Wimax Clase Parte 2

Radiocomunicaciones Mviles: T8. WiMAX

Tema 8: WiMAX

Ingeniera de Telecomunicacin

Escuela Superior de Ingeniera de Telecomunicacin Universidad Rey Juan Carlos

Curso 2012/13

Radiocomunicaciones Mviles: T8. WiMAX 2

ndice

Parte I. Visin global

Parte II. Descripcin de las capas fsica y de enlace.

1. Capa fsica. 2. Capa MAC

Parte III. Gestin de la movilidad


Perfiles de certificacin

No se define una nica manera de hacer las cosas, sino que el estndar el flexible.

Para asegurar interoperabilidad, el TWG del Forum WiMAX define conjuntos de caractersticas a los que llama perfiles.

Consisten en un conjunto de caractersticas de la capa PHY, la capa MAC, el sistema RF, la duplexacin y la potencia utilizada, que son de obligado cumplimiento para que un equipo pueda ser certificado con un determinado perfil.

Hay dos grupos: perfiles mviles y fijos.

Ejemplo de perfiles en la primera versin:

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First round profiles for initial certification process Frequency

Band [MHz] Duplexing Channelisation

[MHz]

3400 3600 TDD 3.5 7.0

FDD 3.5 7.0 5725 5850 TDD 10


Espeficaciones del PHY y tipos

El PHY de 802.16 define: Bandas Canalizacin Codificacin adaptativa Modulacin adaptativa Ecualizacin adaptativa Diversidad de antena Control de potencia Duplexacin

El IEEE 802.16 define diferentes tipos de PHY: WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA WirelessMAN-CS (


Canalizacin

WirelessMAN-SC: Canales de 25 y 28 MHz en cualquier banda de 11-66GHz.

WirelessMAN-SCa: Canales de 3.5 y 7 MHz en las bandas de 2.5 y 3.5GHz; canales de 10 y 20 MHz en la banda de 5GHz.

WirelessMAN-OFDM: Canales de 1,75; 3; 3,5; 5;5,5 y 7 MHz en bandas licenciadas; canales de 10 Mhz en banda no licenciada.

WirelessMAN-OFDMA: Canales de 1,25; 3,5; 7;8,75; 14; 17,5 y 28MHz en b.l.; canales de 10 y 20 Mhz en banda no licenciada.

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Tcnicas de duplexacin

TDD Necesita un nico bloque de espectro Especialmente eficiente en comunicaciones asimtricas Se benefician en mayor medida de algunas tcnicas de mejora

(antenas adaptativas, MIMO). Recomendadas en pico-celdas.

FDD Necesita espectro pareado. UL y DL de duracin fija. Menor eficiencia cuando la naturaleza de los datos vara Adecuado en celdas grandes (+ de 10 Km) No permitido en espectro libre

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Modulaciones

Modulaciones en el IEEE802.16


Modulaciones y adaptatividad

Varan desde QPSK a 64QAM. Tambin se puede modificar la tasa de codificacin

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Adaptatividad de la tasa de bit

Haciendo uso de diferentes modulaciones y anchos de banda se puede ofrecer canales con tasas de bit muy diferentes y adaptables al servicio final:

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Channel BW (MHz)

Symbol Rate (Msym/s)

Bit Rate (Mbps)

QPSK 16-QAM 64-QAM

20 16 32 64 96

25 20 40 80 120

28 22.4 44.8 89.6 134.4


Uso de las portadoras: Informacin. Pilotos. Guarda

El prefijo cclico es de duracin Tg. Si Td es el tiempo total del smbolo, en el estndar se utiliza el parmetro G = Tg/Td, que puede tomar valores , 1/8, 1/16 y 1/32, en funcin de lo grave que sea el multitrayecto.

En funcin de G, de la modulacin utilizada, y de la tasa de codificacin, se obtienen valores muy diferentes de tasa de bit.

OFDM

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PAPR en WiMAX

PAPR: es posible que la suma de las portadoras de altos valores de pico, lo cual es perjudicial para: Los amplificadores. Los conversores A/D. El consumo del terminal.

La consecuencia: distorsin de la seal y mayor consumo.

En la BS esto no tiene mayor importancia (ni el coste del amplificador o el A/D-D/A, ni el consumo).

En el MS es crtico: Se utilizan algunas portadoras para evitar este efecto (prdida de

tasa). Se definen secuencias de aleatorizacin que minimizan la

probabilidad de que haya un pico de potencia.

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Acceso TDMA/OFDMA

Tiempo: existe una unidad de tiempo bsica en el estndar 802.16, que se denomina Physical Slot (PS). Se corresponde con 4 smbolos, es decir: PS = 4 / fs. Cuando el estndar se refiere a un intervalo temporal lo har en

trminos de PSs.

Frecuencia: un conjunto de subportadoras forma un subcanal: Bajada: un subcanal estar destinado a un usuario o a un grupo

de usuarios. Subida: a un usuario se le asignar un subcanal. Las portadoras de un subcanal pueden ser adyacentes o no.

Un usuario por tanto tendr asignado un nmero de PS en unas portadoras determinadas.

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Organizacin de las subportadoras en subcanales

Dado un nmero total de subportadoras, existen diferentes maneras de agruparlas en diferentes subcanales y grupos de pilotos.

La forma en que se realiza esta agrupacin se denomina modo de permutacin, y existen varios de obligado cumplimiento en el estndar. Esto da mucha flexibilidad a la hora de alojar conexiones de usuario.

Dos familias: Modos distribuidos. Las subportadoras se distribuyen de forma

pseudoaleatoria en los subcanales. Permite obtener diversidad en frecuencia y reducir interferencias entre celdas. La estimacin de canal es ms difcil.

Modos adyacentes. Se consideran grupos de subportadoras adyacentes. Permite transmitir en la zona de frecuencia ms apropiada. Ms sencillo estimar el canal.

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Cadenas de transmisin OFDM y OFDMA

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PHYsical PDU para transmitir

Aleatoriz. Codificador FEC (CC,

TC) Entrelazado Modulacin

Al modulador

OFDM (IFFT)

La aleatorizacin introduce proteccin en la transmisin evitando largas cadenas de ceros o unos. Solamente se aplica a bits de informacin, no a los prembulos. Genera una secuencia pseudoaleatoria.


Perfiles de rfagas

Como existen formas muy diferentes de transmitir la informacin en trminos de modulacin, cdigo utilizado, etc, se definen unos perfiles de rfagas estndar. Cada perfil de rfagas define una serie de parmetros que son: Frecuencia FEC utilizado y modulacin (Modulation and Coding Scheme,

MCS). Son 20 posibles en OFDM y 34 en OFDMA. Por ejemplo el ms eficiente y menos robusto es 64-QAM 5/6, y el menos es BPSK .

DIUC (Downlink Interval Usage Code) mandatory exit threshold: CINR por debajo de la cual es necesario cambiar a otro MCS ms robusto.

DIUC mandatory entry threshold: CINR necesario para cambiar de un MSC ms robusto a ste.

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Adaptacin de MCS Poder cambiar de un MCS a otro (modulacin/codificacin adaptativa)

es una herramienta potente que permite aumentar la tasa de bit en promedio.

Es necesario establecer un algoritmo de adaptacin del enlace que permita aumentar el MCS o disminuirlo en funcin del estado del canal, medido a travs de los pilotos. El estndar no define este algoritmo.

Un ejemplo de valores umbrales para las transiciones puede ser el siguiente:

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Modulacin Tasa de codifi. SNR umbral BPSK 6.4 QPSK 9.4 QPSK 11.2 QAM-16 16.4 QAM-16 18.2 QAM-64 22.7 QAM-64 24.4


ndice



1. Capa fsica. 2. Capa MAC


Capas del IEEE 802.16


Generalidades del MAC

Tiene en cuenta que la transmisin es inalmbrica. Usa eficientemente el espectro. Servicios de Banda Ancha. Tasas de transmisin muy altas, tanto uplink como downlink. Las estaciones base estarn muy cargadas.

Varias necesidades de QoS. Ethernet, IPv4, IPv6, ATM. Seguridad: se encarga el subnivel de seguridad. Soporta las distintas alternativas PHY.

Funciones interesantes: Fragmentacin y empaquetamiento. ARQ (varios tipos, entre ellos el H-ARQ).

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Capas del IEEE 802.16: subcapa de convergencia


Subcapa de convergencia

Funciones: Aceptar PDUs del nivel de red. Clasificar los PDUs que vienen del nivel de red. La clasificacin

se realiza por flujos de servicio. Procesar los PDUs en funcin de la clasificacin (por ejemplo,

compresin de cabeceras). Entregar los paquetes al MAC.

Ejemplos: IPCS, Ethernet-CS, ATM-CS, GPCS (General Packet CS).

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Definiciones

Flujo de servicio: flujo unidireccional de paquetes con un conjunto determinado de parmetros de QoS que est identificado mediante un Service Flow Identifier (SFID). de 32 bits.

Conexin: conexin punto a punto entre entidades MAC del mismo nivel, por las que se cursa trfico. Se identifica con CID de 16 bits.

Un SFID se corresponde con ningn o con un CID, en funcin de si el flujo de servicio est solamente provisionado (se contempla que se puede necesitar, pero an no tiene conexin asociado) o admitido o activo.

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Service Flow Conexin 0 o 1

1


Flujos de servicio

Cada flujo de servicio llevar asociados unos determinados valores aceptables de throughput, retardo y jitter, que se especificarn: Incluyndolos especficamente Indirectamente, refiriendose a una clase de servicio Especificando una clase de servicio y modificaciones a sus

parmetros.

Las clases de servicio son objetos opcionales, con un nombre en ASCII, definidos en la BS por el operador de la red.

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Conexiones y flujos

Los flujos de servicio se definen parcialmente por los siguientes atributos:

SFID: identificador de 32 bits. ProvisionedQoSParamSet: conjunto de parmetros de QoS

accedidos por mecanismos externos a 802.16. AdmittedQoSParamSet: conjunto de parmetros QoS

ofertables por SS y BS mediante una reserva de recursos realmente disponibles. CIDs asociados, flujos an no activos.

ActiveQoSParamSet: conjunto de parmetros QoS que definen el servicio que realmente est siendo proporcionado.

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Flujos de servicio

Dos formas de autorizacin de activacin de flujos de servicio Esttica: los servicios posibles se establecen de antemano, no

se admiten cambios. Dinmica: los flujos de servicio pueden ser creados,

modificados y eliminados, a solicitud tanto de la BS como de la SS.

Cuando un cliente se da de alta, sus requerimientos de QoS y nmero de conexiones deseadas se configuran en una base de datos, de la que la BS se descargar esos parmetros (provisin).

Unos flujos de servicio provisionados pueden ser admitidos si el AdmittedQoSParamSet es un subconjunto del Provisioned...

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Flujos de servicio

Existen, por tanto, tres tipos de flujos de servicio:

Aprovisionados: creados por mecanismos externos a 802.16, pero an no admitidos, y sin CID's.

Admitidos: la BS ya ha reservado recursos para su Admitted QosParamSet, y ya tiene CID's asociados, pero an no activo. Pueden haber sido creados dinmicamente o aprovisionados.

Activos: recursos comprometidos por la BS para su ActiveQoSParamSet. Ya se est cursando trfico.

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Clasificacin, mapeo y QoS

Los datos provenientes de capas superiores se clasifican en funcin de algn criterio que dependa del protocolo superior (por ejemplo, la IP destino, una marca que pongan los niveles superiores...).

Si un paquete cumple un determinado criterio de clasificacin se mapea al CID apropiado, que lleva asignado un flujo de servicio, y por tanto valores de QoS.

En general los parmetros ms importantes de QoS utilizados para definir un flujo de servicio y poder realizar la planificacin de recursos son: QoS class (best effort, nrtPS, rtPS, UGS) Prioridad. Mxima y mnima tasas de trfico. Mximo tamao de rfaga. Latencia mxima, y mximo jitter.

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Capas del IEEE 802.16: subcapa MAC Common Part


Funciones

En funcin del estndar (802.16-2004, 9 o m) es diferente.

En la ltima versin (la m, mvil) tiene dos partes: Radio Resource Control and Management (plano de control)

Gestin de recursos radio. Gestin de la movilidad, de la localizacin. Gestin de las conexiones y los flujos

Mac Sublayer (plano de control y plano de usuario) Control del nivel fsico. Scheduling y multiplexacin. Gestin de la interferencia.

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Conexiones

La capa MAC es orientada a conexin. Las conexiones pueden ser de gestin o de transporte. Cada conexin unidireccional se caracteriza por un identificador

de 16 bits (CID). Pueden ser unicast, multicast o broadcast.

Conexiones permanentes: broadcast, initial ranging.

Otras conexiones se crean/modifican dinmicamente.

Cada SS recibe todas las PDU's del Downlink, pero examina el CID de cada una y se queda slo con las que le corresponden.

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Conexiones

Cada SS tiene 3 conexiones bidireccionales de gestin, con distinta QoS, cuyos CIDs son reservados: Conexin bsica: mensajes de gestin urgentes y sensibles al

retardo. Conexin primaria: mensajes de control urgentes pero ms

tolerantes al retardo, como autenticacin y establecimiento de la conexin.

Conexin secundaria: paquetes de gestin de protocolos superiores (sobre IP): SNMP, otros protocolos de gestin.

Una vez establecidas las conexiones de gestin, se pueden establecer conexiones de transporte.

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Planificacin y adaptatividad del enlace

Planificacin: mecanismo que permite un distribucin justa de recursos radio entre los diferentes usuarios del sistema.

Cada conexin se asocia con un flujo de servicio caracterizado por unos valores de QoS.

Hay 4 clases de QoS posibles: Unsolicited Grant Service (UGS) real-time Polling Service (rtPS) non-real-time Polling Service (nrtPS) Best effort

Una vez establecida la conexin el QoS debe mantenerse. Para ello, se modifica la modulacin y la codificacin en funcin de la calidad del enlace y del QoS requerido.

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Servicios de planificacin

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Servicios de planificacin

Canal de bajada: la BS lo hace todo directamente en funcin de los datos recibidos, las prioridades, la calidad de seal recibida, etc.

Canal de subida: mecanismo de solicitud/aceptacin, para que la BS asigne el ancho de banda que cada conexin requiera a cada SS.

Este servicio de logra mediante una combinacin no completamente definida en el estndar (sujeta a optimizacin) de: Asignacin de ancho de banda no solicitada. Sondeo. Contienda.

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Solicitud de ancho de banda

Salvo UGS, que tiene recursos asignados sin necesidad de solicitud, se utiliza un acceso mltiple por asignacin bajo demanda.

Las solicitudes de recursos han de especificar N de bytes a transmitir, incluyendo cabecera MAC y datos.

La BS indica a la SS los recursos asignados.

La SS solicita BW para un CID especfico, pero la BS lo asigna para la conexin bsica. La asignacin no es determinista. Si la SS recibe menos de lo que pidi, puede descartar o volver

a pedir segn un mecanismo de back-off. Si no hay respuesta, se repite la solicitud pasado un tiempo.

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Trama OFDMA (estndares mviles)

Ahora el mapeo se hace en tiempo y en frecuencia. La misma trama puede tener diferentes zonas de permutacin (la

forma en cmo las subportadoras se mapean en subcanales).

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ndice



Parte III. Gestin de la movilidad


WiMAX: gestin de la localizacin

Cuando un terminal est en estado idle: Varias BS pertenecen a un grupo de aviso (paging group). El MS recibe mensajes de difusin desde la BS sin necesidad

de registrarse. Si el MS detecta un cambio de grupo de aviso, realiza un

procedimiento de actualizacin, informando a la red en qu grupo de aviso est.

El terminal puede estar en dos modos: MS paging-unavailable interval. MS paging-listen interval.


WiMAX: gestin del handover

Requisitos: 50ms de latencia en el handover, con una prdida de paquetes mxima del 1%, para la mxima velocidad: 120 Km/h.

Se mide la RSSI y la SINR.

Dos procedimientos opcionales: Macro-diversity handover (MDHO)

Conexin simultnea a varias BS (una de ellas es el ancla). Las seales en el downlink se combinan. En el uplink, se elige la seal mejor de entre las recibidas por cada BS.

Fast base station switching (FBSS).

Inicio: decisin por BS o MS

Intercambio de inform. nuevas BS

Sincronismo nueva BS

Ranging nueva BS

Desconexin antigua BS


WiMAX: movilidad IP

WiMAX define dos tipos de movilidad: Anclada en la red de acceso (ASN-Anchored): ningn efecto sobre

la red de conectividad, y por tanto sobre el nivel IP. Anclada en la red de conectividad (CSN-Anchored): un mvil se

desplaza entre diferentes redes de acceso (por ejemplo controladas por diferentes proveedores de acceso).

CSN-Anchored Mobility para IPv4. Dos opciones: Centrada en el terminal mvil

El terminal adquiere una care-of address desde la red de acceso. Cuando se mueve a otra red de acceso, obtiene una nueva care-of address. El home address se obtiene de la red central (CSN), que siempre es la misma. El tnel se establece entre el home address y cada care-of address.

Centrada en la red de acceso: Transparente para el MS. El care-of address est en la red de acceso, y esta identifica al MS (que no

cambia su IP).


Bibliografa

"Reaching sustained growth in the WiMAX market. A survey of WiMAX operators, with a subscriber forecast for 20092014". Senza Filli Consulting. http://www.wimax.com/whitepapers/senza-fili-reaching-sustained-growth-in-the-wimax-market.pdf

Fundamentals of WiMAX: understanding broadband wireless networking. 3rd edition. J. G. Andrews. Prentice Hall, 2007.

WiMAX: a wireless technology revolution. G. S. V. Radha Krishna Rao. Auerbach, 2008.

Mobile WiMAX. A systema approach to undertanding IEEE 802.16m Radio Access Technology. Sassn Ahmadi. Ed. Elsevier. 2011.

www.wimaxforum.org 41

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