WiMAX: una svolta per la diffusione
della larga banda?

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Di seguito si riportano alcune peculiarità tecniche che rendono il WiMax una tecnologia wireless all’avanguardia per efficienza e flessibilità.

La prima versione dell’802.16 era indirizzata all’uso del range di frequenze 10-66 GHz. Successivamente con l’estensione 802.16a la banda di interesse è stata portata anche al range 2-11 GHz. La differenza sostanziale è legata alla necessità di condizioni di Line-Of-Sight (LOS) per le frequenze più alte, rispetto all’NLOS, che è possibile alle frequenze più basse.

Operare in condizioni di NLOS comporta molteplici vantaggi:

• possibilità di utilizzare per le CPE (Customer Premises Equipment) antenne indoor, evitando o riducendo i costi di installazione di antenne esterne;
• riduzione delle interferenze generate a causa della più bassa posizione delle antenne della Base Station (BS);
• maggiore facilità nel reperire siti per la BS.

• minor numero di BS necessarie per coprire la stessa area.

Le complicazioni dell’NLOS sono legate al fatto che il segnale in ricezione risulta formato da molteplici componenti, generate da riflessioni, scattering e diffrazioni, ognuna con un ritardo, un’attenuazione e una polarizzazione in generale differente rispetto a quelle del segnale trasmesso.

Il recupero del segnale originario, anche nelle difficili condizioni di NLOS, è affidato ad uno schema di trasmissione a 256 portanti di tipo OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing). La suddivisione del canale in molteplici sottocanali a banda stretta e ortogonali tra loro, tipica dell’OFDM, consente di confinare i danni provocati dal fading selettivo ad un numero ridotto di sottocanali e di poter impiegare un’equalizzazione più semplice rispetto a quella di tipo adattativa richiesta da un unico canale.

Per far fronte alle diverse condizioni di rapporto segnale rumore del link radio, l’802.16 utilizza un sistema di modulazione adattativa, che dinamicamente seleziona tra sette tipi di modulazione quello più idoneo alle condizioni di fading del canale radio.

I frame affetti da errore sono recuperati tramite tecniche di correzione d’errore, del tipo Reed-Solomon FEC, agevolate dall’uso di codifiche di convoluzione e algoritmi di interleaving.

I frame che non possono essere corretti sono ritrasmessi con il meccanismo dell’Automatic Repeat Request (ARQ).

La combinazione di queste tecniche consente di raggiungere livelli di BER pari a 10^-9.

Nella tabella seguente sono riassunti i diversi schemi di modulazioni e codifiche di convoluzione e i relativi bit rate ottenibili.

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Sono previsti anche algoritmi di controllo della potenza, per fare in modo che le CPE, su indicazione della BS, varino dinamicamente la potenza di trasmissione in base alle condizioni di fading del canale trasmissivo, riducendo in tal modo sia i consumi di potenza, sia i livelli di interferenza prodotta.

Le misure descritte sinora, insite nello standard, possono essere accompagnate da altri accorgimenti in grado di migliorare ulteriormente le performance del sistema in termini di fade margin e che lo standard si limita a prevedere come opzionali:

• utilizzo lato BS di antenne intelligenti (AAS - Adaptive Antenna Systems), che conformano la propria area di copertura alla posizione delle CPE, riducendo così al minimo le interferenze;

• tecniche di trasmissione e ricezione in diversità di polarizzazione.

Una caratteristica interessante del WiMax, classificata opzionale dallo standard, è la sub-canalizzazione. Normalmente le restrizioni regolamentari e la necessità di avere CPE poco costose fanno sì che il range di copertura dell’intero sistema sia limitato dalla CPE, cioè in direzione up-link. La sub-canalizzazione prevede di concentrare la potenza di trasmissione della CPE su un numero di portanti OFDM inferiore a quello totale, in modo da estendere il raggio di copertura a discapito del bit rate in uplink.

Per avere dei riferimenti circa l’estensione di copertura che può raggiungere il WiMax, si possono mettere a confronto le due seguenti situazioni:

• una BS standard, cioè che soddisfa solo i requisiti base dello standard;
• una BS che utilizza anche le seguenti caratteristiche opzionali:
  • maggiore potenza di trasmissione;
  • diversità di polarizzazione TX-RX;
  • sub-canalizzazione;
  • ARQ.

Assumendo di disporre di 3,5 MHz di banda a 3,5 GHz e di utilizzare antenne direzionali di 60°, ciò che è stato ottenuto è riportato in tabella:

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Poiché ogni Paese presenta una propria regolamentazione nell’uso delle frequenze, lo standard non prevede canali di ampiezza prefissata, ma che ogni canale possa avere una banda variabile, consentendo così di utilizzare al meglio le risorse radio.

I vincoli da rispettare sono i seguenti:

• l’ampiezza di un canale deve essere un multiplo intero di 1,25 MHz, 1,5 MHz e 1,75 MHz;

• l’ampiezza massima di un canale è di 20 MHz.

Pertanto un operatore che ha a disposizione per esempio 14 MHz di banda, può scegliere di organizzarla in vari modi: con 1 canale da 14 MHz, 2 canali da 7 MHz, 4 da 3,5 MHz oppure 8 da 1,75 MHz.

Inoltre sempre per potersi adattare alle diverse possibilità di regolamentazione di uso delle frequenze, lo standard supporta sia il Time Division Duplex (TDD), che consente di trasmettere e ricevere sullo stesso canale, sia il Frequency Division Duplex (FDD), che richiede due canali separati da 50-100 MHz per la trasmissione e la ricezione.

Il problema della sicurezza delle comunicazioni, fortemente trascurato dal WiFi, viene risolto dal WiMax attraverso misure di:

• autenticazione dei terminali;

• autenticazione dell’utente tramite EAP (Exstensible Authentication Protocol);

• crittografia dei dati tramite DES (Data Encryption Standard) o AES (Advanced Encryption Standard).

Il MAC Layer prevede la presenza di speciali sublayer di convergenza, che hanno il compito di ricondurre ad un unico formato, quello dei Service Data Unit (SDU), le connessioni dei livelli di trasporto superiori, sia ATM, sia a pacchetto (IPv4, IPv6 o Ethernet), preservando o attivando garanzie di QoS e di allocazione di banda.

Lo standard consente di gestire diverse classi di servizio:

• Unsolicited Grant Services (UGS), per servizi quali l’emulazione di E1 e Voice over IP senza soppressione del silenzio;
• Real-Time Polling Services (rtPS), per servizi real-time che generano pacchetti di dimensione variabile, ad esempio video MPEG o VoIP con soppressione del silenzio;
• Non-Real-Time Polling Services (nrtPS), per servizi non real time caratterizzati da burst di pacchetti di dimensione variabile
• Best Effort (BE) Services: quelli tipicamente forniti oggi da Internet, per esempio per il web surfing.