Un’analisi tecnica della tecnologia WiMAX utile per conoscere gli elementi di base e comprendere al meglio le reali potenzialità che i servizi correlati sono in grado di offrire.

Le tecnologie WiMAX sono dedicate all’accesso wireless a banda larga basate sullo standard IEEE 802.16. Esse possono essere utilizzate sia per il backhauling, ossia per estendere la connettività broadband della backbone alle zone limitrofe, sia per l’ultimo miglio, ovvero per offrire servizi broadband agli utenti sia residenziali sia business locati nell’area geografica coperta in modalità d’accesso fissa, nomadica, portatile e mobile. Possono, inoltre, operare sia in bande licenziate sia in bande non licenziate: il deployment nelle bande licenziate è indicato per coprire aree dense e competitive, ove l’interferenza rappresenta il maggior problema da risolvere; il deployment nelle bande non licenziate, invece, è indicato per coprire aree ristrette, per limitare l’interferenza e l’investimento iniziale. Un vantaggio rilevante delle tecnologie WiMAX è la maggiore flessibilità nel deployment dell’infrastruttura di rete, grazie alla possibilità di definire l’ampiezza del canale, la tipologie del duplexing, le tecniche di trasmissione.


802.16 e WiMAX

Le tecnologie 802.16
Le tecnologie 802.16 si basano sullo standard IEEE 802.16. La prima versione dello standard IEEE 802.16, ratificata nel 2001 e concepita per applicazioni FBWA, supporta trasmissioni in scenari LOS (Line Of Sight) nel range delle bande licenziate da 10 a 66 GHz e non consente né la portabilità né la mobilità. La successiva versione IEEE 802.16–2004 opera nella banda 2÷11 GHz anche in scenari NLOS e con accesso nomade, consentendo l’utilizzo di SU indoor; supporta, inoltre, come opzione la sottocanalizzazione in up link [2]. Infine la versione IEEE 802.16e, approvata il 7 dicembre 2005, include le precedenti versioni dello standard e aggiunge alcune funzionalità, quali l’handoff e il power saving, per supportare l’accesso portatile e mobile, il MIMO, l’AAS e gli STC, per migliorare le prestazioni del sistema. Per poter meglio supportare la mobilità, inoltre, è stata implementa una nuova tecnica di trasmissione, la SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access), che, però, non è compatibile né con la modulazione OFDM né con la modulazione OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) [3].

La Tabella 1 riassume le principali caratteristiche tecniche delle tecnologie 802.16, basate sia sulla versione 802.16-2004 sia sulla versione 802.16e. Per ogni tecnologia, è indicato il range frequenziale e lo scenario operativo, la velocità di trasmissione in corrispondenza di una determinata canalizzazione, la tecnica di trasmissione supportata, il protocollo d’accesso multiplo, il formato del duplexing, le possibili ampiezze di banda del canale e l’efficienza spettrale del sistema. Una descrizione dettagliata di tali parametri è fornita nel seguito. Come si evince dalla Tabella 1, le tecnologie 802.16 consentono una maggiore flessibilità di deployment, in quanto possono operare in diverse bande frequenziali e con una diversa canalizzazione secondo la disponibilità dello spettro, supportano differenti tecniche di trasmissione in funzione del tipo d’accesso e dello scenario, possono lavorare sia in TDD sia in FDD (Frequency Division Duplexing) in relazione al range frequenziale in cui operano e al tipo di servizio da offrire.

Come lavorano le tecnologie 802.16
Bande di frequenza
Come indicato nella Tabella 1 e nella Figura 1, le tecnologie 802.16, basate sulla versione 802.16- 2004, operano nel range frequenziale tra 2 GHz e 11 GHz; le tecnologie 802.16, basate sulla versione 802.16e, invece, operano nel range frequenziale compreso tra i 2 GHz e gli 11 GHz nel caso di accesso fisso e nel range frequenziale tra 2 GHz e 6 GHz nel caso di accesso mobile.

Tecnica di Trasmissione e Protocollo di Accesso
La tecnologia 802.16-2004 supporta due diverse tecniche di modulazione/accesso multiplo, come specificato in [2].

OFDM con TDMA (Time Division Multiple Access)
La modulazione OFDM è una trasmissione multiportante: il segnale è suddiviso in più sottocanali a banda stretta trasmessi simultaneamente su diverse sottoportanti, il cui numero definisce la dimensione del simbolo OFDM, ossia della FFT (Fast Fourier Transform). Tali sottocanali sono parzialmente sovrapposti ma ortogonali in modo da ridurre l’interferenza tra canali adiacenti e massimizzare l’efficienza spettrale. La modulazione OFDM introduce principalmente due vantaggi. In primo luogo, poiché i sottocanali sono a banda stretta, essa consente di operare anche in ambienti Near NLOS, ove il percorso diretto tra trasmettitore e ricevitore è parzialmente occupato dalla presenza di ostacoli come alberi, edifici, montagne, colline e altre strutture o oggetti naturali o artificiali, riducendo così il problema del multipath. In secondo luogo, essa offre un maggior controllo delle richieste di potenza dell’utente e una maggiore flessibilità per l’accesso degli utenti [5].
Nella tecnologia 802.16-2004, il simbolo OFDM è costituito da 256 sottoportanti di cui 8 sono pilota, 192 dati e 56 virtuali.

Nel TDMA l’accesso al canale radio è tipicamente diviso in time slot assegnati a utenti diversi: ciascun utente trasmette esclusivamente durante il time slot che gli è stato assegnato, con la modulazione OFDM, e utilizza l’intera banda del canale [4]. Affinchè vengano limitati i problemi di interferenza tra utenti che trasmettono in time slot consecutivi, è necessario avere una sincronizzazione perfetta e considerare un intervallo di guardia durante il quale nessun può trasmettere.

L’approccio OFDM/TDMA ha il vantaggio di ridurre la complessità ed i costi dei dispositivi, ma ha lo svantaggio di non supportare un numero elevato di utenti, per poter contenere i ritardi tra due trasmissioni consecutive relative allo stesso utente [6].

Figura 1. Range frequenziale per applicazioni 802.16
Figura 2. Schema della SOFDMA
Tabella 1. Principali caratteristiche delle tecnologie 802.16

Tabella 2. Velocità di trasmissione supportate dalla OFDM con 256 sottoportanti
Tabella 3. Velocità di trasmissione supportate dalla OFDMA con 2048 sottoportanti
Figura 3. AMC in presenza di shadowing

OFDMA con TDMA
L’OFDMA ha lo stesso principio di funzionamento della FDMA (Frequency Division Multiple Access), in quanto le sottoportanti sono assegnate ad utenti differenti in funzione delle condizioni del canale e della domanda di capacità; però, a differenza della FDMA, essa consente di limitare l’interferenza tra gli utenti grazie all’ortogonalità tra le sottoportanti [4]. Le sottoportanti, escluse le virtuali, sono divise in sottogruppi, il cui numero varia a seconda il caso si consideri il down link o l’up link, e in ciascun sottogruppo le sottoportanti appartengono a sottocanali differenti. Poiché ciascun sottocanale ha una sola sottoportante per ogni sottogruppo, il numero totale di sottoportanti di un sottocanale è proprio pari al numero di sottogruppi. Per ottenere una diversità frequenziale e, quindi, una maggiore immunità al multipath, l’allocazione delle sottoportanti relative a ciascun sottocanale avviene mediante un processo pseudo-casuale. Nella tecnologia 802.16 – 2004 il numero totale di sottoportanti è 2048, il numero di sottocanali è 32 e il numero di sottogruppi è 48 in down link e 53 in up link.

TDMA: l’accesso multiplo è esteso anche alla dimensione temporale, in quanto l’utente può trasmettere esclusivamente nel time slot che gli è stato assegnato e può usare solo le sottoportanti assegnate. L’approccio OFDMA/TDMA permette di supportare un maggior numero di utenti con ritardo minore rispetto all’approccio OFDM/TDMA. Grazie alla sottocanalizzazione introdotta dalla modulazione
OFDMA, inoltre, si ha una gestione più efficiente delle risorse, in funzione delle esigenze degli utenti e delle condizioni del canale. In particolar modo, in uplink la sottocanalizzazione consente sia di ridurre la massima potenza trasmessa da ciascun utente, poiché può trasmettere solo nel sottocanale assegnato, sia di allocare la potenza all’utente a seconda le condizioni del canale, ossia un livello elevato di potenza è allocato agli utenti più svantaggiati (posti ad una distanza maggiore dalla BS oppure dotati di SU indoor).
Il principale neo dell’approccio OFDMA/TDMA sono i costi elevati dei dispositivi dovuti ad una maggiore complessità realizzativa. La tecnologia 802.16e, in aggiunta alle tecniche di trasmissione/accesso multiplo previste per la tecnologia 802.16-2004, introduce la Scalable OFDMA (SOFDMA), che consente di supportare meglio l’accesso mobile, con ottime prestazioni in diversi scenari operativi [3]. La modulazione SOFDMA è una variante della modulazione OFDMA: essa, infatti, implementa tutte le funzionalità della modulazione OFDMA e aggiunge la scalabilità, in quanto il numero delle sottoportanti non è costante, come nel caso della OFDMA, ma varia a seconda dell’ampiezza di banda del canale considerato, in modo tale da mantenere costante la spaziatura tra le sottoportanti stesse [1], [7], come illustrato nella Figura 2. Questo da un lato consente di migliorare l’efficienza spettrale nei canali con una elevata ampiezza di banda, poiché si ha un numero di sottoportanti maggiore; dall’altro lato permette di ridurre i costi dei dispositivi nel caso di deployment in canali con una piccola ampiezza di banda, in quanto il numero di sottoportanti è minore. E’ bene osservare che le modulazioni OFDMA e SOFDMA non sono compatibili e, quindi, due terminali, uno basato sulla modulazione OFDMA e l’altro sulla SOFDMA, non possono comunicare tra loro.

La Tabella 2, [8], e la Tabella 3, [9], indicano le velocità di trasmissione supportate dalla OFDM, con 256 sottoportanti, e dalla OFDMA, con 2048 sottoportanti, al variare dell’ampiezza di banda del canale, della modulazione e del rate del codice. In entrambi i casi, si è considerato un rapporto di guardia, definito come il rapporto tra l’intervallo di guardia e l’intervallo utile, pari a 1/32.
Come si evince dalla Tabella 2 e dalla Tabella 3, la velocità di trasmissione aumenta all’aumentare dell’ampiezza del canale o del livello della modulazione, ovvero fissata la canalizzazione, a modulazioni di ordine maggiore corrispondono data rate più elevati; mentre fissata la modulazione, ad ampiezze di banda maggiori corrispondono data rate più elevati.
Si prenda in esame il caso della tecnica di trasmissione OFDM (Tabella 2): considerata un’ampiezza di banda di 7 MHz, alla modulazione High 64QAM corrisponde una velocià di trasmissione di 26,18 Mbps, mentre alla Low QPSK corrisponde una velocità di trasmissione di 4,15 Mbps. Se, invece, si considera la modulazione Low QPSK, alla canalizzazione di 3,5 MHz corrisponde un data rate di 2,08 Mbps mentre alla canalizzazione di 7 MHz corrisponde un data rate di 4,15 Mbps.
Tutte le tecnologie 802.16 utilizzano l’AMC (Adaptive Modulation and Coding). Questa funzionalità permette di migliorare le prestazioni, ottimizzando sia il throughput sia il range di copertura.
L’AMC, infatti, prevede una scelta dinamica della modulazione e del rate del codice per ogni utente, a seconda delle condizioni del link radio. Quando il livello del segnale ricevuto è basso, come nel caso di utenti molto distanti dalla BS, il sistema sceglie automaticamente una modulazione più robusta ma meno efficiente in termini di capacità (ad esempio la QPSK Low), in modo da mantenere la probabilità di errore pari al target fissato.
Quando invece il livello del segnale ricevuto è elevato, sono scelte modulazioni di ordine maggiore (come la 64QAM High) senza aumentare la probabilità di errore.
La Figura 3 descrive il concetto di AMC in presenza di shadowing.
Lo shadowing tiene conto della distribuzione casuale degli ostacoli tra il trasmettitore e il ricevitore e, dunque, due punti posti ad una stessa distanza dal trasmettitore sperimentano un differente canale di propagazione.
Di qui, la forma irregolare delle zone di copertura relative alle diverse modulazioni.
È bene osservare che se, invece, non si tiene conto dello shadowing, le zone di copertura relative alle diverse modulazioni altro non sono che dei cerchi concentrici.

Formato di Duplexing

Figura 4. Schema del TDD
Figura 5. Schema del FDD

Le tecnologie 802.16 supportano sia il TDD sia il FDD, consentendo una maggiore flessibilità nel deployment di rete. Nel TDD la tratta in down link (riferita alla comunicazione tra BS e SU) e quella in up link (riferita alla comunicazione tra SU e BS) operano nella stessa banda frequenziale in differenti tempi di connessione, alternando la trasmissione del frame di down link e di up link, come è illustrato in Figura 4. Poiché tale alternanza è molto rapida, si ha la percezione che il canale sia attivo sia in up link che in down link allo stesso istante. Per quanto detto in precedenza, il TDD è indicato per i servizi che hanno un volume di traffico di tipo asimmetrico nelle due diverse tratte, come ad esempio l’accesso ad internet [4].
Nel FDD i segnali in down link e in up link sono trasmessi simultaneamente su due canali frequenziali differenti, come mostrato in Figura 5, e questo determina un uso inefficiente delle risorse, qualora il traffico sia asimmetrico, poiché gli spettri down link e up link sono inutilizzati per molto tempo.

È doveroso, a questo punto, evidenziare le differenze tra il TDD e il FDD. Mentre il TDD è più indicato nel caso di traffico asimmetrico (accesso ad internet), negli scenari ove non è disponibile una coppia di canali oppure nel deployment in bande non licenziate; il FDD, invece, è più opportuno nel caso di traffico simmetrico (VoIP) o nel caso di deployment in bande licenziate che richiedono esplicitamente un suo utilizzo. Ne consegue, dunque, che il FDD è una soluzione più costosa rispetto al TDD, sia per i dispositivi più complessi sia per i costi di licenza [10].


Handoff e Roaming

Al fine di garantire la continuità delle applicazioni negli scenari mobili, la versione 802.16e implementa l’handoff. Con il termine ‘handoff’ si designa il processo di commutazione da una BS ad un’altra di una chiamata in corso o di una sessione dati, quando l’utente è in movimento. Questo meccanismo può essere sia soft sia hard. Nel primo caso la connessione alla ‘vecchia’ BS è interrotta soltanto dopo aver stabilito la connessione con la ‘nuova’ BS (make-before-break); nel secondo caso, invece, la connessione alla ‘vecchia’ BS è interrotta prima di avere stabilito la connessione con la ‘nuova’ BS (break-before-make). Poichè l’handoff soft riduce la latenza, esso è più indicato per servizi real time, come il VoIP, mentre l’handoff hard è più idoneo per servizi non real time, quali i servizi dati. Un’ulteriore funzionalità che le tecnologie 802.16 possono supportare è il roaming, che consente ad un utente di connettersi alla rete di un operatore diverso da quello con cui ha sottoscritto l’abbonamento, come avviene nelle reti cellulari.


Funzionalità opzionali

Le tecnologie 802.16, sia 802.16-2004 che 802.16e, supportano alcune funzionalità opzionali, quali gli STC e l’AAS:

– Space Time Code (STC). L’informazione è codificata da più antenne in trasmissione sia nella dimensione spaziale sia nella dimensione temporale in modo da ottenere un guadagno di diversità e di codifica rispetto ad un sistema che utilizza una sola antenna [11].

– Adaptive Antenna System (AAS). Grazie alla combinazione tra un array di antenne e la capacità di processare segnali digitali, l’AAS può automaticamente cambiare la direzione del fascio di radiazione a seconda dell’ambiente in modo da minimizzare dinamicamente l’interferenza, massimizzare la ricezione del segnale voluto e migliorare la gestione della potenza del sistema e dell’allocazione spettrale. La tecnologia 802.16e, inoltre, supporta anche il MIMO. Nei sistemi MIMO sia il trasmettitore che il ricevitore sono equipaggiati con più antenne per migliorare la QoS ed aumentare il throughput [12].
È bene osservare che le funzionalità descritte da un lato permettono di aumentare le prestazioni di un sistema in termini di qualità del servizio e di throughput, ma dall’altro lato determinano una maggiore complessità del sistema e, quindi, costi più elevati.

Tratto da: “Tutorial sulle tecnologie WiMAX”
di WiTech – www.witech.it
Si ringrazia Linkem Spa
per la collaborazione – www.linkem.com


Bibliografia

[1] WiMAX Forum, Fixed, nomadic, portable and mobile applications for 802.16-2004 and 802.16e WiMAX networks, November 2005.
[2] IEEE Std 802.16-2004, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, March 2004.
[3] IEEE P802.16e, Draft amendment to IEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems, amendment for physical and medium access control layers fro combined fixed and mobile operation in Licenziata bands.
[4] H.R. Anderson, Fixed Broadband Wireless System Design, West Sussex John Wiley & Sons Ltd, 2003.
[5] Telecom Italia Lab, A. Calcagno, E. Buracchini, La Tecnica OFDM nell’evoluzione dell’accesso radio UMTS, Febbraio 2003.
[6] ADAPTIX technology Primer, An overview of the key technology concepts and drivers behind the ADAPTIX OFDMA/TDDTM Architecture, April 2005.
[7] Intel, Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN, August 2004
[8] Intel, Avril Salter, IEEE 802.16 – WiMAX Broadband Wireless Access, August 2004.
[9] CEFRIEL, WiMAX Technology, a reshuffle for telecom operators? La comparazione dei costi e delle performance,
1 June 2005.
[10] Intel, Deploying License-Exempt WiMAX Solutions.
[11] E. G. Larsson, P. Stoica, Space-time block coding for wireless communications, Cambridge University Press 2003.
[12] Telecom Italia Lab, E. Briola, B. Melis, A. Ruscitto, Sistemi di telecomunicazione di tipo MIMO con Antenne Multiple in Trasmissione e in Ricezione, Marzo 2004.