An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

32
LOGO An Overview of Next An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Generation Mobile WiMAX Technology Technology Γκόντρα Πολυξένη Φωκά Ελένη ΠΡΟΜΕΣΙΠ 2011 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

description

Γκόντρα Πολυξένη Φωκά Ελένη. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology. ΠΡΟΜΕΣΙΠ 2011. Μο bile WiMAX. Αρχικά βασίστηκε στο πρωτόκολλο ΙΕΕΕ802.16 e-2005 - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

Page 1: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

LOGO

An Overview of Next Generation An Overview of Next Generation Mobile WiMAX TechnologyMobile WiMAX Technology

Γκόντρα ΠολυξένηΦωκά Ελένη

ΠΡΟΜΕΣΙΠ 2011

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

Page 2: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 3: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

ΙΕΕΕ802.16m

• IEEE802.16 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.

Page 4: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 5: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

Requirements IMT-Advanced [3] IEEE 802.16m [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) = 2.2 DL (2 × 2) = 2.6

  UL (2 × 4) = 1.4 UL (1 × 2) = 1.3

  (base coverage urban) (mixed mobility)

Cell-edge user spectral efficiency DL (4 × 2) = 0.06 DL (2 × 2) = 0.09

(b/s/Hz) UL (2 × 4) = 0.03 UL (1 × 2) = 0.05

  (base coverage urban) (mixed mobility)

Latency C-plane: 100 ms (idle to active) C-plane: 100 ms (idle to active)

  U-plane: 10 ms U-plane: 10 ms

Mobility (b/s/Hz at km/h) 0.55 at 120 km/h Optimal performance up to 10 km/h

  0.25 at 350 km/h Graceful 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 Intrafrequency: 27.5

  Interfrequency: 40 (in a frequency Interfrequency: 40 (in a frequency band)

  band) 60 (between frequency bands)

  60 (between frequency bands)  

VoIP capacity 40 (4 × 2 and 2 × 4) 60 (DL 2 × 2 and UL 1 × 2)

(Active users/sector/MHz) (Base coverage urban)  

Page 6: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

Requirements IMT-Advanced [3] IEEE 802.16m [6]

Antenna configuration Not specified DL: 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 specified 4 b/s/Hz for ISD 0.5 km

    2 b/s/Hz for ISD 1.5 km

MBS channel reselection interruption time Not specified 1.0 s (intrafrequency)

    1.5 s (interfrequency)

Location-based services (LBS) Not specified Location 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 scheme Not specified TDD, FDD (support for H-FDD terminals)

Operating frequencies (MHz) IMT bands IMT bands

  450–470 450–470

  698–960 698–960

  1710–2025 1710–2025

  2110–2200 2110–2200

  2300–2400 2300–2400

  2500–2690 2500–2690

  3400–3600 3400–3600

Page 7: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

ΙΕΕΕ802.16m Μέθοδοι αξιολόγησης

Το έγγραφο που περιγράφει τη μέθοδο αξιολόγησηςπεριλαμβάνεται 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 ΙΕΕΕ802.16 m συστημάτων .

Page 8: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

Network reference model

Page 9: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

Δομή του συστήματος αναφοράς του δικτύου

Το πρότυπο ΙΕΕΕ802.16 περιγράφει τα πρωτόκολλα MAC (media access control) και PHY (layer) για τασταθερά 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)

Page 10: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

IEEE802.16 Δομή συστήματος αναφοράςData 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)

Page 11: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

IEEE802.16 Δομή συστήματος αναφοράςData 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)

Page 12: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

IEEE802.16m protocol structure vs IEEE802.16 eΗ δομή του IEEE802.16m είναι όμοια με εκείνη του IEEE802.16με 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

Page 13: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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).

Page 14: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

IEEE802.16m multicarrier protocol stack & frame structure

Page 15: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 16: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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)

Page 17: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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)

Page 18: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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 196.88Hz 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

Page 19: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

Overview IEEE802.16m PHY (3/7)

• MODULATION AND CODING : - quadrature-phase shift- keying QPSK - 16 QAM , 64+ QAM modulation schemes in DL/UL

Page 20: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 21: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 22: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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 feedbackchannel 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 transmittedthrough indicators or messages. Contention or non-contention based random access is used to transmitbandwidth request information. A five-step regular procedure or an optional three-step quick accessprocedure is utilized.

Channel quality indicators

Channel quality feedback provides information about channel conditions as seen by the user. Thisinformation is used by the base station for link adaptation, resource allocation, power control, etc. Thereare 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 qualityand MIMO feedback. The secondary fast feedback control channel carries narrowband CQI and MIMOfeedback information.

Page 23: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

Uplink control channel Description

Uplink sounding channel

The sounding channel is used by a user terminal to transmit sounding reference signals to enable the basestation to measure uplink channel conditions. The sounding channel occupies either specific uplinksub-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 intoranging for nonsynchronized and synchronized mobile stations. A random access procedure, which canbe contention- or non-contention-based, is used for ranging. Contention-based random access is used forinitial 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 withother uplink control and data channels.

Power control

The base station controls the transmit power per subframe and per user in the downlink and uplink. Thedownlink 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 downlinkpower control. The uplink power control is supported to compensate the path loss, shadowing, fastfading, and implementation loss, as well as to mitigate inter-cell and intra-cell interference levels. Theuplink power control includes open-loop and closed-loop power control mechanisms

Page 24: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 25: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 26: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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)

Page 27: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 28: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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.

Page 29: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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.

Page 30: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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)

Page 31: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

Page 32: An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

LOGO

Ευχαριστούμε!

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης