Figura 3.1: Esquemas de modulação do IEEE 802.16
3. A camada física
Uma rede sem fio de banda larga necessita de mais espectro do que as bandas ISM podem oferecer. Este fato determinou a escolha da banda entre 10 e 66 GHz para a operação do padrão 802.16. As microondas nesta faixa de freqüências se propagam em linha reta, de modo semelhante à luz, fazendo com que seja necessária a propagação com linha de visada (line-of-sight). Outra conseqüência disto é que as microondas podem ser concentradas em feixes direcionais. Deste modo, uma mesma estação base pode direcionar várias antenas para diferentes setores com grande independência.
Devido às grandes distâncias cobertas por uma rede metropolitana, a potência recebida na estação base pode variar significativamente de estação para estação, fazendo com que a relação sinal/ruído diminua. Por isso, são utilizados três esquemas de modulação diferentes, dependendo da distância entre o assinante e a estação base: o QAM-64 (6 bits/baund); o QAM-16 (4 bits/baund); e o QPSK (2 bits/baund). O efeito da utilização de diferentes esquemas de modulação é a extensão do alcance do serviço ao custo de uma taxa de dados mais baixa. A figura 3.1 mostra a faixa de atuação dos três esquemas.
Figura 3.1: Esquemas de modulação do IEEE 802.16
O projeto da especificação da camada física para a faixa de 10 a 66 GHz utiliza modulação de portadora única (single carrier). A multiplexação dos sinais transmitidos da estação base para o assinante é feita por TDM (time division multiplexing) e o acesso dos assinantes à estação base é por TDMA (time division multiple access).
Para que seja possível alocar banda de modo flexível, são usados dois tipos de duplexação: a FDD (frequency division duplexing) e a TDD (time division duplexing). Na primeira, o uplink e o downlink estão em canais separados, podendo operar simultaneamente, enquanto que, no segundo, o canal é dividido, não permitindo a transmissão simultânea.
Na TDD, a estação base transmite quadros periodicamente. Cada quadro é formado por slots de tempo, sendo que os primeiros destinam-se ao tráfego downstream. Antes dos slots para tráfego upstream, há um tempo de proteção, durante o qual as estações comutam o sentido. Isto é ilustrado na figura 3.2.
Figura 3.2: Quadros e slots de tempo para TDD
O número de slots alocados pode ser alterado dinamicamente. Essa flexibilidade permite que haja eficiência em aplicações com diferentes exigências. Por exemplo, na transmissão de voz o tráfego é praticamente simétrico, enquanto que para o acesso a internet o tráfego downstream é, em geral, maior que o upstream.
Há suporte tanto para assinantes full-duplex FDD quanto para half-duplex FDD. A implementação da última, que é mais complexa, justifica-se por evitar desperdício de banda, já que muitas aplicações não exigem transmissão e recepção simultâneas.
O padrão IEEE 802.16a, criado pela necessidade de operação sem linha de visada (non-line-of-sight), trata da operação na faixa de 2 a 11 GHz. Para este tipo de operação, é necessário utilizar outros tipos de interfaces que suportem a propagação por múltiplos caminhos (multipath propagation): o OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) e o OFDMA (orthogonal frequency division multiple access).
Como é esperado que ocorram muitos erros de transmissão, é empregada correção de erros na camada física, utilizando o código de Reed-Solomon como FEC (forward error correction).