جایگاه Wimax
Wimax که از حروف اول نام انجمن کار بین جهانی برای دسترسی مایکروویو (The worldwide interoperability for Microwave Access Forum) گرفته‌شده ، سازمانی غیر انتفاعی متشکل از سازندگان تجهیزات دسترسی بی‌سیم مبتنی بر استاندارد lEEE 802.16 می‌باشد که گسترش و حضور یک سازنده در بازار شبکه‌های بی‌سیم شهری بدون پذیرش در آزمایش‌های این سازمان دشوار می‌باشد. مؤسسه استانداردهای مخابراتی اروپا موسوم به ETSI نیز در حال کار مشترک با Wimax برای هماهنگ‌سازی استاندارد این سازمان برای شبکه‌های شهری بی‌سیم (موسوم به HYPERMA) با مشخصات مورد پذیرش Wimax می‌باشد.
در شروع لازم است تعریف ساده‌ای از مدولاسیون داشته‌باشیم. اساساً در مخابرات به هر نوع تبدیل و تغییری که یک سیگنال را آماده عبور از یک محیط ارتباطی خاص می نماید، مدولاسیون اطلاق می‌شود. دستگاه مودم مثلا بسیار خوبی از کاربرد مدولاسیون می‌باشد که علائم دیجیتالی یک کامپیوتر را به علائم آنالوگ شبیه به صدا تبدیل می‌کند تا امکان گذر از محیط شبکه تلفن را بیابند.
امواج رادیویی گونه‌ای از امواج الکترومغناطیسی بوده که دارای شکل سینوسی و سرعت سیری برابر با سرعت نور می‌باشند . این امواج برحسب فرکانس نوساناتشان درسته‌بندی می‌گردند و قادر به حرکت در فواصل طولانی و از طریق هوا هستند.
درصورتی که از امواج فوق جهت حمل اطلاعات استفاده می‌شود با نام سیگنال حامل (Carrier) شناخته می‌شوند . فرکانس سیگنال حامل مشخصات خاص آن را تعیین می‌کند .برای مثلا امواج رادیویی با فرکانس پایین‌تر از 10 گیگاهرتز قادر به عبور از میان اجسام صلب (برای مثلا ساختمان‌ها)هستند.همین امر دلیل استفاده از طیف فرکانسی 900 و 1800 مگاهرتز برای تلفنهای همراه سیستم GSM) می‌باشد.
اساساً مدولاسیون در سیستمهای بی‌سیم با تغییر یکی از مشخصه‌هی موج رادیویی متناسب با علائم اطلاعاتی (صفر ویک‌ها) انجام می‌گیرد . سه تکنیک اصلی وجود دارد که با تغییر در دامنه (ASK)، فرکانس (FSK) و فاز(PSK)کار می‌کنند. شکل 4 چگونگی انجام مدولاسیون فرکانسی را نمایش می‌دهد.
اصولاً کارایی یک تکنیک مدولاسیون متناسب با تعداد علائم اطلاعاتی (بیت‌ها ) است که در هر نوسان موج رادیویی منتقل می‌کند . برای مثال مدولاسیون فاز چهارتایی(QPSK) مطابق شکل در هر نوسان دو بیت را حمل می‌کند . افزایش تعداد بیت‌ها با افزایش نرخ انتقال اطلاعات منجر می‌گردد و البته دارای حدی‌است که معمولاً با حداکثر فضای قابل پوشش سیستم ارتباط بی‌سیم ، رابطه عکس دارد.
تکنیک مدولاسیون پیشرفته‌تر QAM تلفیقی از دو روش دامنه و فاز می‌باشد که دستیابی به نرخ‌های بالاتر را (در فرکانس برابر) امکان‌پذیر می‌سازد. تکنیکQAM 16 چهار بیت را درهر نوسانو QAM 64 تا 16 بیت را در هر نوسان منتقل می‌کند.
هنر Wimax استفاده بهینه از تکنیک‌های پیشرفته گوناگون است. همانطور که در شکل6 نشان داده شده در فواصل کوتاه آنتن مرکزی ، تکنیک QAM 64 و در فواصل دورتر از QAM 16 استفاده می‌شود. تکنیک فازی چهارتایی (QPSK)نیز برای مشترکین در فواصل بسیار دور به کار گرفته می‌شود . انتخاب تکنیک مناسب به طور هوشمند و پویا انجام می‌شود.
پیاده سازی Wimax
فناوری Wimax دارای مزایای زیادی است که آن را بر سایر تکنولوژیهای موجود در زمینه شبکه‌های بی‌سیم ارجح می‌سازد. این مزایا عبارتند از :
کیفیت سرویس
کارآیی بالا
ساختار استاندارد
پشتیبانی از آنتن‌های هوشمند
تجهیزاتی که برای پیاده سازی شبکه‌های شهری مورد استفاده قرار می‌گیرند در سه لایه تجهیزات سمت مشترک (CPE) تجهیزات مربوط به Base Stationها و تجهیزات مربوط به سمت مشترک به طور کلی به گونه‌ای پیکربندی می‌شوند تا بتوانند کلیه اطلاعات مربوطه را با فرکانس‌‌های رادیویی به نزدیک‌ترین Base Station انتقال دهند. مرحله بعدی در ایجاد شبکه شهری بی‌سیم ایستگاههای ارائه‌دهنده سرویس است که به POP یا CO معروفند، این ایستگاه‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که امکان تخصیص پهنای باند حداقل 1 Mbps را برای هر مشترک تضمین نماید . هر گونه ارتباطی با شبکه سایر ارائه دهندگان سرویس از طریق این نقاط صورت می‌پذیرد.
ساختار این تکنولوژی به گونه‌ای است که می‌توان آن را در هر قسمت از شبکه مورد استفاده قرار داد، اما بهینه‌سازی نحوه استفاده از این تکنولوژی به هزینه آن نیز بستگی دارد. همانگونه که در بررسی‌های اقتصادی انجام شده دیده می‌شود، این فناوری در لایه دسترسی قابل جایگزینی برای سایر تکنولوژیهای مطرح در زمینه بی‌سیم می‌باشد.
با استفاده از این تکنولوژی می‌توان در لایه توزیع(Backhaul) و دسترسی (Last Mile) با صرف هزینه پایین ، کارآیی بالایی ایجاد نمود. از Wimax برای مجتمع سازیWifi نیز استفاده می‌شود.در حال حاضر برای بهینه‌سازی شبکه‌های بی‌سیم ، توصیح می‌شود با بهره‌گیری از قابلیت‌های هر یک از تکنولوژیهای مطرح در زمینه ایجاد شبکه‌های بی‌سیم از هر دو تکنولوژی Wimax و Wifi در کنار یکدیگر استفاده شود. به این ترتیب می‌توان از قابلیت‌های هر یک به صورت بهینه بهره برد.شکل 2 استفاده از این دو تکنولوژی را در کنار یکدیگر نشان می‌دهد. همانگونه که مشاهده می‌شود در شبکه‌های محلی و Campus از همبندی Mesh تکنولوژی WIFI استفاده شده‌است و برای لایه توزیع (Backhaul) نیز Wimax مورد استفاده قرار گرفته‌است.
انجمن Wimax این استاندارد را برای پیاده‌سازی ارتباطات نقطه به نقطه (P2P) و یک نقطه به چند نقطه (P2MP) در مناطق روستایی و حومه شهرها که از تراکم جمعیت بالایی برخوردار نمی‌باشد، توصیه می‌کند.(شکل 3) همچنین درصورت نیاز به ارائه کیفیت سرویس برای Applicationهایی نظیر ویدئوکنفرانس ،VolP و... از این فناوری در سطح (Last Mile) استفاده می‌شود. ساختار استاندارد این تکنولوژی نیز در زمانی که چندین محصول ساخت سازنده‌های مختلف درشبکه مورد نیاز است ، آن را از سایر تکنولوژیهای مطرح در شبکه‌های بی‌سیم مجزا می‌سازد.
درآینده‌ای بسیار نزدیک با توجه به رشد نیازهای کاربران و سرویس‌هایی که می‌توان از طریق این شبکه‌ها ارائه نمود ، مطابق آنچه در شکل 4 نشان داده شده‌است، از این تکنولوژی در کلیه قسمت‌های شبکه اعم از توزیع و دسترسی استفاده می‌شود. یعنی Wimaxبه علت امکان برقراری ارتباط با تجهیزات مبتنی بر Wifi می‌تواند درهر قسمت مورد استفاده قرارمی‌گیرد . به طور مثال در برخی قسمت‌ها لازم است از باند فرکانسی دارای مجوز استفاده نمود که به جای تکنولوژی WiFi از Wimax استفاده می‌شودهمچنین در نقاطی که کیفیت سرویس در شبکه مدنظر می‌باشد نیز می‌توان از این تکنولوژی استفاده نمود.
نمونه شبکه‌های پیاده‌سازی شده
بزرگترین شبکه‌ای که با توجه به این تکنولوژی به صورت آزمایشی پیاده‌سازی شده‌است، توسط یک اپراتور شبکه در انگلستان به کمک دانشگاه کنت ایجاد شده‌است. اپراتور Telabria که یکی از معروفترین اپراتور‌های شبکه‌های بی‌سیم می‌باشد ، در فواصل 15 مایلی اقدام به نصب آنتن برای ارائه سرویس نقطه‌به نقطه نموده‌است . کاربران این شبکه اکثراً در رده SOHO و SME های شهر کانتربری می‌باشند و سرویس را به صورت آزمایشی 90 روزه از اپراتور مذکور دریافت می‌نمایند. پهنای باندی که توسط این اپراتور به مشترکان ارائه می‌شود ، در حدود 45 Mbps می‌باشد . لایه هسته و توزیع شبکه ایجاد شده مبتنی بر استاندارد lEE 802.16d است و مشترکان انتهایی با استفاده از WDSL ها به شبکه متصل می‌گردند . محدودیت های ارسال و دریافت را برای مشترکان کاهش می‌دهد.
یکی دیگر از شبکه‌های پیاده‌سازی شده مبتنی بر استاندارد توسط شرکت WTC، برگزار کننده مسابقات جهانی مردان آهنین ، راه‌اندازی شدهظاست . این مسابقات در مسافتی در حدود 140 مایل در سه رشته شنا به مسافت 4/2 مایل ، دوچرخه سواری به مسافت 112 مایل، و دوی مارتن به مسافت 2/62 مایل انجام می‌شود وشبکه مذکور به منظور ایجاد امکان ارسال تصاویر زنده رقابت‌ها برای تماشاچیان و همچنین پخش این مسابقات به صورت مستقیم از طریق تلویزیون و اینترنت پیاده‌سازی شده‌است.
WTC از ارتباطات پرسرعت جهت ارسال تصاویر و سایر اطلاعات استفاده نموده‌است . کلیه تجهیزاتی که از این استاندارد پشتیبانی می‌نمایند، نظیر Laptopها، PADها و سایر وسایل ارتباطی، می‌توانند با اتصال به سایت مربوطه از روند رقابت به صورت زنده مطلع گردند. پیاده‌سازی این شبکه به علت وجود رطوبت و دمای بالا در محوطه برگزاری بازی، با دشواری‌های فراوان روبه‌رو بود. زیرساخت شبکه بی‌سیم مذکور با استفاده از تجهیزات ساخت شرکت Airspan و از سری As3030 ایجاد شده است . ظرفیت Backbone ایجاد شده برای این شبکه به گونه‌ای است که می‌تواند پهنای باند Mbps 8 مورد نیاز دوربینهای تصویر برداری را تامین نماید. ایستگاه اصلی (Base Station) بر روی یک ساختمان بلند نصب شده است و کل محوطه را تحت پوشش قرار می‌دهد . نکته قابل اشاره در طراحی این شبکه ، ماهیت سنگ‌های آتشفشانی است که امواج ارسالی را به شدت جذب می‌نمایند. برای طراحی این شبکه رله‌ه ایی در مناطق مرتفع و در اطراف جاده‌ها و ساختمان‌ها نصب شده‌است تا بتوانند سیگنال‌های تضعیف‌شده را تقویت نماید.
تکنولوژی Wimax با توجه به ساختار خود به صورت ضمنی می‌تواند کیفیت سرویس تضمین‌شده‌ای را برای برنامه‌های کاربردی مختلف ارائه نماید و در نتیجه برای ارسال صوت و تصویر می‌تواند مورد استفاده قرارگیرد .شبکه دیگری که منطبق با این تکنولوژی ایجاد شده . برای پخش زنده رخدادهای جشنواره فیلم ساندنس مورد استفاده قرار گرفته است.
این شبکه حدود 55 مایل از سالت‌لیک تا پارک سیتی در ایالت یوتا را به صورت نقطه به نقطه (P2P) تحت پوشش قرار می‌دهد.
شبکه‌های بی‌سیم در سطح شهر
اولین نسخه استاندارد Wimax که در آوریل 2002 روانه بازار شد ، یک سیستم یک نقطه به چند نقطه (pmp) بود که در بازه فرکانسی 10 تا 66 گیگاهرتز کار می‌کرد. انتقال داده در این فرکانس ، نیازمند دید مستقیم بود و این که امکان آن در بسیاری از شهرها و مناطق وجود نداشت ، نقطه ضعفی برای آن به شمار می‌آمد.
به همین جهت ، در نسخه اصلاح شده این استاندارد lEEE 802.1 b که در ژاپن 2003 منتشر شد مشخصه فرکانسی به محدوده 2تا11 گیگاهرتز انتقال داده‌شد تا نیاز به داشتن دید مستقیم در ارتباطات رفع شود.
مشترکان و نقاط دسترسی Wimax در دو باند فرکانسی کار می‌کنند: 5 گیگاهرتز و 5/3 گیگاهرتز باند 5 گیگاهرتز نیاز به مجوز ندارد و می‌توان تا توان 100 میلی‌وات سیگنال ارسال کرد . با این توان امکان پوشش داده محدوده 30 متری درون محل‌های بسته و محدوده وسیع‌تری در خارج آن وجود دارد.
اما کار در باند5/3 گیگاهرتز نیاز به مجوز دارد و با توانی در حدود یک وات ، می‌توان به برد 50کیلومتر که در ابتدا بدان شاره شد رسید میزان توان مورد استفاده در سیستم به نوع مجوز و استاندارد سیستمی که در محل به کار گرفته شده‌است،بستگی‌دارد.
پرکاربردترین پیکربندی 802.16 a شامل یک ایستگاه پایه است که از طریق یک pmp به نقاط دسترسی داخل ساختمان متصل می‌شود شعاع سلول‌ها عموماً بین شش تا ده کیلومتر است که در این محدوده ، کاربردهای دید مسقتیم به صورت بهینه کار نمی‌کنند. همچنین حداکثر شعاعی که از نظر تئوری قابل دسترسی است، به کارگرفته نشده است. از دیگر کاربردهای 802 .16 برقراری ارتباط بین Wlan (و نقاط تجاری ، و اتصال آنها به اینترنت است. در این کاربرد، محل‌های تجاری می‌توانند Wimax را درجایی نصب کنند که امکان سیم‌کشی وجود ندارد.
فناوری Wimax کجا ازWLan جدا می‌شود؟
از نظر تئوری Wimax و Wlan می‌توانند با هم تداخل کاری داشته‌باشند. زیرا در برخی کشورها شبکه‌های Wlan ازهمین محدوده فرکانسی استفاده می‌کنند. اما زیمنس اطمینان داده است که Wimax از محدوده فرکانسی 4/2 تا 834/2 گیگاهرتز به منظور استفاده در Wlan استفاده نکند.
قائم مقام اینتل پیش‌بینی می‌کند که طی دو تا چهار سال Wimax به همان جایگاهی برسد که Wlan در حال حاضر قرار دارد.
آنتن‌های هوشمند
در 802.16 به منظور افزایش محدوده تحت پوشش و بالا بردن بادهی ، امکان استفاده از آنتن‌های هوشمند نیز فراهم شده‌است . یعنی به جای یک آنتن، از چهار آنتن استفاده می‌شود. هر یک از این چهار آنتن در بازه‌های زمانی معینی ، عملیات ارسال و دریافت داده را انجام می‌دهند. این آنتن‌ها یا سنگنال‌های مختلفی را ارسال می‌کنند یا جریان داده اضافی را می‌فرستند . این تکنیک آخر،برای استفاده در Wimax یک روش ایده‌آل است . زیرا باعث می‌شود علی‌رغم موانع مختلفی که در مسیر ارتباطی وجود دارد ، مانند ساختمان‌ها و درختان ، حداقل یک سیگنال شانس رسیدن را بیابد و دیگر نیازی به ارسال مجدد نباشد.
طبق بررسی انتل، بازدهی این آنتن‌های چهارگانه که به MI-Mo (چند ورودی چند خروجی) معروفند،چهار برابر آنتن‌های تکی است. برای رسیدن به توان مشابه در آنتن‌های معمولی، باید میلیون‌ها بار توان بیشتری مصرف کرد. البته سیستمهایی که از آنتن‌های MO MI استفاده می‌کنند ، برای مدیریت صحیح سیگنال‌های نیاز به پردازش بیشتری دارند. اینتل بر این باور است که این آنتن‌ها در سیستمهای انتقال داده آینده ، حتماً مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین می‌توان بدون پرداخت هزینه بالا از این آنتن‌ها در PC و نوت‌بوک‌ها استفاده کرد، زیرا هزینه تمام شده هر آنتن کمتر از یک‌دلار خواهد بود.lEEE 802.16 علاوه بر استفاده از آنتن‌های هوشمند از شبکه‌های Mesh نیز که برای تحت پوشش قراردادن مناطق گسترده‌تر کاربرد دارند پشتیبانی می‌کند. در شبکه‌های Mesh تلفنهای همراه ، PDAها ، نوت‌بوک‌ها ،بازی‌های الکترونیکی ، و PCها به عنوان نقاط تقویت سیگنال شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرند تا به این ترتیب دامنه تحت پوشش شبکه به میزان زیادی گسترش یابد. ویژگی این شبکه‌ها در این است که ادوات به کاررفته، ارسال را با توان پایین انجام می‌دهند تا نیاز به مصرف انرژی زیادی وجود نداشته‌باشد. این ویژگی در شبکه‌هایی که ادوات به کار رفته در آن مانند تلفنهای همراه PDAها ،از باتری استفاده می‌کنند بسیار مهم است.