Eleget voltunk már a négy fal között. Itt az ideje, hogy kimenjünk a szabadba, ahol elég sok érdekes hálózat van az úgynevezett „utolsó kilométeren”. A távbeszélőrendszer liberalizációja után sok országban a korábban monopolhelyzetben lévő szolgáltatók versenytársai is engedélyt kaptak helyi beszédcélú szolgáltatások és nagy sebességű internetszolgáltatások nyújtására. A kereslet kétségkívül jelentős. A gond csak az, hogy egy fényvezető szálat vagy koaxiális kábelt megfizethetetlenül drága lenne elvezetni több millió háztartáshoz. Mit tehet ilyenkor egy új piaci szereplő?
A megoldást a széles sávú vezeték nélküli hálózatok jelentik. Sokkal egyszerűbb és olcsóbb felállítani egy nagy antennát egy városszéli dombon, mint árkokat ásni és kábeleket fektetni. A távközlési társaságok tehát kísérletezni kezdtek annak érdekében, hogy több megabites vezeték nélküli beszéd-, internet-, hálózati video- stb. szolgáltatást nyújtsanak.
Az IEEE, hogy a piacot fellendítse, megalakította a széles sávú vezeték nélküli nagyvárosi hálózatok szabványosításával foglalkozó csoportot. A következő szabad szám a 802-es csoportban a 802.16 volt, így a szabvány ezt a számot kapta. Informálisan ezt a technológiát WiMAX-nak (Worldwide Interoperability for Microwave Access – világméretű együttműködés a mikrohullámú hozzáférésért) nevezik. Mi a 802.16-ot és a WiMAX-ot szinonimaként használjuk.
Az első 802.16 szabványt 2001 decemberében fogadták el. A korai változatok lehetővé tették vezeték nélküli helyi hurkok (wireless local loop) kialakítását rögzített pontok között, amelyek rálátnak egymásra. Ezt a kialakítást nem sokkal később megváltoztatták, hogy a kábel- és DSL-alapú internet-hozzáférés versenyképes alternatívájává váljon. 2003 januárjára a 802.16-ot újragondolták, és hogy ne igényelje az egymásra rálátást, a 2 GHz és 10 GHz közötti frekvenciákon OFDM-technikát használtak. Ez a változtatás sokkal egyszerűbbé tette az alkalmazását, de még mindig csak rögzített helyszínen volt használható. A 3G mobiltelefon-hálózatok megjelenése veszélyeztette a WiMAX-ot azzal, hogy nagy sebességet és mobilitást ígért. Válaszul 2005 decemberére a 802.16-ot ismét továbbfejlesztették úgy, hogy jármű sebességű mobilitást biztosítson. A jelenlegi IEEE 802.16-2009 szabvány célja az, hogy mobil széles sávú internet-hozzáférést nyújtson.
A többi 802-es szabványhoz hasonlóan a 802.16-ra is nagy hatással volt az OSI-modell, annak (al)rétegeivel, terminológiájával, szolgáltatási primitívjeivel és egyéb részeivel együtt. Sajnos az OSI-hoz hasonlóan ez a szabvány is elég bonyolult. Valójában a WiMAX Fórumot azért hozták létre, hogy határozza meg a szabvány együttműködésre képes részhalmazait annak érdekében, hogy a WiMAX piacképessé váljon. A következő szakaszokban rövid leírást adunk a 802.16 vezeték nélküli interfészének néhány legfontosabb tulajdonságáról, de leírásunk közel sem lesz teljes és sok részletre nem tér ki. A WiMAX-ról és a széles sávú vezeték nélküli kommunikáció általános kérdéseiről Andrews és mások [2007] művéből tájékozódhatunk.
Ezen a ponton az olvasó azt kérdezheti magától: mi szükség van egy újabb szabványra. Miért nem elég a 802.11 vagy a 3G? Nos, a WiMAX a 802.11 és a 3G ötleteit egyesíti, és ez hasonlatossá teszi a 4G-technikához.
A 802.11-hez hasonlóan a WiMAX az eszközök internethez való vezeték nélküli megabit/másodperces sebességű csatlakoztatására készült, a kábeltévé és a DSL alternatívájaként. Az eszközök lehetnek mobilak vagy legalábbis hordozhatók. A WiMAX nem úgy indult, hogy kis sebességű adatforgalmat tettek a beszédátvitelre kialakított mobiltelefon-hálózatokra. A 802.16-ot úgy tervezték, hogy IP-csomagokat szállítson vezeték nélkül és hogy IP-alapú vezetékes hálózatokhoz a lehető legkisebb vesződséggel csatlakoztatható legyen. A csomagok, hogy az alkalmazások széles palettáját támogassák, szállíthatnak P2P-forgalmat, VoIP-hívásokat vagy média-adatfolyamot. Mint a 802.11, ez a szabvány is egyrészt az OFDM-technikán alapul, hogy jó legyen a teljesítőképessége az olyan vezeték nélküli jelromlás ellenére, mint amilyen a többutas jelgyengülés, másrészt a MIMO-technikán alapul, hogy nagy legyen az átbocsátóképessége.
A WiMAX számos kulcsfontosságú területen nagyon hasonlít a 3G-re (és ezért nem hasonlít a 802.11-re). A legfontosabb műszaki probléma az, hogyan érhető el nagy kapacitás a spektrum hatékony kihasználásával úgy, hogy a lefedettségi területen sok előfizető kapjon nagy sávszélességet. A tipikus távolságok legalább 10-szer nagyobbak, mint egy 802.11-es hálózat esetén. Ennek következtében, a WiMAX-bázisállomások nagyobb teljesítményűek, mint a 802.11-es hozzáférési pontok (AP-k). A nagyobb távolságokra érkező gyengébb jelek kezelésére a bázisállomás nagyobb teljesítményt és jobb antennákat használ, és több adatfeldolgozást végez hibák kezelésére. Annak érdekében, hogy maximalizálja az átbocsátóképességet, egyrészt a bázisállomás az egyes felhasználóknak szóló átviteleket gondosan ütemezi, másrészt nem engedi a spektrumot a CSMA/CA-val használni, mert az az ütközésekkel pazarolhatja a kapacitást.
A WiMAX számára az engedélyhez kötött frekvenciasávok használata a legvalószínűbb eset, az USA-ban ez tipikusan a 2,5 GHz körül van. Az egész rendszert lényegesen jobban optimalizálták, mint a 802.11-et. Ez a komplexitás megérte az árát, figyelembe véve azt is, hogy engedélyhez kötött spektrumok használata nagyon drága. A 802.11-től eltérően az eredmény egy menedzselt és megbízható szolgáltatás jó szolgáltatásminőséggel megtámogatva.
Ezekkel a képességekkel, a 802.16 leginkább a 4G mobiltelefon-hálózatokhoz hasonlít, amelyek szabványosítása most van folyamatban LTE (Long Term Evolution – hosszú távú fejlődés) néven. Amíg a 3G mobiltelefon-hálózatok CDMA-ra épülnek, és beszéd- és adatátvitelt támogatnak, addig a 4G mobiltelefon-hálózatok a MIMO-n és az OFDM-en alapulnak, és az adatátvitelt célozzák meg úgy, hogy a beszédátvitel csak egy alkalmazás lesz a sok közül. Úgy tűnik, hogy a WiMAX és a 4G egymással ütköző pályán mozog, ha a technikát és az alkalmazási területet nézzük. Talán ez a konvergencia nem meglepő, hiszen az internet a legütősebb alkalmazás, az OFDM és a MIMO pedig a legismertebb technikák a spektrum hatékony használatára.
A 802.16 felépítését a 4.30. ábra mutatja. A bázisállomások közvetlenül a szolgáltatói gerinchálózatra kapcsolódnak, ami viszont az internethez kapcsolódik. A bázisállomások az állomásokkal vezeték nélküli közegen keresztül kommunikálnak. Kétféle állomás létezik. Az előfizetői állomások rögzített helyen maradnak, például otthoni széles sávú internet-hozzáférés esetében. A mozgó állomások a helyváltoztatás közben is igénybe tudják venni a szolgáltatást, például egy WiMAX-eszközzel felszerelt autó esetén.
A 802.16 vezeték nélküli interfészen keresztül használt protokollkészletét a 4.31. ábra szemlélteti. Az általános szerkezete hasonló a 802 hálózatokéhoz, de több alrétege van. A legalsó réteg foglalkozik az átvitellel, amelyben csak a népszerű 802.16-os felhasználásokat ábrázoljuk, a rögzített és mozgó WiMAX-ot. Minden felhasználási formának különböző fizikai rétege van. Mindkét fizikai réteg – a 11 GHz frekvenciasáv alatt – engedélyhez kötött spektrumban működik, és mindkettő OFDM-et használ, de különböző módon.
A fizikai réteg feletti adatkapcsolati réteg három alrétegből áll. A legalsó a titoktartással (privacy) és a biztonsággal foglalkozik, ami a nyilvános szabadtéri hálózatokban még inkább kritikus tényező, mint a beltéri magánhálózatokban. Ez az alréteg felelős a titkosításért és a visszafejtésért, valamint a kulcsok kezeléséért.
A következő a közös MAC-alréteg. Ebben a részben helyezkednek el a legfontosabb protokollok, mint például a csatornakezelés. E modell szerint a bázisállomás irányítja a rendszert teljes egészében. Nagyon hatékonyan képes ütemezni a lefelé irányuló (azaz a bázisállomástól az előfizető felé haladó) csatornákat, és központi szerepet játszik a felfelé irányuló (az előfizetőtől a bázisállomás felé haladó) csatornák kezelésében is. Ennek a MAC-alrétegnek a többi 802-es protokollal ellentétben van egy szokatlan tulajdonsága is, nevezetesen hogy teljesen összeköttetés-alapú, mégpedig azért, hogy megfelelő szolgáltatásminőségi garanciákat nyújtson a telefon- és a multimédia-alkalmazások részére.
A szolgáltatástól függő konvergencia-alréteg a többi 802-es protokoll logikai kapcsolatvezérlésért (LLC) felelős alrétegét hivatott helyettesíteni. Az a feladata, hogy csatlakozási felületet nyújtson a hálózati réteg számára. Ebben a szabványban különböző konvergencia-alrétegeket határoztak meg, hogy a 802.16 rendszer problémamentesen integrálható legyen különböző felsőbb rétegekkel. A leglényegesebb felsőbb csatlakozási lehetőség az IP-protokollhoz történő csatlakozás, de a szabvány csatlakozási lehetőséget határoz meg olyan protokollokra is, mint amilyen az Ethernet és az ATM. Mivel az IP összeköttetés nélküli szolgáltatást nyújt, a 802.16 MAC-alréteg pedig összeköttetés-alapú, ezért ennek az alrétegnek a feladata a címek és összeköttetések közötti leképezés.
A legtöbb WiMAX megvalósítás engedélyköteles spektrumot használ vagy a 3,5 GHz-es, vagy a 2,5 GHz-es frekvencia körül. Ahogy a 3G mobiltelefon-hálózatoknál, itt is egy elérhető spektrum meglelése a legnagyobb probléma. Ezért a 802.16 szabványt rugalmasra tervezték: 2 GHz-től 11 GHz-ig teszi lehetővé a működtetését. Különböző méretű csatornákat támogat, például 3,5 MHz-et a rögzített WiMAX-ra, és 1,25 MHz-től 20 MHz-ig mozgó WiMAX-ra.
Ezeken a csatornákon a 2.5.3. szakaszban bemutatott OFDM-módszert használják az átvitelre. A 802.16 protokoll OFDM-működését arra optimalizálták (ellentétben a 802.11-gyel), hogy a lehető legtöbbet hozzák ki az engedélyköteles spektrumból és a nagy távolságú átvitelből. A csatornát több alvivőre osztották, amelyek hosszabb jeltartási idővel rendelkeznek, hogy ellentételezzék a nagyobb vezeték nélküli jelalakromlást. A WiMAX paraméterei nagyjából 20-szor nagyobbak a 802.11 ide vonatkozó paramétereinél. Például, a mozgó WiMAX esetén 512 alvivő van egy 5 MHz-es csatornára és az egy szimbólum küldésére szánt idő minden alvivőn nagyjából 100 
s.
A szimbólumokat minden alvivőn valamelyik alábbi modulációs sémával küldik: QPSK-val, QAM-16-tal vagy QAM-64-gyel. (A modulációs sémákat a 2.5.3. szakaszban tárgyaltuk.) Amikor a mozgó vagy az előfizetői állomás közel van a bázisállomáshoz és a vett jel/zaj viszony (signal-to-noise ratio, SNR) magas, a QAM-64 használható szimbólumonkénti 6 bit küldésére. Az olyan távoli állomások elérésére, amelyekre a kis jel/zaj viszony jellemző, QPSK-t használnak, ami 2 bitet szállít szimbólumonként. Az adatot először hibajavítási céllal a 3.2.1. szakaszban bemutatott konvolúciós (esetleg jobb) kódolási sémával kódolják. Ezt a kódolást gyakran használják zajos csatornákon, hogy néhány bithibát elviseljen, és ne legyen szükség újraküldésekre. Ezeknek a modulációs és kódolási eljárásoknak valójában már ismerősnek kell tűnniük, mivel sok, már eddig tárgyalt hálózatban használják, beleértve a 802.11-et, a kábeltévét és a DSL-t. Az eredmény, hogy egy bázisállomás 5 MHz-es csatornánként és antennapáronként legfeljebb 12,6 Mb/s sebességgel tud működni a felhasználók felé, és 6,2 Mb/s sebességgel a bázisállomás felé.
Egyetlen dolog volt, amit a 802.16 tervezői nem szerettek, mégpedig a GSM- és a D-AMPS-hálózatok működésének egy bizonyos aspektusa. Mindkét rendszer ugyanúgy megegyező méretű frekvenciasávot használ feltöltési és letöltési irányban. Ezzel kimondatlanul is azt feltételezik, hogy mindkét irányban ugyanakkora a forgalom. A beszédforgalom az idő nagy részében szimmetrikus, de internet-hozzáférés esetén (és webböngészés alkalmával bizonyosan) a letöltés gyakran sokkal nagyobb, mint a feltöltés. Az arány sokszor 2 : 1, 3 : 1 vagy sok : 1.
Így a tervezők egy flexibilis sémát választottak, hogy a csatornát felosszák az állomások között, amit OFDMA-nak (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – ortogonális frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés) neveznek. Ezzel az alvivők különböző csoportjai különböző állomásokhoz lehetnek rendelve, így több mint egy állomás tud adni vagy venni egyszerre. Ha ez egy 802.11-es hálózat lenne, akkor bármely adott pillanatban csak egy állomás használhatná az összes alvivőt. A sávszélesség-kiosztás rugalmasságának fokozása növelheti a rendszer teljesítményét, mivel egy adott alvivő elgyengülhet a többutas hatások miatt az egyik vevőnél, de tiszta marad egy másiknál. Az alvivőket annak az állomásnak lehet kiosztani, amelyik a legjobban ki tudja használni azt.
Az állomások az aszimmetrikus forgalmuknak megfelelően általában felváltva adnak és vesznek. Ezt az eljárást TDD-nek (Time Division Duplexing – időosztásos kettőzés) nevezik. A másik választható eljárást, amelyben egy állomás egyszerre ad és vesz (különböző alvivő frekvenciákon), FDD-nek (Frequency Division Duplexing – frekvenciaosztásos kettőzés) nevezik. A WiMAX mindkettő alkalmazását megengedi, de a TDD kedveltebb, mert egyszerűbb megvalósítani és rugalmasabb.
A 4.32. ábrán láthatunk példát egy keret szerkezetére, amely időben ismétlődik. Egy előtaggal (preamble) kezdődik, hogy szinkronizálja az összes állomást, eztán következik a lefelé irányú átvitel a bázisállomástól. Ennek az elején a bázisállomás térképeket küld el, amelyek tájékoztatják az állomásokat arról, hogy a keretben hogy vannak kiosztva a feltöltési és letöltési alvivők. A bázisállomás vezérli a térképeket, ezáltal keretről keretre különböző sávszélességeket tud kiosztani a különböző állomásoknak, igényeik szerint.
Ezután a bázisállomás löketeket küld a különböző előfizetői és mozgó állomásoknak a térképen meghatározott alvivőn és időben. A lefelé irányuló átvitelek egy védőidővel végződnek, hogy az állomások vételről adásra válthassanak. Végül az előfizetői és mozgó állomások küldik a löketeiket a bázisállomásnak a térképen számukra fenntartott feltöltési pozícióban. Ezen feltöltési löketek közül egyet fenntartanak a távolságbecslésre (ranging), ez az a folyamat, amelyben új állomások az időmérő eszközeiket a rendszerhez igazítják, és kezdeti sávszélességet kérnek, hogy a bázisállomáshoz csatlakozhassanak. Mivel itt még nincs összeköttetés kialakítva, az új állomások csak adnak, és remélik, hogy nem lesz ütközés.
Amint azt a 4.31. ábrán láthattuk, az adatkapcsolati réteg három alrétegre bontható. Mivel a titkosítást csak a 8. fejezetben tárgyaljuk, nehéz lenne most elmagyarázni, hogyan működik a biztonsági alréteg. Legyen elég annyit mondanunk, hogy titkosítást alkalmaznak annak érdekében, hogy minden átvitt adatot biztonságban tudjanak. Csak a keretek adatmezejét titkosítják, a fejrészeket nem. Ez azt jelenti, hogy egy lehallgató tudhatja, hogy ki beszél kihez, de azt már nem, hogy mit mondanak egymásnak.
Ha az olvasó tud már egyet és mást a titkosításról, akkor ajánljuk figyelmébe a biztonsági alréteg itt következő egy bekezdésnyi magyarázatát. Ha azonban még semmit sem tud a titkosításról, akkor a következő bekezdés valószínűleg nem fog túl sokat mondani (de talán érdemes lesz újra elolvasnia, miután befejezte a 8. fejezetet).
Amikor az előfizető és a bázisállomás kapcsolatba lépnek egymással, akkor kölcsönösen hitelesítik egymást az RSA nyilvános kulcsú titkosító eljárásával az X.509-es tanúsítványok segítségével. Magát az adatmezőt egy szimmetrikus kulcsú eljárás, konkrétan vagy AES (Rijndael), vagy titkosított blokkok láncolását használó DES alkalmazásával titkosítják. A sértetlenség ellenőrzését SHA-1-gyel oldják meg. Nem is volt olyan vészes, ugye?
Vessünk most egy pillantást a közös MAC-alréteg részre! A MAC-alréteg összeköttetés-alapú és egypont-többpont (point-to-multipoint) típusú, ami azt jelenti, hogy az egyetlen bázisállomás több előfizetői állomással kommunikál. Ennek a felépítésnek a nagy részét a kábelmodemektől vették át, amelyben az egyetlen kábelfejegység vezérli a sok előfizető lakásán vagy telephelyén lévő kábelmodemek átvitelét.
A lefelé irányuló csatorna működése eléggé magától értetődő. A bázisállomás vezérli a fizikai rétegbeli löketeket, amelyeket arra használnak, hogy adatokat vigyenek át az előfizetői állomásoknak. A MAC-alréteg egyszerűen berakja a kereteket ebbe a struktúrába. A többletbitek számának csökkentésére több lehetőség áll rendelkezésünkre. Például MAC-keretek küldhetők egyesével külön-külön vagy egy csoportot egybecsomagolva egyszerre.
A felfelé irányuló csatorna már bonyolultabb, hiszen annak eléréséért egymással össze nem hangolt előfizetők versengenek. A csatornakiosztás szorosan összefügg a szolgáltatásminőség kérdésével. A szabvány az alábbi négy szolgáltatásosztályt rögzíti:
Állandó adatsebességű szolgáltatás.
Valós idejű, változó adatsebességű szolgáltatás.
Nem valós idejű, változó adatsebességű szolgáltatás.
Garanciák nélküli (best-effort) szolgáltatás.
A 802.16-ban minden szolgáltatás összeköttetés-alapú. Minden összeköttetéshez egy szolgáltatási osztály kerül, amikor az összeköttetést kiépítik. Ez a megoldás eltér a 802.11-ben vagy az Ethernetben használt megoldástól, amelyek a MAC-alrétegben összeköttetés nélküliek.
Az állandó adatsebességű szolgáltatást a tömörítetlen beszéd átvitelére szánták. Ennek a szolgáltatásnak előre meghatározott mennyiségű adatot kell előre meghatározott időközönként elküldenie. Ezt úgy teszik lehetővé, hogy minden ilyen típusú összeköttetés számára fenntartanak bizonyos löketeket. A sávszélesség kiosztása után a löketek automatikusan rendelkezésre állnak anélkül, hogy egyenként kérni kellene azokat.
A valós idejű, változó adatsebességű szolgáltatás a tömörített multimédia és más, kevésbé intenzív valós idejű alkalmazások számára készült. Ezeknél az igényelt sávszélesség mennyisége minden pillanatban változhat. Ezt a szolgáltatást úgy valósítják meg, hogy a bázisállomás rögzített időközönként körbekérdezi az előfizetőket, hogy ezúttal mekkora sávszélességre van szükségük.
A nem valós idejű, változó adatsebességű szolgáltatás az olyan alkalmazások számára hasznos, amelyek jelentős mennyiségű adatot visznek át – például nagyméretű állományokat –, de nincs szükségük valós idejű átvitelre. Itt a bázisállomás gyakran, de nem szigorúan előírt időközönként kérdezi körbe az előfizetőket. Azok az összeköttetések, ahol van ilyen szolgáltatás, sávszélesség-igénylésre használhatják a garanciák nélküli szolgáltatást is, amit az alábbiakban mutatunk be.
A garanciák nélküli szolgáltatást szánták az összes fennmaradó célra. Itt nincs körbekérdezés, hanem az előfizetőnek kell versengenie a szolgáltatás többi előfizetőjével a sávszélességért. A sávszélességre vonatkozó igényeket azokban a löketekben lehet bejelenteni, melyek a feltöltési térkép szerint a versengésre rendelkezésre állnak. Az elfogadott kérésekről a következő, letöltési térképben küldenek értesítést. A visszautasított előfizetőknek később kell újra próbálkozniuk. Az ütközések számának minimalizálására az Ethernet kettes exponenciális visszalépéses algoritmusát használják.
Minden MAC-keret egy fejrésszel kezdődik. Ezt egy opcionális adatmező és egy opcionális ellenőrző összeg (CRC) követi, amint azt a 4.33. ábra mutatja. A vezérlőkeretekben, mint amilyen például a csatornában időszeleteket kérő keret is, nincs szükség adatmezőre. Meglepő módon az ellenőrző összeg is opcionális. Ez azért van, mert a fizikai rétegben van már hibajavítás, illetve azért, mert a valós idejű kereteket sohasem próbálják meg újraküldeni. Ha pedig úgysem lesz újraküldés, akkor mi szükség ellenőrző összegre? De ha mégis van ellenőrző összeg, akkor az egy szabványos IEEE 802 CRC, és nyugtákat és újraküldéseket alkalmaznak a megbízhatóság érdekében.
A következőkben röviden áttekintjük a 4.33.(a) ábrán látható fejrészmezőket. Az EC
(Encripted) bit megadja, hogy az adatmező titkosítva van-e. A Típus (Type) mező a keret típusát azonosítja, és többnyire azt adja meg, hogy alkalmaztak-e csomagolást és darabolást. A CI
(Checksum Present) mező a végső ellenőrző összeg meglétét vagy hiányát jelzi. Az EK
(Encription Key) mező azt adja meg, hogy melyik titkosító kulcsot használták (ha volt ilyen). A Hossz (Length) mező a keret teljes hosszát mutatja, a fejrészt is beleértve. Az Összeköttetés-azonosító (Connection Identifier) megadja, hogy a keret melyik összeköttetéshez tartozik. Az utolsó mező, a Fejrész CRC (Header CRC) pedig egy, csak a fejrészre vonatkozó ellenőrző összeget tartalmaz, melyet az 
polinom felhasználásával képeztek.
A 802.16 protokoll sokféle kerettel rendelkezik. Egy másik típusú keret látható a 4.33.(b) ábrán, melyet sávszélesség kérésére használnak. Ez 0-s helyett egy 1-es bittel kezdődik, és hasonlít az előző fejrészhez, azzal a különbséggel, hogy a második és harmadik bájt egy 16 bites számot tartalmaz, ami megadja, hogy mekkora sávszélességre van szükség az adott számú bájt elszállításához. A sávszélesség-igénylő keretek nem hordoznak sem adatmezőt, sem a teljes keretre vonatkozó ellenőrző összeget.
Jóval többet is mondhatnánk még a 802.16-ról, de erre nem ez a legmegfelelőbb hely. További információkat magában az IEEE 802.16-2009 szabványban érdemes keresnünk.