1 Standard IEEE 802.16a per le “WirelessMAN”
1.1 Campo d’azione
Questo standard specifica l’interfaccia aria, includendo il livello di controllo d’accesso al mezzo (MAC) e livello fisico (PHY), per sistemi fissi punto-multipunto a banda larga con accesso wireless (BWA) che offrono servizi multipli, tra cui voce, trasferimento dati ad alta velocità per usi di video conferenza, Video-on-Demand, giochi, ecc. Il MAC è strutturato per sostenere specifiche di PHY multiple, ognuna adatta per un particolare ambiente operativo.
1.2 Bande di frequenza
Questo standard prevede l’utilizzo di frequenze che appartengono alla banda che va dai 10 ai 66 GHz. L’utilizzo di questa banda richiede la licenza e prevede un ambiente fisico dove, a causa della corta lunghezza d'onda, è richiesto il cammino diretto ed è trascurabile il multipath. I canali usati in questo ambiente fisico sono tipicamente a banda larga. Per esempio, i canali tipici sono larghi 25 o 28 MHz. Questo ambiente si adatta bene per servire un accesso punto-multipunto per le richieste di small office/home office (SOHO) fino a quelle di medi-grandi uffici.
Un aggiornamento a questo standard, l’IEEE 802.16a, prevede l’utilizzo della banda tra i 2 e gli 11 GHZ. L’utilizzo di questa banda prevede un ambiente fisico in cui, poiché la lunghezza d’onda è più lunga, non è necessario il LOS (Line-of-Sight), ma diviene significativo il multipath. L'abilità nel supportare scenari sia near LOS che non, richiede funzionalità di PHY supplementare, come l'appoggio di tecniche di gestione di potenza avanzate, mitigazione/coesistenza dell'interferenza ed antenne multiple. Inoltre questo standard prevede l’utilizzo delle bande senza licenza tra 5 e 6 GHz.
1.3 Modello di riferimento
Il MAC comprende tre sottolivelli: il Sottolivello di Convergenza di Servizio Specifico (CS), il Sottolivello di MAC a Parte Comune (MAC CPS), ed il Sottolivello di Privacy.
Figura 1.1
Il CS stabilisce tutte le trasformazioni o i mappaggi dei dati di rete esterna, ricevuti attraverso il punto di accesso al servizio CS (CS SAP), nei MAC PDU inviati al MAC CPS attraverso il MAC SAP e viceversa. Il CS compie la classificazione delle Unità Dati di Servizio (SDU) di rete esterna e l’associazione al corretto flusso di servizio MAC ed all’Identificatore di Collegamento (CID). Può includere anche alcune funzioni come la soppressione del payload header. Sono previste specifiche di CS multiple per l’interfacciamento con i vari protocolli. La configurazione interna del CS payload è unica al CS, ed al MAC CPS non è richiesto di capirne la configurazione o di analizzare le informazioni del CS payload. Le funzione del CS saranno approfondite nel paragrafo 2.2.
Il MAC CPS provvede alle funzionalità MAC centrali dell’accesso di un sistema, come l'allocazione della larghezza di banda, l’istaurazione del collegamento, ed il mantenimento del collegamento. Riceve i dati dai vari CS, attraverso il MAC SAP, riservato per particolari collegamenti di MAC. Inoltre sono previsti dei meccanismi per differenziare la Qualità di Servizio (QoS) a secondo delle differenti necessità delle diverse applicazioni. Per esempio, voce e video richiedono ritardi piccoli ma tollerano un po’ di errore; al contrario, applicazioni dati generiche non possono tollerare errore, ma possono accettare un po’ di ritardo. Il QoS è applicato alla trasmissione fissando i dati sul PHY, in questo modo si rende più efficiente il sistema invece di utilizzare più strati di controllo al disopra del MAC. Le funzioni del MAC CPS saranno approfondite nel paragrafo 2.3.
Il Sottolivello di Privacy provvede all’autenticazione, al cambio, ed alla cifratura della chiave di sicurezza, funzioni che saranno approfondite nel paragrafo 2.4.
Attraverso il PHY SAP, il MAC CPS trasferisce i dati, il controllo del PHY, e le statistiche al Livello Fisico (PHY).
Lo standard è stato pensato per evolversi come un insieme di interfaccia radio basate su un unico protocollo MAC, ma che include specifiche multiple di PHY, ciascuna adatta ad un particolare range di frequenza e ad una particolare applicazione. Questo standard supporta una modulazione adattativa, bilanciando efficacemente i diversi rates di dati con la qualità dei collegamenti. Il metodo di modulazione può essere aggiustato quasi istantaneamente per rendere ottimale il trasferimento dei dati. La modulazione adattabile permette un uso efficiente della banda e può soddisfare quindi le necessità di una maggiore quantità di clienti. Lo standard sostiene sia la
TDD). Le varie specifiche di livello fisico sostenute sono discusse nel capitolo 3. 1.4 Nomenclatura dell’interfaccia aria
La tabella 1.1 riassume la nomenclatura per le varie specifiche dell’interfaccia aria descritte in questo standard e nel suo aggiornamento.
Nome Frequenze Duplexing
WirelessMAN-SC 10-66 GHz TDD
FDD
WirelessMAN-SCa 2-11 GHz
bande con licenza
TDD FDD
WirelessMAN-OFDM 2-11 GHz
bande con licenza
TDD FDD
WirelessMAN-OFDMA 2-11 GHz
bande con licenza
TDD FDD
WirelessHUMAN 2-11 GHz
bande senza licenza
TDD
Tabella 1.1
Le realizzazioni di questo standard per le frequenze di lavoro tra 10 e 66 GHz utilizzeranno il WirelessMAN-SC PHY che prevede l’impiego di una modulazione adattativa “single carrier” che può essere QPSK, 16-QAM, o 64-QAM e l’accesso TDMA, come descritto in 3.1.
Le realizzazioni di questo standard per frequenze autorizzate tra 2 e 11 GHz utilizzeranno il WirelessMAN-SCa PHY, che prevede l’impiego di una modulazione adattativa “single carrier” che può essere BPSK, QPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, o 256-QAM e l’accesso TDMA, descritta in 3.2; il WirelessMAN-OFDM PHY, che prevede l’impiego della modulazione OFDM con una FFT a 256 punti ed un accesso TDMA, descritta in 3.3; o il WirelessMAN-OFDMA PHY, che prevede l’impiego dell’OFDMA con una FFT a 2048 punti ed una accesso fornito indirizzando un sottoinsieme delle sottoportanti verso uno specifico ricevitore. Queste realizzazioni sono specificate nello Standard IEEE 802.16a.
1.5 Scenario e confronto tra gli attuali accessi ad Internet
La rapida diffusione di Internet e il suo crescente utilizzo, sia come mezzo di informazione che come mezzo di accesso ai più svariati servizi, tesi al miglioramento ed alla semplificazione della nostra vita quotidiana, alimentano la necessità di una connessione sempre più frequente e soprattutto sempre più veloce. Il mercato, per colmare questa esigenza, pian piano ha affiancato alle tradizionali tecnologie di connessione, non più adatte a soddisfare le richieste degli utenti, le tecnologie di tipo broadband.
Analizziamo quindi i tipi di connessione a disposizione e valutiamone i pro e i contro.
Il modem tradizionale, basato su una trasmissione analogica del segnale mediante il doppino telefonico, è ancora il mezzo di connessione più diffuso, ma certamente senza prospettive future vista la concorrenza di sistemi sempre più veloci e allettanti nel prezzo. La velocità di trasmissione è infatti limitata a 57.600 bps. Il vantaggio maggiore è rappresentato senza dubbio dal costo contenuto e dal fatto che non richiede particolari procedure di installazione. Tra gli svantaggi, la connessione lenta e l’utilizzo di una singola linea telefonica che preclude l’uso contemporaneo del telefono e di Internet.
L’ISDN utilizza una trasmissione digitale che sfrutta la linea telefonica per l’invio di voce e di dati. La qualità del segnale è superiore a quella della trasmissione analogica via modem e la velocità di connessione e compresa tra i 64 Kbps ed i 128 Kbps. Il vantaggio è che consente di avere due linee telefoniche indipendenti il che permette di utilizzare contemporaneamente il telefono e Internet. Lo svantaggio maggiore è il costo elevato, il canone viene quasi raddoppiato, e l’installazione deve essere effettuata necessariamente da un tecnico.
Intanto, oltre ai classici servizi offerti da Internet come posta elettronica, news on-line, ecc. si è sviluppata la necessità di servizi come la video conferenza, il Video on-Demand, il Voip e vari servizi on-line, che richiedono un trasferimento dati in tempo reale elevato, quindi ad alta velocità. Per servire questo aumento di richiesta di prestazione si sono sviluppati i sistemi broadband.
La linea ADSL è una linea dedicata che sfruttando il semplice doppino telefonico, permette contemporaneamente l’utilizzo del telefono e di Internet. Questo tipo di connessione, consente un collegamento molto veloce: può raggiungere i 512 Kbps in upstream e i 2 Mbps in downstream. Questo è oggi senza dubbio il servizio che più di tutti offre la qualità ad un prezzo relativamente contenuto, anche se i costi per un uso “domestico” sono ancora elevati. Tra gli svantaggi, la lontananza dalla centrale, che influisce negativamente sulle prestazioni. Inoltre il servizio non è disponibile su tutto il territorio nazionale.
Altro sistema broadband che si è sviluppato ultimamente è quello satellitare. Questo tipo di connessione richiede l’installazione di una parabola, di una scheda dedicata per la ricezione dei segnali digitali inviati dal satellite e di un convertitore Lnb (che trasforma il segnale digitale in analogico), e in caso di connessione Internet di un modem. La velocità di ricezione dati varia dai 300 Kbps ai 2 Mbps. Il servizio copre tutto il territorio nazionale, ed è consigliabile là dove il servizio ADSL non arriva. Lo svantaggio maggiore di questo sistema risiede nel costo elevato dovuto alla messa in orbita dei satelliti ed alle apparecchiature hardware (parabola e scheda “sat modem”); inoltre è necessario l’intervento di personale specializzato per l’installazione.
Altra tecnologia di connessione a larga banda è quella a fibra ottica. Questa consente la trasmissione di una quantità d’informazioni di gran lunga superiore e veloce rispetto all’ADSL e al satellite. Questa fornisce al singolo utente una velocità di 10 Mbps, offrendo la possibilità di navigare in Internet e contemporaneamente guardare film, giocare, ascoltare musica e notiziari direttamente dalla TV, il tutto con una qualità d’immagine simile a quella DVD. Lo svantaggio maggiore consiste nel costo della stesura delle fibre ottiche.
Quindi le difficoltà maggiori che si incontrano attualmente, che fanno aumentare i costi di questi sistemi, sono: le spese di impianto, messa in orbita dei satelliti o stesura dei cavi ottici, i tempi di installazione e la connessione di siti collocati in zone difficilmente raggiungibili o isolate.
1.6 Vantaggi offerti da “WirelessMAN”
Il “WMAN” si presenta come alternativa economica all’accesso broadband wireline, in quanto non richiedi lavori di stesura, è in grado di raggiungere anche luoghi isolati e non richiede tempi di installazione lunghi. Questo permette la copertura e la connessione del cosiddetto “local loop”, l’ultimo miglio. Infatti mediante la sua tipologia di rete punto-multipunto si presenta come estensione wireless di una distribuzione con banda più ampia derivante dalla fibra ottica, ed è in grado di distribuire questo flusso dati su un vasto raggio di copertura (circa 50 Km) ad una velocità di trasferimento dati fino a 70 Mbps, che rappresenta una larghezza di banda sufficiente per supportare simultaneamente oltre 60 aziende con connettività di tipo T1 e centinaia di abitazioni
sono in genere dotate di un massimo di sei settori.
Una rete WMAN è caratterizzata da due tipi di stazioni fisse: la Base Station (BS) e la Subscriber Station (SS). Le BS sono collegate mediante wireline alla rete pubblica dalla quale ricevono o alla quale trasmettono i flussi dati degli utenti delle varie SS, e sono collegate mediante wireless alle SS. Per fornire ad un edificio (SS) l’accesso alla rete basta installare un’antenna al suo esterno. Nella Figura 1.2 è mostrato un esempio di rete.
Figura 1.2
Inoltre, dopo l’ampliamento del range di frequenze alla banda che va dai 2 agli 11 GHz (Standard IEEE 802.16a) (banda di frequenze libere all’interno delle quali operano le WLAN (Standard IEEE 802.11b)), i sistemi “WirelessMan” si prefigurano come la tecnologia più adatta a coprire e collegare i diversi Access Point WLAN, i cosiddetti hotspot, nodi d’accesso broadband wireless posti negli aeroporti, ospedali, alberghi, in un'unica grande rete metropolitana per consentire l’accesso wireless a tutti gli utenti che si trovino al suo interno, sia fissi (802.16a) che mobili (802.11b). Con l’aggiunta 802.16.a si è implementato e perfezionato il supporto della modalità “Mesh” oltre a quella punto-multipunto: questa permette di migliorare il backhauling del traffico migliorando le prestazioni del sistema in termini di efficienza di copertura, di scalabilità e di efficienza nell’uso della banda. Un esempio è mostrato in figura 1.3.
Figura 1.3
Altro obiettivo che questo standard si prefigge è l’interoperabilità tra i diversi dispositivi broadband wireless di costruttori diversi in modo da facilitare la loro concorrenza, garantendo agli utenti la scelta tra un ampia gamma di prodotti ad un basso costo. Dopo l’approvazione dello standard le più importanti società che si occupano di apparecchiature per le comunicazioni, tra cui la Nokia, l’Intel Corporation, e l’Alvairon Ltd., hanno aderito al WiMAX Forum con l’obiettivo di contribuire, promuovere e certificare la compatibilità e l’interoperabilità delle apparecchiature 802.16a.
Tra le difficoltà incontrate dal gruppo WMAN durante la stesura di questo standard vi è la riduzione al minimo delle interferenze generate da altri dispositivi radio e la fornitura di un accettabile livello di Qualità del Servizio (QoS).
