Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 73 Broadband Wireless Access (BWA) – der WMAN-Standard IEEE 802.16 (WiMax)

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Dr. Franz-Joachim KauffelsOffiziell wird IEEE 802.16 als WMAN-Standard bezeichnet, aus der Herstellersicht kennen wir jedoch eher die Bezeichnung WiMAX. Neben dem Broadband Wireless Access kann man das System natürlich als besonders komfortables WLAN benutzen, was aber wohl in der Praxis daran scheitert, dass es auf dem 10 bis 66 GHz-Bereich arbeitet, der nicht lizenzfrei zu betreiben ist. In dieser Folge zeigen wir weitere Besonderheiten der Konstruktion und besprechen kurz die 1 bis -66 GHz PHY.

Der WiMax-Standard IEEE 802.16 ist gekennzeichnet durch Base Stations und Subscriber Stations; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Der WiMax-Standard IEEE 802.16 ist gekennzeichnet durch Base Stations und Subscriber Stations; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Dr. Franz-Joachim Kauffels

Im Standard wird immer wieder von einem Wireless MAN gesprochen, der Begriff ist zusammengeschrieben sogar als Warenzeichen geschützt. Das WMAN, wie wir es hier einfach abkürzen wollen, ist als Alternative zu den verkabelten Zugangsnetzen zu verstehen, also definitiv nicht als Ersatz für LANs.

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Natürlich kann man es dennoch auch als großes LAN benutzen. Dies gilt insbesondere für die Variante Wireless HUMAN (High Speed Unlizensed Metropolitan Area Network) auf regulationsarmen Frequenzen im Bereich 2 bis 11 GHz.

Ein WMAN ist wegen seines vergleichsweise geringen Installationsaufwandes eine wunderbare Alternative zu verkabelten Zugangsnetzen, vor allem dann, wenn diese noch nicht existieren oder veraltet sind. Ein IEEE 802.16 WMAN liefert nach seiner Grundintention Netzwerk-Zugang für Gebäude, die so genannte Subscriber Stations SSs besitzen, welche mittels einer geeigneten Antenne mit einer zentralen Basis Station (BS) in Verbindung stehen.

Die Benutzer innerhalb der Gebäude können diesen durch die SS gebildeten Zugangspunkt entweder mit einem verkabelten Netz wie Ethernet oder über eine WLAN-Technologie erreichen. Erst nach Ende 2002 wurde diese Perspektive – wohl unter dem Eindruck der technisch lückenhaften WLAN-Entwicklung – auch dahingehend erweitert, dass individuelle Endgeräte direkt mit einer SS in Verbindung stehen können.

Außerdem gibt es als spezielle Erweiterung bei 2 bis 11 GHz noch das sogenannte Maschen-Netz, in dem die SSs sich direkt untereinander verständigen können ohne eine BS zu bemühen. Dies ist auf den ersten Blick verwirrend, wird aber klarer, wenn wir die einzelnen Bereiche genauer betrachten.

Quality of Service, QoS

Ein wesentlicher Punkt ist immer QoS, der in IEEE 802.16 fest verankert ist, in IEEE 802.11 hingegen nicht. Die MAC von IEEE 802.16 ist so flexibel und umfassend ausgelegt, dass die verschiedenen Konfigurationsmöglichkeiten genauso verarbeitet werden können wie der Anschluss der Base Stations an unterschiedliche Backbone-Systeme.

Ein weiterer Punkt ist die Mobilität. Wir sprechen hier meist nur über fixe und mobile Benutzer. IEEE 802.16 differenziert die Mobilität weiter. Wichtig ist der so genannte nomadische Benutzer. Er arbeitet meist an einem festen Ort, bewegt sich dann aber, um schließlich wiederum an einem anderen festen Ort zu arbeiten. Man stellt sich dafür am besten vor, dass der nomadische Benutzer in einem Wohnmobil wohnt und arbeitet. Wenn er arbeitet, stellt er hohe Anforderungen an eine Verbindung. Diese Benutzergruppe ist in Deutschland weniger verbreitet, stellt aber für die USA und die nordischen Länder einen erheblichen Faktor dar. IEEE 802.16 ist daher auch ein Standard für die gute breitbandige Versorgung nomadischer Benutzer.

Schließlich differenziert man noch zwischen Benutzern, die sich langsam und solchen, die sich schnell bewegen. Zur ersteren Gruppe gehören Fußgänger und Gabelstaplerfahrer. Auch sie werden durch IEEE 802.16 bedient. Benutzer, die sich schnell bewegen, also z.B. in Autos und Flugzeugen, wurden in die Gruppe 802.20 ausgegliedert. Nach längerem Suchen habe ich auch eine Grenze zwischen den beiden Gruppen gefunden. Sie liegt bei ca. 20 Meilen/h oder ca. 30 km/h.

Zunächst lag der Schwerpunkt auf Entwicklungen für regulierte Frequenzen zwischen 10 und 66 GHz, mittlerweile wurde dies auf die Verwendung regulierter und regulationsarmer Bänder zwischen 2 und 11 GHz erweitert.

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Entwicklungshintergrund und Ziele

Das IEEE 802.16 MAC-Protokoll wurde für breitbandige Point-to-Multipoint-Kommunikation mit hohen Datenraten im Up- und Downstream entworfen.

Die Basisstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine zentrale Station BS gibt, die die (in diesem Fall aus den Funkkanälen bestehende) Bandbreite unter die Subscriber Stations verteilt. Dabei gibt es immer zwei Richtungen: Uplink von einer SS zu der BS und Downlink von der BS zu einer SS.

In der ursprünglichen Version des Standards sind nur diese Richtungen erlaubt. SSs kommunizieren in keinem Falle direkt miteinander. Der BS stehen vielfältige Möglichkeiten zur Organisation des Netzes zur Verfügung, die sich aus Raum- und Zeitmultiplex sowie Kombinationen ergeben. Möchte eine SS senden, benötigt sie dazu grundsätzlich eine Erlaubnis von der BS. Deshalb heißen die primären Steuerungsverfahren auch Request/Grant-Verfahren.

Die häufigste Organisationsform ist die, in der sich alle SSs einen Uplink-Kanal im Zeitscheibenverfahren teilen (TDMA) und die zur Verfügung stehende Gesamtbandbreite ansonsten für die Downlinks benutzt wird. Downlinks können unterschiedliche Bandbreiten haben.

Dies trägt der Grundannahme Rechnung, dass der Verkehr entweder schmalbandig und symmetrisch ist (wie z.B. bei VoIP) oder breitbandig und asymmetrisch.

Da die BS die Betriebsmittel deterministisch verteilt, spricht man generell im Standard nicht von „Zugriffsverfahren“ sondern, angelehnt an die Welt der Betriebssysteme, von „Scheduling“. Die einzige Stelle, an der ein gewisser Nichtdeterminismus auftreten kann ist die, an der eine SS neu ins Netz eintreten möchte und zu diesem Zeitpunkt noch keinen Uplink-TDMA-Slot hat. Versuchen mehrere Stationen zur gleichen Zeit neu einzutreten, können sie dabei einer Kollision unterliegen. Die BS merkt dies sofort und ergreift geeignete Maßnahmen. Das kann, wie gesagt, aber nur beim initilalen Eintritt in das Netz passieren und nicht während der eigentlichen Datenübertragung.

Der Eintritt in das Netz ist nur der Beginn eines umfangreichen mehrstufigen Anmeldevorgangs, der neben vielfältigen nachrichtentechnischen Einstellungen auch hochgradige Security-Mechanismen beinhaltet. Spontane Sendungen einer SS gibt es grundsätzlich nicht. Grundsätzlich ist demnach nur verbindungsorientierte Kommunikation vorgesehen. Dienste höherer Schichten, die ihrer Natur nach connectionless arbeiten, werden von der MAC der BS auf definierte, identifizierbare Verbindungen abgebildet.

Zugriffsverfahren und Verfahren zur Bandbreitezuordnung müssen in der Lage sein, Hunderte von Terminals pro Kanal zu bedienen, wobei ein einzelnes Terminal auch noch verschiedene unterschiedliche Benutzer versorgen kann (z.B. in dem Falle, wo der WMAN-Anschluss nach IEEE 802.16 hergestellt, die Leistung aber mit einem Ethernet oder IEEE 802.11WLAN verteilt wird).

Die Dienste, die die Benutzer benötigen, sind ihrer Natur nach unterschiedlich und umfassen im Wesentlichen Voice- und Datenübertragung nach traditionellen TDM-Verfahren, IP-Connectivity und VoIP. Um dies zu realisieren, muss die MAC kontinuierlichen Verkehr und burstartigen Verkehr unterstützen. Zusätzlich erwarten diese Dienste eine zugeordnete Dienstqualität.

Die 802.16 MAC liefert einen weiten Bereich von Diensttypen analog zu den klassisch definierten Diensttypen in ATM und neueren Kategorien wie Guaranteed Frame Rate (GFR). Das 802.16 MAC-Protokoll muss darüber hinaus eine Reihe von unterschiedlichen Backbone-Systemen, wie ATM-Netze und schnelle optische Ethernet-Systeme unterstützen. Dazu definierte man eine Reihe von Konvergenz-Teilschichten mit verschiedenen Eigenschaften, die die unterschiedlichen Anforderungen ineinander abbilden. Zu den Eigenschaften gehören unter anderem die Unterdrückung von Payload Headern, das Umpacken von Daten und die Fragmentierung.

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Schnelle und wirkungsvolle Zusammenarbeit

Die MAC und die Konvergenz-Teilschichten arbeiten so effizient zusammen, dass sie teilweise schneller und wirkungsvoller als die ursprünglichen Transportmechanismen sind. Für die Effizienz spielt natürlich auch die Schnittstelle zwischen MAC und PHY eine große Rolle. Auch hier hat man sich daher eine Menge einfallen lassen.

So werden z.B. die Modulations- und Codierungsschemata in einem Burst-Profil spezifiziert, welches für jeden Burst zu jeder Subscriber Station adaptiv angepasst werden kann. Sind die äußeren Bedingungen für den Funk gut, kann die MAC Burst-Profile für sehr schnelle Übertragung benutzen. Verschlechtern sich die Bedingungen, kann man auf langsamere, aber zuverlässigere Übertragung ausweichen. Angestrebt werden 99,999 Prozent Link Verfügbarkeit.

Der grundsätzliche Mechanismus für die Zuteilung der Bandbreite ist wie schon gesagt, das so genannte Grant-Request-Verfahren. Es ist auch schon aus anderen Standards für den Zugangsbereich bekannt (z.B. IEEE 802.3 EFM EPON) und skalierbar, effizient und selbstkorrigierend. Wesentlich ist aber vor allem seine Eigenschaft, in puncto Effektivität auch dann nicht nachzulassen, wenn von einem einzelnen Terminal aus mehrere Verbindungen mit unterschiedlichen QoS-Anforderungen und einer statistisch hohen Anzahl gemultiplexter Benutzer betrieben werden sollen. Eine besondere Anforderung ist die Balance zwischen konfliktfreien und konfliktbehafteten Verkehrsphasen. Hier kommen alle positiven Erfahrungen aus großen Provider-Netzen, GSM-Netzen und bestehenden Zugriffsbreichen zusammen.

IEEE 802.16 definiert vorwiegend Mechanismen für Bandbreitezuordnung und QoS, lässt aber Scheduling und Reservierungsmanagement außen vor, damit die Hersteller Gelegenheit haben, sich hier mit unterschiedlichen Lösungen zu differenzieren.

Außerdem enthält die MAC einen so genannten Privacy Sublayer. Dieser liefert ein Authentifizierungsverfahren für Netzwerkzugriff und Verbindungsaufbau, um den Diebstahl der Dienstleistung zu verhindern, sowie Schlüsselaustauschmechanismen und Verschlüsselung für die Geheimhaltung.

Um den anderen Umgebungsbedingungen und Erfordernissen hinsichtlich der Dienste auf dem Frequenzbereich zwischen 2 und 11 GHz Rechnung zu tragen, erweitert 802.16a die MAC noch um ARQ (Automatic Repeat Request) und die Unterstützung von Maschenstrukturen.

Der Standard ist sehr umfangreich. Insbesondere muss die für den Bereich 10 bis 66 GHz definierte MAC auf die zusätzlichen Erweiterungen im Bereich 2 bis 11 GHz ausgedehnt werden. Um die Übersicht zu erleichtern, befassen wir uns entlang der Entwicklungshistorie im ersten Teil des Artikels zunächst mit der Grundversion 802.16 und im zweiten Teil mit den Erweiterungen für 2 bis 11 GHz.

Die 10 bis 66 GHz PHY

Beim Design der 10 bis 66 GHz PHY wurde die Wellenausbreitung entlang einer Sichtlinie als praktische Voraussetzung postuliert. Dadurch konnte man passende Single Carrier Modulationsverfahren leicht auswählen (WirelessMAN-SC). Wegen der Punkt-zu-Vielpunkt-Architektur überträgt die BS downlink prinzipiell ein Zeitmultiplexsignal, welches den einzelnen Subscriber Stationen seriell in Zeitschlitzen zugeordnet wird.

Der Uplink-Zugriff erfolgt mittels TDMA. Es wurde ein Burst-Design gewählt, welches sowohl Zeit-Duplexing (TDD) erlaubt, bei dem sich Up- und Downlink einen Kanal teilen, aber nur abwechselnd senden, als auch Frequenzduplexing (FDD), bei dem Up- und Downlink auf unterschiedlichen Kanälen operieren. TDD und FDD werden ähnlich behandelt. Außerdem gibt es noch Halbduplex-FDD.

Der Frequenzbereich 2 bis 11 GHz wird von IEEE 802.16a behandelt. Hier gibt es drei Spezifikationen für die Luftschnittstelle, die alle interoperabel sind. Die Grundvoraussetzung der Existenz einer Sichtlinie wurde hier aufgegeben. Die Dächer z.B. von Privathaushalten könnten dafür zu niedrig sein. Um die Kosten zu senken denkt man an die Verwendung von Innenraumantennen. Daher muss man mit dem Auftreten von Multipath-Effekten rechnen. Draft 3 von IEEE 802.16a definiert folgende drei Schnittstellen:

  • WirelessMAN-SC2: Modulationsverfahren mit einem einzelnen Träger.
  • WirelessMAN-OFDM: Modulationsverfahren mit OFDM-Multiplexing mit einer 256-Punkt-Transformierten. Zugriff hierauf mit TDMA. Diese Schnittstelle ist zwingend für die Verwendung in regulationsarmen Bändern.
  • WirelessMAN-OFDMA: Modulationsverfahren mit OFDM-Multiplexing mit einer 2.048-Punkt-Transformierten. Der Zugriff auf die einzelnen Kapazitäten geschieht durch Abbildung von Untermengen der einzelnen OFDM-Träger auf individuelle Empfänger.

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Die Details der 10 bis 66 GHz PHY im Überblick

Die Modulationsverfahren für die Bereiche zwischen 10 und 66 GHz benutzen wie beschrieben adaptives Burst Profiling um die funktechnischen Charakteristika (Modulation, FEC, ...) den aktuellen Gegebenheiten eines Links anzupassen.

In einer typischen US-Installation können in regulierten Bändern Bandbreiten von 20 oder 25 MHz benutzt werden, in typischen europäischen Installationen 28 MHz. Die Impulsformung hat einen Roll-Off-Faktor von 0,25. Für die spektrale Gleichgewichtung muss eine Verwürfelung der Signale vorgenommen werden, da man sonst die Bandbreite statistisch schlecht nutzt. Es wird daher eine FEC nach Reed-Salomon (GF256) vorgenommen. Dies wird mit einer inneren Block-Konvolutionsverwürfelung kombiniert. Die FEC-Optionen werden für die Bildung stabiler Burst-Profile mit QPSK, 16-QAM und 64-QAM kombiniert. Die Tabelle in Abbildung 1 zeigt mögliche Bitraten und Bandbreiten.

In neueren Erweiterungen von 802.16 diskutiert man höhere Bitraten durch die Verwendung von 256-QAM und 2.048-Punkt OFDMA.

Das System nutzt einen Frame von 0,5, 1 oder 2 ms Länge. Zum Zwecke der Bandbreitenzuordnung ist der Frame in Slots unterteilt. Ein physikalischer Slot ist so definiert, dass er 4 QAM-Symbole aufnehmen kann. Bei TDD wechseln Up- und Downlink-Subframes einander ab, bei FDD sind sie in der Zeit koinzident, aber auf unterschiedlichen Frequenzen.

Der Downlink-Subframe beginnt mit einer Frame Control Sektion, die die Downlink-MAP (beschreibt u.a. das Burst-Profil und aktuelle Transitionen) für den aktuellen Downlink-Frame enthält. Dann folgt ein TDM-Anteil. Downlink Daten werden an jede SS nach dem verhandelten Burst-Profil gesendet. In FDD-Systemen kann statt des TDM-Anteils auch ein TDMA-Anteil folgen. Dieser enthält eine Präambel für den Beginn eines jeden neuen Burst-Profils. Dies erlaubt dynamische Änderungen, sogar von Frame zu Frame.

Die Abbildung 2 zeigt einen typischen Uplink Subframe für die 10 bis 66 GHz PHY. Im Gegensatz zum Downlink vergibt die UL-MAP Bandbreite an spezifische SSs. Die SSs übertragen ihre Daten dann an den vorgegebenen Stellen in dem Burst-Profil, welches durch den Uplink Interval Usage Code (UIUC) in der UL-Map definiert wurde, die ihnen die Bandbreite zugeteilt hat. Der Uplink kann außerdem wettbewerbs-basierte Zuordnungen für den initialen Systemzutritt oder Anforderungen für Broadcast/Multcast-Bandbreite enthalten. Es gibt eine Guard-Time, damit auch Stationen, die noch nicht richtig auf das Round Trip Delay einsynchronisert sind, den Systemzutritt erlangen können.

Die Abbildung 3 zeigt die generelle Struktur von SS und BS für den Downlink

Zwischen der PHY und der MAC gibt es die Transmission-Convergence-Teilschicht (TC). Sie leistet die Umwandlung von MAC-Protokoll-Daten-Einheiten (MAC-PDUs) variabler Länge in die FEC-Blocks fester Länge für jeden Burst. Die TC-Teilschicht hat eine PDU-Größe, die zu dem aktuellen FEC-Block passt. Ein TC-PDU beginnt mit einem Zeiger auf den nächsten MAC-PDU-Header innerhalb dieses FEC-Blocks.

Das TC-PDU Format erlaubt die Resynchronisation auf die nächste MAC-PDU für den Fall, dass der vorhergehende FEC-Block irreparable Fehler aufweist. So etwas würde ohne eine TC-Teilschicht nicht funktionieren.