Grundlagen WiMAX Teil 2 - Antennen, Dienstgüten und Produkte

Die breitbandige drahtlose Anbindung (Broadband Wireless Access – BWA) ist an und für sich keine wirkliche Neuheit. Bereits seit Jahren stehen mit Hilfe von Mikrowellen- und Laserlinks im Sinne von Punkt-zu-Punkt (P2P) beziehungsweise Punkt-zu-Multipunkt (P2MP) Anbindungen zur Verfügung. Während hierfür in der Vergangenheit praktisch ausschließlich proprietäre Protokolle zum Einsatz kamen, versucht man nun mit 802.16, einem neuen Standard aus der IEEE802-Familie, den Markt mit standardisierten und somit günstigeren Produkten zu durchdringen und zu erweitern.

In Bezug auf Marketing und Kompatibilitätstests erfährt der Standard Unterstützung durch das WiMAX Forum, das mittlerweile mehr als 200 Unternehmen vereint. WiMAX steht für Worldwide Interoperability for Microwave Access. Die Technologien sollen mit einer Bandbreite von bis zu 75 Mbit/s noch in Entfernungen von 50 Kilometern funken.

In diesem zweiten Teil beschreiben wir die Antennentechnik, mit der die höhere Reichweite und Datendichte erzielt wird, und die Realisierung von Dienstgüten. Der erste Teil dreht sich um Einsatzgebiete, die grundlegenden Varianten und die verschiedenen Architekturen von WiMAX.

Antennentechnik

Antennen können mit einer Reihe von im 802.16-2004-Standard als optional vorgesehenen Maßnahmen mithelfen, die Übertragungsqualität zu verbessern. Alle Verfahren basieren auf dem Einsatz von mehr als einer (Teil-)Antenne und tragen somit auch zu erhöhten Kosten bei. Die Qualitätsverbesserung wird beschrieben durch

• einen Array-Gewinn, der die Verstärkung des Signals dadurch erreicht, dass mehrere in einem Array angeordnete Antennen das Signal in einer kohärenten Verstärkung empfangen,

• einen Diversitätsgewinn, der die Tatsache ausgleicht, dass einzelne Antennen unter Umständen in einem „Funkloch“ liegen. In diesem löschen sich die elektromagnetischen Wellen des direkten Strahls und des reflektierten Strahls gegenseitig aus.

Besonders hervorzuheben ist die Tatsache, dass eine Reihe der Verfahren unmittelbar in den PHY- und MAC-Protokollen beschrieben ist.

Diversität bezieht sich nicht nur auf Empfangs-, sondern auch auf Sendeantennen. Dabei versteht man unter Diversität (Vielfalt) in der Technik eine Strategie zur Erhöhung der Ausfallsicherheit - im Wesentlichen durch die Nutzung redundanter Systeme.

Empfangsantennen

Die Nutzung der Diversität auf Empfängerseite ist schon von 802.11 bekannt und verwendet mindestens zwei Antennen, die in einem ungeradzahligen Vielfachen der Wellenlänge angeordnet sind. Diese als inkohärent bezeichneten Antennen werden in unterschiedlichem Maße Signale empfangen, die sich an manchen Orten durch Überlagerungen auslöschen. Solche Systeme werden auch Single-Input-Multiple-Output (SIMO) genannt.

Sendeantennen

Andere Verfahren nutzen mehrere Antennen auf der Sendeseite, aber nur eine Empfangsantenne. Solche Ansätze haben den Vorteil, dass die Kosten nur an einer Station anfallen und auf eine Vielzahl von Verbindungen umgelegt werden können. Das vielleicht bekannteste Verfahren, das Alamouti Space Time Coding (STC), verwendet zwei Antennen an der Basisstation, die jeweils aufeinander folgende Symbole übertragen. Hierdurch entsteht nicht nur ein Zeit-, sondern auch ein Raummultiplex.

Beim 802.16-2005 OFDM-256 wird die Alamouti-Kodierung jeweils auf einen bestimmten Teilträger k bezogen. Würden in einem unkodierten System die Symbole S1[k] und S2[k] als OFDM-Symbole übertragen, so werden nun in einem ersten Zeitschritt die Symbole von S1[k] und S2[k] von der ersten und von der zweiten Antenne gesendet, um in einem zweiten Zeitschritt die konjugiert komplexen Symbole -S2*[k] und S1*[k] von der ersten und der zweiten Antenne zu übertragen.

Der Vorteil des Alamouti-Verfahrens besteht darin, dass die Detektion des gesendeten Datenbits mit Hilfe einer einfachen Matrix-Multiplikation realisiert werden kann. Die Besonderheit ist hierbei, dass die Ausbreitungsbedingungen und das Rauschen inkohärent verknüpft und damit deutlich weniger verstärkt werden als das Nutzsignal.

Als weiteres Verfahren, das auch im 802.16 eingesetzt werden kann, ist die zyklische Diversität zu nennen, bei der ebenfalls über mehrere Sendeantennen verwandte Symbole versendet werden. Allerdings kommt ein längerer Delay zwischen den Symbolen zum Einsatz.

MIMO und Beam-Steering

Und schließlich können sowohl mehrfache Sende- als auch mehrfache Empfangsantennen eingesetzt werden. Dieses Verfahren, das auch in der nächsten Geschwindigkeitssteigerung des 802.11n Einsatz finden wird, bezeichnet man als Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO). Hierbei werden die gesendeten Signale auf unterschiedliche Art und Weise gestreut, so dass das System eine räumliche Form von signalabhängiger Interferenz erfährt, die auch als „Co-Antenna Interference“ (CAI) bezeichnet wird. Im Empfänger müssen diese Datenströme der einzelnen Kanäle von den Interferenzen der Nachbarkanäle befreit werden.

Bei den „Beam-Steering Antennas“ werden auf der Empfängerseite Felder von Antennen aufgebaut, mit deren Hilfe es möglich ist, die Richtungsabhängigkeit zu verändern. Auch hier werden die einzelnen Teilantennen in einem Vielfachen der halben Wellenlänge angeordnet und in unterschiedlichen Verstärkungen aufgeschaltet. Auf diese Weise kann auf der Empfangsseite die Antennenempfindlichkeit an die tatsächlichen Verhältnisse angepasst werden. Störer können richtungsabhängig unterdrückt werden.

Diese Anpassung erfolgt in Kombination mit dem OFDMA-PHY, wo die Anpassung sogar für einzelne Downlink-Kanäle umgesetzt werden kann.

Bei „Beam-Forming Antennas“ wird die Senderantenne in mehrere Sektoren unterteilt. In der Praxis variiert die Zahl der Sektoren von vier bis zu 24. Somit können von einem Sendemast aus gleiche Frequenzen in unterschiedlichen Sektoren verwendet werden (Frequency Reuse, Space Division Multiple Access (SDMA)). Solche Sektorantennen finden bereits seit geraumer Zeit in Mobilfunkantennen von Basisstationen ebenso Anwendung wie in proprietären Point-to-Multipoint-Systemen.

Duplexing: TDD, FDD und H-FDD

Unter Duplexing versteht man in diesem Zusammenhang die Anordnung von Down- und Uplink. Auch hierfür bietet IEEE802.16 verschiedene Optionen, die im Folgenden kurz in Bezug auf ihre Vor- und Nachteile diskutiert werden.

Beim Frequency Division Duplexing (FDD) werden Up- und Downlink-Kanäle auf zwei unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig übertragen. FDD ist somit vorteilhaft einsetzbar für symmetrische Systeme und Anwendungen mit geringer Latenzzeit (wie beispielsweise Sprachtelefonie). Es erleichtert den Aufbau der MAC-Schicht, da auf jedem Übertragungskanal nur eine unidirektionale Kommunikation betrachtet werden muss. Allerdings werden zwei parallele RF-Systeme benötigt.

Beim Time Division Duplexing (TDD) hingegen werden Up- und Downlink-Kanäle zeitlich nacheinander auf einer Frequenz übertragen. Es ist deswegen vorteilhaft für asymmetrische, flexible und kostengünstige Systeme. Im Wesentlichen lassen sich in den Transceivern die gleichen Frequenzsynthesizer und RF-Filter für Sende- und Empfangsrichtung einsetzen. Darüber hinaus können die TDD-Ansätze einfacher mit den Smart-Antenna-Technologien genutzt werden.

Neben diese beiden Varianten tritt noch das so genannte Half-FDD (H-FDD), bei dem die Frequenz in Downlink-Richtung fest gewählt wird. Auf diese Weise können die RF-Systeme auf der Seite der Subscriber-Stations einfacher gestaltet werden.

Die WiMAX-Lösungen für lizenzbehaftete Frequenzen verwenden FDD, während die Systeme für lizenzfreie Frequenzen auf TDD zurückgreifen.

MAC-Layer

Kanalzuweisung

Der Medium-Access-Control-Layer mit der Aufgabe, den Kanalzugriff zu regeln, unterliegt einer ganz besonderen Herausforderung. Er muss sehr viele unterschiedliche Verkehrsströme mit verschiedensten Charakteristiken bedienen und unter Umständen höchsten Qualitätsanforderungen genügen. Hierzu reicht der herkömmliche, von vielen IEEE802-Standards wie etwa Ethernet oder WLAN favorisierte Best-Effort-Ansatz nicht mehr aus. Stattdessen wird eine leistungsfähige und flexible Ressourcenplanung benötigt.

Die Grundstruktur des MAC-Zugriffs ergibt sich durch ein Time Division Multiplex (TDM) im Downlink und ein Time Division Multiple Access (TDMA) im Uplink. Der prinzipielle Aufbau des MAC-Rahmens, wie oben abgebildet, liefert die Grundlage für folgendes Vorgehen.

Die Basisstation multiplext den Verkehr in festen Zeitschlitzen (TDM) an die verschiedenen Subscriber-Stationen. Für diese einzelnen Datenströme können individuelle Modulations- und Kodierungsverfahren festgelegt werden, um den unterschiedlichen Kanaleigenschaften zu den unterschiedlichen Subscriber-Stations gerecht zu werden.

In dem Header werden die Zuordnungen zu den einzelnen Bursts beschrieben. Dabei greifen die unterschiedlichen Subscriber-Stationen, aber unter Umständen auch die Basisstation, auf den Kanal im Zeitmultiplex zu (TDMA). Hervorzuheben ist hierbei die zentrale Zuteilung durch die Basisstation, so dass keine Kollisionen auf dem Kanal auftreten.

Dienstgüten

Als einen der wesentlichen Vorzüge von IEEE802.16 gegenüber den 802.11-Systemen kann die Gewährleistung von Dienstgüten gesehen werden. Hierfür traf man eine Reihe von Vorkehrungen:

• Zur Abschwächung der leidigen Koexistenzproblematik integriert IEEE802.16 eine dynamische Frequenzanpassung (Dynamic Frequency Selection - DFS) sowie eine Regelung der Ausgangsleistung (Automatic Power Control - APC). Dies ist umso bemerkenswerter, als sich die Kollegen von 802.11 sehr schwer getan haben, diese Erweiterungen in den Standard aufzunehmen. Lediglich im europäisch ausgerichteten 802.11h finden sich diese sinnvollen Ergänzungen.

• Um die Bitfehlerrate auf dem Kanal möglichst gering zu halten, finden im Bereich der Kanalkodierung Verfahren zur Forward Error-Control (FEC) wie Reed-Solomon- und Faltungskodierung Anwendung.

• Gehen trotzdem Rahmen auf der Strecke verloren, so kann dies mit Hilfe der Anforderung von Empfangsbestätigungen festgestellt werden (Automatic Retransmission Request - ARQ).

• Besonders hervorzuheben sind aber die integrierten Möglichkeiten der Dienstgüte-Unterstützung (Quality of Service – QoS). Hierzu zählt die Verbindungsorientierung bereits auf Layer 2 im Rahmen des Grant Request Protocol und die Unterstützung von Differentiated Services (DiffServe). Auf diese Weise wird auch die Einbindung leitungsvermittelter Sprachtelefonie ermöglicht.

Hersteller, Produkte, Installationen

Im WiMAX Forum haben sich mittlerweile 334 Unternehmen zusammengefunden (Stand 8.12.2005). Die Liste umfasst Unternehmen auf den unterschiedlichsten Ebenen der Wertschöpfungskette, von Halbleiterherstellern über Systemlieferanten bis hin zu Netz- und Dienstanbietern. Unter den Mitgliedern im WiMAX Forum ist mit Sicherheit Intel als eine der wesentlichen treibenden Kräfte hervorzuheben, ohne die wohl deutlich weniger Mittel zur Verfügung ständen.

Intel hat mit dem PRO/Wireless 5116 einen WiMAX-orientierten Baseband-Prozessor entwickelt. Auf diesem basieren Systeme verschiedener Hersteller, die seit dem vergangenen Jahr auf den Markt gebracht werden.

Von den Installationen, die momentan weltweit als Pilotanwendungen vorangetrieben werden, sind für den deutschen Bereich sicherlich Selm, Kaiserslautern, Berlin und Düsseldorf zu nennen.

Darüber hinaus ist – nach einigem Zögern – nun auch die T-Com mit zumindest zwei ersten Pilotprojekten im Ortsnetz Rheinbach der ländlichen Gemeinde Swisttal und achtzig in zwei glasfaserversorgten Ortsteilen der Gemeinde St. Augustin beteiligt.

Zertifizierung

Um der Vielzahl der Optionen Herr zu werden, definiert die WiMAX im Rahmen ihrer Certification Working Group (CWG) so genannte Profile mit einer geeigneten Kombination der Optionen für verschiedene Anwendungen. Als Erstes konzentrieren sich diese Profile auf die OFDM256-Modi des 802.16a-Teilstandards. Hierbei werden zunächst die in der Tabelle genannten Systemprofile ins Auge gefasst.

Erste Systemprofile für den 802.16

Profilname	Profilkonfiguration
3.5T1	3,5 GHz, TDD, 7 MHz
3.5T2	3,5 GHz, TDD, 3,5 MHz
3.5F1	3,5 GHz, FDD, 3,5 MHz
3.5F2	3,5 GHz, FDD, 7 MHz
5.8T	5,8 GHz, TDD, 10 MHz

Nach der erfolgten Zertifizierung dürfen die Systeme als „WiMAX Forum Certified equipment“ bezeichnet werden.

Ausblick

Es ist momentan sicherlich noch zu früh, um die Marktdurchdringung von WiMAX wirklich abschätzen zu können. Vermutlich wird WiMAX auf Grund der Vielzahl von unterstützenden Unternehmen und der technischen Vorzüge einen Platz im Bereich der Zugangsnetze finden. Inwieweit sich das sehr komplexe und damit auch vergleichsweise teure WiMAX im Endgerätemarkt etablieren wird, ist viel schwerer zu beurteilen. Die Konkurrenz durch das mittlerweile allgegenwärtige WLAN ist hier bedeutend schärfer.

Positiv ist auf jeden Fall zu bewerten, dass hier ein Standard mit vielen integrierten Elementen zur Anpassbarkeit von PHY und MAC, auch im Hinblick auf garantierte Dienstgüten, entwickelt wurde. Interessant wird es sein, zu beobachten, welche Profile ausgewählt und in den Markt eingeführt werden, um die Vielzahl der Optionen zu begrenzen. (mha)

Weitere Informationen

WiMAX Forum, ein Zusammenschluss von Firmen zur Entwicklung von WiMAX.

Die Dokumente “Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems” (IEEETM P802.16-REVd/D5-2004) und “Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems” (IEEETM P802.16e/D3-2004) sind verfügbar auf der IEEE802-Seite.

WiMaxxed.com, ein Online-Magazin über WiMAX.

WiMAX World Conference & Exposition, eine Messe zu WiMAX.

Intel, selbst ein sehr aktives Mitglied im WiMAX Forum, stellt zwei Dokumente zur Verfügung: „WiMAX technology overview“ und „Intel Technology Journal Volume 8 Issue 3“.