Tutorial WiMAX

© Antônio M. Alberti 2007

Semana Tecnológica do Inatel

Tutorial

Visão Geral da Tecnologia WiMAX


WiMAX O padrão IEEE 802.16 veio para consolidar o conceito de

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network).

Para tanto, é necessário se ter altas taxas de transmissão numa grande área para um grande número de usuários.

Essa tecnologia foi batizada de WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) pelo consórcio da indústria WiMAX Forum.


WiMAX O padrão especifica duas faixas no espectro de

freqüência: 2 a 11 GHz (ou sub-11) para condição NLOS (non line of

sight, sem visada direta) com alcance de até 8 quilômetros.

10 a 66 GHz para condição LOS (line of sight, com visada direta) com alcance de até 50 quilômetros, cabendo aos fabricantes e órgãos regulamentadores (Ex. Anatel) decidir quais serão as freqüências utilizadas.


WiMAX O padrão possui a camada física (PHY) adaptativa, ou

seja, ele altera a modulação (Ex: 16 QAM, QPSK, 64 QAM) e codificação (Reed Solomon) do equipamento de acordo com as condições do canal.

Permite correção de erro (FEC – Forward Error Correction), com tamanhos de blocos variáveis e oferece suporte para antenas inteligentes adaptativas.

Pode operar com TDD ou FDD no uplink e no downlink.

Existem duas arquiteturas para o 802.16: Fixa e Móvel.


Arquitetura Fixa

Voltada para o acesso em redes metropolitanas.

Possui duas possibilidades de implantação, dependendo do local onde a rede WiMAX termina: Backhaul quando constitui várias ligações ponto a ponto entre BSs; Rede de última milha, quando um sinal WiMAX chega no ponto de

acesso do assinante final.

WiM

AX


Arquitetura Fixa

WiMAX como backhaul para rede Wi-Fi:

WiM

AX

Fonte: Intel, “Understanding Wi-Fi and Wi-MAX as Metro-Access Solution”, 2004.


Arquitetura Fixa

WiMAX interligando hot-spots da rede Wi-Fi:

WiM

AX

Fonte: Intel, “Understanding Wi-Fi and Wi-MAX as Metro-Access Solution”, 2004.


Arquitetura Fixa

WiMAX chegando aos clientes finais: Neste caso, é necessário se instalar uma antena WiMAX no assinante.

Tipicamente, esta antena é montada no telhado, sendo a instalação semelhante a uma antena de TV por satélite.

Não é necessário que o cliente possua visada direta com a Base-Station, com a comunicação ocorrendo através de múltiplos-percursos.

Neste caso o WiMAX é utilizado como uma alternativa para o cliente ter acesso aos serviços de voz e dados sem depender da disponibilidade da operadora local possuir infra-estrutura fixa no local.

WiM

AX


Arquitetura Fixa

Visão Geral:

WiM

AX

Fonte: A. Alberti, R. Chan, S. Naves, “A Comparison of Approaches for IEEE 802.16 Performance Evaluation”, MPRG 2006.


Arquitetura Móvel

Esta arquitetura segue a norma IEEE 802.16e, que acrescenta portabilidade e o suporte a clientes móveis.

Provavelmente, as subscriber stations serão bastante semelhantes as estações Wi-Fi, podendo chegar até a telefonia móvel.

WiM

AX


Padronização W

iMAX


Implementações AlvarionW

iMAX

Rádio Base

Acesso


Implementações AlvarionW

iMAX


Implementações SOC – System on a ChipW

iMAX


Implementações M-Taiwan: Taiwan WiMAX NetworkW

iMAX


Pilha de Protocolos O modelo de referência de protocolos da norma IEEE

802.16 possui três planos: Plano do Usuário, Plano de Controle e Plano de Gerência.

A camada MAC (Medium Access Control – Controle de Acesso ao Meio) é dividida em três sub-camadas: CS (Service-Specific Convergence Sublayer – Sub-camada

de Convergência Específica). CPS (Common Part Sublayer – Sub-camada de

Convergência Comum). Sub-camada de Segurança (Security Sublayer).

Abaixo da camada MAC, existe a camada PHY (Physical Layer – Camada Física).

WiM

AX


Pilha de Protocolos W

iMAX Fonte: A. Alberti, R. Chan, S. Naves, “A

Comparison of Approaches for IEEE 802.16 Performance Evaluation”, MPRG 2006.


Camada de Controle de Acesso ao Meio Dentre as principais funções desempenhadas pela

camada MAC estão: Suporte à qualidade de serviço. Adaptação do tráfego de outras tecnologias para a rede

WiMAX. Suporte ao ajuste adaptativo das técnicas de transmissão

digital em função do meio de transmissão. Multiplexação de fluxos de tráfego em conexões. Escalonamento e alocação dinâmica de recursos de

transmissão. Suporte à segurança da comunicação. Controle de acesso e transmissão de informações. Suporte à topologia da rede.

WiM

AX


Sub-camada de Convergência Específica Esta subcamada inclui as funcionalidades específicas de

adaptação necessárias aos possíveis clientes da rede WiMAX.

Estas funcionalidades são ditas específicas porque diferem para cada tecnologia cliente.

Atualmente, apenas 2 especificações da subcamada de convergência (CS) estão disponíveis: ATM CS e Packet CS.

WiM

AX /

MAC


Sub-camada de Convergência Comum Esta subcamada inclui as funcionalidades comuns de

adaptação necessárias aos possíveis clientes da rede WiMAX.

Estas funcionalidades são comuns porque são as mesmas para todas as tecnologias cliente.

WiM

AX /

MAC


Sub-camada de Convergência Comum Suporte à Topologia da Rede

A CPS provê o suporte a duas topologias: Ponto-Multiponto (PMP – Point-Multipoint). Malha (Mesh).

Estabelecimento e Manutenção de Conexões As conexões WiMAX são identificadas por identificadores

de 16 bits chamados CID (Connection ID).

Assim, podem existir no máximo 64000 conexões dentro de cada canal de uplink e downlink.

Existem quatro tipos de conexões: básicas, primárias, secundárias e de dados.

WiM

AX /

MAC


Sub-camada de Convergência Comum Estabelecimento e Manutenção de Conexões

WiM

AX /

MAC

Fonte: IEEE Working Group 16, “IEEE 802.16 Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”, 2004.


Sub-camada de Convergência Comum Construção e Transmissão do MAC PDU

Os MAC PDUs possuem tamanho variável e são divididos em três porções: um cabeçalho genérico MAC de tamanho fixo (6 bytes); um payload de tamanho variável; um código de redundância cíclica (CRC) opcional de (4 bytes).

O tamanho máximo de uma MAC PDU é 2048 bytes (2 Kbytes).

O payload pode estar vazio ou preenchido com sub-cabeçalhos, MAC SDUs ou fragmentos de MAC-SDUs.

WiM

AX /

MAC


Sub-camada de Convergência Comum Construção e Transmissão do MAC PDU

Existem dois tipos de cabeçalhos das MAC PDUs: genérico e de negociação de banda, que não possui payload e serve exclusivamente para solicitar banda de uplink para uma determinada conexão.

Existem seis tipos de sub-cabeçalhos que podem estar presentes no payload da MAC PDU: Malha, Fragmentação, Requisição de Banda, Empacotamento, Fast-

Feedback Allocation.

WiM

AX /

MAC


Sub-camada de Convergência Comum Duplexing

Duas técnicas de duplexing são fornecidas pelo protocolo MAC: TDD (Time Division Duplexing); FDD (Frequency Division Duplexing).

WiM

AX /

MAC



TDD WiM

AX /

MAC

Fonte: Benoît Louazel, Seán Murphy, “Implementation of IEEE 802.16a in GloMoSim/QualNet”, 2004.



FDD WiM

AX /

MAC



Sub-camada de Convergência Comum Mapeamento

O mapeamento é a técnica utilizada para controle de acesso e alocação de banda na MAC.

Ela difere em função do tipo de camada física utilizada abaixo da MAC: single carrier (SC e SCa) ou OFDM (OFDM e OFDMA).

No caso single carrier, para determinar em quais PHY slots uma SS pode transmitir, a BS envia no sub-quadro de downlink um mapa de uplink (UL-MAP) contendo os slots que cada estação está apta a transmitir.

Além disto, o sub-quadro de downlink contém um mapa de downlink (DL-MAP), que indica que estação deve receber em qual time slot.

WiM

AX /

MAC



Todas as estações recebem estes mapas.

Assim, o esquema de mapeamento define: a banda alocada para cada estação, através do número de slots disponíveis; os time slots em que cada estação transmite e recebe; e o perfil de transmissão (burst profile) a ser utilizado.

WiM

AX /

MAC



WiM

AX /

MAC

Fonte: Herlon Clayton Paggi Hernandes, 2007.



WiM

AX /

MAC

Fonte: Herlon Clayton Paggi Hernandes, 2007.


Sub-camada de Convergência Comum Escalonamento

É utilizado para definir a prioridade de transmissão de MAC SDUs através das conexões existentes.

Cada conexão (definida pelo CID) se encaixa em uma classe pré-definida de escalonamento.

Cada classe possui um conjunto de parâmetros que quantifica os seus pré-requisitos de QoS.

WiM

AX /

MAC


Sub-camada de Convergência Comum Escalonamento

Quatro classes de serviço são suportadas: Unsolicited Grant Service (UGS) – É voltada para tráfego em tempo

real com fluxo de taxa constante (pacotes de tamanho fixo), tais como emulação de circuitos e ATM CBR.

Real Time Polling Service (rtPS) – É voltada para tráfego em tempo real com fluxo de taxa variável (pacotes de tamanho variável), tal como vídeo MPEG.

Non-real-time Polling Service (nrtPS) – É voltada para tráfego armazenado tolerante a atraso com fluxo de taxa variável (pacotes de tamanho variável), tal como vídeo armazenado MPEG.

Best Effort (BE) – É voltada para tráfego de dados de taxa variável (pacotes de tamanho variável), tal como TCP/IP.

WiM

AX /

MAC


Sub-camada de Convergência Comum Alocação de Recursos de Transmissão

A requisição de banda é o processo no qual uma SS indica para uma BS que ela precisa de alocação de largura de banda.

As requisições de banda podem ser incrementais ou agregadas.

As requisições agregadas substituem a informação de banda necessária para a conexão, enquanto que as incrementais acrescentam a banda necessária a conexão já existente.

WiM

AX /

MAC



A natureza de autocorreção do protocolo de requisição de banda requer que as SSs estejam periodicamente enviando requisições de banda.

O período das atualizações é uma função das classes de serviço e da qualidade dos enlaces.

O processo pelo qual uma BS aloca banda para uma SS especificamente para que ela possa fazer a suas requisições de banda é chamado de polling.

WiM

AX /

MAC



Estas alocações podem ser por SS ou por grupos de SSs, e visam oferecer largura de banda para que uma SS possa negociar banda para as suas conexões.

Quanto as concessões elas podem ser de dois tipos: Por CID (GPC – Grant Per Connection). Por SS (GPSS – Grant Per SS).

No GPC a banda é concedida para uma conexão específica, enquanto o GPSS ela é concedida para a SS, que decide como melhor utilizá-la.

WiM

AX /

MAC



Exemplo de Negociação de RecursosWiM

AX /

MAC



Sub-camada de Convergência Comum Suporte ao Ajuste Adaptativo das Técnicas de

Transmissão O termo usado para descrever os processos de ajuste

adaptativo das técnicas de transmissão visando manter a qualidade do rádio enlace é chamado de ranging ou modo da camada física.

Processos distintos são usados no uplink e downlink.

A principal idéia por de trás do ajuste adaptativo está na troca do perfil de transmissão (burst profile) em função do estado do enlace.

WiM

AX /

MAC


Sub-camada de Segurança Essa sub-camada fornece privacidade aos assinantes da

rede wireless, através da encriptação do tráfego das conexões entre a SS e a BS.

Ela provê também uma forte proteção contra roubo de serviços.

A BS protege contra acessos não autorizados aos serviços de transporte de dados, forçando a encriptação dos serviços de fluxo através da rede.

WiM

AX /

MAC


Camada Física As principais funções da camada física são:

Transmissão dos MAC PDUs. Definição das técnicas de transmissão digital. Definição de espectro. Correção de erro. Definição da técnica de duplexing. Construção dos quadros e sub-quadros de transmissão.

Cinco camadas físicas foram especificadas: WirelessMAN-SC, WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-

OFDM, WirelessMAN-OFDMA e WirelessHUMAN.

WiM

AX /

PHY


Camada Física WirelessMAN-SC

Opera na faixa de 10-66 GHz. Foi projetada para aplicações com linha de visada. Utiliza modulação single carrier. Suporta TDD e FDD. Permite utilizar vários perfis de transmissão adaptativos.

WiM

AX /

PHY


Camada Física WirelessMAN-SCa

A medida que o interesse comercial pelas faixas de 2-11 GHz aumentaram, principalmente para oferecer acesso sem linha de visada, o grupo IEEE 802.16 definiu três novas camadas físicas.

A interface WirelessMAN-SCa aperfeiçoa a estrutura dos quadros visando uma melhoria na robustez das transmissões.

Suporta TDD e FDD. Permite utilizar vários perfis de transmissão adaptativos.

WiM

AX /

PHY


Camada Física WirelessMAN-OFDM

É baseada na modulação OFDM (Ortoghonal Frequency Division Multiplexing), projetada para sistemas sem visada direta (NLOS) e para operar na faixa de sub 11 GHz.

Possui 256 subportadoras ao total. Destas, somente 200 levam dados.

Possui 55 portadoras de guarda. Suporta TDD e FDD. Esta camada possui estruturas de transmissão diferentes,

dependendo se a topologia é PMP (Point-Multipoint) ou Mesh.

A transmissão é feita em bursts contendo símbolos OFDM.

WiM

AX /

PHY



Modos da Camada Física e Vazão CorrespondenteWiM

AX /

PHY

Fonte: Christian Hoymann, "Analysis and performance evaluation of the OFDM-based metropolitan area network IEEE 802.16”, Elsevier Computer Networks 49 (2005).



Alcance NLOS x Modo da Camada Física OFDMWiM

AX /

PHY

Fonte: Alvarion.

4.34.8

8.4

10.0

11.8

14.1

14.9

16.7

1.71.9

3.4

4.8

6.8

8.99.4

10.6

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

BFSK ½ BFSK ¾ QPSK ½ QPSK ¾ QAM16 ½ QAM16 ¾ QAM64 2/3 QAM64 ¾

Modualtion

Ran

ge

[ Km

]

• Dual Slope propagation model

• 30 dB fade margin

3.5MHz channels NLOS conditions

Uplink

Downlink

18 Mb/s 16 Mb/s 13 Mb/s 8 Mb/s 6 Mb/s 4 Mb/s 3 Mb/s 2 Mb/s

Modulation

Capacity

Range [Km]


Camada Física WirelessMAN-OFDMA

Utiliza OFDM com 2048 subportadoras. Uma SS pode utilizar mais de uma subportadora, daí o

termo Multiple Access. A utilização de 2048 subportadoras torna a FFT mais lenta

e aumenta os requisitos de sincronização. Por estes e outros motivos, este sistema atualmente tem

despertado menos interesse da indústria do que o de 256 subportadoras.

É baseado no padrão WiBRO, da Coréia do Sul.

WiM

AX /

PHY

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