Warstwa fizyczna (PHY) standardu WiMax

Pierwsza wersja standardu WiMax została zaprojektowana dla środowiska LOS w paśmie 10-66 GHz, kolejne umożliwiły pracę z modelem NLOS w paśmie 2-11 GHz. Obniżenie częstotliwości pracy wymusiło konieczność wprowadzenia znaczących zmian w warstwie fizycznej standardu.

W zależności od użytej techniki modulacyjnej wyróżniamy trzy modele PHY WiMax:

• SC (Single Carrier) –modulacja z pojedynczą nośną,
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) –modulacja OFDM z 256 nośnymi, oparta na dostępie TDMA (Time Division Multiple Access);
• OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) –OFDM z 2048 nośnymi. Zwielokrotniony dostęp realizowany za pomocą podzestawu nośnych, jednak dalej powiązany z TDMA.

Najbardziej popularną platformą PHY wśród projektantów sprzętu jest OFDM. Wynika to głównie z możliwości pracy w środowisku NLOS (SC –tylko LOS), szybszej FFT, mniejszym wymaganiom na synchronizację częstotliwościową niż OFDMA. Z pośród 256 nośnych używanych przez OFDM tylko 192 przeznaczone są na przenoszenie danych użytkowych, 56 jest wykorzystywanych jako margines bezpieczeństwa (same zera) i 8 jako sekwencje pilota.

Nowością wśród standardów dotyczących technik radiowych, zdefiniowaną w standardzie 802.16, jest zmienna szerokość kanału. Według specyfikacji 802.16-2004 wartość ta musi być liczbą całkowitą oraz stanowić wielokrotność 1.25, 1.5 lub 1.75 MHz. Ponadto maksymalna szerokość kanału nie może przekraczać 20 MHz (w Europie 28 MHz / ETSI HiperMAN). Dzięki temu sieć oparta na standardzie 802.16 może zostać zaimplementowana na całym świecie, nie naruszając specyficznych regulacji rządowych danego państwa.

Standard WiMax może pracować w wielu pasmach częstotliwościowych (2-66 GHz), dlatego też sieci tego typu mają możliwość działania zarówno w pasmach licencjonowanych, jaki i tych, niewymagających licencji. To właśnie stanie się furtką dla małych, lokalnych firm, zainteresowanych tanimi i szybkimi rozwiązaniami, a także zapewni dużym przedsiębiorstwom osiągnięcie wysokiej jakości świadczonych usług w pasmach z wykupioną licencją.

Standard 802.16 dopuszcza stosowanie czterech schematów modulacyjnych: BPSK, QPSK, 16QAM oraz 64QAM. Zdefiniowano także siedem kombinacji modulacji i technik kodowych, dzięki którym można uzyskać różne przepustowości oraz zasięgi w zależności od warunków kanałowych i interferencyjnych. Tabela zestawia schematy modulacyjno-kodowe dla 802.16d.

Modulacja adaptacyjna pozwala systemowi WiMax dynamicznie zmieniać technikę modulacyjną, w zależności od ostępu sygnał-szum (SNR) w kanale radiowym. Jeśli warunki panujące w kanale są dobre, wybierany jest najlepszy schemat modulacyjno-kodowy, pozwalający na transmisję o wysokiej przepustowości. Gdy sygnał zanika następuje przełączenie na niższą modulację, w celu zachowania stabilności sygnału.

Zasada działania modulacji adaptacyjnej

Ponadto WiMax umożliwia zastosowanie tzw. anten inteligentnych. Zdefiniowano odrębne ramki dla ruchu DL i UL, pozwalające wykorzystywać kilka wiązek kierunkowych, każdą z przeznaczeniem dla jednego lub kilku terminali użytkowników. Inteligentna antena nie wypromieniowuje takiej samej mocy we wszystkich kierunkach (do pożądanych i niepożądanych użytkowników), skupia ją na jednym kierunku (wybranym użytkowniku). Taki mechanizm jest kluczowy w eliminacji niepożądanych interferencji pochodzących z innych lokacji w terminalach klienckich.

Zasada działania inteligentnych anten

Oprócz anten inteligentnych WiMax implementuje również techniki MIMO, które polegają na użyciu dwóch lub więcej anten w celu stworzenia wielu torów nadawczych i odbiorczych. Sygnał radiowy, wytransmitowany z anteny, odbija się od różnych obiektów, tworząc wiele ścieżek, co w standardowych systemach (bez MIMO) jest aspektem negatywnym, gdyż powoduje interferencje i zanikanie sygnału. Urządzenia MIMO łączą i wykorzystują te ścieżki dla uzyskania większej ilości informacji na temat odebranego sygnału.

Zalety stosowania MIMO:

• zysk związany z zastosowaniem szyku anten; sygnały z poszczególnych anten dodają się koherentnie;
• eliminacja interferencji współkanałowych;
• zwiększenie stabilności mocy odebranego sygnału;

Wszystkie te cechy przekładają się na zwiększenie wykorzystania pasma, przepustowości oraz zasięgu WiMax.