چکیده: وای مکس یک فن آوری بی سیم پهن باند است که هنوز ده ساله نشده است.این فن آوری نوظهور در قالب دو کاربرد ثابت و متحرک عرضه می شود و تقریبا توانسته در لپ تاپ ها و تلفن های همراه هوشمند جایی برای خود باز کند.در این مقاله به معرفی فن آوری وای مکس،استانداردها،کاربردها،آشنایی با تجهیزات و بررسی وضعیت کنونی وای مکس در چند نقطه جهان پرداخته شده است.  

 

مقدمه:

مدت ها بود که شبکه های سیمی،دنیای مخابرات را زیر سلطه داشتند.دولت ها،تولیدگنندگان و اپراتورها مجبور بودند تا هزینه سنگین سیم کشی را تا آخرین کاربر در دورترین نقطه متحمل شوند.بی شک راه اندازی اولین شبکه های بی سیم،تحولی بزرگ در صنعت مخابرات بود و درهای تازه ای را پیش روی مهندسان و تولیدگنندگان گشود.با گذشت زمان روز به روز بر قابلیت های فن آوری های بی سیم افزوده شد.تا امروز که حجم عظیمی از اطلاعات،صوت و تصویر را می توان در کسری از ثانیه به دورترین نقاط ارسال کرد.متخصصین و مهندسین، آینده صنعت بی سیم را بسیار روشن می دانند و امیدوارند روزی بتوانند تمام نیازهای کاربران را درهمه ابعاد پاسخ گویند.

 

  

1-معرفی

کلمه وای مکس برگرفته از سرواژه های Worldwide Interoperability of Microwave Access (WIMAX ) است که یک سازگاری و سازش جهانی است برای دست رسی ماکرویو و یک فن آوری بی سیم پهن باند در رنج فرکانسی بالا،برد زیاد و پهنای باند زیاد به نسبت فن آوری های بی سیم قبل از خود است. ویژگی Interoperability یا سازگاری در وای مکس ،یعنی این که کاربر تجهیزات و محصولات مورد نیاز خود تهیه کند (بنا به ویژگی های مد نظرش) و مطمئن باشد که این وسیله با سایر ابزار مورد تایید مشابه،هماهنگی و سازگاری دارد.وای مکس بر پایه استانداردهای شبکه های بی سیم کلان شهر ها ( WLAN ) بنا شده است.

1-1) تاریخ چه

کنسرسیوم صنایع بزرگ،اتحادیه ای جهت گواهی کردن تولیدات بی سیم پهن باند در راستای سازگاری با یک استاندارد واحد به راه انداخت.این اتحادیه،اتحادیه وای مکس نام داشت.

در سال 1999موسسه IEEE یک کارگروه از شاخه انجمن بی سیم پهن باند ( BWA ) تشکیل داد که روی دست یابی بی سیم پهن باند کار می کرد.این گروه در همان سال استاندارد IEEE 802.16 را تصویب کرد که عدد 16 نشان دهنده همین گروه کاری نام برده است.

این گروه کار خود را با تمرکز بر گسترش سیستم بی سیم پهن باند یک نقطه به چند نقطه بر پایه دید مستقیم برای کار در باندهای 10 الی 60 گیگا هرتزی شروع کرد.

پس وای مکس بر دو منبع استوار است: یکی استاندارد IEEE 802.16 که شامل استانداردهای اصلاحاتی هم می شود و دیگری گروه مستند سازی و نظارت بر پیاده سازی تجهیزات و شبکه های وای مکس،یعنی اتحادیه وای مکس.

1-2) اتحادیه وای مکس

استانداردهای IEEE 802.16 فقط معرف و به وجود آورنده تکنولوژی وای مکس هستند و لازم است یک سازمان دیگر وظیفه تایید،هماهنگی و تطابق را به عهده گیرد که این وظیفه ی همان اتحایده وای مکس است.

اتحادیه وای مکس به طور رسمی در سال 2001 با هدف دادن تاییدیه و هماهنگی بین تولیدات IEEE 802.16 کار خود را آغاز کرد.بعد از یک دوره تقریبا کوتاه که با عدم رونق و کم کاری اتحادیه توام بود،در سال 2003 این گروه دوباره فعال شد.در ابتدا اینتل و کمی بعد نوکیا،نقش رهبری و هدایت را در اتحادیه وای مکس بر عهده گرفتند.البته نقش نوکیا به دلیل تمرکز روی فن آوری های نسل سوم کم رنگ تر از اینتل بود.اما رفته رفته نوکیل نیز مکان خود را در اتحادیه تثبیت کرد.

اعضای اتحادیه وای مکس اغلب تولیدکنندگان سیستم ها و نیمه هادی ها، فروشندگان تجهیزات،اپراتوری شبکه ها،دانشگاهیان و دیگر مجریان مخابراتی هستند.برای آشنایی بیشتر با اعضای اتحادیه،نام چند شرکت آورده شده است.

تولیدکنندگان:

AirSpan Networks, Alcatel, Cisco, Intel, LG, Nokia, Samsung , Siemens, Motorola, Fujitsu, Alvarion, Siware, Tower stream …

ارائه دهندگان خدمات:

British Telecom, France Telecom, Korea Telecom, Sprint Nextel , Telmex, PCCW …

هر چند با مراجعه به پایگاه اینترنتی این اتحادیه می توان با اعضای اتحادیه وای مکس که افزون از پانصد عضو است،آشنا شد.

اتحادیه وای مکس در کارگروه های مختلف سامان دهی شده است.

•گروه کاری کاربردی ( AWG ) •گروه کاری گواهی و تاییدیه ( CWG ) •گروه کاری بازاریابی ( MWG ) •گروه کاری شبکه ( NWG ) •گروه کاری تنظیمی ( RWG ) •گروه کاری تکنیکی و فنی ( TWG ) •گروه کاری ارائه دهنده خدمات ( SPWG ) اتحادیه وای مکس اولین آزمایش گاه تایید سازی خود را در فوریه 2006 در مالاگای اسپانیا با نام "آزمایش گاه ستکام" افتتاح کرد.در اواخر همان سال،دومین آزمایش گاه را در سئول کره جنوبی و سومی را در چین راه اندازی کرد.این اتحادیه اکنون در بیش از 150 نقطه دنیا در حال کار می باشد. 1-3) سیر استاندارد سازی در IEEE 802.16 استانداردهای نسبتا زیادی توسط کمیته IEEE 802.16 توسعه و انتشار یافته که در این جا به چند استاندارد اشاره می شود.

استانداردهای دیگری از قبیل IEEE 802.16b,d,g,h,j ,… نیز به تصویب رسیدند اما نسبت به مواردی که در جدول آمده از ارزش کمتری برخوردارند.در واقع می توان گفت IEEE 802.16 مجموعه ای از استانداردهاست ،نه یک استاندارد واحد و یک پارچه.

انتظار می رود که استاندارد IEEE 802.16m نیز در نیمه دوم سال 2009 به تصویب برسد.

از میان استانداردهای موجود، IEEE 802.16-2004 برای کاربردهای ثابت به کار می رود و اغلب با نام وای مکس ثابت شناخته می شود.گاهی این استاندارد با IEEE 802.16d ، یکی انگاشته می شود.اما IEEE 802.16d چندی قبل از IEEE 802.16-2004 و با هدف توجه به استانداردهای انستیتو استانداردسازی مخابرات اروپا ( ETSI ) به وجود آمد و عملا با 802.16-2004 متفاوت است.

802.16 e در واقع اصلاحیه ای بر 802.16-2004 بود که به آن پشتیبانی از کاربردهای سیار اضاف شده بود و از آن اغلب به عنوان وای مکس سیار یاد می شود.این استاندارد جدید تمام قابلیت های استانداردهای قبل از خود را داراست. IEEE 802.16m استاندارد جدید و در حال توسعه وای مکس است.این نسخه جدید شامل دسترسی سیار پیشرفته و سرویس های صوتی و کاندیدای قرارگیری در تکنولوژی های جدید ITU (IMT-Advanced ) است. اتحادیه وای مکس نیز متعهد شد تا سازگاری و مطابقت این استاندارد جدید را با استاندارد 802.16 e حفظ کند تا اپراتورها بتوانند تجهیزات بر پایه 802.16 m را روی شبکه های فعلی خود گسترش دهند.

1-4) کاربردهای وای مکس استاندارد 802.16 برای شبکه های بی سیم شهری و دسترسی سطوح مختلف کاربران،تبیین شده است.هدف وای مکس، تضمین و هماهنگی امواج رادیویی بی سیم پهن باند برای استفاده مشتریان از فروشنده ای به فروشنده ی دیگر است. یکی از مهم ترین دلایل برتری و شهرت وای مکس،همان سیار بودن آن است.فن آوری ای که به درون لپ تاپ ها،رایانه های دستی و گوشی های تلفن همراه راه یافته است و این به کاربر اجازه می دهد تا از یک اینترنت پرسرعت در همه حال،حتی در حرکت با سرعت زیاد نیز بهرمند باشند.وای مکس را می توان در کاربردهای زیادی به خدمت گرفت.در محیط هایی با اپراتورها و کاربران متنوع و نامنظم،در مناطق جغرافیایی مختلف و با فواصل مختلف پراکندگی و ... . برخی از روش های به کارگیری وای مکس : •به عنوان زیرساخت ( Backhaul ) در شبکه های مخابراتی •به عنوان شبکه های عمومی کاربردهای مورد اول عبارتند از: زیر ساخت بی سیم سلولی، زیر ساخت بی سیم سرویس دهنده های بی سیم،شبکه های بانکی،شبکه های آموزش از اره دور، ارتباط بین سازمان های امنیتی (پلیس،آتش نشانی، اورژانس و ....)،ارتباطات ساحلی(شرکت های گاز و نفت و ...)،شبکه های موقت مخابراتی (همایش ها،سمینارها و ...) و چندین کاربرد دیگر از همین دست.

در مورد دوم نیز می توان به شبکه دسترسی جهت سرویس دهنده های بی سیم و ارتباطات روستایی اشاره کرد.

 

2-شرایط کاری

2-1) طیف های فرکانسی

طیف های فرکانسی مورد استفاده در سرتاسر دنیا به دو دسته: طیف های با مجوز و طیف های بدون مجوز تقسیم می شوند.وضعیت فرکانس های مورد استفاده در هر کشور توسط یک سازمان رگولاتوری کنترل می شود.این سازمان در آمریکا،کمسیون ارتباطات ملی ( FCC ) نام دارد.

در برخی کشورها،قسمتی از طیف فرکانسی برای کاربردهای عمومی مانند شبکه های بدون مجوز و قسمتی برای مصارف نظامی یا خدمات عمومی مانند پخش تلویزیونی و ... در نظر گرفته می شود که طبق سیاست های رگولاتوری آن کشور ممکن است نوع کاربرد طیف ها متفاوت با دیگر کشورها باشد.

2-1-1) طیف های با مجوز برای نمونه در ایالات متحده ،طیف با مجوز 1.9 GHZ برای سرویس های مخابراتی سلولی شخصی ( PCS ) استفاده می شود یا فرکانس 3.5 GHZ که در اروپا و قسمتی از آسیا برای بی سیم پهن باند در نظر گرفته شده حال آنکه در ایالات متحده،برای بی سیم پهن باند از این فرکانس کم تر استفاده می شود.برای داشتن یک فرکانس با مجوز جهت مصارف خصوصی باید از رگولاتوری،مجوز فرکانس مورد نظر را خریداری کرد. 2-1-2) طیف های بدون مجوز (مجوز آزاد) در ایالات متحده فرکانس هایی نظیر 2.4 ، 5.2،5.3،5.8،24 و بیشتر از 60 GHZ ، فرکانس های بدون مجوز محسوب می شوند.در آمریکا هر کافی شاپ اگر از قوانین ساده اولیه شبکه پیروی کند،اجازه دارد تا یک شبکه با فرکانس بدون مجوز برپا کند.

2-2) تخصیص باند فرکانسی به وای مکس

یک گام مهم در جهت گسترش خدمات پهن باند سیار،تخصیص باندهاست.باندهای 2.49 تا 2.69 گیگا هرتزی ،جهت نصب پهن باند سیار بسیار مناسب است.این محدوده باند جهت خدمات سیار طراحی شده است.اما در برخی کشورها هنوز از این باند فرکانسی استفاده نمی شود.انتشار امواج در این باند،کاهش هزینه خدمات باند پهن سیار را موجب می شود. در فرکانس های بالاتر با کاهش حوزه پوششی ایستگاه ها و افزایش هزینه مواجه هستیم.البته در مناطقی که تقاضا زیاد است (مانند مناطق شهری) می توان از فرکانس های 3.4 تا 3.6 گیگا هرتزی نیز استفاده کرد. رایج تری طیف های فرکانسی به کار رفته در وای مکس،2.3،2.5،3.3،3.5 گیگا هرتز هستند که دارای مجوزاند و فرکانس 5.8 GHZ که مجوز آزاد است.

 

2-3) مشخصات عملیاتی خطوط ارتباطی وای مکس می توانند به دو گونه : خط دید مستقیم ( LOS ) و خط دید غیر مستقیم ( NLOS ) پیاده سازی کرد.

از نظر دسترسی،می توانند نقطه به نقطه ( PTP ) و یا نقطه به چند نقطه ( PTMP ) باشند.

از خط دید مستقیم در محیط های خلوت و کم تراکم استفاده می شود.محدوده تحت پوششی تا شعاع 50 کیلومتر ( در شرایط ایده آل) و در حدود 9300 کیلومتر مربع را در بر می گیرد.در فرکانس های 10 تا 66 گیگا هرتزی و از نظر معماری ،نقطه به نقطه و بیشتر جهت ارتباط بین ایستگاه های پایه استفاده می شود.

از خط دید غیر مستقیم در محیط های شلوغ و پرتراکم شهری استفاده می شود.محدوده ای با شعاع 6 تا 9 کیلومتر را در بر می گیرد.از فرکانس 2 تا 11 گیگا هرتز استفاده می شود.زیرا فرکانس های بالاتر از 10 گیگا هرتز از موانع بع سختی عبور می کنند.(چون طول موج بسیار کوتاهی دارند) و از معماری نقطه به چند نقطه بهره می برد.

پهنای باند و نرخ بیت در وای مکس به ازای استانداردهای مختلف،متفاوت است.اما در شرایط مناسب می توان تا نرخ بیت 75 Mbps و پهنای باند 20 MHZ را برای وای مکس متصور شد.

 

2-4) سرویس های کاربردی وای مکس

2-4-1)سرویس کاربردی ثابت

نحوه ارائه این سرویس بدین گونه است که مشترکی برای سرویس پهن باند ثابت وای مکس ثبت نام می کند.اپراتور،یک مودم وای مکس،یک شناسه سرویس،کلمه کاربری و رمز عبور به مشترک می دهد.مشترک ،مودم ایستگاه مشترک ( Subscriber Station ) را در محلی با پوشش مناسب سیگنال های وای مکس قرار می دهد و به شبکه وصل می شود. این روش ابتدایی ترین شیوه بهره برداری از شبکه وای مکس است. این سرویس به دو روش : سرویس ثابت خارجی با محدوده تحت پوشش بیشتر ( fixed outdoor ) و سرویس ثابت داخلی با محدوده پوششی کمتر ( fixed indoor ) ارائه می شود.

تا حدودی می توان سرویس ثابت وای مکس را با سرویس پهن بتند کابلی ( DSL ) مشابه دانست.

2-4-2)سرویس کاربردی کوچی

در این روش،مشترک یا مودم مستقل دارد یا ماژولی که روی لپ تاپ سوار می شود.بر خلاف روش ثابت،مشترک می تواند اتصال خود را قطع کند و از نقطه ای دیگر به شبکه وصل شود.یعنی در حین اتصال ثابت بوده ولی مکان و موقعیت مشترک می تواند تغییر کند.

2-4-3)سرویس کاربردی قابل انتقال

مشترک می تواند در حین اتصال به شبکه در اطراف با سرعت قدم زدن حرکت کند و هم چنان به شبکه وصل باشد.هر گاه به انتهای محدوده تحت پوشش یک ایستگاه پایه( base station ) نزدیک شود،مودم عملیات تحویل ایستگاه پایه را انجام می دهد.تحویل ایستگاه پایه ( HandOver ) با قطعی بسیار کوتاهی همراه است که ممکن است اتفاقاتی مانند دیرکرد زمانی،کاهش کارایی و حتی از دست دادن بسته های داده در هنگام تغییر ایستگاه پایه رخ دهد. 2-4-4)سرویس کاربردی سیار ساده مشترک می تواند با سرعتی بین 0 تا 60 کیلومتر بر ساعت بدون قطعی در اثر تحویل ایستگاه،با تداوم اتصال به شبکه حرکت کند.با این سرعت هیچ کاهش کارایی مشاهده نخواهد شد.در سرعت های بالاتر از 60 کیلومتر بر ساعت ،هم قطعی کوتاه و هم افت کارایی به دنبال خواهد داشت.

2-4-5)سرویس کاربردی سیار کامل

مشترک سیار،چه در موقعیت ثابت ،چه در موقعیت متحرک با سرعت های حتی بالاتر از 120 کیلومتر بر ساعت،بدون قطعی و با تداوم اتصال و بدون افت کارایی به شبکه متصل است.در این سرویس،دیرکرد زمانی کمتر از 50 ms است و احتمال از دست دادن بسته های اطلاعاتی کمتر از 1% است.این ویژگی کاربرد سیار کامل را برای امکاناتی چون VoIP مناسب گردانده است.

2-5) مدولاسیون، داپلکسینگ و امنیت در وای مکس

در وای مکس ثابت از دو شیوه مدولاسیون OFDM و OFDMA استفاده می شود.از تکنیک مدولاسیون OFDM با 256 فرکانس حامل و از تکنیک OFDMA با 1024 فرکانس حامل بهره می برد.در وای مکس سیار ،علاوه بر دو روش قبل از تکنیک سطح بالاتری یعنی SOFDMA استفاده می شود. SOFDMA تعداد متغیر فرکانس حامل را به کار می گیرد و فقط این تکنیک است که تحرک پذیری را پشتیبانی می کند.

در اغلب استانداردهای وای مکس از داپلکسینگ تقسیم زمانی ( TDD ) استفاده می شود.داپلکسینگ یا عملیات دوسویه عبارتست از عملکرد دستگاه های فرستنده و گیرنده بدون قطع و وصل در فواصل زمانی یا فرکانسی مختلف . می توان از داپلکسینگ تقسیم فرکانسی FDD )) نیز استفاده کرد.اما روش تقسیم زمانی مزیت های چشم گیر تری دارد.مثلا جهت انتقال داده از مشترک به ایستگاه پایه ( UpLink ) و انتقال داده از ایستگاه پایه به مشترک ( DownLink ) از یک کانال استفاده می کند.حال آن که در شیوه تقسیم فرکانسی ،این عملیات در دو کانال مجزا به انجام می رسد.هم چنین روش تقسیم زمانی برای ارتباطات دیتایی بهترین گزینه است و طراحی گیرنده های با داپلکسینگ تقسیم زمانی پیچیدگی کم تری دارد و ارزان تر است و فن آوری آنتن های هوشمند در این روش بهتر اجرا می شود.اما هم گام سازی سیستم های تی دی دی پیچیدگی زیادی دارد.

وای مکس از ترکیب چند تکنیک امنیتی بهره می برد:

•اعتبار سنجی اولیه برای برقراری کانال ارتباطی •ارسال کلید رمز گذاری •استفاده از کلید رمز گذاری ترافیک داده به طور کلی چون هنوز وای مکس در سطح وسیع گسترش نیافته،پس یک محک جدی و اساسی در زمینه امنیت نخورده است.

 

-6) ویژگی های تحرک

استفاده از خدمات یک سیستم،آن هم در حرکت،هم برای تولیدکنندگان و هم برای مصرف کنندگان امری مهم و گاهی ضروری است و در سرویس های بی سیم پهن باند همیشه یک هدف بوده است.اما استفاده از خدمات در حین حرکت و گاه در تحرک های با سرعت بالا نیازمند آن است که سیستم قابلیت هایی چون تحویل ایستگاه یا ذخیره توان به شیوه های مختلف را دارا باشد.

2-6-1) تحویل ایستگاه ( HO )

شبکه های سلولی،متشکل از تعدادی سلول هستند.در هر سلول یک یا چند نقطه دسترسی وجود دارد که محدوده خاصی را تحت پوشش دارند.در مجموع یک شبکه به وجود می آید که محدوده زیادی را پوشش می دهد.

در وای مکس،ایستگاه های پایه همان نقاط دسترسی هستند.کاربری که از استانداردهای با قابلیت تحرک (مثل 802.16 e )استفاده می کند،یک ایستگاه سیار خواهد بود.هنگامی که ایستگاه سیار در حال حرکت است،زمانی فرا می رسد که به انتهای محدوده یک سلول می رسد،این جاست که باید ایستگاه پایه تغییرکند و ایستگاه بعدی مسئولیت تبادل داده با ایستگاه سیار را به عهده گیرد.همین تغییر و تعویض ایستگاه را اصطلاحا تحویل ایستگاه می نامند. در حین انجام عملیات تحویل ایستگاه،ممکن است وقفه ای در حد هزارم ثانیه رخ دهد.اما ارتباط مشترک با ایستگاه پایه به هیچ وجه قطع نمی شود.

در استاندارد 802.16 e یا وای مکس سیار،دو نوع تحویل ایستگاه تعریف شده است: • تحویل سخت : در این نوع تحویل،ایستگاه سیاربرای تغییر لینک،ابتدا از ایستگاه پایه اول قطع و سپس به ایستگاه پایه دوم وصل می شود.این یک تحویل ایستگاه ساده است و از آن با عنوان "شکست قبل از ساخت " یاد می شود.

• تحویل نرم : ابتدا لینک ایستگاه جدید برقرار می شود سپس ارتباط با ایستگاه قبلی قطع می شود.در این روش تحویل ممکن است ایستگاه سیار،در یک آن چندین لینک با چندین ایستگاه پایه داشته باشد.این عمل به عنوان "ساخت قبل از شکست " شناخته می شود.تحویل نرم به مراتب از تحویل سخت سریع تر است.

باید توجه داشت که پارامترهای زیادی در پیاده سازی تحویل ایستگاه دخیل اند و در هر سیستم بی سیم با سیستم های بی سیم دیگر تفاوت زیادی وجود دارد. اگر تحویل ایستگاه با وقفه ای بیش از 150 تا 200 میلی ثانیه انجام شود،برای کاربردهایی مانند VoIP و IPTV مشکل ساز خواهد بود.

2-6-2) مد ذخیره توان

در وای مکس سیار (802.16 e ) دو مد جدید،قابل تعریف است.مد خواب و مد بی کاری.این دو قابلیت با هدف عملکرد ایستگاه سیار با توان موثر و تحویل ایستگاه موثر انجام می شود.حفظ و ذخیره توات در لپ تاپ ها و تلفن های همراه بسیار مهم است.

• مد خواب ( Sleep Mode ): حالتی است که ایستگاه سیار سرویسی از جانب ایستگاه پایه دریافت نمی کند.در این حالت،سرویس های ایستگاه های پایه برای ایستگاه سیار (چه uplink چه downlink ) غیر قابل دسترس اند. تنها ایستگاه سیار می تواند دیگر ایستگاه های پایه را جهت جمع آوری اطلاعات برای تحویل ایستگاه در مد خواب بررسی کند.در مد خواب،استفاده از توان و مصرف از منابع پایه ی سرویس دهنده ،کاهش می یابد.

• مد بی کاری ( Idle Mode ): ایستگاه سیار فقط برای دریافت پیام های ترافیکی از جانب ایستگاه پایه قابل دسترس است.بدون این که ایستگاه پایه از ماهیت مشترک خود خبر داشته باشد (ایستگاه سیار در ایستگاه پایه ثبت نمی شود).این حالت به آن جهت برای ایستگاه سیار مفید است که می تواند تمام درخواست ها برای تحویل ایستگاه و درخواست های عملیاتی معمول در مد فعال را حذف کند.در واقع با محدود کردن فعالیت های ایستگاه سیار،می توان در توان و منابع عملیاتی صرفه جویی کرد.هم چنین این مد برای شبکه و ایستگاه های پایه نیز مفید است.چون در این مد،فواصل واسط هوایی و ترافیک تحویل ایستگاه ناشی از ایستگاه های سیار غیر فعال حذف می شود و به نوعی بار شبکه و ایستگاه های پایه کاهش می یابد.

2-7) تجهیزات وای مکس

تجهیزات وای مکس شامل بخش های رادیو، آنتن و گیرنده های وای مکس می باشد.رادیوی وای مکس یک فرستنده و گیرنده است که امواج را در فرکانس حامل ارسال می کند.معمولا رادیوی مرکزی، از شبکه وای مکس کمی فاصله دارد ( به دلیل محافظت در برابر شرایط محیطی) و آنتن ها با کابلی با نام pigtail به رادیو وصل می شوند.آنتن های وای مکس که وظیفه ارسال و دریافت امواج را دارند،به دو صورت خارجی و داخلی به کار می روند.حتی می توانند به صورت یک چیپ ست در لپ تاپ یا تلفن های همراه یا PDA ها به کار روند.آنتن های خارجی ارزان تر هستند و نصب راحت تری دارند.

تجهیزات وای مکس را می توان به گونه دیگری تقسیم بندی کرد:تجهیزات سمت مشتری( CPE ) و تجهیزات سمت ایستگاه های پایه.

2-7-1)تجهیزات سمت ایستگاه پایه

• آنتن های نقطه به نقطه ، که معمولا به شکل مربع مسطح هستند.

• آنتن های با قابلیت انتشار در زوایای محدود (°45،°60،°90،°120).

• آنتن های با پخش °360

حال با چند نمونه خاص از تجهیزات ایستگاه پایه آشنا می شویم:

ایستگاه پایه پر تراکم ( high density base station ): شامل یک واحد پردازنده شبکه،ماژول واحد پردازنده چندگانه،منبع توان و ماژول تغذیه توات است.تمامی قطعات آن قابل تعویض در حین کار هستند.

 

شکل 1

ایستگاه پایه کوچک ( mico base station ): این وسیله،یک سرویس پهن باند موثر و ارزان قیمت را در مناطق روستایی کم تراکم ارائه می کند.شامل یک ماژول مستقل است که با واحد رادیویی خارجی شبیه خود ارتباط برقرار می کند و از طریق منبع ac و dc تغذیه می شود.

 

شکل 2

واحد پردازش شبکه: قلب ایستگاه پایه محسوب می شود و به عنوان واحد پردازنده مرکزی ،تجهیزات ایستگاه پایه و تمام مشترکانی که به آن وصل اند را مدیریت می کند.

 

شکل 3

واحد دسترسی داخلی : شامل مودم و دیگر قطعاتی است که وظیفه برقراری ارتباط شبکه بی سیم و مدیریت پهنای باند را دارد.

واحد دسترسی خارجی : یک وسیله توان بالا و چند حاملی است که به یک آنتن خارجی متصل می شود.این وسیله برای فراهم کردن گین سیستم بالا و توان ارسال بالا و ساختار کم نویز و داشتن حداقل تداخل طراحی شده است.عاملیت چند کاناله،پشتیبانی از پهنای باند بالای 14 MHZ و توانایی اتصال به واح دسترسی داخلی از مزایای واحد دسترسی خارجی است.

کنترل کننده نقطه دسترسی وای مکس ( wimax access point controller ):

وظایف این وسیله عبارتند از: اعتبار دادن به رابطه بین قطعات و کاربران با سرور اصلی،توابع امنیتی برای کلید های اعتباری،کنترل کننده های صفحه بندی،نقطه تصمیم کیری سیاست های کیفیت سرویس،کنترل ورودی چرخشی با انتقال ایستگاه،کنترل دسترسی و نقطه تصمیم گیری انتقال ایستگاه.

2-7-2) تجهیزات سمت مشتری ( CPE ):

Broadband data CPE : به عنوان یک پل رابط بین رسانه بی سیم و رسانه سیمی عمل می کند. بیش از 512 مک آدرس را پشتیبانی می کند.تجهیزات داده ای مشترک را با استاندارد اترنت 10/100 Base T وصل می کند.

 

شکل 5

Broadband voice gateway :سرویس داده و صوت مجتمع شده را برای کاربردهای محلی و کاربران خانگی و اداری فراهم می کند.

 

شکل 6

Network gateway : یک وسیله برای کاربران خانگی و تجاری کوچک.در واقع یک روتر پهن باند پیشرفته با اشتراک IP و امکانات امنیتی است.معمولا شامل پورت های 10/100 Base T و نقطه دسترسی وای فای (802.11 g ) است.نه تنها توانایی اتصال پر سرعت برای چندید کاربر را دارد،بلکه یک اتصال پر سرعت برای شبکه های خانگی با ساختار وای فای بی سیم محلی فراهم می کند.با مسیر یابی های ثابت و کوچی ( نومادیک) و دیوار آتشین درون آن و پوشش داخلی با بردی در حدود 30 الی 100 متر،یک وسیله با کیفیت را برای مصارف خانگی موجب می شود.

 

شکل 7

2-7-3) آنتن های میمو ( MIMO )

در دهه اخیر مشکل اصلی در ابزار مخابرات راه دور بی سیم، بازده طیفی و بازده بوده است. با افزایش استفاده طیفی، تداخل بین سرویس ها افزایش یافته است.مخابرات داده ای و ویدیویی و اینترنت بی سیم، طیف های دیگری را به محدوده طیفی قبلی اضاف کردند.

آنتن هایی با ورودی و خروجی چندگانه، با بازده طیفی شگفت آور آینده روشنی را برای مخابرات راه دور بی سیم رقم خواهند زد.این آنتن ها از دامنه فرکانسی خاصی استفاده می کنند.دامنه ای که تاکنون تقریبا غیر استفاده بود و نیز از یک ساختار چند مسیری از یک کانال، هم چنین برای انتقال ادغام شده و چندگانه، با یک خط مخابراتی و انتقال موازی چندین دسته داده به طور هم زمان از آنتن های چند ورودی –چند خروجی یا همان میمو استفاده می شود.

در وای مکس، آنتن های هوشمند میمو جهت افزایش محدوده تحت پوشش و بالا بردن بازدهی به کار می روند که در عمل می توانند کارایی چهار آنتن معمولی را داشته باشند.در یک محدوده زمانی معین، عملیات ارسال و دریافت را انجام می دهند و به دو شیوه عمل می کنند:ارسال سیگنال های مختلف، ارسال جریان داده اضافی. شیوه دوم موجب می شود تا علی رغم وجود موانع مختلفی که در سر راه مسیر ارتباطی است (موانعی مثل کوه، درخت، ساختمان و...) به طور تصادفی حداقل یک سیگنال به مقصد برسد و نیاز به ارسال مجدد سیگنال نیست.در چنین سیستمی، مدیریت سیگنال ها به پردازش بیشتر و پیچیده تری نیاز دارد.

به کارگیری آنتن های چندتایی مانند میمو و فرم دهی پرتو ، امکان افزایش نفوذ در ساختمان ها و سطح پوشش و ظرفیت در محیط های پرچالش را فراهم می کند.

ساختار میمو به دو شکل حلقه باز و حلقه بسته معرفی می شود.عموما اصطلاح میمو به تکنیک میموی حلقه باز اتلاق می شود. تکنیک میموی حلقه بسته، به عنوان تکنیک آنتن سازگار فرستنده شناخته می شود و در صنعت با عنوان فرم دهی پرتو ارائه می شود.استاندارد وای مکس شامل دو نسخه از تکنیک میموی حلقه باز با نام های ماتریس A و ماتریس B است. در میموی حلقه باز، ماتریس A با تکنیک STBC باعث افزایش پوشش و ماتریس B با تکنیک MIMO-SM باعث افزایش ظرفیت می شود.

استفاده از این دو تکنیک به طور یک جا، آنتن هایی با برد و پوشش و ظرفیت بالا می دهد که بازدهی بسیار بالاتری نسبت به نسل قبلی آنتن ها دارد و خوشبختانه وای مکس توانایی به کار گیری این آنتن ها را دارد.

با جفت و جور شدن مزیت های عملیاتی وای مکس با کاربرد آنتن های سطح بالا، اپراتورهای وای مکس می توانند مرتبا شبکه های بهینه شده و وفق یافته با هر نوع تجهیزات را بر روی سرویس های امروزی اشان گسترش دهند و به راحتی رشد کنند و نظاره گر رشد تقاضاها در آینده باشند.

3) مقایسه وای مکس با دیگر فن آوری ها

3-1) وای فای ( Wi Fi ) وای فای یک فن آوری پهن باند بی سیم خصوصی است و نام دیگر استاندارد IEEE 802.11 است که در شبکه های محلی بی سیم ( WLAN ) به کار می رود و در سال 97 اولین استاندارد آن به تصویب رسید.

معمولا از باندهای فرکانسی 2.4 و 5 گیگا هرتزی استفاده می کند که فرکانس های بدون مجوز هستند.نرخ بیتی برابر با حداکثر 54 Mbps دارد که بسته به نوع استانداردهای وای فای شامل استانداردهای IEEE 802.11a,b,e,g,h,I,n ,… است.برای کاربردهای عمومی و مردمی از 802.11 g استفاده می شود.لپ تاپ ها و تلفن های همراه هوشمند تقریبا همه دارای سیستم وای فای داخلی هستند.اما برای رایانه های شخصی، می توان یک کارت وای فای نصب کرد که می تواند در قالب کارت های PCMCIA باشد و به صورت اکسترنال و از طریق USB قابل عرضه هستند.تکنیک مدولاسیون در این فن آوری OFDM است.

مقایسه وای مکس و وای فای، مقایسه دو ساختار و چارچوب مختلف است.از نظر تاریخچه،(چه در استاندارد سازی و چه تولیدات صنعتی) وای مکس تقریبا شش سال پس از وای فای به وجود آمده است.در کاربرد نیز وای فای در شبکه های محلی بی سیم و وای مکس در شبکه های شهری بی سیم به کار می روند.

برد وای مکس به مراتب از برد وای فای بیشتر است.هم چنین در قابلیت تحرک بین سلولی، مدیریت کیفیت سرویس، راندمان و بازده طیف های مورد استفاده از وای فای بهتر است.اما به خاطر فرکانس و تجهیزات پیچیده، با قیمت بالاتری عرضه می شود.

اگر از فکر قیاس این دو فن آوری خارج شویم،خواهیم دید که در پیاده سازی شبکه ها، می توانند مکمل های خوبی برای هم باشند.چرا که وای مکس می تواند زیر ساخت شبکه های کوچک وای فایباشد و به عنوان نقطه اتصال به شبکه بی سیم به کار رود و می تواند Hot Spot ها را به هم وصل کند. Hot Spot مکانی است که می توان به یک شبکه بی سیم عمومی وصل شد.

3-2)سیستم های سلولی نسل سوم (3 G )

3 G یک فن آوری در محدوده ون بی سیم ( WWAN ) است.

وای مکس در محدوده فرکانسی بالاتری نسبت به 3 G استفاده می شود که این امر توان دریافتی کمتر و توان ارسالی با محدودیت های عملیاتی بیشتری را موجب می شود.اما همین طیف فرکانسی بالا در بسیاری از کشورها، ارزان تر از فرکانس سیستم 3 G است.(مجوز UMTS در اروپا و به خصوص در آلمان و انگلیس بسیار گران به فروش می رسد.

3 G سیستمی است که اکنون در دسترس است.تجهیزات آن شامل نرخ داده بالا در شبکه HSDPA است و از سال 2005 در برخی کشورها از تجهیزاتش استفاده می شود. در کل می توان گفت در سطح جهان از نظر میزان به کارگیری و پیشرفت، 3 G وضعیت بهتری دارد.

وای مکس لایه ی فیزیکی بر پایه ی OFDM دارد.تکنیکی شناخته شده برای انتقال که از طیف فرکانسی نسبتا بالایی سود می جوید. طرح هایی وجود دارد تا OFDM در 3 G نیز باعث بهبود کیفیت و تکامل این فن آوری شود،که البته کمی تا پیاده سازی فاصله دارد.

طیف فرکانسی وای مکس ممکن است از یک کشور تا کشور دیگر تغییر کند و این، کاررا برای تولیدکنندگان تجهیزات مشکل کرده است.این عدم تطابق، موجب ساخت تجهیزات سیار چند فرکانسی شده که البته هزینه بالاتر تجهیزات را موجب می شود.هم چنین برخی کشورها برای استفاده از فرکانس های وای مکس دچار محدودیت هستند و یا این که رگولاتور می تواند از گسترش وای مکس سیار توسط اپراتورها جلوگیری کند.

3 G سلولی، از یک پشتیبانی و حمایت بسیار قوی توسط تولیدکنندگان برجسته ای چون نوکیا برخوردار است و علاقه شرکت ها و تولیدکنندگان دیگر، به 3 G هنوز بیشتر از علاقه مندان وای مکس است.اما از سوی دیگر، وای مکس،حامیان غول پیکری چون اینتل، سامسونگ، KT و ... دارد که وجود این حامیان، بازار رقابت را بسیار داغ کرده است.

رقابت بین وای مکس و 3 G مانند رقابت در حوزه های دیگر(مثال PS3 و X-box یا رقابت سازندگان خودرو) بستگی به کیفیت این فن آوری ها و جلب علاقه و رضایت عموم دارد و زمان، پیروز این میدان را مشخص خواهد کرد. جدول زیر به مقایسه چند سیستم بی سیم بزرگ پرداخته است.

 

شکل 8

3-3) پذیرش وای مکس در IMT-2000

در اکتبر 2007، اتحادیه مخابرات بین الملل( ITU )، وای مکس را جزء استانداردهای ارتباط سیار IMT-2000 پذیرفت و وای مکس ششمین واسط رادیویی IMT-2000 پس از 3 G قرار گرفت.

در چنین شرایطی وای مکس می تواند در باندهای فرکانسی اختصاص یافته به فن آوری های 3 G نیز فعالیت کند. فن آوری ای که در خانواده IMT-2000 قرار گیرد، قابلیت سازگاری و هماهنگی با سیستم های نسل سوم مخابرات سیار را دارد.این استانداردها از چهار تکنیک دستیابی FDMA ، TDMA ، CDMA و OFDMA پشتیبانی می کنند. پذیرش وای مکس به عنوان IMT-2000 ، راه را برای ارائه خدماتی چون VoIP هموارتر کرد.حال وای مکس نیز مانند ،فن آوری های نسل سوم می تواند از باندهای 2.69-2.49 گیگا هرتزی جهت ارائه خدمات اینترنتی سیار بهره برد.هر چند اتحادیه GSM و اپراتورهای انگلیسی O2 ، T-Mobile ، زیمنس و اتحادیه UMTS با این تصمیم مخالفت کردند، اما مجوز باند فرکانسی 2.6 GHZ به بسیاری از کشورها واگذار شده یا خواهد شد.

باید توجه داشت که تصمیم پذیرش وای مکس به عنوان یک خصوصیت IMT-2000 به این معنی نیست که اپراتورهای 3 G و دیگر اپراتورها موظف گردند از وای مکس در محصولات و خدماتشان استفاده کنند.بلکه این یک آینده نگری جهت ایجاد فرصت های جدید سرمایه گذاری است.

3-4) شبکه های وای مکس

از وای مکس می توان در زیر ساخت شبکه های لن سیمی و بی سیم، شبکه های سلولی و انواع دیگر شبکه ها استفاده کرد.در این مقوله به چند تصویر از شبکه های وای مکس بسنده می کنیم.

 

شکل 9

4) وضعیت کنونی وای مکس

4-1) وای مکس در آمریکا و اروپا

شرکت اینتل که حامی همیشگی وای مکس بوده است،اولین چیپ ست وای مکس را برای لپ تاپ ها ارائه کرد و اکنون بزرگ ترین تولید کننده چیپ ست های وای مکس است.نوکیا نیز اولین گوشی تلفن همراه با قابلیت به کارگیری وای مکس را به بازار عرضه کرد و در حال حاضر سعی دارد تا وای مکس را در گوشی های جدید خود بگنجاند و به بازار عرضه کند.

 

شکل 10

وای مکس در سال 2008 بازار پر رونقی را در عرصه شبکه و تجهیزات شبکه شاهد بود.گزارشات حاکی از آن است که دو سوم درآمد جهانی تجهیزات وای مکس سیار جهان در سه ماهه دوم سال 2008 از آن شرکت آلکاتل لوسنت و موتورولا بوده و در بازار وای مکس ثابت نیز یک چهارم درآمد جهانی از آن شرکت آلواریون بوده است. شرکت اسپرینت آمریکا،اس کی تلکام و کی تی کره جنوبی، ودافون و اورنج نیز سعی دارند تا جزئی از بازار وای مکس را در دست گیرند.

4-2) وای مکس در خاورمیانه

بر خلاف اروپا و آمریکا که طی چند سال اخیر، تمرکز خود را روی وای مکس سیار معطوف کرده اند،کشورهایی چون عربستان،قطر،بحرین،لبنان و ... روی به وای مکس ثابت آورده اند.در سال 2006 دو شرکت بزرگ عربستانی Batel co و PCCW مجوز وای مکس ثابت را خریداری کردند.پس از آن اردن، بحرین،عراق و امارات نیز اولین مجوز راه اندازی شبکه وای مکس ثابت را صادر کردند.

5) نتیجه گیری

وای مکس یک فن آوری تازه سامان یافته است که در شبکه های شهری بی سیم استفاده می شود و در فرکانس های مختلفی کار می کند.دارای دو نوع ثابت و سیار می باشد.از آنتن های میمو پشتیبانی می کند.به لحاظ عملیاتی برتری هایی نسبت به رقبای بی سیم دارد و امروزه در سرتاسر جهان از شبکه ها و خدمات وای مکس استفاده می شود.

6) منابع

1- wimax: technology for broadband wireless access By: LoutfiNuaymi John Wiley & Sons 2007

2- wimax handbook By: Frank Ohrtman McGraw hill communications

3- fundamentals of wimax (understanding broadband wirelessnetworking) By: Jeffrey G.Andrews-Arunabha Ghosh-Rias Muhamed Prentice hallcommunications engineering and emerging technologies series

4- wimax/mobilefi (advanced research and technology) By: Yang XiaoAuerbach publications

5- wimax applications for utilities-Senza Fili-wimax forum-october 2008

6- a practical guide to wimax antennas(MIMO and Beam formingtechnical overview)-motorolla white paper-2007

7- Distributed Network Architecture for WiMAX- motorolla whitepaper-2007 8-www.wimax.com/education/learning-center