelulconvergenţă a transmisiei , nivelul MAC şi nivelul fizic

3.1 Funcţionarea WiMax-ului

Sunt două cerinţe esenţiale pentru funcţionarea WiMax-ului:

- Structura sesiunii- Autentificarea

In cazul unui flux de servicii , controlul este realizat chiar de RLC (radio link control-controlul legăturii radio) . La implicarea factorului de WiMax , procesul constă într-o tranzacţie între SS şi BS . Principala sarcină a FEC-ului defineşte profilul de burst , laţimea de bandă şi criptarea . După realizarea configurării şi funcţionării cu succes a SS , următoarea fază este alocarea unui canal corespunzător.

NIVELUL MAC

NIVELUL DE CONVERGENŢĂ A TRANSMISIEI

NIVELUL FIZIC

21

3.2 Alocarea de canal

Cele mai noi protocoale de nivel MAC , permit configurare automată pentru utilizator , cumpărătorul sau utilizatorul trebuind doar să pornească SS-ul care va simţi singur mediul. După pornirea cu success a staţiei de abonat , aceasta începe automat să simtă frecvenţele adunate în jurul său. Sincronizarea are loc odată ce frecvenţa solicitată a fost aleasă de staţia de abonat ce se află în legătură cu staţia de bază . Odată ce nivelul fizic este sincronizat cu staţia de abonat va începe să caute mesaje de management DCD (Downlink Channel Descriptor) şi UCD (Uplink Channel Descriptor) care permit staţiei de abonat să identifice modulaţia şi schemele FEC ce vor fi folosite pe purtătoarea staţiei de bază.

3.2.1 Clasificarea iniţială şi tratarea capacitaţilor staţiei de abonat

Staţia de abonat va începe să caute toate mesajele valide de tip UL-MAP care sunt prezente în interiorul cadrelor , cu scopul de a identifica informaţia petru clasificare . Un mesaj RNG-REQ (ranging request message-mesaj de solicitare a clasificării) este solicitat pentru a fi identificat de staţia de abonat ; în acest caz este folosit un algoritm complex . Procedura începe cu o putere joasă însă după anumite progrese se va obţine un câştig de putere înainte să fie primit un răspuns referitor la clasificare.

Dupa configurarea cu succes a sincronizării dintre staţia de abonat şi staţia de bază , următoarea fază este de a îmbunătaţii transmisia de putere pentru a avea o legătură precisă între ele.

Profilele robuste sunt utilizate pentru o transmisie cu success a WiMax-ului . Staţia de abonat va contacta nivelul fizic a cărui sarcină este modularea şi codarea în vederea evitării folosirii inutile a lăţimii de bandă . Pot fi folosite atât modulaţii full-duplex cât şi semi-duplex . Deciziile finale sunt luate de staţia de bază.

22

Staţia de bază Staţis de abonat

1.Staţia de abonat analizează frecvenţele prezente pentru staţia de bază

2.Staţia de bază răspunde.Sincronizare cu staţia de abonat

3.Staţia de abonat explodează cu o creştere în putere pâna ce recepţionează un răspuns de la staţia de bază.

4.Staţia de bază răspunde prin sincronizare şi ajustarea puterii.

5.Staţia de abonat raportează capacităţile nivelului său fizic.

6.Staţia de bază accepta staţia de abonat.

Figura 14. Procesul de achiziţionare a canalului între SS şi BS

23

3.2.1.1 Autentificarea şi înregistrarea staţiei de abonat

O staţie de abonat autentică va conţine un certificate digital valid X.509 care este instalat în timpul perioadei de fabricaţie . Când staţia de abonat face o cerere de autentificare , aceste certificate sunt evaluate pentru verificarea autenticităţii staţiei de abonat . Acest lucru este realizat de adresa MAC pe 48 de biţi . Prin monitorizarea certificatelor instalate în staţia de abonat , reţeaua se poate asigura că este vorba despre staţia de abonat corectă pentru acea reţea particulară şi în consecinţă este autorizată . Pe baza validării şi verificării staţiei de abonat , va fi permisă intrarea sa în reţea . Identificarea va fi realizată de reţea pentru staţia de abonat şi dacă autorizaţia este validă va fi permis staţiei de abonat să intre în reţea , lucru care va fi realizat de un cod de autorizare (AK) folosit petru securitate . Odată ce autenticitatea este validată , staţia de abonat va fi imediat înregistrată în reţea . După asta , o conexiune secundară de management este stabilită pentru progrese suplimentare în cadrul sistemului.

3.2.1.2 Conectivitate IP

O adresă IP este asignată staţiei de abonat de către reţea , odată ce conexiunea este realizată , cu ajutorul protocolului DHCP . Principala sarcină a protocolului DHCP este de a furniza o adresă TFTP staţiei de abonat cu uicul scop de a căpăta un fişier de configurare necesar pentru a progresa.

3.2.1.3 Structura conexiunii

Pentru transportul unidirecţional al pachetelor pe UL ori DL se folosesc procesele de serviciu (service flows) . Diferiţi parametri precum instabilitatea , determină calitatea serviciilor . Pentru o mai buna performanţă de reţea , WiMAX foloseşte metoda de activare in 2 faze. In cazul acesta , unui proces de serviciu i se alocă resurse şi nu este folosit pâna la validarea sa . Fiecarui proces de serviciu i se alocă un CID şi este mapat pe MAC . In WiMAX procesele de serviciu sunt preconfigurate şi în final staţia de bază iniţializează procesul de serviciu la iniţializarea staţiei de abonat. Se spune că s-a stabilit un proces de serviciu dinamic între BS ăi SS dacă avem o conexiune cu semnal dinamic numită SVC (conexiune virtuala cu basculare, sau

24

basculantă). Avantajul major al WiMAX –ului este că suportă schimbări dinamice ale reţelei.

Staţia de bază Staţia de abonat

1. Cerere de autentificare

2. Râspunsul de autentificare al staţiei de bază

3. După succesul autorizaţiei , are loc înregistrarea în reţea a staţiei de bază

4.După înregistrare staţia de abonat dobândeşte o adresă IP prin alocare dinamică de catre un server DHCP

5.Serverul DHCP furnizează adresa server-ului TFTP unde staţia de abonat obţine un fişier de cofigurare

6.Staţia de bază acceptă staţia de abonat gata pentru fluxul de servicii

Figura 15 Autentificarea şi înregistrarea staţiei de abonat

25

CAPITOLUL 4 Controlul legăturii radio

Principala sarcină a controlului legăturii radio este de a asigura funcţionarea simultană a procesului de serviciu şi achiziţionarea canalului. Pentru o tehnologie avansată precum 802.16 , este nevoie de un control al legăturii radio la fel de avansat , care permite trecerea de la un profil de burst la altul . Funcţiile RLC-ului includ şi controlul puterii şi ajustarea.

CONTROLUL LEGĂTURII RADIO

STAŢIA DE BAZĂ STAŢIA DE ABONAT

1. BS difuzează profile de burst pentru UL şi DL

2. SS realizează nivelarea puterii şi ajustarea printr-o cerere de ajustare

3.BS răspunde printr-un raspuns de ajustare

4.SS trasmsmite o cerere pentru DL către BS

5.BS confirmă alegerea în răspunsul de ajustare şi comandă SS-ului în mesajul UL-MAP să folosească un anumit profil de burst pe UL

26

6.Controlul legăturii radio continuă să adapteze UL-ul şi DL-ul staţiei de abonat

7.BS-ul poate admite cererea de schimbare a profilului de burst pe UL

Figura 16. Stabilitatea oferită de RLC unei conexiuni WiMax

Controlul legăturii radio începe de la staţia de bază , prin difuzarea periodică a profilelor de burst ce au fost alese pentru UL şi DL . Profilele de burst sunt alese în funcţie de diferiţi factori cum ar fi : capacităţile echipamentelor . Profilele de burst pentru DL sunt marcate fiecare în parte printr-un DIUC (Downlink Interval Usage Code) şi similar pentru UL este folosit UIUC. Prima sarcină a staţiei de abonat este nivelarea puterii iniţiale şi ajustarea sa , folosind mesajele de cerere de ajustare (RNG-REQ) la începutul transmisiei . Ajustarea timpului de transmisie a staţiei de abonat ca şi ajustarea puterii sunt transmise înapoi la staţia de abonat prin mesaje raspuns de ajustare (RNG-RSP). In timpul ajustării iniţiale , staţia de abonat poate cere servicii pe DL , de exemplu un profil de burst particular , transmiţând alegerea sa asupra mesajului DIUC staţiei de bază . Selecţia se bazează pe masurările asupra calităţii unui semnal primit pe DL , realizate de staţia de abonat înainte şi în timpul ajustării iniţiale . Staţia de abonat poate confirma sau rejecta alegerea staţiei de abonat în răspunsul RNG-RSP . Similar , staţia de bază monitorizează calitatea semnalului de pe UL ce provine de la staţia de bază . Staţia de bază , comandă staţiei de abonat să folosească un anume profil de burst pe UL , în mesajul UL-MAP. După determinarea inţială a profilelor de burst pentru UL şi DL între staţia de bază şi o staţie de abonat particulară , RLC continuă să monitorizeze şi să controleze profilele de burst . Condiţiile neprielnice de mediu , cum ar fi ploaia , pot forţa staţia de abonat să ceară un profil de burst mai robust . RLC-ul continuă să adapteze profilele de burst ale staţiei de abonat pe UL şi DL , mereu încercând să menţină o balanţă între robusteţe şi eficienţă . Deoarece staţia de bază controlează şi monitorizează calitatea semnalului pe UL , protocolul pentru schimbarea profilului de burst pe DL pentru o staţie de abonat este simplu , staţia de bază asociind doar codul UIUC profilului atunci când garantează bandă staţiei de abonat. Pe DL , staţia de abonat este cea care monitorizează calitatea semnalului recepţionat şi de aceea ştie când profilul său de burst trebuie modificat . Două metode sunt disponibile staţiei de abonat pentru a cere schimbarea profilului de burst pe DL ce depind de felul în care staţia de abonat operează.

27

Moduri de operare :

-Alocare pe conexiune (GPC-Grant per connection) -Alocare pe staţie de abonat (GPSS-grant per SS)

Prima metodă se va aplica doar staţiilor de bază cu alocare pe conexiune . In acest caz , staţia de bază poate aloca periodic un interval de menţinere staţiei de abonat . Staţia de abonat poate cere prin mesajul RNG-REQ schimbarea profilului de burst pe DL . Metoda preferată este ca staţia de abonat să trimită o cerere de schimbare de profil de burst (DBPC-REQ) . In acest caz care este mereu o opţiune pentru staţiile de bază cu alocare pe SS şi poate fi o opţiune şi pentru staţiile de abonat cu alocare pe conexiune , staţia de bază răspunde cu un mesaj DBPC-RSP (răspuns de schimbare a profilului de burst pe DL) , care confirmă sau respinge schimbarea.

4.1 UL-ul

Fiecare conexiune din cadrul UL-ului implică un algoritm de secvenţare.

Staţiile de bază impun algoritmi care definesc propriile lor reguli în vederea alocărilor pentru UL şi a cererilor între BS şi SS.

In timpul iniţializarii(setării) conexiunii există o scurta perioadă în care specificaţiile conexiunilor de tip UL sunt negociate.

28

Capitolul 5 Analiza spectrului WiMax

Specificaţiile standardului 802.16 se aplică pe o gamă largă a spectrului de RF . Nu există la nivel global o gamă de frecvenţe licenţiată special pentru WiMAX . In SUA, cel mai mare segment disponibil este în jurul frecvenţei de 2,5 GHz , şi este deţinută în mare

parte de Sprint Nextel şi Clearwire . In alte părţi ale lumii , cele mai folositegame de frecvenţe sunt în jurul a 3,5 GHz , 2,3/2,5 GHz , sau 5 GHz , în Asia cea mai folosită fiind 2,3/2,5 GHz , în plus câteva companii au anunţat că vor să implementeze standardul WiMAX pentru gama de frecvenţe 1,7/2,1 GHz.In România banda de 3,5GHz este pe moment parţial ocupată .

La alocarea spectrului sunt două tipuri de benzi ,una este licenţiată şi una este nelicenţiată de autorităţile guvernamentale . In comunicaţii , pentru a livra date , poate fi ales ori spectrul licenţiat ori cel nelicenţiat . Mulţi furnizori de servicii wireless de internet aleg să folosească spectrul nelicenţiat pentru că folosirea sa este gratuită şi poate reduce costul efectiv . Pentru desfăşurarea WiMax-ului poate fi nevoie de dezvoltarea stţiilor de bază şi a staţiilor de abonat petru a obţine o diversitate a frecvenţelor radio . O staţie de abonat pentru un sistem WiMax include un procesor de comandă (control) , un processor de bandă de bază , o unitate MAC şi un modul analog RF care asigură un serviciu ca şi 802.16x într-o bandă specifică licenţiată sau nelicenţiată.

Am acordat atenţie benzii de frecvenţă alocată ce există în plaja de valori de la 2 la 6 GHz . Aceasta este alocarea spectrală în care laţimea de bandă este îngustă relativ la laţimea de bandă ce este disponibilă în plaja de valori de la 10 la 66 GHz. Sub 10 GHz frecvenţele microundelor se referă la benzi centimetrice şi frecvenţele de peste 10 GHz sunt benzi milimetrice.Benzile milimetrice , având alocate laţimi de bandă a canalelor mai mari , cară capacităţi mai mari de date . Din această cauză pentru aplicaţii LOS cu o rată ridicată a datelor în LOS , aceste benzi milimetrice sunt în general mai potrivite , în timp ce benzile centimetrice sunt potrivite pentru aplicaţii NLOS şi multipunct.

29

Figura 17. Benzile centimetrice între 2 şi 6 GHz disponibile pentru acces wireless în bandă largă

5.1 Caracteristici spectrale

1.Spectru licenţiat şi nelicenţiat

Figura 17 , arată varietatea benzilor disponibile pentru acces wireless de bandă largă în plaja de valori de la 2 la 6 GHz . Aceste benzi sunt identificate ca licenţiate sau nelicenţiate . Benzile licenţiate sunt benzile deţinute de companii care au plătit pentru a folosi serviciile acestor benzi . Benzile nelicenţiate sunt disponibile gratis pentru aplicaţii experimentale sau ale întreprinderilor. Mulţi furnizori de internet wireless sunt interesaţi să utilizeze benzi nelicenţiate pentru că sunt gratis , astfel obţinându-se o economie de bani şi de timp . Folosind aceste benzi nelicenţiate se reduce costul pentru abonaţi şi se obţine o opţiune alternativă competitivă la DSL şi serviciile prin cablu . Pe cealaltă parte marile companii ce folosesc spectru licenţiat îl pot vinde pentru servicii business oferind fiabilitate şi robusteţe.

5.2 Distincţia benzilor

1. Banda de 3,5 GHz : In multe ţări din Europa şi Asia , banda de 3,5 GHz reprezintă spectru licenţiat ce este disponibil pentru acces wireless de bandă largă , dar nu este folosit în Statele Unite . Această bandă acoperă 300 MHz , mai exact se întinde între 3,3 GHz şi 3,6 GHz . In acest spectru licenţiat , marile companii pot oferi abonaţilor la internet preţuri competitive.

30

2. 5GHz U-NII (Infrastructuta naţională nelicenţiată de informaţie ) şi benzile: Banda radio U-NII face parte din spectrul de radio frcvenţă şi operează pe 3 plaje de valori şi anume: - U-NII Low şi Mid - între 5,15 şi 5,35 GHz- U-NII Worldwide - între 5,47 şi 5,725 GHz- U-NII Upper - între 5,725 şi 5,85 GHz Majoritatea activităţiilor WiMax desfăşurate se găsesc în banda U-NII upper cu valori între 5,725 şi 5,85 GHz pentru că la acel spectru alocat sunt mai puţini abonaţi la internet în competiţie şi interferenţele sunat mai puţine.

3. WCS ( Wireless communication Service-serviciu de comunicaţii wireless ) : Cele două benzi WCS se întind amândouă pe 15 MHz între 2,305 - 2,320 GHz şi 2,345 -2,360 GHz .Cei 25 MHz dintre cele 2 benzi sunt asignaţi serviciului digital audio radio . Pentru aceste benzi este nevoie de o foarte bună eficienţă spectrală oferită de tehnici faimoase de modulaţie cum ar fi OFDM sau RF folosite de Wi-Fi şi WiMax.

4. 2,4 GHz ISM (Industrial , Scientific , Medical) :Benzile ISM cu volori în gama de 2,4 GHz , au fost rezervate internaţional pentru folosirea zonei de RF în scopuri Industriale , ştiinţifice şi medicale . Benzile sunt nelicenţiate şi oferă aproximativ o laţime de 70 MHz. 5. MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service-Sistem de distribuţie la multipunct pe canale multiple) : Spectrul MMDS include 30 de canale cu 6 MHz spaţiu , între frecvenţele 2,5 şi 2,69 GHz şi include serviciul fix de televiziune. Se încearcă concentrarea spectrului iniţial între valorile de 3,5 GHz şi 5 GHz unde avem mai puţine interferenţe şi cerinţe rezonabile asupra nivelului de putere . Acest lucru va ajuta sigur să crească rata pentru serviciul de acces wireless de bandă largă WiMax în întreaga lume pentru că aceste benzi reprezintă cel mai ridicat potenţial pe piaţă şi permit abonaţilor şi utilizatorilor să reducă costul.

5.3 Reglementarea curentă asupra mediului

Prezenta implementare a WiMax-ului poate opera într-un spectru nelicenţiat dar furnizorii de servicii sau abonaţii la internet trebuie să ştie un număr de lucruri pentru a nu avea probleme cu statul şi cu autorităţile federale . Vom discuta mai departe despre cele mai proeminente probleme la alocarea spectrului .

In general spectrul este gestionat de un număr de organizaţii corporative diferite . Cea mai cunoscută în rândul publicului este Comisia federală de comunicaţie (FCC) . Comisia federală de comunicaţie supraveghează folosirea spectrului radio de civili , stat şi guvernul local.

31

5.3.1 Limitele de putere

Potrivit cercetărilor , WiMax-ul poate opera cu o viteză de 70 Mbps peste 30 de mile , după care trebuie să se supună regulilor de restricţie a puterii în acea bandă dacă cuprinde frecvenţe nelicenţiate . In situaţiile ideale , un bun inginer proiectează o cale ce va avea doar cantitatea de putere necesară pentru a ajunge din punctual A în punctual B fară fading asigurând o bună fiabilitate . O limitare ce apare în semnal are efectul reducerii interferenţei şi obţinerea unei utilizări mai eficiente a spectrului . Folosind prea multă putere va fi acoperită o zonă mai mare decât este nevoie şi vor apărea interferenţe cu alţi utilizatori ai altor benzi de frecvenţă.

5.3.2 Relaţia dintre WiMax şi FCC

Dacă orice furnizor de servicii sau oricare staţie de lucru vrea să folosească spectrul nelicenţiat pentru implementarea accesului wireless în bandă largă WiMax , atunci înţelegerea deplină a comisie federale de comunicaţie este necesară . Câteva probleme sunt prezentate în continuare: PUNCT LA MULTIPUNCT :

Furnizorilor de servicii WiMAX care vor să comunice ori să opereze în acest mod , le este permisă doar o putere de ieşire a transmiţătorului de până la 30dBm (sau 1W) cu o antenă de 6dBi , sau 36 dBm (adică 4W) de putere radiată efectivă folosind o antenă cu izotropie imperfectă . Puterea de ieşire a transmiţătoruluitrebuie sa fie redusă cu 1 dB pentru fiecare dB câstigat de antena peste 6dBi. PUNCT LA PUNCT

Comisia federală de comunicaţie preferă să folosească antene direcţionale care radiază putere într-o direcţie la un moment de timp pentru a reduce interferenţa cu alte benzi.Comisia federală de comunicaţie oferă mai multă indulgenţă prin legăturile punct la punct cerând doar ca debitul de putere transmisă să fie redus cu o treime dintr-un db în loc de un db de putere în cazul punct la multipunct. Pentru fiecare 3dB de câştig al antenei peste 6dBi , un furnizor de serviciu internet fără fir trebuie să reducă puterea de ieşire a transmiţătorului cu câte 1 dB (sub valoarea de 1 W) . De exemplu, puterea unei antene de 24dBi este cu 18dB mai mare decât cea a unei antene de 6dBi.

32

5.4 Licenţele şi spectrul WiMax

5.4.1 Analiza regională

In ziua de azi , în lume , există un total de 720 licenţe pentru spectrul de acces wireless în bandă largă / WiMax . America de Nord este de departe liderul în materie de licenţe WiMax , având un total de 393 de licenţe pe lângă Europa cu 184 licenţe, regiunea Asiei Pacifice cu 97 licenţe şi în sfârşit America Latina şi Caraibe . Este de menţionat că licenţele de folosire a spectrului pentru serviciile de bandă largă de natură educaţională nu sunt incluse în numărătoarea din USA deoarece ele nu sunt alocate pentru aplicaţii comerciale. După cum este arătat în figura 18 este o diferenţă clară între America de Nord şi Europa , referitor la tipul frecvenţelor WiMax acordate . In graficul pentru America de Nord , 94% din frecvenţe , au fost repartizate în banda cu valori între 2,3 şi 2,5 GHz , iar restul licenţelor au fost repartizate în banda de 3,5 GHz. valabile doar în Canada . In Europa , 76% din frecvenţele WiMax au fost repartizate în banda de 3,5 GHz.

Figura 18. Numărul de licenţe WiMax acordate per regiune

In regiunea Asiei Pacifice 74% din licenţele WiMax au fost repartizate în banda cu valori între 2,3 şi 2,5 GHz . In final , America Latină şi Caraibe au o situaţie asemănătoare cu cea a Europei , 79% din licenţe fiind repartizate în banda de 3,5 GHz.

33

Europa Asia America de N ( doar Canada) Calanumar de licente la 2,3-2,7GHz per regiune 45 72 327 9numar de licente la 3,5 GHz pe regiune 141 25 22 35

0

50

100

150

200

250

300

350

Europa Asia Americade N (doar

Canada)

Cala

numar de licente la 2,3-2,7GHz per regiune

numar de licente la 3,5GHz pe regiune

Figura 19. Numărul de licenţe per regiune în funcţie de banda de frecvenţă

După cum se vede în figura 20 , putem lua America de Nord ca pe un exemplu perfect datorită faptului că 100% din licenţele WiMax sunt regionale pe când în Europa 78 % din licenţe sunt regionale iar în Caraibe şi America Latina sunt 71% licenţe regionale.

Europa Asia America de N Cala

Licente WiMax nationale % 22 49 0 25

34

Licente WiMax regionale % 78 51 100 75

0

20

40

60

80

100

120

Europa Asia America deN

Cala

Licente WiMaxnationale %

Licente WiMaxregionale %

Figura 20. Analiza acoperirii licenţelor după regiune

5.5 Ţările ce permit mobilitate pentru WiMax în banda de 3,5 GHz

Australia reprezintă una din puţinele ţări în care WiMax-ul mobil este permis în banda de frecvenţă de 3,5 GHz.

Asia Pacifică este pe locul 2 ca număr de ţări ce permit WiMax-ul mobil în banda de 3,5 GHz şi se aşteaptă să fie foarte utilizat WiMax-ul mobil datorită densitaţii mari de populaţie.

In final regiunea CALA este mult în urma regiunilor menţionate anterior , doar Venezuela şi Columbia permiţând mobilitate limitată la 3,5 GHz.

CAPITOLUL 6 VITEZA DE TRANSFER PENTRU WIMAX

35

Teoretic tehnologia WiMax poate oferi o viteză maximă de 75 Mbps per canal , însă , într-un sistem real , performanţa va fi mai scăzută , obţinând o viteză de până la 45 Mbps per canal pentru aplicaţii wireless de bandă largă fixe . Capacităţile ce revin unui client la folosirea WiMax-ului vor fi diminuate în aplicaţiile în timp real însă vor fi mult mai ridicate decât în cazul tehnologiei 3G. Viteza de transfer la tehnologia WiMax depinde de următoarele 7 componente: -dimensiunea canalului -numărul de sub-purtătoare dintr-un canal -sub-purtătoarele folosite ca şi canale pilot -sub-purtătoarele folosite ca şi canale de separaţie -durata simbolului care include şi durata de separare a simbolurilor -rata de modulaţie -rata de codare FEC

Pentru îmbunătaţirea eficienţei canalelor cu o laţime de bandă mică şi îmbunataţirea performanţelor canalelor cu o laţime mare de bandă s-a realizat o extensie de la 128 la 2048 de subpurtătoare într-un canal . Dacă luăm un canal de 3,5 MHz atunci acel canal va fi divizat mai departe în sub-canale mai mici . Sub-purtătoarele se prezintă la fel ca frecvenţele în cazul multiplexării cu diviziune în frecvenţă . De fapt OFDM-ul este o formă de multiplexare cu diviziune în frecvenţă cu excepţia faptului că frecvenţele sunt grupate apropiat una de alta pentru maximizarea capacităţii canalului de a transporta date . Pe partea dreaptă şi stângă a unui canal avem câte un alt canal care nu poartă date . Acesta este canalul de separaţie , folosit în comunicaţii pentru a evita interferenţa cu cea mai apropiată frecvenţă a canalelor alăturate.

Pe lângă canalele de separaţie mai există şi canalele pilot care nu transportă date şi sunt folosite pentru sincronizare astfel încât receptorul va ştii exact care este frecvenţa folosită de transmiţător pe care poate decoda semnalul.

6.1 Tehnologia antenelor multiple în WiMax

36

Pentru creşterea fiabilităţii WiMax-ului , standardul IEEE 802.16-2004 suportă tehnici opţionale cu antene multiple , cum ar fi : codarea spaţio-temporală Almouti , sistemul de antene adaptive , MIMO(sisteme cu intrări şi ieşiri multiple) . Există multe tipuri de modulaţie definite în cadrul standardului 802.16 , însă ne vom ocupa de OFDM datorită robusteţii sale la propagarea pe mai multe căi şi a uşurinţei de a folosi tehnici cu antene multiple.

Există mai multe avantaje la folosirea tehnicilor cu antene multiple decât la folosirea tehnicilor cu o singură antenă printre care se enumeră :

■ câştig de putere : folosind antene multiple putem obţine câştigul şi în acest fel semnalul adaugă coerenţă

■ creşterea raportului semnal-interferenţă : prin folosirea mai multor căi putem obţineun câştig , deci probabilitatea ca oricare cale să fie într-o stare rea , nu poate reduce puterea semnalului

■ rejecţia interferenţei Co-Channel (CCIR)

Pentru sistemele de antene adaptive , mai multe semnale suprapuse pot fi transmise simultan , folosind accesul multiplu cu diviziune în spaţiu (SDMA) , care este o tehnică ce exploatează dimensiunea spaţiului pentru a transmite mai multe fascicule separate spaţial.

Pentru sisteme cu intrări şi ieşiri multiple , multiplexarea spaţială este des folosită . Multiplexarea spaţială transmite şiruri de date codate peste diferite domenii spaţiale.

Performanţa înaltă şi interferenţa scăzută pentru MIMO şi AAS , fac aceste sisteme atât de atractive în raport cu alte tehnici pentru sistemele WiMax.

Pentru WiMax , cel mai simplu sistem MIMO este cel cu intrări multiple şi ieşire unică (MISO) .

Dezavantajul folosirii acestei tehnici , este arhitectura mult mai complicată a receptorului şi folosirea unui număr mai mare de antene . Unele din metodele ce se ocupă cu problemele ce apar la propagarea semnalului pe mai multe căi folosesc egalizoare adaptive de canal.

CAPITOLUL 7 Analiza securităţii WiMax

37

Acest capitol prezintă analiza securităţii WiMax-ului . Ameninţările aspupa securităţii , sunt analizate în funcţie de probabilitatea lor de apariţie , posibilul impact cu utilizatori individuali sau sisteme şi în funcţie de riscul global pe care îl reprezintă.

7.1 Metodologie

Analiza ameninţărilor este dirijată în conformitate cu o metodologie . Metodologia este rezumată în tebelul 2 . Evaluarea se face în funcţie de trei criterii : probabilitate , impact şi risc . Probabilitatea reprezintă posibilitatea de apariţie a atacurilor asociate cu ameninţările . Doi factori sunt luaţi în considerare : dificultăţile tehnice ce trebuiesc rezolvate de către atacator şi motivaţia unui atacator de a conduce atacul.

TABEL 2 :EVALUAREA RISCURILOR

Probabilitatea de apariţie a atacurilor este scăzută , dacă un potenţial atacator , are de rezolvat dificultăţi tehnice ridicate , cu necunoscute majore , sau motivaţia de a conduce atacul este scăzută . Apariţia atacurilor este însă posibilă dacă există dificultăţi tehnice rezolvabile , sau există motive rezonabile pentru ca atacatorul să conducă atacul . Apariţia atacurilor este probabilă dacă nu există dificultăţi tehnice ce trebuiesc rezolvate

CRITERIU CAZURI DIFICULTATE MOTIVAŢIE CALSA

PROBABILITATE

improbabil ridicată scăzută 1

posibil solvabilă rezonabilă 2

probabil Fară dificultate puternică 3

UTILIZATOR SISTEM

IMPACT scăzut Neplacere,deranj Întrerupre

foarte scurtă 1

mediu Pierdere servicii Întrerupere scurtă

2

puternic Pierdere servicii pe timp îndelungat

Intrerupere lungă 3

RISC

minor Nu este nevoie de contramăsuri 1,2

major Trebuie tratată problema ameninţărilor

3,4

critic Prioritate ridicată 6,9

38

pentru a conduce un atac sau există o motivaţie puternică pentru ca un atacator să pornească un atac.

Criteriul impact , evaluează consecinţele unui atac . Impactul este scăzut dacă un atac va crea doar neplăcere utilizatorului . Dacă un atac este direcţionat către un sistem care serveşte mai mulţi utilizatori , atunci posibilele întreruperi sunt foarte limitate . De exemplu , numărul de utilizatori afectaţi este limitat , sau întreruperile sunt foarte scurte . Impactul este mediu dacă atacul este direcţionat către un singur utilizator şi acel utilizator va suferi o pierdere de servicii pe o perioadă considerabilă de timp . Dacă atacul este direcţionat către un sistem , întreruperile sunt limitate şi există posibilitatea unor pierderi financiare , dar limitate . Impactul este puternic dacă atacul direcţionat către un utilizator provoacă pierderi de servicii pe o perioadă lungă de timp . Dacă atacul este direcţionat către un sistem atunci întreruperile se întind pe o perioadă lungă de timp şi un număr mare de utilizatori este afectat . In consecinţă pot apărea pierderi financiare substanţiale. Probabilitatea de apariţie a atacurilor şi impactul , primesc valori numerice ce sunt trecute pe coloana din dreapta a tabelului 2 .Pentru o ameninţare dată , valoarea riscului este un rezultat al valorii probabilităţii şi al impactului . Dacă valoarea riscului este 1 sau 2 atunci se consideră că ameninţarea este minoră şi nu este nevoie de contramăsuri . Dacă riscul este 3 sau 4 atunci ameninţarea este majoră şi problema trebuie tratată . In final , dacă riscul este 6 sau 9 ameninţarea este critică şi reprezintă o prioritate.

7.2 Analiza

O reţea de acces wireless WiMax , constă din staţii de bază şi staţii mobile . Staţia de bază furnizează ataşament de reţea pentru staţia mobilă . Staţia mobilă selectează acea staţie de bază care oferă cel mai puternic semnal . Arhitectura protocoalelor WiMax-ului este structurată în două importante nivele : nivelul MAC şi nivelul fizic (fig.21).

PUNCTE DE ACCES ALE SERVICIILOR (SAP)

39

MAC

SAP

SAP

Figura 21 : Arhitectura nivelelor WiMax 802.16

Diagrama indică de asemenea punctele de legătură , unde sunt definite de standard , punctele de acces ale serviciilor (SAP’s) . Elementul central al arhitecturii nivelului MAC este sub-nivelul MAC CPS (sub-nivel principal) . Aici sunt formate unitaţile de date de protocol MAC (MAC PDUs) , sunt stabilite conexiunile şi este gestionată banda . Sub-nivelul CPS MAC schimbă unităţi de date de serviciu MAC cu sub-nivelul de convergenţă . Sub-nivelul CPS MAC se află în legătură strânsă cu sub-nivelul de securitate care se ocupă de autentificare , criptarea şi decriptarea datelor . Sub-nivelul de securitate schimbă unităţi de date de protocol MAC cu nivelul fizic . Sub-nivelul de convergenţă transformă unităţile de date de la nivele superioare în formatul MAC SDU şi vice versa.

Mai departe vom examina ameninţările asupra securităţii la nivel fizic şi apoi la nivel MAC.

7.3 Ameninţările nivelului fizic

CONVERGENŢĂ

CONVERGENŢĂ

SUB-NIVEL PRINCIPAL SECURITATE

NIVELUL FIZIC

40

La nivelul fizic , fluxul de biţi este structurat ca o secvenţă de cadre de lungimi egale ca în figura 22.

Sub-cadrul de UL (TDMA)

frecvenţa

................

FDD

Sub-cadru de DL ...........

TDD

Sub-cadrul de UL (TDMA)

Figura 22

Avem un sub-cadru de DL şi un sub-cadru de UL şi două moduri de operare : FDD şi TDD. Figura 22 schiţează aceste două moduri . Axa orizontală reprezintă domeniul timpului în timp ce axa verticală domeniul frecvenţelor . In FDD sub-cadrele de DL şi sub-cadrele de UL sunt simultane dar sunt transmise pe frecvenţe diferite . In TDD sub-cadrele de DL şi UL sunt consecutive. Cadrele au lungimi egale . In TDD porţiunea alocată pentru DL şi porţiunea pentru UL pot varia . Pe UL se foloseşte TDMA , bandă fiind divizată în sloturi de timp . Fiecare slot este alocat unei staţii de abonat individuale ce este servită de staţia de bază.

Deoarece sub-nivelul de securitate este deasupra nivelului fizic , acesta din urmă este nesigur . WiMax-ul este vulnerabil la atacurile asupra nivelului fizic cum ar fi bruiajul

...........

Sub-cadru de DL

timp

41

sau scrambling . Bruiajul este obţinut prin introducerea unei surse de zgomot , suficient de puternică pentru a reduce semnificativ capacitatea canalului . Bruiajul este ori neintenţionat ori premeditat . Informaţiile şi echipamentele necesare pentru a realize bruiajul nu sunt greu de obţinut . Rezistenţa la bruiaj poate fi sporită prin creşterea puterii semnalelor sau prin creşterea laţimii de bandă folosind tehnici de împrăştiere (modulaţia cu salt de frecvenţă , modulaţia cu spectru împrăştiat prin secvenţă directă) . Sunt disponibile mai multe metode pentru a creşte puterea semnalului şi anume un transmiţător mai puternic , câştig ridicat la antena de transmisie şi câştig ridicat la antena de recepţie . Bruiajul este uşor de detectat printr-un echipament de monitorizare a spectrului radio.

"Scrambling" este un tip de bruiaj , care acţionează pe perioade scurte de timpşi este aplicat unui cadru ori porţiuni dintr-un cadru . Dispozitivele acestea de bruiaj pot corupe în mod selectiv informaţia de comandă şi control cu scopul de a afecta operarea normală a reţelei . Problema este de importanţă sporită pentru mesaje care depind de timp , care nu tolerează întârzieri , precum cele de cerere ori răspuns din cadrul raportului de măsură a canalelor . Porţiuni din traficul de date aparţinând unor anumiţi utilizatori pot fi bruiate ("scrambled") în mod selectiv , obligându-i pe aceştia să retransmită . Rezultatul net este că ei se vor bucura de o lărgime de bandă mai îngustă decât cea alocată lor . Bruiajul ("scrambling") selectiv al secţiunilor ("sloturilor") de uplink al altor utilizatori pot reduce , teoretic , lărgimea de bandă a victimelor şi mări viteza procesării de date a atacatorului (dacă acesta este unul din utilizatori) . Este relativ mai greu de folosit bruiaj de tip scrambling , decât bruiaj obişnuit ("jamming") din cauza necesitaţii ca atacatorul să interpreteze informaţia de control şi să transmită zgomot în intervale precise de timp . Acestea sunt dificultăţi reale pentru atacator , dar rezolvabile . Bruiajul de tip scrambling este mai greu de detectat din cauza naturii intermitente a atacului şi a faptului ca el poate fi cauzat de surse de zgomot naturale . Bruiajul de tip scrambling şi dispozitivele care-l generează ("scramblers") pot fi detectate monitorizând anomaliile din criteriile de performanţă . Acest caz a fost studiat pentru sisteme WiFi/802.11 . Situaţia pentru WiMAx 802.16 este mult diferită şi mai multă cercetare în domeniu este necesară . Impactul bruiajului de tip scrambling este scăzut , şi are ca rezultat neplăceri pentru un număr limitat de utilizatori . Rezultatele sunt reversibile , de exemplu prin retransmisie . Noi considerăm că bruiajul de tip scrambling reprezintă la ora aceasta un risc minor.

42

7.4 Ameninţările nivelului MAC

Nivelul Mac este orientat pe conexiune . Există două feluri de conexiune : conexiuni de administrare şi conexiuni de transport de date . Conexiunile de administrare sunt de trei feluri : de bază , primare şi secundare . O conexiune de bază este creată pentru fiecare staţie mobilă când intră în reţea . Aceasta este folosită pentru mesaje scurte şi urgente de administrare . Conexiunea primară este şi ea creată pentru fiecare staţie mobilă la momentul intrării în reţea dar este folosită pentru toleranţa întârzierii mesajelor de administrare . A treia conexiune de administrare este cea secundară . Conexiunile de transport pot fi asigurate , sau pot fi stabilite la cerere . Aceste conexiuni sunt folosite pentru flux de trafic. O asociaţie de securitate(AS) conţine paramentrii de securitate ai unei conexiuni: chei şi algoritmi de criptare . Primele două conexiuni de administrare , de bază şi primară , nu au asociaţii de securitate (AS) .Conexiunea secundară de administrare poate avea o asociaţie de securitate . Conexiunea de transport mereu are asociaţie de securitate .

Modelul de securitate este prezentat în figura 23 .Cheile de securitate şi asocierile stabilite între staţia mobilă şi staţia de bază pe parcursul pasului de autorizare la intrarea în reţea , sunt discutate în continuare.

43

Figura 23. Modelul de securitate

Liniile reprezintă relaţiile dintre punctele terminale . Există trei tipuri de asociaţii de securitate : SA primară , SA statică şi SA dinamică . Fiecare SA are câte un identificator SAID , de care staţia de bază şi staţia mobilă se folosesc pentru a obţine parametrii de securitate . SA conţine de asemenea algoritmi de criptare , chei de criptare şi vectori de iniţializare . Există o singură SA pentru fiecare staţie mobilă . SA primară este stabilită când staţia mobilă este iniţializată . Asociaţiile de securitate statice sunt create de staţia de bază în timpul iniţializării staţiei mobile . Avem o asociaţie de securitate statică pentru fiecare serviciu de bază unicast . O staţie mobilă se poate abona la servicii adiţionale fapt care duce la existanţa mai multor asociaţii de securitate statice adiţionale . Asociaţiile de securitate dinamice sunt create pe parcurs , în funcţie de nevoi . SA statice şi dinamice pot fi împărţite între mai multe staţii mobile când este folosită transmisiunea multicast.

44

Esenţa entităţilor de date este reprezentată de : certificatul X509 , cheia de autorizaţie (AK) , cheia de criptare şi cheia de autentificare a mesajului . Fiecare staţie mobilă este preconfigurată cu un certificate X509 . Certicicatul X509 este persistent . Acesta conţine cheia publică (PK) a staţiei mobile folosită pentru autentificarea . Toate celelalte chei sunt stabilite în timpul autorizării şi trebuiesc revizuite periodic , prin reautorizare . Staţia de bază determină cheia de autorizaţie şi o pasează staţiei mobile . Cheia de autorizaţie are un număr de ordine de la zero la 15 şi o anumită durată de viaţă . Pentru o tranziţie lentă , două chei de autorizaţie pot fi active simultan având astfel o suprapunere a perioadei de viaţă . Timpul de viaţă al unei chei de autorizaţie variază de la o zi la 70 de zile . Staţia mobilă foloseşte cheia de autorizaţie ca să obţină cheia de criptare şi cheia de autentificare a mesajelor.

Intrarea în reţea a unei staţii mobile este formată din urmatorii paşi:

- scanarea legăturii de DL şi sincronizarea cu staţia de bază- obţinerea descrierii legăturilor de DL şi UL ; descoperirea canalului disponibil pe

UL- ajustare- negocierea randamentului- autorizare , autentificare , stabilirea cheilor- înregistrarea

In timpul scanării , staţia mobilă caută semnale pe DL trecând prin frecvenţele disponibile . Realizează o căutare de sub-cadre pe DL . Atunci când un canal este găsit , MS-ul obţine descrierea legăturilor de UL şi DL . Descriptorii canalului de UL şi DL sunt obţinuţi ca mesaje de management MAC (indică proprietăţile burst-urilor în termini de rata datelor şi corecţia erorii) . In timpul ajustării , staţia mobilă îşi sincronizeză ceasul cu staţia de bază şi determină nivelul de putere necesar pentru a comunica cu staţia de bază .Conexiunea primară şi conexiunea de bază sunt asignate în timpul ajustării . Capacităţile cum ar fi algoritmii de securitate suportaţi , sunt negociate în cadrul legăturii de bază . Autentificarea şi autorizaţia se bazează pe certificatul X509 sau pe protocolul EAP (protocol de autentificare).

Vom examina ameninţările nivelului MAC cu privinţă la confidenţialitate şi autentificare . O unitate de date de nivel MAC (MAC-PDU) constă într-un antet MAC , date şi opţional un cod de verificare a erorii CRC (Cyclic Redundancy Check) . Antetul MAC conţine un fanion care indică dacă datele din PDU sunt criptate sau nu . Fiecare conexiune de transport (termenul se referă la o legătură de nivel MAC dedicată traficului utilizatorilor) are ori o asociaţie de securitate (atât pentru UL cât şi pentru DL) , sau două asociaţii de securitate (una pentru UL şi una pentru DL) .

Când se poate , înainte de criptare , fiecărui pachet îi este dată o identitate unică print-un număr reprezentat dintr-un pachet de 4 biţi (creşte de la o unitate de date la alta) . Este de notat că pentru unicitate sunt plaje de valori separate pentru UL şi DL . 802.16e foloseşte standardul de criptare a datelor (DES) în modul CBC (mod de înlănţuire a

45

codurilor bloc) sau standardul avansat de criptare (AES) în modul CCM , pentru criptarea datelor din unităţile MAC PDU . Protecţia integrităţii traficului de date pentru 802.16 nu a existat înainte de 802.16e .802.16e introduce un mechanism de protecţie a integrităţii pentru traficul de date.

Tabelul 3 oferă valori pentru ameniţări cum ar fi : ascultarea mesajelor de management şi apoi ascultarea traficului utilizatorilor . Mesajele de management (niciodată criptate) pot oferi informaţii valoroase unui atacator(ex:verificarea prezenţi victimei înaintea efectuării infracţiunii).Acestea pot fi interceptate de un atacator pasiv în timpul unei comunicaţii.Nu există dificultăţi tehnice serioase de rezolvat de către atacator ,deci este probabil ca acest lucru să se întâmple . Din perspective utilizatorului , ascultarea mesajelor de management , poate avea ca rezultat pierderi financiare limitate , dacă rezultatul este realizarea infracţiunii.Ascultarea traficului este o ameninţare minoră şi nu este nevoie de contramăsuri.

46

Tabel 3 : Analiza sumară a ameninţărilor

ameninţare algoritm probabilitate impact risc

bruiaj 3 1 3

Bruiaj de tip scrambling

2 1 2

ascultarea mesajelor de management

3:3 2:1 6:3

Ascultarea traficului

DES-CBM

AES-CCM

1 1 1

Mascarada staţiei de bază sau a staţiei de abonat

Lista dispozitive

3 3 9

Procedeu de autentificare X509

2:1 3:2 6:2

EAP 2:2 3:2 6:4

Modificarea mesajelor de management

Fără MAC 3 3 9

SHA-1 MAC 2 3 6

AES MAC 1 3 3

Modificarea traficului de date

Fără AES 3 1 3

Cu AES 1 1 1

Acces interzis pentru BS sau MS

EAP , SHA-1 , AES , MAC

3:3 3:2 9:6

47

Tipurile de autentificare aplicabile în WiMax 802.16 sunt listate în tabelul 3 . Printre acestea se găseşte şi autentificarea dispozitivului care este utilă pentru identificarea dispozitivelor furate şi pentru blocarea accesului acestora în reţea . Această autentificare este bazată pe certificatul RSA/X509. Certificatul poate fi programat într-un dispozitiv de producătorul său . Acesta este unilateral , cu alte cuvinte staţiile de bază nu pot fi autentificate . Orice slăbiciuni în autentificare , dau posibilitatea apariţiei unor ameninţări de tip mascaradă atât pentru staţia mobilă cât şi pentru cea de bază . Astfel de atac constă în reprogramarea unui dispozitiv cu adresa hardware a altui dispozitiv . Aceasta este o problemă bine cunoscută în serviciile nelicenţiate cum ar fi WiFi/802.11 , dar care a fost ţinută sub control în reţelele celulare datorită dificultăţii executării ei datorită modulului de identitate a abonatului (SIM) . Adresa poate fi furată prin interceptarea mesajelor de management . O staţie de bază falsă este o staţie atacatoare care imită o staţie de bază legitimă .O staţie de bază falsă derutează un set de staţii mobile ce încearcă să obţină servicii prin ceea ce ei cred că este o staţie legitimă . Metoda exactă de atac depinde de tipul reţelei . Intr-o reţea WiFi , care foloseşte accesul multiplu cu detecţie de purtătoare (CSMA) , atacatorul trebuie să capteze identitatea unui punct de acces legitim , să construiască un mesaj folosind identitatea punctului de acces , să aştepte până mediul este nefolosit şi să trimită mesajul . Pare a fi în topul ameninţărilor securităţii reţelelor WiFi/802.11 . In reţeaua WiMax/802.16 este mai greu de realizat , datorită modelului de acces multiplu cu diviziune în timp . Atacatorul trebuie să transmită în timp ce staţia de bază legitimă transmite . Semnalul atacatorului trebuie să ajungă la receptorul ţintă cu mai multă putere şi trebuie să pună semnalul staţiei de bază legitime într-un plan secund . Din nou , atacatorul trebuie să capteze identitatea staţiei de bază legitime şi să construiască un mesaj folosind acea identitate . Atacatorul trebuie să aştepte până când începe un slot de timp alocat staţiei de bază legitime . Atacatorul trebuie să transmită până când puterea semnalului în dbm este mai mare decât cea a semnalului de la staţia de bază legitimă . Staţiile mobile îşi reduce câştigul şi decodează semnalele de la atacator în locul celor de la staţia de bază legitimă.

Autentificarea mutuală la nivel utilizator-reţea a fost introdusă în WiMax/802.16 . Autentificarea mutuală , atunci când este valabilă , se realizează după scanare , obţinerea descrierii canalului , ajustării şi negocierii randamentului . Aceasta se bazează pe protocolul extensibil de autentificare (EAP) . Pentru WiMax/802.16 , EAP se poate actualize prin metode specifice de autentificare cum ar fi EAP-TLS (bazat pe certificat X509) sau EAP-SIM.

Există trei opţiuni pentru autentificare : autentificare bazată pe lista dispozitivelor , bazată pe certificate X509 şi pe EAP . Dacă este folosită doar autentificarea bazată pe lista dispozitivelor , atunci probabilitatea unei mascarade a staţiei de bază sau a staţiei de abonat este ridicată . Impactul poate fi major . Din această cauză riscul este mare şi trebuiesc luate măsuri . Dacă este folosită autentificarea pe bază de certificate X509 , probabilitatea ca un utilizator (staţie mobilă) să fie victima unei mascarade a staţiei de bază este posibilă din cauza asimetriei mecanismului . In cazul unui sistem este improbabil . Impactul asupra unui utilizator este ridicat pentru că poate duce la pierderi de servicii pentru o perioadă lungă de timp . Impactul asupra unui sistem este mediu

48

pentru că poate duce la pierderi financiare limitate . In cazul unui utilizator riscul este mare şi este nevoie de măsuri . Pentru un sistem riscul este minor şi nu este nevoie de măsuri.

Dacă este folosită autentificarea bazată pe protocolul EAP este mai sigur să spunem ca probabilitatea unei mascarade a staţiei de bază sau a staţiei mobile există . Impactul este acelaşi ca pentru autentificarea bazată pe certificate X509 . Riscul este critic pentru un utilizator şi major pentru un sistem.

TIP MECANISM

DISPOZITIV LISTĂ DISPOZITIVE

CERTIFICAT X509/RSA

NIVEL ABONAT EAP + EAP-TLS (X.509) SAU EAP-SIM (ID ABONAT)

TRAFIC DE DATE AES-CCM CVC-MAC

ANTET NIVEL FIZIC -----------------------

ANTEN NIVEL MAC ------------------------

MESAJE DE MANAGEMENT SHA-1 AES

TABEL 4 AUTENTIFICAREA IN WIMAX

Mesajele de management MAC nu sunt criptare şi nu sunt mereu autentificate . Există câteva mecanisme de autentificare a mesajelor de management de nivel MAC şi anume : HMAC şi OMAC . Folosirea mecanismului de autentificare pentru mesajele de management de nivel MAC , este negociată la intrarea în reţea . Slăbiciunile ce apar în autentificarea mesajelor de management deschid uşa agresiunilor cum ar fi atacul activ sau reluat.

Modificările traficului sunt improbabile în cazul în care se foloseşte standardul de autentificare extins (AES) şi probabile dacă nu se foloseşte . In concluzie , la folosirea standardului AES ameninţarea este minoră , altfel , este majoră .

49

Există posibilitatea apariţiei atacurilor de tip respingere de servicii (DoS) . Un atac DoS poate fi executat prin inundarea victimei cu un număr foarte mare de mesaje de autentificat . Acest lucru este posibil . Impactul asupra unui sistem este mediu , dar poate fi ridicat asupra unui utilizator .

CONCLUZIE

Ameninţările critice asupra securităţii WiMax-ului sunt : ascultarea mesajelor de management , mascarada staţiei de bază sau a staţiei mobile , modificarea mesajelor de management şi respingerea de servicii . Ameninţările majore sunt : bruiajul şi modificarea traficului de date (când nu este folosit AES) . Măsurile trebuiesc gândite pentru reţelele ce folosesc opţiuni de securitate cu un nivel al riscului major sau critic.

50

CAPITOLUL 8 METODE DE REDUCERE A INTERFERENŢEI

Odată cu extinderea treptată a reţelei într-un sistem fără fir , numărul abonaţilor care lucrează în aceeaşi frecvenţă va creşte , fapt care va creşte atât de mult interferenţa încât tehnologia aceasta nu-şi va atinge scopul devenind o problemă majoră în telecomunicaţii.

Se poate presupune că problema aceasta este de mare amploare în folosirea spectrului nelicenţiat întrucat mai mulţi operatori vor transmite în acelaşi spectru nelicenţiat pe măsură ce se ieftineşte . Asemenea probleme nu există însă în 802.16. Incepând din 1927 protecţia contra interferenţei a fost mereu în centrul misiunii regulatorilor federali de spectru . Actul din 1927 referitor la transmisia radio , a împuternicit Comisia federala pentru radio să adreseze probleme legate de interferenţă . Acest act se referă în principal la trei parametrii : locaţie , frecvenţă şi putere.

Grupul de lucru pentru protecţie contra interferenţei care aparţine de grupul special pentru politica spectrului a Comisiei federale pentru comunicaţie (FCC) , recomandă ca FCC să facă munca de analiză utilizând temperatura de interferenţă pentru măsura şi controlul interferenţei.

Temperatura de interferenţă este o măsură a puterii în frecventă radio disponibilă la antena receptorului , şi livrată antenei . Mai precis , este echivalentul în temperatură a puterii în frecvenţă radio , disponibilă la antena receptoare per unitate de lărgime de undă , măsurată în grade Kelvin.

Temperatura de interferenţă se măsoară ca puterea în wati recepţionată de antenă , împărţită la lărgimea de bandă asociată în Hz şi la constanta lui Boltzmann (1,3807 Ws/K) . Ca alternativă se poate calcula ca produsul densităţii de flux disponibil la antena de recepţie (watt pe metru pătrat) şi aria de captare efectivă a antenei (in metri pătrati) şi împărţită la lărgimea de bandă asociată (Hz) şi la constanta lui Boltzman . Densitatea temperaturii de interferenţă se poate calcula pentru frecvenţe particulare folosind o antena de referinţă cu caştig cunoscut .

Forme ale interferenţei

Interferenţa poate fi împărţită în două mari categorii :

- Interferenţa Co-Channel (CoCh) - internă

- Interferenţa din afara canalului – externa

Aceste tipuri de interferenţă pot fi văzute în figura 24 . In figura 24 este prezentat spectrul de putere al semnalului dorit şi de asemenea se observă interferenţa CoCh . Este important de notat că lăţimea de bandă a canalului unui semnal perturbator poate fi mai lată sau mai îngustă decât banda semnalului dorit . Dacă banda semnalului perturbator este mai lată , doar o parte a puterii sale va ajunge în banda filtrului de recepţie . In acest caz putem calcula interferenţa măsurând puterea primită la antena de

51

recepţie şi multiplicând cu un factor egal cu raportul dintre lăţimea de bandă a filtrului şi a semnalului nedorit.

Figura 24. Forme ale interferenţei

Un semnal perturbator din afara canalului poate fi observat de asemenea în figura 24 . Nivelul total al interferenţei poate fi determinat de 2 seturi de parametri . Mai întai o parte a lobilor laterali ai spectrului semnalului perturbator sau zgomotul de ieşire de la transmiţător va apărea ca un canal colateral (Coch sau co-channel) pentru semnalul util care este situat în banda de trecere a filtrului receptorului . Interferenţa de tip co-channel (CoCh) nu poate fi îndepărtată pe partea receptorului . Când am definit densitatea de putere spectrală a lobilor laterali şi zgomotul de ieşire relativ la lobul principal al semnalului , interferenţa poate fi calculată aproximativ precum calculul interferenţei unui canal colateral (CoCh) cu un factor adiţional de atenuare cauzat de reducerea energiei în spectru relativ la lobul principal al semnalului de interferenţă .

Lobii transmitatorului sunt detaliati in figura 25 :

52

Figura 25. Lobii transmiţătorului

Filtrul de recepţie al receptorului-victimă nu poate reduce complet lobul principal al semnalului perturbator . Nu există un filtru ideal , şi o parte a semnalului trece de banda de stop a filtrului şi asta se va adăuga la interferenţa CoCh deja prezentă . Măsura în care receptorul-victimă ejecteaza semnalul din afara benzii se numeşte performantă la blocare (blocking performance) şi indică nivelul de interferenţă . Acest tip de interferenţă se calculează uşor în mod similar calculului interferenţei de tip CoCh dar cu un factor adiţional de atenuare cauzat de cancelarea filtrului în banda de stopare a frecvenţei unde avem interferenţă în semnal.

53

8.1 Surse externe de interferenţă

Parametrii majori care trebuiesc luaţi în considerare de către inginerii de reţea pentru minimizarea surselor externe de interferenţă sunt în număr de patru :

● Canal / bandă / frecvenţă

● Distanţa faţă de semnalul util (cu cât mai aproape cu atât mai bine) sau distanţa la interferenţă (cu cât mai departe , cu atât mai bine)

● Puterea semnalului (cu cât mai mică , cu atât mai bine).

● Tehnologia folosită în construcţia antenei .

8.1.1 Schimbarea canalelor în cadrul benzilor ISM sau U-NII

Frecvenţa în WiMAX se extinde de la 2GHz la 66 GHz . In termeni de profit calculat de operatori ar fi mai înţeleaptă utilizarea spectrului licenţiat de cost scăzut şi păstrarea distanţei faţă de diverse surse de interferenţă . Scopul principal al utilizării spectrului licenţiat este prevenirea interferenţei între emiţători (broadcasters) în timpul transmisiei .

Comisia federală pentru comunicaţii a actualizat o regulă care spune că deţinătorii de spectru işi pot vinde surplusul de spectru altor operatori . Specificaţii pentru infrastructura în informaţia la nivel naţional în domeniile industrial , ştiinţific , medical şi cel nelicenţiat stabilesc diferite canale de frecvenţă . Dacă în timpul unei transmisii , interferenţa se face simţită într-un canal de frecvenţă , operatorilor le este permisă trecerea la alt canal unde interferenţa nu se resimte.

8.1.2 Administrarea distanţei

Transmiterea inteligentă a unui semnal este dictată de puterea semnalului şi de distanţa dintre receptor şi transmiţător. In comunicaţii , bugetul legăturii reprezintă o chestiune importantă şi reprezintă suma tuturor pierderilor şi câştigurilor în sistemul de comunicaţii . Bugetul legăturii serveşte la determinarea puterii necesare pentru transmiterea unui semnal .

Ecuaţia simplificată a bugetului legaturii este următoarea:

Puterea receptionată (dbm)=Puterea transmisă(dbm)+Câştig(dbm)+Pierderi(dbm)

54

In reţelele WiMax MAN , dacă sursa este la distanţă mare , atunci nu apare nici un fel de interferenţă. In acest fel semnalul perturbator devine prea slab pentru a mai putea crea interferenţă. O altă posibilitate este ca staţia de bază sa fie la o distanţă mare faţă de dispozitivul abonatului şi atunci semnalul devine tot mai slab cu creşterea distanţei şi mai uşor de afectat de interferenţă deoarece semnalul perturbator poate deveni mai puternic decât semnalul dorit . In figura 26 se poate observa aria de acoperire a fiecărei celule cu staţie de bază :

Figura 26 Aria de acoperire a celulelor cu BS

8.1.3 Adaptarea puterii

Intensitatea nivelului de putere trebuie luată în considerare atât în semnalele primare cât şi în semnalele perturbatoare . Dacă nivelul puterii în cazul semnalelor perturbatoare devine apropiat de nivelul puterii semnalului dorit , atunci cu siguranţă va apărea interferenţa . O soluţie simplă este creşterea nivelului de putere în cazul semnalului dorit astfel încat să acopere semnalul nedorit.

55

8.2 Surse interne de interferenţă

Uneori , însăşi o reţea wireless produce mari interferenţe . Principala sursă de interferenţă include zgomotul de pe canal şi interferenţa multi-cale .

8.2.1 Distorsiunea multi–cale

Când un semnal de radio frecvenţă este trensmis spre un receptor , comportamentul său general este să devină mai sensibil cu creşterea distanţei pe care este transmis . In drumul său , semnalul de radio frecvenţă întâlneşte obiecte care duc la reflexia , refracţia , difracţia sa . Când semnalul este reflectat de un obiect , multiple fronturi de unda sunt create . In consecinţă , la recepţie vor ajunge mai multe fronturi de undă. Propagarea pe mai multe căi are loc atunci când semnalul radio o ia pe diverse căi de la sursă la destinaţie . O parte a semnalului ajunge direct la destinaţie , pe când o altă parte a acestuia ricoşează datorită unei obstrucţii şi abia apoi îşi continuă drumul spre destinaţie . Ca rezultat , o parte a semnalului suferă o întârziere şi urmează o cale mai lungă până la destinaţie.

Distorsiunea multi-cale este o forma de interferenţă care apare atunci când semnalul radio urmează mai multe căi între transmiţător şi receptor.Acest lucru se întâmplă în celule cu suprafeţe reflectoare .

Efectele distorsiunii multicale includ :

- Corupţia datelor – receptorul nu este capabil să detecteze informaţia transmisă

- Anularea semnalului –apare când undele reflectate ajung în contra-fază cu semnalul principal şi îl anulează complet

- Creşterea amplitudinii semnalului – apare când undele reflectate ajung în fază cu semnalul principal adunându-se astfel încât intensitatea semnalului creşte

- Descreşterea amplitudinii semnalului – apare când undele reflectate ajung într-o anumită proporţie în contra-fază cu semnalul principal , reducând astfel amplitudinea acestuia

Vom explica mai departe cum apare distorsiunea multi-cale :

-Undele de RF reflectate îsi continuă drumul şi ajung mai târziu la recepţie decât unda de RF directă

-Semnalul reflectat pierde mai multă energie decât semnalul ce o ia pe calea directă , datorită rutei mai lungi

56

-Semnalul pierde energie datorită reflexiei

-Când diferitele forme de undă se combină , ele cauzează denaturarea formei de undă dorită şi afectează capacitatea de decodare a receptorului . Când semnalele reflectate sunt combinate la recepţie , chiar dacă intensitatea semnalului e puternică , calitatea acestuia e slabă.

Dacă există diferenţă în timp între două căi , diferitele semnale se vor suprapune şi vor dezvolta interferenţa între simboluri . Tehnica OFDM este de mare ajutor la eliminarea multor probleme legate de interferenţă în cazul WiMax-ului.

Figura 27 Distorsiuni multi-cale

57

CAPITOLUL 9 Comparaţie între WiMax şi WiFi

WiMax-ul şi WiFi-ul se bazează pe standardele IEEE 802 şi lucrează ambele pe conexiuni wireless.

Deşi cele două tehnologii au în comun anumite caracteristici tehnice fundamentale , ele abordează spaţiul wireless din perspective total diferite.

Mai departe vom face o comparaţie între cele două tehnologii subliniind asemănările şi diferenţele fundamentale .

9.1 Diferenţa între benzile de frecvenţă pentru WiMax şi WiFi

In timp ce implementările WiFi folosesc benzi de frecvenţă nelicenţiate , WiMax-ul poate opera atat în spectru nelicenţiat cât şi licenţiat . In plaja de valori 2-11 GHz , există patru benzi pe care se pune accentul :

■ Spectru licenţiat de 2,5 GHz : In U.S.A , Comisia Federală de Comunicaţii a alocat 200 MHz de spectru radio licenţiat între 2,5 şi 2,7 GHz

■ Spectru licenţiat de 3,5 GHz : O porţiune de spectru licenţiat a fost alocat în plaja de valori între 3,4 şi 3,7 GHz şi este folosit în restul lumii , mai ales în Europa

■ Spectru nelicenţiat de 3,5 GHz : In U.S.A Comisia Federală de Comunicaţii a alocat un spectru nelicenţiat de 50 MHz între valorile de 3.65 şi 3,70 GHz pentru servicii wireless în locaţii fixe

■ Spectru nelicenţiat de 5 GHz : In U.S.A este folosit şi un spectru nelicenţiat cu valori între 5,150 -5,350 şi 5,470-5,825 GHz

Banda de frecvenţă WiMax (802.16) WiFi (802.11)

Licenţiată 2 – 11 GHz -

Nelicenţiată 10 – 66 GHz 2,4 – 5 GHz

Tabelul 5 Benzile de frecvenţă pentru WiMax-WiFi

58

9.2 Comparaţie între funcţionări WiMax-WiFi

WiFi foloseşte unde radio , exact ca telefoanele mobile şi comunicaţia într-o reţea wireless este foarte asemănătoare cu comunicaţiile radio duplex . Un adaptor wireless converteşte datele în semnale radio şi le transmite folosind o antenă . Un router wireless primeşte semnalul şi îl decodează . Acesta trimite informaţia către internet folosind o conexiune fizică Ethernet . Procesul lucrează şi invers , router-ul poate primi informaţii dinspre internet , pe care le converteşte în semnale radio şi le trimite către adaptorul wireless al calculatorului.

Figura 28 Elemente ce se găsesc în reţele wireless

59

Figura 29 Reţeaua WiFi

WiFi hostpot reprezintă un punct de acces la internet într-o locaţie publică cum ar fi :cafenea , spital , hotel , aeroprt , etc . Acest punct de acces serveşte ca staţie centrală numită staţie de bază.

WiMax-ul funcţionează asemănător cu WiFi-ul dar la viteze mult mai ridicate , pe distanţe mult mai mari . In principal , WiMax-ul constă din două părţi: - Un turn de antene WiMax , similar cu cel folosit în telefonia mobilă – un singur turn WiMax furnizează acoperire unei suprafeţe foarte mari. - Un receptor WiMax – Receptorul şi antena pot fi integrate într-un laptop

Un turn WiMax se poate conecta direct la internet folosind o conexiune cu fir de bandă largă şi de asemenea se poate conecta la alt turn WiMax folosind o legătură cu vedere directă ce se numeşte backhaul.

60

Figura 30 Funcţionarea WiMax-ului

9.3 Zona de acoperire şi mobilitatea

Raza de acţiune pentru Wi-Fi este foarte limitată în comparaţie cu cea pentru WiMax, ajungând la doar 30 m în comparaţie cu 50 km pentru o vizibilitate directă şi 8 km în condiţii fară vizibilitate . Cea mai mare cerere este mobilitatea însă şi obţinerea unei latenţe scăzute şi a unei pierderi scăzute de pachete în timp ce utilizatorul îşi schimbă locaţia , reprezintă o sarcină importantă.

802.16 MAC , include multe caracteristici potrivite pentru o gamă largă de aplicaţii la diferite grade de mobilitate, cum ar fi:

-suprimarea antetului , împachetarea şi fragmentarea sunt metode foarte eficiente şi foarte folosite în spectru

- 61nactiv pentru radiodifuziune şi multi casting - handover cu viteză mare - există trei nivele de management pentru putere care sunt : oprit , 61nactive ,

normal

61

9.4 Fiabilitate şi securitate WiMax-WiFi

Din punctual de vedere al unui utilizator , principala grijă în legătură cu securitatea este reprezentată de confidenţialitate şi integritatea datelor . Utilizatorul are nevoie de o asigurare că nimeni nu îi poate asculta sesiunea şi că datele transmise pe legătura de comunicaţie nu sunt falsificate . Aceste lucruri sunt în general obţinute cu ajutorul criptării.

Din punctul de vedere al furnizorilor de servicii este foarte importantă prevenirea folosirii neautorizate a serviciilor de reţea . Aceste lucruri se rezolvă folosind metode puternice de autentificare şi control al accesului .

Spre deosebire de WiFi unde problemele de securitate au fost tratate după finalizarea standardului , în cazul sistemelor WiMax securitatea a fost tratată prioritar . Standardul include metode pentru asigurarea confidenţialităţii utilizatorilor şi pentru prevenirea accesului neautorizat.

LOS / NLOS SECURITATE WIFI NLOS WEP , SSID , ADRESA

MAC , EAP WIMAX NLOS

LOSX.509 , PKM ,AES , VPN

Tabelul 6

● WEP (Wired Equivalent Privacy) - a fost prima metodă de criptare folosită pentru WiFi . WEP este un algoritm proiectat pentru a oferi echivalentul securităţii reţelelor cu fir.

● SSID (Service Set Identifier – Identificatorul Setului de Servicii) – metoda identificatorului setului de servicii este folosită pentru creşterea securităţii şi a confidenţialităţii . Folosirea sa are ca scop direcţionarea staţiilor către punctele de acces corecte în cazul în care există mai multe . Poate fi folosit pentru a nu permite anumitori utilizatori să intre în reţea.

● Adresa MAC – această tehnică implică folosirea adresei fizice MAC a clientului

■ Securitatea pentru WiMax SUPORT PENTRU CONFIDENŢIALITATE : Datele de la utilizatori sunt criptate folosind scheme de criptare puternice pentru a se oferi confidenţialitate. Cele mai multe

62

sisteme folosesc standardul de criptare avansat AES (Advanced Encryption standard) întrucât este mai uşor de implementat.

AUTENTIFICARE : Structura de autentificare se bazează pe protocoalele EAP ( protocol extensibil de autentificare) care suportă o varietate de tipuri de identificare : username / parola , certificate digitale . In reţelele WiMax , dispozitivele terminale au implementat un certificate digital X509 care conţine cheia publică a acestora şi adresa MAC .

PKM (Privacy and Key Management Protocol) – este un protocol ce asigură schimbul sigur de chei de criptare între BS si SS. Acest protocol ajută şi BS-ul in selecţia accesului la mediu.

9.5 Comparaţie între tehnicile de modulaţie ale WiMax şi WiFi

Sistemele WiFi folosesc două tehnici principale de transmisie radio:

- 802.11b (viteza de transmisie de pana la 11 Mbps )- legătura radio 802.11b foloseşte modulaţia cu spectru împraştiat prin secvenţă directă , numită şi modulaţie CCK (modulaţie cu deplasare complementară de cod) - 802.11a şi g (viteza de transmisie de până la 54 Mb) – sistemele 802.11a şi g folosesc tehnica OFDM cu 64 de canale . Transmiţătorul codează şirul de biţi pe cele 64 de sub-purtătoare , folosind BPSK (modulaţie cu deplasare binară de fază) , QPSK (modulaţie cu deplasare de fază în cuadratură) sau unu din cele două nivele QAM (modulaţie de amplitudine în cuadratură) -16 sau 64 QAM.

Standardele WiMax definesc trei opţiuni pentru legătura radio :

- SC-A –canal cu o singură putătoare- OFDM cu 256 de sub-purtătoare- OFDMA cu 2048 de sub-purtătoare

63

9.6 Rata datelor şi latenţa transmisiei

LĂŢIMEA DE BANDĂ

LATENŢA RATA DE BIT MAXIMĂ

WIMAX 70 Mbps la 14 MHz 25-40 ms 100 Mbps WIFI 54 Mbps la 20 MHz 50 ms 54 Mbps

Tabelul 7

Una din principalele diferenţe dintre WiMax şi WiFi este cea dintre rata datelor , WiMax-ul având o rată a datelor de pânaă la 100 Mbps în comparaţie cu WiFi care ajunge la doar 54 Mbps . Configuraţiile pentru WiMax au imbunătăţit multe deficienţe ale standardului WiFi furnizând lăţimi de bandă mai mari şi o rată a datelor mai mare.

9.7 Corecţia în avans a erorilor (FEC) în WiMax şi WiFi

Codarea FEC creşte rata transmisiei , îmbunătăţind astfel performanţa. Varianta 802.11b nu include codarea FEC dar o codare convoluţională FEC a fost încorporată în 802.11 a şi g . WiMax-ul foloseşte şi codarea convoluţională şi un sistem FEC Reed-Solomon.

9.8 Comparaţie între eficienţele tehnologiilor WiMax şi WiFi

WiFi 802.11b oferă eficienţă spectrală între 0,04 şi 0,44 bps/Hz , iar varianta 802.11 a sau g oferă eficienţă spectrală între 0, 24 şi 2,7 bps/Hz pe canal de 20 MHz . In cazul WiMax-ului combinaţia dintre modulaţie şi schemele de codare duce la o eficienţă spectrală de pâna la 5 bps/Hz . Asta ar însemna o rată de transmisie de 100 Mbps într-un canal radio de 20 MHz . Eficienţa spectrală scade pe măsură ce creşte raza de transmisie deci va fi mai realist sa spunem că avem o eficienţă spectrală de până la 3,5 bps / Hz sau o rată a transmisiei de până la 70 Mbps într-un canal de 20 MHz.

64

Tabelul 7 Sumarul legăturilor radio în cazul 802.16

802.16 802.16a 802.16e

SPECTRU 10 – 66 GHz 2 – 11 GHz < 6 GHz CONFIGURARE LOS NLOS NLOS RATA DE BIT 32 – 134 Mbps

(CANAL DE 28 Mhz)

< 70 SAU 100 Mbps (canal de 20 MHz)

Până la 15 Mbps

MODULAŢIE QPSK,16-QAM64-QAM

256 sub-urtătoareOFDM folosind QPSK , 16-QAM , 54 QAM , 256-QAM

La fel ca la 802.16a

MOBILITATE FIX FIX <70 mphLĂŢIMEA DE BANDĂ A CANALULUI

20 , 25 , 28 MHz 1,25 – 20 MHz 5 MHz

RAZA CELULEI 1-3 mile 3-5 mile 1-3 mile

65

Tabelul 8 Comparaţie între tehnologiile WiMax şi WiFi

WIMAX 802.16a

WIFI 802.11b

WIFI 802.11a/g

Aplicaţii principale Bandă largă Reţea locală wireless

Reţea locală wireless

Reţea locală wireless

Banda de frecveţă Licenţiată/nelicenţiată 2-11 GHz

2,4 GHz ISM 2,4 GHz ISM 5 GHz

Laţimea benzii canalului

1.25 – 20 MHz 25 MHz 20 MHz

Duplex /semi-duplex

Duplex Semi-duplex Semi-duplex

Tehnologia radio OFDM(256 canale) Modulaţia cu spectru împraştiat prin secvenţă directă

OFDM (64 de canale)

Eficienţa spectrală ≤ 5 bps/Hz ≤ 0,44 bps/Hz ≤ 0,27 bps/HzModulaţie BPSK , QPSK , 16- ,

64- , 256-QAMQPSK BPSK , QPSK , 16-

, 64-QAM

FEC Cod convoluţional Reed - Solomon

- Cod convoluţional

Criptare 3DES AES RC4 RC4

Protocol de acces Cerere / alocare CSMA / CA CSMA / CA

Mobilitate WiMax mobil (802.16e)

Mobilitate cu rază mică

Mobilitate cu rază mică

66

CAPITOLUL 10 ANALIZA COSTURILOR PENTRU WIMAX

Costul dezvoltării şi gestionării unei reţele de bandă largă poate fi împărţit în două categorii:

- Cheltuieli capitale- Cheltuieli operaţionale

Cheltuiala capitală include investiţiile în echipament , design şi execuţia întregii reţele : achiziţionarea amplasamentului , putere , sistem de antene , sistem de transmisie . Echipamentul folosit în reţele include staţii de bază şi controleri radio.Componentele principale ale cheltuielilor capitale sunt :

- Staţii de bază- Pregătirea amplasamentului - Platformele de servicii- Spectrul

Cheltuielile operaţionale sunt formate din trei costuri diferite : - Cheltuieli de client ( costurile pentru obţinerea clienţilor , comisionul de dealer)- Cheltuieli în vederea beneficiilor (dezvoltarea serviciilor ,promoţii , personal de

marketing )- Cheltuieli de reţea (transmisie , funcţionare , întreţinere )

Cheltuielile operaţionale include costuri legate de : funcţionare , administrare , întreţinere , furnizare de servicii.

● FUNCŢIONAREA – include lucrul sistemelor suport , echipa şi instruirea necesară pentru instalarea şi întreţinerea elementelor de reţea ●ADMINISTRAREA – se ocupă cu aranjarea nivelului de servicii după ce echipamentul a fost instalat ●INTREŢINEREA - include menţinerea calitatăţii serviciilor şi de asemenea localizarea şi îndepărtarea erorilor ●FURNIZAREA – face serviciile disponibile prin instalarea şi aranjarea infrastructurii de reţea

Cheltuielile operaţionale reprezintă factorul vital şi sunt estimate la 25 – 28 % din costurile totale .

CAPITOLUL 11 ELEMENTELE INTR-O REŢEA WIMAX

67

● CPE (echipamentul clientului) se referă în principal la telefoane , modemuri DSL sau modemuri de cablu ● BACKHAUL ● BTS (staţia de bază) - este echipamentul ce facilitează comunicaţia wireless între echipamentul utilizatorului şi reţea . Echipamentele utilizatorilor pot fi telefoane mobile , calculatoare cu conectivitate la internet de tip wireless , etc. ●Managementul reţelei – se referă la administrarea şi întreţinerea reţelelor de telecomunicaţii pe scară largă

Figura 31 Elementele principale ale unei teţele WiMax

11.1 Analiza zonei de acoperire Mai jos sunt prezentaţi factorii ce determină aria de acoperire a unei reţele:

- propagarea semnalului de RF- locaţia CPE- puterea transmisă de CPE- câştigul de antenă - sensibilitatea receptorului- puterea de transmisie a staţiei de bază- limita de atenuare

68

- atenuarea clădirilor - rata datelor

11.2 Propagarea semnalului de RF

In orice sisteme de comunicaţii , semnalul recepţionat va fi diferit de semnalul transmis , datorită diverselor probleme ale transmisiei cum ar fi : refexia , difracţia , absorbţie . Aceste elemente afectează întreaga zonă de acoperire a reţelei.

Figura 32 Propagarea semnalului de RF

11.3 Câştigul antenei

O antenă izotropică este o antenă care emite în mod egal în toate direcţiile . In practică nu există aşa ceva şi acest model teoretic se foloseşte numai ca model de comparaţie pentru a aprecia câştigul antenei. O antenă izotropică produce în toate direcţiile un câmp la fel de puternic . La antenele adevărate nu este aşa. In anumite direcţii câmpul de radiaţie este mai puternic, şi ca echilibru , în alte direcţii este mai slab . Cu cât este mai puternic, depinde de felul antenei şi de construcţia ei . Câştigul antenei indică valoarea cu cât este radiaţia mai puternică în direcţia predominantă în comparaţie cu antena izotropică , respectiv în cazul antenelor receptoare, cu cât este mai mare randamentul recepţiei.

69

11.4 Puterea transmisă şi recepţionată

Puterea recepţionată trebuie să fie suficient peste zgomutul de fond pentru o comunicaţie eficientă care dictează puterea transmisă necesară . Pe măsură ce unitatea mobilă se îndepărtează de transmiţător , puterea recepţionată începe să descrească , fiind influenţată pe distanţe scurte şi de alţi factori precum reflexia , refracţia şi împrăştierea semnalului ; motivul este că nivelul (puterea) semnalului recepţionat este suma algebrică a semnalelor care ajung pe căi diferite şi care pot contribui fie pozitiv , fie negativ la semnalul recepţionat . In acelaşi timp este de dorit să se minimizeze puterea semnalului transmis de mobil pentru a reduce interferenţa co-channel. Cantitatea cu care un semnal recepţionat poate fi redus fără a cauza o cădere a performanţei sistemului sub o valoare limită particulară se numeste limită de atenuare . Sensibilitatea oricărui dispozitiv electronic precum de exemplu un receptor este definită ca magnitudinea minimă a semnalului de intrare necesară pentru producerea unui semnal de ieşire determinat având o valoare dată a (SNR) sau satisfăcând orice alt criteriu specific. 11.5 Condiţii pentru staţia de bază

11.5.1 Acoperire ● Exemplul 1 - 8 km pătraţi zonă urbană -zona de acoperire pentru o staţie de bază (zonă urbană)-2 km pătraţi -este nevoie de patru staţii de bază

● Exemplul 2

-125 km pătraţi de zonă rurală - zona de acoperire pentru o staţie de bază (zonă rurală) – 25 km pătraţi - este nevoie de cinci staţii de bază

70

11.5.2 Capacitate

● Exemplu - 8 km pătraţi de zonă urbană – 2 km pătraţi acoperire per staţie de bază - 4 staţii de bază necesare pentru acoperire - numar de potenţiali abonaţi - 40.000 - rata de penetrare 10 % sau 4000 abonaţi - rata de date medie per abonat – 50 Kbps - număr efectiv de abonaţi – 4000 - rata de date medie ce trebuie suportată – 200 Mbps - rata de date medie suportată de o staţie de bază – 40 Mbps - este nevoie de 5 staţii de bază

Concluzie : este nevoie de cinci staţii de bază pentru capacitate însă doar patru pentru acoperire.

11.5.3 Rata datelor

● Exemplu (prin creşterea ratei de date până la 2 Mbps se ajunge la nevoia de a avea mai multe staţii de bază)

-creşte rata datelor per abonat la 2 Mbps

DE TERMINAT CAP 11

71

CAPITOLUL 12 WIMAX MOBIL

WiMax-ul mobil (802.16 e) a permis utilizatorilor să acceseze internetul la viteze înalte oriunde , oricând şi de asemenea a oferit mobilitate . Utilizatorii care se mişcă cu o viteză sporită (până în jur de 120 km/h) pot beneficia de suport de date şi suport multimedia fără probleme . Abonaţii ce folosesc aparatura celulară vor putea beneficia de servicii de date la o viteză comparabilă cu cea din cazul comunicaţiilor cu fir . In zilele noastre , accesul la internet de mare viteză prin cablu , oferă o rată a datelor ridicată dar rămâne problema mobilităţii , întâlnită şi în cazul accesului wireless la internet care are o acoperire limitată şi rată de tranfer foarte joasă . WiMax-ul oferă acces la internet în bandă largă şi o rată de transfer ridicată . WiMAX-ul mobil încorporează şi alte caracteristici fundamentale pentru aplicaţii mobile: handover, managementul puterii (mod sleep şi mod idle) , lărgime de bandă scalabilă (SOFDMA), reutilizarea frecvenţelor , mai bună performanţă in medii NLOS şi o mai bună penetrare indoor . WiMax-ul mobil poate fi folosit în acele zone unde infrasctructura cablată nu se poate atinge.

WiMax-ul mobil operează în intervalul de la 2 la 6 GHz care este în principal spectru licenţiat.Această tehnologie este una de viitor ce va fi foarte mult folosită . Figura de mai jos indică evoluţia numărului de abonaţi şi presupunerile asupra creşterii numărului acestora în anii ce urmează.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

America de N

Europa

APAC

America Latina

Africa

Media conexiunilor

America de N 0.25 0.69 1.18 1.73

Europa 0.6 1.09 2.07 3.19

APAC 0.76 1.72 2.55 3.32

America Latina 0.16 0.33 0.41 0.52

Africa 0.2 0.47 0.41 0.52

Media conexiunilor 1.95 4.29 6.62 9.28

2007 2008 2009 2010

Figura 33 Evoluţia numărului de abonaţi WiMax

72

12.1 WiMax-ul mobil bazat pe OFDMA

WiMax-ul mobil se bazează pe tehnica de modulaţie OFDMA . Aceasta metodă de modulaţie are numeroase avantaje în privinţa vitezei de transfer , eficienţei spectrale , latenţei şi antenelor avansate , obţinându-se astfel o tehnologie îmbunătăţită. Această tehnică de modulaţie este folosită pentru a îmbunătăţii performanţele transmisiunii pe mai multe căi , în medii fără vizibilitate directă. In cazul FDM-ului sunt mai multe sub-purtătoare în acelaşi canal astfel încât rata totală a datelor este împărţită între sub-purtătoarele canalului . Dacă sistemul FDM foloseşte un set de sub-purtătoare ortogonale una faţă de cealaltă , se obţine un nivel de eficienţă spectrală îmbunătăţit metoda fiind denumită OFDM . Folosirea sub-purtătoarelor ortogonale permite spectrului sub-purtătoarelor să se suprapună lucru care duce la creştere eficienţei spectrale . Dacă produsul scalar între două semnale este zero , atunci cele două semnale sunt ortogonale unul faţă de celălalt.

OFDMA este o tehnică de modulaţie care are la bază tehnica OFDM , dar care oferă acces multiplu prin asignarea unui set de sub-purtătoare unor utilizatri individuali . Astfel mai mulţi utilizatori pot transmite simultan pe acelaşi canal.

Toţi utilizatorii

Utilizator 1

Utilizator 2

Utilizator 3

Utilizator 4

Figura 34 Accesul mai multor utilizatori prin OFDMA

73

Tehnica OFDMA este mai performantă în mediile fără vizibilitate directă . Lăţimea totală de bandă este împărţită în sub-canale şi fiecare din aceste sub-canale este format din mai multe sub-purtătoare . Fiecare sub-canal este alocat acelui abonat care obţine în cadrul său cea mai bună performanţă . Staţia de bază stabileşte domeniul de frecvenţă şi timp şi alocă dinamic sub-canale utilizatorilor . Folosirea tehnicii OFDMA duce la o creştere a calităţii medii a canalului între terminalele mobile şi staţiile de bază . In OFDMA , sub-canalizarea activează concentrarea puterii transmise pe un număr redus de sub-purtătoare lucru care duce la o acoperire şi o rază de acţiune mai mare.

Există trei tipuri de sub-purtătoare OFDMA :

● Sub-purtătoare de date – pentru transmisiunea datelor

● Sub-purtătoare pilot – pentru sincronizare şi estimare

● Sub-purtătoare nule – nu sunt folosite pentru transmisie ci pentru benzile de gardă ( la stânga şi la dreapta )

Figura 35 Structura sub-purtătoarelor OFDMA

Sub-purtătoarele ce formează un sub-canal pot fi sau nu învecinate . Diferitele feluri de grupare a sub-purtătoarelor într-un canal în cazul standardului 802.16 poartă numele de permutări. Există trei tipuri de permutări :

● FUSC( full usage of sub-channels ) – sub-purtătoarele ce formează un sub-canal pot fi împrăştiate în domeniul de frecvenţe al canalului – se asigură cea mai bună diversitate a frecvenţelor (DL)

●PUSC ( partially usage of sub-channels ) – diverse grupuri dispersate de sub-purtătoare sunt folosite să formeze un sub-canal (DL , UL)●AMC (adaptive modulation and coding) - sub-canalele sunt formate din grupuri de sub-purtătoare învecinate

74

Figura 36 Permutările sub-purtătoarelor

In cazul permutărilor FUSC şi PUSC , sub-canalelor li se atribuie sub-purtătoare într-un mod pseudo-aleator . Sub-purtătoarele pentru un anume sub-canal într-o anume celulă , vor fi diferite de sub-purtătoarele aceluiaşi sub-canal într-o altă celulă (de exemplu , sub-purtătoarele din sub-canalul 1 , în celula 1 , vor fi diferite de sub-purtătoarele din sub-canalul 1 în celula 2).Această calculare pseudo-aleatoare a permutărilor duce la minimizarea efectelor negative ale interferenţei între celule. In general , permutările FUSC şi PUSC sunt folosite în aplicaţiile mobile , în timp ce permutările AMC sunt mai potrivite în cazul aplicaţiilor fixe , cu o mobilitate scăzută sau în cazul portabilităţii.

75

SOFDMA aduce scalabilitate tehnologiei OFDMA. Aceasta modifică dimensiunea FFT (Fast Fourier Transform) la lungimea de bandă a canalului în timp ce păstrează spaţierea frecvenţei subpurtătoare constantă peste diferite lărgimi de bandă ale canalului. O dimensiune a FFT mai mică duce la o mai mică lărgime de bandă a canalelor , în timp ce o dimensiune mai mare FFT la o lărgime de bandă mai mare . Prin menţinerea constantă a distanţei dintre frecvenţele sub-purtătoare, SOFDMA reduce complexitatea sistemului de canale mai mici şi îmbunătăţeşte performanţa canalelor mai mari.

De menţionat este faptul că IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) este utilizată în transmiţătorul WiMAX pentru a crea o formă de undă OFDM din şirurile de date modulate , în timp ce FFT este utilizată în receptoarele WiMAX pentru a demodula fluxul de date . Dimensiunea FFT este egală cu numărul de subpurtătoare . Intr-un sistem OFDM/OFDMA cu 256 subpurtătoare, dimensiunea FFT este 256.

Figura 37 Transmiţătorul şi receptorul RF pentru WiMAX

76

Capitolul 13 Aplicaţii şi servicii pentru 802.16

Datorită capacităţii sale sporite , a timpilor de aşteptare scurţi , a calităţii serviciului şi suportului accesului mobil la WiMax , noi aparate işi vor face apariţia pe piaţă . Următoarele aparate mobile sunt aşteptate să ofere interfeţe WiMAx :

- aparatura de prelucrare a datelor precum calculatoare portabile de tip notebook, calculatoare de mână si ultraportabile .- dispozitive electronice de consum precum console de jocuri si aparate MP3- aparate telefonice mobile si telefoane inteligente- aparatură pentru aplicaţii verticale precum camere de televiziune in circuit închis şi dispozitive folosite in autoturisme.

Majoritatea calculatoarelor şi a aparatelor mobile vor încorpora chipuri WiFi şi WiMax care vor permite conectarea la reţea a utilizatorilor în orice moment şi cu o viteză mare de date chiar dacă aceştia se află într-un autobuz ori autmobil . Să aruncăm o privire la câteva aplicaţii-cheie ale WiMax-ului :

13.1. Accesul la internet

Legăturile DSL şi prin cablu domină piaţa de astăzi , dar se prevede că WiMax-ul va fi utilizat inţial ca metodă de distribuţie pentru întreprinderile care livrează unei clientele selecte servicii ca cele tip DSL ori tip cablu , printr-o reţea fără fir . WiMax va distribui servicii de internet de bandă largă , fără fir.

77

Figura 38 furnizarea serviciilor de bandă largă prin intermediul WiMax-ului

13.2 Alternativa unei legături fizice

NOTA: termen tehnic de tradus: "local loop", care desemneaqza legatura fizica, ori circuitul, care face legatura intre punctul de demarcatie al cladirii consumatorului si frontiera retelei furnizorului de servicii internet ori telefonice. SFARSITUL NOTEI.

O companie îşi poate reduce costurile de afaceri trcând de la folosirea cablului de cupru pentru pentru realizarea legăturii fizice între consummator şi furnizor , la soluţia telefonului prin internet utilizând WiMax-ul . Utilizatrea unei legături fără fir va duce la o robusteţe sporită prin absenţa cablajului şi reducerea costurilor de întreţinere , la care va juca un rol şi reducerea numărului de ingineri şi tehnicieni care lucrează la întreţinere.

78

Figura 39 Legătura fizica de tip wireless

13.3 Transportul de date pentru comunicaţie de tip WiFi

In întreaga lume sunt instalate în continuare în ritm susţinut hotspot-uri Wifi , şi la fiecare hotspot există DSL , ori un spectru dedicat de bandă largă care se foloseşte la traficul de date între punctul de acces fără fir şi oficiul central al companiei telefonice care asigură legatura la internet . WiMax nu numai că poate folosi în acest caz la transport de date , dar în plus staţia de bază WiMax poate fi folosită ca punct de conectivitate pentru un număr mare de aparate cu funcţionalitate WiMax precum calculatoare laptop şi de mână .

Figura 40 Legătura fizică WiFi

13.4 Traficul celular

79

Majoritatea traficului pentru turnurile celulare are loc fie printr-un mediu dedicat T1 , fie printr-o legătură prin microunde . Folosirea WiMax-ului ca înlocuitor al transportului fără fir aduce beneficii precum reducerea cheltuielilor de operare (OPEX) prin evitarea chiriei plătite pentru liniile fixe , în acelaşi timp beneficiind de noile tehnologii din reţea care suportă roaming în bandă largă .

Figura 41

13.5. WiMax IPTV

Unul dintre dezideratele public exprimate este de a reuni serviciile TV , telefonic şi de date într-unul singur şi de a permite primirea de către abonat a unei unice facturi lunare . IPTV (televiziune prin protocol internet) este o tehnologie video care concurează televiziunea prin cablu şi pe cea difuzată .

80

Cu IPTV operatorii pot oferi abonaţilor servicii de comunicare verbală (voice) , video şi de date într-o platformă unică . Abonaţii vor avea de comunicat doar cu un singur furnizor de servicii pentru toate necesităţile lor de comunicaţie , fapt ce duce la uşurarea şi îmbunătăţirea calităţii operaţiilor de întreţinere tehnică şi la simplificarea sistemului de plată . Televiziunea prin internet (IPTV) interactivă va permite individualizarea profilului diferiţilor telespectatori după preferinţele lor de vizionare.

13.5.1 Funcţionarea tehnologiei IPTV

Furnizorii de servicii IPTV au următoarele componente esenţiale :

● Conţinut şi programare

Furnizorul de servicii IPTV culege material direct de la distribuitorii de programe şi difuzori şi îl grupează în programe codate.

● Codare

Furnizorul de servicii IPTV codifică programele video în şiruri de date de tip MPEG-2 la o viteză fixă pentru a asigura o înaltă calitate a difuziunii .

● Şirurile de date MPEG-2 , sunt încapsulate în UDP/IP şi transmise ca şiruri multicast individuale către satelit pe UL.

13.6 VOIP

VOIP se consideră a fi una dintre cele mai populare aplicaţii ale WiMAX-ului care , nefiind proiectat a suporta CDMA ori WCDMA , va oferi suport traficului VOIP . WiMAX-ul nu va concura cu operatorii de telefonie mobilă care oferă preţuri competitive , însă traficul oricărui operator telefonic mobil va putea folosi ţelele WiMAX. Telefonia IP se caracterizează prin conversia vocii în pachete de date ce se transmit prin reţele IP de la sursă la destinaţie, unde sunt puse din nou în ordinea iniţială şi convertite înapoi în semnale acustice . Cea mai cunoscută reţea IP este Internetul , conectând milioane de utilizatori la nivel mondial . Alte reţele IP sunt cele interne companiilor , reţele private între utilizatori sau diferite instituţii.

Avantajul principal al VoIP faţă de telefonia clasică este preţul redus , datorat faptului că se utilizează reţeaua IP care poate fi folosită în acelaşi timp şi pentru alte servicii ,

81

precum navigare web, e-mail, e-banking şi multe altele . Utilizatorul îşi poate folosi serviciul VoIP indiferent de locul unde se conectează la Internet. Din punct de vedere tehnic este astfel posibil să locuiască într-o zonă geografică şi să aibă număr de telefon dintr-o altă zonă geografică (stat, ţară, continent).

13.7. Serviciile de bandă largă în mediul rural

In mediul rural serviciile de bandă largă sunt mai costisitoare decât cele din mediul urban datorită situării , a distanţelor mari şi a numărului relativ scăzut de utilizatori . Wimax-ul poate oferi o soluţie eficientă pentru acele zone unde nu este instalat cablu .

Servicii particulare LAN :

VPLS este un tip de VPN (retea virtuala particulară) care conectează mai multe locaţii într-o singură reţea folosind reţeaua operaţională a unui furnizor ; din punctul de vedere al abonatului toate locaţiile apar a fi conectate la aceeaşi reţea privată , tehnologia WiMax oferind avantajul unei sporite calităţi a serviciului (QOS). Video la cerere (Video on demand) :

Tehnologia WiMAX incearcă să raspundă nevoilor clienţilor , care pot găsi soluţii necostisitoare pentru învăţare şi exersare precum video la cerere.

Bancomate :

WiMAX poate oferi servicii băncilor care au clienţi în zone sub-urbane ori rurale .

Voce şi date în vehicole :

WiMax poate inova logistica parcurilor auto prin posibilitatea de a localiza cu precizie un vehicol şi determină capacitatea sa de transport şi nivelul de încărcare , toate acestea în timp real .

Jocuri online :

WiMax poate fi mediul care livrează jocuri online în mediu rural sau persoanelor din mediu urban la domiciliu ori când se află în mişcare .

Aplicaţii de securitate şi supraveghere :

Supravegherea video este costisitoare în zonele îndepărtate şi greu de accesat fizic prin cablu . Centrele comerciale din ziua de astăzi , instituţiile civile şi bazele militare au nevoie de securitate şi supraveghere video . Wimax permite instalarea rapidă , uşoară şi necostisitoare a unui număr nelimitat de camere de luat vederi în cadrul sistemelor de

82

securitate vechi şi noi . O cameră poate transmite direct imagini video de mare calitate către baza Wimax din centrul de securitate regional.

Comunicaţii multimedia :

Tehnologia de bandă largă folosind protocolul de internet (IP) poate oferi comunicaţii multimedia , informaţii şi distracţii clienţilor exigenţi care pot fi uşor accesaţi oriunde si oricând , ca de exemplu discuţii video (video chat) şi conferinţe video .

Reţele de senzori :

Mici dispozitive pot fi instalate într-o multitudine de locuri pentru a citi valori ale temperaturii , calităţii aerului etc. , şi care folosesc nişte chipuri (circuite integrate) fără fir utilizând software care le permite să se angreneze în reţea . Folosirea acestui tip de senzori oferă o soluţie mult superioară colectării manuale de date ori folosirii unor reţele cu cablu .

Telemetrie:

Combiţia între comunicaţii şi tehnica de calcul se anticipează a avea mare succes în domeniul electronicii de la bordul automobilelor . Telemetria auto folosită în vehicole "de tip e" (e-vehicles) poate oferi email audio , web browsing şi DVD , televiziune digitală şi radio digital , precum şi informaţii legate de trafic şi ruta optimă spre destinaţie.

Calitate de viaţă sporită :

Wimax–ul va contribui la îmbunătăţirea calităţii drumului spre şi de la lucru , la scăderea preţului locuinţelor şi îmbunătăţirea calităţii vieţii de familie , în principal prin disponibilitatea comunicaţiilor de bandă largă.

Alte aplicaţii:

- monitorizarea şi îndrumarea la distanţă a pacienţilor prin asigurarea continuă de informaţii şi răspunsul rapid în caz de criză. - transmisia mobilă de hărţi , schiţe de apartament şi detalii arhitecturale pentru a asista pompierii şi personalul de salvare în situaţii de urgenţă.

- monitorizarea în timp real , controlul şi alerta în situaţii greu de controlat .

- transmisia fără fir a amprentelor digitale , fotografiilor şi altor acte către organele de ordine.

83

13.7 Avantajele WiMAX

Diversele strategii de utilizare a WiMAX –ului se bazează pe urmatoarele avantaje prezentate de WiMAX:

- Performanţa superioară : Multiplexarea de tip OFDMA folosită de WiMax oferă o performanţă superioară în livrarea serviciilor de date prin internet , în comparaţie cu tehnologiile 3G.

- Flexibilitatea : Permite furnizorilor de servicii prin internet să suporte diferite tehnologii de acces fix si mobil prin aceeaşi reţea WiMAX , şi să permită funcţionarea reţelelor lor în diferite spectre de bandă.

- Arhitectura avansată bazată pe internet : include IMS (IP Multimedia Sub-sistem =subsistemul de multimedia prin internet) pentru aplicaţii noi rapide , de cost scăzut şi care pot coopera cu 3G şi alte tehnologii.

- Avantaje economice : infrastructura economică permite oferirea de preţuri avantajoase consumatorilor.

13.9. Avantajul economic oferit de WiMAX

Tehnologiile fără fir sunt o soluţie cu cost avantajos pentru furnizorii de servicii , fără cerinţe de proprietate particulară ori publică . Clădirilor unde utilizarea cablurilor optice este imposibilă din cauza interdicţiilor impuse de proprietăţi adiacente , datele pot fi transmise fără fir . Aceasta este soluţia recomandată întreprinderilor mici (SOHO) pentru care nu sunt disponibile cabluri optice şi alte servicii de bandă largă . Costul scăzut şi flexibilitatea Wimax imbunătăţesc eficienţa economică a echipamentului de reţea. Marile companii precum Intel , Motorola , Fujitsu , Siemens şi Alcatel au inceput deja dezvoltarea echipamentului pe baza acestor standarde . Chipuri Wimax se găsesc deja în calculatoare laptop şi în alte aparate mobile .

84

CAPITOLUL 14 PRODUSELE WIMAX-ULUI

14.1 Dispozitivele radio şi antenele WiMAX

Un dispozitiv radio are un transmiţător şi un receptor.Acesta produce oscilaţii electrice la frecvenţe cuprinse între 2 şi 11 GHz. Un dispozitiv radio este similar unui router şi este folosit prin intermediul unui software. Arhitectura WiMax nu este foarte complicată şi constă în dispozitive radio şi antene.Majoritatea produselor WiMax oferă staţiile de bază radio separate de antene.Există câteva avantaje la separarea antenei de dispozitivul radio.In primul rand , dispozitivul radio este protejat de frig sau caldură extremă.De asemenea se poate evita astfel uniditatea extremă.In acest fel , dispozitivele radio îşi menţin performanţele şi au o durată de viaţă mai mare.Prin montarea antenelor în exterior , se obţin conexiuni wireless mai bune. Antena este conectată la dispozitivul radio printr-un cablu numit pigtail.Cu cât acest cablu este mai lung cu atăt se pierde mai mult semnal la trecerea dinspre antenă spre dispozitivul radio. Poziţionarea dispozitivului radio poate avea deasemenea impact asupra performanţelor sale.Trebuie avut în vedere faptul că dispozitivul radio generează şi el căldură.Izolarea sa , va ajuta ca dispozitivul să nu fie expus la extreme de temperatură.

Figura Dispozititiv radio

85

Figura Diferite tipuri de antene WiMax

14.2. Staţii de bază MICRO şi MACRO

Staţiile de bază macro sunt folosite pentru acoperirea unei suprafeţe foarte mari pe când staţiile micro sunt utile în zone rurale cu densitate scăzută.

Figura staţie de bază macro

86

14.3 Echipamentul la locuinţa utilizatorului WiMax

Sunt două tipuri principale de echipamente destinate reşedinţei clientului (CPE) : un CPE pentru exterior şi unul pentru interior . Acestea au caracteristici precum:

- instalare automată- cartelă inteligentă integrată (tehnologia "smart card" asigură securitatea tranzacţiilor prin cartele de credit)- operare duală FDD/TDD cu raportul definit prin software- interfeţe pentru date , voce , WiFi şi E1/T1- posibilitate de instalare în totalitate în interiorul clădirii în cazul NLOS(mediu fără vizibilitate)- scenarii de instalare în mediu suburban şi rural- posibilitate de antene multiple- suport pentru aplicaţii staţionare (fixe) si mobile (nomade)- protocol de alocare dinamică a resurselor pentru servicii de calitate de comunicare verbala (voice services)- viteză netă de 10Mbps a fiecarui CPE.

Imbunătăţirea performanţei WiMax-ului mobil folosind un nou algoritm cu o formă nouă de modulaţie adaptivă

WiMax-ul mobil se bazează pe tehnologia multiplexării cu diviziune ortogonală de frecvenţă şi pe accesul multiplu cu diviziune ortogonală de frecvenţă (OFDM/OFDMA).Acesta suportă modularea şi codarea adaptivă atât pe UL cât şi pe DL , cu lungimi variabile ale pachetelor . Acest capitol prezintă o nouă formă de modulaţie adaptivă (AM) , care are capacitatea de a mări viteza de date în sistemele WiMax mobile ce folosesc OFDMA , mai ales la valori mici ale raportului semnal zgomot. Acest nou algoritm , reprezintă o combinaţie între modulaţia adaptivă şi cea mai simplă tehnică de reducere a raportului între puterea de vârf şi puterea medie (PAPR) , adică tehnica de tăiere (clipping) şi se numeşte adaptarea modulaţiei şi algoritmul de tăiere (MC).MC îmbunătăţeşte performanţa unui sistem WiMax prin reducerea PAPR şi măreşte viteza datelor.

Pentru început , nivelul fizic WiMax a folosit tehnica OFDM , această tehnică oferind performanţe înalte în transmisiunea pe mai multe căi şi în mediile fără vizibilitate directă (NLOS) . Nivelul fizic în cazul WiMax-ului mobil suportă acces multiplu eficient , tehnologia rezultată purtând numele de OFDMA scalabil (SOFDMA) . Prin

87

adoptarea unei arhitecturi scalabile a nivelului fizic , WiMax-ul mobil este capabil să suporte o gamă largă de lăţimi de bandă.Scalabilitatea este implementată prin varierea numărului de FFT de la 128 la 512 , 1024 şi 1048 pentru a suporta lăţimi de bandă de 1,25 MHz , 5 MHz , 10 Mhz şi respective 20 MHz . Interfaţa aeriană pentru WiMax-ul mobil adoptă accesul multiplu cu diviziune ortogonală de frecvenţă , pentru o performanţă îmbunătăţită a transmisiunii pe mai multe căi în mediile fără vizibilitate directă .OFDMA–ul scalabil este introdus în amendamentul IEEE 802.16e pentru a suporta lăţimi de bandă a canalelor scalabile de la 1,25 la 20 MHz . Modulaţia şi codarea adaptivă (AMC) sunt folosite de tehnologia WiMax pentru a adapta schemele de modulaţie şi codare la condiţiile canalului , cu scopul de a atinge o înaltă eficienţă spectrală. Performanţele OFDM-ului pot fi mult îmbunătăţite prin folosirea modulaţiei adaptive. Au existat numeroase metode testate pentru a reduce PAPR-ul . Tăierea este o metodă simplă ce poate reduce vârfurile de putere.Conceptul simplu din spatele acestei metode este de a elimina vârfurile de putere ce trec de un anumit nivel dat. S-a considerat la un moment dat că această tehnică de eliminare a vârfurilor de putere introduce erori , însă de fapt acest lucru depinde de grija cu care se alege nivelul de tăiere . Tăierea semnalului OFDM înainte de amplificare reprezintă o metodă tipică şi simplă pentru reducerea PAPR.

Mai departe voi descrie modelul simulării , incluzând tehnica de tăiere (clipping) şi modulaţia adaptivă.Apoi voi prezenta rezultatele numerice şi graficele .

MODELUL SIMULĂRII

Schemele de modulaţie sau mapare folosite în această simulare sunt BPSK , 4-QAM, 16-QAM , 64-QAM , 128 QAM şi 256-QAM . Tehnica de tăiere a fost combinată cu modulaţia adaptivă pentru a obţine noul algoritm ce are abilitatea de a reduce PAPR-ul , de a creşte rata datelor şi de a îmbunătăţii performanţa sistemului (SER) la valori joase ale SNR-ului în comparaţie cu raportul de performanţă al sistemelor WiMax mobile ce folosesc OFDMA normal cu scheme de modulaţie cum ar fi 16-QAM , 64-QAM , 128 QAM şi 256-QAM . In simularea MATLAB folosim 1024 de sub-purtătoare şi un interval de gardă du durata 1/8 din durata simbolului OFDMA.Fiecare cadru din configuraţia WiMax mobilă , conţine 48 de simboluri OFDM , 37 simboluri de date şi 11 simboluri suplimentare . In cazul OFDM un bloc de N simboluri , {yn, n = 0,1,…,N-1} este format prin modularea unui set de N sub-purtătoare {fn=0,1,…,N-1} de către fiecare symbol. Spaţiul între cele N sub-purtătoare este ales astfel încât să fie ortogonale , deci fn = nΔf , unde Δf =1/NT şi T este perioada unui simbol. Astfel , anvelopa complexă a semnalului OFDM transmis este reprezentată de :

88

Puterea instantanee a anvelopei semnalului este P(t) unde P(t)=│ x(t)│la patrat.Raportul PAPR al semnalului OFDM transmis ,x(t) , poate fi definit astfel :

Se va folosi ca model un canal AWGN (additive white Gaussian noise) , lăţimea de bandă a canalului folosit în această simulare poate suporta o rată a datelor ce variază între 8 Mbps (la folosirea unei scheme BPSK) şi 63 Mbps (la folositrea unei scheme de tipul 256-QAM) .

Tabelul 1. Parametrii simulării

Apoi , valorile x ,au fost tăiate la o amplitudine A dupa cum urmează :

PARAMETRII VALORILăţime de bandă 10 MHzSchema de modulaţie BPSK , 4-QAM , 16-QAM , 64-QAM ,

256-QAMNumăr FFT (NFFT) 1024Număr sub-purtătoare de date 720Durata unui symbol util (TU) 91,43 µsTimp de gardă 1/8Depărtarea purtătoarelor (1/ TU) 10,94 KHzTimp de gardă ( Tg =(1/4)* TU ) 11,43 µsDurată simbol OFDM 102,86 µsNumărul de simboluri OFDM în cadru de 5 ms

48

89

In domeniu , este obişnuit să se folosescă funcţia CCDF (funcţia de distribuţie cumulativă complementară) a raportului PAPR ca un criteriu de performanţă .Funcţia CCRP ( PAPR) , este definită ca şi probabilitatea ca raportul PAPR per simbol OFDM să treacă de un anumit nivel de tăiere şi anume PAPR0.

CCDF(PAPR(x))= Prob(PAPR(x) > PAPR0) (4) Procesul de tăiere este caracterizat de raportul de tăiere (CR) ,definit ca raport între pragul de tăiere şi nivelul rădăcinii pătratice medii (rms) a semnalului OFDM .Tăierea este un process neliniar , ce duce la distorsiuni. Fără filtrare tăierea cauzează radiaţii în afara benzii.Filtrarea digitală este prezentă pentru a controla radiaţiile din afara benzii.

Scopul algoritmului de adaptare a modulaţiei folosit în această simulare , este de a îmbunătăţii performanţa sistemului şi de a mări rata datelor. Funcţia tehnicii de tăiere în cazul algoritmului propus MC nu este doar de a reduce raportul PAPR ci şi controlează sltul între schemele de modulaţie . se mai poate scrie by using hard clippingratio values with the low order modulation schemes toforce the high order modulation schemes to be used tomap the data onto the carriers at low SNR values. REZULTATELE SIMULĂRII ŞI DISCUŢII

Rezultatele simulării au fost obţinute pentru un sistem WiMax mobil OFDMA cu un total de 1024 de sub-purtătoare care folosesc cinci scheme de modulaţie cum se vede în tabelul 1. Simularea a fost realizată în MATLAB .Figura 1 arată capacitatea tehnicii de tăiere doar de a reduce raportul PAPR pentru diverse scheme de modulaţie . Reducerea obţinută pentru PAPR la o probabilitate de 10 la -3 este 10 db , 9,6db , 7,8db , 6,3db şi 4,4 db în semnalul OFDMA redus pentru BPSK , 4-QAM , 16-QAM , 64-QAM , 128 QAM şi 256-QAM .

90

Figura1.

Figura 2 prezintă performanţa SER ca funcţie de raportul semnal zgomot recepţionat ca medie peste toate sub-canalele , cu eliminarea şi filtrarea pe canal a zgomotului alb Gaussian . Pentru OFDMA cu 64-QAM , pentru CR=0,9 , degradarea este mai mare de 1 db la un nivel SER de 10 la -2.La un nivel SER de 10 la -4 apare o degradare de aproximativ 5 db. Acest raport de tăiere reduce PAPR-ul , dar duce la degradarea performanţei SER.Din această cauză se introduce o noul algoritm MC.Acest algoritm are două scopuri , primul este de a reduce raportul PAPR iar cel de-al doilea este de a

îmbunătăţii rata datelor mai ales la valori scăzute ale raportului semnal zgomot ,fără a degrada performanţa SER.

91

Noua formă propusă a modulaţiei adaptive a demonstrat abilitatea sa de a îmbunătăţii rata datelor folosind scheme de modulaţie de tipul 256-QAM şi 128-QAM pentru a mapa datele de intrare în purtătoare la valori scăzute ale raportului semnal zgomot , cum este ararat in tabelul 2 şi 3. La o valoare a SNR de 8 db , care reprezintă pragul pentru BPSK , 45 % din simbolurile transmise au fost mapate cu schema de modulaţie 256-QAM , 15 % cu 64-QAM , 25 % cu 16-QAM şi 15 % cu 4-QAM . Asta înseamnă că 100% din simbolurile transmise au fost mapate la 8db cu scheme de modulaţie mai avansate decât BPSK. De asemenea la 12 db care reprezintă pragul pentru 4-QAM , 100% din simbolurile transmise au fost mapate cu scheme de modulaţie mai avansate de căt 4-QAM. La 18 db care reprezintă pragul pentru 16-QAM ,de asemenea toate simbolurile transmise au fost mapate cu scheme de modulaţie mai avansate de 16-QAM.

SNR (db)Sch.modulaţie

2 5 8 12 18 20 22

256- 17 30 45 52 97 99 100

92

QAMProcentajul simbolurilor

%

64-QAM 35 25 15 38 3 1 016-QAM 4 5 25 10 0 0 04-QAM 30 34 15 0 0 0 0BPSK 14 6 0 0 0 0 0 Tabelul 2. Procentajul simbolurilor transmise MC (BPSK,4,16,64,256 –QAM) ce au fost mapate folosind mai multe tipuri de scheme de modulaţie la diverse valori ale SNR

SNR (db)Sch.modulaţie

2 5 8 12 18 20 22

256-QAM

8 23 37 50 95 99 100

Procentajul simbolurilor

%

128-QAM

45 33 26 29 5 1 0

16-QAM 13 9 19 21 0 0 04-QAM 1 25 18 0 0 0 0BPSK 33 10 0 0 0 0 0 Tabelul 3 . Procentajul simbolurilor transmise MC (BPSK,4,16,128,256 –QAM) ce au fost mapate folosind mai multe tipuri de scheme de modulaţie la diverse valori ale SNR

In această formă de modulaţie adaptivă , ordinea schemelor de modulaţie este aleasă în funcţie de valoarea raportului de performanţă a sistemului măsurată la recepţie după transmiterea fiecărui simbol. După cum se vede în figura 3 performanţa SER pentru modul MC-OFDMA-(BPSK , 4,16,64,256-QAM) cu cinci scheme de modulaţie este îmbunătăţită .Este uşor de observat această îmbunătăţire mai ales la valori joase ale SNR în comparaţie cu performanţa SER în cazul tăierii şi modulării după o schemă 256-QAM.Performanţa SER obţinută cu modul propus în figura 3 este mai bună decât cea obţinută cu modul din figura 4 .

93

Figura 3. Performanţa SER pentru schemele 4,16,64 şi 256-QAM şi pentru Modul propus MC(BPSK, 4,16,64,256-QAM )

Figura 4. Performanţa SER pentru schemele 4,16,128 şi 256-QAM şi pentru Modul propus MC(BPSK, 4,16,128,256-QAM)

94

Performanţa SER pentru un sistem WiMax mobil OFDMA după aplicarea algoritmului propus este mai bună decât cea din cazul schemelor 64-QAM , 256-QAM şi 16-QAM mai ales sub 14 db. Figura 5 prezintă raportul PAPR ca funcţie de raportul de tăiere. Raportul PAPR al semnalului netăiat OFDMA al sistem WiMax mobil este 15,6 db . Acest lucru înseamnă că pentru valori ridicate ale raportului CR , semnalul OFDMA x(t) , este netăiat , dar dacă CR → 0 , înseamna ca valorile puterilor medie şi de vârf converg .Pentru regiunea 0.5 dB< CR <2 dB, semnalul OFDMA x(t) , este tăiat . Pe această porţiune este uşor de observat eficienţa tehnicii de tăiere.Pentru a demonstra eficienţa noii forme de modulaţie adaptivă folosită în algoritmul propus MC pentru a îmbunătăţii rata datelor mai ales la valori joase ale SNR , tabelul 4 prezintă un exemplul unei transmisiuni de date cu o mărime de 1 Gbps.

Figura 5 . Raportul PAPR în funcţie de raportul CR

Dimensiunea datelor

Timpul de transmisie la folosirea:

Valoarea SNR (db)

OFDMA cu modul propus MC(BPSK ,4 ,16 , 64 , 256-QAM) (sec.)

OFDMA cu modulaţie adaptivă concenţională (sec.)

1 Gbps

29,13 127,07 226,24 127,07 518,57 63,49 1216,00 31,76 18

95

15,92 21,16 2015,88 15,88 23

Tabelul 4.Comparaţie între timpii necesari pentru transmisia datelor prin AM şi MC propus Timpul necesar pentru a transmite 1 Gbps folosind modul propus MC-OFDMA (BPSK, 4,16,64,256-QAM) este mai mic decât timpul necesar transmiterii datelor folosind modulaţia adaptivă convenţională.Făcând o comparaţie între tabelul 4 şi tabelul 5 este evident că modul propus MC-OFDMA( BPSK, 4,16,128,256-QAM) poate atinge timpi mai buni la transmisia a 1 Gbps decât modul MC (BPSK, 4,16,64,256-QAM).

Dimensiunea datelor

Timpul de transmisie la folosirea:

Valoarea SNR (db)

OFDMA cu modul propus MC(BPSK ,4 ,16 , 128 , 256-QAM) (sec.)

OFDMA cu modulaţie adaptivă concenţională (sec.)

1 Gbps

27,26 127,07 224,85 127,07 518,49 63,49 1215,97 31,76 1815,90 18,14 2015,88 15,88 23

Tabelul 5 .Comparaţie între timpii necesari pentru transmisia datelor prin AM şi MC propus Figura 6 arată funcţia CCDF a semnalului OFDMA cu diverse scheme de modulaţie , modul propus MC (BPSK, 4,16,64,256-QAM) şi modul propus ( BPSK, 4,16,128,256-QAM).

96

Figura 6. CCDF (PAPR) pentru OFDMA cu BPSK , 16 , 64 , 128 ,256-QAM şi pentru cele două moduri propuse MC

Cea mai bună îmbunătăţire a PAPR este atinsă cu modul propus MC (BPSK, 4,16,64,256-QAM) .Acest lucru se poate observa în tabelul 6.

Modul MC Reducerea PAPR la probabilitatea de 10 la -3 în comparaţie cu : BPSK (db) 256-QAM (db)

BPSK+4+16+64+256-QAM 3,9 6BPSK+4+16+128+256-QAM 1,7 3,8

Figura 7 prezintă viteza de transfer versus SNR în cazul modulaţiei adaptive convenţionale ,al modului propus MC (BPSK, 4+16+64+256-QAM) şi al modului MC (BPSK, 4+16+128+256-QAM).Modulaţia adaptivă convenţională nu îmbunătăţeşte viteza de transfer a datelor însă modurile propuse cu noua formă de modulaţie adaptive pot oferi o creştere semnificativă a vitezei de transfer.

97

Figura 7.Comparaţie între viteza de transfer în cazul modulaţiei adaptive Şi cele două moduri propuse MC

CONCLUZIE

WiMax-ul mobil are ca obiectiv , asigurarea transferului de date wireless pe distanţe mari şi asigurarea unei viteze de până la 70Mbps .Din această cauză am încercat să prezint un nou algoritm cu o nouă formă a modulaţiei adaptive . Acest algoritm ,MC ,este o combinaţie de două tehnici , tehnica de tăiere şi o nouă formă de modulaţie adaptivă ce se bazează pe valoarea SER după transmisia fiecărui symbol . Rezultatele au dovedit abilitatea acestui algoritm de a reduce PAPR-ul şi de a creşte rata datelor unui system WiMax mobil OFDMA , fără a degrada performanţa sistemului mai ales la valori scăzute ale SNR-ului

98