LOGO An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology Γκόντρα Πολυξένη Φωκά Ελένη ΠΡΟΜΕΣΙΠ 2011 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

Μοbile WiMAX  Αρχικά βασίστηκε στο πρωτόκολλο ΙΕΕΕ802.16e-2005  Αποτελεί την πρώτη λύση για mobile broadband wireless-access, που επέτρεπε τη σύγκλιση των mobile και σταθερών ευρυζωνικών δικτύων μέσω τεχνολογιών wide-area radio-access και ευέλικτων αρχιτεκτονικών δικτύου.  Μέθοδος multiple-access που χρησιμοποιεί είναι η OFDMA στο DL και UL, για βελτιωμένη απόδοση multipath και επεκτασιμότητα του εύρους ζώνης

ΙΕΕΕ802.16m IEEE Working Group αναπτύσσει από το 2007 την τροποποίηση του αρχικού προτύπου ώστε αυτό να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της ΙΤU- R/IMT για τα συστήματα 4G, όπως και για τους διαχειριστές των δικτύων επόμενης γενιάς. Το IEEE802.16m θα είναι κατάλληλο και για εφαρμογή σε εντελώς νέα δίκτυα και σε μεικτές καταστάσεις όπου προϋπάρχουν εγκατεστημένα σταθμοί βάσης και κεραίας (MSs, BSCs) Ανάλογα με το διαθέσιμο εύρος ζώνης και τον τρόπο λειτουργίας (πολλαπλές κεραίες) θα είναι ικανό να μεταδίδει με ρυθμό έως και 1Gb/s και να υποστηρίζει ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών και εφαρμογών που βασίζονται στο IP και έχουν υψηλές απαιτήσεις σε ποιότητα και χωρητικότητα.

ΙΕΕΕ802.16m Απαιτήσεις Απαιτείται η πλήρης συμβατότητα και διαλειτουργικότητα με το σύστημα αναφοράς (που είναι συμβατό με ένα υποσύνολο των χαρακτηριστικών του προτύπου ΙΕΕΕ802.16e ) ‘Έτσι εξασφαλίζεται η ομαλή μετάβαση από το προϋπάρχον εγκατεστημένο σύστημα χωρίς σημαντικές επιπτώσεις αυτό για όσο παραμείνει εγκατεστημένο Να διασφαλίζεται η ανταγωνιστικότητα σε σχέση με τις τεχνολογίες 4G που αναδύονται καθώς και να βελτιώνει και να επεκτείνει τις λειτουργίες του συστήματος αναφοράς

RequirementsIMT-Advanced [3]IEEE m [6] Peak data rate (b/s/Hz)DL: 15 (4 × 4)DL: 8.0/15.0 (2 × 2/4 × 4) UL: 6.75 (2 × 4)UL: 2.8/6.75 (1 × 2/2 × 4) Cell spectral efficiency (b/s/Hz/sector)DL (4 × 2) = 2.2DL (2 × 2) = 2.6 UL (2 × 4) = 1.4UL (1 × 2) = 1.3 (base coverage urban)(mixed mobility) Cell-edge user spectral efficiencyDL (4 × 2) = 0.06DL (2 × 2) = 0.09 (b/s/Hz)UL (2 × 4) = 0.03UL (1 × 2) = 0.05 (base coverage urban)(mixed mobility) LatencyC-plane: 100 ms (idle to active) U-plane: 10 ms Mobility (b/s/Hz at km/h)0.55 at 120 km/hOptimal performance up to 10 km/h 0.25 at 350 km/hGraceful degradation up to 120 km/h (link-level)Connectivity up to 350 km/h Up to 500 km/h depending on operating frequency Handover interruption time (ms)Intrafrequency: 27.5 Interfrequency: 40 (in a frequencyInterfrequency: 40 (in a frequency band) band)60 (between frequency bands) VoIP capacity40 (4 × 2 and 2 × 4)60 (DL 2 × 2 and UL 1 × 2) (Active users/sector/MHz)(Base coverage urban)

RequirementsIMT-Advanced [3]IEEE m [6] Antenna configuration Not specifiedDL: 2 × 2 (baseline), 2 × 4, 4 × 2, 4 × 4, 8 × 8 UL: 1 × 2 (baseline), 1 × 4, 2 × 4, 4 × 4 Cell range and coverage Not specified Up to 100 km Optimal performance up to 5 km Multicast and broadcast service (MBS)Not specified4 b/s/Hz for ISD 0.5 km 2 b/s/Hz for ISD 1.5 km MBS channel reselection interruption time Not specified1.0 s (intrafrequency) 1.5 s (interfrequency) Location-based services (LBS)Not specifiedLocation determination latency < 30 s MS-based position determination accuracy < 50 m Network-based position determination accuracy < 100 m Operating bandwidth Up to 40 MHz(with band aggregation) 5 to 20 MHz (up to 100 MHz through band aggregation) Duplex schemeNot specifiedTDD, FDD (support for H-FDD terminals) Operating frequencies (MHz)IMT bands 450– – – – – – –3600

ΙΕΕΕ802.16m Μέθοδοι αξιολόγησης Το έγγραφο που περιγράφει τη μέθοδο αξιολόγησης περιλαμβάνεται στο ΙΕΕΕ802.16m και παρέχει: - τις παραμέτρους προσομοίωσης και - τις κατευθυντήριες οδηγίες ( σενάρια αξιολόγησης) για την αξιολόγηση των υποψήφιων προτάσεων σε σχέση με τις απαιτήσεις των ΙΕΕΕ m συστημάτων.

Network reference model

Δομή του συστήματος αναφοράς του δικτύου Το πρότυπο ΙΕΕΕ περιγράφει τα πρωτόκολλα MAC (media access control) και PHY (layer) για τα σταθερά συστήματα και τα ασύρματα ευρυζωνικά. Οι λειτουργίες των MAC και PHY μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες: Data plane (header compression, MAC/PHY data packet –processing functions) Control plane (support various radio resource configuration, coordination, signaling management) Management plane (external management of system configuration)

IEEE Δομή συστήματος αναφοράς Data plane- MAC layer MAC layer : (I) CS Convergence Sub layer (II) CPS Common- part Sub layer: Upper class functions-> Resource control and management functional group: Radio Resource Mgmt (load/admission/interference control) Mobility Mgmt (decision on handover operation) Network-entry Mgmt (initialization/access procedures) Location Mgmt (LBS, location based information) Idle mode Mgmt (idle mode operation/paging advertisement msg) Security Mgmt (key management, traffic encryption/decryption) Security configuration Mgmt( syst. config. Parameters, DL/UL channel descriptor) Multicast & Broadcast Service (controls/generates MBS messages) Connection Mgmt (allocates CIDs connection identifiers at initialization/handover)

IEEE Δομή συστήματος αναφοράς Data plane- MAC layer (II) Lower class functions -> MAC functional group :includes functional blocks related to physical layer and link controls as: PHY control -> PHY signaling= ranging, channel quality measurement/feedback, (HARQ) hybrid automatic request acknowledgment (ACK), (NACK) Control signaling -> generates resource allocation msg. such as DL/UL MAP, medium access protocol, specific control msg., other signaling msg. Sleep mode mgmt (controls operation/issues relative msgs/communicates with scheduler block) QoS (rate control based on QoS input parameters) Scheduling and resource multiplexing (schedules/multiplexes packets based on properties of the connections) Automatic Repeat Request (for ARQ-enabled connections, splits logically MSDUs &sequences logical ARQ blocks) Fragmentation/packing (based on input from scheduler block) MAC PDU formation (constructs protocol data units so that BS/MS can transmit user traffic/magmt msgs via PHY channels)

IEEE802.16m protocol structure vs IEEE e Η δομή του IEEE802.16m είναι όμοια με εκείνη του IEEE με κάποια επιπλέον λειτουργικά block που εξασφαλίζουν νέα χαρακτηριστικά: – Relay Functions: Relay functionality and packet routing in relay networks – Self-organization and self –optimization: Plug-and-Play operations for indoor BS – Multi-carrier functions: Control/operation of adjacent &non-adjacent radio-frequency carriers that can be assigned to unicast/multicast/broadcast services. – Multi-radio coexistence functions: Protocols for multi- radio coexistence

MS supporting multicarrier operations Αν ο σταθμός βάσης (ΜS) υποστηρίζει τη λειτουργία πολλαπλών φορέων τότε: Στον πρωτεύοντα φορέα (primary carrier) μπορεί να λαμβάνει: κανάλια ελέγχου και σηματοδοσίας (control and signaling), κανάλια μετάδοσης και συγχρονισμού (broadcast and synchronization) Ενώ τις αναθέσεις κυκλοφορίας (traffic assignments) μπορούν να γίνονται στα (secondary carriers).

IEEE802.16m multicarrier protocol stack & frame structure

IEEE802.16m Mobile Station State Diagram (1/2) Το MS State diagram είναι ίδιο με εκείνο του μοντέλου αναφοράς με τη διαφορά ότι η κατάσταση αρχικοποίησης (initialization state) έχει απλοποιηθεί ώστε να υποστηρίζει  Εντοπισμό λαθών  Γρήγορη επιλογή και επανεπιλογή κυψέλης

Ο MS εναλλάσσεται μεταξύ των ακόλουθων καταστάσεων: – Initialization state: cell selection by scanning and synchronizing to a BS preamble/acquires system configuration info through DL/UL channel descriptors – Access state: network entry to the selected BS – Connected State: sleep mode, active mode, scanning mode – Idle State: paging-available mode, paging-unavailable mode. IEEE802.16m Mobile Station State Diagram (2/2)

Overview IEEE802.16m PHY (1/7) MULTIPLE- ACCESS SCHEMES: – OFDMA στο UP/DL – TDD (time division multiplexing) και FDD (frequency division multiplexing) συμπεριλαμβανομένου HFDD (half- duplex) FRAME STRUCTURE – Superframe: – Μια νέα έννοια που εισάγεται στο IEEE802.16m – Είναι μια συλλογή διαδoχικών, ίσου μεγέθους frames που η αρχή του ξεκινά με το header του superframe – Περιλαμβάνει short-time και long-time system-configuration πληροφορία – 3 τύπων: type 1(6 OFDMA σύμβολα), type 2 (7 OFDMA σύμβολα), type 3 (5 OFDMA σύμβολα )

Overview IEEE802.16m PHY (2/7) PHYSICAL AND LOGICAL RESOURCE BLOCKS – Physical resource unit-> βασική φυσική μονάδα για κατανομή πόρων : 18 συνεχόμενα subcarriers αποτελούμενα από 6 OFDMA σύμβολα – Logical resource unit -> βασική λογική μονάδα για κατανομημένη και τοπική κατανομή πόρων: 18 x 6 subcarriers που καταλαμβάνουν bandwidth Hz στο πεδίο της συχνότητας – Ο αριθμός των pilot και data subcarriers εξαρτάται από: - MIMO mode, - τάξη και αριθμός των multiplexed MSs - αριθμός συμβόλων στο superframe

Overview IEEE802.16m PHY (3/7) MODULATION AND CODING : - quadrature-phase shift- keying QPSK - 16 QAM, 64+ QAM modulation schemes in DL/UL

Overview IEEE802.16m PHY (4/7) PILOT STRUCTURE : - μετάδοση pilot subcarriers (control signal) στο DL που επιτρέπουν Εκτίμηση καναλιού (channel estimation), Μέτρηση ποιότητας καναλιού ( channel quality measurement), Εκτίμηση offset συχνότητας ( frequency offset estimation ). - Υποστηρίζει common και dedicated pilot structures Common pilot structures: μπορούν να χρησιμοποιηθούν από κάθε MS Dedicated pilot structures: συνδέονται με ένα συγκεκριμένο fractional-frequency-reuse (FFR) group και μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο από MS αυτού του γκρουπ

Overview IEEE802.16m PHY (5/7) CONTROL CHANNELS – DL Control channels: Μεταφέρουν απαραίτητη πληροφορία για τη λειτουργία του συστήματος. Η πληροφορία μεταφέρεται σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα ( time intervals) ανάλογα με το control signaling που χρησιμοποιείται. Οι system configuration παράμετροι μεταδίδονται στα super-frame intervals, ενώ control signaling σχετιζόμενο με δεδομένα κατανομής χρήστη στα frame/sub-frame intervals – UL Control channels: μεταφέρουν χρήσιμη πληροφορία για air-interface procedures Η πληροφορία που μεταφέρουν ταξινομείται σε ΜΙΜΟ feedback, HARQ feedback, bandwidth request, channel quality indicators, power control, ranging channel, uplink sounding conditions

Uplink control channel Description MIMO feedback MIMO feedback provides wideband and/or narrowband spatial characteristics of the channel that are required for MIMO operation. The MIMO mode, precoder matrix index, rank adaptation information, channel covariance matrix elements, power loading factor, eigenvectors, and channel sounding are examples of MIMO feedback information. HARQ feedback HARQ feedback (ACK/NACK) is used to acknowledge downlink data transmissions. The uplink HARQ feedback channel starts at a predetermined offset with respect to the corresponding downlink transmission. The HARQ feedback channel is frequency-division-multiplexed with other control and data channels Bandwidth request Bandwidth requests are used to indicate the amount of bandwidth required by a user and are transmitted through indicators or messages. Contention or non-contention based random access is used to transmit bandwidth request information. A five-step regular procedure or an optional three- step quick access procedure is utilized. Channel quality indicators Channel quality feedback provides information about channel conditions as seen by the user. This information is used by the base station for link adaptation, resource allocation, power control, etc. There are two types of uplink fast feedback control channels: primary and secondary fast feedback channels. The primary fast feedback channel provides wideband feedback information, including channel quality and MIMO feedback. The secondary fast feedback control channel carries narrowband CQI and MIMO feedback information.

Uplink control channel Description Uplink sounding channel The sounding channel is used by a user terminal to transmit sounding reference signals to enable the base station to measure uplink channel conditions. The sounding channel occupies either specific uplink sub-bands or the entire bandwidth over an OFDMA symbol. Ranging channel The ranging channel is used for uplink synchronization. The ranging channel can be further classified into ranging for nonsynchronized and synchronized mobile stations. A random access procedure, which can be contention- or non-contention-based, is used for ranging. Contention-based random access is used for initial ranging and handover. Non-contention based random access is used for periodic ranging and handover. The ranging channel for non-synchronized mobile stations is frequency-division multiplexed with other uplink control and data channels. Power control The base station controls the transmit power per subframe and per user in the downlink and uplink. The downlink advanced MAPs are power-controlled based on the terminal uplink channel quality feedback. The per-pilot-subcarrier and per-data-subcarrier power can jointly be adjusted for adaptive downlink power control. The uplink power control is supported to compensate the path loss, shadowing, fast fading, and implementation loss, as well as to mitigate inter-cell and intra-cell interference levels. The uplink power control includes open-loop and closed-loop power control mechanisms

Overview IEEE802.16m PHY (6/7) ADVANCED PREAMBLES – Χρησιμοποιείται μια νέα, ιεραρχική δομή για το συχρονισμό κατά το DL – 2 advanced preambles (ενδιάμεσα μεταδιδόμενα τμήματα): To 1o σηματοδοτεί την αρχή του super frame, περιέχει πληροφορία για ID πληροφορία για την κυψέλη, έχει bandwidth 5 MHz και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τοπικές υπηρεσίες Το 2ο επαναλαμβάνεται σε κάθε frame, εκτείνεται στο εύρος ζώνης όλου του συστήματος και περιλαμβάνει το ID της κυψέλης Περιορίζεται την παρεμβολή μεταξύ κυψελών

Overview IEEE802.16m PHY (7/7) MULTI-ANTENNA TECHNIQUES – DL MIMO μονού χρήστη SU-MIMO : ένας χρήστης χρησιμοποιεί ένα πόρο πολλαπλών χρηστών MU-MIMO : πολλαπλοί χρήστες χρησιμοποιύν ένα πόρο πολλαπλές μεθόδους μετάδοσης – UL MIMO Ομοιότητες με το BS του DL SU-MIMO, MU-MIMO MU-MIMO επιτρέπει σε πολλαπλούς MSs να χρησιμοποιήσουν τον ίδιο πόρο με χωρική πολυπλεξία

Χαρακτηριστικά IEEE802.16m MAC Layer (1/5) MAC ADDRESSING: Απόδοση μόνιμων και προσωρινών διευθύνσεων σε ένα MS που επιτρέπουν την ταυτοποίηση του χρήστη και των συνδέσεων του κατά τη διάρκεια της λειτουργίας 48-bit αναγνωριστικό για τον MS Αναγνωριστικό σταθμού (Station identifier - προσωρινό) Αναγνωριστικό ροής (Flow identifier - προσωρινό) NETWORK ENTRY: Διαδικασία κατά την οποία ένας MS ανιχνεύει ένα κυψελοειδές δίκτυο και συνδέεται σε αυτό (synchronization-acquiring required information-ranging- authentication and registration-service flow set up)

Χαρακτηριστικά IEEE802.16m MAC Layer (2/5) CONNECTION MANAGEMENT: Οι συνδέσεις ταυτοποιούνται από το συνδυασμό των station identifier και flow identifier & χωρίζονται σε 2 είδη – Διαχείρισης - Management (μεταφέρουν τα MAC μηνύματα διαχείρισης, διπλής κατεύθυνσης) – Μεταφοράς- Transport (carry user data, support fragmentation and augmentation of the MSDU). QoS :unidirectional ροή πακέτων με συγκεκριμένες QoS απαιτήσεις για μια υπηρεσία. Προγραμματισμός traffic και κατανομή radio resources

Overview IEEE802.16m MAC Layer (3/5) MAC MANAGEMENT MESSAGES: γρήγορη και αξιόπιστη μετάδοση των μηνυμάτων διαχείρισης MAC που ικανοποιεί τις απαιτήσεις καθυστέρησης για network entry, παράδοση(handover), και μεταβατικές καταστάσεις. MAC HEADER: MAC header για εφαρμογές με μικρό φορτίο (payload) που αποτελείται από λιγότερα πεδία με μικρότερο μέγεθος. Περιλαμβάνει - Extended header indicator, - flow identifier - payload length field ARQ & HΑRQ FUNCTIONS: Χρήση adaptive asynchronous και non- adaptive synchronous HARQ στο DL και στο UL αντίστοιχα.

Overview IEEE802.16m MAC Layer (4/5) MOBILITY MANAGEMENT & HANDOVER: network controlled και MS- assisted handover (παράδοση – HO). Η παράδοση περιλαμβάνει τρία στάδια: αρχικοποίηση, προετοιμασία, εκτέλεση POWER MANAGEMENT: υποστήριξη sleep mode state δηλαδή ο MS εκτελεί περιόδους απουσίας από το BS.

Overview IEEE802.16m MAC Layer (5/5) SECURITY : παρέχει στους συνδρομητές ιδιωτικότητα, εμπιστευτικότητα και αυθεντικοποίηση σε όλο το δίκτυο Η αρχιτεκτονική της ασφάλειας αποτελείται από δύο μέρη: Security management και encryption (διαχείρηση ασφάλεια και κρυπτογράφηση) Integrity logical units (ακεραιότητα)

 Έχει σχεδιαστεί για να παρέχει state-of-the-art κινητή ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση και να ικανοποιήσει την αυξανόμενη ζήτηση για προηγμένες ασύρματες πολυμέσικες εφαρμογές και υπηρεσίες  Πολλά υποσχόμενα χαρακτηριστικά  Multihop relay architecture, multi-carrier operation,  self-configuration, advanced single-user/multi-user multi- antenna schemes and interference mitigation techniques,  enhanced multicast-broadcast service, increased VoIP capacity  improved cell-edge user throughput,  support of vehicular speeds up to 500 km/h, Συμπεράσματα

LOGO Ευχαριστούμε! Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης