curs 5 sistemul wimaxusers.utcluj.ro/~dtl/stla/cursuri/curs_stla_05.pdf · 2019-11-02 · de ex. un...

CURS 5SISTEMUL WIMAX

CONF. DR. ING. ZSOLT POLGÁR

Ș.L. DR. ING. ZSUZSANNA ȘUTA

DEPARTAMENTUL DE COMUNICAȚII

CUPRINS

❑ Caracteristici principale

❑ Modelul de referință WiMax

❑ Nivelul fizic WiMax

❑ Nivelul MAC WiMax

❑ Transmisia în uplink

❑ Asigurarea QoS

❑ Mobilitate în WiMax

2019-2020STLA - Curs 5 2

INTRODUCERE

❑ WiMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access) este descris de standardele IEEE

802.16

o Primele specificaţii complete au apărut în 2004

o Reprezintă un standard pentru sisteme de acces wireless de bandă largă de tip punct la

multipunct (Point-to-Multipoint - PMP)

o Caracteristici de bază:

▪ Raza de acoperire: 50km

▪ Debit de transmisie până la 70Mbps

▪ Benzi de frecvenţă utilizate: benzi alocate şi nealocate în benzile de 2-11GHz şi 10-66GHz

▪ Vizibilitatea directă nu este necesară între staţia de bază (BS) şi terminal

2019-2020STLA - Curs 5 3

INTRODUCERE

o Standardul defineşte nivelul MAC şi nivelul fizic

o Standul 802.16 este compus din mai multe variante de standard:

▪ 802.16 (2001):

• Utilizează benzi de frecvenţă în domeniul 10 – 66GHz (LOS)

• Nivel fizic bazat pe tehnică „single carrier”

• Orientat conexiune, nivel MAC TDM/TDMA, asigură QoS şi securitate

▪ 802.16a:

• Utilizează benzi de frecvenţă alocate şi nealocate între 2 şi 11Ghz

• Suportă reţele de tip „mesh”

• Este destinat utilizării în reţele wireless fixe sau nomadice

▪ 802.16b:

• Măreşte lărgimea de banda utilizată în benzile de 5 şi 6GHz

• Asigură QoS pentru servicii de timp real

2019-2020STLA - Curs 5 4

INTRODUCERE

▪ 802.16c:

• Permite utilizarea benzii de frecvenţă 10 - 66GHz

▪ 802.16d:

• Aduce o serie de îmbunătăţiri standardului 802.16a

▪ 802.16e:

• Aduce o serie de îmbunătăţiri şi permite aplicaţii mobile

• Permite „handoff” rapid necesar comunicaţiilor în condiții vehiculare

▪ 802.16j:

• Permite utilizarea releelor fixe şi mobile

• Sistemul constă din două elemente de bază şi anume:

• Punctul de acces WiMAX (tower), este similar cu staţia de bază a unei reţele celulare

• Receptorul WiMAX (receiver), poate fi o mică cutie externă calculatorului sau un card, sau

poate fi direct inclus într-un calculator

2019-2020STLA - Curs 5 5

INTRODUCERE

❑ Standardul 802.16: tehnologie de acces de bandă largă care oferă alternativă pentru

accesul pe cablu:

o Specifică un protocol pentru o reţea metropolitană

o Alternativă pentru reţelele WiFi, care nu sunt potrivite pentru reţele de bandă largă outdoor

❑ Standardul adresează problemele legate de mediul de propagare radio (atât outdoor cât

şi indoor) şi aspectele de QoS cerute de accesul de bandă largă

o Aplicaţii principale WiMax:

▪ Acces de bandă largă fix, nomadic sau mobil (last-mile broadband access)

▪ Reţea de transport („backhaul”) pentru celule utilizate în comunicaţii mobile sau pentru hotspot-uri WiFi

▪ Conexiuni de viteză mare pentru rețele corporate

▪ Aplicații de timp real

2019-2020STLA - Curs 5 6

CARACTERISTICI PRINCIPALE

❑ Caracteristicile principale ale nivelului fizic şi MAC WiMax:

o Alternative nivel fizic:

▪ SC (Single Carrier), SCA (Single Carrier Access), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) şi

OFDMA (OFDM Access)

▪ Operaţii de tip vizibilitate directă (LOS) şi fără vizibilitate directă (NLOS)

o Opţiuni multiple pentru:

▪ Lărgime de bandă canal

▪ Lungime cadru

▪ Tehnică de duplexare (TDD – Time Division Duplexing, FDD – Frequency Division Duplexing)

▪ Suport pentru terminale Half-Duplex

▪ Codare canal

▪ Lungime prefix ciclic

2019-2020STLA - Curs 5 7


▪ Suport pentru tehnologii de antenă multiplă

• Antene adaptive (AA)

• Diversitate de transmisie (STC – Space Time Coding, MIMO)

▪ Adaptarea legăturii

▪ Modulaţie şi codare adaptivă separate pe fiecare utilizator

▪ Gestionare echilibru dintre capacitate / robusteţe în timp real

❑ Varianta 802.16e este perceput în general ca şi o versiune mobilă a standardului

o În realitate această variantă are un scop dublu:

▪ adaugă facilităţi pentru mobilitate

▪ noi extensii ale procesărilor din nivelul fizic:

• Se propune o variantă îmbunătăţită de modulaţie OFDM şi de acces OFDMA, variantă numită

„Scalable OFDMA (SOFDMA)”

2019-2020STLA - Curs 5 8


o Avantaje 802.16e:

▪ Lărgime de bandă scalabilă

▪ Performanţe bune în medii cu întârziere mare

▪ Rate de transfer ridicate

▪ Opţiunea TDD permite utilizarea unei benzi de frecvenţă mai reduse

▪ Suportă tehnologii multiantenă

o Dezavantaje 802.16e:

▪ Raport PAPR mare („Peak-to-Average Power Ratio”)

▪ Performanţe mai reduse în condiţii de interferenţă semnificativă

▪ Performanţe mai reduse în condiţii de împrăştiere Doppler mare

▪ Overhead de semnalizare mare

▪ Disponibilitatea spectrului

2019-2020STLA - Curs 5 9

MODELUL DE REFERINȚĂ WIMAX

❑ Include stratul fizic și stratul MAC; stratul MAC este compus din mai multe substraturi

2019-2020STLA - Curs 5 10


o Între stratul MAC şi stratul fizic se găseşte substratul TC (Transmission Convergence):

▪ Asigură adaptarea pachetelor MAC PDU la formatul cuvintelor FEC

▪ Permite identificarea următoarelor pachete MAC PDU în cazul eronării unor blocuri FEC

o Substratul MAC CS (Service Specific Convergence Sublayer):

▪ Asigură maparea datelor recepţionate din reţele externe, prin intermediul CS SAP (CS Service Access

Point) în pachete MAC SDU (MAC Service Data Units) transmise către MAC CPS prin MAC SAP

• Această operaţie include clasificarea SDU-urilor din reţele externe, asocierea cu identificatoare

conexiune (Connection Identifier) şi fluxuri de serviciu MAC, suprimarea unor headere, etc.

▪ Adaptează unităţile de date ale protocoalelor din straturile superioare (pachete IP, celule ATM, etc) la

formatul unităţilor MAC SDU şi viceversa

▪ Sortează unităţile MAC SDU în funcţie de conexiunile la care aparţin

2019-2020STLA - Curs 5 11


o Substratul MAC CPS (MAC Common Part Sublayer):

▪ Asigură funcţiile MAC de bază cum ar fi: uplink scheduling, cerere şi alocare bandă, stabilire

conexiune, întreţinere conexiune, ARQ şi ranging

▪ Primeşte date prin MAC SAP asociate la conexiuni MAC particulare

▪ QoS este aplicat pentru scheduling şi transmiterea datelor prin canalul fizic

▪ Nivelul MAC conţine un substrat separat Privacy Sublayer, care asigură autentificare, criptare,

schimbare securizată de chei de criptare

o Între straturile fizic şi MAC CPS se transferă prin PHY SAP date, informaţii de control pentru

nivelul fizic şi date statistice

o Nivelul fizic include mai multe specificaţii corespunzătoare unei anumite benzi de frecvenţă şi tip

de aplicaţie

2019-2020STLA - Curs 5 12


o Conexiunile asigurate de sistemul WiMax sunt de tipul punct la multipunct :

▪ Sistemul se comportă mai mult ca şi Wireless MAN decât un LAN

▪ Primele variante ale standardului au fost dezvoltate să asigure accesul la o reţea publică („first mile

access to public networks”)

2019-2020STLA - Curs 5 13

NIVELUL FIZIC WIMAX

❑ Primele versiuni ale standardului 802.16a sunt destinate transmisiilor la frecvenţe mari, în

banda 10 – 66GHz de tipul LOS

❑ Versiuni ulterioare sunt destinate operării în banda de frecvenţe 2 – 11 GHz

o În aceste benzi sunt posibile legături de tip NLOS – nu sunt posibile la frecvenţe înalte

❑ S-au definit trei noi specificaţii pentru nivelul fizic şi anume:

o Un nivel fizic monopurtător (Single Carrier)

o Un nivel fizic OFDM bazat pe un FFT în 256 puncte (802.16d)

o Un nivel fizic OFDMA bazat pe un FFT în 2048 puncte

❑ S-au operat de asemenea schimbări semnificative la nivelul MAC pentru utilizarea

eficientă a îmbunătăţirilor la nivel fizic

2019-2020STLA - Curs 5 14

NIVELUL FIZIC WIMAX

❑ Modulaţia şi tehnica de acces multiplu bazat pe OFDM a fost preferată altor modulaţii şi

tehnici de acces multiplu (ex. CDMA)

o OFDM asigură performanţe bune ale transmisiei NLOS cu o eficienţă spectrală ridicată

▪ În cazul CDMA (utilizat în standardul 3G şi unele standarde 2G), banda RF este mult mai largă decât

cel minim cerut de debitul transmis, pentru a asigura suprimarea interferenţelor

• Este nepractică pentru benzi de frecvenţă situate sub 11 GHz în cazul unor debite mari

o Alte facilităţi ale nivelului fizic WiMAX care asigură performanţe robuste:

▪ Canale radio cu lărgime de bandă flexibilă

▪ Profil adaptiv al burstului (pachet elementar de date la nivel fizic)

▪ Coduri corectoare de erori puternice: convoluţional concatenat cu RS

2019-2020STLA - Curs 5 15

NIVELUL FIZIC WIMAX

▪ Utilizarea opţională a sistemelor avansate de antene (AAS - Advanced Antenna Systems) pentru

îmbunătăţirea razei de acoperire şi a capacităţii

▪ Facilităţi de selecţie dinamică a frecvenţelor (DFS - Dynamic Frequency Selection), care ajută la

minimizarea interferenţelor

▪ Utilizarea tehnicilor de codare spaţiu-timp (STC - Space-Time Coding) pentru îmbunătăţirea

performanţelor în condiţii de fading prin utilizarea diversităţii spaţiale şi de timp

❑ Nivelul fizic WiMAX asigura lărgimi de bandă canal flexibile

o Pentru o utilizare eficientă a spectrului de către operatori este necesară definirea unor lărgimi

de bandă flexibile care se pot adapta la diferite standarde naţionale

▪ De ex. un operator care dispune de o bandă de 14MHz nu poate utiliza eficient această bandă dacă

sistemul dispune de canale de 6MHz, o bandă de 2MHz fiind practic neutilizată

▪ Dacă sunt alocate lărgimi de bandă de 7MHz, atunci canale de 3.5MHz sau chiar de 1.75MHz asigură

o adaptabilitate maximă

2019-2020STLA - Curs 5 16

PHY – 10-66 GHZ

❑ Propagarea directă a fost considerată o necesitate

❑ Este caracteristică acestui caz utilizarea antenelor direcţionale

❑ Datorită arhitecturii punct la multipunct BS transmite la terminale un semnal TDM (Time

Division Multiplexing), la fiecare terminal fiind alocat un „time slot” separat

❑ Specificaţiile pentru nivelul fizic în banda 10–66 GHz prevăd modulaţie monopurtătoare în

rafale (burst) cu un profil adaptiv

o Profilul rafalei permite ajustarea parametrilor transmisiei la fiecare terminal în parte

o Parametrii rafalei includ schema de modulare şi codare pentru fiecare cadru (frame) în parte:

▪ Modulaţiile utilizate sunt QPSK, 16 QAM şi 64 QAM, folosite adaptiv în funcţie de SNR de pe canal

2019-2020STLA - Curs 5 17

PHY – 10-66 GHZ

❑ Se poate lucra cu duplexare TDD sau FDD

❑ Lărgimile de canal specificate sunt de 20 sau 25 MHz (USA) sau 28MHz (EU)

o Se specifică o filtrarea radical Nyquist cu factor de exces de bandă 0.25 (“square-root raised-

cosine pulse shaping with a roll off factor of 0.25”)

❑ Legat de profilul rafalei (“burst profile”) se pot reţine următoarele:

o În DL (Down Link) mai multe terminal se asociază aceluiaşi burst

o În UL (“Up Link”), terminalele transmit într-un anumit time slot cu un profil specific

❑ Se utilizează o tehnică de multiplexare în timp pentru asigurarea accesului multiplu

o Fluxul de biţi este structurat într-o secvenţă de cadre de lungime egală

o Există un subcadru downlink şi un subcadru uplink

▪ La FDD cele două subcadre sunt simultane, iar la TDD cele două subcadre sunt consecutive

2019-2020STLA - Curs 5 18

PHY – 10-66 GHZ

▪ Durata unui cadru poate fi de 0.5, 1 sau 2 milisecunde. Duratele cadrelor sunt identice

▪ În modul de lucru TDD porţiunea alocată pentru dowlink şi uplink poate varia

❑ Pe direcţia uplink se utilizează o tehnică de acces multiplu TDMA

o Durata subcadrului este împărţită în mai multe sloturi de timp, care sunt alocate separat pentru

fiecare terminal în parte

o În downlink acelaşi slot de timp poate fi utilizat şi de mai multe terminale (multicast/broadcast)

o Există intervale de gardă între sloturile de timp TDMA în uplink

2019-2020STLA - Curs 5 19

PHY – 10-66 GHZ

❑ Structura cadrelor în cazul TDD

2019-2020STLA - Curs 5 20

PHY – 10-66 GHZ

❑ Structura cadrelor în cazul FDD

2019-2020STLA - Curs 5 21

PHY – 10-66 GHZ

❑ Subcadrele utilizate în sensul downlink sunt compuse din:

o Preambul – secvenţă de semnal utilizată pentru sincronizarea oscilatoarelor terminalelor

implicate în comunicaţie şi pentru sincronizarea în timp a acestor terminale

o FCH (Frame Control Header) – specifă profilul unuia sau a mai multor rafele downlink, la

începutul acestor rafale fiind transmise secvenţele DLMAP, ULMAP, DCD şi UCD, secvenţe

transmise în regim broadcast şi care specifică alocarea rafalelor la terminale (atât în DL cât şi în

UL) şi specifică profilul rafalelor, adică parametrii canalului fizic

o DLMAP (Downlink Map) – specifică alocarea rafalelor în downlink la diferite terminale,

momentul de început al acestor rafale şi profilul acestor rafale prin intermediul unui cod DIUC

(Downlink Interval Usage Code). Se poate specifica şi lungimea preambulului diferitelor rafale,

dacă există un astfel de preambul

2019-2020STLA - Curs 5 22

PHY – 10-66 GHZ

o ULMAP (Uplink Map) – specifică alocarea rafalelor în uplink la diferite terminale, momentul de

început al acestor rafale şi profilul acestor rafale prin intermediul unui cod UIUC (Uplink Interval

Usage Code). Se specifică şi lungimea preambulului diferitelor rafale

o DCD (Downlink Channel Descriptor) – descrie parametrii canalului fizic în downlink şi asociază

codurile DIUC la aceşti parametrii

o UCD (Uplink channel Descriptor) – descrie parametrii canalului fizic în uplink şi asociază

codurile UIUC la aceşti parametrii. UCD mai conţine şi următoarele câmpuri:

▪ „Ranging backoff Start/End” – specifică valoare iniţială şi cea finală a ferestrei de „backoff” (fereastră

de timp în care nu se transmite) utilizată în procesul de „ranging” iniţial

• Procesul de „ranging” este utilizat pentru determinarea desincronizării în timp (timing offset), a

puterii de emisie, a deviaţiei de frecvenţă şi a altor parametrii ai nivelului fizic

• BS face măsurătorile şi trimite comenzi către terminale, iar terminalele fac ajustările necesare

2019-2020STLA - Curs 5 23

PHY – 10-66 GHZ

• Procesul de ranging se realizează în momentul conectării terminalului în reţea şi periodic pe

durata transmisiei (maintenance ranging), realizându-se adaptarea dinamică a legăturii RF

▪ „Request Backoff Start/End” - specifică valoare iniţială şi cea finală a ferestrei de „backoff” utilizată în

procesul de cerere de lărgime de bandă

• Cele două procese pot avea loc începutul fiecărui subcadru uplink, în aşa numitele „contention

slots”, sloturi de timp în care se lucrează cu o tehnică de acces multiplu de tip CSMA/CA

❑ În situaţia utilizării modului de duplexare FDD, trebuie asigurată interoperabilitatea cu

terminale semiduplex HD (Half Duplex)

2019-2020STLA - Curs 5 24

PHY – 2-11 GHZ

❑ Modulaţia folosită în acest caz este OFDM, iar tehnica de acces multiplu este OFDMA

o Mai exact o combinaţie între OFDMA şi TDMA – un OFDMA mai flexibil

❑ Aspecte de bază legate de structura cadrului OFDM şi OFDMA:

o Există trei tipuri de subpurtătoare OFDMA şi anume:

▪ Subpurtătoare pentru transmisia datelor utile

▪ Subpurtătoare pilot utilizate pentru operaţii de sincronizare şi de estimare a canalului

2019-2020STLA - Curs 5 25

▪ Subpurtătoare nule, adică neutilizate (“Null

subcarriers”); ele sunt utilizate ca şi

intervale de gardă şi pentru transmiterea

unor componente continue (“DC carriers”)

PHY – 2-11 GHZ

o Subpurtătoarele de date lucrează cu modulaţii QAM adaptive, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

o Subpurtătoarele pilot transportă o secvenţă de simboluri cunoscută, utilizează un nivel de

putere mai ridicat pentru a se permite estimarea canalului şi demodulare coerentă

o Subpurtătoarele de gardă permit formarea spectrului şi separarea diferitelor benzi de frecvenţă

o Subpurtătoarea pe componenta continuă este de regulă suprimată

o Subpurtătoarele active sunt împărţite în seturi numite subcanale

▪ Subpurtătoarele care compun un subcanal pot fi adiacente sau nu

▪ Alocarea benzii de frecvenţă şi maparea pe terminale se realizează în subcanale

▪ Unui terminal i se pot aloca una sau mai multe subcanale în direcţia DL și în direcţia uplink (UL)

• 16 subcanale sunt prevăzute de anumite specificaţii, iar alte specificaţii permit un număr variabil

de subcanale

2019-2020STLA - Curs 5 26

PHY – 2-11 GHZ

o Utilizarea subcanalelor permite medierea interferenţei ceea ce face posibil un factor scăzut de

reutilizare a frecvenţelor - o reutilizare „agresivă” a frecvenţelor

2019-2020STLA - Curs 5 27

PHY – 2-11 GHZ

❑ Alocare distribuită a subpurtătoarelor se bazează pe următoarele aspecte:

o Numărul de subpurtătoare disponibile este împărţit în N grupuri continue

o Fiecare subcanal include acelaşi număr de subpurtătoare (48 pentru FFT 512) și fiecare

subcanal include o subpurtătoare din fiecare grup

o Distribuirea subpurtătoarelor la diferite subcanale se realizează pe baza unui mecanism de

permutare care utilizează identificatorul de celulă

▪ În diferite celule avem diferite alocări ale subpurtătoarelor şi subcanalele se permută

▪ Permutarea asigură o probabilitate redusă de utilizare a aceleiaşi subpurtătoare în celule adiacente

• Se asigură o diversitate ridicată în frecvenţă, care minimizează degradarea de performanţă

datorată fadingului rapid caracteristic comunicaţiilor mobile

o Opţional se poate realiza şi o alcătuire a subcanalelor din subpurtătoare adiacente

▪ Se realizează şi în acest caz o permutare a subpurtătoarelor

2019-2020STLA - Curs 5 28

PHY – 2-11 GHZ

o În cazul alocării distribuite a subpurtătoarelor alegerea modulaţiei şi a codării se poate realiza

numai pe baza atenuării medii a semnalului recepţionat de terminal

▪ Pe baza distanţei de la terminal până la BS

o În cazul grupării adiacente a subcanalelor, numită şi metoda AMC („Advanced Modulation and

Coding”), este posibilă modificarea rapidă a modulaţiei şi a codării pe subcanal, dacă sunt

folosite canale de „feedback” rapide

▪ Această grupare a subpurtătoarelor în subcanale permite adaptarea rapidă la caracteristicile canalului

▪ Este posibilă combinarea AMC cu tehnici avansate de antenă (AAS – „Advanced Antena Systems”)

o Scheme de codare specificate sunt coduri Reed-Solomon cu rată variabilă concatenate cu

coduri convoluţionale cu rata 1/2, 2/3, 3/4 şi 5/6

▪ Scheme de codare cu rată variabilă bazate pe turbo coduri bloc (BTC – Bloc Turbo Codes) şi

convoluţionale (CTC – Convolutional Turbo Codes) sunt de asemenea specificate

2019-2020STLA - Curs 5 29

PHY – OFDM/OFDMA

❑ Structura de bază a cadrului OFDM şi OFDMA

o Este identică cu structura cadrului corespuzător nivelului fizic cu modulaţie monopurtător

o Sunt permise atât operaţii TDD cât şi operaţii FDD

▪ De regulă se lucrează TDD, asigurându-se o utilizare mai eficientă a spectrului

o Structura cadrului nivelului fizic OFDMA este similară cu cea a nivelului fizic OFDM

▪ Deosebirea este că împărţirea în subcanale este permisă atât în downlink cât şi în uplink

▪ Sunt definite cinci scheme diferite de împărţire pe subcanale (subchannelization)

▪ Mesajele de tip broadcast se pot transmite în acelaşi timp cu datele, dar pe alte subcanale

2019-2020STLA - Curs 5 30

PHY – OFDM/OFDMA

2019-2020STLA - Curs 5 31

PHY – SOFDMA

❑ În cazul standardului 802.16e la nivelul fizic se utilizează SOFDMA (Scalable OFDMA)

o Standardul specifică o interfaţă radio pentru acces fix, nomadic şi mobil într-o reţea broadband

WirelessMAN

o Conceptul de scalabilitate se referă la următoarele aspecte:

▪ Alocare scalabilă a subcanalelor cu diferite dimensiuni în funcţie lărgimea de bandă a canalului

▪ Grupare distribuită sau AMC a subcanalelor

▪ Hibrid ARQ

▪ Structură eficientă de canale uplink

▪ Tehnici de diversitate de tip MIMO

❑ Proiectarea unui nivel fizic radio scalabil trebuie să ia în considerare caracteristicile

efective ale canalului radio

o Pe baza acestor caracteristici se poate determina numărul de subpurtătoare, distanţa dintre

două subpurtătoare adiacente și perioada de simbol OFDM

2019-2020STLA - Curs 5 32

PHY – SOFDMA

❑ Aspecte definitorii pentru scalabilitatea nivelului fizic SOFDMA:

o Spaţierea subpurtătoarelor este independentă de lărgimea de bandă

o Numărul de subpurtătoare folosite (şi implicit dimensiunea FFT-ului) se scalează la lărgimea de

bandă

o Cea mai mică unitate de alocare a benzii, bazată pe conceptul de subcanal, este fixată şi

independentă de lărgimea de bandă şi de alte moduri de operare

o Numărul de subcanale se scalează cu dimensiunea FFT şi nu cu capacitatea subcanalului

o Sunt prevăzute facilităţi care asigură găsirea unui echilibru între mobilitate şi capacitate

▪ Prin utilizarea facilităţilor de scalabilitate amintite se obţin performanţe îmbunățite pentru canale de

bandă îngustă sau medie

2019-2020STLA - Curs 5 33

PHY – DIVERSITATE

❑Utilizarea tehnicilor de diversitate:

o Dacă se utilizează diversitatea de transmisie, o porţiune a cadrului DL (numită zonă) poate fi

desemnată să fie o zonă de diversitate

▪ Toate rafalele de date dintr-o zonă de diversitate sunt transmise folosind codarea STC

▪ Sunt suportate tehnici de diversitate de ordinul 2, 3 și 4

▪ Tehnicile de diversitate se utilizează pentru a se reduce probabilitatea de outage

o Dacă se utilizează o tehnică AAS, o porţiune a subcadrului DL poate fi desemnat ca şi o zonă AAS

▪ Aceste zone sunt folosite pentru comunicaţia cu terminalele care permit astfel de capabilităţi

▪ Tehnicile AAS sunt permise şi în uplink

▪ Tehnicile AAS se utilizează pentru creșterea capacității și a acoperirii

▪ Tehnici de multiplexare spatială (Spatial Multiplexing - SM) se utilizează pentru creșterea eficienței spectrale

▪ Există de asemenea şi o zonă MIMO

2019-2020STLA - Curs 5 34

PHY – CODAREA CANALULUI

❑ Se pot identifica următoarele procese de codare:

o Aleatorizare, codare FEC, întreţesere de biţi

▪ Aleatorizarea datelor se realizează cu ajutorul unui generator de secvenţă pseudoaleatoare cu un polinom de

ordinul 15, care este reiniţializat la începutul fiecărui bloc FEC

▪ Valoarea iniţială depinde de offsetul simbolului OFDM de la începutul cadrului şi numărul primului subcanal

asociat blocului FEC

o Codurile de repetiţie sunt utilizate pentru codarea diverselor mesaje de control pentru a creşte

suplimentar protecţia acestor mesaje

▪ Se utilizează coduri de repetiţie de 2, 4 sau 6, implementate prin utilizarea subcanalelor multiple

❑ Tehnicile de codare FEC specificate sunt:

o Coduri convoluţionale “tail-biting” – obligatoriu

▪ Starea iniţială a codorului este dată de ultimii K-1 biţi de informaţie, K lungime de constrângere

▪ Starea iniţială a codorului trebuie estimată la decodare, ceea ce complică procesul de decodare, dar creşte

eficienţa codării

2019-2020STLA - Curs 5 35

PHY – CODAREA CANALULUI

o Codurilor convoluţionale “Zero Tailing” – opțional. Starea iniţială a codorului se consideră zero –

decodare mai uşoară, dar trebuie adăugaţi K-1 biţi de zero pentru readucerea codorului în starea

iniţială

o Turbo coduri convoluţionale, turbo coduri bloc şi coduri LDPC – opțional

❑ Tehnicile de codare FEC se combină cu tehnici H-ARQ pentru reducerea efectelor

canalului

o Este H-ARQ incremental, care combină subpachetele recepţionate cu subpachetele retransmise

❑ Întreţeserea biţilor se realizează la ieşirea decodorului FEC

o Dimensiunea blocului de întreţesere depinde de numărul de biţi codaţi pe bloc de codare

o Întreţeserea implică un proces de permutare în doi paşi:

▪ Primul pas realizează maparea biţilor codaţi adiacenţi pe subpurtătoare neadiacente

▪ Al doilea pas asigură maparea biţilor de cod în mod alternativ pe biţi mai semnificativi şi mai

puţin semnificativi ai constelaţiilor – se elimină secvenţe lungi de biţi expuşi eronării

2019-2020STLA - Curs 5 36

PHY – RANGING

❑ Un singur proces este utilizat pentru “ranging” şi cerere de bandă în UL

❑ Procesul de “ranging” iniţial are rolul de a sincroniza terminalul cu BS la conectarea în

reţea (corecţie offset de timp şi de frecvenţă)

o Procesul se repetă periodic pe durata unei sesiuni

❑ Mecanismul de cerere de bandă permite terminalului să ceară alocarea resurselor în UL

pentru transmisia către BS

o Un număr de 256 de coduri pseudoaleatoare speciale, de lungime 144 de biţi, sunt împărţite în

trei grupuri: „Ranging” iniţial, „Ranging” periodic şi cerere de bandă

o Unul sau mai multe grupuri de 6 subcanale adiacente sunt alocate pentru operaţia de ranging

▪ Transmisia acestor coduri se realizează cu modulaţie BPSK

o Terminalul selectează aleator un cod din setul alocat

2019-2020STLA - Curs 5 37

PHY – RANGING

❑ Procesarea cererii iniţiale de „Ranging”:

o Un cod de ranging este trimis de două ori în două simboluri OFDM consecutive

▪ Staţia de bază poate recepţiona în mod corect cererea ranging de la un terminal nesincronizat care

încearcă să intre în reţea

o Terminalul poate utiliza în mod opţional 2 simboluri consecutive de ranging transmise pe durata

a patru simboluri OFDM

▪ Descreşte probabilitatea de eroare de ranging şi măreşte capacitatea de ranging

❑ Procesul de ranging periodic sau cererea de bandă:

o Se poate realiza prin transmiterea unui sau a trei coduri de ranging

o Utilizarea de trei coduri reduce probabilitatea de eroare şi măreşte capacitatea de ranging, fiind

permis un număr mai mare de cereri consecutive

❑ Procesul de ranging este utilizat de asemenea în operaţia de Handover

2019-2020STLA - Curs 5 38

PHY – ALOCAREA SUBPURTĂTOARELOR

❑ Există definite două categorii principale de permutare (alocare) a subpurtătoarelor:

o Alocare distribuită şi alocare adiacentă

o În general se utilizează alocarea care are performanţe foarte bune în aplicaţii mobile

o Alocarea adiacentă se poate utiliza pentru aplicaţii fixe, portabile şi cu mobilitate redusă

o Aceste opţiuni permit găsirea unui echilibru (compromis) între mobilitate şi throughput

❑ Alocare distribuită în DL a subpurtătoarelor cu subcanalizare completă (DL Distributed

Subcarrier Permutations: Fully Used Subchannelization - FUSC)

o Utilizează toate subcanalele şi permite un grad ridicat de diversitate prin utilizarea unui

mecanism de permutare pentru alocarea subpurtătoarelor la diferite subcanale

2019-2020STLA - Curs 5 39


❑ Alocare distribuită a subpurtătoarelor în DL şi UL cu subcanalizare parţială (DL and UL

Distributed Subcarrier Permutation: Partially Used Subchannelization - PUSC)

o În modul DL PUSC subcanalele sunt divizate în trei segmente care pot fi alocate la trei sectoare

ale aceleiaşi celule

o Metoda asigură diversitate ridicată prin modul de alocare a subpurtătoarelor la diverse

subcanale

❑ Alocare distribuită opţională a subpurtătoarelor în DL cu subcanalizare completă (Optional

DL Distributed Subcarrier Permutation: Fully Used Subchannelization - OFUSC)

o Alocarea subpurtătoarelor pilot este diferită de alocarea utilizată de metoda FUSC

o Comparativ cu metoda FUSC, numărul subpurtătoarelor utilizate este mai mare (1729 versus

1681)

2019-2020STLA - Curs 5 40


❑ Alocare distribuită opţională a subpurtătoarelor în UL cu subcanalizare parţială (Optional

UL Distributed Subcarrier Permutation: Partially Used Subchannelization - OPUSC)

❑ Alocare adiacentă opţională a subpurtătoarelor în DL şi UL utilizând tehnici de modulare şi

de codare AMC (Optional DL and UL Adjacent Subcarrier Permutation: Advanced

Modulation and Coding - AMC)

o Metoda utilizează subpurtătoare adiacente pentru a forma subcanale

2019-2020STLA - Curs 5 41

NIVELUL MAC

❑ Standardul WiMAX este capabil să asigure:

o Transfer de date la viteză mare

o Servicii sensibile la întârziere: aplicaţii de voce şi video

o Standardul asigură QoS

▪ Oferă mai mult decât o simplă stabilire de priorităţi

• Tehnică cu eficienţă limitată dacă numărul de utilizatori şi încărcarea reţelei creşte

o Protocoalele din stratul MAC trebuie să facă faţă de asemenea unui nivel fizic de „calitate

redusă”, afectat de interferenţe, fading şi alte fenomene caracteristice propagării radio outdoor

o Stratul MAC suportă de asemenea mai multe specificaţii pentru nivelul fizic

2019-2020STLA - Curs 5 42

NIVELUL MAC

❑ Stratul MAC este compus din trei substraturi şi anume:

o Service Specific Convergence Sublayer – substrat de convergenţă specific serviciului

o Common Part Sublayer – substrat comun pentru toate serviciile

o Security (Privacy) Sublayer – substrat de Securitate

❑ Substratul „Service Specific Convergence Sublayer”

o Standardul 802.16 este orientat conexiune:

▪ La fiecare serviciu se asociază o conexiune cu un nivel QoS variabil

▪ Rolul substratului de convergenţă specific serviciului este de a primi unităţi PDU de la nivele superioare

şi de a clasifica aceste unităţi

• Pe baza clasificării unităţile în discuţie se asignează la o anumită conexiune cu un anumit QoS

• Acest substrat suportă servicii de tip ATM şi servicii bazate pe pachete IP

• Antetul pachetelor de la nivele superioare este suprimat şi pachetele sunt formatate

2019-2020STLA - Curs 5 43

NIVELUL MAC

❑ Substratul „Common Part Sublayer”

o Rolul acestui substrat este de a facilita partajarea mediului de transmisie

▪ Sistemul funcţionează pe baza principiului PMP (Point to Multipoint to Point):

• Fiecare terminal recepţionează aceeaşi transmisie downlink (sau o parte a acesteia)

• Staţia de bază acordă acces în uplink, bazat pe clase de servicii şi se asigură QoS

❑Conexiuni MAC:

o Toate fluxurile serviciu („service flows”) sunt asignate la o conexiune

o O conexiune este un flux de date unidirecţional cu un anumit nivel de QoS

o Există definite trei conexiuni pentru operaţii de management:

▪ Conexiunile de bază, primare şi secundare

▪ Rolul conexiunii de bază este de a asigura transmisia mesajelor MAC scurte şi urgente, mesaje care sunt

foarte puţin tolerante la întârzieri

2019-2020STLA - Curs 5 44

NIVELUL MAC

▪ Conexiunile de bază sunt utilizate și pentru transmisia mesajelor RLC (radio Link Control), mesaje care

au rolul de a controla alocarea puterii, procesul de ranging şi schimbarea profilului rafalelor

▪ Conexiunea primară este responsabilă pentru transmiterea unor mesaje de management mai lungi,

mesaje utilizate mai ales de substratul de securitate

▪ Rolul conexiunii secundare este de a asigura rularea unui protocol particular într-un strat mai mare,

cum ar fi un protocol de rutare

▪ Protocoalele de nivel înalt (DHCP, SNMP, etc.) utilizează această conexiune pentru a schimba mesaje

de management.

o Există o conexiune de transport care are rolul de a transfera date şi o conexiune de broadcast

pentru transmiterea mesajelor MAC de tip broadcast

▪ Mesaje broadcast: „Neighbour Advertisement” şi mesaje care se ocupă de accesul la canal

o Există şi o conexiune specială de ranging utilizată de terminal pentru înregistrare la BS

2019-2020STLA - Curs 5 45

NIVELUL MAC

❑ Transmisia unităţilor MAC PDU:

o Unităţile MAC PDU se transmit în rafalele PHY (de la nivelul fizic)

o Într-o singură rafală pot fi incluse mai multe unităţi MAC PDU concatenate

o Rafalele PHY pot conţine mai multe blocuri FEC

o O unitate MAC PDU se poate întinde pe mai multe blocuri FEC

o Substratul TC (Transmission Convergence) localizat între nivelul MAC şi nivelul fizic permite

identificarea începutului următoarei unităţi MAC PDU în cazul unor blocuri FEC eronate

o Există posibilitatea concatenării, împachetării şi segmentării unităţilor MAC PDU

2019-2020STLA - Curs 5 46

PACHETE MAC PDU

❑ Formatul pachetelor MAC PDU WiMAX:

o Un antet MAC care conţine informaţii de control cadru – 6 octeţi

o Câmpul informaţie de lungime variabilă ce conţine date specifice tipului de cadru; lungimea

maximă a acestui câmp este 2048 octeți

o Un câmp CRC pe 32 de biţi (IEEE 32 CRC)

❑ Există trei tipuri de cadre MAC, la care se asociază două tipuri de antete MAC:

o MAC PDU de date:

▪ Tip antet HT = 0

▪ Pachetul conţine date de la nivele superioare sau segmente MAC SDU

▪ Este transmis pe conexiuni de date (de transport)

2019-2020STLA - Curs 5 47

PACHETE MAC PDU

o MAC PDU de management:


▪ Pachetul conţine date de management sau pachete IP încapsulate în unităţi MAC CS PDU

▪ Este transmis pe conexiunile de management

o MAC PDU cerere de bandă:


▪ Nu conţine date ci numai antet; este utilizat de staţia utilizator pentru a cere lărgime de bandă în UL

❑ Câmpurile din antetul MAC:

o HT – “Header Type”

o EC – “Encryption Control”

▪ Arată dacă datele din pachet sunt criptate sau nu

o EKS – “Encryption Key Sequence”

▪ Pointer la un vector cu informaţii despre cheia de criptare

2019-2020STLA - Curs 5 48

PACHETE MAC PDU

o “Length”

▪ Lungimea în octeți a cadrului MAC

o “Connection Identifier”

▪ Identificator conexiune MAC între entităţi echivalente

o ARQ

▪ Indică dacă cadrul aparţine unui conexiuni ce utilizează control al erorilor de tip ARQ

o FC – “Frame Control”

▪ Utilizat în fragmentarea şi reasamblarea segmentelor MAS SDU

o FSN – “Frame Sequence Number”

▪ Număr de ordine al fragmentului curent

o HCS – “Header Check Sequence”

▪ Secvenţă CRC pe 8 biţi pentru detecţia erorilor din antet

2019-2020STLA - Curs 5 49

PACHETE MAC PDU

❑ Antetul uplink are o serie de componente suplimentare, incluse în câmpul grant

management:

o „Slip Indicator”

▪ Arată o alunecare a transmisiei alocate în uplink relativ la mărimea bufferului de transmisie

▪ Se utilizează numai în servicii UGS (Unsolicited Grant Service)

o „Poll-me”

▪ Cere un „polling” de la staţia de bază

o „Grant/interval”

▪ Numărul de transmisii alocate („bandwidth grants”) în următorul interval

o „Piggyback request”

▪ Capacitatea cerută în uplink exprimată în număr octeți

▪ Este legat de transmisia mesajelor ACK/NACK utilizate de procesul de ARQ

2019-2020STLA - Curs 5 50

MESAJE DE MANAGEMENT MAC

❑ Aceste mesaje pot fi trimise pe conexiunile de management de bază, conexiunea primară,

conexiunea de broadcast şi pe conexiunea de ranging iniţial

❑ Există în total un număr de 49 de mesaje de management

❑ Câteva dintre mesajele de management MAC sunt următoarele:

o Uplink Channel Descriptor (UCD) şi Downlink Channel Descriptor (DCD)

o UL-MAP şi DL-MAP

o DSA-REQ (Dynamic Service Addition Request

▪ Transmis pe conexiunea primară

▪ Trimis de terminal pentru a crea un nou flux de serviciu

o DSA-RSP (Dynamic Service Addition Response (transmis pe conexiunea primară)

▪ Trimis de staţia de bază ca şi răspuns la cerere DSA-REQ

▪ Conţine identificatorul de conexiune al conexiunii de transport asignat acestui flux de serviciu

2019-2020STLA - Curs 5 51

MESAJE DE MANAGEMENT MAC

o RNG-REQ (Ranging Request)

▪ Transmis pe conexiunea de bază sau pe cea de ranging iniţial

▪ Transmis periodic pentru determinarea desincronizării în timp sau cererea modificării profilului rafalei

o RNG-RSP (Ranging Response)

▪ Transmis pe conexiunea de bază sau pe cea de ranging iniţial

▪ Conţine răspunsul la un mesaj RNG-REQ şi conţine parametrii relavanţi pentru această cerere

o REG-REQ (Registration Request)

▪ Transmis pe conexiunea primară

▪ Este trimis de terminal către staţia de bază (BS) pentru a se înregistra şi pentru a negocia capabilităţile

staţiei utilizator (versiunea IP, parametrii ARQ, capabilităţile „Convergeance Sublayer”)

o REG-RSP (Registration Response)

▪ Transmis pe conexiunea primară de către staţia de bază ca şi un răspuns la REG-REQ

▪ Conţine identificatorul de conexiune pentru conexiunea secundară a terminalului şi parametrii relevanţi

legaţi de capabilităţile terminalului

2019-2020STLA - Curs 5 52

TRANSMISIA ÎN UPLINK

❑ Intervalele de transmisie în uplink sunt următoarele:

o Intervalul „Initial Maintenance”:

▪ În acest interval se realizează operaţia de initial ranging

▪ Se determină întârzierea prin reţea

▪ Se solicită alocare de putere şi schimbarea profilului rafalei

• Pot apărea coliziuni între diferite terminale

o Intervalul „Bandwidth Request”:

▪ Terminalul cere bandă ca şi răspuns la un polling de la staţia de bază

• Pot apărea coliziuni între diferite terminale

o Intervalul „Data Grants”:

▪ Terminalul transmite rafale de date în intervalele de timp alocate de către BS

▪ Există intervale de tranziţie între aceste perioade din motive de sincronizare

2019-2020STLA - Curs 5 53


❑ Există trei modalităţi de a determina care terminal poate transmite, şi anume:

o Unsolicited bandwidth grants

o Polling

o Contention

❑ Există două modalităţi de cerere de bandă în uplink şi anume:

o Modul „Contention”:

▪ Terminalul trimite o cerere de bandă către staţia de bază în intervalul de „Contention”

o Modul „Contention-free (polling)”:

▪ Staţia de bază interoghează fiecare terminal care trimite o cerere de bandă

• Datorită întârzierii predictibile, acest mod de cerere de bandă este potrivit pentru operaţii în timp

real

2019-2020STLA - Curs 5 54


❑ Cerea de bandă se referă la:

o Numărul de octeţi pentru a transmite antetul şi datele utile MAC; nu include overheadul PHY

▪ Timpul efectiv de transmisie depinde de tipul de modulaţie utilizat

❑ Terminalul cere bandă în uplink pentru fiecare conexiune, dar BS alocă bandă agregată

pentru terminal, terminalul împarte banda între diferite conexiuni

❑ Cerea de bandă de către terminal poate fi incrementală sau agregată

❑ Prin polling BS alocă bandă pentru terminal doar pentru a face cerere de bandă

o Alocarea de polling se face individual pentru fiecare terminal sau pentru grupuri de terminale

❑ Alocarea benzii de polling nu se realizează sub forma unor mesaje explicite separate ci

prin internediul unor mesaje incluse în UL-MAP

2019-2020STLA - Curs 5 55


❑ Modalităţile de realizare a operaţiei de polling sunt următoarele:

o „Unicast polling”:

▪ Fiecare terminal este interogat individual utilizând structuri de date incluse în UL-MAP

o „Multicast and broadcast polling”:

▪ Dacă nu există bandă suficientă pentru interogarea fiecărui terminal individual, anumite terminale pot fi

interogate în grupuri de multicast sau broadcast

• Se utilizează conexiunile corespunzătoare unor mesaje incluse în UL-MAP

❑ Conectarea în reţea („Network Entry”)

o Procesul de conectare în reţea este divizată în operaţiile:

▪ Sincronizarea canalului downlink

▪ Procesul de ranging iniţial

▪ Negocierea capabilităţilor

▪ Schimbarea mesajelor de autentificare

2019-2020STLA - Curs 5 56


▪ Înregistrarea şi etapele de stabilire a conexiunii IP

• Dacă procesul eşuază la un moment dat atunci trebuie reluat de la capăt

• La terminarea conectării terminalul creează una sau mai multe conexiuni de serviciu

❑ Sincronizarea canalului downlink

o Când un terminal doreşte să se conecteze în reţea scanează canalele într-o bandă de frecvenţă

predefinită

o Terminalul este configurat să utilizeze o staţie de bază specifică cu un anumit set de canale

operaţionale, dacă se utilizează o bandă de frecvenţă alocată

▪ Dacă terminalul găseşte un canal DL şi este capabil să se sincronizeze la nivel fizic, adică este capabil

să detecteze preambulul de cadru periodic, atunci stratul MAC încearcă să identifice structurile DCD şi

UCD pentru a obţine informaţii despre modulaţia utilizată în DL şi în UL şi alţi parametrii DL şi UL

2019-2020STLA - Curs 5 57


❑ Procesul de „Initial Ranging”

o Procesul de „Initial Ranging” începe când terminalul s-a sincronizat cu canalul DL şi a

recepţionat structurile DL-MAP şi UL-MAP pentru un cadru:

▪ Se trimite un mesaj MAC de cerere de „ranging” utilizând puterea de emisie minimă

▪ Dacă nu primeşte răspuns atunci trimite o altă cerere de ranging cu o putere mai mare

▪ Răspunsul recepţionat poate indica succes sau poate indica corecţiile de putere şi de sincronizare

necesare

▪ Dacă sunt necesare corecţii, terminalul efectuează aceste corecţii şi trimite o altă cerere de ranging

• Procesul se repetă până când se recepţionează un mesaj de succes, moment în care terminalul

este gata să trimită date

2019-2020STLA - Curs 5 58


❑ Negocierea capabilităţilor

o După efectuarea cu succes a operaţiei de ranging iniţial, terminalul trimite un mesaj de cerere

capabilităţi

▪ Acest mesaj descrie capabilităţile proprii legate de tehnicile de modulaţie, schemele de codare, metoda

de duplexare

▪ Staţia de bază acceptă sau nu terminalul pe baza capabilităţilor de care dispune

❑ Autentificarea

o După negocierea capabilităţilor BS autentifică terminalul şi generează chei de criptare a datelor

o Terminalul trebuie să realizeze periodic autentificarea şi să execute procedurile de schimbare a

cheilor de criptare

2019-2020STLA - Curs 5 59


❑ Înregistrarea

o După efectuarea cu succes a operaţiei de autentificare, terminalul trimite un mesaj de cerere de

înregistrare către staţia de bază

o Stația de bază trimite un răspuns de înregistrare

o Procesul stabileşte versiunea de IP utilizată, parametrii procesului ARQ, parametrii procesului

de control de flux, etc.

▪ După efectuarea înregistrării terminalul primeşte o adresă IP de la BS şi se realizează conexiunile de

transport

▪ Pentru fluxurile de serviciu predefinite crearea conexiunilor este iniţiată de către staţia de bază

▪ Conexiunile pentru serviciile nepredefinite sunt iniţiate de către terminal

2019-2020STLA - Curs 5 60


❑ Crearea unităţilor MAC PDU şi procesul ARQ

o Stratul MAC 802.16 realizează operaţiile standard de creare a pachetelor PDU:

▪ Generează antetul MAC şi opţional calculează CRC-ul

▪ Deoarece resursele radio sunt limitate stratul MAC realizează o serie de operaţii de fragmentare,

împachetare, concatenare a pachetelor MAC SDU

• Rolul acestor operații este de a integra cât mai eficient aceste unităţi în rafalele de la nivelul fizic

o Stratul MAC 802.16 utilizează o tehnică ARQ de tip „sliding window”:

▪ Emiţătorul poatre transmite un număr negociat de pachete fără să recepţioneze mesaj de ACK/NACK

▪ Se retransmit pachetele pierdute şi se deplasează fereastra atunci când se recepţionează mesaje de

ACK

• Este vorba mai exact de o tehnică ARQ de tip „selective repeat”

2019-2020STLA - Curs 5 61


o Parametrii procesului ARQ se negociază pe durata realizării sau modificării conexiunii

▪ Pe o anumită conexiune nu se permite combinarea traficului de tip ARQ şi non-ARQ

o Mesajele ACK/NACK se pot trimite:

▪ Ca şi mesaje de management MAC individuale pe conexiunea de management de bază

▪ Se poate utiliza tehnica de piggybacking pe o conexiune existentă

▪ Mesajele ACK/NACK nu pot fi fragmentate

o Stratul MAC poate se poate folosi şi de procedurile H-ARQ de la nivelul fizic

▪ Se asigură astfel ajustarea automată a transmisiei la calitatea canalului fără a fi necesare măsurători

repetate şi precise ale raportului semnal/zgomot de pe canal

▪ Este prevăzută şi utilizarea unor metode de tip Chase Combining

2019-2020STLA - Curs 5 62

ASIGURAREA QOS

❑ Clase de servicii oferite de stratul MAC WiMAX

o Stratul MAC 802.16 MAC permite QoS diferenţiat pentru diferite tipuri de aplicaţii. Există definite

următoarele clase de servicii:

▪ Unsolicited Grant Services (UGS): UGS este destinat serviciilor cu debit constant (Constant Bit Rate

- CBR), cum ar fi emularea T1/E1, servicii Voice Over IP (VoIP) fără suprimarea perioadelor de linişte

▪ Real-Time Polling Services (rtPS): rtPS este destinat serviciilor în timp real care generează periodic

pachete de dimensiune variabilă, cum ar fi video codat MPEG sau VoIP cu suprimarea perioadelor de

linişte

▪ Non-Real-Time Polling Services (nrtPS): nrtPS este destinat serviciilor non-real-time care cer în mod

regulat transmisii în rafale cu pachete de lungime variabilă

▪ Best Effort (BE) Services: BE este destinat serviciilor de tip Web surfing

2019-2020STLA - Curs 5 63

ASIGURAREA QOS

o La fiecare conexiune este asignată o clasă de serviciu în momentul creerii conexiunii:

▪ Pachetele sunt clasificate de către substratul „Convergence Sublayer”

▪ Se alege conexiunea în are ele sunt plasate pe baza cerinţelor de QoS ale aplicaţiei în cauză

❑ Operaţia de „Scheduling” şi „Link Adaptation”

o Scopul operaţiei de scheduling şi de adaptare a legăturii este:

▪ Asigura parametrii QoS ceruţi de traficul transmis prin legătura radio

▪ Utilizarea optimală a resurselor radio

o Operaţia de scheduling în stratul MAC 802.16 este divizată în două operaţii şi anume:

▪ O operaţie de scheduling a legăturii radio între mai multe terminale

▪ O operaţie de scheduling a pachetelor individuale la staţia de bază şi la terminal

2019-2020STLA - Curs 5 64

ASIGURAREA QOS

o Operaţia de scheduling a legăturii radio:

▪ Se execută în staţia de bază şi este considerată o componentă a stratului BS MAC

▪ Această operaţie determină conţinutul DL şi UL al fiecărui cadru

▪ Dacă se utilizează tehnici de transmisie opţionale, cum ar fi diversitatea de transmisie, AAS sau MIMO,

stratul MAC trebuie să dividă subcadrele UL şi DL în diferite zone:

• Zonă normală, zonă cu diversitate, zonă AAS, zonă MIMO

• Operația permite integrarea tuturor terminalelor cu diferite capabilităţi

▪ Schedulerul alocă capacităţi de transmisie terminalelor individuale în cadrul zonelor în care operează

• În cazul nivelului fizic OFDM capabilităţile de transmisie DL sunt reprezentate de sloturi de timp

• Capabilităţile de transmisie în cazul OFDM UL şi în cazul OFDMA DL şi UL sunt reprezentate de

sloturi de timp în cadrul unor subcanale individuale

2019-2020STLA - Curs 5 65

ASIGURAREA QOS

▪ Prin folosirea reutilizării agresive a frecvenţelor şi a tehnicilor AAS operaţia de scheduling

bidimensională (timp – frecvență) se poate transforma într-o operaţie tridimensională:

• A treia axă fiind cea spaţială

• Stratul MAC trebuie să determine care terminal prezintă o ortogonalitate bună relativ la celelalte

terminale, terminale care sunt candidate pentru utilizarea unor combinaţii subcanale/sloturi de

timp deja folosite

o Schedulerul legăturii radio trebuie să determine în acelaşi timp profilul rafalei pentru fiecare

terminal în mod individual

▪ Staţia de bază monitorizează raportul semnal/zgomot, modifică rata de codare şi constelaţia de

modulare pentru fiecare terminal în conformitate cu traficul cerut de fiecare terminal

▪ Tot acest scheduler determină cerinţele de bandă pentru fiecare terminal pe baza claselor de serviciu

pentru fiecare conexiune şi a stării bufferelor asociate traficului pe fiecare conexiune

o Schedulerul de pachete din BS şi terminal inserează efectiv pachetele din diferite cozi de

aşteptare în rafalele alocate în interiorul unui cadru fiecărui terminal

2019-2020STLA - Curs 5 66

ASIGURAREA QOS

❑ Quality Of Service

o Scopul primar al facilităţii de QoS este de a defini schedulingul şi ordonarea pachetelor pe

interfaţa radio

o Pentru a asigura un QoS cap la cap trebuie luate în consideare şi aspecte care nu sunt legate

de interfaţa radio

❑ Definirea fluxului de serviciu:

o Un flux de serviciu este un serviciu de transport MAC care asigură transport unidirecţional al

pachetelor în downlink sau în uplink

o Un flux de serviciu este caracterizat de un set de parametrii QoS, cum ar fi întârzierea, jitterul,

throughputul, etc.

o Asigurarea acestor parametrii este legată de modul de operare al schedulerului şi de cererea de

alocare de bandă de către terminal

2019-2020STLA - Curs 5 67

ASIGURAREA QOS

❑ Modul de operare (Theory Of Operation):

o Protocoale WiMAX suportă QoS atât în DL cât şi în UL

o Cerinţele pentru QoS:

▪ Existenţa unei funcţii de înregistrare şi preconfigurare a parametrilor de trafic şi ai parametrilor QoS ai

fluxurilor de serviciu la terminal

▪ O funcţie de semnalizare pentru modificarea dinamică a parametrilor QoS şi ai parametrilor de trafic

pentru diverse fluxuri de serviciu

▪ Utilizarea unor funcţii de scheduling corespunzătoare atât în DL cât şi în UL

2019-2020STLA - Curs 5 68

MOBILITATEA ÎN WIMAX

❑ Standardul 802.16e permite mobilitatea terminalelor

o Trebuie definit procesul de HandOver (HO) care permite migrarea terminalului de la interfaţa

radio asigurată de o BS la interfaţa radio asigurată de o altă BS

❑ Tipuri de operaţii de HandOver

o Pentru a se face faţă la diferite situaţii, mai multe tipuri de operaţii de HO au fost definite de

către standardul 802.16e:

▪ HO iniţiat de staţia mobilă:

• Când un terminal pierde din calitatea semnalului recepţionat de la o BS se poate muta la o altă

BS

• Acest caz este legat direct de mobilitatea terminalului, adică terminalul iese din zona de acoperire

a unei BS

• Un alt scenariu este legat de situaţia în care un terminal se mută la o altă BS pentru a obţine o

legătură cu un QoS mai mare

• Într-o astfel de situaţie terminalul va iniţia procesul de HO

2019-2020STLA - Curs 5 69


• Metodolgia de decizie asupra operaţiei de HO nu este specificată de standard

• Standardul specifică modul de achiziţie a informaţiilor legate de staţiile vecine

▪ Operaţia de „Neighbor Advertisement”

• BS transmite mesaje „Mobile Neighbour Advertisement” la anumite intervale

• Scopul: informarea terminalelor despre caracteristicile staţiilor de bază vecine

• Mesajele amintite conţin informaţii cum ar fi:

• Banda de frecvenţă pe care o utilizează, identificatorul BS, tipurile de servicii pe care le

suportă, resursele radio disponibile, etc.

• Mesajele se trimit pe conexiunea de broadcast, un parametru important fiind frecvenţa cu care se

trimit:

• Perioada maximă este de 1s şi este importantă pentru terminalele care au viteză mare

• Valoarea acestei perioade limitează viteza maximă a terminalelor, dar în acelaşi timp trebuie

considerată şi eficienţa sistemului

2019-2020STLA - Curs 5 70


▪ Operaţia de „Neighbor Scanning”

• Pentru a se facilita decizia de handover terminalul poate realiza scanarea unor posibile BS

• Pentru a realiza acest lucru terminalul trimite la BS care o deserveşte un mesaj special prin care

declară că doreşte să scaneze staţiile vecine, specifică intervalul de timp pentru această operaţie

şi tipul de asociere pentru scanarea BS vecine

• Există trei nivele de astfel de asocieri şi anume:

• Fără coordonare – BS scanată nu are informaţie despre terminal

• Cu coordonare – BS ce deserveşte terminalul coordonează asocierea cu BS scanată

• Asociere asistată de reţea – asemănătoare cu cazul anterior, cu diferenţa că mesajul de

declarare a intenţiei de scanare este trimisă staţiei ce deserveşte terminalul prin

infrastructura reţelei (network backbone)

2019-2020STLA - Curs 5 71


▪ Negocierea Handoverului cu staţia de bază ce deserveşte terminalul

• Următorul pas este trimiterea către BS a unei cereri de HO pe conexiunea de bază:

• Cererea cuprinde o listă de BS posibile pentru HO

• Lista este generată pe baza operaţiei de scanare

• La recepţia acestui mesaj BS ce deserveşte terminalul trimite un mesaj de prenotificare HO la

toate BS din listă:

• BS prenotificate răspund cu mesaje de răspuns prenotificare HO

• Din aceste răspunsuri BS ce deserveşte terminalul generează o listă de BS posibile pentru

HO, listă care este trimisă terminalului tot pe conexiunea de bază

• După recepţia mesajului amintit terminalul poate efectua operaţia de HO

• BS ce deserveşte terminalul este notificat printr-un mesaj special trimis pe conexiunea de

bază, asupra faptului că terminalul se deconectează

• Se trimit de asemenea parametrii BS la care se va conecta mobilul

2019-2020STLA - Curs 5 72


• Terminalul se poate înregistra la noua BS în mod normal

• Este posibil ca BS care primeşte un mesaj prenotificare să includă în UL-MAP o structură de

date pentru o operaţie de ranging iniţial pentru a se mări viteza HO

▪ HO iniţiat de staţia de bază

• BS decide că terminalul trebuie să se mute la o altă BS dacă nu mai poate asigura clientului

parametrii QoS ceruţi

• O altă situaţie este aceea în care BS decide că terminalul iese din raza de acoperire

• Primul pas este trimiterea de către BS a unei cereri de HO către terminal

• Mesajul transmis pe conexiunea de bază conţine o listă posibilă (recomandată) de BS

împreună cu informaţii legate de calitatea serviciului şi detalii legate de canalele fizice

• La recepţionarea acestui mesaj terminalul începe să scaneze BS specificate şi trimite la BS care

o deserveşte lista proprie de BS posibile

• Procesul continuă la fel ca şi în cazul HO iniţiat de terminal

2019-2020STLA - Curs 5 73


▪ HO soft

• Terminalul poate recepţiona aceeaşi unitate MAC/PHY de la mai multe BS

• Se bazează pe exploatarea tehnicilor de diversitate asigurate de mai multe antene de emisie

• Avantajul este că pe durata HO terminalul poate recepţiona date în continuare

• În acelaşi timp complexitatea sistemului creşte foarte mult

• Pentru un terminal cu soft HO, fiecare BS are o listă cu BS implicate în soft HO

• Lista este cunoscută sub numele de set activ şi există o BS principală (anchor BS)

• Terminalul monitorizează informaţiile de control din DL al BS principale sau al tuturor BS din set

• Dacă se monitorizează numai canalele de control ale BS principale atunci DL-MAP şi UL-

MAP trebuie să conţină informaţia de alocare a rafalelor la toate BS din set

• Toate BS implicate în soft HO trebuie să utilizeze acelaşi indicator de conexiune şi trebuie să

aibă o structură de cadru sincronizată

2019-2020STLA - Curs 5 74


▪ Modul Sleep

• Este un amendament al standardului specific pentru aplicaţii mobile

• În condiţii de mobilitate puterea de emisie este o problemă importantă

• Standardul 802.16e defineşte pentru terminale un mod de funcţionare „sleep mode”

• Terminalul nu recepţionează trafic de la BS şi reduce la minim utilizarea de energie

• Pentru a intra în sleep mode terminalul trimite la BS o cerere

• BS poate aproba sau nu acest mod de funcţionare prin trimiterea unui mesaj specific

• Terminalul intră în modul sleep pentru o perioadă de timp T, după care revine în modul

normal şi ascultă canalul DL ca să vadă dacă există trafic destinat lui

• Dacă nu există astfel de trafic reintră în modul sleep pentru o perioadă dublă

• Se continuă cu acest proces până când intervalul sleep are valoarea maximă Tmax

• Cu cât Tmax este mai mare cu atât se va economisi mai multă energie, dar va creşte timpul

necesar ca terminalul să răspundă la o transmisie destinată lui

2019-2020STLA - Curs 5 75

curs 5 sistemul wimaxusers.utcluj.ro/~dtl/stla/cursuri/curs_stla_05.pdf · 2019-11-02 · de ex. un...

Documents