WiMAX

"Worldwide Interoperability for Microwave Access"

WiMAX ist eine neue Funktechnologie, welche als eine Art "grosser Bruder" von Wireless-Lan eine breitbandige drahtlose Datenübertragung bis zu Distanzen von etwa 50 Kilometern und mit Übertragungsgeschwindigkeiten von maximal 70 MBit/s ermöglichen soll. Grundgedanke ist der Ersatz von breitbandigen Kabelnetzen, wie etwa DSL, durch eine Funkübertragung.
Die dahinter stehenden Anforderungen wurden bereits im Ende 2001 erstmalig in einem neuen Standard verabschiedet, wobei jedoch dessen Entwicklung noch immer im Fluss ist und eine Vielzahl von verschiedenen Systemen bzw. Betriebsweisen umfasst. Somit gibt es nicht "das" WiMAX-Produkt, sondern eine ganze Palette unterschiedlicher Lösungen, was zusätzlich zur komplexen Technik eine kurzgefasste Beschreibung alles andere als erleichtert und die Gefahr von Missverständnissen erhöht.


Die verschiedenen Standards bzw. Anwendungen von WiMAX und ihre Evolution (Quelle: Intel)

Auf dieser Seite wird daher keine Gesamtbetrachtung über die gesamte Technik von WiMAX angeboten, sondern alleine eine Einführung in die für die "Elektrosmog-Diskussion" interessanten hochfrequenztechnischen Aspekte, ergänzt durch eine kleine Literatur- und Referenzenliste am Ende.

 

Hochfrequenztechnische Aspekte

Einführung

Die ersten Vorschläge für die Standardfamilie, aus denen schliesslich WiMAX hervorging, bezogen sich auf Sendefrequenzen im Bereich von 10 - 66 GHz, wofür im Dezember 2001 der zugehörige Standard IEEE 802.16 verabschiedet wurde. In diesem Frequenzbereich ist für die Übertragung aufgrund der Ausbreitungseigenschaften der elektromagnetischen Wellen eine freie Sichtverbindung mit Aussenantennen notwendig, was für flexible Anwendungen jedoch unzweckmässig ist. Deshalb wurde danach auch der darunterliegende Frequenzbereich ab 2 GHz hinzugenommen und Anfang 2003 in dem IEEE Standard 802.16a festgehalten.. Damit sind auch Indoor-Anwendungen, wie etwa Einsteckkarten für Notebooks möglich geworden und das Thema wurde damit auch wirtschaftlich interessant.
In einem weiteren Standard IEEE 802.16e werden auch WiMAX-Lösungen für bewegliche Teilnehmer beschrieben, diese sollen in den Frequenzbändern unterhalb von 6 GHz arbeiten.

Insgesamt stellen sich die verschiedenen Standards folgendermassen dar:

IEEE802.16

IEEE802.16a
IEEE802.16REVd
IEEE802.16-2004 (WiMAX)

IEEE802.16e (WiMAX)

Fertigstellung

Dezember 2001

Januar 2003 bis Juli 2004

Dezember 2005

Produkte

Verfügbar, jedoch keine Relevanz für Privatkunden

Seit 2005

Ab 2006

Frequenzbereich

10 bis 66 GHz

2 bis 11 GHz

0,7 bis 6 GHz

max. Datenrate

32 bis 134 Mbit/s in 28-MHz-Kanälen

Bis zu 75 Mbit/s in 20-MHz-Kanälen

Bis zu 15 Mbit/s in 5-MHz-Kanälen

Bandbreiten

20, 25 und 28 MHz

In 250 KHz-Stufen skalierbar von 1,5 bis 20 MHz (lizenzabhängig)

1,75 - 3,5 - 5 - 5,5 - 7 - 10 - 20 MHz

Modulationsarten

QPSK, 16QAM, 64QAM

OFDM256, OFDMA 64 QAM, 16QAM, QPSK, BPSK

SOFDMA
Pulsung
Sowohl ungepulste als auch gepulste Betriebsarten zur zeitlichen Auftrennung zwischen Up- und Downlink.
Mögliche Rahmenlängen sind 2.0, 2.5, 4, 5, 8, 10, 12.5 und 20 ms mit einem Verhältnis von 25% - 75% zwischen Up- und Downlink

Betriebsweise

Festinstallation mit Sichtverbindung

Sicht- oder keine Sichtverbindung mit sowohl fester Außenantenne als auch Anwendungen mit eingeschränkter Mobilität

Keine Sichtverbindung und mobile Anwendung

max. Reichweite

100 km

Theoretisch bis zu 50 km, typisch 15 km mit Außenantenne, bis zu 5 km mit Innenantenne

Bis zu 5 km, typisch 1,5 km

 

 
IEEE 802.16a - Grundlegende Hochfrequenzparameter

In dem Frequenzbereich von IEEE 802.16a (2 - 11 GHz) liegen unterschiedliche für WiMAX nutzbare Frequenzbereiche, die teilweise je nach Land verschieden sind und sich in lizenzpflichtige und lizenzfreie Bänder aufteilen. Unterschiedlich sind auch die jeweils dafür vorgesehenen Betriebsweisen (mit oder ohne Zeitschlitzverfahren) sowie die maximal erlaubten Sendeleistungen.


Modulation und Mehrfachzugriffsverfahren

Die WiMAX-Geräte nach dem Standard 802.16a arbeiten wie auch die bisherigen WLAN mit einer digitalen Modulationstechnik, die auf der "Spread Spectrum"-Technik beruht, also der Benutzung eines sehr breiten Frequenzbandes zur Signalübertragung anstatt eines schmalen Kanals. Im Fall von WiMAX wird dabei das OFDM- Verfahren benutzt (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), bei dem sehr viele einzelne Trägerfrequenzen überlagert werden und Frequenzbänder bis zu etlichen MHz Breite entstehen. Die einzelnen Träger wiederum sind unter Verwendung von digitalen Phasenumtastungsverfahren (Phase Shift Keying, PSK oder Quadraturmplitudenmodulation, QAM, mehr dazu) moduliert, deren Auswahl und genaue Parameter wiederum unterschiedlich sind und in Abhängigkeit von dem Bedarf an Datenrate und Güte des Übertragungskanal flexibel angepasst werden können.
Die Trennung unterschiedlicher Teilnehmer erfolgt über die Aufteilung auf verschiedene Sendefrequenzen (FDD), für manche Frequenzbänder ist auch stattdessen oder optional ein Zeitschlitzverfahren (TDD) vorgesehen.

 
Details für den Frequenzbereich um 2,4 GHz

Dieser von WiMAX im Zeitschlitzverfahren nutzbare Frequenzbereich im sogenannten ISM-Band ist neben anderen Applikationen auch für bisherige WLAN-Geräte vorgesehen. Zum Betrieb ist weder eine Lizenz noch Anmeldung notwendig, die maximal erlaubte Sendeleistung (EIRP) beträgt in den meisten Ländern (auch in Deutschland) 100 mW. Damit ist auch die mögliche Reichweite stark begrenzt (wie beim "normalen" WLAN nur wenige hundert Meter), was diesen Frequenzbereich für WiMAX vergleichsweise uninteressant macht.
In manchen aussereuropäischen Ländern (z. B. USA) wird es auch ein lizenziertes Band im Bereich um 2,5 GHz mit höherer erlaubter Sendeleistung geben.

 
Details für den Frequenzbereich um 3,5 GHz

Dieser lizensierte Frequenzbereich ist für die Anbieter in Europa der momentan interessanteste, da hier sowohl höhere Sendeleistungen (und damit höhere Reichweiten) erlaubt sind als in den lizenzfreien Bereichen und auch, weil bei dieser Frequenz noch stabile Funkübertragungen ohne direkter Sichtverbindung möglich sind.
Die erlaubten Sendeleistungen werden von den nationalen Regulierungsbehörden festgelegt und können je nach Land unterschiedlich sein, sie wurden bisher erst in wenigen Fällen verbindlich vorgeschrieben. Es existiert der Entwurf zu einer europäischen Empfehlung (ECC-Recommendation (04)05), welche im April 2005 folgende, von der belegten Bandbreite abhängigen Sendeleistungen vorsieht:

  • +23 dBW/MHz EIRP bzw. 5 dBW/MHz Sendeleistung für zentrale Funkstellen (Access points)
  • +20 dBW/MHz EIRP bzw. 2 dBW/MHz Sendeleistung für Teilnehmergeräte

Bei einer angenommenen Bandbreite von 3,5 MHz (einem "Standardkanal", möglich sind bis zu 28 MHz) entspricht dies einer maximal erlaubten EIRP von ca. 700 Watt für Access Points und ca. 350 Watt für Teilnehmergeräte.

Für Deutschland gab es seit dem Dezember 2005 ein Zuteilungsverfahren mit einer zugehörigen Lizenzversteigerung im Dezember 2006, Die maximale Bandbreite ist auf 2x7 MHz begrenzt, die in 2005 noch festgelegten maximalen Sendeleistungen wurden in der Endfassung nicht mehr begrenzt.

Für Österreich wurde das Vergabeverfahren im Dezember 2004 abgeschlossen. Nach diesem sind dort (nicht bandbreitenabhängige) maximale Sendeleistungen (EIRP) von +18 dBW (63 Watt) für zentrale Funkstellen und +35 dBW (3162 Watt) für Teilnehmergeräte zulässig.

In der Schweiz sind maximale Sendeleistungen von 35 dBW EIRP (3162 Watt) zulässig, die Bandbreite darf bis zu 14 MHz betragen.

Die auf den ersten Blick überraschend hohen Sendeleistungen (EIRP) kommen jedoch alleine durch die erlaubte Verwendung von stark gerichteten Antennen zustande, was sicher nicht die Regel sein wird. Für die WiMAX-Geräte selbst gibt es noch weitere Europäische Standards (EN 301 021 und EN 301 080), welche deren maximale Sendeleistung am Antenneneingang auf maximal +35 dBm (ca. 3,1 Watt) beschränken, dies ist somit die Leistung, die tatsächlich maximal ausgesendet wird.
Aktuelle Produkte arbeiten bei Teilnehmergeräten mit Sendeleistungen (EIRP) zwischen 100 mW und 4 Watt, dies sind dann z. B. Einsteckkarten mit integrierter Antenne zum Einbau in Notebooks. Die zugehörigen Basisstationen arbeiten mit Sendeleistungen (EIRP) bis zu etwa 40 Watt, wobei Antennengewinne von 10 - 12 dBi beinhaltet sind. Damit sind dann innerorts Reichweiten bis zu maximal 1 - 2 Kilometer realisierbar.

Für dieses lizenzpflichtige Band ist sowohl die Verwendung von Frequenzmultiplexing (FDD) als auch optional ein Zeitschlitzverfahren (TDD) vorgesehen.

 
Details für den Frequenzbereich um 5 GHz

In dem Frequenzbereich zwischen etwa 5,1 und 5,8 GHz gibt es in Europa mehrere lizenzfreie Frequenzbänder, die teilweise auch schon durch das bisherige Wireless-Lan nach dem Standard IEEE 802.11a benutzt werden. Die in Deutschland maximal zulässigen Sendeleistungen betragen 200 mW im Bereich um 5,1 - 5,3 GHz und 1 Watt bei 5,8 GHz.
Die damit erreichbaren Reichweiten betragen nur wenige hundert Meter, die Verwendung eines Zeitschlitzverfahrens (TDD) ist fest vorgeschrieben.

 

Mehr Information und Referenzen

Allgemeines

Bestimmung der Exposition durch WiMAX
Der zweiteilige Abschlussbericht zu diesem Projekt des Deutschen Mobilfunkforschungsprogramms enthält neben Informationen zu Messmethoden und Messergebnissen auch eine Einführung in die Technik von WiMAX.
Strahlenbelastung bei Funk-Breitband
Auf dieser Seite der Breitbandinitiative Bayern findet man Zusammenfassungen und Links zu Messungen der Immissionen von WiMAX-Installationen.

 

Technikinfos

Grundlagen WiMAX - Anwendung, Architektur und Aufbau (Computerwoche vom Dezember 2005)
Eine mehrteilige, sehr informative Einführung.

Wikipedia: WiMAX
Eine knappe Einführung mit weiterführenden Links

Mit Wimax drahtlos zum Endkunden
Ein recht ausführlicher Artikel zur Technik vom WiMAX, als "Special" vom 28.02.05 bei Heise Mobil.
WiMAX Forum
Diese Organisation wurde von den an WiMAX beteiligten Unternehmen gegründet, um die Entwicklung dieser Technik zu fördern. Auf ihrer Homepage findet sich eine Fülle von technischen Informationen zu WiMAX (alles in Englisch), besonders bei den White Papers and Presentations
Intel Technology Journal: WiMAX
Diese Ausgabe (Volume 08 Issue 03, August 2004) gibt auf 96 Seiten eine umfassende Einführung in WiMAX (2,8 MB).
Schweizerisches Bundesamt für Kommunikation (BAKOM): FAQ zu BWA (WiMAX)

 

Standards und Referenzen

The IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless Access Standards
IEEE 802.16
Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems
IEEE 802.16a
Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems - Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2–11 GHz
Draft ECC/REC/(04)05, Recommended guidelines for accommodation and assignment of multipoint Fixed Wireless Systems in frequency bands 3.4-3.6 and 3.6-3.8 GHz

 

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Zuletzt geändert: 02.04.09