Reti di Telecomunicazione. Capitolo 6 Wireless e reti mobili (IEEE )

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1 Reti di Telecomunicazione Capitolo 6 Wireless e reti mobili (IEEE ) Nota: Le seguenti slides rappresentano un adattamento delle slide di accompagnamento, fornite da Pearson Paravia Bruno Mondadori Spa, per il libro J. Kurose, K. Ross, Reti di Calcolatori e Internet: Un Approccio Top-Down, 4 edizione, Copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved. 6-1

2 Agenda Introduzione Caratteristiche ed architettura di reti Livello fisico Accesso al mezzo

3 Wireless Networks

4 Caratteristiche

5 IEEE 802 Standards 802.3: CSMA/CD (Ethernet) 802.4: Token Bus 802.5: Token Ring 802.6: DQDB (Metropolitan Area Networks) : Wireless LAN (WiFi) : Gigabit LAN : Wireless PAN : Fixed Broadband Wireless Access System (WiMAX)

6 IEEE 802 Standards

7 Le origini Il primo standard per reti wireless di tipo indoor Ratificato nel 1997 Seguito da diversi aggiornamenti (amendments) WiFi Alliance formata allo scopo di promuovere interoperabilita

8 Lo stato attuale Un successo sia dal punto di vista tecnico che da quello commerciale: Basso costo finale per i terminali utente Interoperabilita` tra dispositivi sviluppati da diversi produttori Sviluppo di applicazioni innovative Integrato in milioni di terminali utente: M access points/nic venduti M access points/nic venduti

9 Dov e` il problema Da applicazioni di networking a banda larga in ambienti indoor, lo standard e` stato adattato ad applicazioni MAN Livello di successo variabili a causa delle scelte fatte in fase di progettazione: CSMA/CA non adatto ad applicazioni MAN Bassa efficienza spettrale Nessuna gestione della QoS Modulazione adattativa non flessibile e nessuna gestione della potenza di trasmissione

10 La soluzione Un nuovo standard in grado di fornire accesso wireless a banda larga in ambito metropolitano Ottimizzato per scenari WAN sia su bande di frequenza licenziate che non licenziate Dispositivi a basso costo e capaci di fornire un alto throughput Gestione della QoS e funzionalita` di sicurezza avanzate

11 Agenda Introduzione Caratteristiche ed architettura di reti Livello fisico Accesso al mezzo

12 IEEE WiMAX Sviluppato da zero da IEEE per l accesso a banda larga su scala metropolitana Standard pubblicato in Aprile 2002 Originariamente ideato per operare sulle frequenze licenziate dei GHz Funzionalita` offerte dal livello MAC: Accesso al mezzo senza contesa Gestione della QoS Sicurezza Modulazione adattativa Gestione della potenza di trasmissione

13 La famiglia a: Aggiunge il supporto per le bande di frequenza comprese tra 2 ed 11GHz b/c/d: Interoperabilita` e certificazione : Revisione dello standard, include tutti gli i precedenti aggiornamenti e: Supporto per la mobilita` f: Mesh networking j: Relay networking

14 La famiglia (cont d) e Completato Frequenze GHz 2-11 GHz 2-6 GHz Condizioni di canale LOS NLOS NLOS Bit Rate Da 32 a 134 Mbps con canali da 28 MHz Fino a 75 Mbps con canali da 20 MHz Fino a 15 Mbps con canali da 5 MHz Modulazione QPSK, 16-QAM e 64- QAM 64-QAM, 16-QAM, QPSK e BPSK Vedi Mobilità Fissa Fissa e portatile Mobilità Larghezza del Canale 20, 25 e 28 MHz Selezionabile tra 1.25 e 20 MHz Vedi

15 WiMAX Forum Formato in: Aprile 2001 Ruolo simile a quello della WiFi Alliance per lo standard IEEE Focus su testing, interoperabilita` e certificazione di nuovi dispositivi Attualmente formato da piu` di 80 membri: Intel Fujitsu Wi-LAN Proxim Alvarion

16 Scalabilita` Canali di dimensione fissa (20MHz) MAC progettato per supportare decine di utenti La dimensione del canale puo` essere scelta dall operatore Ampiezza del canale tra 1.5MHz e 20MHz MAC progettato per la scalabilita` progettato per alte desinta` di utenti

17 Quality of Service (QoS) MAC a contesa (CSMA/CA) => nessuna gestione della QoS Lo standard non puo` garantire una latenza massima per voce, video ed altre applicazioni multimediali Lo standard non permette di specificare un diverso livello di servizio per ogni utente Solo TDD => traffico asimmetrico Nello standard e viene fornito solo il supporto pre la prioritizzazione del traffico a MAC orientato alla connessione con pollink Progettato per supportare Video, Audio ed altri servizi multimediali Supporta diversi livelli di prestazioni TDD/FDD/HFDD => traffico summetrico ed asimmetrico Gestione della QoS centralizzata a progettato per applicazioni carrier class

18 Copertura Ottimizzato per distanze nell ordine dei 100 metri Progettato per gestire indoor multipath (massimo delay spread tollerato pari a 0.8µ secondi) La copertura puo` essere estesa aumentando la potenza di trasmissione e/o modificando il MAC a Copertura fino a 50 Km Progettato per servire utenti distribuiti su diversi chilometri Progettato per gestire outdoor multipath pading (massimo delay spread tollerato pari a 10.0µ secondi) MAC standard progettato per coprire lunghe distanze

19 Architettura di rete Una rete IEEE e` formata da: BS, Base Station SSs, Subscriber Stations Tutto il traffico fluisce attraverso la BS Allocazione di banda gestita dalla BS Sistema di tipo Bandwidth on Demand

20 Architettura di rete (cont d) 2 3 FRACTIONAL T1 for SMALL BUSINESS BACKHAUL for HOTSPOTS RESIDENTIAL & SoHo DSL T1+ LEVEL SERVICE ENTERPRISE 1 BACKHAUL ALWAYS BEST CONNECTED Multi-Point BACKHAUL

21 Agenda Introduzione Caratteristiche ed architettura di reti Livello fisico Accesso al mezzo

22 Livello Fisico Progettato in base alla caratteristiche del livello di accesso al mezzo: Alti rate trasmissivi Trasmissione adattativa in Uplink e Downlink Schema di duplexing Time-Division Duplex (TDD) Frequency-Division Duplex (FDD) Supporto per terminali Half-Duplex

23 10-66 GHz Caratteristiche di canale Componenti multi-path molto deboli Solo comunicazioni LOS Alta attenuazione da parte della pioggia 2-11 GHz Componenti multi-path significative Anche comunicazioni NLOS

24 Modulazione adattativa Burst profile Schema di modulazione Correzione degli errori (FEC) Gestione dinamica in base al link: Per ogni trasmissione e per ogni SS Trade-off tra capacita` e robustezza

25 Modulazione adattativa (cont d) Rate (Mbps) Modul. Coding rate Code bits per OFDM symbol Data bits per OFDM symbol Min. SNR 6 BPSK 1/ db 9 BPSK 3/ db 12 QPSK 1/ db 18 QPSK 3/ db QAM 1/ db QAM 3/ db QAM 2/ db QAM 3/ db

26 Modulazione adattativa (cont d) QPSK 1/2 QPSK 3/4 16-QAM 1/2 16-QAM ¾ 64-QAM 2/3 64-QAM 3/ MHz MHz MHz MHz MHz Antenna sul tetto Antenna fissa (finestra) Antenna indoor o portable Rurale < 20 km < 8 km < 4 km Suburba no N/A < 4 km < 2 km Urbano N/A < 2 km < 1 km

27 Schemi di modulazione Lo standard specifica 2 differenti tipi di modulazione: OFDM FFT a 256 punti Downlink TDM e Uplink TDMA OFDMA FFT fino a 2048 divisa in sub-channel In ogni canale possono essere usate differenti modulazioni (QPSK, 16 o 64-QAM) Assegnazione dei sub-channel in downlink dal MAC

28 Agenda Introduzione Caratteristiche ed architettura di reti Livello fisico Accesso al mezzo

29 Accesso al mezzo Schedulazione delle trasmissioni Permette di controllare le trasmissioni sui canali di uplink e downlink allo scopo di garantire un certo livello di QoS ad ogni utente Admission control: Permette di essere certi che ci siano abbastanza risorse da allocare ad un nuovo flusso Link initialization Sincronizzazione delle SS con la BS, registrazione ed altre funzionalita` di sicurezza Supporto a connessione combinate dati/voce Allocazione della banda di trasmissione, scelta dei codici di correzione, definizione di vincoli di ritardo e jitter

30 Accesso al mezzo (cont d) Accesso al mezzo condiviso, prevenendo trasmissioni simultanee da SS separate. Formato da tre sub-layer: MAC Common Part Sublayer (MAC-CPS). Scheduling, Richiesta e Allocazione di banda, Ranging, Controllo di Connessione Service Specific Protocol Layer (MAC-SSPL). Interfaccia verso i protocolli di livello superiore (a pacchetto o ATM) Privacy Sublayer (MAC-PS). Autenticazione, data encryption

31 Schema di duplexing Time-Division Duplex (TDD) Downlink & Uplink sullo stesso canale Gestione dinamica della ripartizione uplink/downlink SS non devono trasmettere e ricevere allo stesso tempo Frequency-Division Duplex (FDD) Downlink & Uplink su canali separati Gestione statica della ripartizione uplink/downlink SS di tipo Half-duplex SSs sono supportate, ma ovviamente non possono trasmettere e ricevere allo stesso tempo

32 Schema di duplexing (cont d) Downlink Fase di Broadcast, trasmissione delle informazioni sui canali di uplink e downlink DL-MAP (Downlink Map), contiene la descrizione del canale di downlink UL-MAP (Uplink Map), definisce l accesso al canale di uplink Uplink Accesso casuale per il primo accesso e per il traffico di segnalazione quando nessuna risorsa e` allocata al terminale

33 Schema di duplexing (cont d) MAC Frame MAC Frame MAC Frame Movable boundary Downlink Carrier Broadcast Phase Broadcast Downlink Phase Reserved Movable boundary Uplink Carrier Uplink Phase Random Access Phase Reserved Contention

34 Schema di duplexing (cont d)

35 Formato di trama Downlink Channel Descriptor (DCD) Trasmesso dalla BS ad intervalli regolari Definisce le caratteristiche del collegamento wireless in downlink Uplink Channel Descriptor (UCD) Trasmesso dalla BS ad intervalli regolari Definisce le caratteristiche del collegamento wireless in downlink Uplink MAP Message (UL-MAP) Usato per descrivere le opportunita` di trasmissione Timeslot nei quali le SS possono trasmettere Relativo al sub-frame in uplink Downlink MAP Message (DL-MAP) Timeslot nei quali le SS possono trovare I dati loro destinati Relativo al sub-frame in downlink

36 Gestione della QoS Il protocollo e` orientato alla connessione Ogni SS e` identificata da un indirizzo MAC lungo 48 bits In ciascuna direzione, ogni connessione e` identificata da un Connection Identifier (CID) lungo 16 bits Un singolo CID puo` essere condiviso da piu` sessioni A ciascun CID viene associato Service Flow ID (SFID) I parametri di QoS vengono specificati per un determinato SFID Ogni SFID e` caratterizzato da parametri come: latenza, jitter, ad altre variabili QoS I pacchetti in arrivo al livello MAC vengono etichettati con un certo CID

37 Gestione della QoS (cont d) QoS service type Purpose Service parameters How Unsolicited grant service (UGS) For real-time, fixed size regularly transmitted packets, e.g., voice codec. Unsolicited grant size, the grant interval, grant jitter, request/transmission policy The BS provides fix size Data Grant Burst periodically. Real-time polling service (rtps) For real-time variable size regularly transmitted packets, e.g., MPEG video. Polling interval, polling jitter, request/ transmission policy. The BS provides SS the opportunity to request bandwidth on a regular basis. Non-real-time polling service (nrtps) For non-real-time service flows, requiring variable size, regular Data Grant Burst. Polling interval, minimum reserved traffic rate, maximum sustained traffic rate, request/transmission policy, priority. The BS provides SS opportunity to request bandwidth using unicast and contention methods. Best effort service flow (BE) E.g., FTP. Minimum reserved traffic rate, maximum sustained traffic rate and priority. The BS allows SS to use all available mechanisms for transmission requests.

38 Gestione della QoS (cont d) Bandwidth Grant per Subscriber Station (GPSS) BS concede banda alla SS La SS può ridistribuire la banda tra le sue connessioni Adatto se si hanno molte connessioni per terminale Basso overhead, ma richiede che le SS siano intelligenti Bandwidth Grant per Connection (GPC) BS concede banda ad una connessione Più adatta per pochi utenti per SS Maggiore overhead, ma permette SS più semplici

39 Gestione degli errori FEC usa un codice di Reed-Solomon Opzione per usare Block Turbo Code per aumentare il throughput o il raggio di copertura ARQ Meccanismo opzionale Parametri ARQ specificati e negoziati durante la creazione o il cambio di connessione Connessione non può avere un misto di traffico ARQ e non-arq Il traffico ARQ non può essere frammentato.

40 Sommario Caratteristica Connection oriented Supporto della QoS ARQ TDM/TDMA scheduled frame Power control Link adaptation Security ed encryption Beneficio QoS per connessione Rapido Routing/Forwarding dei pacchetti Bassa latenza per servizi sensibili al ritardo Trasporto ottimo per traffico VBR Prioritizzazione dei dati Aumento delle performance End-to-End Efficienza di banda Interferenze ridotte Aumenta il throughput del sistema, usando il miglior schema di modulazione in accordo con le condizioni del canale Privacy dell utente protetta