Roberto García Fernández José Ángel Vallejo...
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Redes y servicios móvilesRedes IEEE 802.16 / WiMAX
Roberto García FernándezJosé Ángel Vallejo Pinto
Universidad de Oviedo
Área de Ingeniería Telemática
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Índice
Introducción.IEEE 802.16 / WiMAX.
Normalización.
Características técnicas.
Capa de acceso al medio (MAC).Capa física (PHY).
Servicios y prestaciones de WiMAX.
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Introducción
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)es una tecnología radio de banda ancha para redesmetropolitanas basada en los estándares desarrollados porel grupo IEEE 802.16.Alternativa a otras tecnologías de banda ancha.
ADSL, cable, PLC o satélite.
Solución económica para el despliegue rápido de redes enáreas sin cobertura de banda ancha.
Cobertura hasta 50 Km de la estación base.Servicios de acceso a Internet y telefonía.Grandes anchos de banda (hasta 70 Mbps).Garantía de calidad de servicio (QoS).
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WiMAX Forum
Es una entidad privada, independiente de IEEE, quepromociona y certifica la compatibilidad e interoperabilidadde equipos basados en el estándar IEEE 802.16.La certificación se basa en «perfiles» que especificancaracterísticas obligatorias y opcionales comosubconjuntos de 802.16.El ámbito de IEEE 802.16 se limita a los niveles 1 y 2,mientras que el WiMAX Forum está desarrollando lasespecificaciones de los niveles superiores.Es un «usuario» de los estándares 802.16, lo que implicaque son posibles otras implementaciones de los mismos.
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Competencia en acceso inalámbrico de banda ancha
FuenteO4SIEMENS4SkyMAX
Posicionamiento4de4Tecnologías4Inalámbricas
Sistemas4CG4>)(x(
Sistemas4CG4>)(x(
Movilidad L4Rango
Bit rate
x( Mbps(Wx
IEEEU()Wxjd
x x((
IEEEU()Wxje
WLANRIEEE4U()WxxxB
GSMGPRS
DECT
Bluetooth
EDGE
Fija
Ca
min
ata
Ve
híc
ulo
Interiores
Pedestre
Alta4velocidad
VehicularRural
Area4Personal
VehicularUrbano
Fijo4Urbano
Nomádico
WiMAX4para4DSL4
inalámbrico con4
mov ilidad4lim itada
Flash6OFDM
UMTS
HSDPA
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WiMAX frente a WiFi
WiMAX•íRedídeíáreaíextensaí(MAN,íWAN)•íEntornoíruralíyíurbano•íCalidadesídeíservicio•íVoz,ívídeoíyídatos
WiFi•íRedídeíáreaílocalí(LAN)•íCoberturaílimitada•íInternetíyídatos
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Funcionamiento de la red WiMAX
NLOS (Non Line Of Sight).
Frecuencias más bajas(2–11 GHz).
Señal no interrumpida porobjetos.
LOS (Line Of Sight).
Línea más estable y robusta.Mayor cantidad de datos contasa de error baja.Frecuencias más altas.
Menos interferencia.Ancho de banda mayor.
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Evolución I
IEEE 802.16-2001Accesos fijos LOS
IEEE 802.16-2004Accesos fijos
móviles (NLOS)
IEEE 802.16e-2005Accesos fijos y
móviles
AccesoIfijoenIexteriores
AccesoIfijoenIinterioresBackhaul
AccesoInómadaMovilidadIreducida Fuente:ITecnologíasIdeIbandaIancha
yIconvergenciaIdeIredesMinisterioIdeIIndustria,
TurismoIyIcomercio
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Evolución II - Características
IEEEofT/M3K,/TT3 IEEEofT/M3K,/TTQ IEEEofT/M3Ke,/TTP
Fechaodeopublicación Diciembreo/TT3 Octubreo/TTQ Diciembreo/TTP
Bandaodeooperación 3T,KKoGHz /,33oGHz /,KGHzBandaodeooperación 3T,KKoGHz /,33oGHz /,KGHz
Visiónodirecta Sío(LOSL Noo(NLOSL Noo(NLOSL
Anchoodeobanda porocanal
/TAo/PAo/foMHz Variableoentre3MPMHz yo/ToMHz
Variableoentreo3MPMHz yo/ToMHz
Tasasodeobit 7/,37QMbitys(canalesodeo/fMHzL
HastaovTMbitys(canalesodeo/TMHzL
Hastao3PMbitys(canalesodeoPMHzL
Modulación QPSK3KQAM
OFDMo/PKOFDMAo/TQf
OFDMo/PKOFDMAo/TQf
KQQAM QPSKy3KQAMyKQQAM QPSKy3KQAMyKQQAM
Movilidad Accesoofijo Accesoofijooooportable Accesoomóvil
Radioodeocélulaotípico 3MP,PKm P,fKmo(máxMoPTKmL 3MP,PKm
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Evolución III - IEEE 802.16m
Conocida como WiMAX 2 o WiMAX Release 2.En octubre de 2009, IEEE la propone como candidata paratecnología estándar 4G.En octubre de 2010 la ITU aceptó la propuesta.
Los sistemas basados en IEEE 802.16m ya han demostradoser capaces de proporcionar rendimientos máximos porencima de 300 Mbps con un simple espectro de 20 MHz.
Publicación del estándar en mayo de 2011.Proporciona los siguientes caudales:
100 Mbps en movilidad.Hasta 1Gbps para accesos fijos.
Es un estándar abierto, por lo que resulta barato deimplementar para los fabricantes de dispositivos.Compite con LTE.
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Bandas de operación
Con licencia.3,5 GHz (banda LMDS. Licencias en marzo de 2000)3400 MHz 3420 MHz 3440 MHz 3460 MHz 3480 MHz 3500 MHz 3520 MHz 3540 MHz 3560 MHz 3580 MHz 3600 MHz
A B C D A’ B’ C’ D’
Bloque A: Clearwire España.Bloque B: Neo-Sky.Bloque C: Iberbanda (cobertura en Asturias).Bloque D: ONO.
2,5 GHz. En España está en estudio su utilización parasistemas móviles de banda ancha (WiMAX Mobile, LTE).
Sin licencia.2,4 GHz. Muchas interferencias por el gran número dedispositivos que la usan (IEEE 802.11b/g, Bluetooth, etc.).5 GHz. Pérdidas de propagación más elevadas pero menosinterferencias. Posibles problemas legales impredecibles.
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Topología
Red inalámbrica metropolitana.
Residentialcustomer
RepeaterSMEcustomer
Multi-tenantcustomers
SOHOcustomer
Base Station
Base Station
Corenetwork
Source: Nokia Networks
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Modos de operación I
Punto a multipunto (PMP): tráfico entre las estaciones base(BS) y las estaciones de abonado (SS).
Repetidor
Estación base
Corenetwork
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Modos de operación II
Red mallada (mesh): tráfico entre las estaciones deabonado directamente.
Mesh BS
Estación base
Corenetwork
Mesh BS Mesh SS
Mesh SS
Mesh SS
Mesh SS
Mesh SS
BS: Base Station
SS: Subscriber Station
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Arquitectura de protocolos I
ServiceLSpecificConvergenceGSublayer
SecurityGSublayer
PhysicalGSublayer CapaGfísica
CommonGPartGSublayerRMACGCPST
PHY SAP
MAC SAP
CS SAP
MAC
Ent
idad
esGd
eGG
estió
n
PlanoGdeGcontrolGyGdeGdatos
802N16
RedesGATM RedesGdeGpaquetesGREthernetVGVLANVGIPT
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Arquitectura de protocolos II - subcapas de MAC
Service-Specific Convergence Sublayer (CS):
Clasificación de paquetes: clasifica paquetes de capas superiorescon una QoS determinada.Supresión de información redundante de las cabeceras.
Common Part Sublayer (CPS):
PDU operation: formar MPDU y ráfagas para la capa física.Connection Management: crear y mantener conexiones.QoS Scheduling: planificar recursos del medio inalámbrico yproporcionar diferenciación mediante QoS.Airlink Control: adaptar canales inalámbricos a los errores en latransmisión.Network Entry: Asociar SS con BS al entrar y salir de la red.Mobility Management: Gestionar el traspaso de las SS cuandoestán en itinerancia.Power Management: Apagar equipos móviles para mejorar laeficiencia energética.Multicast and Broadcast Service (MBS): Soportar multicast ybroadcast.
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Formato de la PDU MAC I
Consta de una cabecera obligatoria y de una carga y CRCopcionales.Hay dos tipos:
Generic MAC Header (GMH).
Bits 1 1
HT EC
1 2 1 11
CI Rsv
6 1
Rsv LEN
16
CID
8
HCSEKSType
Payload)Aoptional)A0)to)2041)bytes)
Generic)MAC)HeaderA6)bytes)
CRC)Aoptional)A4)bytes)
Bandwidth Request Header (BRH).
Bandwidth request
Bits 1 1
HT EC
193 16
CID
8
HCSType
Bandwidth request header(6 bytes)
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Formato de la PDU MAC II - GMH
Header Type (HT): Un único bit de valor 0.Encryption Control (EC): Carga cifrada (1) o no (0).Type: Indica el tipo de contenido de la PDU.Reserved (Rsv): Campos reservados (00).CRC Indicator (CI): La PDU lleva CRC (1) o no (0).Encryption Key Sequence (EKS): Sólo aplicable si EC=1.Length (LEN): Longitud de la PDU, incluida la cabecera yel CRC (si existe).Connection IDentifier (CID): Representa el identificadorde la conexión del usuario.Header Check Sequence (HCS): Se usa para detectarerrores en la cabecera.
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Formato de la PDU MAC III - BRH
Header Type (HT): Un único bit de valor 1.Encryption Control (EC): Un único bit de valor 0, queindica no cifrado.Type: Indica el tipo de BRH. Puede tener dos valores: 000para solicitud de ancho de banda incremental y 001 parasolicitud de ancho de banda agregada.Bandwidth request (BR): Número de bytes solicitados.Connection IDentifier (CID): Identificador de la conexiónpara la que se solicita ancho de banda en el enlaceascendente.Header Check Sequence (HCS): Se usa para detectarerrores en la cabecera.
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Servicios de la PDU MAC
La subcapa CPS proporciona los siguientes servicios:Fragmentación y empaquetado de MAC SDU en MAC PDU.
Fragmentation Subheader (FRAG SHR).Packing Subheader (PACK SHR).
Concatenación de PDU de la capa MAC en SDU de la capafísica.
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Soporte de QoS I
Asignación eficiente de los recursos disponibles paracumplir los requisitos de QoS de cada conexión/servicio.
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Soporte de QoS II
La planificación de prioridades está determinada por unconjunto de parámetros de QoS.
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Capa física I
Modulación OFDM de 256 subportadoras. De ellas se usan 200 paradatos (192) y pilotos (8).Modulaciones BPSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM.Codificación FEC concatenada con códigos Reed-Solomon yconvolucionales. La utilización de turbocódigos es opcional.Incluye diversidad en transmisión (STC: Space-Time Coding) ysistemas de antenas adaptativas (AAS: Adaptive Antenna System)como opcionales.Soporta el modo MESH.Permite el uso de subcanalización en el UL: Un usuario no transmite entodas las portadoras, sino en un subconjunto de ellas.IEEE 802.16 contempla diferentes anchos de canal (1,75, 3,5, ...,20 MHz) y dos posibilidades de multiplexado (FDD y TDD).Para asegurar la interoperabilidad de los equipos el WiMAX Forumdefine «perfiles» que son subconjuntos de posibles combinaciones.
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Capa física II - Acceso múltiple OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access.
Asignación ortogonal para acceso múltiple.Reduce las interferencias.
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Capa física IIIPermite trabajar con uno o más canales de 1,5 MHz.
En Europa 1,75 MHz.Adaptación a las necesidades particulares del tráfico.Las tasas de bit ofrecidas dependen del ancho del canal y de la tasa decodificación:
Con 20 MHz de ancho de banda:Hasta 100 Mbps en bajada.Hasta 30 Mbps en subida.
Con 10 MHz de ancho de banda:Hasta 63 Mbps en bajada.Hasta 20 Mbps en subida.
En la práctica se obtienen tasas binarias menores, porque laeficiencia disminuye con la distancia.
Bandas de operación por debajo de 6 GHz:Despliegues comerciales 2,3 - 2,5 - 3,5 GHzEn España, el CNAF especifica:
Banda licenciada: 3,5 GHzBanda libre: 5,4 GHz (exige estudios espectrales)
Servicios de emergencias 4,9 GHzRedes y servicios móviles Redes IEEE 802.16 / WiMAX 25/35
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Capa física IV - Control del enlace radio
Modulación adaptativa.Selección del esquema de modulación y codificación.Basado en la calidad del enlace.Modulaciones QPSK, 16QAM, 64QAM.
64QAM 2/321.33Mbps
16QAM 1/210.67 Mbps
QPSK 1/25.33 Mbps
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Capa física V - Cobertura I
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Capa física VI - Cobertura II
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Modelo de referencia de red (NRM) I
Usuario
ASN(Access Service Network)
BS
BS
R6
R6
R6
R1
R2
R3
ASNGateway
Home-CSN(Connectivity Service Network)
MIP-FA
Auth
Otro ASN
PMIPClient
ASNGateway
NAPProveedor de red de acceso
NSPProveedor de servicio de red
H-AAA
MIP-HA
Internet-o-ASP(Application Service
Provider)
SS-/-MSSubscriber Station /
Mobile Station
MIPClient
BS
Usuario
ASN(Access Service Network)
BS
BS
R6
R6
R6
R1
R2
R3
ASNGateway
Home-CSN(Connectivity Service Network)
MIP-FA
Auth
Otro ASN
PMIPClient
ASNGateway
NAPProveedor de red de acceso
NSPProveedor de servicio de red
H-AAA
MIP-HA
Internet-o-ASP(Application Service
Provider)
SS-/-MSSubscriber Station /
Mobile Station
MIPClient
BS
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Modelo de referencia de red (NRM) II
Objetivo:Provisión de servicios de acceso a Internet con soporte demovilidad.
WiMAX Forum define NRM.Arquitectura de red WiMAX basada en IP.Soporta a usuarios fijos, nómadas y móviles.
La red se divide en tres partes.Terminales (MS).Red de acceso (ASN).
Estaciones base (BS) y pasarela (ASNG).
Red de conectividad (CSN).Elementos de conmutación y control.Conectividad IP hacia otras redes.Asignación de direcciones IP, autenticación, localización,movilidad, gestión de QoS, . . .
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Servicios y prestaciones
Servicios.
Acceso a Internet de alta velocidad.Voz (VoIP).Transmisión de datos.Conectividad a Internet para redes Wifi / GSM / GPRS/ UMTS.
Prestaciones.
Gran ancho de banda
hasta 70 Mbps por usuario y hasta 420 Mbps por estación base.
Rápido despliegue (hasta 50 Km de cobertura).Fácil instalaciónGarantía de calidad de servicio
Prestación de servicios WiMAX en frecuencias de uso exclusivo
Alta eficiencia en el uso del espectro y estabilidad.Transmisión simultánea de voz, datos y vídeo.
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Tasas binarias
QPSK 16QAM 64QAM
Tasazdez Tasazdez Tasazdez
Unidades MbitXs codificación codificación codificación
1X2 3X4 1X2 3X4 2X3 3X4
Anc
hode
zcan
al
1W75MHz 1W04 2W18 2W91 4W36 5W94 6W55
3W5MHz 2W08 4W37 5W82 8W73 11W88 13W09
5MHz 4W16 6W28 8W32 12W48 16W63 18W70
7MHz 4W15 8W73 11W64 17W45 23W75 26W18
Anc
ho
10MHz 8W31 12W47 16W63 24W94 33W25 37W40
20MHz 16W62 24W94 33W25 49W87 66W49 74W81
• Dependenzdezanchozdezbandazdelzcanalzyzdelztipozdezmodulación• Tasaszbinariaszenzcondicioneszóptimaszdezpropagación
TasaszbinariasWiMAX
Tipozdezmodulación
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Prestaciones: Alcance-Tasa
Radios de cobertura típicos:Entornos urbanos.
1-3 Km.Alta densidad de usuarios.
Entornos rurales.
5-10 Km.Baja densidad de usuarios.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Mbiths
km
LOS
NLOS•Rural
NLOS•Urbano
• Enlace•WiMAX fijo• Banda•3z5•GHz• Ancho•de•canal•3z5•MHz
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Servicios
Telefonía.WiMAX adecuada para este servicio.Mecanismos para garantizar requisitos de retardos:
Clases de servicio UGS, rtPS, ertPSAcceso a Internet.
Acceso de banda ancha en zonas sin otra cobertura.Videostreaming factible si no hay muchos usuarios.Juegos en red también factible gracias a la baja latencia.Descargas P2P.
Consumo de recursos elevado en DL y UL.Problemas de escalabilidad a los operadores.Mecanismos de regulación de tráfico.
Distribución de TV.Calidad SDTV (Standard Definition Television).Tasa de 2-5 Mbps por canal.Número elevado de canales consumen gran ancho de banda.Tecnología no adecuada para distribución de TV estándar.
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Madurez de la tecnología y del mercado
Primer laboratorio de certificación de equipos WiMAX.Cetecom Labs, Málaga.Julio de 2005.
WiMAX Forum.73 productos certificados de 28 fabricantes (2008).
Fabricantes de productos certificados.Motorola, Huawei, NEC, Alvarion, Alcatel-Lucent, Siemens, . . .
Primeras redes WiMAX fijas.Despliegues en 2006.
Primer despliegue comercial.Servicio WiBro de Korea Telecom (2007).
Modem USB para ordenadores portátiles.España.
Oferta de servicios WiMAX fijo (Operador Iberbanda).Pruebas piloto de WiMAX móvil.
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