Die Realisierung einer Verbindung zwischen 2 festen Stationen mit einer bekannten gleich bleibenden Datenrate stellt andere Anforderungen an Planung, Hardware und Software als der Aufbau einer Infrastruktur mit Basisstationen (BS) und Subscriber Stationen (SS) für eine wechselnde Zahl von Teilnehmern und sich ständig ändernden Datenmengen für unterschiedlichste Anwendungen.

Fragen über Fragen: Welche Datenübertragung ist erforderlich, sind es Daten, digitalisierte Sprache, ein Videostream oder ist es
eine Mischung? Ergibt sich daraus ein konstanter Datenstrom oder gibt es stoßweise Übertragungen ? Bursts ? mit einer Spitzenrate weit über dem Durchschnitt? Handelt es sich um eine Punkt zu Punkt Verbindung oder sind mehrer Stationen involviert (Point-to-Multipoint)? Geht es um fest positionierte Stationen, gibt es wechselnde Standorte (Nomadic) oder sind es mobile Einheiten die miteinander drahtlos kommunizieren? Sind die Stationen bekannt und stets aktiv wie bei einer Backhaul Verbindung oder wechselt die Zahl der Nutzer mit der Zeit?
Die Antworten auf diese Fragen bestimmen den Ansatz und die Realisierung in Hard- und Software. Die folgenden Stichworte beschreiben einige der Eckpunkte, was WiMax Technologie überhaupt leisten kann. Nicht alle Parameter lassen sich gleichzeitig maximieren. Da sich beispielsweise eine hohe Datenrate nicht
zugleich mit einer maximalen Reichweite realisieren lässt.

Datendurchsatz

Für 802.16d wird für die Bitrate ein Wert von 5bps/Hz angegeben.
Dieser theoretische Wert basiert auf der Annahme dass die Modulationsart 64QAM genutzt wird. Damit ergibt sich bei einem 20MHz breiten Übertragungskanal eine maximale Bitrate von
96Mbps (Im Vergleich hierzu WLAN mit 2.7 bps/Hz, woraus sich die bekannten 54Mbps ergeben). Aber Vorsicht, das sind rechnerische Werte, die sich bei optimalen Bedingungen realisieren lassen.
In der Realität muss von veränderlichen Randbedingungen (z.B. Einfluss des Wetters) ausgegangen werden wodurch sich geringere
Werte ergeben. Beispielsweise kann es für die Aufrechterhaltung einer Verbindung erfoderlich sein auf eine Modulationsart mit geringerem Datendurchsatz umzuschalten. Welche Verbindung
hat schon 20 MHz Bandbreite für sich allein zur Verfügung und kann stets die höchste Modulationsart nutzen? In lizenzierten Frequenzbändern liegen verfügbare Bandbreiten typischerweise bei 3.5 oder 7 MHz.

Reichweite

Hier finden sich Angaben von bis zu 50 km und Zellgrößen mit Radien von 6?10 km. Der 802.16d PHY nutzt eine256 FFT und kommt sehr gut mit Reflektionen (Delay spread) und Mehrwegeempfang zurecht.
Ein städtisches Umfeld (Hochhäuser, NLOS ? keine Sichtverbindungen, viele Reflektionen) kann die Zellgröße dennoch drastisch verringern. Während die angegebene Reichweite bei einer Sichtverbindung (LOS) beispielsweise von Mast zu Mast (z.B. Backhaul) erreicht werden kann. Eine Sicherheits-Marge reduziert Datenrate und die Reichweite ebenfalls.

Quality-of-Service

Die QoS Funktionen sind bei 802.16 im MAC Layer integriert.
„Dynamic TDMA“ arbeitet mit einem Grant/Request Verfahren.
Das ermöglicht die Allokation von Bandbreite für Anwendungen bei denen die Latenzzeit kritisch ist (Sprache und Video). Das bei 802.11 genutzte CSMA/CA Verfahren erlaubt diese Allokation nicht.
So kann ein Provider unterschiedlichen Service für eine Verbindung bieten wie z.B. die Kategorie „Unsolicited Grant Service“ (UGS) mit konstanter Bitrate und definiertem Jitter für geschäftliche T1/E1 und VoIP Verbindungen oder die Kategorie „Best Effort“ für zeitunkritische Heimanwendungen.

Flexible Skalierung der Systemkapazität

Durch die Zertifizierung der WiMax Endgeräte können diese von verschiedenen Herstellern bezogen werden. Durch die Interoperabilitätstests
ist sichergestellt dass sich die Geräte in ein bestehendes Netz einfügen. Technisch gesehen können neue Sektoren sehr flexibel zu einem Netz hinzugefügt werden.
Auch die Kanal Bandbreite kann angepasst werden. Im Vergleich dazu ist die Bandbreite für 802.11/WLAN auf einen Wert festgelegt (20 MHz). Das MAC Protokoll ist ausgelegt auf wenige bis viele hundert Nutzer.
Damit kann auch für Messen und andere Veranstaltungen eine hohe Datenrate in kurzer Zeit bereitgestellt werden. Auch nomadische
Anwendungen mit sporadischem Bedarf für hohe Datenraten wie beispielsweise auf Baustellen oder im Katastrophenschutz können bedient werden.

Frequenzband und Duplexing Verfahren

Welches Frequenzband kann genutzt werden? Die lizensierten Frequenzbänder für WiMax sind je nach regionalen und nationalen Bestimmungen in den Bereichen von 2.5 GHz, 3,5 GHz und 5,8 GHz. Es werden auch Bereiche außerhalb dieser lizensierten Bereiche (license-exempt) verwendet.
Uplink und Downlink, die 2 Verbindungsrichtungen zwischen Basisstation (BS) und Subscriber Station (SS) können im Zeitduplex (TDD ? Time Division Duplexing) oder Frequenzduplex(FDD) betrieben werden. Bei knappen Resourcen wird üblicherweise
TDD bevorzugt, da dieselbe Frequenz zu unterschiedlichen Zeitschlitzen benutzt wird.
Für Tests und Feldversuche und spätestens zur Entwicklung benötigt man ein lauffähiges System. Der Fujitsu Baustein MB87M3400, ein bereits in Serie produziertes WiMax System-on-Chip (SoC) ist der Kern eines solchen EvaluierungsKits und kommt in Produkten bereits zum Einsatz.

System-on-Chip machts möglich

Das Fujitsu SoC (MB87M3400) integriert alle Funktionen von der Anbindung an das Netzwerk bis zur Hochfrequenz Schnittstelle.
Der HF Teil wird im Produkt auf die Platine integriert oder kann als Aufsteckplatine oder Modul realisert werden. Der im Baustein mit integrierte Ethernet Controller übernimmt die
Datenpakete vom Netzwerk. Diese werden auf 2 Prozessoren weiterverarbeitet. Der UpperMAC Prozessor bearbeitet die oberen Protokollschichten (Layer2 und 3+) während der LowerMAC Prozessor die darunter liegenden Schichten übernimmt.
Die Funktionen Encryption (Des/AES) und CRC (Cyclic Redundancy Check) sind beim LMAC Prozessor in Hardware realisiert.
Daran schließt sich der OFDM PHY Block zur Generierung des Datenstroms für die HF Schnittstelle an.

Der folgende SoC Funktionsüberblick unterstreicht dass nur noch wenige externe Bausteine benötigt werden:
– MB87M3400 ist geeignet für Subscriber stations und Base stations.

Ein Baustein für alle WiMax Systeme

-Sowohl TDD als auch der FDD modus sind verfügbar.
– Der 256-OFDM PHY unterstützt 64 QAM, 16 QAM, QPSK, and BPSK Modulation
– Die integrierten High-performance AD und DA Konverter erlauben eine flexible Anbindung ? digital oder analog ? zum RF Teil.
– Automatic Frequency Control (AFC) durch einen integrierten DA Konverter
– Dynamic Frequency Selection (DFS) mittels integriertem AD Konverter
– Leistungsmessung für Senden (Transmit) und Empfangen (Receive) durch integrierten AD Konverter
– Programierbare Automatic Gain Control (AGC) zur Anpassung an unterschiedliche RF Dämpfung
– Sicherheit durch implementierte DES, AES/CCM encryption/decryption Funktionen
– Dual RISC Prozessoren für Upper und Lower Layer MAC
– DMA Controller und Memory Controller ist mit integriert
– Netzwerk Schnittstelle (Ethernet Engine)

Das Referenzdesign besteht aus einer Basisplatine mit dem WiMax SoC, der notwendigen Peripherie und der Spannungsversorgung.
Hinzu kommt eine Hochfrequenz Platine. Und für die
Entwicklung von hochperformanten Basisstationen kann über eine vorhandene Schnittstelle ein externer Prozessor angeschlossen werden.
Auf der beigelegten CD-ROM ist neben anderem die Firmware des LMAC Prozessors und eine UMAC Management SW mit dabei ist. Weitere Software ermöglicht Tests wie PHY oder Loopbacktests und dient auch zu Demonstrationszwecken. Die Software Entwicklung kann damit parallel zur Entwicklung der Systeme begonnen werden. Eine Verbindung von 2 Basisboards basierend auf dem digitalen Datenstrom vor dem HF Subsystem ist möglich. Dadurch können reproduzierbare Tests ohne Einfluss der Luftübertragung, von Antennen oder einem sich ändernden Umfeld durchgeführt werden.

Die Grafik zeigt das Beispiel einer Testumgebung bei Fujitsu. Es zeigt die Einbindung von WiMax in ein realitätsnahes Kommunikationsumfeld
mit anderen Fujitsu Bausteinen für optische Übertragungsstrecken (SONET/SDH). Ein Acterna ONT-50 Optical Network Tester (ONT) speist unterschiedliche Ethernet Datenströme
ein und übernimmt sie nach der Übertragung zur Analyse. Parameter wie Delays und Jitter sowie Leistungsunterschiede von verschiedenen Konfigurationen, Modulationsarten und Software-Varianten lassen sich so ermitteln.

Einbindung von WiMax in ein realitätsnahes
Kommunikationsumfeld

Mit den Referenz Designs haben unter anderem Freifeld Versuche zur Untersuchung von Antennen und Reichweiten stattgefunden.
Auch für Trials und Erprobungen, wie in einigen Ländern zur Erlangung einer Lizenz notwendig, wurden sie eingesetzt. Tests mit Datenströmen aus der Applikation und zugehöriger Applikationssoftware können ebenso in Angriff genommen werden wie die Erprobung kundenspezifischer HF Entwicklungen (z.B bei Nutzung nichtlizensierter Frequenzen). Das Fujtsu WiMax SoC kann also in verschieden Produkten von der kostensensitiven Subscriber Station über Firmeninstallationen (Enterprise CPEs) bis zur Basestation eingesetzt werden. Es werden lizensierte und nicht-lizensierte Frequenzen zwischen 2 und 11 GHz abgedeckt.
Die Anwendung von Half-FDD/Full-FDD or TDD wird unterstützt.

Fujitsu Microelectronics Europe
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