WiMAX και διασυνεργασία με το UMTS

1. Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα ΛάρισαςΣχολή Τεχνολογικών ΕφαρμογώνΤμήμα Τεχνολογίας Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών WiMAX και διασυνεργασία με το UMTS Αλέξανδρος Νέστορας Εισηγητής : Γεώργιος Καρέτσος Λάρισα 2006

2. Σύντομη περιγραφή • Μέρος Α΄ : Ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση με το WiMAX • Εισαγωγή στο WiMAX • Το Φυσικό Στρώμα • Το Στρώμα Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο • Ο τρόπος λειτουργίας του WiMAX • QoS στο WiMAX • Mobile WiMAX • Μέρος Β΄ : Το σύστημα κινητών επικοινωνιών 3ης γενεάς UMTS • Περιγραφή αρχιτεκτονικής • Συμπεράσματα • Μέρος Γ΄ : Διασυνεργασία WiMAX-UMTS • Περιγραφή αρχιτεκτονικής • Διαχείριση κινητικότητας • WiMAX -> UTRAN • UTRAN -> WiMAX • Συμπεράσματα

3. Εισαγωγή στο WiMAX Το WiMAX είναι μια προτυποποιημένη τεχνολογία που επιτρέπει την παράδοση ασύρματης ευρυζωνικής πρόσβασης ως μια εναλλακτική λύση στην ενσύρματη ευρυζωνική πρόσβαση όπως το DSL. Το WiMAX παρέχει σταθερή, νομαδική, φορητή και, σύντομα, κινητή ασύρματη ευρυζωνική συνδετικότητα χωρίς την ανάγκη οπτικής επαφής με έναν σταθμό βάσης. Με μια τυπική ακτίνα κυψέλης 3-10 kmτα WiMAX Forum Certified™ συστήματα μπορούν να παραδώσουν χωρητικότητα μέχρι 40 Mbit/sec ανά κανάλι, για εφαρμογές σταθερής και φορητής πρόσβασης. Αυτό είναι αρκετό εύρος ζώνης για την ταυτόχρονη υποστήριξη εκατοντάδων επιχειρήσεων με συνδετικότητα ταχύτητας Τ1 και χιλιάδων κατοικιών με ταχύτητες DSL. Οι κατασκευές κινητών δικτύων αναμένεται να παρέχουν μέχρι 15 Mbit/sec χωρητικότητα εντός μιας τυπικής ακτίνας κυψέλης μέχρι 3 km. Η τεχνολογία WiMAX προσδοκάται να ενσωματωθεί σε φορητούς υπολογιστές και PDA από το 2007, επιτρέποντας έτσι σε αστικές περιοχές και πόλεις να μετατραπούν σε "metro zones" για φορητή εξωτερικού χώρου ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση. Το WiMAX προσφέρει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και εκτεταμένη κάλυψη: • 75 Mbit/sec σε κανάλι 20 MHz υπό τις καλύτερες συνθήκες. • Ακτίνα κάλυψης περίπου 50 km με βέλτιστες συνθήκες και μειωμένο ρυθμό μετάδοσης. Σε εξαιρετικά μεγάλη εμβέλεια ο ρυθμός μετάδοσης πέφτει στα 1,5 Mbit/sec. Η τυπική κάλυψη με εξοπλισμό χρήστη εσωτερικού χώρου είναι περίπου 5 km και όταν ο εξοπλισμός χρήστη συνδέεται σε μια εξωτερική κεραία (LOS) είναι περίπου 15 km.

4. Το WiMAX έχει διάφορες επιλογές φυσικής ασύρματης μετάδοσης οι οποίες επιτρέπουν την ανάπτυξη συστημάτων WiMAX σε περιοχές με διαφορετικές νομικές απαιτήσεις και περιορισμένης διαθεσιμότητας συχνοτήτων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αδειοδοτημένες ή μη ζώνες συχνοτήτων χρησιμοποιώντας στενά ή ευρεία κανάλια συχνοτήτων. • Χρήσεις WiMAX • Point-to-point • Point-to-multipoint • Mesh networking

5. Ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων, περιοχή ασύρματης κάλυψης, φόρτωση καναλιού

6. Το Φυσικό Στρώμα του WiMAX • Οι προδιαγραφές του PHY του WiMAX έχουν προτυποποιηθεί έχοντας υπόψη τις ζώνες συχνοτήτων 10-66GHz (LOS) και 2-11GHz (NLOS) • Στη ζώνη 10-66GHz, η διάδοση με οπτική επαφή είναι εφικτή αφού μόνο σ’ αυτές τις υψηλές συχνότητες, το σήμα υφίσταται ισχυρή εξασθένηση. Η ασύρματη διεπαφή γι αυτή τη ζώνη ονομάζεται WirelessMAN-SC. • Σε point-to-multipoint συστήματα WiMAX ο BS εκπέμπει ένα σήμα TDM. Οι SS είναι κατανεμημένες χρονοθυρίδες με σειριακό τρόπο. • Παρέχεται υποστήριξη και για TDD και για FDD καθώς και για SS half-duplex FDD. Σκοπός είναι να ικανοποιούνται οι διάφορες ρυθμιστικές διατάξεις ανά τον κόσμο. • Στη ζώνη συχνοτήτων 2-11GHz υποστηρίζονται τρεις ασύρματες διεπαφές: • WirelessMAN-SC2 (single carrier modulation) • WirelessMAN-OFDM (OFDM με μετασχηματισμό 256 σημείων) • WirelessMAN-OFDMA (OFDM με μετασχηματισμό 2048 σημείων) • TDD/FDD/OFDM • Adaptive Antenna System • Adaptive Modulation • Forward Error Correction

7. Η παρακάτω εικόνα περιγράφει το PHY και το MAC του WiMAX • Το PHY του WiMAX χρησιμοποιώντας τις καλύτερες τεχνολογίες καταφέρνει την επίδοση του μέγιστου εύρους ζώνης στη μέγιστη απόσταση με τις ελάχιστες απώλειες λόγω παρεμβολών. • Χάρη σ’ αυτό το WiMAX μπορεί να εφαρμοστεί με πολλαπλούς τρόπους, π.χ. η παραλλαγή SC είναι μια καλή λύση για point-to-point backhaul εφαρμογές, και η παραλλαγή OFDM είναι μια καλή λύση για point-to-multipoint εφαρμογές στο τελευταίο μίλι.

8. Το στρώμα MAC • Το στρώμα ΙΕΕΕ 802.16 MAC σκοπό έχει να παρέχει στο PHY μια διεπαφή που να είναι ανεξάρτητη από το μέσο. Στο 802.16 MAC ορίζονται δύο υποστρώματα σύγκλισης: • ΑΤΜ convergence sublayer • Packet convergence sublayer • Κάθε SS έχει μια MAC διεύθυνση 48-bit. Ωστόσο, η αναφορά στις συνδέσεις γίνεται με το 16-bit CID. • MAC PDU • MAC header σταθερού μήκους • Payload μεταβλητού μήκους • Cyclic Redundancy Check (προαιρετικό) • Μέγιστο μήκος 2048 bytes

9. Είδη συνδέσεων MAC • Βασική σύνδεση • Σύνδεση πρωτεύουσας διαχείρισης • Συνδέσεις μεταφοράς Τάξεις υπηρεσιών (service class) Το 802.16 MAC ορίζει τις προδιαγραφές για τέσσερα διαφορετικά είδη τάξεων υπηρεσιών με σκοπό την παροχή QoS στα διάφορα είδη υπηρεσιών. • Unsolicited Grant Services • real-time Polling Services • non real-time Polling Services • Best Effort

10. Ο τρόπος λειτουργίας του WiMAX Tο WiMAX βασίζεται σε μια διαδικασία αποτελούμενη από την εγκατάσταση της συνόδου και αυθεντικοποίηση. Το RLC διαχειρίζεται και παρακολουθεί την ποιότητα της ροής υπηρεσίας.

12. Radio Link Control

13. Ροή υπηρεσίας (Service Flow) • Τα Service Flows είναι κανάλια επικοινωνίας (π.χ. μια ροή πακέτων) που έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά υπηρεσιών συσχετισμένα με τη μεταφορά (ροή) των δεδομένων. Για παράδειγμα, μια ζεύξη επικοινωνίας μπορεί να συσχετίζεται με αρκετές ροές υπηρεσιών, μια ροή υπηρεσίας πραγματικού χρόνου για φωνή, και μια ροή υπηρεσίας best-effort για περιήγηση στο Διαδίκτυο. • Ένας SS μπορεί να έχει πολλαπλά Service Flows για κάθε σύνδεση και τα Service Flows μπορεί να είναι διαφορετικά σε διαφορετικές κατευθύνσεις. • Αναγνωρίζονται μοναδικώς από ένα SFID το οποίο καθορίζει τα χαρακτηριστικά υπηρεσίας που θα λάβει ένας συγκεκριμένος χρήστης σε μια συγκεκριμένη συσκευή. Συνοψίζοντας... Η διαδικασία αρχίζει με έλεγχο εμβέλειας και διαπραγμάτευση μεταξύ του BS και του SS ακολουθώντας η αυθεντικοποίηση και η καταχώρηση. Αυτός ο σχεδιασμός διακρίνεται για τη σθεναρή του φύση. Το RLC του WiMAX τότε εγκαθιδρύει την UL, η οποία δημιουργεί τη ροή υπηρεσίας.

14. QoS στο WiMAX • Συμβατικοί μηχανισμοί QoS : FDD, TDD, OFDM, FEC. • Ο ρόλος του εύρους ζώνης για QoS στο WiMAX. • Αιτήσεις και εκχωρήσεις εύρους ζώνης • Grant per Connection • Grant per SS • Είδη υπηρεσιών που υποστηρίζει το WiMAX • UGS • rtPS • nrtPS • UGS with activity detection • Best Effort

15. QPSK vs QAM • Η σημασία του OFDM στο WiMAX • Φασματικό κανάλι 20MHz -> 72 Mbit/sec -> 3,6 bits/Hz • 5,725 – 5,825 GHz -> 360 Mbit/sec • Με επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων και κατάτμηση -> 1 Gbit/sec • TDD και FDD • Adaptive Antenna System

16. Εξουσιοδότηση • Static Authorization • Dynamic Authorization Είδη ροών υπηρεσίας • Provisional service flow • Admitted service flow • Active service flow Διαχείριση ροών υπηρεσίας • Dynamic Service Change • Dynamic Service Delete • Dynamic Service Activate Συνοψίζοντας... Εφόσον η εκπομπή γίνεται στον ελεύθερο χώρο, η μεγαλύτερη δυσκολία στο περιβάλλον των επικοινωνιών δεδομένων είναι η επίτευξη των μέτρων QoS. Τα συμβατικά μέτρα (όπως TDD, FDD, και OFDM) αποτελούν σημαντικά εργαλεία για QoS. Τα μοντέλα αντικειμένου και οι δυναμικές ροές υπηρεσιών παράλληλα με τις παραμέτρους QoS διασφαλίζουν επίσης καλό QoS.

17. Mobile WiMAX • Το Mobile WiMAX είναι μια ασύρματη ευρυζωνική λύση η οποία επιτρέπει τη σύγκλιση κινητών και σταθερών ευρυζωνικών δικτύων μέσω μιας κοινής τεχνολογίας ευρυζωνικής πρόσβασης ευρείας περιοχής και μιας ευέλικτης αρχιτεκτονικής δικτύου. • Χρήση OFDMA για βελτιωμένη πολύ-οδική απόδοση σε περιβάλλοντα NLOS. • Κανάλια 1,25 – 20MHz με SOFDMA • Mobile Technical Group • Εύρη ζώνης καναλιών 5, 7, 8,75 και 10MHz για αδειδοτημένες ζώνες συχνοτήτων 2,3, 2,5, 3,3 και 3,5GHz

18. Εξέχοντα χαρακτηριστικά του Mobile WiMAX • Υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης • QoS • Προσαρμοστικότητα • Ασφάλεια • Κινητικότητα Χαρακτηριστικά και ιδιότητες του Mobile WiMAX • Ανοχή στην πολύ-οδική διάδοση και αυτό-παρεμβολές • Προσαρμοζόμενα εύρη ζώνης καναλιών • TDD • H-ARQ • Frequency Selective Scheduling • Διαχείριση εξοικονόμησης ενέργειας • Network-optimized Hard Handoff • Multicast and Broadcast Service • Smart Antenna • Fractional Frequency Reuse • 5msec μέγεθος πλαισίου

19. Συμπεράσματα Το Mobile WiMAX βασίζεται σε τεχνολογίες OFDM/OFDMA οι οποίες είναι πιο κατάλληλες για ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες δεδομένων. Μάλιστα είναι πια αποδεκτό πως θα αποτελέσουν τη βάση του 4G. Επίσης, το Mobile WiMAX μπορεί να ρυθμίσει δυναμικά το λόγο downlink/uplink χρησιμοποιώντας TDD με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ευελιξία όσο αφορά την υποστήριξη διαφορετικών ειδών ευρυζωνικής κίνησης. Σε αντίθεση, τα EVDO και HSPA, τα οποία βασίζονται στο FDD, έχουν σταθερό ασύμμετρο λόγο downlink/uplink

20. UMTS

21. UTRAN

22. Συμπεράσματα Τα 3G δίκτυα αναβαθμισμένα φτάνουν έως 2 Mbit/sec ενώ αντίστοιχα το WiMAX έως 10, να μη λησμονούμε και την πνευματική ιδιοκτησία στο 3G που απαιτεί αρκετά λεφτά κάτι που στο WiMAX δεν υπάρχει και αφήνει δυνατή την ύπαρξη τεράστιων hotspots. Όσον αφορά το Mobile WiMAX, χρησιμοποιεί OFDMA, που είναι μια αρκετά βελτιωμένη πολυοδική διάδοση σε μέρη χωρίς οπτική επαφή και είναι κοινώς αποδεκτό ότι θα αποτελέσει την βάση για το 4G. Ωστόσο, η άποψη του γράφοντος είναι ότι το mobile WiMAX δε θα βγει ποτέ εκτός πόλεων. Πολύ απλά, στο θεωρητικό κομμάτι το HSDPA υστερεί αισθητά έναντι του WiMAX

23. Διασυνεργασία WiMAX-UMTS • UMTS-WLAN υπάρχει ήδη, γιατί όχι και UMTS-WiMAX • WiMAX και UMTS αλληλοσυμπληρωματικές τεχνολογίες όσον αφορά τη γεωγραφική κάλυψη, QoS, κλπ. • Εξάλειψη των εκάστοτε μειονεκτημάτων Περιγραφή αρχιτεκτονικής

24. Διαχείριση κινητικότητας • Μετρήσεις • Μια ασύρματη διεπαφή ενεργή κάθε φορά. • Κάθε δίκτυο πρόσβασης μπορεί να ενημερώσει τον MS με πληροφορίες γειτονικών κυψελών του άλλου δικτύου πρόσβασης. • Ο MS μπορεί να κάνει μετρήσεις σε ασύρματες ζεύξεις UMTS ενώ είναι συνδεδεμένος στο WiMAX και αντιστρόφως. • Αρχικοποίηση μεταγωγής : από το κινητό ή από το δίκτυο. • Προετοιμασία μεταγωγής: το επιθυμητό δίκτυο ειδοποιείται για την επικείμενη μεταγωγή. • Προσωρινή αποθήκευση δεδομένων • Ο ΗΑ αποθηκεύει προσωρινά τα πακέτα ενώ περιμένει την καταχώρηση στο επιθυμητό δίκτυο. • Απρόσκοπτη μεταγωγή επιτυγχάνεται με σωστή διαχείριση των buffers στον MS και στον HA

25. Μεταγωγή από WiMAX σε UTRAN

26. Μεταγωγή από UTRAN σε WiMAX

27. Συμπεράσματα • Σχετικά με την προτεινόμενη αρχιτεκτονική διασυνεργασίας • Δεν απαιτούνται πολλές αλλαγές στις υπάρχουσες δικτυακές υποδομές • Εφικτή βραχυπρόθεσμα με αναβάθμιση λογισμικού • Προτάσεις για περαιτέρω διερεύνηση • O MS να συνδέεται σε πολλαπλά APN • Tight-coupling (ανάλογα με τις εξελίξεις στο 3GPP) • Αρχιτεκτονική περιαγωγής • Πολλαπλές ταυτόχρονες ασύρματες διεπαφές για vertical handover.

28. Ε Υ Χ Α Ρ Ι Σ Τ Ω http://users.teilar.gr/~cs547