معرفی فناوری WiMAX
محمد نوری 8312123
استاد: دکتر برنجکوب
دانشکده برق و کامپیوتر - دانشگاه صنعتی اصفهان
nouri.iut@gmail.com
چکیده: شبکههای WiMAX که به اذعان بسیاری از کارشناسان در سال های آینده فناوری غالب بازار دسترسی بیسیم (حداقل در بخش ثابت) خواهد بود، دارای ویژگیهایی فنی و مزایای قابل توجهی است که توجه اکثر فعالان مخابراتی (سازندگان، اپراتورهای ثابت و سیار و رگولاتورها) را به خود جلب کرده است. این مقاله در راستای معرفی هر چه بیشتر WiMAX، ضمن بررسی ویژگیهایی فنی و کاربردهای این فناوری، به جایگاه WiMAX در خاورمیانه می پردازد.
1- مقدمه
ارائه خدمات صوت و اینترنت پرسرعت، سالهاست که مد نظر شرکت های مخابراتی در سراسر جهان میباشد. امروزه نیاز عمومی در این خصوص بسیار بالا و پررونق است. برای چنین شرکت هایی مسئله اساسی آن است که کشیدن کابل های فیبر نوری، کابل کواکسیال یا سیم های زوجی (از نوع CAT5) تا درب در میلیون ها خانه و محل کار، بسیار گران و نامعقول به نظر می رسد. از طرفی دیگر در حوزه های تحت پوشش اپراتورها مناطقی وجود دارد که ارائه خدمات ارتباطی بهصورت سنتی به آنها امکان پذیر نمیباشد. این مناطق معمولاً در حومه شهرها قرار داشته و جمعیت کمی دارند. درنتیجه ایجاد زیرساختهای سیمی برای این نقاط مقرونبهصرفه نمیباشد.
پاسخ به این نیاز «شبکهی بی سیم باند وسیع» است. برافراشتن یک آنتن بزرگ بر روی قله یا یک تپه و نصب آنتن هایی بر روی پشت بام مشتریان که به سمت آنتن اصلی جهت گیری شده اند، بسیار ارزانتر از حفر زمین و کابلکشی است. به همین دلیل شرکتهای مخابرات بیشتر گرایش دارند که برای عرضه خدمات اینترنت، ارسال صدا و ارائه نمایشهای ویدیویی راه دور، از سیستمهای بیسیم بهره بگیرند. در سال 1998، [1]MMDS به همین منظور ابداع شد.. سیستمهای MMDS با پهنای باند 198 MHz در فرکانس 2.1 GHz کار میکنند. در این فرکانسها، طول موج 10-12 cm است که بسیار مناسب میباشد، چون با این طول موج میتوان تا 50 km را پوشش داد و همچنین این امواج به طور مناسبی از پوشش های گیاهی و یا باران عبور می کنند.
با بالا رفتن توقع کاربران و ظهور سیستم های جدیدی مثل Video On Demand، نیاز به سرعت انتقال بالاتری بود و دیگر پهنای باند 198 MHz جوابگو نبود. نیاز به پهنای باند وسیع (حدود GHz) طراحان را مجبور کرد به فرکانس های خیلی بالاتر (در آمریکا 28-31 GHz و در اروپا 40 GHz) مراجعه کنند. ولی تکنولوژی تجهیزات نیمه هادیی که در این فرکانس ها کار کنند، پیچیده و گران قیمت است. اما این مشکل هم با اختراع مدارات مجتمع گالیوم-آرسناید حل شد و امروزه امکان طراحی در این فرکانس ها وجود دارد. در پاسخ به تقاضاهای موجود، سرویس بیسیم جدیدی به نام[2]LMDS ابداع شد، ولیکن تاکنون هر یک از شرکت های عرضه کننده LMDS، به سلیقه خود سیستمی را طراحی و نصب کرده است. نهایتاً بسیاری از دست اندرکاران صنعت به این نتیجه رسیدند که داشتن یک استاندارد برای شبکه بی سیم باند وسیع یکی از مولفه های اصلی و حلقه مفقوده در کار است، لذا از IEEE خواستند تا برای تدوین چنین استانداردی، کمیته ای تشکیل بدهد. کار کمیته در ژولای 1999 شروع و استاندارد نهایی در آوریل 2002 به تایید رسید و با عنوان IEEE 802.16 معرفی شد. این استاندارد با نام تجاری WiMAX شناخته میشود.
این مقاله شامل شش قسمت است. در قسمت اول، به معرفی WiMAX به عنوان یک سرویس بیسیم باند وسیع می پردازد. قسمت دوم، به مرور استاندارد های متداول پرداخته و مزایای هر یک را بیان می کند. در قسمت سوم، ویژگیهایی فنی این فناوری را مورد بررسی قرار می دهد. قسمت چهارم به بیان کاربردهای فناوریWiMAX می پردازد. قمست پنجم به مقایسه این فناوری با شبکههای نسل سوم پرداخته و در قسمت آخر چشم اندازی از WiMAX در خاور میانه و ایران ارائه می شود.
2- معرفی WiMAX
WiMAX برگرفته از عبارت Worldwide Interpretability of Microwave Access است که در سال 2001 از اتحادیهای برگرفته از همین نام، موسوم به WiMAX Forum متولد شد. هدف از آن ایجاد زمینه رشد و توسعه و همگرا کردن فعالیتها جهت راهاندازی شبکههای بیسیم گسترده شهری (WMAN)، بر مبنای استاندارد IEEE802.16 بود. تأکید بر این نکته ضروری است که WiMAX تنها یک نام و برچسب است که برای تأیید محصولات ساخته شده بر مبنای استاندارد IEEE 802.16 و فراهم کردن زمینه توسعه شبکههای باند وسیع بیسیم شهری به کار میرود. چنین رابطهای دقیقاً میان Wi-Fi و استاندارد IEEE 802.11 که به عنوان شبکههای بیسیم دسترسی محلی[3] شناخته میشود نیز وجود دارد.
برای برآورده کردن نیازهای انواع دسترسیها، بر اساس دو نسخه موجود از استاندارد IEEE 802.16 دو نسخه در WiMAX تعریف شده است. اولی WiMAX ثابت[4] است که برای دسترسی بیسیم ثابت بهینه شده است و بر اساس استاندارد IEEE 802.16-2004 است. اولین محصولات شرکتهای تولید کننده تجهیزات WiMAX، بر اساس این استاندارد استوار بوده، و در حال حاضر نیز سرمایهگذاری زیادی برای افزایش کیفیت، کاهش هزینهها و از همه مهمتر طراحی و ساخت تراشه ارزان قیمت WiMAX به منظور تعبیه در کامپیوترهای قابل حمل (همانند تراشههایWi-Fi) انجام شده است. نسخه دوم WiMAX بر اساس استاندارد 802.16e، در حمایت از قابلیت حمل و تحرکپذیری طراحی شده که به WiMAX سیار[5] مشهور است. افزوده شدن خاصیت تحرکپذیری به WiMAX و قابلیت ارائهی سرویسهای سیار توسط آن، چهرهای متفاوت از دیگر فناوریهای باند وسیع به آن داده و زمینه شکلگیری رقیبی قدرتمند برای شبکههای تلفن همراه را ایجاد کرده است. البته هنوز محصولات تأیید شده بر مبنای 802.16e به بازار عرضه نشدهاند و پیشبینیهای کارشناسان حکایت از وارد نشدن این محصولات به بازار تا قبل از سال 2008 دارد.
3- استانداردهای متداول WiMAX
در این بخش نگاهی به دو استاندارد متداول WiMAX؛ یعنی IEEE 802.16-2004 و IEEE 802.16e خواهیم داشت و تواناییها، قابلیتها و کاربردهای هر یک را بررسی خواهیم کرد.
نسخهی IEEE 802.16-2004 (که Revision D یا 802.16d نیز خوانده میشود) در جولای 2004 به تصویب رسید. این استاندارد که کاربردهای LOS و [6]NLOS در باند 2-66 GHz را در برمیگیرد، به گونهای تدوین شده است که جانشین تمامی نسخههای قبلی 802.16 (802.16-2001 و 802.16c-2002 و 802.16a-2003) شود. این نسخه همانطور که در استانداردهای IEEE مرسوم است، تنها به معرفی و تدوین لایة PHY وMAC شبکه پرداخته است.
تغییرات اعمال شده در 802.16-2004، بر کاربردهای ثابت در باند 2-11 GHz تمرکز دارد. در این استاندارد از دو مدولاسیون چند کاربره، با عناوین OFDM با 256 حامل و OFDMA با 2084 حامل، پشتیبانی میشود.
در دسامبر 2002 یک گروه کاری به منظور ارتقای پشتیبانی از عملکرد در دو حالت ثابت و سیار، در فرکانسهای زیر 6 GHz ایجاد شد. تلاشهای انجام شده منجر به ایجاد و تصویب اصلاحیه IEEE 802.16e، در اواخر سال 2005 شد. نسخه جدید این استاندارد، از مدولاسیون SOFDMA[7] (نوع تغییر یافته و پیشرفتهتر از OFDMA که از تعداد متغیری از حاملها پشتیبانی میکند)، استفاده می کند. البته مدهای OFDM و OFDMA هم برای این استاندارد شناخته شدهاند. IEEE 802.16e از سیستمهای چند ورودی- چند خروجی (MIMO) و سیستمِ آنتنهای وفقی[8] (AAS) پشتیبانی میکند. همچنین برای دستگاههای سیار، دارای قابلیت پیشرفتهتر در صرفهجویی توان و امنیت میباشد.
پیادهسازی شبکه سیار و ثابت به پیشزمینههای بسیاری از جمله بررسی بازار هر یک، سرویسهای قابل ارائه، تخصیص فرکانس، نیازهای فنی و غیره نیاز دارد. در پیادهسازی به منظور دسترسی ثابت، هر دو نسخه 802.16-2004 و 802.16e عملکرد نسبتاً مشابهی دارند. ماکزیمم بیت بر ثانیه خروجی برای یک سکتور در هر دو نسخه در حدود 15 Mbps (برای کانال 5 مگاهرتز) و 35 Mbps (برای کانال10 مگاهرتز) است. در ادامه به طور مختصر مزایای هر یک از این استاندارد ها را بیان می کنیم.
3-1- مزایای 802.16-2004
· استفاده از مدولاسیون با پیچیدگی کمتر: OFDM، مدولاسیونی با پیچیدگی کمتر نسبت به SOFDMA است و راحتتر پیادهسازی میشود.
· استفاده از باندهای آزاد (بدون نیاز به مجوز): سرویسهای سیار به استفاده از باند فرکانسی مجوز دار نیاز دارند تا بتوانند منطقه وسیعی را پوشش دهند. اما در پیادهسازی ثابت میتوان در مناطقی که تداخل در سطح قابل قبولی باشد، شبکه را با موفقیت در باندهای آزاد پیادهسازی کرد. بنابراین بسیاری از باندها، بدون نیاز به اخذ مجوز مورد استفاده قرار میگیرند.
· توان عملیاتی بالاتر
3-2- مزایای 802.16e
· پشتیبانی از تحرکپذیری: محصولات مبتنی بر 802.16e برای تحرکپذیری بهینه شده و از hand-off تا سرعت 120 کیلومتر در ساعت، پشتیبانی میکنند. همچنین استفاده از حالت ذخیره توان، عمر باتریهای را در گوشیهایی سیار این استاندارد افزایش میدهد.
· پوشش درون ساختمانی بهتر: از مزایای دیگر این استاندارد، پوشش درون ساختمانی بهتر، به دلیل کانالیزهکردن و استفاده از آنتنهای وفقی در هر دو حالت استفاده ثابت و سیار، است.
· انعطافپذیری بیشتر در مدیریت منابع فرکانسی: کانالیزهکردن، قابلیت تخصیص فرکانس هوشمند به کاربر را میدهد. این عمل منجر به استفاده بهتر از پهنای باند، توان عملیاتی بالاتر و پوشش بهتر درون ساختمانی خواهد شد و حتی با انجام آن میتوان هزینههای پیادهسازی را کاهش داد. این مسأله مخصوصاً برای اپراتورهایی که از مشکل محدودیت طیف فرکانسی رنج میبرند، مفید است.
4- اجزای اصلی یک شبکه WiMAX
یک شبکه مبتنی بر WiMAX را میتوان از ابتدا تا انتها به سه بخش تقسیم کرد:
1. بخش هسته، لبه و تجهیزات اداره مرکزی
2. زیرساخت مربوط به ایستگاه پایه (BS)
3. تجهیزات انتهایی کاربر (CPE)
برای یک اپراتور شبکه، که سعی در توسعة شبکة خود بر اساس دسترسی بیسیم دارد، اگر نگوییم همیشه، در اکثر موارد بخش لبه، هسته و تجهیزات اداره مرکزی بدون تغییر باقی میمانند. برای این اپراتور جدید تجهیزات لبه، هسته و ادارة مرکزی طوری نصب میشوند که ظرفیت آنها قابل افزایش و ارتقا باشد. بخش بیسیم شبکه از گره فیبر تا ایستگاه پایه WiMAX با یک لینک نقطهبهنقطه آغاز میشود. این بکهال بیسیم باید از ظرفیت کافی برای پوشش ایستگاه پایه برخوردار باشد.
ایستگاه پایه علاوه بر تجهیزات WiMAX شامل سختافزارهای اضافی چون منابع تغذیه، کابینتهای الکترونیکی (برای نصب در فضای آزاد باید به شکل محافظتشده ساخته شوند) و تجهیزات اضافی برای ایجاد توانایی اتصال به بخش بکهال است. این اجزا ایستگاه پایه که بخشی از هزینههای سرمایهای پروژه محسوب میشوند اغلب هزینة قابل توجهی دارند.
تجهیزات نهایی مشترک یا CPEها در پیکربندیها و اشکال مختلف برای کاربردها و مشترکان متفاوت در دسترس است. انواع خانگی در حالت کلی برای اتصالات اترنت جهت کاربردهای دیتا و اتصال به یک POTS جهت کاربردهای VOIP بهکار میروند. طراحیها میتوانند شامل یک واحد CPE نصب شونده توسط اپراتور در بیرون از ساختمان و یک واحد درون ساختمانی خودنصبشونده باشند که در این صورت، لینکها پوشش بیشتری دارند. برای کاربرانی که نزدیک ایستگاههای پایه WiMAX واقع شدهاند، یک CPE تکی نصبشونده توسط کاربر با هزینة کمتری میتواند به تنهایی به کار رود و اتصال آنها به BS را فراهم کند.
5- مشخصههای فنی WiMAX
سیستمهای WiMAX در پیادهسازی شبکه و ارائة سرویس دارای انعطافپذیری زیادی هستند. تعدادی از مشخصههای برجسته WiMAX عبارتند از:
· معماری انعطافپذیر: WiMAX از ساختارهای مختلف سیستمی، شامل ارتباطات نقطه به نقطه، نقطه به چند نقطه و پوشش همه جانبه حمایت میکند. لایة MAC در WiMAX ارتباطات نقطه به چند نقطه و پوشش همه جانبه[9] را به وسیله زمانبندیکردن یک شیار زمانی[10] برای هر ایستگاه کاربر[11] (SS) انجام میدهد. اگر تنها یک SS در شبکه باشد، ایستگاه پایه WiMAX با آن، بر اساس روش نقطه به نقطه، ارتباط برقرار میکند. یک ایستگاه پایه (BS) در ساختار ارتباطی نقطه به نقطه میتواند یک پرتو آنتنی باریکتر را به منظور پوشش ناحیه وسیعتر به کار گیرد.
· امنیت بالا: WiMAX از استاندارد پیشرفته رمزگذاری[12] (AES) و استاندارد رمزگذاری سهگانه (3DES) استفاده میکند. با رمزگذاری بین لینکهای BS و SS، WiMAX کاربر را در برابر استراق سمع ایمن میکند. امنیت بالا از سرقت سرویسها (استفادهکردن از سرویسها بدون اجازه اپراتور) نیز جلوگیری کرده، مانع متضرر شدن اپراتورها میشود.
· پیادهسازی سریع: در مقایسه با پیادهسازی فناوریهای سیمی، میتوان گفت که نصب تجهیزات WiMAX زحمت چندانی ندارد! زیرا به کندن زمین به منظور قرار دادن کابل نیازی ندارد. هنگامی که آنتنها و تجهیزات، نصب شوند و راه بیفتند، WiMAX برای سرویسدهی آماده است. در مواردی پیادهسازی WiMAX در چند ساعت انجام میشود.
· سرویسدهی چند سطحی: شیوهای که در آن کیفیت سرویس مطلوب به کاربر میرسد در حالت کلی بر مبنای یک سطح تراز توافق خدمات[13] (SLA) بین سرویسدهنده و کاربر نهایی است. در استاندارد WiMAX یک سرویسدهنده میتواند سرویسهایی را با SLAهای متفاوت به مشترکان متفاوت در شبکه یا حتی کاربران متفاوت در همان BS ارائه دهد.
· قابلیت همکاری درونی[14]: از آنجایی که WiMAX بر اساس یک استاندارد بینالمللی شکل گرفته است، استفاده از آن برای کاربران نهایی و سرویسدهندگان آسانتر است؛ زیرا قابلیت همکاری و تعامل درونی ناشی از یکسان بودن استاندارد، هم به کاربران اجازه استفاده از SSهای خود در مکانهای مختلف را میدهد و هم به سرویسدهندگان امکان میدهد که تجهیزات مورد نیاز خود را از سازندگان متفاوت خریداری و نصب کنند.
· تحرکپذیری[15]: در استاندارد IEEE 802.16e، در لایههای فیزیکی OFDM و OFDMA تغییراتی به منظور حمایت از تحرکپذیری و داشتن قابلیت استفاده در سلولهای سیار اعمال شده است. این ارتقا شامل طراحی OFDMA قابل مقیاسبندی و حمایت از حالت Idle/Sleep و Hand-off در شبکه است که مجموعاً اجازه ایجاد ارتباط در حال حرکت تا سرعت 160 کیلومتر در ساعت را میدهد.
· مقرون به صرفهبودن: WiMAX بر اساس یک استاندارد باز بینالمللی است. تقاضای فراوان برای این استاندارد و تولید انبوه تراشههای مربوط به آن باعث کاهش محسوس هزینهها میشود. این امر منجر به ایجاد فضای رقابتیتر در بازار خواهد شد، فضایی که مسلماً به نفع تولیدکننده، سرویسدهنده و کاربر نهایی خواهد بود.
· گستره وسیع پوشش: WiMAX به طور پویا از سطوح چند مدولاسیونی شامل BPSK،QPSK ،16QAM و 64QAM استفاده میکند. هنگامی که با یک تقویتکننده توان بالا مجهز شود و از مدولاسیونهای سطح پایین (مانند BPSK یا QPSK) استفاده کند، قادر خواهد بود ناحیه جغرافیایی وسیعی را - مخصوصاً در نواحی یکدست و بدون مانع- پوشش دهد.
· کار کردن در خط غیر مستقیم (NLOS): WiMAX بر اساس فناوری OFDM است که قابلیت استفاده به صورت NLOS را دارد. این قابلیت به محصولات WiMAX کمک میکند که پهنای باند وسیعیای را به صورت دید در خط غیر مستقیم برای انتقال دیتا فراهم آورد، در حالیکه بسیاری از فناوریهای بیسیم دیگر چنین قابلیتی ندارند.
· ظرفیت بالا: استفاده از مدولاسیونهای سطح بالا (مثل 64QAM) و پهنای باند کانال بالاتر (7 مگاهرتز) میتواند ظرفیت قابل ملاحظهای را برای کاربر نهایی فراهم کند. استفاده از روشهای MIMO و روشهای کانالیزهکردن انعطافپذیر، کدینگ و مالتی پلکسینگ پیشرفته، باعث میشوند که سرعت انتقال دیتا (با در نظر گرفتن کانالهای 10 مگاهرتزی) در پایینسو تا 64 Mbps و در بالاسو تا 28 Mbps در هر سکتور برسد.
5-1- حداکثر برد و نرخ بیت WiMAX
آنچه که بهطور معمول در رابطه با حداکثر برد شبکههای WiMAX در متون فنی اعلام میشود، برد 50 km است. این حداکثر برد در شرایط بهینة جوی و محیط عاری از ساختمان و موانع دیگر و با نرخ بیت پایین امکانپذیر است. به طور معمول، برد این شبکهها برای کاربردهای داخل خانه و ارتباط NLOS حدود 5 km و برای کاربردهای خارج از خانه که آنتن در بالای ساختمان نصب میگردد (LOS)، برابر 15 km است. برد معمول در مناطق دورافتاده و روستایی برای کاربرد خارج از خانه برابر 15 km و در مناطق شهری برای کاربردهای خارج از خانه برابر 1 km است. بنابراین مشاهده میشود که تفاوت زیادی بین آنچه در متون فنی به عنوان حداکثر برد این فناوری ذکر میشود، با برد معمول وجود دارد. در متون فنی برای توصیف شبکههای WiMAX از عبارات زیر استفاده میشود:
· برد قابل پوشش تا 50 km
· تا 75 Mbps به ازای هر کانال رادیویی
· تا 300 Mbps نرخ قابل ارائه توسط ایستگاه پایه
اما بهکار بردن عبارت "تا" در این جملات دارای نوعی ایهام است که در ادامه هر یک را توضیح خواهیم داد.
پوشش 50 کیلومتری: این پوشش به توان ارسال بسیار بالایی نیاز دارد و باید از آنتنهای خارج از خانه[16] استفاده نمود. نوع آنتن باید LOS باشد و مانعی در این بین نباشد و محیط کاملاً عاری از آلودگی هوا، و شرایط جوی کاملاً مساعد باشد. بهعلاوه باید از مدولاسیونهای با قابلیت اطمینان بالا استفاده کرد که به معنی مرتبه پایینتر در مدولاسیون بوده که این نیز به معنی نرخ بیت کمتر است. برآورده ساختن این نیازها در باندهای فرکانسی بدون مجوز امکانپذیر نیست. بنابراین در شرایطی کاملاً ایدهآل با نرخ بیت پایین و توان بسیار بالا میتوان تصور نمود که چنین پوششی را بتوان فراهم ساخت.
نرخ 75 Mbps به ازای هر کانال رادیویی: این عبارت با فرض کانالهای 20 مگاهرتزی مطرح شده است که عملاً در فرکانسهای مجوزدار پایین، چنین باندی به سختی در دسترس است. برای دستیافتن به این نرخ بیت نیز باید شرایط جوی کاملاً مساعد، توان ارسالی بسیار زیاد و مسافت ارسال بسیار کم (در حد کمتر از 200 متر) باشد.
نرخ 300 Mbps به ازای هر ایستگاه پایه: این نرخ نیز در شرایط جوی کاملاً ایدهآل، توان بالا و فاصلة کم امکانپذیر است و به پهنای باند بسیار زیادی نیاز دارد که عملاً در باندهای فرکانسی امکانپذیر نیست.
علاوه بر نکاتی که در اینجا بیان نمودیم، به دو نکتة دیگر نیز باید توجه داشت:
اولاً با توجه به اینکه این استاندارد نیز برای دسترسی به کانال، پهنای باند موجود را بین کاربران تقسیم میکند، با افزایش تعداد کاربران، پهنای باند کمتر میشود و بنابراین حداکثر نرخ بیتی که میتوان در اختیار کاربران قرار داد با افزایش تعداد کاربران کاهش مییابد. در نتیجه آنچه بهعنوان نرخ بیت معمول در این استاندارد بیان میشود نیز در عمل بین کاربران تقسیم میشود و سهم کاربران از نرخ بیت ممکن است بسیار کم شود. نکتة دوم کاهش برد ارسال در مناطق شلوغ است. برای اینکه در مناطق پر تراکم بتوان نرخ بیت مناسبی را در اختیار کاربران قرار داد، باید شعاع سلولها را کاهش داد که به معنی کمتر شدن برد ارسال از آنچه به عنوان برد ارسال معمول مطرح میشود، است.
5-2- باندهای فرکانسی WiMAX
یکی از تصمیمات مهمِ مربوط به باند فرکانسی WiMAX، تصمیم راجع به استفاده از باندهای آزاد و یا نیازمند به اخذ مجوز است. استفاده از باند فرکانسی نیازمند به اخذ مجوز مزایایی چون محافظت در برابر تداخل دارد. ایراد استفاده از این باند درگیر شدن با فرایند اخذ مجوز است که علاوه بر بار مالی به دلیل نیاز به طی مراحل قانونی تا حدی وقتگیر است. در مقابل باند فرکانسی آزاد این مشکل را ندارد. اما به علت احتمال تداخل با اپراتورهای دیگر در آینده، پذیرفتن آن یک ریسک است.
به نظر میرسد در شهرهای بزرگ که چند اپراتور در آن فعالیت میکنند چارهای جز استفاده از باند فرکانسی نیازمند به اخذ مجوز نباشد؛ در مقابل در نواحی روستایی و کم جمعیت که معمولاً یک اپراتور در آن فعالیت دارد استفاده از باند فرکانسی آزاد مقرون به صرفهتر است.
سه باند فرکانسی متداول که امروزه برای WiMAX در نظر گرفته شدهاند، عبارتند از:
· باند فرکانسی 8.5 GHz که آزاد است
· باند فرکانسی3.2 GHz (نیازمند به اخذ مجوز)
· باند فرکانسی 5.3 GHz (نیازمند به اخذ مجوز)
6- کاربردهای WiMAX
با توجه بهکارگیری بسیاری از تکنیکهای پیشرفتة مخابراتی چون مدولاسیون OFDM و OFDMA، آنتن های وفقی،MIMO ، رمزگذاری پیشرفته و غیره انتظار می رود که فناوری WiMAX بتواند گسترة وسیعی از کاربردها و سرویسهای مورد نیاز کاربران را در بخشهای مختلف تجاری، صنعتی، مسکونی را تحت پوشش قرار دهد.گستردگی پوشش و توانایی ارسال در دید غیر مستقیم(NLOS) این فناوری را برای بسیاری از محیطها، کاربردی و مقرون به صرفه نموده است. برخی کاربردهایی که برای WiMAX متصور است، مستقیماً به ارائة سرویسهای نوین منجر شده و برخی دیگر پتانسیل و قابلیتهای شبکهها و فناوریهای قدیمیتر را توسعه داده و از این طریق، برای اپراتوریهای بیسیم منبع درآمد میشوند.
میتوان کاربردهای این فناوری را به دو دستهی «کاربردهای عمده و عمومی» و «کاربردهای ویژه» تقسیم کرد.
6-1- کاربردهای عمده و عمومی
· ایجاد دسترسی با سرعت بالا در منازل مسکونی و مؤسسات: در بعضی نواحی، سرویسهای باند وسیع موجود به دلایل مختلفی چون عملکرد ضعیف، قابلیت اطمینان پایین و یا قیمت بالا نمیتوانند انتظارات مشتری را برآورده سازند. در غالب مناطق روستایی و حتی بسیاری مناطق شهری، مشتریان به شیوه dial-up و با سرعتهای پایین به اینترنت متصل می شوند. در کشورهای در حال توسعه، مناطق بسیاری وجود دارند که به اینترنت متصل نیستند. در اکثر نقاط جهان، فناوریها و سرویسهای باند وسیع مانند DSL[17]، کابل، فیبر نوری و غیره هنوز فاصلهی بسیاری تا پوشش کامل مشترکان اینترنت دارند. تحلیلگران میگویند که فناوری WiMAX به طور بالقوه از نظر اقتصادی مزیت سرمایهگذاری برای اپراتور، جهت ایجاد دسترسی باند وسیع در آن مناطق و رسیدن به موفقیت را دارد.
از طرف دیگر فناوری WiMAX نیازهای شرکتهای کوچک و متوسط را برای ایجاد دسترسی به شبکه اینترنت حتی در نواحی با تراکم جمعیتی کم بهصورت مقرون به صرفهای برآورده میسازد و در مناطقی نیز که این شرکتها از DSL استفاده میکنند (عموماً نواحی متراکمتر) میتواند جایگزینی مناسب برای آن باشد.
· ایجاد دسترسی در مناطق روستایی: سرویسدهندگان میتوانند از شبکههای WiMAX برای سرویسدهی به مناطق کمتر توسعهیافته از نظر خدمات و سرویسهای مخابراتی، مانند مناطق روستایی و حومههای شهرها و شهرکها استفاده کنند. توسعة مناطق روستایی برای بسیاری از کشورها از اهمیت زیادی برخوردار است؛ در حالی که ضعف شدید زیرساختهای مخابراتی در این مناطق مانعی برای پیشرفت (حداقل در کوتاه مدت) است. با توجه به تراکم کم جمعیت در این مناطق، مسلماً فناوری WiMAX میتواند هم برای ایجاد ارتباطات تلفنی و هم برای ارائة سرویسهایی چون اینترنت به کار رود.
· بکهال نقاط تحت پوشش Wi-Fi: نقاط تحت پوشش فناوری Wi-Fi با سرعت زیادی در حال گسترش و رشد است و نیاز مبرمی به یک شبکة بکهال مطمئن و مقرونبهصرفه را پدید آورده است. یکی از موانع برای رشد نواحی تحت پوشش این فناوری، با توجه به گستره و برد این شبکهها، ایجاد یک بکهال مقرونبهصرفه و پرظرفیت برای آن است. این مشکل میتواند به خوبی باWiMAX برطرف شود. همچنین با قابلیت جابهجایی فناوری WiMAX، امکان پرکردن شکاف بین هر ناحیهWi-Fi (نواحی«کور» که تحت پوشش قرار نگرفتهاند) توسط WiMAX وجود دارد.
· بکهال شبکة سلولی: اپراتورهای سلولی نیز بیش از پیش به فناوری باند وسیع بیسیم بهعنوان وسیلهای برای انتقال صدا و داده در فواصل طولانی روی آوردهاند. اپراتورهای سلولی با استفاده از WiMAX فرصت مناسبی برای پیشیگرفتن از رقبای خود در بازار خواهند داشت.
در آمریکا بکهال بهصورت استفاده ازT1 است که از اپراتورهای سیمی اجاره میشود. خارج از آمریکا استفاده از لینک نقطه به نقطهی مایکروویو روش متداولتری برای اتصالات بکهال شبکه سیار است. این میتوان از WiMAX برای افزایش ظرفیت شبکة بکهال و با هزینهای مناسب اقدام نمود. در ضمن، افزودن استفاده از WiMAX در بکهال میتواند به عنوان یک بخش پشتیبان برای بکهال قدیمیتر باشد و به این ترتیب اپراتور میتواند بدون نگرانی از کمبود ظرفیت در شبکه، سرویسهای خود را در گسترهی وسیعتر، در ناحیه تحت پوشش عرضه کنند.
6-2- کاربردهای ویژه و ارائه سرویسهای خاص
· شبکههای بانکی: بانکهای بزرگ میتوانند شعبههای مختلف و دستگاههای ATM[18] خود را از طریق ایجاد شبکههای خصوصی WiMAX به یکدیگر متصل کنند. مسلماً بانکها که در ناحیة وسیعی پراکندهاند، به امنیت بسیار بالا و پهنای باند زیاد در انتقال داده نیاز دارند. حفاظت دادهها در WiMAX، امنیت لینکهای انتقالی را در حد بسیار خوب تضمین میکند. البته بانکها مایلند امنیتی سرتاسری داشته باشند و این را با [19]SSL ایجاد میکنند.
پوشش ناحیهای وسیع و ظرفیت بالا، به مراکز منطقهای بانکها این امکان را میدهد که به شعبههای مختلف و سایتهای ATM که در منطقه پخش شدهاند، متصل شوند. همچنین شبکههای WiMAX میتوانند درجه بالایی از توانایی مقیاسبندی را داشته باشند؛ بنابراین ترافیک سبک دیتا بین سایت ATM و مرکز منطقهای بانک با ترافیک سنگین داده بین شعبههای بانک و مرکز منطقهای میتوانند با هم وجود داشته باشند. این امر با کیفیت سرویس WiMAX ممکن میشود. بر اساس این سیستم، صدا (تلفن بین شعبهها)، داده (معاملات اعتباری و مالی، E-mail، اینترنت و اینترانت (ویدئو نظارت) با تقدمبندی ارسال میگردند.
· شبکههای آموزشی: ادارات آموزش و پرورش میتوانند از WiMAX برای ایجاد اتصال به مدارس استفاده کنند. با شبکههای آموزشی ایجاد شده توسط WiMAX، میتوان ارتباط تلفنی، انتقال دیتای مربوط به پروندة دانشآموزان، پست الکترونیکی، دسترسی به اینترنت و اینترانت و آموزش از راه دور به صورت ویدئویی بین ادارة مرکزی با تمامی مدارس و بین مدارس با یکدیگر را برقرار ساخت. به اینترتیب میتوان از یک معلم خوب و مجرب برای آموزش در تمامی مدارس استفاده نمود. پوشش وسیع WiMAX استفاده از چنین شبکهای را مخصوصاً برای پوشش مناطق روستایی و پراکنده، مقرون به صرفه میکند.
· سلامت و امنیت عمومی: ادارات دولتی مسئول برقراری امنیت و سلامت جامعه چون ادارات پلیس، شعبههای آتشنشانی و اورژانسها میتوانند از شبکههای WiMAX برای برآوردن نیازهای مرتبط با سلامت و امنیت عمومی جامعه، استفاده کنند. با استفاده از این شبکه میتوان علاوه بر برقراری ارتباطات صوتی دو طرفه بین مراکز اعزام و تیم اعزامشده به مأموریت، تصاویری (عکس و ویدئو) از منطقة حادثه دیده به مرکز کنترل ارسال کرد. از آنجا که شبکة WiMAX بهسرعت قابل پیادهسازی است، تیم اولیة اعزامشده به منطقه میتواند بهسرعت نسبت به ایجاد سایت موقتی WiMAX اقدام نماید یا اینکه بر روی شبکه WiMAX موجود در آن منطقه اطلاعات خود را ارسال کند. ضرورت ایجاد چنین شبکهای مخصوصاً در حوادث طبیعی مانند سیل، زلزله مهم و ضروری است.
مسلماً شبکههای سیمی از چنین انعطافپذیریی برخوردار نبوده و در چنین کاربردهایی با شبکههای بیسیم قابل مقایسه نیستند؛ زیرا تحرکپذیری از مهمترین نیازهای اینگونه کاربردها است. به عنوان مثال، پلیس مایل است به اطلاعات موجود در مرکز پلیس در مورد یک اتومبیل در حال حرکت دسترسی داشته باشد، و یا آتشنشانی قبل از رسیدن به منطقة اطلاعاتی تصویریی و ویدئویی راجع به منطقهای که به آن اعزامشده و موقعیت جغرافیایی آن لازم دارد یا ارسال اطلاعات وضعیت بیمار در یک آمبولانس اورژانس به بیمارستان همگی از مواردیاند که لزوماً برای اجرایی شدن نیاز به شبکة بیسیم باند وسیع دارند.
· مخابرات دریایی: صنایع نفت و گاز میتوانند از تجهیزات WiMAX برای ایجاد لینکهای ارتباطی بین سکوهای نفتی دریایی و مراکز مربوط در خشکی، بهمنظور کنترل و مراقبت از انجام عملیات اکتشاف، حفاری و استخراج، ایجاد امنیت و نیز انجام ارتباطات معمولی مانند تلفن، پست الکرونیکی، دسترسی به اینترنت، ویدئو کنفرانس و ... استفاده کنند.
بهعنوان نمونه، تصاویر ویدئویی از بد عملکردن یا خرابی تجهیزات برای راهنمایی و کمک سریع متخصصان حاضر در مرکز واقع در خشکی، یکی از مصادیق کنترل عملیات است. امنیت نیز شامل اخطارهای دیدهبانی و نظارت ویدئویی میشود. شبکههای WiMAX حتی میتوانند به سرعت و سادگی پیادهسازی شوند و این امر در ایجاد سکوهای موقت و یا انتقال سکو به مکانی دیگر مزیت مهمی است. بدیهی است که در این سناریو تکنولوژیهای سیمی اصلاً جایگاهی ندارند.
· ایجاد اتصال در محوطههای باز[20]:آژانسهای دولتی، مؤسسات بزرگ، محوطههای کارخانهای و مراکز صنعتی، مراکز حملونقل، دانشگاهها میتوانند از WiMAX برای ایجاد شبکه بین بخشها و ساختمانهای خود با قابلیت دسترسی در محوطة باز، استفاده کنند. چنین سیستم و شبکهای به ظرفیت زیاد انتقال داده، تأخیر اندک، پوشش وسیع و نیز امنیت فراوان نیاز دارند. مانند سایر موارد کاربردهای WiMAX، شبکة مزبور نیز میتواند برای انتقال صدا، داده و ویدئو به کار رود. مسلماً ایجاد این شبکه، زمان و هزینهی کمتری میبرد، زیرا نیاز به حفاری و نصب تجهیزات بیرونی خاصی ندارد.
· ایجاد شبکههای موقتی شرکتهای عمرانی: شرکتهای عمرانی میتوانند از شبکههای WiMAX برای ایجاد لینک بین ادارة مرکزی و سایتهای مشغول به کار، ادارات مرتبط با فعالیتهای عمرانی و سایر شرکتهای همکار در انجام پروژه مثل شرکتهای معماری و مهندسی دیگر، انبارهای کالا و مصالح و غیره، استفاده کنند. نظارت ویدئویی بر انجام پروژهها مخصوصاً در مناطقی که دسترسی به آنها مشکل است، از امکاناتی است که استفاده از WiMAX میتواند در اختیار بگذارد.
7- مقایسه WiMAX و 3G
استاندارد 802.16e که از WiMAX با دسترسی متحرک پشتیبانی میکند از قالب یک تکنولوژی دسترسی باند وسیع فراتر رفته و خود را به عنوان رقیب شبکههای نسل سوم معرفی کرده است. در واقع به علت عملکرد و قابلیتهای WiMAX، چندی است که ادعای تهدید 3G و سرویسهای نسل سوم ارتباطات سیار به وسیلة این فناوری از سوی برخی صاحبنظران و تحلیلگران مطرح می گردد. ادعایی که توجه بسیاری از کارشناسان و شرکت های مخابراتی را به خود جلب کرده و سبب تردیدهایی در تصمیم برخی از شرکت های مخابراتی مبنی بر سرمایه گذاری بر روی شبکه های نسل سوم شده است.
در باب مقایسه WiMAX و 3G مقالات زیادی نوشته شده است که در آنها مواردی چون باند فرکانسی، در دسترس بودن و هزینه حق مجوز، نرخ انتقال داده، گستره ای که هر سلول می تواند پوشش دهد، تولید تجهیزات و گوشیها، سرمایه گذاری های لازم و غیره برای هر یک مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. اگر بخواهیم به طور خلاصه این موارد را مورد بررسی قرار دهیم، نکات زیر در این باب قابل تامل است:
· هزینه اخذ مجوز: در این زمینه برتری مطلق با WiMAX سیار است. حق لیسانس 3G در دنیا صدها برابر WiMAX است بطوری که در مناطقی این اختلاف به بیش از 1000 برابر هم می رسد.
· نرخ انتقال داده: به نظر می رسد WiMAX سیار بتواند نرخ انتقال داده ای بیش از 3G در اختیار کاربران بگذارد. به عنوان نمونه در یک کانال 5 MHz برای WiMAX نرخ داده 16.8 Mbps در برابر 10 Mbps شبکه های نسل سوم اعلام شده است.
· هزینههای سرمایهگذاری: در این بخش میان تحلیل گران، موافقان و مخالفان WiMAX اختلافاتی وجود دارد. شاید در این میان تحلیل موسسات بی طرف مطالعاتی به واقع نزدیک تر باشد. در تحلیلی که اخیراً از سوی موسسه Pyramid انتشار یافته، خاطر نشان شده که اگر چه هزینه ایستگاه های پایه (BS) در WiMAX ارزانتر از 3G است اما به دلیل عمل کردن در فرکانس بالاتر و بیشتر بودن اتلاف در این فرکانس ها برای رسیدن به نرخ دیتایی مشخص در گستره ای معین، به تعداد بیشتری BS نیاز است.
· هزینه های عملیاتی: از این نظر بنا به آمار موسسه Pyramid برتری از آن WiMAX سیار است. WiMAX سیار به دلیل برخورداری از ساختاری تماماً IP، هزینه های عملیاتی آن تا 30 درصد کمتر است.
· مزیت تولید انبوه تجهیزات: تاکنون شرکت های بسیاری به تولید تجهیزات 3G اقدام کرده اند که این مساله موجب کاهش قیمت آنها نسبت به سال های پیشین شده است. در حالیکه تولید تجهیزات WiMAX سیار، علی رغم داشتن استاندارد واحد -که یک مزیت برای آن به شمار می آید- هنوز به مرحله تولید انبوه نرسیده و قیمت های آن طبعاً بالاست.
· در دسترس بودن پایانه مناسب و گوشی: تولید گوشیهای سازگار با شبکههای نسل سوم علاوه بر تنوع باعث کاهش قیمت این ادوات نیز شده است،که برای کاربران نهایی مساله بسیار مهمی است. این در حالی است که در WiMAX سیار، راهی طولانی برای رسیدن به جایگاه فعلی 3G وجود دارد.
8- WiMAX در خاورمیانه
برخلاف اروپای غربی و آمریکا که عمدهی تحولات و رویدادهای مهم بر WiMAX سیار متمرکز شده است، در خاورمیانه، WiMAX ثابت که به تازگی در دسترس قرار گرفته، در کانون توجه است؛ به طوری که حتی کشورهایی که از امکانات و تجهیزات 3G به طور گسترده بهرهمندند نیز خواهان راهاندازی شبکههایWiMAX ثابت شدهاند. با توجه به ناکافی بودن زیرساخت باند وسیع در خاورمیانه، به نظر میرسد طی پنج سال آینده، میزان تقاضا برای شبکههای WiMAX ثابت، تقریباً در همة کشورهای این منطقه، به طور چشمگیری افزایش یابد. هرچند که در دراز مدت، احتمالاً کشورهای ثروتمند حوزهی خلیج فارس، به استفاده از فناوریهای اولیة باند وسیع خود همچون DSL و فیبرنوری روی میآورند؛ اما بازار کشورهای فقیرتر این منطقه، طی همین دوره بر شبکههای WiMAX ثابت متکی خواهد بود.
روند مجوزدهی برای راهاندازی شبکههای WiMAX ثابت در خاورمیانه، رشد قابل توجهی داشته است که از جمله میتوان به واگذاری مجوز WiMAX ثابت به دو شرکت عربستانی Batelco و PCCW اشاره کرد. شبکههای WiMAX در عربستان، لبنان و قطر راهاندازی شده است. در نیمة دوم سال 2006، کشورهای اردن، بحرین و عراق اولین مجوز راهاندازی شبکههای WiMAX ثابت خود را صادر کردند. کشورهای ثروتمند حاشیة خلیج فارس مانند امارات و قطر، امید دارند در عرصهی خدمات IT، به قطب منطقه و جهان تبدیل شوند. اما کشورهای فقیرتر این منطقه، استفاده از باند وسیع را برای بهبود و توسعة عرضة خدمات دولتی - به ویژه خدمات آموزشی- لازم میدانند و معتقدند که بهکارگیری طیف گستردهای از باند وسیع، میتواند موجب تشویق سرمایهگذاری شرکتهای خارجی و شرکتهای تجاری داخلی شود. در نتیجه، اغلب این کشورها در تلاشاند تا روند دسترسی به باند وسیع را با سرعت هرچه بیشتر توسعه دهند.
8-1- WiMAX در ایران
گروه شرکت های داتک اولین شبکه WiMAX در ایران را در اردیبهشت ماه سال 85 راه اندازی کرده است. در حال حاضر خدمات اینترنتی مبتنی بر WiMAX توسط شرکتهای لایزر، داتک، هماتل و سروش رسانه ارائه می شود. آنچه باعث شده است این تکنولوژی در برابر سه رقیب دیگر خود در ایران (WiFi، IP Wireless و ADSL) موفقت تر باشد، داشتن نرخ بیت زیاد و شبکه وسیعتر و عدم احتیاج به زیر ساختارهای مطمئن سیمی می باشد. البته هزینه تجهیزات WiMAX نسبت به این تکنولوزی ها بسیار بیشتر است (تجهیزات حدود 400 تا 500 هزار تومان و قیمت پهنای باند حدود 60 تا 6 میلیون) و با توجه به این قیمت، کاربران اصلی WiMAX نیز، بیشتر بانک ها و موسسات خصوصی می باشند. از نظر توزیع جغرافیایی WiMAX تنها در شهرهای تهران و مشهد سرویس دهی می شود. باند فرکانسی مورد استفاده در ایران حدود 3.4 GHz میباشد. بیشتر دستگاه های این شرکت ها از محصولات RedLine و Proxim می باشد.
WiMAX نیز هر چند یک فناوری بین المللی به شمار میرود اما بیشتر از فناوریهای تلفن همراه و حتی 3G به کشورهایی چون آمریکا وابسته است. حتی تعدادی از شرکت های سازنده تجهیزات چون Alvarion -علی رغم ظاهر چند ملیتی خود- اسرائیلی اند. تاثیر مساله تحریم از هم اکنون که کشور ما در فاز تصمیم گیری و مطالعه بر روی این فناوری است کاملاً محسوس بوده و قطعاً در آینده نیز ادامه خواهد داشت.
9- نتیجه گیری
در این مقاله جنبههای مختلف WiMAX بدون پرداختن به جزئیات فنی مورد بررسی قرار گرفته بود.
فناوری WiMAX و کاربردهای آن در مراحل اولیهی پیادهسازی و توسعه است و هنوز ظرفیت و قابلیتهای آن کاملاً شکوفا نشده است. حمایت و برخورد درست دولت با این فناوری، باعث شتاب بخشیدن به گسترش آن و کاهش هزینههای سرمایهگذاری و افزایش مزایای اجتماعی آن خواهد شد. از یاد نبریم که «زمان منتظر ما نمی ماند». اگر امروز در ایجاد فضای مناسب برای عرضهی فناوریهای ارتباطی نوین اهمال کنیم، فردا مسلماً دیر است.
10- مراجع
[1] “WiMAX: The Business Case for Fixed Wireless Access in Emerging Markets”, June 2005, http://www.wimaxforum.org
[2] “Business Case Models for Fixed Broadband Wireless Access based on WiMAX Technology and the 802.16 Standard”, http://www.wimaxforum.org
[3] “Fixed, nomadic, portable and mobile applications for WiMAX networks”,2005 November, http://www.wimaxforum.org
[4] “Can WiMAX Address Your Applications?” October 2005, http://www.wimaxforum.org
[5] “Mobile WiMAX – Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation” Prepared on Behalf of the WiMAX Forum, February 21, 2006
[6] Fixed Broadband Wireless Access based on WiMax Technology and the 802.16 Standard,October 2004
[7] Deepak Pareek, The Business of WiMAX, John Wiley&Sons, Ltd, 2006
[8] http://www. teyf.ir
[9] “Middle East & Africa Market Perspective”, May 2007
[1] Multichannel Multipoint Distribution Service
[2] Local Multipoint Distribution Service
[3] WLAN
[4] Fixed WiMAX
[5] Mobile WiMAX
[6] Non Line-of-Sight
[7] Scalable OFDMA
[8] Adaptive Antenna System
[9] ubiquitous
[10] Time slot
[11] Subscriber Station
[12] Advanced Encryption Standard
[13] Service Level Agreement
[14] Interpretability
[15] Mobility
[16] Outdoor CPEs
[17] Digital Subscriber Line
[18] Automated Teller Machine
[19] Secure Sockets Layer
[20] Campus Connecting