Jak WIMAX funguje?

O principech fungování WIMAXu by se dalo psát opravdu velmi dlouho a na velmi odborné úrovni. Zde ale není našim cílem odradit čtenáře záplavou nesrozumitelných technických detailů. Proto se seznámíme spíše jen s některými základními principy a zajímavými myšlenkami kolem WIMAXu, které jsou pro tuto technologii specifické a odlišují ji od ostatních přenosových technologií.

Hned na úvod si můžeme říci, že způsob fungování technologie WIMAX v mnohém připomíná jinou technologii, jménem DOCSIS (Data over Cable Service Interface Specification), o které jsme se již jednou zmínili. Bylo to v souvislosti s tím, že WIMAX je jakousi bezdrátovou alternativou k "drátovým" přístupovým sítím, a mezi nimi i ke kabelovým sítím. Pravdou je, že mnohé prameny skutečně prezentují WIMAX jako technologii pro "bezdrátové kabelové rozvody". Právě DOCSIS pak je technologií, umožňující přenášet data po kabelových rozvodech, původně určených jen pro jednosměrnou distribuci televizního signálu.

Podobnost mezi WIMAXem a DOCSISem je zejména v tom, jakým způsobem je řízena komunikace mezi jednotlivými uzly (na úrovni podvrstvy MAC). Vše je řešeno centralizovaně - existuje zde jedna centrální autorita, která direktivně plánuje a řídí veškerou komunikaci. Určuje, kdo a kdy může co přenášet, a sestavuje jakýsi "plán přenosů", podle kterého se pak skutečně komunikuje. Při sestavování tohoto "plánu" se centrální autorita buďto přímo dotazuje jednotlivých uzlů, zda chtějí něco přenést (provádí tzv. polling), nebo jim dává šanci "přihlásit se o slovo".

V případě kabelových sítí a technologie DOCSIS je centrální autoritou prvek sítě, označovaný jako CMTS (Cable Modem Termination System), který přímo řídí jednotlivé kabelové modemy u koncových uživatelů. V případě WIMAXu je centrální autoritou základnová stanice, které řídí komunikaci se všemi stanicemi ve své buňce.

Centralizovaný způsob řízení, fungující ve WIMAXu, značně zjednodušuje řadu věcí, které v jiných sítích buďto nejsou vůbec možné, nebo se řeší jen velmi obtížně. Jde například o hospodaření s celkovou dostupnou přenosovou kapacitou a její rozdělování mezi jednotlivé koncové stanice. Má-li centrální autorita (základnová stanice) "všechno v rukou", pak může implementovat v podstatě jakoukoli strategii řízení celé sítě a rozdělování přenosové kapacity. Stejně tak ji může průběžně měnit, podle momentální situace, nebo podle toho, co si přeje zákazník a na jakých podmínkách se dohodl s poskytovatelem (provozovatelem sítě).

Základnová stanice, která přímo řídí jednotlivé koncové stanice, rozhoduje také o tom, jakým způsobem budou využívány dostupné frekvence, resp. frekvenční kanály. Standard WIMAXu zde pamatuje na dvě základní strategie, v praxi obvykle označované jako TDD (Time-Division Duplexing) a FDD (Frequency Division Duplexing). Jde o různé varianty toho, jak se dostupné frekvence rozdělí (zda v čase nebo na užší frekvenční pásma), a jak se tyto dílčí části využijí pro komunikaci oběma směry.

Například technika TDD spočívá v tom, že se použije dělení v čase (časový multiplex) - na časové sloty, které jsou sdružovány do tzv. rámců. Každý rámec vždy obsahuje určitý (stejný) počet slotů, přičemž některé z nich jsou určeny pro komunikaci směrem ke koncové stanici (downstream), a jiné zase pro komunikaci od uživatele (upstream). O tom, kolik slotů v rámci má sloužit pro jeden směr a kolik pro druhý, určuje základnová stanice a může tyto počty dynamicky měnit. Tím sama určuje rozdělení dostupné kapacity i do obou směrů.

Podobně je tomu i při rozdělení kapacity v každém z obou směrů mezi jednotlivé uzly. I zde o tom rozhoduje základnová stanice, coby centrální autorita. Jestliže jsme si tedy, v předchozí části textu, uváděli že maximální přenosová kapacita má být 75 Mbit/s, pak to odpovídá využití jednoho frekvenčního kanálu (v Evropě nejčastěji o šířce 28 MHz). Pak ale záleží na tom, kolik takových frekvenčních kanálů má základnová stanice (v rámci své buňky) k dispozici, a hlavně jakým způsobem rozděluje dostupnou kapacitu mezi jednotlivé koncové stanice. Zda přidělí celý frekvenční kanál jednomu přenosu (k jedné koncové stanici), nebo jej rozdělí mezi více stanic. Standardy WIMAXu pamatují také na to, že kapacitu lze vyhradit buďto pro koncovou stanici jako takovou, nebo individuálně pro jednotlivá spojení, která vedou mezi základnovou stanicí a koncovou stanicí (viz dále).

Způsob, jakým základnová stanice hospodaří s dostupnou přenosovou kapacitou a jakým ji rozděluje mezi jednotlivé koncové stanice či přenosy, závisí také na poskytované úrovni kvality služeb.

Má-li WIMAX vycházet vstříc různým druhům přenosů - od přenosů živého obrazu a zvuku až třeba po přenos emailů, měl by vycházet vstříc jejich specifickým potřebám. Některé druhy přenosů totiž vyžadují garantované parametry (například velmi malé přenosové zpoždění a maximální pravidelnost doručování), zatímco jiným je to jedno. Jen pro dokreslení: při přenosu obrazu či zvuku je nutné, aby jednotlivé části dat (reprezentující například jednotlivé snímky či útržky hovoru) byly doručovány velmi pravidelně, s minimálním rozptylem. Jinak bude jejich přehrávání trhané, a tudíž nekvalitní. Pokud by šlo jen o jednosměrné šíření, pak celkové zpoždění není až tak kritické (ale musí být rovnoměrné). V případě interaktivního přenosu (například pro potřeby telefonování či videokonference) je ale nutné i to, aby přenosové zpoždění bylo nejen rovnoměrné, ale také velmi malé. Naproti tomu třeba při přenosu emailových zpráv, celých souborů apod. na pravidelnosti doručování jednotlivých částí dat vůbec nezáleží, protože se stejně čeká až na poslední část, a teprve pak se celý soubor (zpráva atd.) zpracovává.

WIMAX nabízí celkem 4 různé třídy kvality služeb:

Unsolicited Grant Service (UGS):

v tomto režimu je pro každý jednotlivý přenos dopředu vyhrazen a následně garantován určitý objem prostředků (přenosové kapacity). Příslušná stanice se pak pravidelně "dostává ke slovu", aniž by o to musela základnovou stanici znovu žádat. Hodí se například pro přenos nekomprimovaného obrazu a zvuku, kde zdroj dat generuje vždy stejný a dopředu odhadnutelný objem dat. U jiných technologií je tento režim označován jako CBR, alias Constant Bit Rate (konstantní bitová rychlost). V případě WIMAXu je označován jako UGC nejspíše proto, že stanice nemusí explicitně žádat o jednotlivé dílčí přenosu (proto: Unsolicited), a proto že požadované zdroje jsou garantovány (Grant Service).

Real-Time Polling Service (rtPS):

tento režim je vhodný pro přenosy komprimovaného obrazu a zvuku. Velikost datového toku, který tyto přenosy generují, se mění v čase (například podle změn na scéně), a tak nemá smysl dopředu rezervovat a vyhradit určitou pevně danou kapacitu. Místo toho se základnová stanice pravidelně dotazuje jednotlivých koncových stanic, zda mají co k přenosu (provádí tzv. polling), musí to dělat velmi rychle, tak aby nedocházelo k většímu zpoždění (musí postupovat tzv. "v reálném čase" - anglicky: real-time). U jiných technologií bývá tento režim označován jako rt-VBR (real-time Variable Bit Rate, ve smyslu: proměnná bitová rychlost).

Non Real-Time Polling Service (nrtPS):

tento třetí režim je také určen pro takové přenosy, jejichž datové toky se mění v čase - ale pro které není celkové zpoždění kritické. Proto "non real-time". Realizace tohoto režimu v rámci WIMAXu se od předchozího případu liší v četnosti a způsobu, jakým se základnová stanice dotazuje koncových stanic (jakým je realizován polling). Praktické využití je například pro přenosy velkých souborů apod.

Best Effort Service (BE):

v tomto posledním režimu nejsou koncové stanici poskytovány žádné garance toho, co a jak na ní zbude - jak velká přenosová kapacita, ani kdy se "dostane ke slovu" a bude moci něco skutečně přenést. Základnová stanice se v tomto režimu sama nedotazuje koncové stanice (nedělá tzv. polling), ale koncová stanice se sama musí přihlásit o slovo a prosadit se v soutěži s ostatními stanicemi, které komunikují ve stejném režimu.

Zajímavou vlastností WIMAXu, kterou se odlišuje od tradičních přenosových technologií (na úrovni linkové vrstvy, například od Ethernetu), je to že funguje spojovaně. Tedy že mezi základnovou stanicí a koncovou stanicí dochází k navazování spojení, pak probíhá vlastní přenos, a pak je zase spojení ukončováno. Ethernet funguje tzv. nespojovaně, a žádné spojení tedy nenavazuje. Jednotlivé rámce se pak posílají "rovnou", podobně jako třeba dopisy listovní poštou.

Spojovaný charakter komunikace ve WIMAXu má řadu předností. Například tu, že v rámci navazování spojení se základnová stanice dohodne s koncovou stanicí na požadované třídě kvality služeb (viz výše). Díky tomu pak základnová stanice ví, zda a jak má koncovou stanici sama kontaktovat (v rámci pollingu, pro varianty rtPS a nrtPS), nebo zda jí má rovnou vyčlenit určitou pevně danou kapacitu a nemusí se již ptát (varianta UGS), nebo zda se koncová stanice musí přihlásit sama, pokud něco chce (varianta BE).

Navazování spojení se ve WIMAXu využívá také pro potřeby zabezpečení. Bezdrátové přenosy může snadno monitorovat i někdo neoprávněný, a tak je nanejvýše vhodné explicitně zajišťovat důvěrnost přenášeného obsahu. WIMAX to dělá tak, že přenášená data (nikoli hlavičky rámců) šifruje, pomocí symetrického šifrování. To je sice rychlé, ale vyžaduje použití stejných (tajných) klíčů na obou stranách. Pro zajištění korektní a bezpečné distribuce těchto klíčů se pak využívá asymetrické šifrování, a tedy stejný princip jako u elektronického podpisu. Lze si to představit tak, že při navazování spojení si obě strany vzájemně prokáží svou totožnost skrze "úvodní zprávu", kterou opatří svým elektronickým podpisem. Základnová stanice pak pošle koncové stanici (symetrický) klíč, kterým budu obě strany šifrovat svou další komunikaci. Aby tento klíč nemohl zachytit nikdo jiný, je také zašifrován (s využitím údajů z certifikátu příslušné koncové stanice, takže je není schopen dešifrovat nikdo jiný).

Bezdrátové (rádiové) přenosy jsou náchylné na všelijaké rušící vlivy - od interference s jinými přenosy až po různé šumy apod. Důsledkem pak je relativně velká chybovost datových přenosů, alespoň v porovnání s "drátovými" přenosy. Většina bezdrátových technologií proto používá nějakou formu kompenzace toho vlivu, ve snaze dosáhnout větší spolehlivosti přenosů. Tradiční forma zajištění spolehlivosti, a to opakování přenosů, zde není moc efektivní, protože ani opakované přenosy nemusí dopadnout dobře. Proto se u bezdrátových datových přenosů do odesílaných dat obvykle přidává i "něco navíc" - nějaká redundantní data, volená tak šikovně, aby při eventuelním výskytu chyby ji bylo možné podle těchto "dat navíc" nejen rozpoznat, ale i opravit.

Markantní je vliv těchto "dat navíc" u mobilních sítí GSM, které mají stejný problém, a řeší jej na stejném principu - k "užitečným datům" přidávají "data navíc", která na jedné straně umožňují zvýšit celkovou spolehlivost datových přenosů, ale na druhé straně snižují objem "užitečných dat", které je možné přenést za jednotku času (a tím i přenosovou rychlost). V praxi se pak v mobilních sítích používají různá "kódovací schémata", která umožňují dosahovat různé přenosové rychlosti - ale za cenu nižší spolehlivosti, resp. použitelnosti jenom při lepších podmínkách pro přenos, kde se projevuje menší chybovost.

Stejný princip "dopředného zabezpečení" (FEC, Forward Error Control), pomocí "dat navíc", se používá i ve WIMAXu. Konkrétně jde o tzv. Hammingovy samoopravné kódy, které se přidávají k přenášeným datům. Bezdrátový přenosový kanál se pak zdánlivě chová jako spolehlivější, než jaký ve skutečnosti je.