IEEE 802.16 / WiMAX

Der Standard IEEE 802.16 (BWA, Broadband Wireless Access) beschreibt eine drahtlose Breitbandtechnik für ein drahtloses Metropolitan Area Network (MAN), die parallel zu IEEE 802.11 für ein Wireless LAN entwickelt wurde.
Beim ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ist der entsprechende Standard unter dem Namen WiMAX (ausgesprochen: waimäx) oder Hiper-MAN bekannt. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) verwendet.
WiMAX bietet die Möglichkeit, breitbandige Zugangsnetze über Funk ohne eine aufwändige leitungsgebundene Infrastruktur aufzubauen. Damit wird WiMAX als Alternative zum Festnetz-DSL gesehen. Manchmal wird es auch als Wireless-DSL (W-DSL) bezeichnet.
Der Durchmesser des Versorgungsbereichs einer WiMAX-Basisstation ist mit denen in den Mobilfunknetzen vergleichbar. Mehrere Kilometer Reichweite lassen die letzte Meile zwischen Netzbetreiber und Kunden schrumpfen. Vor allem in Gegenden, wo DSL oder Kabel keinen Internet-Zugang bieten können, ist WiMAX deshalb eine Alternative.

WiMAX mit mobiler Nutzung ist so komplex wie zum Beispiel GSM oder UMTS. Für WiMAX muss das alles neu entwickelt werden, was es für Mobilfunknetze schon gibt.
Ein Problem, zum Beispiel, ist die gegenseitige Authentisierung von Netz und Endgerät. Oder besser gesagt, die Abrechnung der Leistung. Man kann nur den Zugang (Flatrate), aber nicht die Zeit oder das Volumen abrechnen. Wenn doch, dann steigt die Komplexität. Insgesamt sind die Entwicklungs- und Aufbaukosten sehr hoch, was den Betrieb von WiMAX in Ländern mit ausgebauter Mobilfunk-Infrastrukur, wie GSM, UMTS oder LTE wenig interessant macht.

Eigenschaften und Voraussetzungen

  • Im Indoor-Bereich kann es je nach Standort zu unterschiedlich starken Empfangsqualitäten kommen.
  • Für optimalen Empfang ist in vielen Fällen eine Fenster-Antenne notwendig.
  • WiMAX hat wie WLAN und UMTS die gleichen Probleme im Bereich von Abschattungen (Funklöcher).
  • Ist die Funkverbindung optimal lassen sich bis zu 3 MBit/s übertragen.

WiMAX-Standardisierung

Logo WiMAX ForumDie erste Standardisierung im Jahr 2001 legte die Funkschnittstelle für die Richtfunk-Frequenzen zwischen 10 und 66 MHz fest. Diese Technik sollte eine Reichweite von 50 Kilometer bei 70 MBit Übertragungsrateerreichen. Natürlich nur im Idealfall, bei direkter Sichtverbindung und mit stationären Empfängern. Später verschob sich das Interesse in den Frequenzbereich zwischen 2 und 11 GHz ohne Sichtverbindung zwischen Basisstation und Empfänger. Im Jahr 2003 wurden die Teilstandards 802.16a und 802.16REVd verabschiedet. Im Jahr 2004 wurden dann beide Standards überarbeitet und im Juli 2004 als 802.16d-2004 bzw. "WiMAX fixed" zusammengefasst.
In der Untergruppe 802.16e wurde an einer Erweiterung gearbeitet, die für mobile Anwendungen bei niedrigen Geschwindigkeiten im lizenzfreien und lizenzpflichtigen Frequenzspektrum unterhalb von 6 GHz arbeitet. Dieser Standard wird "Wimax mobile" genannt.
Unabhängig vom IEEE und dem WiMAX-Forum hat Südkorea zeitgleich mit einem Projekt mit dem Namen WiBro (Wireless Broadband) eigene Schritte unternommen. 2004 erklärte sich Südkorea bereit an der IEEE-Standardisierung mitzuwirken. WiBro ist deshalb erst unter 802.16e in den Standard eingeflossen.
Aufgrund der vielen verschiedenen Arten von Zugriffsverfahren auf die Funkschnittstelle ist die Kompatibilität innerhalb des Standards gefährdet. Die Gefahr für WiMAX ist Hardware, die untereinander nicht kompatibel ist. Für die Netzbetreiber wird so die Entscheidung schwerer, in welche Hardware mit welchem Standard investiert werden soll.

Bezeichnung IEEE 802.16 IEEE 802.16a
IEEE 802.16d (WiMAX)
IEEE 802.16e (WiMAX) IEEE 802.16m (WiMAX 2)
Standardisierung Dezember 2001 Januar 2003 bis Juli 2004 Dezember 2005 ?
Frequenzband 10 bis 66 GHz 2 bis 11 GHz 0,7 bis 6 GHz  
Bandbreiten 20, 25 und 28 MHz skalierbar von 1,5 bis 20 MHz    
max. Datenrate bis zu 134 MBit/s (28- MHz-Kanal) bis 75 MBit/s (20-MHz-Kanal) bis zu 15 MBit/s (5-MHz-Kanal) bis zu 120 MBit/s
max. Reichweite bis zu 75 km bis zu 5 km mit Innenantenne
bis zu 15 km mit Außenantenne
maximal 50 km
bis zu 5 km
typisch bis zu 1,5 km
maximal 30 km
Modulation QPSK, 16QAM, 64QAM OFDM256, OFDMA, 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK OFDM256, OFDMA, 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK  
Empfänger fest fest mit Außenantenne für Innenanwendungen, eingeschränkte Mobilität nomadische Nutzung (nicht mit Mobilfunk vergleichbar) nomadische Nutzung (nicht mit Mobilfunk vergleichbar)

Frequenzen

WiMAX nutzt die Frequenzbänder zwischen 2 und 11 GHz. Dadurch kann WiMAX auf weltweit eingesetzt werden. Programmierbare DSPs bieten die nötige Flexibilität um länderspezifische Frequenzen, Emissionen und Leistungen einstellen zu können, ohne für jedes Land ein Produkt neu entwickeln zu müssen.

Region Frequenzbereiche*
Europa 3,5 GHz / 5,8 GHz
Russland 3,5 GHz / 5,8 GHz
Mittlerer Osten 3,5 GHz / 5,8 GHz
Afrika 3,5 GHz / 5,8 GHz
Asien/Pazifik 2,3 GHz / 2,5 GHz / 3,3 GHz / 3,5 GHz / 5,8 GHz
Kanada 2,3 GHz / 2,5 GHz / 3,5 GHz / 5,8 GHz
USA 2,5 GHz / 5,8 GHz
Mittel-/Südamerika 2,5 GHz / 3,5 GHz / 5,8 GHz

* In den einzelnen Ländern der Region können die Frequenzbereich unterschiedlich freigegeben sein.

Architektur

Die 802.16-Standards sind nicht so umfangreich wie beispielsweise GSM oder UMTS. Viele Bereiche, insbesondere auf der Managementebene sind nicht enthalten. So lassen sich WiMAX-Netze in unterschiedliche Infrastrukturen und Managementumgebungen einbinden. Doch die Umsetzung erfordert Netzbetreiber mit Mobilfunkerfahrung.

Die Architektur von 802.16 sieht Basisstationen (BS) und mehrerer abgesetzte Subscriber Stations (SS) vor. Die Subscriber Stations sind die Sende- und Empfangsgeräte die bei den Kunden stehen. Vereinfacht ausgedrückt sind die Subscriber Stations die WiMAX-Modems. Sie werden von den Basisstationen koordiniert. Eine Basisstation bedient mehrere Subscriber Stations. Damit die SS möglichst klein und günstig sind, befindet sich sehr viel Funktionalität und Intelligenz in den Basisstationen.
Die Luftschnittstelle R1 beschreibt die Zugriffssteuerung der Endgeräte und der Basisstationen. Die Funkverbindung ist verschlüsselt. Als Verschlüsselungsverfahren wird AES mit 128-Bit-Schlüsseln verwendet. Die WiMAX-Gegenstellen konfigurieren sich eigenständig und tauschen die Schlüssel in regelmäßigen Abständen erneut aus. Abhören ist somit fast ausgeschlossen.
Eine zentrale Zugriffssteuerung ermöglicht qualitätsorientierte Übertragung im Sinne von Quality of Service (QoS). Die Kommunikation mit dem Kernnetz wird über IPsec abgewickelt.

Stationäre Anschlüsse nach dem Standard IEEE 802.16d haben einen vergleichbaren Aufwand wie die Installation einer Satellitenschüssel. Das WiMAX-Endgerät muss möglichst erhöht aufgestellt werden oder eine Außenantenne haben. Sichtverbindung vom Teilnehmer zur Station wäre ideal. Doch beides erhöht den Aufwand bei der Installation. Deshalb wird der mobile Standard "WiMAX mobile" (IEEE 802.16e) bevorzugt.
Ein typisches WiMAX-Modem besteht aus dem Funkmodem, einem Router und einer kleinen VoIP-Telefonanlage. Idealerweise beschränkt sich die Installation auf Auspacken und Anschließen. Bei modernen Geräten erfolgt die Konfiguration wie bei DSL mit TR-069 vollautomatisch.

Übertragungsgeschwindigkeit und Reichweite

WiMAX kann theoretisch bis zu 50 Kilometer überbrücken. In der Praxis reicht die Technik aber nur wenige Kilometer weit. Der Zellenradius ist beschränkt, da die Geschwindigkeit mit zunehmender Entfernung abnimmt. WiMAX unterstützt variable Kanalbandbreiten von 1,25 MHz bis 20 MHz und eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 75 MBit/s. Die Frequenzplanung in Deutschland sieht 3 Funkkanäle mit 7 MHz vor. In jedem Kanal sind 1 bis 22 MBit/s möglich. In der Praxis wird es kaum mehr als 10 MBit/s geben. Typische Nutzdatenraten liegen zwischen einem und sechs MBit/s.

Übertragungstechnik

Für WiMAX werden folgenden Techniken eingesetzt, die den Signalempfang verbessern:

  • OFDM
  • MIMO
  • Beamforming

Der physikalische Layer (Bitübertragungsschicht) sieht die Verwendung von OFD Multiple Access (OFDMA) vor. Dadurch wird eine effektive Kanalaufteilung des Frequenzspektrums erreicht. Danach wird jeder Kanal mit einem weiteren Kodierungsverfahren bearbeitet. Mit Scalable OFDMA (SOFDMA) können die Teilkanäle in Abhängigkeit ihrer Qualität mit verschiedenen Modulationsverfahren (QPSK, 16QAM, 64QAM) verarbeiten werden.

Gewährleistung von Dienstgüten

  • dynamische Frequenzanpassung (Dynamic Frequency Selection, DFS)
  • Regelung der Ausgangsleistung (Automatic Power Control, APC)
  • Kanalkodierung nach Forward-Error-Control (FEC) mit Reed-Solomon zur Senkung der Bitfehlerrate
  • Anforderung von Empfangsbestätigungen (Automatic Retransmission Request, ARQ)
  • Verbindungsorientierung auf der Sicherungsschicht (Grant Request Protocol und Differentiated Services, DiffServe)

Frequenzvergabe in Deutschland

Im Rahmen der Versteigerung von UMTS-Lizenzen zur Nutzung eines reservierten Frequenzspektrums wurden auch Lizenzen zur Nutzung für den Punkt-zu-Punkt-Richtfunk (PmP-RiFu) namens Wireless Local Loop (WLL) versteigert. Mehr als 50 Firmen nahmen daran teil und waren bestrebt eine Infrastruktur auf Basis von Richtfunk für einen schnellen Internet-Zugang und Standortvernetzung aufzubauen. Kurze Zeit später waren fast alle Provider wieder verschwunden, ohne das jemals ein realistisches Produkt auf den Markt gekommen ist. Die Geschäftsmodelle stellten sich als nicht wirtschaftlich heraus.
Zwischenzeitlich wurden technische Fortschritte erzielt und mit WiMAX eine flexiblere Funktechnik entwickelt, die auch als Standard festgelegt ist.
Für die Frequenzvergabe ist in Deutschland die Bundesnetzagentur (BNETZA) zuständig. Bis Ende Februar 2006 lief in Deutschland die Ausschreibung für WiMAX-Frequenzen zwischen 3,4 und 3,6 GHz. Pro Region wurde mit 4 bis 5 Anbietern gerechnet. Doch rund 900 Anträge sind bei der Bundesnetzagentur eingegangen. Weil die Nachfrage zu groß war, wurden die Frequenzen im Dezember 2006 versteigert. Ähnlich wurde bei den UMTS-Frequenzen verfahren.

Die Gesamtsumme aus der WiMAX-Frequenzversteigerung liegt bei 56,066 Mio. Euro. Zur Versteigerung standen jeweils 4 Frequenzpakete im Bereich von 3,4 bis 3,6 GHz für 28 Regionen in Deutschland. Bei der Frequenzversteigerung haben 3 Anbieter bundesweite Frequenzen ersteigert.

  • Clearwire Europe S.á.r.l. (Luxemburg, US-Unternehmen): bundesweites Frequenzpaket A (28 Regionen)
  • Inquam Broadband GmbH (Startup aus Köln): bundesweites Frequenzpaket B (28 Regionen)
  • DBD - Deutsche Breitband Dienste GmbH (Heidelberg): Frequenzpaket C (ohne Region 14) und Region 14 aus dem Frequenzpaket D

Für drei bayerische Regionen und München haben Televersa Online und MGM Productions Group (aus Italien) Frequenzen ersteigert.

  • Televerse Online GmbH: Region 25 und 28 aus dem Frequenzpaket D
  • MGM Productions Group S.R.L. (Italien): Region 27 aus dem Frequenzpaket D

Von den drei Deutschland-weit tätigen Frequenzeignern ist zu erwarten, dass sie einen zügigen Netzaufbau anstreben. Bis Ende 2009 müssen in jedem Versorgungsgebiet 15 Prozent der Gemeinden abgedeckt sein, bis Ende 2011 sogar 25 Prozent. Ein bundesweites Netz benötigt etwa 10.000 Basisstationen. Der Aufbau wird Schätzungen zufolge 500 Millionen Euro kosten. Der jährliche Betrieb wird mit Kosten von 160 Millionen Euro geschätzt.
Einige Ersteigerer zeichnen sich dadurch aus, dass sie bereits WiMAX- oder WLL-Netze in Betrieb haben und kommerziell vermarkten. Die Erfahrungen aus Österreich zeigen, dass das WiMAX-Geschäft erfolgreich zu betreiben ist.
Das Unternehmen DBD will bis 2012 alle 28 Regionen mit Breitbandfunk versorgen. Mit den Anteilseignern Intel und Merril Lynch werden rund 1 Mrd. Euro in ein flächendeckendes WiMAX-Netz investiert. Bereits Ende 2006 hat DBD über 30 Funknetze betrieben. Teilweise in der Stadt, teilweise in ländlichen Gebieten.
Die Funkanbieter konkurrieren nicht nur untereinander, sondern auch gegen die Mobilfunkbetreiber mit UMTS und HSDPA, sowie den DSL-Provider. Da die Frequenzbänder nur 21 MHz Transportkapazität haben, werden die WiMAX-Netze nicht für den Massenmarkt geeignet sein. Die WiMAX-Anbieter werden bei weitem nicht so viele Breitband-Anschlüsse anbieten können, wie es die DSL-Provider können. Allerdings ist damit zu rechnen, dass die WiMAX-Angebote vor allem in ländlichen Regionen ein Renner sein werden, weil dort Breitband-Angebote rar sind.

Marktentwicklung


Nach ersten enthusiastischen Meldungen und Aktivitäten ist es in Deutschland um WiMAX sehr still geworden. Die Lizenzinhaber sind bis auf wenige Ausnahmen nicht aktiv geworden. Clearwire ist überhaupt nicht tätig geworden. Televersa hat seine WiMAX-Lizenz zurückgegeben. Und die anderen Anbieter sind kaum aufgefallen.

Man kann sagen, WiMAX eignet sich zum Einsatz in ländlichen unterentwickelten Regionen wie Russland, Asien und Afrika. Nur Ländern, die nur wenig leitungsgebundene Netze haben, waren besonders stark an WiMAX interessiert. Darunter Länder im asiatischen Raum. Zum Beispiel Indien, Pakistan und China. Aber auch Russland und weite Teile Afrikas.
Die Technik klang verlockend. 50 km Radius der Funkzellen, nomadische Nutzung und integrierbare Modems. Wie WLAN, nur mit einer viel größeren Reichweite. Doch die Realität sah ganz anders aus. Eine weit geringere Reichweite als versprochen, hohe Anforderungen an die Installation beim Nutzer (oft ist eine externe Antenne erforderlich), niedrige Übertragungsgeschwindigkeit, wenig Hardwareanbieter und somit teure Technik.
Gleichzeitig hat die Entwicklung von WiMAX die 3GPP erheblich unter Druck gesetzt. Weshalb LTE inzwischen der Standard ist, der sich weltweit als vierte Mobilfunkgeneration durchgesetzt hat. LTE ist sowohl auf der Netzseite als auch bei den Endgeräten günstiger. Gleichzeitig werden viele Entwicklungsressourcen in die Weiterentwicklung gesteckt. Die Auswahl an Endgeräten ist viel größer und die weltweite Interoperabilität besser.

WiMAX wurde mit der weltweiten Einführung von LTE überflüssig und mag nur noch in ein paar Ländern regional eine Rolle spielen. Die Technik gilt als tot. Weiterentwicklungen werden keine mehr stattfinden.

Übersicht: WiMAX-Technik

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