IEEE 802.16-2004/WiMAX: Accesso wireless a larga banda per ...

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Advanced Network Technologies Laboratory

IEEE 802.16-2004/WiMAX: Accesso wirelessa larga banda per utenti fissi

Simone Redana

E-mail: [email protected]

Simone Redana 23 Maggio 2006 2

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Broadband Access

Accesso a larga bandaFibra otticaDigital Subscriber Loop (DSL)Wireless

IEEE 802.11IEEE 802.16


CoreNetwork

Broadband Wireless Access (BWA)

Connessioni wireless ad elevato bit rate

Costo ridotto delle infrastrutture di rete

L’utente finale èraggiunto everywhere, anytime

Base Station (BS) Subscriber Station (SS)


BWA Working Groups

Estensione dello standard IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) con specifiche per relay multi-hop

no2-66 GHzIEEE 802.16j

Estensione dello standard IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) con specifiche di bridging

no2-66 GHzIEEE 802.16k

Estensione dello standard IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) per il mobile management base

no2-66 GHzIEEE 802.16i

Meccanismi per facilitare la coesistenza in frequenze senza licenza

no2-66 GHzIEEE 802.16h

Coesistenza tra Fixed Broadband Wireless Access Systems

20042-66 GHzIEEE 802.16.2-2004

Estensione dello standard IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) per il management base

20052-66 GHzIEEE 802.16f-2005

Interfaccia radio per Mobile Wireless Access Systems

no< 3.5 GHzIEEE 802.20

Estensione dello standard IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) al fine di supportare sia terminali

fissi che mobili20052-66 GHz

IEEE 802.16e (IEEE 802.16e-2005)

Interfaccia radio per Fixed Broadband WirelessAccess System

20042-66 GHzIEEE 802.16d

(IEEE 802.16-2004)

DescrizioneApprovatoBande di frequenza

IEEE Standard


Mobile BroadbandWireless Access (MBWA)

highlow

stationary

nomadic

high speed

Fixed Broadband Wireless Access

MobileBroadbandWirelessAccess

Cellular 3G

Data rate

Level ofmobility


Wireless Interoperability for Microwave Access (WiMAX)

Il WiMAX Forumpromuove la tecnologia IEEE 802.16 per l’accesso wireless in ambiente metropolitano (Wireless MetropolitanArea Network, WMAN)certificha l’interoperabilità tra i dispositivi basati sulla tecnologia IEEE 802.16


Protocolli IEEE 802.16Il Physical layer è definito mediante diverse specifiche in base alle frequenze utilizzateIl Privacy sub-layer fornisce autenticazione e meccanismi di scambio delle chiaviIl Common Part sub-layerfornisce le funzionalità base del livello MACIl Service Specific Convergence sub-layer èun’interfaccia logica con i livelli superiori

ATM, IP, ecc.Physical layer (PHY)

MAC SAP

PHY SAP

Service SpecificConvergence sub-layer (CS)

MAC Common Part sub-layer(MAC CPS)

Privacy sub-layer

CS SAP

MA

CPH

Y


Bande di frequenza

10-66 GHz con licenzafenomeno attenuativo dovuto a strutture, pioggia, ecc.Line-Of-Sight (LOS)

2-11 GHz con licenzaNon-Line-Of-Sight (NLOS)fenomeno multi-path

2-11 GHz senza licenzaNon-Line-Of-Sight (NLOS)fenomeno multi-pathinterferenza dovuta ad altri utenti

Area urbana


Fenomeno del multi-path

L’energia del segnale ricevuto risulta sparpagliata su un intervallo di tempo più ampio

Raggio diretto

Raggio riflesso dal terreno

Raggio riflesso da ostacoli


Physical layer (PHY)

ModulazioneSingle Carrier (SC)Multi Carrier

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

2-11 GHzBande senza licenza

WirelessHUMAN

2-11 GHzBande con licenza

WirelessMAN-OFDMA


WirelessMAN-OFDM


WirelessMAN-SCa

10-66 GHzWirelessMAN-SC

ApplicabilitàIdentificativo


Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

Sub-channel: gruppo di sub-carrier dati

sub-channel #1 sub-channel #2 sub-channel #3sub-channel #1 sub-channel #2 sub-channel #3

Guard Band Guard Band

DC Carrier Pilot CarriersData Carriers

CHANNELGuard Band Guard Band

DC Carrier Pilot CarriersData Carriers

CHANNEL

Dominio delle frequenze Dominio del tempo

Tg TbTg Tb

OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access

X


Physical layer (PHY)

PHY basato sul frame

Accesso multiplo Time Division Multiple Access (TDMA)

Duplexing può essereFrequency Division Duplexing (FDD)Time Division Duplexing (TDD)


Duplexing

Frequency Division Duplexing (FDD)

Time Division Duplexing (TDD)


MAC Common Part sub-layer

Protocollo orientato alla connessione

MAC PDU 1 MAC PDU 2 MAC PDU 3

SDU

CRCGenericHeader

Payload CRCGenericHeader

Payload CRCGenericHeader

Payload

MAC Management msg.

SDU: ServiceData Unit

PDU: ProtocolData Unit


MAC PDU

MAC HeaderCRC

opzionale

MAC Header CRCopzionale

PayloadGeneric MAC PDU

Bandwidth Request

Messaggio di MAC managementDati (SDU)

6 byte 4 byte

6 byte 0-2041 byte 4 byte


Messaggi di MAC Management

Messaggi trasportati nel Payload delle MAC PDUsono utilizzati per

accesso alla reteschedulingecc.

Management Message Type

Management MessagePayload


Generic MAC HeaderH

T =

0

EC Rsv CI EKS Rsv LEN

LEN CID

CID HCS

CI: CRC indicatorCID: Connection IdentifierEC: Encryption ControlEKS: Encrypted Key SequenceHCS: Header Check SequenceHT: Header TypeLEN: LengthTYPE: Payload Type

TYPE


Bandwidth Request MAC HeaderH

T =

1

EC

= 0

BR

BR CID

CID HCS

BR: Bandwidth RequestCID: Connection IdentifierEC: Encryption ControlHCS: Header Check SequenceHT: Header TypeTYPE: Bandwidth Request Type

TYPE


MAC sub-header

Esistono 5 tipiMeshFragmentationPackingFast Feedback AllocationGrant Management

Generic MAC Header

CRCopzionalePayloadMesh

GrantManagement

Fast FeedbackAllocation

Packing/Fragmentation


Sub-header

Node ID

FC FSN/BSN Rsv

FCFSN/BSN Length

2 byte

3 byte

PACKING

FRAGMENTATION

2 byte

MESH

Request

2 byte

PIGGYBACK

FC: Fragment stateFSN: Fragment Sequence Number (se disabled-ARQ)BSN: Block Sequence Number (se enabled-ARQ)



Deve gestire le seguenti operazioniaccesso alla retemeccanismo di acceso multiploschedulingqualità del servizio (QoS)gestione della potenza


Service Convergence Specific sub-layer

I dati ricevuti dai livelli superiori vengono classificati

applicando una lista di regole per ottenere

Service Flow IDConnection ID (CID)

assegnando i parametri di QoS


Topologie di rete

Lo standard IEEE 802.16 specifica due topologie di rete:

Point-to-MultiPoint (PMP)MultiPoint-to-MultiPoint(Mesh)

Nella topologia Mesh le connessioni multi-hopsono possibili attraverso connessioni dirette tra SSs, dette Mesh SSs

PMPBS

MeshBS

PMPSS

PMPSS

MeshSS

MeshSS

MeshSS


Sistemi BWA IEEE 802.16

√Mobilità

√

1.25-3.5-7-10-14-20-28 MHz

FDDTDD

Single CarrierMulti Carrier

(OFDMA)

IEEE 802.16e-20052-11 GHz PMP

25-28 MHz

FDDTDD

Single Carrier

IEEE 802.16-200410-66 GHz

√Multi-hop

√√

AdvancedAntenna Systems

(AAS)

1.75-3-3.5-5.5-7-10 MHz

1.75-3-3.5-5.5-7-10 MHz

Banda del canale

TDDFDDTDD

Duplexing

Multi Carrier (OFDM)Single CarrierMulti Carrier

(OFDM)Modulazione

IEEE 802.16-20042-11 GHz Mesh

IEEE 802.1620042-11 GHz PMP


Point-to-MultiPoint (PMP)

BackboneNetwork

IEEE 802.16-2004

IEEE 802.16e-2005

wireless / wired

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Advanced Network Technologies Laboratory

IEEE 802.16-2004OFDM PHY


Parametri OFDM PHY

dipende da NFFT, BW, n, Gdurata del simbolo OFDMTsimbolo

variabiledurata del frameTFRAME

TFRAME/Tsimbolonumero di simboli OFDM per frameNsimboli

dipende da BWfattore di campionamenton

1/4; 1/8; 1/16; 1/32rapporto tra prefisso ciclico ed il tempo di simbolo utile (Tg/Tb)

G

variabilebanda nominale del canaleBW

56numero portanti nulleNSN

8numero portanti pilotaNSP

192numero portanti datiNSD

256numero dei punti della FFTNFFT

ValoreDescrizioneParametro


Diagramma del trasmettitore

La codifica di canale è realizzata in tre fasi

RandomizerForward Error Correction (FEC)Interleaving

al lato ricevitore vengono applicate in ordine inverso

RANDOMIZER INTERLEAVING MODULAZIONE OFDM TXRS CC

bit source


Codifica e modulazione

Codice Convoluzionale Compatibile CC

Codice Reed Solomon RS

Rate del codice Rc

Blocco codificato

[byte]

Blocco non codificato [byte]Modulazione

1/2(12,12,0)1/22412BPSK

5/6(120, 108, 6)3/414410864-QAM

3/4(108, 96, 6)2/31449664-QAM

5/6(80, 72, 4)3/4967216-QAM

2/3(64, 48, 8)1/2964816-QAM

5/6(40, 36, 2)3/44836QPSK

2/3(32, 24, 4)1/24824QPSK


Downlink sub-frame (FDD)

FCH: Frame Control HeaderDL-MAP: Downlink MAPUL-MAP: Uplink MAPPDU: Protocol Data Unit

FCH DL BURST #1 DL BURST #m…Long

Preamble

…… DL-MAP UL-MAP Preamble MACPDU

MAC PDU

Padd.

MACPDU

MAC PDU

Padd.

DL BURST #2

Porzione TDM Porzione TDMA


Downlink sub-frame (TDD)

FCH: Frame Control HeaderDL-MAP: Downlink MAPUL-MAP: Uplink MAPPDU: Protocol Data Unit

FCH DL BURST #1 DL BURST #m…Long

Preamble

…… DL-MAP UL-MAP MACPDU

MAC PDU

Padd.

MACPDU

MAC PDU

Padd.

DL BURST #2

Porzione TDM


Uplink sub-frame (FDD+TDD)

Initial Ranging

(RNG)

Bandwidth Request

(BW-REQ)UP PHY

PDU SS #kUP PHY

PDU SS #n…

Preamble MACPDU

MAC PDU

Padd.

Porzione TDMA

UL BURST



Deve gestire le seguenti operazioniaccesso alla retemeccanismo di acceso multiploschedulingqualità del servizio (QoS)gestione della potenza


Accesso alla rete

Il processo di accesso alla rete e di inizializzazione di una SS1. ricerca del canale downlink e sincronizzazione

con la BS2. acquisizione dei parametri dei canali downlink e

uplink3. ranging inziale4. negoziazione della banda5. autenticazione e registrazione6. acquisizione della connettività IP7. acquisizione della data e del tempo corrente8. set up delle connessioni definite nel profilo

d’utente


3. Ranging iniziale

RNG-RSPRNG-RSP: Ranging Response

Timing advancePower adjustmentFrequency adjustmentUIUC (Burst Profile)DIUC confirm/rejectBasic e Primary CID

RNG-REQ

RNG-REQ: Ranging RequestDIUC (Burst Profile)

Initial Ranging

(RNG)

Bandwidth Request

(BW-REQ)UP PHY

PDU SS #k…

SS BS

Uplink sub-frame


4. Negoziazione della banda

SBC-RSPSBC-RSP: SS Basic Capability Response

Physical Parameters supported

Bandwidth Allocation support

SBC-REQSBC-REQ: SS Basic Capability Request

Physical Parameters supported (NFFT, ecc.)

Bandwidth Allocationsupport (Half-Duplex o Full-Duplex)

SS BS


Accesso alla rete

Il processo di accesso alla rete e di inizializzazione di una SS1. ricerca del canale downlink e sincronizzazione

con la BS2. acquisizione dei parametri dei canali downlink e

uplink3. ranging inziale4. negoziazione della banda5. autenticazione e registrazione6. acquisizione della connettività IP7. acquisizione della data e del tempo corrente8. set up delle connessioni definite nel profilo

d’utente


Meccanismo di accesso multiplo (1)

Controllo DOWNLINKBS->SS

UPLINKSS->BS

… … …

DW UP

SSj SSk SSj SSk

Training sequence

Databurst


Allocazione delle risorse

DL BURST #1

DL-MAP

……

RNG BW-REQ …

…

UL-MAP

…

…

Downlink sub-frame

Uplink sub-frame

FCHPreamble


Meccanismo di accesso multiplo (2)

Tre principi base banda garantita

Voice over IP (VoIP)polling

Video streamingcontesa

Web browsing

applicati in base ai requisiti del servizio richiesto dalla SS

banda ritardo


Service flow

La qualità del servizio (QoS) è ottenuta associando ad un flusso dati un ServiceFlowLa QoS è descritta da un set di parametri

throughputritardojitterprobabilità di perdere un pacchetto

ed associata ad un Service FlowIl Service Flow è un flusso unidirezionale di pacchetti a cui è associata una QoS


Service Flow Identifier (SFID)

Service flow è identificato da un Service Flow Identifier (SFID) di 32 bitIl Convergence sub-layer associa un Service Flow ad un Connection Identifier (CID) di 16 bitService Flow attivi e ammesso sono identificati da un CID


Gestione dei service flow

I Service Flow possono essere configurati a priori o dinamicamentepossono essere creati, modificati ed eliminatia tale scopo sono definiti dei messaggi di MAC management


Esempio: scheduling predefiniti in uplink

Esistono quattro meccanismi di schedulingpredefiniti per la tratta uplinksono basati sui concetti di

banda garantitapollingprocedure a contesa

sono definiti dal protocollo al fine di permettere ai costruttori di ottimizzare le prestazioni del sistema combinando queste tecniche in modo opportuno


Unsolicited Grant Service (UGS)

Disegnato per supportare Service Flow real-time che generano pacchetti di dimensione costante su una base periodica (p.e. Voice over IP, VoIP)una banda costante viene assegnata periodicamente per la trasmissione uplinkdella SSQuesto meccanismo consente di

eliminare overhead ed i ritardi introdotti dal meccanismo di richiesta di bandagarantire una banda costante che soddisfa i requisiti real-time dell’applicazione


Unsolicited Grant Service (UGS)

La banda assegnata è composta dauna componente costante che non variauna componente variabile in base alle condizioni di traffico

La SS non deve utilizzare i meccanismi di richiesta a contesa


Real-time polling service (rtPS)

Disegnato per supportare traffico real-time che genera pacchetti di lunghezza variabile su una base periodica (p. e. MPEG video)offre periodicamente opportunità di trasmettere richieste di bandaQuesto meccanismo consente

soddisfare i requisisti real-timela SS richiede la banda di cui ha bisogno


Real-time polling service (rtPS)

Questo meccanismo introduce maggiore overhead dovuto alle richiestela banda è quella necessaria e questo incrementa l’efficienza

La BS deve fornire banda per la trasmissione periodica delle richiesteLa SS non deve utilizzare il meccanismo a contesa


Non-real-time polling service (nrtPS)

Disegnato per supportare traffico non real-time che genera burst di dimensione variabile su una base periodica (p.e. FTP)offre periodicamente opportunità di trasmettere richieste di banda

La SS può utilizzare la procedura a contesa


Best effort (BE)

L’obbiettivo è fornire ad un traffico best effort un servizio più efficiente possibile

La SS può utilizzare il meccanismo a contesa


Richiesta delle risorse a contesa

La SS può richiedere banda in uplink adottando il meccanismo a contesa

un messaggio di PiggyBack per richieste incrementaliun messaggio di richiesta aggregato BandwidthRequest (BR) per richieste decrementali ed a intervalli di tempo regolari

Le richieste sono espresse in byte poiché l’allocazione temporale può variare in base alla modulazione e codifica adottata (adattamento al link)Le richieste da parte delle SS si riferiscono ad una connessione I grant generati dalla BS non differenziano le connessioni ma si riferiscono ad una SS


Finestra di backoff

La scelta dello slot in cui trasmettere il BandwidthRequest (BR) avviene adottando il meccanismo di backoff esponenziale binario troncatola base della finestra di backoff è 2la dimensione iniziale viene decisa dalla BSLa SS estrae un numero casuale all’interno della finestra di backoffla trasmissione della richiesta viene ritardata di un numero di slot pari al numero estratto

Il Bandwidth Request (BR) viene trasmesso in un intervallo a contesa quindi si può verificare una collisione


Meccanismo di backoff

Se durante la richiesta non si verificano collisioni

……… …BW-REQ

Xmin=20=1Xmax=23=8Xi = random(Xmax;Xmin) = 4Xj = random(Xmax;Xmin) = 6Xk = random(Xmax;Xmin) = 1

Xmin=20=1Xmax=23=8Xi = random(Xmax;Xmin) = 4Xj = random(Xmax;Xmin) = 6Xk = random(Xmax;Xmin) = 1

Xi Xj

Xk

Frame nFrame n-1 Frame n+1

BW-REQ BW-REQ

SSi SSj

SSk

meccanismo di backoffesponenziale binario

troncato


Risoluzione delle collisioni

Invece, se si verifica una collisionela risoluzione della collisione avviene attraverso il meccanismo di backoffesponenziale binario troncato

la dimensione della finestra di backoffviene incrementata di un fattore 2la dimensione della finestra di backoffnon può superare un massimo deciso dalla BSil numero di tentativi è limitato dalla BS


Risoluzione delle collisioni

DL #1… … … … … …

Xi

Xi”

Xmin=20=1Xmax=23=8Xi = random(Xmax;Xmin) = 4

Xmin=20=1Xmax=23=8Xi = random(Xmax;Xmin) = 4

…… …… …… ……

Xmin=20=1Xmax=24=16Xi”= random(Xmax;Xmin) = 9

Xmin=20=1Xmax=24=16Xi”= random(Xmax;Xmin) = 9

DL #1

Frame nFrame n-1 Frame n+1

SSi

BW-REQ BW-REQ BW-REQ

meccanismo di backoff esponenziale binario troncato


Meccanismo di richiesta a polling

La BS allocata nel UL-MAP una banda che la SS può utilizzare per trasmettere Bandwidth Requestpuò essere per connessione o per SS

Se la banda non è sufficiente per attivare un unicastpolling verso tutte le SS inattive allora è possibile adottare un multicast pollinganche in questo caso il polling non è un messaggio esplicito ma una banda allocata nel messaggio UL-MAPSS con delle connessioni UGS attive devono porre ad 1 il bit poll-me nel Grant management sub-header per richiedere banda per il polling


Profilo PHY

3.5FDD

3.5TDD

7.0

Banda del canale [MHz]DuplexingBanda di frequenza [MHz]

10TDD5725 – 5850 (senza licenza)

73400 – 3600 (con licenza)

5FDD

5TDD

5.5

Banda del canale [MHz]DuplexingBanda di frequenza [MHz]

5.52500 – 2690 (con licenza)

Certificazione: fase 1

Certificazione: fase 2


Esempio: Profilo 3.5 GHz

256FFT size (NFFT)

2, 4, 5 msTFRAME

192Data sub-carriers (NSD)

14 MHzBanda totale

3.5 MHzBanda del canale (BW)

3.5 GHzBanda di frequenza

ValoreParametro Massimo throughput per simbolo OFDM [Mbps]

Rate del codice

RC

Modulazione

43.23/464-QAM

38.42/364-QAM

28.83/416-QAM

19.21/216-QAM

14.43/4QPSK

9.61/2QPSK

4.81/2BPSK

symbol

cSD

TRMN ⋅⋅

=Θlog


MultiPoint-to-MultiPoint(Mesh)

BackboneNetwork

IEEE 802.16dwireless / wired


Topologie Mesh

hopRdetected 2=TOPOGIA DISTRIBUITA TOPOLOGIA CENTRALIZZATA

RdecodedRdetected MESH BS

hopHRR thresholddetected =


Frame Mesh (TDD)

Frame n-2 Frame n-1 Frame n Frame n+1 Frame n+2

Central.Sched.

Central.Sched. … Network

Config.Network

EntryNetworkConfig.

Distr.Sched.

Network Control sub-frame

Schedule Control sub-frame

Control sub-frame

Data sub-frame

TDM PortionTDM Portion

Control sub-frame

Data sub-frame

…


Modalità Mesh centralizzata

Mesh BS Request

Grant

Mesh SS

Mesh SS

Mesh SSMesh SS

Mesh SSMesh SS

Mesh SS


Modalità Mesh distribuita

Availabilities Requests Grant/Ack

three way handshake

Mesh SS

Mesh SS

Mesh SS

Mesh BSMesh SS

Mesh SS

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