{ Wireless MAN, WiMax,

Osnova Wireless MAN, WiMax, 80.16 PA 151 Soudobe s te Jan Staudek http://www..muni.cz/usr/staudek/vyuka/ } w A y < 5 4 3 1 0 / -., )+ ( %&' $ #!" Æ Co to je WiMAX Uvod k 80.16 Zakladn principy c innosti 80.16 MAC Referen cn model 80.16 MAC Convergence Sub-Layer (CS) 80.16 MAC Common Part Sub-Layer (CPS) 80.16 MAC Privacy Sub-Layer (PS) 80.16 Verze : jaro 016 Bezdratov e technologie, p rehled s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 1 Co to je WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access (AXess) X S irokopasmov a bezdratov a s t' ur cena pro PTMP bezdratov e s t'ovan X Vysoke p renosove rychlosti se dosahuj pomoc technologi OFDM a MIMO X OFDM: forma p renosu, ktery pou z va velke mno zstv bl zko rozm st enych nosnych, ktere jsou modulovany daty na n zkou rychlost p renosu. Signaly jsou navzajem ortogonaln, neinterferuj. Data se p rena sej velkym mno zstv m takovych signal u soub ez n e, zvy suje se propustnost. X MIMO: Soub ez ny p renos paraleln ch toku dat mezi vys la ci a p rij ma ci s v ce antenami dopln eny o slo zit ej s zpracovan digitaln ch signal u zvy suje propustnost nad Shannonovo omezeni a odolnost vu ci interferenc m d ky v cecestnemu s r en signalu, s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 3

C love aplikace WiMAX Co to je WiMAX, varianty WiMAX Serie standardu IEEE 80.16 Fixed WiMAX, IEEE 80.16d { xn terminaly X bezdratov y ekvivalent kabelovych spojen typu DSL (VDSL,... ) X uplatn en na m stn smy cce (posledn m le) X a z 10 Mb/s a v ce v bunce o prum eru a z 75 km Mobile WiMAX, IEEE 80.16e { mobiln terminaly X levn ej s konkurent s t m typu LTE X a z 15 Mb/s v bunce o prum eru a z 4 km WiMAX Advance, IEEE 80.16m { p ripravovany nastupce 80.16e s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 4 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 5 Uvod k 80.16, p r klady aplikac s t WiMax C love aplikace WiMAX S t' typu MAN { Metropolitan Area Network Vystavba rozsahl ych bezdratov ych s t pro p r stup k internetu na urovni metropolitn ch s t, MAN (radiove kanaly mohou zaji st'ovat rychlost, nap r. i 10 Mb/s a v ce PP bezdratov a spojen s vysokou kapacitou p renosu dat, bezdratov a alternativa kabelovych, DSL a T1/E1 slu zeb pro { Sirokopasmov y p r stup na posledn m li pro p ripojen u castn ka k ISP { Propojen p r stupovych bodu WiFi LAN { Digitaln telefonii PMP bezdratov a r e sen pro posledn m li v sesm erovym bezdratov ym spojem Televizn a radiov e vys lan,... p renos hlasu i videa a poskytovan s t m souvisej c ch slu zeb zejmena citlivych na c asovou prodlevu, jako je { p renos hlasu pomoc p repojovan okruhu, { p renos videa, { IP telefonie (VoIP) a { p renos dat s ur cenou prioritou,... poskytovan vysokorychlostn ch mobiln ch datovych a hlasovych slu zeb bez nutnosti p r me viditelnosti zakladny obsluhovan stovek a z tis cu zakazn ku jednou zakladnou jedna se o dra zs technologii s vyrazn ym durazem na QoS (na rozd l od WiFi) s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 6 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 7

Uvod k 80.16, typy s t WiMax PP a PMP s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 Uvod k 80.16, koncept WiMAX 8 Uvod k 80.16, WiMAX vs. WiFi vs Cellular (UTMS, LTE) s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 9 S t'ova architektura WiMAX 10 WiMax je bezdratov a MAN nikoli bezdratov a LAN S t'ova architektura WiMAX: De nice systemu nad bezdratov ym rozhran m s mo znost end-to-end relac Access Service Network, ASN : bezdratov a s t' obsahuj c jednu nebo v ce zakladen a jednu nebo v ce bran ASN (NSP, Network Access Provider (propojen komponent ASN na urovni datoveho spoje) Connectivity Service Network, CSN,: zaji st'uje vnit rn a vn ej s konektivitu na urovni IP, jadro WiMAX (NSP, Network Service Provider) vzdalen e staticke nebo mobiln klientske stanice s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 11

S t'ova architektura WiMAX S t'ova architektura WiMAX zakladna, Base Stations (BS) X BS je stacionarn X poskytuje a podporuje bezdratov e rozhran pro SS a MS X mu ze ovladat tis ce klientskych stanic, Subscriber Station (SS), Mobile Station (MS) X r e s p redavky, kvalitu slu zeb, DHCP proxy, spravu kl c u, spravu relac, skupinove rozes lan zprav,... Klientska stanice, Subscriber Station (SS), Mobile Station (MS) X SS jsou stacionarn, MS jsou mobiln ( casto dongle do notebooku) X SS obvykle obsluhuje budovu (bunku) a pokryv a funkcionalitu posledn m le z hlediska p r stupu do ve rejnych s t z koncovych stanic (u castn ku) obsluhovanych v bunce X SS ma c asto charakter CPE, CPE, Customer Premises Equipment: krabi cka p ripojena k PC s vnit rn antenou, telekomunika cn za r zen um st ene u zakazn ka (set-top box, napojen na Internet,... ) s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 1 S t'ova architektura WiMAX s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 13 Uvod k 80.16, koncept napojen WiFi a WiMAX ASN Gateway, ASN-GW, NMS, Network management System: propojen komponent ASN a c asti CSN na urovni datoveho spoje, vyhledav an (paging), sprava radioveho rozhran, cahe pam et' u zivatelskych pro lu a s ifrovac ch kl c u,... Authentication, Authorisation and Accounting Server, AAA: databaze (info o u castn c ch, kon gurace, info o slu zbach,...) CSN Router propojen mezi v ce BS (a napojen BS na jine systemy (PSTN, Internet,... ) Home Agent, HA, Foreing Agent, HA kotvy u castn ku p ri roamingu, mobilita na urovni IP,... s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 14 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 15

Proc nestac 80.11/WiFi? Proc 80.16/WiMAX? Obe ste byly navrzeny pro sirokop asmov e bezdr atov e komunikace Obe ste se ale lis WiMax (80.16) poskytuje sluzby budov am, budovy nejsou mobiln, nemigruj mezi bu nkami (mobilitu pripoust az verze 80.16e) WiFi (80.11) se silne orientuje na mobilitu stanic V budove se provozuje vce poctac u, koncovou stanic WiFi je typicky notebook Provozovatel budovy je schopen vce investovat nez vlastnk notebooku, { WiMax m uze pouzvat dokonalejs r adiov a pojtka, m uze tudz pouzvat duplexn komunikace, cemuz se WiFi pro udrzen l ace vyh yb a V bu nce WiMax je typicky mnohem vce uzivatel u nez v bu nce 80.11 Proc nestac 80.11/WiFi? Proc 80.16/WiMAX? Obe ste se ale lis (pokrac.) Uzivatel e WiMax pozaduj vets srku p asma nez uzivatel e 80.11, pren asej vets objemy dat P asmo ISM (p asmo 80.11) neposkytuje dostatecnou prenosovou kapacitu, WiMax operuje ve vyssch p asmech (10{66 GHz) Tm se dost av a WiMaX do p asma mm vln, WiFi pouzv a dels vlny, fyzick a vrstva mus b yt jin a mm vlny nic vlhkost (d est', snh, kroupy, mlha) { chybov e rzen mus b yt dokonalejs nez v budove 80.11 vysl a vsesmerove, mm vlny lze smerovat do paprsk u 80.11 nebyla navrzena pro telefonii a siln y multimedi aln provoz, 80.16 tyto aplikace podporuje 80.11 mobiln, bezdr atov y Ethernet, 80.16 bezdr atov a kabelov a TV ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 16 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 17 Z akladn principy cinnosti 80.16 Referencn model WiMAX Wireless MAN: PM (BS { SS, SS, SS,... ), prp. PP (BS { opakovac) a volitelne mesh (SS { SS { SS) Spojovan e sluzby na vrstv e datov eho spoje N asobnost prstupu (MAC) downlink (BS SS, SS,... ), uplink (SS, SS,... BS) TDM & TDMA, volitelne OFDM & TDMA, OFDMA & TDMA Vlastnosti vrstvy PHY ovliv nujc MAC Duplex: TDD, FDD, FDX (full duplex) FDD BS a SS, HDX (half duplex) FDD/TDD SS Adaptivn proly na DL i UL (Modulace a FEC) Vce trd QoS (CBR, rt-vbr, nrt-vbr, BE) Podpora siln e bezpecnosti ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 18 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 19

Referencn model WiMAX Referencn model WiMAX St' trdy IEEE 80 { vyhovuje pravidl um chov an vrstvy datov eho spoje podle stanadard u IEEE 80 dvouvrstv a architektura, fyzick a vrstva + vrstva MAC Z akladna v pokryt e oblasti pln roli mostu LAN Adresov an stanic se deje na principu MAC adres vrstva MAC m a vce (3) podvrstev, dve b azov e Convergence Sublayer, CS, service-specic sublayer, podvrstva konvergenc na sluzby: prizp usoben paket um ATM, Ethernet a IP MAC Common Part Sublayer, CPS: prstupov e mechanismy SS s BS, spojovan e sluzby se zarucenou urovn kvality, funkce poskytujc sluzby klient um: vysl an dat v r amcch, rzen prstupu ke sdlen emu m ediu, jak m uze z akladna nebo klientsk a stanice zah ajit prenos kan alem, jak zajistit potrebnou kapacitu,... podvrstva CS { rozhran na st'ovou vrstvu IP Internetu ATM ste,... podvrstva CPS p uvodn n avrh byl PMP, vesker y provoz rd z akladna, (BS{SS) provozuj se spojovan a spojen (connection oriented) pozdeji (80.16a,d) standard povoluje i mesh (SS{SS) ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 0 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 1 Referencn model WiMAX WiMAX, podvrstva MAC CPS Prim arn e rozhran pevn ych pmp sirokop asmov ych bezdr atov ych prstupov ych syst em u poskytujcch sluzby soub ezn e lze provozovat vce sluzeb s r uznou urovn QoS podvrstva Security kryptograe (soukrom), spr ava klc u, autentizace Fyzick a vrstva z akladem je vce sign alov y prenos typu OFDM, prp. TDM dlc nosn e slozky jsou modulovan e podle zam yslen eho dosahu alternativne modulacemi QPSK, 16-QAM a 64-QAM je funkcn nad n ekolika specikacemi fyzick e vrstvy optimalizovan ych pro p asma frekvenc konkr etnch aplikac, soub ezn e podporuje vce specikac fyzick e vrstvy vylucuje kolize, z akladna dynamicky, na z adost, prid eluje uplink/dowstream kapacitu jednotliv ym klientsk ym stanicm ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 3

WiMAX, podvrstva MAC CPS WiMAX, radiov y podsystem Adaptivn pro ly vys lanych davek (burst) na DL a UL { modulace, FEC,... X Na DL se mu ze asociovat stejna davka p renosu k v ce SS X Na UP vys la SS v ur cenem c asovem d lu s konkretn e de novanym pro lem planovac algoritmus MAC CPS podvrstvy: { SS soupe r s ostatn mi SS o planov an pouze p ri prvn m vstupu do s t e { po vstupu SS do s t e BS p rid el SS komunika cn prostor/kapacitu vylu cn e Komunikace mezi dv ema SS typicky prob ha v zdy p res BS Existuje ale i podpora mesh s t e s p r mou komunikac mezi SS s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 4 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 5 WiMAX, Fyzicka vrstva, PHY WiMAX, Fyzicka vrstva, PHY speci kace fyzicke vrstvy { de nice frekv. pasem, modula cn ch schemat, chyboveho r zen, synchronizace vys la c/p rij ma c, rychlost dat, struktury TDM/FDM dosah zakladnov e stanice v otev renem terenu p ri zachovan p r me viditelnosti je a z 70 km realn e vyu z van do 0 km p ri zachovan p r me viditelnosti dosah v metropolitn oblasti bez p r me viditelnosti 3 a z 5 km kapacita p renosu dat na fyzicke vrstv e je 55 Mb/s realn a propustnost aplika cn ch dat je a z 70 Mb/s v praxi b ez n e na u zivatele 0,5 Mb/s a z Mb/s s irokopasmov e kanaly { 0, 5 nebo 8 MHz prvn verze standardu 80.16 de novala opera cn prost red LOS v pasmech frekvenc 10{66 GHz nepodlehaj c ch licen cn mu r zen dopln ek 80.16a de nuje i nonlos opera cn prost red v pasmech frekvenc {11 GHz, v licencovanych pasmech, je p rid elene frekven cn pasmo v CR 3,5 GHz Planov an spojen se uskute cnuje v c asove, frekven cn i prostorove domen e X Konkretn chovan PHY se odvozuje z r zen uplatn eneho v MAC vrstv e X pro sd len uplink a downlink spoju, se pou z va jak time division duplex (TDD), tak i frequency division duplex (FDD) X orientovane anteny omezuj sve paprsky na konkretn koncovy bod, pou z va se prostorove d elen v c. multiantenn ch technik (MIMO) s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 6 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 7

WiMAX, Fyzicka vrstva, anteny WiMAX, Fyzicka vrstva, PHY Signal v mm pasmu se vzdalenost rychle slabne, je tlumeny ovzdu s m,... Adaptivita vrstvy PHY { podle vzdalenosti BS-SS se pou z vaj ruzn a modula cn schemata (ruzn e bitove rychlosti, pro ly) s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 8 WiMAX, podpora duplexn komunikace, FDD / TDD s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 9 princip Time-Division Duplex (TDD) X X X X s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 WiMAX, podpora duplexn komunikace 30 Downlink i Uplink sd lej v c ase stejny radiov y kanal Kapacitu downlink a uplink lze m enit { dynamicka asymetrie Levne SS, nelze sou casn e vys lat a p rij mat (c l je lace) TDD frame: s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 31

WiMAX, podpora duplexn komunikace Frequency-Division Duplex (FDD) Downlink i Uplink pouzvaj samostatn e r adiov e kan aly statick a asymetrie FDX, full duplex { soucasn e vysl an a prjem HDX, half duplex { levn e resen na strane SS WiMAX, podpora duplexn komunikace Vyuzv an casov ych dl u downlink spoje pln e rd z akladna v podvrstve MAC CPS Vyuzv an casov ych dl u uplink spoje je slozit ejs inici alne se uplat nuje souperen podporovan e funkcionalitou podvrstvy MAC CPS v yklad podvrstvy MAC CPS, viz d ale ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 3 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 33 PHY, fyzick a vrstva WiMAX WiMAX, MAC { pouzit y multiplexing { DAMA-TDMA existuje vce specikac vrstvy PHY Single Carrier PHY 56 point FFT OFDM PHY 048 point FFT OFDM PHY prednosti FFT OFDM proti CDMA FFT OFDM podporuje nonlos komunikace s mensmi n aroky na prenosov y v ykon CDMA pozaduje mnohem vets srku p asma pro prenos nez kterou vyzaduje objem pren asen ych dat, coz je pro bezdr atov e vysl an pod 11 GHz nepraktick e Demand Assignment Multiple Access-Time Division Multiple Access (DAMA-TDMA) TDMA cas se v kan alu del na useky { TDMA r amce (TDMA frames) kazd y TDMA r amec sest av a z urcit eho poctu casov ych dl u (slots) 1 nebo nekolik casov ych dl u v TDMA r amcch lze seskupovat do logick ych kan al u DAMA pridelov an casov ych dl u v TDMA r amcch rd BS dynamicky o pridelen prenosov e kapacity poz ad a SS pri sv em prv em prihl asen prvn prihl asen = souperen stanic o jist y uplink casov y dl { { vyzaduje se komunikacn srka p asma, { kolize pri souperen se res exponenci alnm back-o algoritmem ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 34 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 35

WiMAX, MAC { uplink a downlink kan aly WiMAX, MAC { uplink a downlink kan aly prenos SS BS, uplink multipoint-to-point, siln e souperen o prstup k m ediu uplat nuje se multiplexing DAMA-TDMA, pozadavek byl zad an pri zah ajen cinnosti po prv e pridelen y (zskan y) casov y dl je spojen pridelen y az do ukoncen spojen pouzvaj se opravn e k ody modulacn techniky vych azej ze sch emat QPSK prenos BS SS, downlink point-to-multipoint, TDM rezimy prenosu BS SS { rezim A: podpora souvisl eho toku { audio, video,... { rezim B: podpora d avkovan eho toku { IP data,... obvykle je z adan a vets kapacita pro jednotliv e SS nez pro uplink (stahov an WWW,... ), z adn e souperen o prstup k m ediu, jednoduch e rzen z akladnou rezim A: podpora souvisl eho toku { audio, video,...... { prost y TDM, informace pro kazdou SS se vysl a najednou jako jeden proud dat a obdrz ji kazd a SS v dan em sektoru { multiplexing s uplink tokem pomoc multiplexov an FDD ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 36 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 37 WiMAX, MAC { uplink a downlink kan aly WiMAX, MAC prenos BS SS, downlink... rezim B: podpora d avkovan eho toku { IP data,... { uplat nuje se multiplexing DAMA-TDMA { multiplexing s uplink tokem pomoc multiplexov an FDD nebo pomoc TDD { c ast TDMA r amce se pouzije pro tok uplink a c ast TDMA r amce se pouzije pro tok downlink R amce MAC podvrstvy zabraj celistv y pocet casov ych dl u fyzick e vrstvy Kazd y r amec se del na pod-r amce prvn dva jsou mapy downstream-u a upstream-u sdeluj co je ve kter ych casov ych dlech a kter e casov e dly jsou voln e downstream mapa obsahuje rovnez parametry informujc nove pripojovan e stanice Downstream kan al je jednoduch y, co je ve kter em podr amci urcuje z akladna Upstream kan al je komplikovan ejs vyuzvaj ho nove se prihlasujc stanice jeho alokace z avis na pozadovan e kvalite prenosu ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 38 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 39

WiMAX, MAC { poskytovan e kvality sluzeb WiMAX, MAC { poskytovan e kvality sluzeb Trdy QoS { vsechny typy sluzeb jsou spojovan e sluzby Constant bit rate service, CBR Real-time variable bit rate service, RVBR Non-real-time variable bit rate service, NRVBR Best-eorts service, BE Pro srovn an { WiFi podporuje nespojovan e sluzby Contention free MAC { CBR, RVBR, NRVBR z akladna vymezuje casov e intervaly, ve kter ych kter ych operuje ta kter a konkr etn stanice zpr avou, kterou slys vsechny stanice v pridelen ych casov ych intervalech nebudou ostatn zarzen vyslat Contention based MAC - BE b azov y princip { delen a ALoha stanice mus bezkolizne zaslat z adost z akladne v casov em dlu sdelovan em pravidelne z akladnou do pokryt e oblasti zasl an z adosti { vysl an nzk ym v ykonem akceptov an z adosti { stanice uslys pozitivn odpoved' m uze vyslat neuslys odpoved' kolize, pred dalsm pokusem n ahodn a, opakovane exponenci alne prodluzovan a prodleva vyslan a vyssm v ykonem ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 40 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 41 WiMAX, MAC { poskytovan e kvality sluzeb Constant bit rate service, CBR, (contention free MAC) prenos nekomprimovan eho hlasu, kan al typu T1 z aruka prenosu jist eho objemu dat za jist y cas casov e dly jsou pridelen e z akladnou pevne, nen treba o ne z adat Real-time variable bit rate service, RVBR (contention free MAC) prenos komprimovan ych multimedi alnch dat apod. pozadovan a prenosov a kapacita m uze kolsat z akladna se v pravideln ych intervalech dotazuje stanice jakou prenosovou kapacitu pozaduje casov e dly pak prideluje z akladna WiMAX, MAC { poskytovan e kvality sluzeb Non-real-time variable bit rate service, NRVBR (c. f. MAC) pro velkobjemov y prenos dat (soubory dat) nepozadujc limity v real-time z akladna se v nepravideln ych intervalech dotazuje stanice jakou prenosovou kapacitu pozaduje casov e dly pak prideluje z akladna Best-eorts service, BE (contention based MAC) stanice mus souperit o pridelen casov ych dl u casov e dly pro souperen jsou v upstream mape oznacen e, vtez souperen je sdelovan y v n asledn e downstream mape v prpade kolize se z adosti opakuj v n asledn ych n ahodn ych intervalech (exponenci alne prodluzovan ych) O alokaci kapacity m uze z adat stanice SS pro vsechny sv e uzivatele spolecne nebo o ni mohou z adat jednotliv uzivatel e stanice samostatne ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 4 ste { Wireless MAN, WiMax, 80.16 43

WiMAX, MAC { planov an WiMAX, MAC { planov an planov an { ur covan jak a kdy budou za r zen p rij mat a vys lat planov an ve WiMAx { kombinace TDMA, vyzyv an a soupe ren planov an na bazi TDMA X (periodicke) vys lan vyzyvac zpravy zakladnou po downlink kanalu X p r jemce vyzvan spou st relevantn p renos v ur cenem c asovem intervalu po uplink kanalu X vyzyvat lze jednu konkretn stanici { unicast polling, reaguje pouze vyzvana stanice, ostatn ml c X multicast polling { oslovene stanice (v oslovene skupin e) budou soupe rit X broadcast polling { oslovuje v sechny stanice X zaji st'ovan CBR na sd lenem radiovem kanalu X pravidelna alokace c asovych d lu stanici s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 44 WiMAX, MAC { ilustrace procedury s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 Vyzyv an, polling s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 45 WiMAX, MAC { planov an, vyzyv an 46 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 47

WiMAX, MAC { planov an, soupe ren WiMAX, MAC { planov an, soupe ren soupe ren, Contention X zakladna de nuje c asove d ly, ve kterych se soupe r, zpravou rozes lanou periodicky po downlink kanalu X soupe r c stanice vy cka na udany c asovy d l a vy sle z adost X pokud neusly s odpov ed', za nahodn y, postupn e prodlu zovany interval vys la z adost opakovan e, v zdy siln ej s m vykonem X odpov ed po downlink kanalu se dozv p rid elene c asove d ly v uplink kanalu s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 48 WiMAX, MAC { planov an, mix TDMA, vyzev a soupe ren s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 50 s te { Wireless MAN, WiMax, 80.16 49