WIMAX

WiMAX ist ein geprägter Begriff oder Akronym für weltweite Interoperabilität für Mikrowellenzugang (WiMAX). Was WiMAX jedoch im Kern ist, ist eine Standardinitiative. Sein Zweck besteht darin, sicherzustellen, dass die für den Kundengebrauch hergestellten drahtlosen Breitbandfunkgeräte von Anbieter zu Anbieter kompatibel sind.

WiMAX ist eine Familie drahtloser Breitbandkommunikationsstandards, die auf den IEEE 802.16-Standards basieren und mehrere Optionen für die physikalische Schicht und die Medienzugriffskontrolle bieten.

WiMax ist eine standardisierte drahtlose Version von Ethernet, die in erster Linie als Alternative zu kabelgebundenen Technologien konzipiert ist.

Die Hauptvorteile des WiMAX-Standards bestehen darin, dass er die Einführung fortschrittlicher Funkfunktionen auf einheitliche Weise ermöglicht und die Kosten für alle Funkgeräte senkt, die von Unternehmen hergestellt werden, die Teil des WiMAX-Forums sind – einem Standardisierungsgremium, das gegründet wurde, um die Interoperabilität sicherzustellen testen.

WiMAX ist eine auf Standards basierende Technologie, die bestehende kabelgebundene Verbindungsmodi ersetzen kann, um drahtlosen Breitbandzugang für die letzte Meile bereitzustellen. WiMAX-Produkte arbeiten im 2-GHz- bis 66-GHz-Band und verfügen über hervorragende drahtlose Ausbreitungsfunktionen.

WiMAX bietet feste, mobile und tragbare drahtlose Breitbandverbindungen. Es kann eine mobile drahtlose Breitbandverbindung ohne Basisstationen mit direkter Sichtlinie (LOS) bereitstellen. Im typischen Einheiteneinsatz mit einem Umkreis von fünf bis 15 Meilen kann es gleichzeitig mehrere hundert Geschäftsbenutzer mit einer T-1-Verbindungsgeschwindigkeit oder mehrere tausend Heimbenutzer mit einer DSL-Verbindungsgeschwindigkeit unterstützen.

Zusätzlich zu 3G können Wi-Fi-basierte Systeme verwendet werden, um Breitband-Wireless bereitzustellen. Wi-Fi basiert auf der IEEE 802.11-Standardfamilie und ist in erster Linie eine LAN-Technologie (Local Area Networking), die für die Bereitstellung einer Breitbandabdeckung in Gebäuden konzipiert ist.

Wi-Fi ist der Name einer drahtlosen Netzwerktechnologie, die Radiowellen nutzt, um schnelle drahtlose Internet- und Netzwerkverbindungen bereitzustellen. Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass der Begriff Wi-Fi für „Wireless Fidelity“ steht, aber das ist nicht der Fall. Wi-Fi ist einfach eine proprietäre Bezeichnung, die IEEE 802.11x bedeutet.

Aktuelle Wi-Fi-Systeme, die auf IEEE 802.11a/g basieren, unterstützen eine Spitzendatenrate auf der physikalischen Schicht von 54 Mbit/s3 und bieten typischerweise eine Abdeckung in Innenräumen über eine Entfernung von 100 Fuß. Wi-Fi ist zum De-facto-Standard für Breitbandkonnektivität auf den letzten Metern in Privathaushalten, Büros und öffentlichen Hotspots geworden. In den letzten Jahren haben eine Reihe von Kommunen und Kommunen auf der ganzen Welt die Initiative ergriffen, Wi-Fi-Systeme im Freien einzusetzen, um einen Breitbandzugang in der Stadt bereitzustellen
Zentren und Metropolen sowie in ländliche und unterversorgte Gebiete.

Es ist diese Wi-Fi-Anwendung, die sich mit dem festen und nomadischen Anwendungsbereich von WiMAX überschneidet. Wi-Fi-Bereitstellungen in Ballungsgebieten basieren auf Sendern mit höherer Leistung, die auf Laternenpfählen oder Gebäudedächern installiert werden und die maximal zulässige Leistungsgrenze für den Betrieb im lizenzfreien Band erreichen oder nahe daran liegen.

Selbst mit Hochleistungssendern können Wi-Fi-Systeme in der Regel eine Reichweite von nur etwa 1.000 Fuß vom Zugangspunkt bieten. Folglich erfordern Metro-Wi-Fi-Anwendungen eine dichte Bereitstellung von Zugangspunkten, was eine groß angelegte, allgegenwärtige Bereitstellung unpraktisch macht.

Dennoch könnten sie eingesetzt werden, um einen Breitbandzugang zu Hotzonen innerhalb einer Stadt oder Gemeinde bereitzustellen. Wi-Fi bietet deutlich höhere Spitzendatenraten als 3G-Systeme, vor allem weil es über eine größere Bandbreite von 20 MHz arbeitet.

Das ineffiziente CSMA-Protokoll (Carrier Sense Multiple Access), das von Wi-Fi verwendet wird, sowie die Interferenzbeschränkungen beim Betrieb im lizenzfreien Band dürften die Kapazität von Wi-Fi-Außensystemen erheblich verringern. Darüber hinaus sind Wi-Fi-Systeme nicht für die Unterstützung von Hochgeschwindigkeitsmobilität ausgelegt. Ein wesentlicher Vorteil von Wi-Fi gegenüber WiMAX und 3G ist die breite Verfügbarkeit von Endgeräten.

Die überwiegende Mehrheit der heute ausgelieferten Laptops verfügt über eine integrierte Wi-Fi-Schnittstelle. Wi-Fi-Schnittstellen werden mittlerweile auch in eine Vielzahl von Geräten integriert, darunter persönliche Datenassistenten (PDAs), schnurlose Telefone, Mobiltelefone, Kameras und Mediaplayer.

Die große integrierte Basis an Endgeräten erleichtert Verbrauchern die Nutzung der Dienste von Breitbandnetzen, die mit Wi-Fi aufgebaut sind. Wie bei 3G werden die Fähigkeiten von Wi-Fi erweitert, um noch höhere Datenraten und eine bessere QoS-Unterstützung zu ermöglichen.

Insbesondere wird der neue IEEE 802.11n-Standard durch den Einsatz der räumlichen Multiplexing-Technologie mit mehreren Antennen einen Peak-Layer-2-Durchsatz von mindestens 100 Mbit/s unterstützen. Es wird erwartet, dass IEEE 802.11n durch den Einsatz von Sendediversität und anderen fortschrittlichen Techniken auch erhebliche Reichweitenverbesserungen bietet.

Erste Generation von Breitbandsystemen

Technologie und Übertragung

Die erste Generation von Breitbandsystemen markierte den Übergang von analogen, langsamen Modemverbindungen hin zu digitalen, dauerhaft aktiven Internetverbindungen. Die verbreitetsten Technologien in dieser Phase waren DSL (Digital Subscriber Line) und frühe Kabelmodemlösungen. Beide setzten auf bereits vorhandene physische Infrastrukturen – DSL nutzte das klassische Telefonnetz auf Kupferbasis, während Kabelmodems über das Koaxial-TV-Netz betrieben wurden.

Die Übertragungsraten lagen bei DSL-Anschlüssen typischerweise zwischen 256 Kbit/s und 1 Mbit/s im Downstream, bei einem deutlich langsameren Upstream. Diese asymmetrische Auslegung spiegelte das typische Nutzerverhalten wider: hoher Downloadbedarf bei geringem Upload. Kabelmodems boten teilweise höhere Bandbreiten, allerdings auf Kosten der Stabilität bei hoher Netzauslastung, da sich mehrere Nutzer denselben Übertragungskanal teilten.

Netzstruktur und Bereitstellung

Die Netzarchitektur dieser Systeme war zentralisiert und wenig flexibel. Bei DSL-Anschlüssen war die Distanz zwischen dem Teilnehmer und der Vermittlungsstelle ein kritischer Faktor – je weiter entfernt, desto schlechter die Signalqualität. Viele Anbieter nutzten vorhandene Telefonleitungen bis zum Kundenendgerät und ergänzten diese durch zusätzliche Hardware wie Splitter und DSL-Modems.

Im Kabelnetz wurde ein regionales Verteilsystem eingesetzt. Dabei teilten sich mehrere Haushalte in einer Straße oder einem Gebäudekomplex dieselbe Leitung zum Internetzugangspunkt des Anbieters. Dies führte zu spürbaren Leistungseinbrüchen bei gleichzeitiger Nutzung durch viele Teilnehmer, insbesondere in den Abendstunden.

• Starke Abhängigkeit von physischer Infrastruktur
• Begrenzte Upgrades durch fehlende Glasfaseranbindung
• Erheblicher Einfluss der Teilnehmerdichte auf die Verbindungsqualität

Dienste, Nutzung und Einschränkungen

Die angebotenen Dienste umfassten grundlegenden Internetzugang, meist in Verbindung mit Flatrate-Tarifen. Die häufigsten Anwendungen waren das Abrufen von Webseiten, E-Mail-Kommunikation und einfache Dateitransfers. Auch erste Streaming-Dienste für Audio und gering aufgelöste Videos kamen langsam auf, blieben aber aufgrund begrenzter Bandbreite auf kurze Clips beschränkt.

Onlinespiele, Video-Telefonie oder Cloud-Dienste waren entweder technisch nicht umsetzbar oder litten unter Latenz und niedriger Übertragungsrate. Außerdem führten fehlende Quality-of-Service-Mechanismen dazu, dass alle Anwendungen dieselbe Priorität hatten – eine gleichzeitige Nutzung mehrerer Dienste war dadurch oft problematisch.

• Webzugang (HTML, FTP, HTTP)
• E-Mail-Dienste (POP3, SMTP)
• Musikdownloads und erste Streaming-Angebote
• Eingeschränkte Multimediafähigkeit durch Bandbreitengrenzen

Zusammenfassung der Leistungsmerkmale

Räumliches Multiplexing

In einer Mehrwegeumgebung entspricht die Erhöhung der Datenrate aufgrund von MIMO der Anzahl der MIMO-Antennen.

Anstatt das gleiche Bit von mehr als zwei Antennen zu übertragen, sendet das Spatial Multiplexing-Verfahren gleichzeitig ein Datenbit von der ersten Antenne und ein weiteres Bit von der zweiten Antenne, das Symbol. Solange der Empfänger über mehrere Antennen verfügt und das Signal von ausreichender Qualität ist, kann der Empfänger die Signale trennen. Diese Spatial-Multiplexing-Methode bringt zusätzliche Komplexität und Kosten mit sich, sowohl für den Sender als auch für den Empfänger. Allerdings können Daten mit zwei Sendeantennen und zwei Empfangsantennen doppelt so schnell gesendet werden wie mit Systemen, die Raum-Zeit-Codes mit einem einzigen Antennenempfänger verwenden.

Das Verteilen von Daten über Gleichkanäle auf räumlich versetzten Antennen in einer Mehrwegeumgebung stellt einen zeitlich versetzten Satz von Teilströmen bereit, die vom Empfänger gesehen werden können.

Empfängergewinne

Maximales Verhältnis der Kombination von Vielfalt – MRC in Empfängergewinnen

Bei der Kombination von Maximum Ratio wird jeder Signalzweig mit einem Gewichtsfaktor multipliziert, der proportional zur Signalamplitude in Receiver Gains ist.

Das heißt, Zweige mit starkem Signal werden weiter verstärkt, während schwache Signale gedämpft werden.

Bei MRC ist der Dämpfungs-/Verstärkungsfaktor proportional zur Signalamplitude ai = ri für jeden Kanal i.

Nutzen Sie mehrere gut voneinander getrennte Empfangsantennen (Kohärenzabstand), um unabhängige Empfänge des Sendesignals zu erzeugen. Auswahlvielfalt: Wählen Sie das empfangene Signal mit der größten Empfangsleistung, S/N usw. Geschaltete Diversität: Wählen Sie eine alternative Antenne, wenn das Signal unter einen bestimmten Schwellenwert fällt.

Lineare Kombination: Eine gewichtete Kopie aller empfangenen Signale wird linear kombiniert. Selbst bei der Auswahlvielfalt bei zwei Zweigen gibt es eine lohnenswerte Verbesserung. Die Leistung verbessert sich mit der Anzahl der Diversity-Zweige, die Komplexität nimmt jedoch stark zu.

Auswahl und geschaltete Vielfalt:Das sind ziemlich einfache Systeme

Raum-Zeit-Kodierung – STC Raum-Zeit-Diversitätskodierung. Kodiert, verschachtelt und verteilt das gleiche Symbol

mehrere Antennen. Spatial Multiplexing kodiert, verschachtelt und verteilt verschiedene Symbole über mehrere Antennen. In beiden Fällen senden Antennen auf Gleichkanälen

Kodierung der Raum-Zeit-Diversität

Der Einsatz von Raum-Zeit-Diversity-Codierung in einer Mehrpfadumgebung erhöht die Rx-Signalstärke und vergrößert die Entfernung.

Durch die Verteilung derselben Daten über Gleichkanäle auf räumlich versetzten Antennen wird ein zeitlich versetzter Satz von Teilströmen bereitgestellt, die vom Empfänger gesehen werden können.

Wir wissen, dass wir normalerweise mehrere unabhängige Pfade von TX zu Rx unterschiedlicher Länge haben, diese werden unterschiedlich beeinflusst und verzögert. Signale, die gemeinsam am Sender beginnen, werden zeitlich getrennt, wenn sie den Empfänger erreichen

Diversität funktioniert nicht mit Line of Sight. Dies bedeutet, Multipath auszunutzen, anstatt es zu bekämpfen, um große Vorteile zu erzielen.

Diversity-Gewinn: Der SNR-Gewinn, der durch Extrahieren der gleichen Informationen aus zwei oder mehr unabhängig voneinander verblassenden Kanälen erzielt wird.

Weltraumvielfalt: Zum Empfang des Signals werden mehrere Antennen verwendet. Der Antennenabstand muss so sein, dass der Schwund an jeder Antenne unabhängig ist (Kohärenzabstand).

Zeitdiversität: Signal wird in unterschiedlichen Zeitschlitzen übertragen (Kohärenzzeit). Zur Bereitstellung von Zeitvielfalt wird Kanalcodierung plus Interleaving verwendet. Bei langsam verblassenden Kanälen nicht wirksam. Raum-Zeit-Verarbeitung: Intelligente Antennen mit Antennen, die Raum UND Zeit kombinieren.

Spatial Multiplexing (SM): Übertragungsansätze, bei denen mehrere Sendeantennen mehrere Signale unabhängig voneinander übertragen, um die Datenraten zu erhöhen.

Frequenzdiversität: Signal wird in mehreren Frequenzbändern übertragen (Kohärenz BW). Bei flachen (nicht frequenzselektiven) Kanälen nicht wirksam. Zu den Techniken, die Frequenzdiversität nutzen, gehören: RAKE-Empfänger, OFDM und Entzerrung.

Polarisationsdiversität: Verwenden Sie zwei Antennen mit unterschiedlicher Polarisation zum Empfang und/oder zum Senden. Verwendung kreuzpolarisierter Antennen zum Empfang eines Signals, das aufgrund mehrfacher Reflexionen mit unterschiedlichen Polarisationen ankommt.