WiMAX

WiMAXは、都市全体または国全体にわたって、家庭やモバイル端末でのインターネットアクセスを提供できます。多くの場合、これにより、従来は既存のDSL（または類似の）事業者を通じてのみアクセス可能だった市場で競争が生まれています。

さらに、WiMAXネットワークの導入に伴うコストは（3G、HSDPA、xDSL、HFC、FTTxと比較して）比較的低いため、遠隔地におけるラストマイルのブロードバンドインターネットアクセスを提供することが経済的に実現可能になった。

モバイルWiMAXは、 GSMやCDMAなどの携帯電話技術の代替候補であり、容量を増やすためのオーバーレイとして使用できます。固定WiMAXは、先進国と発展途上国の両方で、 2G、3G、4Gネットワ​​ークの無線バックホール技術としても検討されています。^{[ 7 ] [ 8 ]}

北米では、都市部での運用のバックホールは通常、1 つ以上の銅線回線接続を介して提供されますが、遠隔地のセルラー運用は衛星を介してバックホールされることがあります。他の地域では、都市部と農村部のバックホールは通常、マイクロ波リンクによって提供されます。（ただし、銅線ネットワークに容易にアクセスできる既存事業者がネットワークを運用している場合は例外です。）WiMAX は、従来のセルラーアプリケーションよりもバックホール帯域幅の要件が大きくなっています。そのため、北米では無線マイクロ波バックホールの使用が増加しており、すべての地域で既存のマイクロ波バックホールリンクがアップグレードされています。^{[ 9 ]}  34 Mbit/s から 1  Gbit/s ^{[ 10 ]}の容量が日常的に展開されており、遅延は 1 ms 程度です 。

多くの場合、通信事業者は無線技術を用いて複数の拠点を集約し、都合の良い場所で光ファイバーネットワークにトラフィックを転送しています。この用途において、WiMAXはマイクロ波無線、E線、そして光ファイバーネットワーク自体の単純な拡張と競合します。

WiMAXは、トリプルプレイサービスの提供を可能にする技術（ QoSやマルチキャストなど）を直接サポートしています。これらの技術は、キャリアイーサネットがイーサネットに追加されるのとは異なり、WiMAX規格に本来備わっているものです。

2008年5月7日、米国では、Sprint Nextel、Google、Intel、Comcast、Bright House、Time Warnerが、平均120MHzの 周波数帯域をプールし、Clearwireと合併してサービスを展開すると発表した。新会社は、統合されたサービスとネットワークリソースを活用することで、競合他社を凌駕する足がかりを得ることを期待していた。ケーブルテレビ会社は、他のパートナー企業にメディアサービスを提供すると同時に、モバイル仮想ネットワーク事業者（MVNO）として無線ネットワークにアクセスし、トリプルプレイサービスを提供する予定だった。

ガートナーのケン・デュラニー氏やトッド・コート氏など、一部の無線業界アナリストは、この取引がうまくいくかどうか懐疑的だった。固定通信と移動通信の融合は業界では認識されていたものの、無線会社とケーブル会社が提携しようとした過去の試みは、参加者にとって大きな利益にはつながらなかったからだ。一方、IDCのアナリストは、無線が高帯域幅へと進化するにつれて、ケーブル、DSL、光ファイバーとの直接的な競争が必然的に激化し、競合他社同士の協力を促すことになると指摘し、この取引を支持した。また、無線ブロードバンドネットワークの密度が高まり、利用習慣が変化するにつれて、バックホールやメディアサービスへの需要が加速するため、高帯域幅資産を活用する機会が増えると予想された。

航空移動空港通信システム（AeroMACS）は、管制塔、航空機、固定資産を接続することを目的とした空港地上の無線ブロードバンドネットワークです。2007年に、AeroMACSは5GHz 航空帯域で世界的な周波数割り当てを取得しました。2018年現在、8か国で25のAeroMACSが展開されており、少なくともさらに25の展開が計画されています。^{[ 11 ]}

WiMAXゲートウェイデバイスは、 Vecima Networks、Alvarion、Airspan、ZyXEL、Huawei、Motorolaなどのメーカーから屋内用と屋外用の両方のバージョンが提供されています。WiMAXネットワークのリストとWiMAX Forum ^{[ 13 ]}には、特定のベンダー、製品、および設置に関するより多くのリンクが掲載されています。これらのメーカーが提供するWiMAXゲートウェイの多くは、スタンドアロン型のセルフインストール式屋内ユニットです。このようなデバイスは通常、信号が最も良好な顧客の窓の近くに設置され、以下の機能を提供します。

• 家庭やオフィス内の複数のデバイスにWiMAXインターネット接続を提供する、統合型Wi-Fiアクセスポイント。
• ローカル有線ネットワーク上のコンピュータ、ルーター、プリンター、またはDVRに直接接続するためのイーサネットポート。
• 固定電話を接続してVoIPを利用するためのアナログ電話ジャックが1つまたは2つ。

屋内ゲートウェイは便利ですが、電波損失があるため、加入者は専門業者による屋外設置の場合よりもWiMAX基地局にかなり近い場所にいる必要がある場合があります。

屋外ユニットはノートパソコンとほぼ同じ大きさで、設置方法は家庭用衛星放送受信アンテナの設置方法とほぼ同じです。高利得の指向性屋外ユニットを使用すると、一般的に受信範囲とスループットが大幅に向上しますが、ユニットの実用的な移動性は当然ながら低下します。

USBはドングルを介してWiMAXネットワークへの接続を提供します。一般的に、これらのデバイスはノートパソコンやネットブックに接続されます。ドングルは通常、他のデバイスに比べてゲインが低い無指向性アンテナを備えています。そのため、これらのデバイスは電波状況の良い場所で使用するのが最適です。

HTCは2008年11月12日に、初のWiMAX対応携帯電話であるMax 4Gを発表した。 ^{[ 14 ]}この端末は2010年まで、ロシアのYotaネットワークの一部の市場でのみ利用可能だった。 ^{[ 15 ]}

HTCとSprint Nextelは、 2010年3月23日にラスベガスで開催されたCTIAカンファレンスで、WiMAX対応の2番目の携帯電話であるHTC Evo 4Gを発表しました。2010年6月4日に発売されたこのデバイス^{[ 16 ]}は、EV-DO(3G)とWiMAX(pre-4G)の両方に対応し、データと音声の同時セッションも可能です。Sprint Nextelは、CES 2012で、財政的な事情によりWiMAX技術を使用したデバイスの提供を中止すると発表し、代わりにネットワークパートナーのClearwireとともに、 LTE 4G技術に移行して利用することを決定し、4Gネットワ​​ークを展開しました。

WiMAXは、2005年12月に承認されたIEEE 802.16e-2005 [ ^{12 ]に}基づいています。これはIEEE Std 802.16-2004 ^{[ 17 ]}の補足であり、実際の標準は802.16e-2005によって修正された802.16-2004です。したがって、これらの仕様は一緒に考慮する必要があります。

IEEE 802.16e-2005は、IEEE 802.16-2004を以下のように改良しています。

• モビリティ（基地局間のソフトハンドオーバーおよびハードハンドオーバー）のサポートを追加する。これは802.16e-2005の最も重要な側面の1つと見なされており、モバイルWiMAXの基盤となっている。
• 異なるチャネル帯域幅 (通常 1.25 MHz、5 MHz、10 MHz または 20 MHz)でキャリア間隔を一定に保つために、高速フーリエ変換(FFT) をチャネル帯域幅にスケーリングします。一定のキャリア間隔により、広いチャネルではスペクトル効率が向上し、狭いチャネルではコストが削減されます。スケーラブル OFDMA (SOFDMA) とも呼ばれます。1.25 MHz の倍数ではない他のバンドも標準で定義されていますが、許可されている FFT サブキャリア数は 128、512、1024、2048 のみであるため、他の周波数バンドではキャリア間隔がまったく同じにならず、実装には最適ではない可能性があります。キャリア間隔は 10.94 kHz です。      
• 高度なアンテナダイバーシティ方式、およびハイブリッド自動再送要求（HARQ）
• 適応アンテナシステム（AAS）とMIMO技術
• サブチャネルの密度を高めることで、屋内への浸透性を向上させる。
• 概要と低密度パリティチェック（LDPC）
• ダウンリンクのサブチャネル化を導入することで、管理者はカバレッジと容量のトレードオフを行うことができる。
• VoIPアプリケーション向けにサービス品質（QoS）クラスを追加する

SOFDMA（802.16e-2005で使用）とOFDM256（802.16d）は互換性がないため、事業者が後の規格（例：固定WiMAXからモバイルWiMAX）に移行する場合は、機器を交換する必要があります。

WiMAXのベースとなっている標準規格のオリジナル版（IEEE 802.16）では、10～66GHzの周波数帯で動作する物理層が規定されていました 。2004年に更新された802.16a（802.16-2004）では、2～11GHzの 周波数帯の仕様が追加されました。802.16-2004は2005年に802.16e-2005に更新され、802.16dの256個のサブキャリア（うち200個が使用）を持つ固定直交周波数分割多重（OFDM）バージョンとは対照的に、スケーラブル直交周波数分割多重アクセス^{[ 18 ]} （SOFDMA）を使用しています。802.16eを含むより高度なバージョンでは、MIMOによるマルチアンテナサポートも導入されています。 （WiMAX MIMOを参照）これにより、カバレッジ、セルフインストール、消費電力、周波数再利用、帯域幅効率の面で潜在的なメリットがもたらされます。WiMAXは、LTEとHSPA+の中で最もエネルギー効率の高いプレ4G技術です。^{[ 19 ]}

WiMAX MACは、加入者局がネットワークへの初期接続のために一度だけ競合すれば済むスケジューリングアルゴリズムを採用しています。ネットワークへの接続が許可されると、加入者局には基地局からアクセススロットが割り当てられます。このタイムスロットは拡大縮小できますが、加入者局に割り当てられたままとなるため、他の加入者は使用できません。このスケジューリングアルゴリズムは、過負荷や過剰加入時でも安定しているだけでなく、帯域幅効率も向上させることができます。また、加入者局のアプリケーションニーズに合わせてタイムスロットの割り当てを調整することで、基地局がQoSパラメータを制御することも可能になります。

次世代データネットワーク（4G）のニーズを満たすことを目的とした規格であるWiMAXは、RF信号が伝搬する物理環境に適応する動的なバーストアルゴリズム変調を特徴としています。変調方式は、スペクトル効率を高める（OFDM / SOFDMAシンボルあたりのビット数を増やす）ように選択されます。つまり、バースト信号強度が高く、搬送波対雑音＋干渉比（CINR）が高い場合、デジタル信号処理（DSP）を使用して容易に復号できます。一方、RF通信にとって好ましくない環境では、システムは自動的に堅牢なモード（バーストプロファイル）に切り替わります。これは、OFDM/SOFDMAシンボルあたりのビット数が少なくなることを意味しますが、ビットあたりの電力が高くなるため、よりシンプルで正確な信号処理が可能になります。

バーストプロファイルは、信号減衰が少ない場合に逆（アルゴリズム的に動的）に使用されます。つまり、クライアントと基地局間のスループットは、主に距離によって決まります。最大距離は、最も堅牢なバースト設定を使用することで達成されます。つまり、MACフレーム割り当てのトレードオフが最大となるプロファイルを使用することで、クライアントが基地局に近い場合よりも、一定量のデータを送信する際に、より多くのシンボル（MACフレームのより大きな部分）を割り当てる必要があります。

クライアントのMACフレームと個々のバーストプロファイル、および具体的な時間割り当てが定義されます。ただし、これらが自動的に行われる場合でも、実際の展開においては、高干渉およびマルチパス環境を避ける必要があります。その理由は、干渉が多すぎるとネットワークの動作が悪化し、ネットワークの能力を誤って示す可能性があるためです。

このシステムは、信号強度とCINR（ GSMなどのシステムと同様）だけでなく、利用可能な周波数がどのように動的に割り当てられるか（利用可能な帯域幅が動的に変化する）も追跡する必要があるため、導入が複雑です。これにより、周波数が混雑し、応答時間が遅くなったり、フレームが失われたりする可能性があります。

そのため、周波数使用状況、干渉、および製品の一般的な機能を正確に予測するためには、システムを最初に基地局製品チームと合意の上で設計する必要がある。

アジア太平洋地域は、4Gブロードバンド無線加入者数において北米地域を上回った。アジアには約170万人のWiMAX以前およびWiMAXの顧客がおり、これは市場全体の29%を占める。一方、米国とカナダでは140万人である。^{[ 20 ]}

WiMAXフォーラムは、WiMAXネットワークをIPベースのコアネットワークに接続する方法を定義するアーキテクチャを提案しました。これは通常、インターネットサービスプロバイダ（ISP）として機能する事業者によって選択されます。しかしながら、WiMAX基地局は、パケット交換型モバイルネットワークなど、他のタイプのアーキテクチャとのシームレスな統合機能を提供します。

WiMAXフォーラムの提案では、いくつかのコンポーネントと、それらの間の相互接続（または参照点）が定義されており、これらはR1～R5およびR8とラベル付けされています。

• SS/MS：加入者局／移動局
• ASN: アクセスサービスネットワーク^{[ 21 ]}
• BS：基地局、ASNの一部
• ASN-GW：ASNゲートウェイ、ASNの一部
• CSN：コネクティビティ・サービス・ネットワーク
• HA: ホームエージェント、CSNの一部
• AAA:認証、認可、およびアカウンティングサーバー（CSNの一部）
• NAP：ネットワークアクセスプロバイダー
• NSP：ネットワークサービスプロバイダー

この機能アーキテクチャは、固定構成ではなく、さまざまなハードウェア構成に合わせて設計できます。例えば、このアーキテクチャは、規模や機能が異なるリモート/モバイルステーションや、フェムト、ピコ、ミニ基地局、マクロ基地局など、さまざまなサイズの基地局に対応できる柔軟性を備えています。

WiMAX 2.1以降はLTE TDDネットワークと統合でき、LTE TDDとの間でハンドオーバーを実行できます。^{[ 22 ]} WiMAX 3は統合を5G NRに拡張します。^{[ 23 ]}

WiMAXには世界共通の統一された免許周波数帯は存在しないが、WiMAXフォーラムは標準化を推進しコスト削減を図るため、 2.3GHz  、2.5GHz  、 3.5GHzの3つの免許周波数帯プロファイルを公開した。 

米国では、利用可能な最大のセグメントは約 2.5  GHz であり、^{[ 24 ]}すでに主にSprint NextelとClearwireに割り当てられています。世界の他の地域では、最も使用される可能性が高いバンドはフォーラムで承認されたもので、アジアでは 2.3 GHz が最も重要になると思われます。インドやインドネシア などのアジアの一部の国では、 2.5 GHz、3.3 GHz、その他の周波数を組み合わせて使用​​します。パキスタンのWateen Telecom は3.5 GHz を使用しています。   

アナログTV帯域（700MHz  ）が利用可能になる可能性はあるが、完全なデジタルTVへの移行を待つ必要があり、そのスペクトルには他の用途も提案されている。米国では、このスペクトルのFCCオークションが2008年1月に開始され、その結果、スペクトルの最大シェアはVerizon Wirelessに、次に大きいシェアはAT&Tに割り当てられた。^{[ 25 ]}これらの両社は、WiMAXと直接競合する技術であるLTEをサポートする意向を表明した。EU委員のViviane Redingは、 WiMAXを含む無線通信用に500～800MHzのスペクトルを再割り当てすることを提案している 。^{[ 26 ]}

WiMAXプロファイルは、相互運用可能な製品を実現するために、チャネルサイズ、 TDD/FDD  、およびその他の必要な属性を定義します。現在の固定プロファイルは、TDDプロファイルとFDDプロファイルの両方について定義されています。現時点では、モバイルプロファイルはすべてTDDのみです。固定プロファイルのチャネルサイズは、3.5MHz 、 5MHz、7MHz  、10MHz です。モバイルプロファイルは 、5MHz、8.75MHz  、10MHzです 。（注：802.16規格では、はるかに多様なチャネルが使用可能ですが、WiMAXプロファイルとしてサポートされているのは上記のサブセットのみです。）

2007年10月以降、国際電気通信連合（ITU-R）の無線通信部門は、WiMAX技術をIMT-2000規格セットに含めることを決定しました。^{[ 27 ]}これにより、スペクトル所有者（現段階では特に2.5～2.69GHz 帯）は、IMT-2000を承認しているどの国でもWiMAX機器を使用できるようになります。

WiMAXは50km（31マイル）の距離で70Mbpsの速度を実現することはできません。他の無線技術と同様に、WiMAXはより高いビットレートで動作することも、より長い距離で動作させることもできますが、両方を同時に実現することはできません。最大通信距離である50km （31マイル）で動作させるとビット誤り率が上昇し、結果としてビットレートが大幅に低下します。逆に、通信距離を1km未満に短縮すると、より高いビットレートで動作させることができます。      

オーストラリアのパース市におけるWiMAXの都市全体への展開では、屋内顧客宅内機器（CPE）を備えたセルエッジの顧客は通常1～4 Mbit/s程度の速度が得られ、セルサイトに近いユーザーは最大30 Mbit/sの速度が得られることが実証された。  

すべての無線システムと同様に、利用可能な帯域幅は特定の無線セクター内のユーザー間で共有されるため、1つのセクターに多くのアクティブユーザーがいる場合、パフォーマンスが低下する可能性があります。しかし、適切な容量計画とWiMAXのQoSを使用することで、各加入者に対して最低限のスループットを保証することができます。実際には、ほとんどのユーザーは4～8  Mbit/sのサービスを利用することになり、必要に応じて基地局に無線カードを追加することで、対応可能なユーザー数を増やすことができます。

2.3GHz、2.5GHz、3.5GHz帯のWiMAX加入者局向けに、ベースバンドICとRFICを統合した製品を製造する専門企業が多数存在する（上記の「周波数割り当て」を参照）。これらの企業には、Beceem、 Sequans、PicoChip などが含まれるが、これらに限定されない。

WiMAXとWi-Fiはどちらも無線接続とインターネットアクセスに関係しているため、両者の比較や混同が頻繁に起こる。^{[ 28 ]}

• WiMAXは、数キロメートルにわたる長距離通信システムであり、免許制または非免許制の周波数帯域を使用して、ネットワーク（多くの場合、インターネット）への接続を提供する。
• Wi-Fiは、2.4GHz 帯と5GHz 帯の無線周波数帯域を使用して、ローカルネットワークへのアクセスを提供します。
• Wi-Fiはエンドユーザー向けデバイスにおいて圧倒的に普及している。
• Wi-Fiはメディアアクセスコントロール（MAC）のCSMA/CAプロトコルに基づいて動作し、これはコネクションレス型で競合ベースであるのに対し、WiMAXはコネクション指向型のMACに基づいて動作する。
• WiMAXとWi-Fiは、QoS（サービス品質）の仕組みが大きく異なります。
  • WiMAXは、基地局とユーザー端末間の接続に基づいたQoS（サービス品質）メカニズムを採用しています。各接続は、特定のスケジューリングアルゴリズムに基づいて管理されます。
  • Wi-Fiは競合アクセス方式を採用しており、無線アクセスポイント（AP）を介してデータを送信しようとするすべての加入者端末は、ランダムな割り込み方式でAPの注意を奪い合います。このため、APから遠い加入者端末は、近い端末によって繰り返し割り込みを受け、スループットが大幅に低下する可能性があります。
• Wi-Fiを含むIEEE 802.11と、 WiMAXを含むIEEE 802.16は、いずれもピアツーピア（P2P）および無線アドホックネットワークを定義しており、エンドユーザーはアクセスポイントまたは基地局を使用して、別のローカルエリアネットワーク（LAN）上のユーザーまたはサーバーと通信します。ただし、802.11はアクセスポイントなしでエンドユーザーデバイス間の直接的なアドホックまたはピアツーピアネットワークもサポートしていますが、802.16ではエンドユーザーデバイスは基地局の通信範囲内にある必要があります。

Wi-FiとWiMAXはそれぞれ異なる用途向けに設計されていますが、互いに補完的な関係にあります。WiMAXネットワーク事業者は通常、都市圏のWiMAXネットワークに接続し、家庭やオフィス内でパソコンやスマートフォンにWi-Fi接続を提供するWiMAX加入者ユニット（SSU）を提供します。これにより、ユーザーはWiMAX加入者ユニットを窓際など電波の届きやすい場所に設置することで、家全体でデータ通信を利用できるようになります。

TTCN-3テスト仕様言語は、WiMAX実装の適合性テストを指定する目的で使用されます。WiMAXテストスイートは、ETSIの専門家タスクフォース（STF 252）によって開発されています。^{[ 29 ]}

WiMAXフォーラムは、WiMAX互換製品およびサービスの普及を促進するために設立された非営利団体です。^{[ 30 ]}

この組織の主な役割は、WiMAX製品の相互運用性を認証することです。^{[ 31 ]}適合性および相互運用性テストに合格した製品は「WiMAX Forum Certified」の称号を取得し、製品やマーケティング資料にこのマークを表示できます。一部のベンダーは、公式にWiMAX Forum Certifiedではない機器を「WiMAX対応」、「WiMAX準拠」、または「WiMAX前」であると主張しています。

WiMAXフォーラムのもう一つの役割は、WiMAXに関する知識の普及を促進することです。そのため、現在英語とフランス語で提供されている認定トレーニングプログラムを用意しています。また、会員向けイベントを多数開催し、業界イベントへの支援も行っています。

WiSOAは、WiMAXスペクトラムの所有者のみで構成され、これらの帯域でWiMAX技術を展開する計画を持つ最初のグローバル組織でした。WiSOAは、2.3～2.5GHz および3.4​​～3.5GHz帯域のWiMAXスペクトラムの規制、商業化、展開に重点を置いていました。WiSOAは2008年4月に ワイヤレスブロードバンドアライアンス と合併しました。^{[ 32 ]}

2011年、電気通信産業協会は、単一の送信機を備えたモバイルステーション/アクセス端末（MS/AT）を使用するWi-Max高速パケットデータ（HRPD）システムのエアインターフェースとコアネットワークの側面を網羅する3つの技術標準（TIA-1164、TIA-1143、およびTIA-1140）を発表しました。^{[ 33 ]}