WiMAX Wireless Technology Worldwide Interoperability for Microwave ACCess Donatella Ermini ermini@di.unipi.it

Sommario Introduzione al WiMAX Lo Standard IEEE 802.16 A chi serve WiMAX ? Quali servizi offre WiMAX ? WiMAX nel panorama delle reti wireless Tecnologie di rete a confronto Situazione in Italia: Gara WiMAX

Introduzione al WiMAX WiMAX vs IEEE 802.16 Versioni della tecnologia WiMAX Broadband Wireless Access (BWA) Metropolitan Area Network (MAN) Raggio di copertura Velocità di trasmissione Digital Divide Ultimo Miglio

WiMAX vs IEEE 802.16 WiMAX è l’acronimo di “Worldwide Interoperability for Microwave ACCess “ . Il termine WiMAX rappresenta “un marchio di certificazione”, definito dal “WiMAX Forum” (un consorzio formato da più di 420 aziende, tra cui Intel, Accenture, Ericsson, Google, Microsoft, Sony, Telecom Italia, etc..), con l’obiettivo di verificare, testare e certificare, che i prodotti WiMAX siano conformi allo “Standard IEEE 802.16” e che rispettino i requisiti dei “profili” fissati dal Forum, come quello dell’“interoperabilità” dei dispositivi WiMAX. Due dispositivi“IEEE 802.16” possono essere conformi allo Standard, ma non essere “WiMAX certified”, perchè ad esempio, non sono interoperabili. Il termine “IEEE 802.16” definisce la “standardizzazione” della tecnologia, mentre il termine “WiMAX” definisce la “commercializzazione e certificazione” dei dispositivi WiMAX prodotti dalle aziende.

Il Gruppo di lavoro numero 16 dell’IEEE 802 si è formato nel 1999, con l’obiettivo di: definire e standardizzare l’ “INTERFACCIA ARIA” tra la “Stazione Base” (BS: Base Station) e la “Stazione Utente” (SB: Subscriber Station) per l’accesso ai sistemi wireless a “banda larga” (BWA: Broadband Wireless Access) con estensione “metropolitana” (MAN: Metropolitan Area Network), fissi, nomadici e mobili, di tipo PMP (Point-to-Multipoint) e MPM (Multipoint-to-Multipoint) o Mesh. Nel corso degli anni seguenti si sono avuti vari rilasci ed estensioni dello “Standard 802.16”, a seguito dei miglioramenti tecnici apportati principalmente ai Livelli “Fisico” e “MAC” (Medium Access Control) della Pila Protocollare TCP/IP. Fino ad arrivare alla definizione di due Standard principali, che individuano le due tipologie fondamentali della tecnologia WiMAX: Nell’Ottobre 2004 è stato approvato l’emendamento 802.16d o 802.16-2004, per i sistemi “fissi e nomadici” , nelle topologie PMP e MPM; Nell’Ottobre 2005 è stato approvato l’emendamento 802.16e o 802.16e-2005, noto con il nome di “Mobile WiMAX”, che aggiunge componenti per la “mobilità” come ad esempio, la gestione dell’handoff e del risparmio energetico.

Solo topologia Point-to-Multipoint (PMP) Interfaccia aria per l’accesso fisso a banda larga compresa tra 11 e 66GHz Solo Line-Of-Sight Solo topologia Point-to-Multipoint (PMP) IEEE 802.16 Dicembre 2001 IEEE 802.16a Gennaio 2003 IEEE 802.16d Ottobre 2004 IEEE 802.16e Ottobre 2005 Aggiunta banda compresa tra 2 e 11GHz Aggiunte trasmissioni Non-Line-Of-Sight Aggiunta topologia PMP o Mesh Aggiunta possibilità per il MAC di supportare specifiche fisiche diverse Interfaccia aria per l’accesso “fisso e nomadico” a banda larga PMP e MPM tra 2 e 66GHz (è la sintesi tra l’802.16-2001 e l’802.16-2003) Interfaccia aria per l’accesso “mobile”, a banda larga PMP, per le bande licenziate comprese tra 2 e 6GHz anche a velocità veicolari. Figura 1: Evoluzione dello Standard IEEE 802.16

Versioni della tecnologia WiMAX Attualmente esistono due versioni di WiMAX, che si propongono, sia come “alternativa” che come “complemento” alle attuali tecnologie di rete presenti sul mercato (DSL, WiFi, UMTS, etc..) : il WiMAX fisso e nomadico (IEEE 802.16d-2004), che può rimpiazzare, ma anche integrarsi, sia con le linee fisse a banda larga di tipo DSL (Digital Subscriber Line), che con quelle wireless LAN (Local Area Network) di tipo WiFi (Wireless Fidelity). il WiMAX Mobile (IEEE 802.16e-2005), che è in grado di sostituirsi alle tecnologie mobili di terza generazione (3G:3rd Generation), come l’UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Broadband Wireless Access (BWA) WiMAX è una tecnologia BWA, in quanto consente l’accesso a reti di telecomunicazioni senza fili a “banda larga”, cioè in grado di raggiungere velocità di trasmissione dei dati elevate (dell’ordine di Mbit/s) su lunghe distanze (dell’ordine di diversi Km). Tale tecnologia è particolarmente adatta per l’accesso ad Internet ad alta mobilità (es. servizi VoIP, IPTV) e per la trasmissione di servizi multimediali (es. streaming audio e video) e real-time (es. videoconferenza, videoemergenza). Metropolitan Area Network (MAN) WiMAX è una tecnologia ad estensione “metropolitana”, in quanto il suo raggio d’azione è in grado di coprire un’intera città . Raggio di Copertura In un sistema “WiMAX fisso e nomadico”, una tipica “Base Station” può riuscire a coprire una vasta area di servizio, fino a 50Km di raggio in condizioni di visibilità diretta (LOS: Line Of Sight) tra la BS e la SS. In realtà, le sperimentazioni fin’ora effettuate parlano di una distanza intorno ai 20Km. In un sistema “Mobile WiMAX”, una tipica “Base Station” riesce a coprire una vasta area di servizio, che può arrivare fino a 5-7Km di raggio.

Velocità di trasmissione In un sistema “WiMAX fisso e nomadico”, si possono raggiungere velocità di trasmissione dati in condivisione fino a 70Mbps, in condizioni di “Line-of-Sight” (LOS) e con un’ampiezza di banda di 20MHz. Ad esempio, WiMAX sarebbe in grado di supportare simultaneamente almeno 40 connessioni di tipo “business” con connettività da 1,5Mbps e 70 connessioni di tipo “home” con connettività da 1Mbps. In realtà, le sperimentazioni fin’ora effettuate hanno evidenziato un “data rate” di 10Mbps. In un sistema “Mobile WiMAX”, si possono raggiungere velocità di trasmissione dati fino a 63 Mbps in downlink e 28 Mbps in uplink e con un’ampiezza di banda di 10 MHz, in condizioni di velocità veicolari della SS fino a 122Km/h. In realtà, le sperimentazioni fin’ora effettuate hanno evidenziato un “data rate” di 1Mbps per dispositivi in movimento ad una velocità di 70Km/h.

Digital Divide Ultimo Miglio WiMAX, grazie alle sue prestazioni in termini di raggio d’azione (circa 50Km) e di velocità di trasmissione (circa 70Mbps), riuscirebbe a servire a banda larga anche utenti che si trovano in aree disagiate, non facilmente raggiungibili con il cavo o con le antenne wireless o non economicamente convenienti, risolvendo, in modo veloce ed economico, il problema del “Digital Divide”. Ultimo Miglio WiMAX può fornire un’alternativa ai collegamenti cablati xDSL (Digital Subscriber Line) e WiFi (WIreless FIdelity) nelle le trasmissioni dell’“ultimo miglio”.

Modello di riferimento dello Standard IEEE 802.16 Modello ISO/OSI Il Livello PHY : Canali Trasmissivi Tecniche di Multiplexing Tecniche di Trasmissione Frequenze Trasmissive NLOS (Non Line-Of-Sigth) Il Livello MAC : Sottolivelli MAC Topologie di Rete QoS (Quality Of Service) Scheduling Handover (o Handoff)

Modello ISO/OSI Lo Standard IEEE 802.16 va ad occupare i livelli MAC e PHY della pila protocollare ISO/OSI, definendo l’interfaccia aria tra la Base Station e la Subscriber Station. Il livello MAC è responsabile di stabilire e mantenere le connessioni tra la BS e la SS, occupandosi della gestione degli accessi multipli sul canale di UL, dello scheduling, della sicurezza, della mobilità, etc... Il livello PHY è responsabile di realizzare le trasmissioni fisiche dei dati sui canali di DL (Downlink) ed UL (Uplink), occupandosi della modulazione del segnale, della gestione delle frequenze e della potenza di trasmissione, etc... Figura 2: Pila Protocollare ISO/OSI

Il Livello Fisico Canali Trasmissivi : Il livello PHY è responsabile di realizzare le trasmissioni fisiche dei dati sui canali di DL (Downlink) ed UL (Uplink), occupandosi della modulazione del segnale, della gestione delle frequenze e della potenza di trasmissione, etc... Canali Trasmissivi : Le trasnissioni di dati tra la BS e la SS hanno due direzioni: in downlink, dalla BS alla SS; il canale di downlink (DL) è definito come la direzione del flusso dei dati dalla BS verso le SS, è un canale di broadcast, sul quale trasmette soltanto la BS; in unplink, dalla SS alla BS; il canale di uplink (UL) è definito come la direzione del flusso dei dati dalla SS verso la BS, è un canale condiviso fra tutte le SS, che devono competere per accedervi. Figura 3: Canali trasmissivi Lo Standard non prevede un’ampiezza di banda prefissata per i canali in DL ed UL, che può essere decisa quindi, dai fornitori dei servizi, rispettando i seguenti vincoli: l’ampiezza del canale deve essere un multiplo intero di 1.25MHz, 1.5MHz o 1.75MHz; l’ampiezza massima di un canale è di 28MHz.

Tecniche di Multiplexing : Meccanismo attraverso il quale la capacità del collegamento radio (la banda di frequenza) viene condivisa tra due canali trasmissivi, quello di DL e quello di UL. Lo Standard IEEE 802.16 prevede due modalità di duplexing: Frequency Division Duplexing (FDD), che utilizza due bande diverse, separate da 50-100MHz, per le trasmissioni in DL e per quelle in UL, che quindi, possono avvenire contemporaneamente Time Division Duplexing (TDD), che utilizza tutta la banda disponibile per le trasmissioni in DL e per quelle in UL, che quindi, devono avvenire in tempi diversi. Figura 4: Tecniche di duplexing La tecnica TDD viene preferita a quella FDD, in quanto offre maggiore flessibilità nell’assegnamento dell’ampiezza di banda all’uno o all’altro flusso, a seconda delle condizioni del traffico. L’utilizzo di una tale tecnica però, richiede anche una sincronizzazione periodica tra chi trasmette e chi riceve.

Tecniche di Modulazione : Lo Standard IEEE 802.16 prevede due tecniche di trasmissione dei dati, a seconda del numero di “portanti” modulate e trasmesse simultaneamente sul mezzo trasmissivo: “single carrier” o “multiple carrier”. La modulazione è necessaria per trasmettere dati digitali su un mezzo trasmissivo che trasporta onde elettromagnetiche. WiMAX utilizza una “modulazione digitale”, il cui principio è quello di modulare un segnale analogico (detto “portante” ) con un“segnale digitale”, con l’obiettivo di trasportare tale segnale digitale sullo spettro delle microonde. Figura 5: Modulazione digitale

Lo Standard IEEE 802.16 definisce due tecniche di trasmissione del segnale: a portante singola o (single-carrier) , in cui viene trasmessa una sola portante modulata con il segnale generato da un solo utente sull’intera banda disponibile, all’interno di uno stesso TS: Figura 6: Tecnica di trasmissione del segnale “Single Carrier”. a multi-portante (o multiple-carrier), in cui viene trasmesso un elevato numero di “sottoportanti” (subcarriers) diverse, ciascuna modulata da un sub-stream in cui viene ripartito il segnale prodotto da un solo utente o i segnali prodotti da più utenti diversi, all’interno dello stesso TS. Lo Standard IEEE 802.16 definisce tre tecniche di trasmissione di tipo “multiple-carrier” : OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) : in cui le sottoportanti trasmesse sono ortogonali tra loro e vengono modulate dal segnale generato da un solo utente all’interno dello stesso TS;

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : in cui le sottoportanti trasmesse possono essere modulate da sub-stream ottenuti da da utenti diversi all’interno dello stesso TS. SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : il numero delle sottoportanti modulate e trasmesse è variabile, può “scalare” tra 128, 512, 1024 e 2048. Viene utilizzata nel “Mobile WiMAX”, dove le condizioni del canale sono molto variabili a causa della mobilità degli utenti. Figura 7: Tecniche di trasmissione del segnale “Multiple Carrier” (OFDM e OFDMA) Con la trasmissione “multiple-carrier OFDM” il segnale viene ripartito in un elevato numero di sub-stream paralleli, di data rate minore (ma di durata temporale maggiore), ciascuno dei quali può modulare una sottoportante diversa. In questo modo, è possibile scegliere quei sub-stream del segnale che riescono a modulare “meglio” le sottoportanti. Inoltre, l’“ortogonalità” delle portanti, permette di attenuare le interferenze reciproche dei segnali.

Frequenze Trasmissive : Le frequenze radio utilizzate coprono lo spettro di frequenza delle “microonde” . Le bande di frequenza (licenziate e non) vanno da 2 a 66 GHz. In particolare, quelle al di sotto degli 11 GHz sono molto adatte alle trasmissioni NLOS (Non Line Of Sight), anche se perdono potenza e si degradano piuttosto velocemente, a causa del rumore e dei vari rimbalzi e riflessioni sugli ostacoli (multipath). (Customer Premise Equipment) Figura 8: Multipath nelle trasmissioni NLOS WiMAX fisso e nomadico: frequenze comprese nell’intervallo 3.4 – 3.6 GHz WiMAX mobile: frequenze comprese nell’intervallo 2.3 – 3.5 GHz

NLOS (Non Line-Of-Sight) : Le frequenze comprese tra 2 e 11GHz sono state introdotte per le trasmissioni NLOS, cioè quelle in cui non c’è visibilità diretta tra la BS e la SS. Le frequenze più basse hanno una lunghezza d’onda piuttosto lunga che riesce a superare in parte gli ostacoli, ma subiscono anche un veloce degrado. Le trasmissioni NLOS permettono lo sviluppo di sistemi “indoor”. Tali trasmissioni però, richiedono la gestione dei fenomeni di diffrazione, rimbalzo ed attenuazione del segnale, a causa degli ostacoli che si trovano sul loro cammino. Il recupero del segnale originario è affidato a tecniche di trasmissione di tipo OFDM , che utilizzano un numero elevato (e scalabile nel SOFDMA) di multiportanti ortogonali. Figura 9: Trasmissioni LOS e NLOS

Livello MAC Il livello MAC è responsabile di stabilire e mantenere le connessioni tra la BS e la SS, occupandosi dell’ingresso delle SS nella rete, della gestione degli accessi multipli sul canale di UL, dello scheduling dei servizi, della sicurezza, della mobilità, etc... Il livello MAC è composto da tre sottolivelli: SAP: Service Access Point Convergence Sublayer (CS) : accetta le MPDU dei livelli superiori attraverso il CS SAP; classifica e mappa le MSDU sul corretto flusso di servizio e sul CID (Connection IDentifier) della corrispondente connesione. MAC Common Part Sublayer (MAC CPS) : accetta le MPDU dal livello CS attraverso il MAC SAP; stabilisce e mantiene le connessioni tra la BS e la SS; si occupa di allocare la banda in DL ed UL ai servizi (applicando una politica di scheduling); si occupa della costruzione dei Frame (DL ed UL Sub-frame). Security Sublayer : fornisce autenticazione, scambio sicuro delle chiavi, algoritmi crittografici “forti” dei dati, come AES (Advanced Encryption Standard) e Tiple-DES (Data Ecnryption Standard) e controllo di integrità. Figura 10: Livello MAC

Topologie di Rete : Point-to-Multipoint (PMP): tutte le comunicazioni avvengono in modo centralizzato passando per la “Base Station” (BS), la quale raccoglie tutto il traffico proveniente dalle “Subscriber Station” (SS) che si trovano sotto il suo “raggio d’azione”. Pertanto, le SS non possono comunicare direttamente tra di loro, ma devono trasmettere il proprio traffico verso la BS di competenza. BS MS SS Figura 11: Topologia di rete Point-to-Multipoint

Multipoint-to-Multipoint (MPM) o Mesh : il traffico può essere instradato sulle altre SS fino alla BS. In realtà, anche in questa topologia esiste un Mesh centralizzato ed uno distribuito. BS SS Mesh Centralizzato Mesh Distribuito Figura 12: Topologia di rete Multipoin-to-Multipoint o Mesh

Sottolivelli MAC: Il livello MAC è composto da tre sottolivelli : Convergence Sublayer (CS), Common Part Sublayer (CPS) e Security Sublayer. Convergence Sublayer (CS) : Accetta le MPDU (MAC Packet Data Unit) delle applicazioni dai livelli superiori attraverso il CS SAP (CS Service Access Point); Classifica ciascuna MSDU (MAC Service Data Unit) nel flusso di servizio (Classe di Servizio: UGS, rtPS, ertPS, nrtPS, BE) che identifica i suoi parametri di QoS e la associa al CID (Connection IDentifier) della corrispondente connessione creata dal MAC CPS (MAC Common Part Sublayer); Invia le MSDU al MAC CPS che provvederà ad applicare l’algoritmo di scheduling, allocando alle applicazioni la banda di frequenza e i time slot per la trasmissione. Figura 13: Convergence Sublayer

MAC Common Part Sublayer (MAC CPS) : rappresenta il cuore del livello MAC, in quanto: Si occupa di stabilire, mantenere e terminare le connessioni tra la BS e le SS (il MAC è connection-oriented); Si occupa di applicare la “politica di scheduling” per la priorizzazione del traffico da parte delle SS che vogliono trasmettere i loro dati, decidendo sull’allocazione delle bande di frequenza e dei time slot in cui le SS possono trasmettere; Si occupa di gestire le richieste di banda in UL da parte delle SS che vogliono trasmettere i loro servizi; Si occupa di gestire le trasmissioni in DL (dalla BS alle SS); Si occupa della costruzione dei “Sub-frame in DL ed UL” sui quali vengono trasmesse le informazioni dalla BS alle SS (come ad esempio, il risultato dello scheduling e dell’allocazione della banda in UL) e dalle SS alla BS (come ad esempio, la trasmissione del servizio di una SS verso un’altra SS, oppure la richiesta di banda per trasmettere il proprio servizio) . Un Frame si colloca nel dominio delle frequenze e del tempo, infatti, dal punto di vista fisico, è individuato da una banda di frequenza e da un certo numero di intervalli temporali (TS: Time Slot). Un Frame contiene tutte le informazioni neccessarie affinchè BS e SS possano collaborare in modo ottimale.

Preamble : sincronizzazione e stima del canale Frame Control Header (FCH): info di configurazione del frame, come la lunghezza del msg MAP, lo schema di codifica dei segnali, etc... DL-MAP : contiene la lista degli utenti a cui è destinato il Sub-frame di DL UL-MAP : contiene la lista degli utenti che possono trasmettere nel Sub-frame di UL DL-Burst : contiene i “profili” a cui ciascun utente deve attenersi per poter trasmettere e ricevere in modo corretto sul canale (ad es. la modulazione) ed i dati delle SS; UL-Ranging : intervallo di contesa per gli utenti, per l’accesso alla rete, le richieste di banda; UL-Burst : contiene info riguardo alle richieste di banda da parte degli utenti per i loro servizi e alla trasmissione dei dati veri e propri dei servizi degli utenti Figura 14: Subframe di Downlink ed Uplink

QoS (Quality of Service) : Lo Standard IEEE 802.16 fornisce un meccanismo di QoS differenziato a seconda della tipologia di servizio trasmesso dall’utente e delle sue caratteristiche. Attualmente WiMAX prevede cinque “Classi di Servizio”, ciascuna delle quali possiede le proprie caratteristiche da gestire (ad esempio, il massimo ritardo tollerato, il jitter, la banda minima garantita, la perdita dei pacchetti, il throughput, la fairness, etc.) : UGS (Unsolicited Grant Services) : traffico real-time con pacchetti di dati a dimensione fissa e trasmessi ad intervalli di tempo costanti (ad esempio, VoIP senza soppressione del silenzio); rtPS (real-time Polling Service) : traffico real-time con pacchetti di dati a dimensione più o meno variabile variabile e trasmessi ad intervalli più o meno costanti di tempo (ad esempio, Video MPEG (Moving Pictures Experts Group)); ertPS (extended real-time Polling Service) : traffico real-time con pacchetti di dimensione variabile e trasmessi ad intervalli di tempo costanti (ad esempio, VoIP con soppressione del silenzio);

nrtPS (non real-time Polling Service) : traffico non real-time “delay tolerant” con pacchetti di dati a dimensione variabile per i quali è richiesta una banda minima garantita (ad esempio, l’FTP ed il video on-demand); BE (Best Effort) : traffico per il quale non è richiesto alcun livello minimo di servizio e che riceve la banda disponibile dopo l’allocazione dei servizi con particolari esigenze (ad esempio, web browsing, e-mail). Il meccanismo di QoS richiede che il livello MAC sia “connection-oriented” : ogni volta che una SS richiede di trasmettere un nuovo servizio verso un’altra SS, deve prima stabilire una “connessione” con il livello MAC della BS, la quale individua la classe di appartenenza del servizio da trasmettere e ne determina i meccanismi di gestione. Ad esempio, una volta stabilita la connessione tra la BS e la SS, relativa alla richiesta di trasmissione di un servizio, la QoS dello Standard definisce le modalità attraverso cui la SS può fare le sue “richieste di banda” per trasmettere il suo servizio. In particolare:

i servizi UGS ed ertPS, utilizzano un meccanismo di “Unicast Grant”, in base al quale la BS indirizza le concessioni di banda al CID (Connection Identifier) della SS in modo periodico; pertanto, una volta negoziata la banda alla connessione, la SS non ne deve più fare richiesta fino alla terminazione; i servizi rtPS, utilizzano un meccanismo di“Unicast Polling” , in base al quale la BS concede ad intervalli periodici alla SS la possibilità di fare richieste di banda per il suo servizio; tali richieste, possono essere di tipo “stand-alone” o “piggy-back” ; i servizi nrtPS e BE, utilizzano un meccanismo di“Multicast o Broadcast Polling” , il quale non è diretto esplicitamente verso un CID di una SS, ma verso un CID multicast o broadcast ed una SS appartenente al gruppo, può fare la sua richiesta di banda durante ogni intervallo di contesa (bandwidth requests contention slot) allocato per quell’indirizzo. Tutte le SS che possono partecipare a tale intervallo di richieste entreranno in coflitto tra di loro e dovranno quindi, applicare un algoritmo di “risoluzione delle contese”, per selezionare lo slot nel quale trasmettere la propria richiesta di banda.

Scheduling: Lo “scheduling” è il meccanismo attraverso il quale la BS riceve le richieste di trasmissione delle SS verso altre SS ed applicando un’opportuna “politica di scheduling”, determina le frequenze e i TS sul canale di UL in cui ciascuna SS può trasmettere i dati del suo servizio. Nelle topologie PMP e Mesh centralizzato, tutte le trasmissioni tra le SS devono passare per la BS. Per cui, se una SS vuole trasmettere un servizio (ad es. VoIP) verso un’altra SS, deve chiedere alla BS di determinare le frequnze e iTS sul canale di UL in cui potrà trasmettere il suo servizio. Il risultato dello “scheduling” viene comunicato dalla BS alle SS nel subframe di DL. Lo Standard IEEE 802.16 non definisce le “politiche di scheduling” in base alle quali le trasmissioni di servizio da parte delle SS devono essere allocate sul canale di UL, cioè non definisce un ordine con cui soddisfare le richieste di trasmissione. E’ compito dei fornitori dei servizi dotare le proprie BS di un algoritmo di priorizzazione del traffico (priorità dei servizi, massimo ritardo tollerato, fairness, throughput, etc...).

Lo scheduling viene eseguito dalla BS “Frame-by-Frame” : le richieste di servizio raccolte nel frame corrente vengono schedulate nel frame successivo. Nel frame corrente può aggiungersi nuovo traffico da allocare, oltre a quello già esistente. Il “Subframe di UL” è una risorsa condivisa tra più SS, che vi accedono per richiedere banda e trasmettere i dati dei loro servizi. Il “Subframe di DL” è una risorsa utilizzata soltanto dalla BS per comunicare diversi tipi di informazioni alle SS, come ad esempio, il risultato dello scheduling e le opportunità di richiedere banda per i loro servizi. Figura 15: Scheduling frame-by-frame

Handover (o Handoff) : Lo Standard 802.16e definisce due tipologie di “handover” (o handoff) : l’“hard handover”, nel quale la MS (Mobile Station) interrompe la sessione corrente con la BS attuale, prima di instaurare un’altra sessione con una nuova BS. il“soft handover”, nel quale la MS instaura due o più sessioni con due o più nuove BS contemporaneamente, prima di interrompere la sessione corrente con la BS attuale. Il “soft handover” è più veloce dell’”hard handover” in quanto, la MS non deve effettuare ogni volta la procedura completa di ingresso nella rete relativa alla nuova BS. Nei profili “Mobile WiMAX” previsti dal “WiMAX Forum” solo l’hard handover è un requisito obbligatorio per i dispositivi MS e BS. *Handover o handoff : procedimento attraverso il quale la MS si sposta da una cella all’altra senza percepire il cambio di gestione della sessione corrente da parte della BS uscente e quella entrante. L’utente non subisce l’interruzione del servizio a causa del cambio di gestione.

A chi serve WiMAX ? Il “WiMAX Forum” ha previsto un vastissimo impiego della tecnologia WiMAX, in numerosi contesti applicativi, ad esempio: per le Aziende e la Pubblica Amministrazione, che spesso si ritrovano ad avere più sedi nella stessa area urbana, il WiMAX sarà la soluzione più veloce, efficiente, flessibile ed economica per dotarsi di una rete privata metropolitana. i WISP (Wireless Internet Service Provider) potranno utilizzare gli “HotSpot” (di raggio limitato) del WiFi, per servire aree circoscritte a più alta concentrazione di traffico (Università, aereoporti, etc..), mentre le “HotZone” (di raggio più ampio) del WiMAX, per coprire intere aree urbane. per gli operatori di rete fissa, WiMAX sarà complementare all’xDSL nella copertura delle aree rurali (risolvendo il problema del “Digital Divide”), mentre per gli operatori “emergenti” rappresenterà un modo per dotarsi a costi relativamente bassi di una propria infrastruttura di rete a banda larga (senza il proglema dell’ultimo miglio). gli operatori di rete mobile, utilizzeranno WiMAX in un primo momento per rilegare tra di loro le Stazioni Base, a costi molto più bassi rispetto all’affitto delle linee esistenti. In seguito, forniranno ai loro utenti anche la possibilità di connettersi ad Internet e di trasmettere a banda larga, in condizioni di mobilità.

Quali servizi offre WiMAX ? La tecnologia WiMAX è in grado di supportare varie tipologie di traffico e di soddisfare le richieste di un’ampia varietà di servizi. Ad esempio: per le applicazioni real-time con una bassa tolleranza ai ritardi (VoIP, videoconferenza, gaming interattivo, videofonia, ecc...), che generano pacchetti di dati di lunghezza fissa ad intervalli periodici, il sistema garantisce una certa quantità di banda costante per tutta la durata della connessione, senza che l’utente avanzi una nuova richiesta ogni volta che deve inviare un nuovo pacchetto. per le applicazioni real-time con una minima tolleranza ai ritardi (streaming audio e video, ecc...), che generano pacchetti di dati di lunghezza variabile ad intervalli periodici, il sistema garantisce una certa quantità di banda minima ed un tempo massimo di attesa nelle code, con la possibilità per l’utente, di chiedere eventualmente, nuove “integrazioni” di banda. per le applicazioni non real-time, che non hanno specifiche richieste di ritardo, ma sono particolarmente “bandwidth-intensive” (FTP, torrent, etc...), il sistema garantisce una certa quantità di banda minima, con la possibilità per l’utente di chiedere eventualmente, nuove “integrazioni” di banda.

WiMAX nel panorama delle reti wireless WBAN W WWAN: Wireless Wide Area Network. Sono le tecnologie cellulari, come il 3G, WiMAX-Mobile, UMTS, GPRS, GSM.... WMAN: Wireless Metropolitan Area Network. Sono le reti ad estensione metropolitana, come il WiMAX nella versione fissa e nomadica. WLAN: Wireless Local Area Network. Sono le reti ad estensione locale (nelle aziende, nelle Università...), come il WiFi (IEEE 802.11). Figura 16: Global Wireless Standards WBAN: Wireless Body Area Network. Sono le reti di sensori indossate o impiantate nel corpo umano, per monitorarne in real-time i parametri vitali o i movimenti. WPAN: Wireless Personal Area Network. Sono le reti la cui estensione è limitata da un raggio d’azione di qualche decina di metri (un’abitazione, un’automobile...), come il Bluetooth (IEEE 802.15).

Tecnologie di rete a confronto La tecnologia WiMAX può essere vista ed impiegata sia come alternativa che come complemento alle attuali reti presenti sul mercato, come ad esempio i sistemi wireless LAN di tipo WiFi ed i sistemi a cablaggio fisico di tipo LAN Ethernet e xDSL. Infatti, poichè le reti IEEE 802.16 utilizzano lo stesso protocollo LLC (Logical Link Control) delle reti LAN e WAN, esse possono essere integrate tra di loro e servire come incanalatori comuni verso la connessione ad Internet dell’utenza. 802.3 – LAN Ethernet 802.11 – WLAN WiFi 802.16 – WMAN WiMAX Figura 17: Contesto applicativo di WiMAX

xDSL (Digital Subscriber Line) : Si tratta di reti “wired” (generalmente, in fibra ottica) che connettono le centrali telefoniche agli utenti finali, permettendo velocità di trasmissione fino a 52Mbps. Per risolvere il problema del “digital divide”, invece di stendere cavi in fibra ottica per la DSL per arrivare in piccoli paesini di montagna o in zone rurali, è sufficiente realizzare un collegamento radio tra la dorsale cablata, già presente sul territorio e i punti di accesso a banda larga WiMAX per tale utenza. Per risolvere il problema dell’“ultimo miglio”, invece di affittare le connessioni DSL via cavo già esistenti o ricorrere a ponti radio o costose soluzioni WLL (Wireless Local Loop), come WiFi o reti cellulari, WiMAX fornisce un’alternativa wireless a banda larga economica e a lungo raggio.

WiFi (Wireless Fidelity) : Si tratta di “Wirelss Local Network” (WLAN), reti senza fili ad estensione locale, in grado di connettere ad Internet gli utenti entro un raggio d’azione limitato, intorno ai 300mt e a velocità di trasmissione fino a 54Mbps. Anche tali reti potrebbero essere utilizzate per la connessione dell’utenza nell’“ultimo miglio”, ma il loro raggio d’azione riesce a raggiungere al massimo il chilometro, solo in condizioni di “Line of Sight” (LOS) ed utilizzando un certo numero di ripetitori di segnale. “WiFi” è uno standard a corto raggio (decine di mt), pensato per reti casalinghe o comunque a corto raggio, per fornire accesso Internet ad una rete locale. “WiMAX” è uno standard a grande copertura (decine di Km), anche in condizioni di “Non Line of Sight” (NLOS), pensato per reti metropolitane, per fornire accesso Internet anche ad utenti non facilmente raggiungibili ed in mobilità. Figura 18: Es. di struttura di WiMAX

Ad ogni modo, WiMAX non si pone necessariamente in competizione con WiFi, anzi offrendosi come “WiFi Backhaul”, ne può costituire il naturale complemento, estendendo e trasportando il suo traffico, dai 300mt di distanza fino ai 50Km. Pertanto, si viene a delineare uno scenario in cui si avrà una WMAN, che gestirà il traffico di rete sulle lunghe distanze, al cui interno poi, le WLAN di tipo WiFi, si specializzeranno verso la fornitura di servizi a banda larga a corto raggio. Figura 19: Es. di contesto applicativo di WiMAX

Comunque, tra la tecnologia WiFi e quella WiMAX, esistono delle grandi differenze, soprattutto ai livelli PHY e MAC della Pila Protocollare: 802.11 802.16d Raggio Ottimizzato fino a 100mt; Topologia Point-to-Point; Ottimizzato fino a 50Km; Topologia Point-to-Multipoint; Copertura Ottimizzato per usi indoor; Supporto per Mesh non previsto dallo Standard; Ottimizzato per usi outdoor NLOS; Supporto per Mesh previsto dallo Standard; Scalabilità Ampiezza di banda del canale richiesta: 20MHz; Il livello MAC supporta decine di utenti; L’ampiezza di banda del canale può essere scelta dagli operatori: scalabile da 1.25MHz fino a 20MHz; Il livello MAC supporta centinaia di utenti; Performance Qualità del Servizio Massimo “data rate”: 54Mbps in 20MHz di canale; Solo TDD asimmetrico; MAC basato sulle contese, non ci sono garanzie di QoS; protocollo CSMA/CA Lo Standard non garantisce contro la latenza per servizi real-time Voce e Video; Non sono supportati livelli di servizio differenziati; Lo Standard propone una QoS basata solo sulla priorità. Massimo “data rate”: 100Mbps in 20MHz di canale; TDD/FDD simmetrico ed asimmetrico; MAC basato sulla possibilità per ogni tipologia di servizio di richiedere banda; Lo Standard garantisce contro la latenza per i servizi real-time Voce e Video; Sono supportati livelli di servizio differenziati; Lo Standard propone una QoS basata sulla gestione di cinque “Classi di Servizio” differenziate.

3G (3rd Generation) : 3G sono reti mobili di terza generazione, il cui maggior esponente ad oggi, è sicuramente lo Standard UMTS (Universal Mobile Telephone System), successore del GSM (Global System for Mobile Communications), definito dall’ITU (International Telecommunications Union). La maggiore differenza tra “UMTS ” e “Mobile WiMAX ” è rappresentata dalla “modalità di accesso al mezzo fisico” : UMTS utilizza una tecnica CDMA (Code Division Multiple Access), secondo la quale più utenti diversi condividono le stesse frequenze nello stesso time-slot ma usano dei “codici” differenti che consentono loro di essere individuati dal ricevente; purtroppo, c’è uno spreco di banda a causa delle numerose interferenze. Mobile WiMAX utilizza la tecnica SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Multiple Access), la quale suddivide la banda di frequenza in un numero scalabile di sottocanali ortogonali, in modo da ottimizzare l’utilizzo della banda e ridurre l’effetto del multipath e delle interferenze reciproche.

Secondo alcuni il “Mobile WiMAX” rappresenta il vero competitore dell’UMTS nel fornire accesso Internet a banda larga senza fili e telefonia mobile. UMTS 802.16e Interfaccia di Trasmissione W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access) e TD-CDMA: tecnologie di accesso multiplo a divisione di codice con bande accoppiate (W-CDMA) e non accoppiate (TD-CDMA); FDD/TDD; OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access): tecnologia di accesso multiplo a divisione ortogonale della frequenza; SOFDMA (Scalable OFDMA): tecnologia che permette di scalare sul numero dei sottocanali in base alla disponibilità di banda; Scalabilità Canale in DL da 5MHz nelle frequenze 1.9GHz; Canale in UL da 5MHz nelle frequenze 2.1GHz; L’ampiezza del canale può andare da 1.25MHz a 20MHz nelle frequenze comprese tra 2.3-5.8GHz Performance (Velocità di Trasmissione) Qualità del Servizio 144Kbps per le applicazioni a mobilità totale; 384Kbps per le applicazioni a mobilità parziale; 2.048Mbps per le applicazioni a bassa mobilità; I servizi tipici attualmente implementati sono tre: Voce, Videoconferenza e trasmissioni dati a pacchetto. Ad ognuno, è assegnato uno specifico trasfer rate: Voce 12.2Kbps, Videoconferenza 64Kbps, trasmissioni dati 384Kbps. 10Mbps in mobilità fino a 122Km/h entro un raggio di 10Km; Supporta la QoS: suddivide le varie tipologie di traffico in cinque “Classi di Servizio” e fornendo dei meccanismi per soddisfare alle diverse richieste di massimo ritardo ammesso, minima banda necessaria, etc...

4G (4th Generation) : 4G sono reti mobili di quarta generazione, ancora in fase sperimentale e di definizione da parte del NGMN (Next Generation Mobile Networks), un gruppo di lavoro formato dai maggiori operatori di telefonia mobile. Comunque, i risultati delle prime sperimentazioni fanno già ben pensare che questa nuova tecnologia sia in grado di offrire prestazioni superiori a quelle del WiMAX. Ad esempio, un prototipo di mini-network 4G, sviluppato in Giappone, ha dimostrato di essere in grado di trasmettere a 100Mbps alla velocità veicolare di 20Km/h e a 1Gbps in posizione statica. I sistemi di quarta generazione sono reti: completamente basate su IP (a “communtazione di pacchetto”), anche per il traffico vocale; di tipo “Broadband Wireless Access” (BWA), pensate per soddisfare alle crescenti richieste di risorse da parte di servizi multimediali sempre più complessi (MMS (Multimedia Messaging Service), video chat, mobile TV, High Definition TV content, Digital Video Broadcasting, etc...) che utilizzano come tecnica di accesso al canale, l’OFDMA per il downlink e diverse varianti dell’OFDM per l’uplink; utilizzano antenne di tipo MIMO (Multiple Input-Multiple Output), che permettono ad un terminale di ricevere contemporaneamente da varie fonti.

Situazione in Italia: Gara WiMAX In base alla procedura stabilita dal “Ministero delle Comunicazioni”, vengono rilasciati “3 diritti d’uso” complessivi delle frequenze disponibili nella banda 3.4 – 3.6 GHz, indicati come Blocco A, Blocco B e Blocco C, ciascuno di ampiezza frequenziale pari a 2x21 MHz. Di tali diritti d’uso, 2 (Blocco A e Blocco B) sono rilasciati per aree di estensione geografica macroregionale, per 7 Macroregioni: 1. Lombardia-Bolzano-Trento 5. Campania-Puglia-Basilicata-Calabria 2. Valle d'Aosta-Piemonte-Liguria-Toscana 6. Sicilia 3. Friuli Venezia Giulia-Veneto-Emilia Romagna-Marche 7. Sardegna 4. Umbria-Lazio-Abruzzo-Molise Mentre 1 diritto d’uso (Blocco C) è rilasciato a livello regionale (con suddivisione provinciale nel caso delle Province Autonome di Trento e Bolzano) per 21 Regioni. Quindi, in totale, 35 diritti d’uso messi all’asta: 14 Macroregionali e 21 Regionali. Tutte le 35 licenze avranno una durata di 15 anni e potranno essere rinnovate, ma non potranno essere cedute a terzi senza l'autorizzazione del ministero. La gara Wi-Max è partita su una base d'asta di 45 milioni di euro.

Cronologia gara WiMAX : Marzo 2007 stipula dell’accordo fra Ministero della difesa e Ministero delle comunicazioni per la liberalizzazione delle bande di frequenza da destinare a sistemi Broadband Wireless Access (BWA), bande precedentemente in uso esclusivo al Ministero della difesa. 13 Giugno 2007 pubblicazione della delibera AGCOM (Autorità per le Garanzie nelle Comunicazioni) “Procedure per l’assegnazione di diritti d’uso di frequenze per sistemi Broadband Wireless Access (BWA) nella banda a 3.5 GHz”. 19 Ottobre 2007 pubblicazione del bando di gara per l’assegnazione di 35 diritti d’uso (14 macroregionali e 21 regionali) di frequenze per sistemi BWA nella banda 3.4-3.6 GHz. 3 dicembre 2007 scadenza per la presentazione delle domande di partecipazione: presentate 48 domande. 21 gennaio 2008 scadenza per la presentazione delle offerte: presentate 29 offerte valide. 31 gennaio 2008 apertura delle offerte iniziali: 26 offerte valide. 13 febbraio 2008 inizio fase rilanci competitivi con la partecipazione di 26 società. 27 febbraio 2008 termine fase rilanci competitivi. La gara WiMAX si è conclusa con un incasso finale pari a € 136.337.000,00 (+ 176% sulla base d’asta), il più elevato fra le gare WiMax sin’ora svolte nell’Unione Europea !

BWA Broadband Wireless Access - Assegnazioni definitive diritti d’uso nazionali BLOCCO A : AriADSL S.p.A Provider Umbro Investimento: 47.570.000 € Ha acquistato una licenza d’uso per ogni Macroregione, eccetto la Sicilia. A.F.T. S.p.A. – Linkem S.p.A. Provider Pugliese Investimento: 34.422.000 € Ha acquistato la licenza d’uso Macroregionale per la Sicilia

BWA Broadband Wireless Access - Assegnazioni definitive diritti d’uso nazionali BLOCCO B : E-VIA S.p.A. Gruppo RETELIT Società Milanese. Investimento: 23.320.000 € Ha acquistato una licenza d’uso per 3 Macroregioni: 1) Lombardia-Bolzano-Trento; 2) Valle d'Aosta-Piemonte-Liguria-Toscana; 3) Friuli Venezia Giulia-Veneto-Emilia Romagna-Marche. Telecom Italia S.p.A. Investimento: 13.810.000 € Ha acquistato una licenza d’uso per 3 Macroregioni: 4) Umbria-Lazio-Abruzzo-Molise; 5) Campania-Puglia-Basilicata-Calabria; 7) Sardegna. Tourist Ferry Boat - Temix - Medianet Comunicazioni Investimento: 5.010.000 € Ha acquistato la licenza d’uso per la Sardegna

BWA Broadband Wireless Access - Assegnazioni definitive diritti d’uso regionali BLOCCO C : A.F.T. S.p.A. – Linkem S.p.A. Piemonte, Lombardia, Veneto, Umbria, Lazio, Marche, Abruzzo, Campania, Puglia, Basilicata, Calabria e Sardegna. MGM Productions Profit Group Investimento: 7.250.000 € Liguria, Toscana e Provincia di Trento Brennercom S.p.A. Investimento: 760.000 € Provincia di Bolzano Ribes Informatica - Hal Service - Lan Service - Informatica System - Tex97 - B.B.Bell Investimento: 280.000 € Valle D’Aosta Assomax s.r.l Investimento: 680.000 € Friuli Venezia Giulia Infracom S.p.A. Investimento: 2.115..000 € Emilia Romagna City Carrier Investimento: 1.120..000 € Marche AriADSL S.p.A. Sicilia

Riferimenti http://etutorials.org/Networking/wimax+technology+broadband+wireless+access/WiMAX-Technology+for+Broadband+Wireless+Access/ http://standards.ieee.org/getieee802/ http://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX http://www.comunicazioni.it/ministero/ufficio_stampa/comunicati_stampa/pagina179.html http://www.wimax.com/research/whitepapers http://www.wimax-italia.it/ http://portal.acm.org/results.cfm?coll=Portal&dl=Portal&CFID=69381273&CFTOKEN=73741095 http://wimax.fub.it/