Roberto García Fernández José Ángel Vallejo...

Redes y servicios móvilesRedes IEEE 802.16 / WiMAX

Roberto García FernándezJosé Ángel Vallejo Pinto

Universidad de Oviedo

Área de Ingeniería Telemática

Redes y servicios móviles Redes IEEE 802.16 / WiMAX 1/35

Índice

Introducción.IEEE 802.16 / WiMAX.

Normalización.

Características técnicas.

Capa de acceso al medio (MAC).Capa física (PHY).

Servicios y prestaciones de WiMAX.


IngenieríaTelemática

Introducción

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)es una tecnología radio de banda ancha para redesmetropolitanas basada en los estándares desarrollados porel grupo IEEE 802.16.Alternativa a otras tecnologías de banda ancha.

ADSL, cable, PLC o satélite.

Solución económica para el despliegue rápido de redes enáreas sin cobertura de banda ancha.

Cobertura hasta 50 Km de la estación base.Servicios de acceso a Internet y telefonía.Grandes anchos de banda (hasta 70 Mbps).Garantía de calidad de servicio (QoS).



WiMAX Forum

Es una entidad privada, independiente de IEEE, quepromociona y certifica la compatibilidad e interoperabilidadde equipos basados en el estándar IEEE 802.16.La certificación se basa en «perfiles» que especificancaracterísticas obligatorias y opcionales comosubconjuntos de 802.16.El ámbito de IEEE 802.16 se limita a los niveles 1 y 2,mientras que el WiMAX Forum está desarrollando lasespecificaciones de los niveles superiores.Es un «usuario» de los estándares 802.16, lo que implicaque son posibles otras implementaciones de los mismos.



Competencia en acceso inalámbrico de banda ancha

FuenteO4SIEMENS4SkyMAX

Posicionamiento4de4Tecnologías4Inalámbricas

Sistemas4CG4>)(x(

Sistemas4CG4>)(x(

Movilidad L4Rango

Bit rate

x( Mbps(Wx

IEEEU()Wxjd

x x((

IEEEU()Wxje

WLANRIEEE4U()WxxxB

GSMGPRS

DECT

Bluetooth

EDGE

Fija

Ca

min

ata

Ve

híc

ulo

Interiores

Pedestre

Alta4velocidad

VehicularRural

Area4Personal

VehicularUrbano

Fijo4Urbano

Nomádico

WiMAX4para4DSL4

inalámbrico con4

mov ilidad4lim itada

Flash6OFDM

UMTS

HSDPA



WiMAX frente a WiFi

WiMAX•íRedídeíáreaíextensaí(MAN,íWAN)•íEntornoíruralíyíurbano•íCalidadesídeíservicio•íVoz,ívídeoíyídatos

WiFi•íRedídeíáreaílocalí(LAN)•íCoberturaílimitada•íInternetíyídatos



Funcionamiento de la red WiMAX

NLOS (Non Line Of Sight).

Frecuencias más bajas(2–11 GHz).

Señal no interrumpida porobjetos.

LOS (Line Of Sight).

Línea más estable y robusta.Mayor cantidad de datos contasa de error baja.Frecuencias más altas.

Menos interferencia.Ancho de banda mayor.



Evolución I

IEEE 802.16-2001Accesos fijos LOS

IEEE 802.16-2004Accesos fijos

móviles (NLOS)

IEEE 802.16e-2005Accesos fijos y

móviles

AccesoIfijoenIexteriores

AccesoIfijoenIinterioresBackhaul

AccesoInómadaMovilidadIreducida Fuente:ITecnologíasIdeIbandaIancha

yIconvergenciaIdeIredesMinisterioIdeIIndustria,

TurismoIyIcomercio



Evolución II - Características

IEEEofT/M3K,/TT3 IEEEofT/M3K,/TTQ IEEEofT/M3Ke,/TTP

Fechaodeopublicación Diciembreo/TT3 Octubreo/TTQ Diciembreo/TTP

Bandaodeooperación 3T,KKoGHz /,33oGHz /,KGHzBandaodeooperación 3T,KKoGHz /,33oGHz /,KGHz

Visiónodirecta Sío(LOSL Noo(NLOSL Noo(NLOSL

Anchoodeobanda porocanal

/TAo/PAo/foMHz Variableoentre3MPMHz yo/ToMHz

Variableoentreo3MPMHz yo/ToMHz

Tasasodeobit 7/,37QMbitys(canalesodeo/fMHzL

HastaovTMbitys(canalesodeo/TMHzL

Hastao3PMbitys(canalesodeoPMHzL

Modulación QPSK3KQAM

OFDMo/PKOFDMAo/TQf

OFDMo/PKOFDMAo/TQf

KQQAM QPSKy3KQAMyKQQAM QPSKy3KQAMyKQQAM

Movilidad Accesoofijo Accesoofijooooportable Accesoomóvil

Radioodeocélulaotípico 3MP,PKm P,fKmo(máxMoPTKmL 3MP,PKm



Evolución III - IEEE 802.16m

Conocida como WiMAX 2 o WiMAX Release 2.En octubre de 2009, IEEE la propone como candidata paratecnología estándar 4G.En octubre de 2010 la ITU aceptó la propuesta.

Los sistemas basados en IEEE 802.16m ya han demostradoser capaces de proporcionar rendimientos máximos porencima de 300 Mbps con un simple espectro de 20 MHz.

Publicación del estándar en mayo de 2011.Proporciona los siguientes caudales:

100 Mbps en movilidad.Hasta 1Gbps para accesos fijos.

Es un estándar abierto, por lo que resulta barato deimplementar para los fabricantes de dispositivos.Compite con LTE.



Bandas de operación

Con licencia.3,5 GHz (banda LMDS. Licencias en marzo de 2000)3400 MHz 3420 MHz 3440 MHz 3460 MHz 3480 MHz 3500 MHz 3520 MHz 3540 MHz 3560 MHz 3580 MHz 3600 MHz

A B C D A’ B’ C’ D’

Bloque A: Clearwire España.Bloque B: Neo-Sky.Bloque C: Iberbanda (cobertura en Asturias).Bloque D: ONO.

2,5 GHz. En España está en estudio su utilización parasistemas móviles de banda ancha (WiMAX Mobile, LTE).

Sin licencia.2,4 GHz. Muchas interferencias por el gran número dedispositivos que la usan (IEEE 802.11b/g, Bluetooth, etc.).5 GHz. Pérdidas de propagación más elevadas pero menosinterferencias. Posibles problemas legales impredecibles.



Topología

Red inalámbrica metropolitana.

Residentialcustomer

RepeaterSMEcustomer

Multi-tenantcustomers

SOHOcustomer

Base Station

Base Station

Corenetwork

Source: Nokia Networks



Modos de operación I

Punto a multipunto (PMP): tráfico entre las estaciones base(BS) y las estaciones de abonado (SS).

Repetidor

Estación base

Corenetwork



Modos de operación II

Red mallada (mesh): tráfico entre las estaciones deabonado directamente.

Mesh BS

Estación base

Corenetwork

Mesh BS Mesh SS

Mesh SS

Mesh SS

Mesh SS

Mesh SS

BS: Base Station

SS: Subscriber Station



Arquitectura de protocolos I

ServiceLSpecificConvergenceGSublayer

SecurityGSublayer

PhysicalGSublayer CapaGfísica

CommonGPartGSublayerRMACGCPST

PHY SAP

MAC SAP

CS SAP

MAC

Ent

idad

esGd

eGG

estió

n

PlanoGdeGcontrolGyGdeGdatos

802N16

RedesGATM RedesGdeGpaquetesGREthernetVGVLANVGIPT



Arquitectura de protocolos II - subcapas de MAC

Service-Specific Convergence Sublayer (CS):

Clasificación de paquetes: clasifica paquetes de capas superiorescon una QoS determinada.Supresión de información redundante de las cabeceras.

Common Part Sublayer (CPS):

PDU operation: formar MPDU y ráfagas para la capa física.Connection Management: crear y mantener conexiones.QoS Scheduling: planificar recursos del medio inalámbrico yproporcionar diferenciación mediante QoS.Airlink Control: adaptar canales inalámbricos a los errores en latransmisión.Network Entry: Asociar SS con BS al entrar y salir de la red.Mobility Management: Gestionar el traspaso de las SS cuandoestán en itinerancia.Power Management: Apagar equipos móviles para mejorar laeficiencia energética.Multicast and Broadcast Service (MBS): Soportar multicast ybroadcast.



Formato de la PDU MAC I

Consta de una cabecera obligatoria y de una carga y CRCopcionales.Hay dos tipos:

Generic MAC Header (GMH).

Bits 1 1

HT EC

1 2 1 11

CI Rsv

6 1

Rsv LEN

16

CID

8

HCSEKSType

Payload)Aoptional)A0)to)2041)bytes)

Generic)MAC)HeaderA6)bytes)

CRC)Aoptional)A4)bytes)

Bandwidth Request Header (BRH).

Bandwidth request

Bits 1 1

HT EC

193 16

CID

8

HCSType

Bandwidth request header(6 bytes)



Formato de la PDU MAC II - GMH

Header Type (HT): Un único bit de valor 0.Encryption Control (EC): Carga cifrada (1) o no (0).Type: Indica el tipo de contenido de la PDU.Reserved (Rsv): Campos reservados (00).CRC Indicator (CI): La PDU lleva CRC (1) o no (0).Encryption Key Sequence (EKS): Sólo aplicable si EC=1.Length (LEN): Longitud de la PDU, incluida la cabecera yel CRC (si existe).Connection IDentifier (CID): Representa el identificadorde la conexión del usuario.Header Check Sequence (HCS): Se usa para detectarerrores en la cabecera.



Formato de la PDU MAC III - BRH

Header Type (HT): Un único bit de valor 1.Encryption Control (EC): Un único bit de valor 0, queindica no cifrado.Type: Indica el tipo de BRH. Puede tener dos valores: 000para solicitud de ancho de banda incremental y 001 parasolicitud de ancho de banda agregada.Bandwidth request (BR): Número de bytes solicitados.Connection IDentifier (CID): Identificador de la conexiónpara la que se solicita ancho de banda en el enlaceascendente.Header Check Sequence (HCS): Se usa para detectarerrores en la cabecera.



Servicios de la PDU MAC

La subcapa CPS proporciona los siguientes servicios:Fragmentación y empaquetado de MAC SDU en MAC PDU.

Fragmentation Subheader (FRAG SHR).Packing Subheader (PACK SHR).

Concatenación de PDU de la capa MAC en SDU de la capafísica.



Soporte de QoS I

Asignación eficiente de los recursos disponibles paracumplir los requisitos de QoS de cada conexión/servicio.



Soporte de QoS II

La planificación de prioridades está determinada por unconjunto de parámetros de QoS.



Capa física I

Modulación OFDM de 256 subportadoras. De ellas se usan 200 paradatos (192) y pilotos (8).Modulaciones BPSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM.Codificación FEC concatenada con códigos Reed-Solomon yconvolucionales. La utilización de turbocódigos es opcional.Incluye diversidad en transmisión (STC: Space-Time Coding) ysistemas de antenas adaptativas (AAS: Adaptive Antenna System)como opcionales.Soporta el modo MESH.Permite el uso de subcanalización en el UL: Un usuario no transmite entodas las portadoras, sino en un subconjunto de ellas.IEEE 802.16 contempla diferentes anchos de canal (1,75, 3,5, ...,20 MHz) y dos posibilidades de multiplexado (FDD y TDD).Para asegurar la interoperabilidad de los equipos el WiMAX Forumdefine «perfiles» que son subconjuntos de posibles combinaciones.



Capa física II - Acceso múltiple OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access.

Asignación ortogonal para acceso múltiple.Reduce las interferencias.



Capa física IIIPermite trabajar con uno o más canales de 1,5 MHz.

En Europa 1,75 MHz.Adaptación a las necesidades particulares del tráfico.Las tasas de bit ofrecidas dependen del ancho del canal y de la tasa decodificación:

Con 20 MHz de ancho de banda:Hasta 100 Mbps en bajada.Hasta 30 Mbps en subida.

Con 10 MHz de ancho de banda:Hasta 63 Mbps en bajada.Hasta 20 Mbps en subida.

En la práctica se obtienen tasas binarias menores, porque laeficiencia disminuye con la distancia.

Bandas de operación por debajo de 6 GHz:Despliegues comerciales 2,3 - 2,5 - 3,5 GHzEn España, el CNAF especifica:

Banda licenciada: 3,5 GHzBanda libre: 5,4 GHz (exige estudios espectrales)

Servicios de emergencias 4,9 GHzRedes y servicios móviles Redes IEEE 802.16 / WiMAX 25/35


Capa física IV - Control del enlace radio

Modulación adaptativa.Selección del esquema de modulación y codificación.Basado en la calidad del enlace.Modulaciones QPSK, 16QAM, 64QAM.

64QAM 2/321.33Mbps

16QAM 1/210.67 Mbps

QPSK 1/25.33 Mbps



Capa física V - Cobertura I



Capa física VI - Cobertura II



Modelo de referencia de red (NRM) I

Usuario

ASN(Access Service Network)

BS

BS

R6

R6

R6

R1

R2

R3

ASNGateway

Home-CSN(Connectivity Service Network)

MIP-FA

Auth

Otro ASN

PMIPClient

ASNGateway

NAPProveedor de red de acceso

NSPProveedor de servicio de red

H-AAA

MIP-HA

Internet-o-ASP(Application Service

Provider)

SS-/-MSSubscriber Station /

Mobile Station

MIPClient

BS

Usuario

ASN(Access Service Network)

BS

BS

R6

R6

R6

R1

R2

R3

ASNGateway

Home-CSN(Connectivity Service Network)

MIP-FA

Auth

Otro ASN

PMIPClient

ASNGateway

NAPProveedor de red de acceso

NSPProveedor de servicio de red

H-AAA

MIP-HA

Internet-o-ASP(Application Service

Provider)

SS-/-MSSubscriber Station /

Mobile Station

MIPClient

BS



Modelo de referencia de red (NRM) II

Objetivo:Provisión de servicios de acceso a Internet con soporte demovilidad.

WiMAX Forum define NRM.Arquitectura de red WiMAX basada en IP.Soporta a usuarios fijos, nómadas y móviles.

La red se divide en tres partes.Terminales (MS).Red de acceso (ASN).

Estaciones base (BS) y pasarela (ASNG).

Red de conectividad (CSN).Elementos de conmutación y control.Conectividad IP hacia otras redes.Asignación de direcciones IP, autenticación, localización,movilidad, gestión de QoS, . . .



Servicios y prestaciones

Servicios.

Acceso a Internet de alta velocidad.Voz (VoIP).Transmisión de datos.Conectividad a Internet para redes Wifi / GSM / GPRS/ UMTS.

Prestaciones.

Gran ancho de banda

hasta 70 Mbps por usuario y hasta 420 Mbps por estación base.

Rápido despliegue (hasta 50 Km de cobertura).Fácil instalaciónGarantía de calidad de servicio

Prestación de servicios WiMAX en frecuencias de uso exclusivo

Alta eficiencia en el uso del espectro y estabilidad.Transmisión simultánea de voz, datos y vídeo.



Tasas binarias

QPSK 16QAM 64QAM

Tasazdez Tasazdez Tasazdez

Unidades MbitXs codificación codificación codificación

1X2 3X4 1X2 3X4 2X3 3X4

Anc

hode

zcan

al

1W75MHz 1W04 2W18 2W91 4W36 5W94 6W55

3W5MHz 2W08 4W37 5W82 8W73 11W88 13W09

5MHz 4W16 6W28 8W32 12W48 16W63 18W70

7MHz 4W15 8W73 11W64 17W45 23W75 26W18

Anc

ho

10MHz 8W31 12W47 16W63 24W94 33W25 37W40

20MHz 16W62 24W94 33W25 49W87 66W49 74W81

• Dependenzdezanchozdezbandazdelzcanalzyzdelztipozdezmodulación• Tasaszbinariaszenzcondicioneszóptimaszdezpropagación

TasaszbinariasWiMAX

Tipozdezmodulación



Prestaciones: Alcance-Tasa

Radios de cobertura típicos:Entornos urbanos.

1-3 Km.Alta densidad de usuarios.

Entornos rurales.

5-10 Km.Baja densidad de usuarios.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mbiths

km

LOS

NLOS•Rural

NLOS•Urbano

• Enlace•WiMAX fijo• Banda•3z5•GHz• Ancho•de•canal•3z5•MHz



Servicios

Telefonía.WiMAX adecuada para este servicio.Mecanismos para garantizar requisitos de retardos:

Clases de servicio UGS, rtPS, ertPSAcceso a Internet.

Acceso de banda ancha en zonas sin otra cobertura.Videostreaming factible si no hay muchos usuarios.Juegos en red también factible gracias a la baja latencia.Descargas P2P.

Consumo de recursos elevado en DL y UL.Problemas de escalabilidad a los operadores.Mecanismos de regulación de tráfico.

Distribución de TV.Calidad SDTV (Standard Definition Television).Tasa de 2-5 Mbps por canal.Número elevado de canales consumen gran ancho de banda.Tecnología no adecuada para distribución de TV estándar.



Madurez de la tecnología y del mercado

Primer laboratorio de certificación de equipos WiMAX.Cetecom Labs, Málaga.Julio de 2005.

WiMAX Forum.73 productos certificados de 28 fabricantes (2008).

Fabricantes de productos certificados.Motorola, Huawei, NEC, Alvarion, Alcatel-Lucent, Siemens, . . .

Primeras redes WiMAX fijas.Despliegues en 2006.

Primer despliegue comercial.Servicio WiBro de Korea Telecom (2007).

Modem USB para ordenadores portátiles.España.

Oferta de servicios WiMAX fijo (Operador Iberbanda).Pruebas piloto de WiMAX móvil.



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