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Sistemas de ComunicacionesMóviles e Inalámbricos

Jose F. Monserrat

MÁSTER OFICIAL EN TECNOLOGÍAS, SISTEMAS Y REDES DE COMUNICA

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Parte V: La Tecnología WiMAX

Jose F. Monserrat

MÁSTER OFICIAL EN TECNOLOGÍAS, SISTEMAS Y REDES DE COMUNICA

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Sistemas de Comunicaciones Móviles e Inalámbricos Jose Fco. Monserrat 2

Índice

• Introducción

• Principales agentes

• Procedimientos de capa MAC

• Capa física (IEEE 802.116 d/e/m)

• Diseño de redes WiMAX

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Inconvenientes IEEE 802.11

• Acceso CSMA/CA ineficiente• Baja eficiencia espectral

• No ofrece QoS, y la tolerancia al retardo esinsuficiente• Baja Seguridad aunque mejorado con WPA2

• No aprovecha al máximo las ventajas de lamodulación adaptativa• No existe control de potencia con el abonado

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¿Qué es WiMAX?

• WiMAX (WorldWide Interoperability forMicrowave Access) es el nombre por el que seconoce al nuevo estándar tecnológico 802.16 decomunicaciones inalámbricas de acceso de bandaancha.

• WiMAX surge para solventar los inconvenientesque presenta el estándar 802.11 a la hora deproporcionar acceso inalámbrico de banda anchaen entornos MAN

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¿Qué es WiMAX?

• El IEEE creó en julio de 1999 el comité 802.16 para laestandarización de redes metropolitanas inalámbricas

• El primer estándar se aprobó a finales de 2001

• Como en el resto de estándares 802 solo se especifica la capafísica y la subcapa MAC• La tecnología es más compleja que en otros estándares 802.

La seguridad, calidad de servicio y un sofisticado protocoloMAC forman parte integral del diseño. Se ha potenciado lacomplejidad en aras a mejorar la eficiencia

• Se trata de una tecnología que pretende competir con ADSL yCATV para el acceso de la ’última milla’

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¿Qué es WiMAX?

• El WiMAX Forum es a los estándares 802.16 lo que laWiFi Alliance a los estándares 802.11 – asociación formada por más de un centenar de fabricantes

con el fin de acelerar el desarrollo de los estándares IEEE802.16 y garantizar la interoperabilidad mediante unproceso de certificación (CETECOM-Malaga)

• El WiMAX Forum desarrolla su actividad en paraleloal proceso de estandarización y antes de queaparezcan productos en el mercado mejorresultado que WiFi

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Escenarios de uso

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Estándar 802.16, 802.16a, 802.16c802.16d

(802-16-2004)802.16e

Completado 2001, 2002, 2003 Julio 2004 7 Dic. 2005

Frecuencias 10 - 66 GHz2 - 11 GHz

(3,5 y 5,8 GHz)2 - 6 GHz

(2,3 y 2,5 GHz)

Condiciones LOS (Line of Sight) Near-LOS No LOS

Anchura de canal 20-28 MHz 1,75-20 MHz 1,25-20 MHz

Caudal Hasta 134 Mb/s Hasta 75 Mb/s Hasta 75 Mb/s

Transmisión SCA (Single Carrier) OFDM 256 OFDMA 2048

Movilidad Fijo Fijo y Portable (Nómada) Fijo y Móvil (roaming)

Alcance 5 Km 30 Km 10 Km

MercadoUrbano. Acceso internet

de edificiosUrbano, suburbano, rural. SME,

WiFi. Puentes inalámbricos

Acceso a portátiles,PDAs, teléfonos

inteligentes

Estándares 802.16

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Estándares 802.16

• 802.16e será la alternativa a las redes móviles 3G para ofreceracceso móvil a Internet (más capacidad y a menor costo).Puede actuar como complemento de Wi-Fi o reemplazarlocompletamente

• En España hay tres ISP (Iberbanda (Telefonica), Neo-Sky(Iberdrola) y Basa) que ya utilizan WiMAX (802.16d)

• El estándar 802.16e se aprobó en diciembre de 2005. Losprimeros productos certificados para este estándar estánapareciendo actualmente en el mercado

• La primera red WiMAX móvil (802.16e) se ha implementadoen Corea del Sur

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Mejoras 802.16d/e

• Frecuencias más bajas (2-11GHZ vs 10-66 GHz): – Aumenta el alcance – Se puede funcionar sin visión directa (NLOS) – Se pueden usar las bandas sin licencia de 2,4 y 5 GHz – No es tan fácil disponer de grandes anchos de banda

• Nuevas técnicas de corrección de errores muy agresivas, que permitensuperar entornos hostiles

• Potencia de emisión ajustable de forma automática, de forma que en cadacaso se utiliza la mínima necesaria. Se reduce la interferencia y elconsumo

• 802.16e incorpora técnicas de transmisión que mejoran aun más elrendimiento. Además permite la movilidad del cliente• Se exprimen al máximo las posibilidades del canal de radio. Ej.: uso de

OFDM/OFDMA y de MIMO

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Ventajas de WiMAX (vs CATV y ADSL)

• Despliegue rápido• Bajo costo de las infraestructuras• La inversión se desplaza al equipo del usuario final

(CPE,Customer Premises Equipment ); menor riesgoinicial para operadoras en el despliegue de la red• Opción especialmente interesante en zonas con

media/baja densidad de población (rurales o

suburbanas) donde CATV, y a veces ADSL no estándisponibles

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Desventajas de WiMAX

• Es difícil asegurar el servicio a todos los usuarios,suelen quedar puntos con mala cobertura.Normalmente se aspira a tener una cobertura del 80-90%

• Es difícil garantizar una disponibilidad del 100%. Laseñal de RF puede no llegar por bloqueos,dispersión, humedad, interferencias, etc

• Normalmente WiMAX es una opción interesantecuando hay buena cobertura (visión directa odistancia corta) o cuando ADSL y CATV no estándisponibles

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Comparación WiMAX vs WiFi

• Las técnicas de transmisión utilizadas por WiMAX(especialmente en 802.16e) son más avanzadas y eficientesque la de WiFi WiMAX ofrece mayores alcances yrendimientos

• El protocolo MAC de WiMAX (similar al de redes CATV) es máseficiente y ordenado que el de WiFi. La QoS y la seguridadestaban previstas desde el principio. Hay una capacidadmínima garantizada para cada estación

• Actualmente WiMAX móvil (802.16e) esta muy pocoextendido y su precio es mayor que el de WiFi, pero estopuede cambiar cuando se popularice y entre en juego laeconomía de escala

• Se puede combinar WiMAX para el acceso al ISP y WiFi para lared doméstica.

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Índice

• Introducción





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Principales agentes

• Antenas

– PCTEL

– Phazar

– ZDA

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Principales agentes

• Equipos – Airspan – Alvarion

• BreezeMax, BreezeAccess – Motorola wi4 (.16e) – Redline – Axxcelera (.16d) – Cisco (.16e) – Greenpacket (.16e)

• Indoor, outdoor

http://www.motorola.com/

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Principales agentes

• Otros – Planning: EDX – Chiset: Sequans – SW

• Bridgewater• Greenpacket

• Aricent – Testing: Berkeley

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MAC

• Funciones – Segmentar o concatenar service data units (SDUs) de

capas superiores MAC PDU (protocol data units) – Seleccionar el perfil de burst y potencia – Retransmitir MAC PDUs no recibidas utilizando

automated repeat request (ARQ) – Gestionar QoS – Distribuir MAC PDUs en recursos PHY

– Apoyar la movilidad – Seguridad y gestión de claves – Power-saving mode e idle-mode operation

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MAC

• MAC-CS

• MAC-CPS

• MAC-SS

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MAC-CSPuede ir directamente conectado con

un Bridge o AP Bridge

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MAC-CS

• Funciones – Compresión de cabeceras – Mapeo de direcciones IP en identidades PHY-MAC

• en WiMAX no se puede ver identidad de capassuperiores• Capa MAC es orientada a la conexión exite un

Connection Idenfier (CID) distinto para UL y DL

– Un mismo usuario puede tener varios CID• Asignación de flujos en función del Service Flow ID(SFID) y la dirección fuente

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MAC-CS

• PHSM: lamáscara será

propia delservicio• PHSI: el índice

enviado

permiteconocer lo quese mandó

Packet Header Suppression - PHS

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MAC-CPS

• MAC-CPS encargado de – Fragmentación, concatenación – Asignación de recursos – Selección de MCS – Control de calidad – HARQ

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MAC-CPS

Cabecera genérica Cabecera solicitud de recursos

HCS: Header Check SequenceBR: Bandwidth Request (Bytes)

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MAC-CPS

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MAC-CPS Adaptación al canal

• Scheduling dependiente del canal

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MAC-CPS Adaptación al canal

• La BS informa sobre los recursos físicosasignados en DL y UL – DL/UL-MAP

• Para conocer las necesidades en UL – BS puede asignar recursos en UL para enviar una

MAC de BR – Contention Region en la que con un

procedimiento ALOHA con back-off variable losusuarios piden en UL

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MAC-CPS QoS

• Se identifica un flujo de servicio – Service Flow ID (SFID), CID, QoS Parameters• Se pueden definir distintos tipos de SF queda en manos

del proveedor• Tipos de scheduling

– Unsolicited Grant Service (UGS): se asigna automáticamenterecursos (VoIP, E1, etc) no hace falta DL/UL-MAP

– real-time Polling Services (rtPS): cada poco tiempo se asignanrecursos UL para solicitar recursos UL

– non-real-time polling services (nrtPS): polling cada más tiempo +contention polling

– Best Effort (BE) – extended real-time Polling Service (ertPS) – 16e: recursos

periódicos en UL para TX o pedir más recursos en UL

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MAC-CPS HARQ

• Aunque exista cierta adaptación al canal – Siempre habrá riesgo de errores – Se necesita algún mecanismo de detección/corrección

• Forward Error Correction (FEC) – Se pueden corregir errores – Se introduce redundancia (menor tasa binaria)

• ARQ – Utiliza un mecanismo de detección de errores

• Cyclic Redundancy Check (CRC) – Si detecta error se solicita retransmisión• HARQ combina FEC y ARQ

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MAC-CPS HARQ

• Aunque un paquete tenga errores hay bits noerróneos

• HARQ consoft combining

– El paquete erróneo se guarda en un buffer – Ambos paquetes (erróneo y retransmitido) se

combinan – El paquete resultante es más fiable

• En cada retransmisión los bits de información sonlos mismos pero los codificados pueden serdistintos

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MAC-CPS HARQ

• Chase Combining – Bits codificados retransmitidos = Bits codificados – No se añade redundancia adicional – Sólo se aumenta la E b/N0 acumulada

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MAC-CPS HARQ

• Incremental Redundancy (IR) – Bits codificados retransmitidos ≠ Bits codificados – Se añade redundancia con cada retransmisión – También se aumenta la E b/N0 acumulada

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Índice

• Introducción





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Capa física

• WiMAX está diseñado para trabajar en entornos conmulticamino

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Aunque las portadoras contiguasse solapan la técnica decodificación utilizada evita quehaya interferencias entre ellas

Capa física: OFDM

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Capa física: OFDM

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Capa física

• No todas las portadoras se utilizan paratransmitir datos

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OFDM(OrthogonalFrequency

DivisionMultiplexing)

OFDMA(OrthogonalFrequency

Division MultipleAccess)

Capa física: OFDM/OFDMA

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Capa física 802.16

Estándar 802.16 802.16d(802-16-2004)

802.16e

Completado 2001 Junio 2004 7 Dic. 2005

Frecuencias 10 - 66 GHz 2 - 11 GHz(3,5 y 5,8 GHz)

2 - 6 GHz(2,3 - 2,5 y 3,5 GHz)

Condiciones LOS (Line of Sight) Near-LOS No LOS Anchura decanal

20-28 MHz 1,75-20 MHz 1,25-20 MHz

Caudal 32Mbps - 134 Mb/s 1 Mbps - 75 Mbps 1 Mbps - 75 Mbps

Transmisión SCA (Single Carrier) OFDM 256 OFDMA 2048

Movilidad Fijo Fijo y Portable (Nómada) Fijo y Móvil (roaming) Alcance 5 Km 30 Km 10 Km

Mercado Urbano. Acceso internetde edificios

Urbano, suburbano, rural.SME, WiFi. Puentesinalámbricos

Acceso a portátiles,PDAs, teléfonosinteligentes

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Capa física

• Para que se puedanutilizar distintosanchos de banda seha definido un

tiempo de símbolofijo necesidadesde oversamplingpara ajustar en

número deportadoras

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Capa física

• Existen distintoscertification profilesaunque el WiMAXforum solo haestandarizado loscinco primeros a díade hoy

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Capa física

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Capa física

• Codificación convolucional distintas tasasde protección y modulaciones

¿cómollegamos alos 75Mbps?

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Capa física: MIMO

• Cuatro posibles configuraciones – STTD/ CLMTD – Beamforming – Multiplexación espacial

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Capa física: MIMO

• Beamforming: ajustar los pesos de las antenaspara ajustar el haz

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Capa física: MIMO

• Multiplexación espacial: aumentar la tasa detransmisión hasta x4 (teórico)

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Los datos se envían repartidos porvarias antenas emisoras yreceptoras, ajustando cada una alrendimiento que permite el entorno

Capa física: MIMO

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Índice

• Introducción





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Eficiencia WIMAX

• Existen distintos tipos de AMC

• En función del ancho de banda se puede sacarla eficiencia máxima

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Eficiencia WIMAX

• Cada modulación y codificación necesita distinto SNRpara garantizar BLER=10%

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Eficiencia WIMAX

• Procedimiento para sacar sensibilidad – Fijar BLER=0.1 – Fijar BW de transmisión (1.25, 3.5, 5, 7, 10, 20

MHz) – Fijar la modulación y codificación sacar

eficiencia y throughput

– Sacar SNR – Calcular Potencia Ruido – Despejar Sensibilidad

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Eficiencia WIMAX • Ruido en el receptor

– Ruido térmico: – Ruido insertado por el receptor:

174 /kT d B m H z

, ,( ) 1 0 lo g ( ) M S B S M S B S

N P d B m k T B W F

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BS (Base Station)

Router WiMAX

Aspectos prácticos

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Incluye:• 6 antenas de 9 dBi. Utiliza la(s) más adecuada(s) en cada momento• 1 Puerto 10/100BASE-T• Radio 802.11b/g para actuar como AP de redes inalámbricas• 1 ó 2 puertos RJ11 para conectar teléfonos analógicos (puede utilizar H.323 o SIP)• Batería de back-up

Sistema 802.16d

Aspectos prácticos

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Aspectos prácticos

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¿Preguntas, Sugerencias?

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