An Overview of Next Generation Mobile WiMAX Technology

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

2. 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

3. 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.

4. 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 4Gπου αναδύονται καθώς και να βελτιώνει και να επεκτείνει τις λειτουργίες του συστήματος αναφοράς

7. 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 ΙΕΕΕ802.16 m συστημάτων .

8. Network reference model

9. Δομή του συστήματος αναφοράς του δικτύου Το πρότυπο ΙΕΕΕ802.16 περιγράφει τα πρωτόκολλα MAC (media access control) και PHY (layer) για τα σταθερά συστήματα και τα ασύρματα ευρυζωνικά. Οι λειτουργίες των MAC και PHYμπορούν 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)

10. 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)

11. 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)

12. IEEE802.16m protocol structure vs IEEE802.16 e Η δομή του IEEE802.16m είναι όμοια με εκείνη του IEEE802.16 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

13. 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).

14. IEEE802.16m multicarrier protocol stack & frame structure

15. 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

16. IEEE802.16m Mobile Station State Diagram (2/2) Ο MS εναλλάσσεται μεταξύ των ακόλουθων καταστάσεων: Initialization state: cell selectionby 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.

17. 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)

18. 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

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

20. 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

21. 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

24. 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 παρεμβολήμεταξύ κυψελών

25. 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

26. 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 MSανιχνεύει ένα κυψελοειδές δίκτυο και συνδέεται σε αυτό (synchronization-acquiring required information-ranging-authentication and registration-service flow set up)

27. 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

28. 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.

29. 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.

30. 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)

31. 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

32. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Ευχαριστούμε!