Tutorial WiMAX

Semana Tecnológica do Inatel

Tutorial

Visão Geral da Tecnologia
WiMAX

© Antônio M. Alberti 2007

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
WiMAX

 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.


Arquitetura
WiMAX

 Fixa
 WiMAX como backhaul para rede Wi-Fi:

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


Arquitetura
WiMAX

 Fixa
 WiMAX interligando hot-spots da rede Wi-Fi:

Fonte: Intel, “Understanding Wi-Fi and Wi-MAX as Metro-Access Solution”, 2004. © Antônio M. Alberti 2007

Arquitetura
WiMAX

 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.


Arquitetura
WiMAX

 Fixa
 Visão Geral:

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


Arquitetura
WiMAX

 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.


Padronização
WiMAX


Implementações
WiMAX

 Alvarion

Rádio Base

Acesso


Implementações
WiMAX

 Alvarion


Implementações
WiMAX

 SOC – System on a Chip


Implementações
WiMAX

 M-Taiwan: Taiwan WiMAX Network


Pilha de Protocolos
WiMAX

 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).


Pilha de Protocolos
WiMAX

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
WiMAX

 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.


Sub-camada de Convergência Específica
WiMAX / MAC

 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.


Sub-camada de Convergência Comum
WiMAX / MAC

 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.


WiMAX / MAC

 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.


WiMAX / MAC

 Estabelecimento e Manutenção de Conexões

Fonte: IEEE Working Group 16, “IEEE 802.16 Part 16: Air Interface for Fixed
Broadband Wireless Access Systems”, 2004. © Antônio M. Alberti 2007

WiMAX / MAC

 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.


WiMAX / MAC

 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.


WiMAX / MAC

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


WiMAX / MAC

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


WiMAX / MAC

 Duplexing
 FDD

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


WiMAX / MAC

 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.


WiMAX / MAC

 Mapeamento
 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.


WiMAX / MAC

 Mapeamento

Fonte: Herlon Clayton Paggi
Hernandes, 2007.

WiMAX / MAC

 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.


WiMAX / MAC

 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.


WiMAX / MAC

 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.


WiMAX / 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.


WiMAX / 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.


WiMAX / MAC

 Exemplo de Negociação de Recursos

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


WiMAX / MAC

 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.


Sub-camada de Segurança
WiMAX / MAC

 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.


Camada Física
WiMAX / PHY

 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.


Camada Física
WiMAX / PHY

 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.


Camada Física
WiMAX / PHY

 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.
 Permite utilizar vários perfis de transmissão adaptativos.


Camada Física
WiMAX / PHY

 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.
 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.


Camada Física
WiMAX / PHY

 Modos da Camada Física e Vazão Correspondente

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


Camada Física
WiMAX / PHY

 Alcance NLOS x Modo da Camada Física OFDM
• Dual Slope propagation model
3.5MHz channels
NLOS conditions
• 18
30 dB fade margin

16 16.7

14.9
14
14.1

12
Downlink
11.8
10 10.6
R 10.0
9.4
Range

an
8 8.9
Km

ge 8.4
[
]

[K
m 6 6.8
]

4 Uplink 4.8 4.8
4.3
3.4
2
1.9 1.7

0
Modulation BFSK ½ BFSK ¾ QPSK ½ QPSK ¾ QAM16 ½ QAM16 ¾ QAM64 2/3 QAM64 ¾
Capacity 2 Mb/s 3 Mb/s 4 Mb/s 6 Mb/sModualtion Mb/s
8 13 Mb/s 16 Mb/s 18 Mb/s

Fonte: Alvarion.

Camada Física
WiMAX / PHY

 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.


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