Fixed WiMAX Physical Layer
– Guard Time
– Subcarrier
– Bandbreite
– Kanalkodierung, Modulation und Bitraten
– OFDMA
Wireless Broadband (WiBro)
Einführung von WiMAX

IEEE basierter Mobilfunk

Wireless Metropolitan Area Network

Die Standardisierung unter dem Projekt 802.xx sollten Netzwerke verschiedener Größen entstehen. So spezifizierte man nicht nur WLAN unter 802.11, sondern auch bald WPAN (Wireless Personal Area Network) unter 802.15. Hier wurde z.B. Bluetooth als 802.15.1 Standard aufgenommen.

Unter der Nummer 802.16 begann man Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) zu spezifizieren. Ziel war ein Standard mit dem man von einem Sendeturm in einem Umkreis von vielleicht 10 km Datenaustausch zu ermöglichen. Treiber war hierbei die sogenannte Wireless Local Loop, also die sogenannte letzte Meile zum Nutzer. Wenn ein Nutzer keinen Zugang zu einem drahtgebundenen Datennetz hat wie etwa DSL oder ein Kabelmodem so sollte man wenigstens einen drahtloser Zugang ermöglichen. Man denke sich, dass man in einem Haus oder einer Wohnung eine Antenne, vielleicht sogar eine Richtantenne aufstellt. Diese kann dann Daten mit einem Funkturm austauschen und man erhält dadurch „Wireless Broadband Access“. Solche Empfänger heißen in einem WMAN Umfeld Customer Premises Equipment (CPE).

WiMAX

Nachdem WLAN ein überraschender Erfolg war und durch WiFi gefördert wurde, gründete man schnell einen ähnlichen Begriff für 802.16 namens WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Bereits 2001 gründete man dazu ein WiMAX Forum, um eine Interoperabilität von WiMAX Geräten zu organisieren, ähnlich wie das WiFi Alliance für WLAN. Besonderen Push erhielt WiMAX durch Intel. Intel hatte bereits begonnen WLAN zum integralen Bestandteil seines PC-Geschäftes zu machen. Sie schufen dafür die sogenannte Centrino Plattform. Eine Erweiterung hin zu WMAN schien natürlich. Intels Strategie war stets, dass PCss überall einfachen Zugang zum Internet haben sollten, über WiFi oder außerhalb des Hauses über WiMAX.

Die Vision von Intel war dass man mobiles Internet über WiFi und WiMAX erhält und nicht über die Mobilfunknetze. Diese sollten eher Sprachdiensten vorbehalten sein.

Zügig gab es Anfang der Nullerjahre mehrere Versionen von 802.16. Die erste Veröffentlichung des Standards für WMAN in ortsfester Umgebung (Fixed Wireless) erschien bereits 2004. Es erlaubte Bitraten von 10 bis 20 Mbit/s. Gut für schnelles Internet und deutlich schneller als W-CDMA und UMTS welches zur gleichen Zeit auf dem Markt erschien.

Wenig später, 2005 erschien sogar eine mobile Variante von WiMAX unter 802.16e. Diese erlaubte wie bei einem zellularen Systemen einen Zellwechsel. Dadurch wurde WiMAX ein „Nomadischer” Standard. Er funktionierte nicht nur im Haus mit einem CPE, sondern auch „unterwegs“ vom PC oder dem PDA. Intel war der erste Hersteller, der auch einen Chip für 802.16e anbot.

Fixed WiMAX Physical Layer

Es war wenig erstaunlich nach dem Erfolg von 802.11 g, dass auch WiMAX auf der OFDM Modulation aufbaute. Allerdings legte man die Luftschnittstelle sehr flexibel aus. Folgende Randbedingungen galten:

• Verschiedene Frequenzbänder 
• Verschiedene Bandbreiten
• Verschiedenen Reichweiten

Somit wurde auch die OFDM basierte Übertragung flexibel gestaltet. Fest für fixed WiMAX war lediglich die Größe der FFT mit 256 Punkten.

Guard Time

Im Gegensatz zu WLAN kann eine WiMAX Zelle bis zu mehrere Kilometer Länge erreichen. Dadurch kommt es zu Mehrwegsausbreitung und dadurch zu einer Interferenz zwischen den zu übertragenen Symbolen. Bei OFDM sind diese Effekte geringer aber vor allen bei kurzen Symbolzeiten nicht ganz zu vernachlässigen. Deshalb führte man zwischen zwei Symbolen eine Lücke ein, eine Guard Time oder Cycle Prefix (CP). Das Verhältnis von Symbollänge und Guard Time Länge nennt man G. G kann je nach Situation gewählt werden. Mögliche Werte sind 1/4 , 1/8, 1/16 und 1/32.

Subcarrier

Eine 256 Punkte FFT erzeugt theoretisch 256 Unterträger (Subcarrier). Wie bei WLAN werden diese nicht alle genutzt. Die 27 bzw 28 am Rande liegenden Träger nutzte man nicht zur Datenübertragung. Sie dienten als „Guard Carrier“ (Schutzträger gegenüber Nachbarbändern). Weiterhin nutzte man auch bei WiMax den Träger bei Frequenz 0 nicht. Acht Träger dienten als Pilot Channels. Somit verblieben 192 Unterträger für die Datenübertragung.

Bandbreite

Die Bandbreite hängt von der Abtastfrequenz der OFDM-Symbole ab. Es gilt hierbei: Abtastfrequenz = n x Bandbreite, wobei n typischerweise ein Wert von 8/7 ist. Wenn man eine Bandbreite von 20 MHz wünscht, so errechnet sich daraus die Abtastfrequenz als 17,5 MHz. Die Bandbreite der Unterträger ist 20 MHz/256 = 78 kHz.

Kanalkodierung, Modulation und Bitraten

Wie bei HSDPA wird auch in WiMAX das bis dato beste Verfahren zur Kanalkodierung eingesetzt, ein Turbo Kodierer. Hierbei kann man durch Punktuierung verschiedene Kodierraten erzeugen, und zwar 1/2, 2/3, 3/4 und 5/6.

Zur Modulation der Ausgangsignale der iFFT sind wie bei 802.11 a folgende Modulationen zugelassen: BPSK, QPSK, 16 QAM und 64 QAM. Die Modulation wird natürlich entsprechend der Kanalqualität gewählt. 64 QAM ist nur bei sehr geringem Rauschen möglich was üblicherweise gegeben ist wenn man sich in der Nähe des Senders aufhält bzw. eine gute (Richt)Antenne zum Empfang hat.

Die Datenraten ergeben sich nun aus der Anzahl von bits pro OFDM-Symbol mal der Kodierrate geteilt durch die Dauer des OFDM-Symbols. Die untenstehende Tabelle zeigt die Bitraten bei 20 MHz mit verschiedenen Kodierungen und Modulationen und variable Guard Zeiten (G Ratio). Es können unter günstigen Umständen Bitraten von über 70 Mbit/s erreicht werden.

	BPSK	QPSK	QPSK	16-QAM	16-QAM	64-QAM	64-QAM
G ratio	1/2	1/4	3/4	1/2	3/4	2/3	3/4
1/32	8,31	16,62	24,94	33,25	49,87	66,43	74,81
1/16	8,07	16,13	24,20	32,27	48,40	64,47	72,61
1/8	7,62	15,24	22,86	30,48	45,71	60,89	68,57
1/4	6,86	13,71	20,57	27,43	41,14	54,80	61,71

OFDMA

Anders als in WLAN-Systemen ist davon auszugehen, dass es in einer WMAN-Zelle viele Nutzer gibt welche die Kanäle gleichzeitig nutzen wollen. Daher ist es möglich unterschiedlichen Nutzern eine Untermenge der vorhandenen Unterkanäle zuzuweisen. So können mehrere Nutzer die Kapazität teilen wie in CDMA oder TDMA-Systemen. Man spricht von Orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA). Bei WiMAX können die 192 Unterkanäle in 16 Kanäle gebündelt werden, von denen jeder 12 Unterkanäle hat. Dadurch kann man 16 Teilnehmer gleichzeitig bedienen.

Wireless Broadband (WiBro)

Korea war Anfang der Nullerjahre sehr fortschrittlich was Mobilfunk betraf. In Korea wurde vor allen CDMA2000 vorangetrieben oft schneller als in den USA. Dennoch wurde die Kapazität und auch die Geschwindigkeit als nicht ausreichend angesehen. Bereits 2002 stellte man ein 100 MHz Band zwischen 2,2 GHz und 2,3 GHz für Wireless Broadband Services zur Verfügung. Rasch arbeitete man an einem OFDM basierten System welches ähnlich zu 802.16 war. Samsung war der Haupttreiber bei der Standardisierung die als WiBro bezeichnet wurde. Anvisiert wurde ein TDD System mit einer Bandbreite von 10 MHz. 

Zunächst verlief die Entwicklung von WiBro und WiMAX parallel. Intel und Samsung, die Haupttreiber der Standards kamen jedoch 2004 überein, dass es zwischen WiBro und WiMax eine Kompatibilität geben sollte. 

So entstand 2005 eine nomadische mit WiBro kompatible Version von WiMax mit der Bezeichnung 802.16e. Dieser Standard ist im Gegensatz zu dem fixed WiMAX über die Anzahl der Unterträger skalierbar. (SOFDMA, Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Das heißt man kann verschiedene Bandbreiten bedienen bei fester Abtastrate bzw. Unterkanalbandbreite von 10,94 kHz. Dies geschieht durch verschieden Längen der FFT. 

• 128 Punkte FFT = 1,25 MHz Bandbreite
• 512 Punkte FFT = 5 MHz Bandbreite
• 1024 Punkte FFT = 10 MHz Bandbreite
• 2024 Punkte FFT = 20 MHz Bandbreite

Weiterhin sind Funktionen zu dem Standard definiert die ein Handover von einer Zelle in eine neue Zelle erlauben.

Einführung von WiMAX

Bereits 2005 begann Korea Telecom mit WiBro/802.16e Service. Hierbei konnten Downlink Geschwindigkeiten von 30-50 Mbit/s erreicht werden (10 MHz Bandbreite), eine enorme Zahl zu dieser Zeit.

Wie besprochen hatte vor allen der Halbleiterhersteller Intel es zu seiner Strategie gemacht WiMAX als Standard durchzusetzen. Wahrscheinlich in Angesicht des enormen Wachstums im Mobilfunkbereich wollte Intel bei der vierten Generation Mobilfunk eine dominierende Rolle spielen. Intel war der größte Halbleiterhersteller und hatte viel Geld für Investitionen.

2005 gab Intel bekannt das es eine Vereinbarung mit Sprint gab WiMAX zu testen. Sprint war gerade mit dem Betreiber Nextel zusammengekommen und war einer der großen Mobilfunkanbieter in den USA. Intel hatte bereits einen WiMAX Chip entwickelt der Teil des Intel PC Chipsets werden sollte. 2006 investierte Intel 600 Millionen Dollar in die Firma Clearwire, damit diese Firma WiMAX für Wireless Broadband einsetzen sollte. Im selben Jahr kündigte Sprint an 3 Milliarden Dollar in neues WiMAX Netz zu investieren. Plan war es 100 Millionen Nutzer bis 2008 zu gewinnen. Inzwischen wurde WiMAX 2007 als offizieller IMT2000 Standard aufgenommen. Somit hatte der Standard einen gewissen Anspruch auf die entsprechenden IMT 2000 Bänder.

2008 gab es ein Joint Venture von Clearwire und Sprint/Nextel bezüglich WiMAX. Gleichzeitig wurde Mobile WiMAX in Baltimore in Betrieb genommen. Sprint plante WiMAX in Atlanta, Charlotte, Chicago, Dallas, Fort Worth, Honolulu, Las Vegas, Philadelphia, Portland and Seattle. Boston, Houston, New York, San Francisco and Washington sollten 2010 folgen.

Intel investierte außerdem intensiv in Betreiber Weltweit, um WiMAX zu etablieren. Allein etwa 500 Millionen Dollar für einen Betreiber in Taiwan. Intel kaufte sogar Mobilfunkfrequenzen, um WiMAX betreiben zu können. 2007 gab es weltweit über 300 WiMAX Feldversuche und 100 WiMAX Betreiber, welche über WiMAX Mobile Broadband anboten.