IEEE /WiMAX: Accesso wireless a larga banda per utenti fissi

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1 Advanced Network Technologies Laboratory IEEE /WiMAX: Accesso wireless a larga banda per utenti fissi Simone Redana Simone.Redana@polimi.it 1

2 Licence You are free to copy, distribute, display, and perform the work under the following conditions: Attribution. You must give the original author credit. Noncommercial. You may not use this work for commercial purposes. No Derivative Works. You may not alter, transform, or build upon this work. Simone Redana 23 Maggio

3 Broadband Access Accesso a larga banda Fibra ottica Digital Subscriber Loop (DSL) Wireless IEEE IEEE Simone Redana 23 Maggio

4 Broadband Wireless Access (BWA) Core Network Connessioni wireless ad elevato bit rate Costo ridotto delle infrastrutture di rete Base Station (BS) Subscriber Station (SS) L utente finale è raggiunto everywhere, anytime Simone Redana 23 Maggio

5 BWA Working Groups IEEE Standard Bande di frequenza Approvato Descrizione IEEE d (IEEE ) 2-66 GHz 2004 Interfaccia radio per Fixed Broadband Wireless Access System IEEE GHz 2004 Coesistenza tra Fixed Broadband Wireless Access Systems IEEE e (IEEE e-2005) 2-66 GHz 2005 Estensione dello standard IEEE d (IEEE ) al fine di supportare sia terminali fissi che mobili IEEE f GHz 2005 Estensione dello standard IEEE d (IEEE ) per il management base IEEE i 2-66 GHz no Estensione dello standard IEEE d (IEEE ) per il mobile management base IEEE h 2-66 GHz no Meccanismi per facilitare la coesistenza in frequenze senza licenza IEEE j 2-66 GHz no Estensione dello standard IEEE d (IEEE ) con specifiche per relay multi-hop IEEE k 2-66 GHz no Estensione dello standard IEEE d (IEEE ) con specifiche di bridging IEEE < 3.5 GHz no Interfaccia radio per Mobile Wireless Access Systems Simone Redana 23 Maggio

6 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) Level of mobility high speed Cellular 3G Mobile Broadband Wireless Access nomadic stationary low Fixed Broadband Wireless Access high Data rate Simone Redana 23 Maggio

7 Wireless Interoperability for Microwave Access (WiMAX) Il WiMAX Forum promuove la tecnologia IEEE per l accesso wireless in ambiente metropolitano (Wireless Metropolitan Area Network, WMAN) certificha l interoperabilità tra i dispositivi basati sulla tecnologia IEEE Simone Redana 23 Maggio

8 Protocolli IEEE Il Physical layer è definito mediante diverse specifiche in base alle frequenze utilizzate Il Privacy sub-layer fornisce autenticazione e meccanismi di scambio delle chiavi Il Common Part sub-layer fornisce le funzionalità base del livello MAC Il Service Specific Convergence sub-layer è un interfaccia logica con i livelli superiori ATM, IP, ecc. MAC PHY CS SAP Service Specific Convergence sub-layer (CS) MAC SAP MAC Common Part sub-layer (MAC CPS) Privacy sub-layer PHY SAP Physical layer (PHY) Simone Redana 23 Maggio

9 Bande di frequenza GHz con licenza fenomeno attenuativo dovuto a strutture, pioggia, ecc. Line-Of-Sight (LOS) 2-11 GHz con licenza Non-Line-Of-Sight (NLOS) fenomeno multi-path Area urbana 2-11 GHz senza licenza Non-Line-Of-Sight (NLOS) fenomeno multi-path interferenza dovuta ad altri utenti Simone Redana 23 Maggio

10 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 Simone Redana 23 Maggio

11 Physical layer (PHY) Identificativo WirelessMAN-SC WirelessMAN-SCa WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA WirelessHUMAN GHz Applicabilità 2-11 GHz Bande con licenza 2-11 GHz Bande con licenza 2-11 GHz Bande con licenza 2-11 GHz Bande senza licenza Modulazione Single Carrier (SC) Multi Carrier Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Simone Redana 23 Maggio

12 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Dominio delle frequenze Data Carriers DC Carrier Pilot Carriers Dominio del tempo Guard Band CHANNEL Guard Band T g T b OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access sub-channel #1 sub-channel #2 sub-channel #3 Sub-channel: gruppo di sub-carrier dati X Simone Redana 23 Maggio

13 Physical layer (PHY) PHY basato sul frame Accesso multiplo Time Division Multiple Access (TDMA) Duplexing può essere Frequency Division Duplexing (FDD) Time Division Duplexing (TDD) Simone Redana 23 Maggio

14 Duplexing Frequency Division Duplexing (FDD) Time Division Duplexing (TDD) Simone Redana 23 Maggio

15 MAC Common Part sub-layer Protocollo orientato alla connessione SDU MAC Management msg. SDU: Service Data Unit PDU: Protocol Data Unit Generic Header Payload CRC Generic Header Payload CRC Generic Header Payload CRC MAC PDU 1 MAC PDU 2 MAC PDU 3 Simone Redana 23 Maggio

16 MAC PDU Messaggio di MAC management Dati (SDU) Generic MAC PDU MAC Header Payload CRC opzionale 6 byte byte 4 byte Bandwidth Request MAC Header CRC opzionale 6 byte 4 byte Simone Redana 23 Maggio

17 Messaggi di MAC Management Messaggi trasportati nel Payload delle MAC PDU sono utilizzati per accesso alla rete scheduling ecc. Management Message Type Management Message Payload Simone Redana 23 Maggio

18 Generic MAC Header HT = 0 EC TYPE Rsv CI EKS Rsv LEN LEN CID CID HCS CI: CRC indicator CID: Connection Identifier EC: Encryption Control EKS: Encrypted Key Sequence HCS: Header Check Sequence HT: Header Type LEN: Length TYPE: Payload Type Simone Redana 23 Maggio

19 Bandwidth Request MAC Header HT = 1 EC = 0 TYPE BR BR CID CID HCS BR: Bandwidth Request CID: Connection Identifier EC: Encryption Control HCS: Header Check Sequence HT: Header Type TYPE: Bandwidth Request Type Simone Redana 23 Maggio

20 MAC sub-header Esistono 5 tipi Mesh Fragmentation Packing Fast Feedback Allocation Grant Management Generic MAC Header Mesh Grant Management Fast Feedback Allocation Packing/ Fragmentation Payload CRC opzionale Simone Redana 23 Maggio

21 Sub-header MESH FRAGMENTATION FC Node ID 2 byte FSN/ BSN Rsv FC: Fragment state FSN: Fragment Sequence Number (se disabled-arq) BSN: Block Sequence Number (se enabled-arq) 2 byte PACKING FC FSN/ BSN Length 3 byte PIGGYBACK Request 2 byte Simone Redana 23 Maggio

22 MAC Common Part sub-layer Deve gestire le seguenti operazioni accesso alla rete meccanismo di acceso multiplo scheduling qualità del servizio (QoS) gestione della potenza Simone Redana 23 Maggio

23 Service Convergence Specific sub-layer I dati ricevuti dai livelli superiori vengono classificati applicando una lista di regole per ottenere Service Flow ID Connection ID (CID) assegnando i parametri di QoS Simone Redana 23 Maggio

24 Topologie di rete Lo standard IEEE specifica due topologie di rete: Point-to-MultiPoint (PMP) MultiPoint-to-MultiPoint (Mesh) PMP BS Mesh BS Nella topologia Mesh le connessioni multi-hop sono possibili attraverso connessioni dirette tra SSs, dette Mesh SSs PMP SS PMP SS Mesh SS Mesh SS Mesh SS Simone Redana 23 Maggio

25 Sistemi BWA IEEE IEEE IEEE IEEE e-2005 IEEE GHz 2-11 GHz PMP 2-11 GHz PMP 2-11 GHz Mesh Single Carrier Single Carrier Modulazione Single Carrier Multi Carrier (OFDM) Multi Carrier (OFDMA) Multi Carrier (OFDM) Duplexing FDD TDD FDD TDD FDD TDD TDD Banda del canale MHz MHz MHz MHz Mobilità Advanced Antenna Systems (AAS) Multi-hop Simone Redana 23 Maggio

26 Point-to-MultiPoint (PMP) IEEE Backbone Network IEEE e-2005 wireless / wired Simone Redana 23 Maggio

27 Advanced Network Technologies Laboratory IEEE OFDM PHY 27

28 Parametri OFDM PHY Parametro Descrizione Valore N FFT N SD N SP N SN BW n G T simbolo T FRAME N simboli numero dei punti della FFT numero portanti dati numero portanti pilota numero portanti nulle banda nominale del canale fattore di campionamento rapporto tra prefisso ciclico ed il tempo di simbolo utile (T g /T b ) durata del simbolo OFDM durata del frame numero di simboli OFDM per frame variabile dipende da BW 1/4; 1/8; 1/16; 1/32 dipende da N FFT, BW, n, G variabile T FRAME /T simbolo Simone Redana 23 Maggio

29 bit source Diagramma del trasmettitore RANDOMIZER RS CC INTERLEAVING MODULAZIONE OFDM TX La codifica di canale è realizzata in tre fasi Randomizer Forward Error Correction (FEC) Interleaving al lato ricevitore vengono applicate in ordine inverso Simone Redana 23 Maggio

30 Codifica e modulazione Modulazione Blocco non codificato [byte] Blocco codificato [byte] Rate del codice R c Codice Reed Solomon RS Codice Convoluzionale Compatibile CC BPSK /2 (12,12,0) 1/2 QPSK /2 (32, 24, 4) 2/3 QPSK /4 (40, 36, 2) 5/6 16-QAM /2 (64, 48, 8) 2/3 16-QAM /4 (80, 72, 4) 5/6 64-QAM /3 (108, 96, 6) 3/4 64-QAM /4 (120, 108, 6) 5/6 Simone Redana 23 Maggio

31 Downlink sub-frame (FDD) FCH: Frame Control Header DL-MAP: Downlink MAP UL-MAP: Uplink MAP PDU: Protocol Data Unit Porzione TDM Porzione TDMA Long Preamble FCH DL BURST #1 DL BURST #2 DL BURST #m DL-MAP UL-MAP Preamble MAC PDU MAC PDU Padd. MAC PDU MAC PDU Padd. Simone Redana 23 Maggio

32 Downlink sub-frame (TDD) FCH: Frame Control Header DL-MAP: Downlink MAP UL-MAP: Uplink MAP PDU: Protocol Data Unit Porzione TDM Long Preamble FCH DL BURST #1 DL BURST #2 DL BURST #m DL-MAP UL-MAP MAC PDU MAC PDU Padd. MAC PDU MAC PDU Padd. Simone Redana 23 Maggio

33 Uplink sub-frame (FDD+TDD) Porzione TDMA Initial Ranging (RNG) Bandwidth Request (BW-REQ) UP PHY PDU SS #k UP PHY PDU SS #n Preamble MAC PDU MAC PDU Padd. UL BURST Simone Redana 23 Maggio

34 MAC Common Part sub-layer Deve gestire le seguenti operazioni accesso alla rete meccanismo di acceso multiplo scheduling qualità del servizio (QoS) gestione della potenza Simone Redana 23 Maggio

35 Accesso alla rete Il processo di accesso alla rete e di inizializzazione di una SS 1. ricerca del canale downlink e sincronizzazione con la BS 2. acquisizione dei parametri dei canali downlink e uplink 3. ranging inziale 4. negoziazione della banda 5. autenticazione e registrazione 6. acquisizione della connettività IP 7. acquisizione della data e del tempo corrente 8. set up delle connessioni definite nel profilo d utente Simone Redana 23 Maggio

36 3. Ranging iniziale SS BS RNG-REQ: Ranging Request DIUC (Burst Profile) RNG-REQ Initial Ranging (RNG) RNG-RSP Uplink sub-frame Bandwidth Request (BW-REQ) UP PHY PDU SS #k RNG-RSP: Ranging Response Timing advance Power adjustment Frequency adjustment UIUC (Burst Profile) DIUC confirm/reject Basic e Primary CID Simone Redana 23 Maggio

37 4. Negoziazione della banda SS BS SBC-RSP: SS Basic Capability Response Physical Parameters supported Bandwidth Allocation support SBC-REQ SBC-RSP SBC-REQ: SS Basic Capability Request Physical Parameters supported (N FFT, ecc.) Bandwidth Allocation support (Half-Duplex o Full- Duplex) Simone Redana 23 Maggio

38 Accesso alla rete Il processo di accesso alla rete e di inizializzazione di una SS 1. ricerca del canale downlink e sincronizzazione con la BS 2. acquisizione dei parametri dei canali downlink e uplink 3. ranging inziale 4. negoziazione della banda 5. autenticazione e registrazione 6. acquisizione della connettività IP 7. acquisizione della data e del tempo corrente 8. set up delle connessioni definite nel profilo d utente Simone Redana 23 Maggio

39 Meccanismo di accesso multiplo (1) Controllo DOWNLINK BS->SS UPLINK SS->BS SS j SS k SS j SS k DW UP Training sequence Data burst Simone Redana 23 Maggio

40 Allocazione delle risorse Downlink sub-frame Preamble FCH DL BURST #1 DL-MAP UL-MAP RNG BW-REQ Uplink sub-frame Simone Redana 23 Maggio

41 Meccanismo di accesso multiplo (2) Tre principi base banda garantita Voice over IP (VoIP) polling Video streaming contesa Web browsing applicati in base ai requisiti del servizio richiesto dalla SS banda ritardo Simone Redana 23 Maggio

42 Service flow La qualità del servizio (QoS) è ottenuta associando ad un flusso dati un Service Flow La QoS è descritta da un set di parametri throughput ritardo jitter probabilità di perdere un pacchetto ed associata ad un Service Flow Il Service Flow è un flusso unidirezionale di pacchetti a cui è associata una QoS Simone Redana 23 Maggio

43 Service Flow Identifier (SFID) Service flow è identificato da un Service Flow Identifier (SFID) di 32 bit Il Convergence sub-layer associa un Service Flow ad un Connection Identifier (CID) di 16 bit Service Flow attivi e ammesso sono identificati da un CID Simone Redana 23 Maggio

44 Gestione dei service flow I Service Flow possono essere configurati a priori o dinamicamente possono essere creati, modificati ed eliminati a tale scopo sono definiti dei messaggi di MAC management Simone Redana 23 Maggio

45 Esempio: scheduling predefiniti in uplink Esistono quattro meccanismi di scheduling predefiniti per la tratta uplink sono basati sui concetti di banda garantita polling procedure a contesa sono definiti dal protocollo al fine di permettere ai costruttori di ottimizzare le prestazioni del sistema combinando queste tecniche in modo opportuno Simone Redana 23 Maggio

46 Unsolicited Grant Service (UGS) Disegnato per supportare Service Flow realtime 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 uplink della SS Questo meccanismo consente di eliminare overhead ed i ritardi introdotti dal meccanismo di richiesta di banda garantire una banda costante che soddisfa i requisiti real-time dell applicazione Simone Redana 23 Maggio

47 Unsolicited Grant Service (UGS) La banda assegnata è composta da una componente costante che non varia una componente variabile in base alle condizioni di traffico La SS non deve utilizzare i meccanismi di richiesta a contesa Simone Redana 23 Maggio

48 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 banda Questo meccanismo consente soddisfare i requisisti real-time la SS richiede la banda di cui ha bisogno Simone Redana 23 Maggio

49 Real-time polling service (rtps) Questo meccanismo introduce maggiore overhead dovuto alle richieste la banda è quella necessaria e questo incrementa l efficienza La BS deve fornire banda per la trasmissione periodica delle richieste La SS non deve utilizzare il meccanismo a contesa Simone Redana 23 Maggio

50 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 Simone Redana 23 Maggio

51 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 Simone Redana 23 Maggio

52 Richiesta delle risorse a contesa La SS può richiedere banda in uplink adottando il meccanismo a contesa un messaggio di PiggyBack per richieste incrementali un messaggio di richiesta aggregato Bandwidth Request (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 Simone Redana 23 Maggio

53 Finestra di backoff La scelta dello slot in cui trasmettere il Bandwidth Request (BR) avviene adottando il meccanismo di backoff esponenziale binario troncato la base della finestra di backoff è 2 la dimensione iniziale viene decisa dalla BS La SS estrae un numero casuale all interno della finestra di backoff la 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 Simone Redana 23 Maggio

54 Meccanismo di backoff Se durante la richiesta non si verificano collisioni Frame n Frame n-1 Frame n+1 BW-REQ BW-REQ BW-REQ meccanismo di backoff esponenziale binario troncato SS i X i SS j SS k X k X j X min =2 min =2 0 0 =1 =1 X max =2 max =2 3 3 =8 =8 X i = i random(x random(x max ;X max ;X min ) min ) = 4 X j = j random(x random(x max ;X max ;X min ) min ) = 6 X k = k random(x random(x max ;X max ;X min ) min ) = 1 Simone Redana 23 Maggio

55 Risoluzione delle collisioni Invece, se si verifica una collisione la risoluzione della collisione avviene attraverso il meccanismo di backoff esponenziale binario troncato la dimensione della finestra di backoff viene incrementata di un fattore 2 la dimensione della finestra di backoff non può superare un massimo deciso dalla BS il numero di tentativi è limitato dalla BS Simone Redana 23 Maggio

56 Risoluzione delle collisioni Frame n-1 Frame n Frame n+1 BW-REQ DL #1 BW-REQ BW-REQ DL #1 X i SS i X i meccanismo di backoff esponenziale binario troncato X min =2 min =2 0 0 =1 =1 X max =2 max =2 3 3 =8 =8 X i = i random(x random(x max ;X max ;X min ) min ) = 4 X min =2 min =2 0 0 =1 =1 X max =2 max =2 4 4 =16 =16 X i = i = random(x random(x max ;X max ;X min ) min ) = 9 Simone Redana 23 Maggio

57 Meccanismo di richiesta a polling La BS allocata nel UL-MAP una banda che la SS può utilizzare per trasmettere Bandwidth Request può essere per connessione o per SS Se la banda non è sufficiente per attivare un unicast polling verso tutte le SS inattive allora è possibile adottare un multicast polling anche in questo caso il polling non è un messaggio esplicito ma una banda allocata nel messaggio UL- MAP SS con delle connessioni UGS attive devono porre ad 1 il bit poll-me nel Grant management sub-header per richiedere banda per il polling Simone Redana 23 Maggio

58 Profilo PHY Banda di frequenza [MHz] Duplexing Banda del canale [MHz] Certificazione: fase (con licenza) TDD FDD (senza licenza) TDD 10 Banda di frequenza [MHz] Duplexing Banda del canale [MHz] Certificazione: fase (con licenza) TDD FDD Simone Redana 23 Maggio

59 Esempio: Profilo 3.5 GHz Parametro Banda di frequenza Valore 3.5 GHz Modulazione Rate del codice R C Massimo throughput per simbolo OFDM [Mbps] Banda del canale (BW) 3.5 MHz BPSK 1/2 4.8 Banda totale 14 MHz QPSK 1/2 9.6 T FRAME 2, 4, 5 ms QPSK 3/ FFT size (N FFT ) QAM 1/ Data sub-carriers (N SD ) QAM 64-QAM 3/4 2/ QAM 3/ Θ = N SD log M T symbol R c Simone Redana 23 Maggio

60 MultiPoint-to-MultiPoint (Mesh) wireless / wired IEEE d Backbone Network Simone Redana 23 Maggio

61 Topologie Mesh TOPOGIA DISTRIBUITA R detected = 2 hop TOPOLOGIA CENTRALIZZATA R detected = HR threshold hop R decoded R detected MESH BS Simone Redana 23 Maggio

62 Frame Mesh (TDD) Frame n-2 Frame n-1 Frame n Frame n+1 Frame n+2 Control sub-frame Data sub-frame Control sub-frame Data sub-frame Schedule Control sub-frame TDM Portion Network Control sub-frame TDM Portion Central. Sched. Central. Sched. Distr. Sched. Network Entry Network Config. Network Config. Simone Redana 23 Maggio

63 Modalità Mesh centralizzata Mesh BS Request Grant Mesh SS Mesh SS Mesh SS Mesh SS Mesh SS Mesh SS Mesh SS Simone Redana 23 Maggio

64 Modalità Mesh distribuita Availabilities Requests Grant/Ack Mesh SS Mesh BS Mesh SS three way handshake Mesh SS Mesh SS Mesh SS Simone Redana 23 Maggio