Master: Sisteme Integrate de Comunicaii cu Aplicaii Speciale

An: I

Quality of Service (QoS) n WiMAX

Nume: Micle George

Semntura:

1

1 Introducere

IEEE 802.16 este un set de standarde de telecomunicaii proiectat s furnizeze acces wireless pe distane lungi ntr-o varietate de moduri de la legturi punct la punct pn la acces mobil complet de tip celular. Este de asemenea denumit i Wireless MAN care poate acoperi o zon metropolitan de civa kilometri. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) este un standard de comunicaie wireless a crui proiectare a durat mai muli ani, fiind finalizat n Iunie 2004. WiMAX este proiectat s furnizeze rate de transfer de la 30 Mbps pn la 40 Mbps, fiind capabil s furnizeze pn la 1 Gbps pentru staiile fixe. Standardul 802.16 a fost dezvoltat pentru a accelera introducerea pe pia a accesului wireless de band larg. nainte de introducerea acestui standard cele mai eficiente modaliti de a obine acces la servicii de internet n band larg au fost n principal prin T1, DSL sau prin cablu. WiMAX poate oferi acces wireless de band larg de pn la 50 de km pentru staiile fixe cu un debit util de 72 de Mbps, n timp ce pentru staiile mobile poate oferi o acoperire de pn la 15 km, i pentru o distribuie de tip punct la multipunct modelul poate furniza aproape aceeai lime de band ctre orice numr de utilizatori n funcie de arhitectura reelei. Familia de standarde 802.16 se bazeaz pe dou modele de utilizare, acestea fiind:

WiMAX Fix denumit de asemenea i IEEE 802.162004, opereaz n benzile de frecven de 2.5 GHz i 3.5 GHz liceniate i 5.8 GHz neliceniate.

WiMAX Mobil denumit de asemenea i IEEE 802.16e, permite utilizatorilor mobili s

se conecteze la internet. WiMAX Mobil ofer oportuniti de noi tipuri de servicii dar i

viteze de transfer superioare pentru serviciile mobile deja existente [1].

Figura 1.1 Reea WiMAX

2 Quality of Service (QoS) n WiMAX

Standardul 802.16 a fost proiectat inndu-se cont de diferitele tipurile de trafic. Acesta trebuie s se ocupe de cerinele aplicaiilor cu debite foarte ridicate precum, Voice over IP (VoIP), streaming audio sau video, dar i de aplicaii cu debite sczute precum, navigarea pe

2

internet, fiind posibil ca toate aceste servicii s necesite deservirea lor n acelai timp. Unele aplicaii de reea nu pot funciona fr suportul QoS. O anumit ntrziere poate fi acceptabil dar dac aceasta depete un anumit prag aplicaiile devin inutilizabile. De exemplu, grupul IEEE 802.16 a stabilit c pentru aplicaiile VoIP ntrzierea nu trebuie s depeasc pragul de 120 ms, depirea acestui prag duce la o pierdere semnificativ a calitii vocii, oamenii fiind intolerabili la ntrzieri de vorbire de peste 200 ms.

Algoritmii de semnalizare i alocare a benzii n 802.16 au fost proiectai astfel nct s permit sute de conexiuni pe canal i o varietate de cerine QoS. Aplicaiile terminale pot fi variate n ceea ce privete cerintele pentru limea de band i ntrziere, de aceea 802.16 trebuie s fie flexibil i eficient pentru o gam larg de modele de trafic [2]. Exist doua definiii largi pentru Quality of Service (QoS):

User-Centric QoS efectul colectiv a performanelor serviciului, care determin gradul de satisfacere a serviciului unui utilizator [3].

Network-Centric QoS conine mecanismele care ofer administratorilor reelei abilitatea de a controla limea de band, ntrzierea, jitter-ul i pierderile de pachete n reea, pentru a furniza un anumit serviciu de reea [4]. QoS se refer mai precis la ndeplinirea anumitor cerine, iar dup cum sugereaz i numele, este o msur a fiabilitii unei reele. n Figura 2.8 este reprezentat arhitectura Quality of Service pentru IEEE 802.16. Arhitectura QoS IEEE 802.16 poate oferi mai multe nivele QoS precum

mecanismele de clasficare a conexiunii, de asteptare n coad, control al semnalizrii, programarea, modulaia i rutarea. Aceast arhitectur este o combinaie ntre staiile de abonat i staia de baz.

Figura 2.1 Arhitectura QoS IEEE 802.16 [10]

2.1 Parametrii QoS

Pentru a asigura diferite nivele QoS pentru diferite tipuri de trafic de date, care depind de natura aplicaiei i cerinele lor QoS, standardul IEEE 802.16 difereniaz cinci tipuri de clase de

3

servicii. Setul de parametrii QoS principali asociai cu fiecare clas de serviciu din cele cinci tipuri sunt: rata maxim de trafic susinut, rata minim de trafic rezervat, tolerana maxim a latenei, jitter-ul maxim, metoda de cerere/transmisie, prioritatea traficului. Rata maxim de trafic susinut: acest parametru definete limita maxim a ratei de date pentru fluxul de serviciu. Rata maxim de trafic este exprimat n bii pe secund. Staia de baz nu trebuie s permit rate de date mai mari dect aceast valoare chiar dac exist resurse disponibile.

Rata minim de trafic rezervat: acest parametru definete rata minim rezervat pentru fluxul de serviciu. De asemenea i aceast rat este exprimat n bii pe secund i specific cantitatea minim de date transportat de ctre fluxul de serviciu ntr-o durat medie de timp. Tolerana maxim a latenei: acesta parametru reprezint durat maxim de timp necesar pachetelor s ajung de la surs la destinaie. Dac valoarea acestui parametru este zero atunci nu este asignat niciun angajament. Jitter-ul maxim: acest parametru reprezint variaia maxim a ntrzierii pentru un anumit flux de serviciu. Conceptual mai poate fi definit ca i deviaia ntrzierii medii de la ntrzierea medie.

Prioritatea traficului: valoarea acestui parametru specific prioritatea pentru un anumit flux de serviciu. Cnd doua fluxuri de servicii care aparin aceleiai clase de servicii i sunt asignati cu aceiai parametri QoS, fluxul cu prioritatea cea mai ridicat trebuie servit prima dat. Acest parametru ia valori ntre 0 i 7, prioritatea mai mare este asignat valorilor mai mari. Metoda de cerere/transmisie: aceast metod include modul de solicitare a benzii i regulile de formare a unitilor de pachete de date (PDU), cum ar fi permiterea fragmentrii [5].

2.3 Clase de servicii QoS

Stratul MAC al standardului IEEE 802.16 asigur diferenieri QoS pentru diferite tipuri de aplicaii care au loc n reelele IEEE 802.16, prin cinci tipuri definite de servicii programate, denumite de asemenea i clase QoS. Aceast clasificare n clase de servicii programate faciliteaz schimbul de lime de band ntre diferii utilizatori. Fiecare utilizator are o clas QoS. n conformitate cu acest parametru, mecanismul staiei de baz aloc necesarul de lime de band cerut de fiecare aplicaie. Acest mecanism permite o distribuie adaptiv i eficient a resurselor existente. Prin urmare, o aplicaie n timp real, precum aplicaiile video, vor avea prioritate n alocarea benzii n comparaie cu aplicaiile FTP sau email.

Prin urmare clasele de servicii definite n IEEE 802.16 sunt [6]:

Unsolicited Grant Service (UGS) Serviciul garantat nesolicitat

real time Polling Service (rtPS) Serviciul de interogare n timp real

non-real time Polling Service (nrtPS) Serviciul de interogare n timp non-real

extended real time Polling Service (ertPS) Serviciul de interogare extins n timp real

Best Effort (BE) Serviciul de tip efort minim Fiecare din aceste clase de servicii conin un set de parametrii QoS care trebuie s fie inclui n definiia fluxului de serviciu atunci cnd clasa QoS este activat pentru un anumit flux de serviciu. Urmtorul tabel indic parametrii pentru clasele de servicii n IEEE 802.16.

4

Tabel 2.1 Parametrii QoS specifici claselor de servicii

2.3.1 Unsolicited Grant Service (UGS)

Acest serviciu este proiectat s suporte pachete de date de dimensiune fix la o rat constant de bit (CBR) precum emularea T1/E1 i VoIP fr suprimarea momentelor de linite. n clas de serviciu UGS, staia de baz furnizeaz pachete de garantare a datelor de dimensiune fix. Prin aceast se elimin ntrzierea cererilor venite din partea SSs. Figura 2.2 ilustreaz mecanismul UGS. Staia de baz furnizeaz n rafale pachete de garantare de dimensiune fix ctre staille de abonat la intervale periodice de timp bazate pe rata maxim de trafic susinut a fluxului de serviciu[7].

Figura 2.2 Mecanismul UGS

Clas de serviciu QoS

Parametru

QoS

UGS

Rata maxim susinut, Tolerana maxim a ntrzierii,

Jitter-ul maxim

rtPS

Rata minim rezervat, Rata maxim susinut,

Tolerana maxim a ntrzierii, Prioritatea traficului

ertPS

Rata minim rezervat, Rata maxim susinut,

Tolerana maxim a ntrzierii, Jitter-ul maxim,

Prioritatea traficului

nrtPS

Rata minim rezervat, Rata maxim susinut,

Prioritatea traficului

BE Rata maxim susinut,

Prioritatea traficului

5

2.3.2 real time Polling Service (rtPS)

Acest serviciu este proiectat sa suporte fluxuri de servicii n timp real, precum MPEG

(Motion Pictures Experts Group) video, care genereaz pachete de date de dimensiune variabil n mod periodic. n Figura 2.3 este reprezentat mecanismul rtPS [8].

Figura 2.3 Mecanismul rtPS

n aceast clas, staia de baz furnizeaz oportuniti periodice de cerere uplink, care ndeplinesc nevoile fluxului de serviciu n timp real i permit staiei de abonat s specifice dimensiunea pachetului dorit. Rata maxim susinut i rata minim rezervat trebuie specificate separat.

2.3.3 non-real time Polling Service (nrtPS)

Acest serviciu este proiectat s suporte fluxuri de date tolerante la ntrzieri, precum FTP (File Transfer Protocol), care necesit pachete de garantare de dimensiune variabil la o rat minim rezervat. n Figura 2.4 este ilustrat acest mecanism.

Figura 2.4 Mecanismul nrtPS

n cazul clasei nrtPS, staia de baz furnizeaz interogri de cereri unicast pe canal uplink la intervale de timp regulate ceea ce garanteaz c fluxul de serviciu primete oportunitile de cerere chiar i n timpul congestiei reelei.

6

2.3.4 Best Effort (BE)

Acest serviciu este proiectat pentru fluxurile de date care nu necesit o garanie minim a serviciului, precum navigare Web. n Figura 2.5 este reprezentat mecanismul BE.

Figura 2.5 Mecanismul BE

Staiile de baz nu au nici o obligaie de interogare unicast pe canal uplink pentru staiile de abonat BE. Prin urmare o lung perioad de timp poate trece fr a transmite pachete BE, aceast situaie este tipic la apariia congestiei n reea

2.3.5 extended real time Polling Service (ertPS)

Acest serviciu este proiectat s susin aplicaii n timp real, precum VoIP cu suprimarea momentelor de linite, care au rate de date variabile, dar necesit rate de date i ntrzieri garantate. Acest mecanism a fost construit ca i o combinaie a mecanismelor UGS i rtPS. Acest serviciu este definit doar n standardul IEEE 802.16e-2005, nu i n IEEE 802.16-2004 [9].

7

Bibliografie

[1] WiMAX Forum Mobile WiMAX Part 1: A Technical Overview and Performance Evaluatio, WiMAX Forum, 2006.

[2] A. Ghosh, D. R. Wolter, J. G. Andrews and R. Chen, Broadband Wireless Access with WiMAX/802.16: Current Performance Benchmarks and Future Potential, IEEE Communications Magazine, vol. 43, no. 2, Feb. 2005, p.131.

[3] European Telecommunications Standards Institute, General Aspects of Quality of Service and Network Performance in Digital Networks, including ISDN, Technical Report ETR 003 ed. 1, ETSI, 1990.

[4] (2002) TMCnet.com website, http://www.tmcnet.com/ [5] J.G. Andrews, A. Ghosh, R. Muhamed, Fundamentals of WiMAX - Understanding

Broadband Wireless Networking, Ed. Prentice Hall, 2007.

[6] Y. Zhang, WiMAX Network Planning and Optimization, Ed. Auerbach, U.S.A, 2008. [7] L. Nuaymi, WiMAX Techonolgy For Broadband Wireless Access, Ed. John Wiley & Sons,

England, 2007.

[8] B. Li, Y. Qin, C. P. Low, C. L. Gwee, A Survey on Mobile WiMAX, IEEE Communications Magazine, pp. 70-75, Dec. 2007

[9] K. Wongthavarawat and A. Ganz, Packet scheduling for QoS support in IEEE 802.16 broadband wireless access systems, International Journal of Communication Systems, vol.16, pp. 81-96, 2003.