Maggio WiMAX. Pietro Nicoletti. Studio Reti s.a.s. WiMAX - 1 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

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1 WiMAX Pietro Nicoletti Studio Reti s.a.s WiMAX - 1 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

2 Nota di Copyright Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slides) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà degli autori indicati a pag. 1. Le slides possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione. Ogni altra utilizzazione o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampate) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte degli autori. L informazione contenuta in queste slides è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. Gli autori non assumono alcuna responsabilità per il contenuto di queste slides (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell informazione). In ogni caso non può essere dichiarata conformità all informazione contenuta in queste slides. In ogni caso questa nota di copyright non deve mai essere rimossa e deve essere riportata anche in utilizzi parziali. WiMAX - 2 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

3 Acronimi CEPT = European Conference of Postal and Telecommunications Administrations BWA = Broadband Wireless Access CLP = Cell Loss Priority EIRP = Effective Isotropic Radiated Power ETSI = European Telecommunications Standards Institute LMDS = Local Multipoint Distribution Service MMDS = Multichannel Multipoint Distribution Service LOS = Line Of Sight (visibilità ottica) NLOS = Non Line Of Sight (assenza di visibilità ottica) PMP = Point-to-Multipoint MP-MP = Multipoint-to-Multipoint o Mesh WiMAX - 3 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

4 Acronimi PDU = Protocol Data Unit (Struttura dati generica secondo la terminologia OSI) CS = Covergence Sublayer BS = Base Station SS = Subscriber Station RS = Repeater Station FDD = Frequency Division Duplexing TDD = Time Division Duplexing TDM = Time Division Multiplexing TDMA = Time Division Multiplexing Access WiMAX - 4 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

5 WiMAX: generalità Associazione di circa 100 produttori che promuove lo standard Possibile standard per realizzare il Wireless Local Loop Pensato per l ambito metropolitano compatibile con WiFi Gli standard IEEE: Topologia point-to-multipoint bande GHz a-2003 Tolopogie point-to-multipoint e mesh (maglia) Bande 2-11 GHz Supporto funzione NLOS (Non Line Of Sight) e approvato il 28-Febbraio-2006 Supporta le funzioni di mobilità alla velocità dei veicoli per le subscriber stations WiMAX - 5 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

6 WiMAX e piano delle frequenze WiMAX può operare su: licensed bands sono bande di frequenze assegnate da organi governativi nazionali preposti e soggette al pagamento d imposte opera solo su licensed bands (10-66 GHz) license-exempt bands sono bande di frequenze esonerate dal pagamento d imposte, gli organi governativi preposti alla gestione e controllo dell etere possono rilasciare un autorizzazione al loro utilizzo secondo i regolamenti nazionali a-2003 (2-11 GHz) opera sia su licensed bands, sia su license-exempt bands (tra 5 e 6 GHz) WiMAX - 6 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

7 Piano delle Frequenze da 2 a 5GHz WiMAX - 7 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

8 Piano delle Frequenze da 5 a 11GHz WiMAX - 8 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

9 WiMAX e l ambito metropolitano WiMAX - 9 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

10 WiMAX e b,g WiMAX - 10 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

11 Elementi di una rete WiMAX BS = Base Station; SS = Subscriber Station; TE = Terminal Equipment; RS = Repeater Station WiMAX - 11 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

12 Concetti di base Base Station (BS): Copre una determinata area e raccoglie il traffico proveniente dalle Subscriber Station alle quali è connessa l utenza E una sorta di MAN Access Point assimilabile grossomodo al concetto di Root Bridge in , ma al contrario di questo può trasportare diversi tipi di trame o pacchetti Subscriber Station (SS): Imbusta ed inoltra il traffico proveniente dal Terminal Equipment a cui è connessa verso la Base Station che a sua volta inoltra il traffico verso la destinazione finale E una sorta di MAN Bridge-non-Root, ma al contrario del bridge può trasportare diversi tipi di trame o pacchetti WiMAX - 12 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

13 Concetti di base Terminal Equipment (TE): E l apparato terminale tramite il quale l utente si connette alla rete Ad esempio un PC può essere considerato un Terminal Equipment Repeater Station (RS): Ripete le trame ricevute e serve a raggiungere utenze molto distanti dalla Base Station che sono fuori dalla copertura radio della stessa Può connettere un Terminal Equipment In tal caso oltre a ripetere le trame ricevute imbusta e inoltra il traffico proveniente dal Terminal Equipment a cui è connessa verso la Base Station che a sua volta inoltra il traffico verso la destinazione finale WiMAX - 13 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

14 Topologie di connessione Point-to-MultiPoint SS SS SS BS SS SS Mesh o Multipoint-to-Multipoint SS SS BS SS SS WiMAX - 14 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

15 Modello di sviluppo di rete basata su architettura mesh WiMAX - 15 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

16 Tipi di antenne utilizzate su BS, SS e RS La Base Station impiega antenne omnidirezionali o a settori nel caso in cui si desideri avere un raggio di copertura radio più esteso La Subscriber Station impiega un antenna direzionale puntata verso al BS La Repeater Station può impiegare antenne omnidirezionali o a settori se deve ripetere il segnale verso più SS o RS antenne direzionali se deve ripetere il segnale verso una BS o RS WiMAX - 16 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

17 Antenna adattiva (Adaptive Beam Antenna) Sono antenne che adattano dinamicamente il lobo e migliorano/ottimizzano la copertura radio Opzione del MAC di a che prevede il servizio AAS (Adaptive Antenna Service) Confronto tra antenna Multi Beam e Adaptive Beam Multi Beam Spatial Div Multiple Access(Multicolor beams) Beam Switching Adaptive Beam Forming Beam Steering (sterzata) WiMAX - 17 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

18 Esempio di confronto tra antenna Multi Beam e Adaptive Beam su 4 lobi 4 Fixed Beams 4 BFN 4 Ports A SP4T Switch Ø1 Ø2 Ø3 Ø4 4 Steered Beams 1 BFN 4 Phase Vectors 1 Port WiMAX - 18 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

19 Non Line Of Sight (NLOS) Attraverso una complessa funzione di ricostruzione del segnale Multi-Path è possibile operare in condizioni di non visibilità Funzione supportata solo in a WiMAX - 19 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

20 Il MAC di e il formato dei dati Non specifica un tipo di trama, ma trasporta vari tipi di formati d informazioni ATM Protocolli packet-based: Ethernet/802.3 IPv4 IPv Q VLAN IPv4 over IPv6 over IPv4 over 802.1Q VLAN IPv6 over 802.1Q VLAN WiMAX - 20 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

21 stratificazione dei sottolivelli MAC WiMAX - 21 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

22 Service Specific Convergence Sublayer (CS ) Obiettivi: Accettare le PDUs dai livelli superiori della pila OSI (LLC, Livello 3) Effettuare la classificazione delle PDUs Processare le PDUs in base alla loro classificazione se necessario Inviare le CS PDUs al Servizio MAC appropriato (SAP MAC) Ricevere le CS PDU dall entità paritetica In pratica permette di mettere in comunicazione entità identiche (stesso tipo di formato d informazione) trasportando i dati con il loro formato se è tra quelli accettati WiMAX - 22 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

23 MAC e MAC Common Part Sublayer (MAC CPS) Obiettivi del MAC PCS: Fornisce le funzioni di accesso al sistema, l allocazione della banda, le funzioni per stabilire una connessione, e la manutenzione della connessione. Il MAC contiene anche un Privacy Sublayer che fornisce le funzioni di: autenticazione scambio sicuro delle chiavi crittografia WiMAX - 23 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

24 Livello fisico (PHY) Può includere varie specifiche ognuna appropriata per una particolare frequenza o applicazione. E suddiviso in due sottostrati: CS: specifiche del livello fisico che dipendono dal tipo di formato d informazione trasportato PMD (Physical Medium Dependent): specifiche che definiscono gli strati più bassi della trasmissione a livello fisico come per esempio: Il Symbol Rate ovvero la velocità di trasmissione La modulazione o codifica (QPSK, 16-QAM, 64-QAM) Modalità operativa FDD, TDD La frequenza alla quale operare WiMAX - 24 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

25 Condivisione della banda definita nelle specifiche MAC PCS I concetti base: La Base Station può trasmettere senza doversi coordinare che le varie Subscriber Station Le Subscriber Station condividono l uplink con la Base Station su richiesta: A seconda della classe di servizio utilizzato alla stazione può venir concesso il diritto di trasmettere continuamente oppure il diritto a trasmettere può essere concesso dalla Base Station dopo aver ricevuto una richiesta di trasmissione dall utente. Sono previste 3 procedure di condivisione della banda da parte delle Subscriber Station: unsolicited bandwidth grants (concessione della banda non sollecitata), Polling (interrogazione ciclica), Contention (contesa) Maggio 2006 WiMAX - 25 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

26 Condivisione della banda definita nelle specifiche MAC PCS Vantaggi e svantaggi del polling: È semplice da realizzare e garantisce l accesso su base deterministica, ma non ò adatto alle applicazioni timesensitive come la voce e il video Il MAC è di tipo Connection-Oriented In una prima fase antecedente la connessione la SS scambia con la BS dei messaggi di controllo che servono a fornire i parametri necessari alla connessione inclusi quelli che descrivono le caratteristiche uplink e il downlink e il service-flow che contiene le informazioni relative alla connessione successivamente avviene la registrazione della connessione nella BS La terminazione della connessione può essere sollecitata dalla SS o dalla BS Maggio 2006 WiMAX - 26 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

27 Cenni sulla tecnica di Multiplazione TDM TDM (Time Division Multiplexer) Suddivisione la banda in sottobande Ogni servizio vede la propria sottobanda come un canale sincrono a velocità fissa Se non viene adottato un meccanismo di allocazione dinamica della banda quella non utilizzata da un servizio ad un dato momento va persa e non viene riutilizzata da altri servizi WiMAX - 27 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

28 Esempio di multiplazione TDM Switch Switch BANDA WiMAX - 28 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

29 Time Division Duplexing (TDD) Caratteristiche: Le trasmissione uplink e downlink condividono la stessa frequenza, ma sono separate nel tempo WiMAX - 29 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

30 Frequency Division Duplexing (FDD) Caratteristiche: i canali uplink e downlink operano su frequenze separate Il sistema può supportare simultaneamente subscriber stations full-duplex e half-duplex WiMAX - 30 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

31 Parametri di livello fisico Parametri GHz: Symbol Rate compreso nel range MBaud con incrementi di 100 kbaud Le prestazioni trasmissive in termini di bit/rate dipendono da: La larghezza di banda del canale (MHz) Il Symbol Rate (MBaud) Tipo di modulazione o codifica WiMAX - 31 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

32 Prestazioni WiMAX - 32 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

33 Prestazioni a WiMAX - 33 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

34 Prestazioni a WiMAX - 34 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

35 Messaggi MAC descrittivi del livello fisico Le caratteristiche del livello fisico al quale deve operare un sistema di stazioni vengono comunicate tramite appositi messaggi MAC come: Downlink Channel Descriptor (DCD): messaggio MAC che descrive le caratteristiche fisiche del canale downlink Uplink Channel Descriptor (UCD): messaggio MAC che descrive le caratteristiche fisiche del canale uplink WiMAX - 35 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

36 Linee guida inerenti le distanze massime e le interferenze in ambito geografico Maggio 2006 WiMAX - 36 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

37 L impatto della curvatura terrestre sulle trasmissioni radio Su distanze elevate la curvatura terrestre può impattare sulla visibilità ottica delle antenne e sull effetto Fresnel L altezza dell antenna dal suolo deve essere sufficiente a superare gli ingombri di infrastrutture edili o alberi e compensare la curvatura terrestre tenendo conto dell effetto Fresnel height of Radio x above clutter (m) Altezza utile dell antenna al di sopra dell ingombro Maggio 2006 Height above ground levelr Height above clutter Height above clutter WiMAX - 37 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

38 Altezza antenna dal suolo e curvatura terrestre WiMAX - 38 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

39 Distanze massime su base altezza utile antenne rispetto all ingombro dal suolo WiMAX - 39 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2

40 Valutazione della potenza di densità di flusso dello spettro psfd = power spectral flux density WiMAX - 40 P. Nicoletti: si veda nota a pag. 2