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  • Tutoriais bastante esclarecedores, de fácil compreensão e bastante didáticos. Parabéns a Antonio Alberti e Lourinho.
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    Tutorial WiMAX Tutorial WiMAX Presentation Transcript

    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Arquitetura WiMAX  Fixa  WiMAX como backhaul para rede Wi-Fi: Fonte: Intel, “Understanding Wi-Fi and Wi-MAX as Metro-Access Solution”, 2004. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Arquitetura WiMAX  Fixa  Visão Geral: Fonte: A. Alberti, R. Chan, S. Naves, “A Comparison of Approaches for IEEE 802.16 Performance Evaluation”, MPRG 2006. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Padronização WiMAX © Antônio M. Alberti 2007
    • Implementações WiMAX  Alvarion Rádio Base Acesso © Antônio M. Alberti 2007
    • Implementações WiMAX  Alvarion © Antônio M. Alberti 2007
    • Implementações WiMAX  SOC – System on a Chip © Antônio M. Alberti 2007
    • Implementações WiMAX  M-Taiwan: Taiwan WiMAX Network © Antônio M. Alberti 2007
    • 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). © Antônio M. Alberti 2007
    • Pilha de Protocolos WiMAX Fonte: A. Alberti, R. Chan, S. Naves, “A Comparison of Approaches for IEEE 802.16 Performance Evaluation”, MPRG 2006. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum WiMAX / MAC  Duplexing  Duas técnicas de duplexing são fornecidas pelo protocolo MAC:  TDD (Time Division Duplexing);  FDD (Frequency Division Duplexing). © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum WiMAX / MAC  Duplexing Fonte: Benoît Louazel, Seán Murphy, “Implementation of IEEE 802.16a in  TDD GloMoSim/QualNet”, 2004. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum WiMAX / MAC  Duplexing  FDD Fonte: Benoît Louazel, Seán Murphy, “Implementation of IEEE 802.16a in GloMoSim/QualNet”, 2004. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum WiMAX / MAC  Mapeamento Fonte: Herlon Clayton Paggi Hernandes, 2007. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum WiMAX / MAC  Mapeamento Fonte: Herlon Clayton Paggi Hernandes, 2007. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum WiMAX / MAC  Alocação de Recursos de Transmissão  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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum WiMAX / MAC  Alocação de Recursos de Transmissão  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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum WiMAX / MAC  Alocação de Recursos de Transmissão  Exemplo de Negociação de Recursos Fonte: Benoît Louazel, Seán Murphy, “Implementation of IEEE 802.16a in GloMoSim/QualNet”, 2004. © Antônio M. Alberti 2007
    • Sub-camada de Convergência Comum 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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.  Suporta TDD e FDD.  Permite utilizar vários perfis de transmissão adaptativos. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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.  Suporta TDD e FDD.  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. © Antônio M. Alberti 2007
    • Camada Física WiMAX / PHY  WirelessMAN-OFDM  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). © Antônio M. Alberti 2007
    • Camada Física WiMAX / PHY  WirelessMAN-OFDM  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. © Antônio M. Alberti 2007
    • 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. © Antônio M. Alberti 2007