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    Simulador hibrido redes_heterogeneas_modulo_wi_max Simulador hibrido redes_heterogeneas_modulo_wi_max Presentation Transcript

    • Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAX
      David Pubill – ResearchEngineer
      Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC)
      1
    • 2
      Índice
      • Motivaciones
      • Plataforma DEMOCLES®
      • WiMAX – Visión general
      • WiDE – WiMAX para DEMOCLES®
      • Capa física
      • Capa MAC
      • Modelo de referencia
      • Ejemplo de simulación
      • Conclusiones y trabajo futuro
    • Motivaciones
      Reducción componentes electrónicos
      Equipos más pequeños y de menor coste
      Dispositivos multi-tecnología
      Proliferación redes heterogéneas
      Avances en el hardware
      Objetivos:
      • Estudiar las redes heterogéneas
      • Estudiar las tecnologías a nivel de sistema
      Opción 1
      • Las tecnologías evolucionan rápidamente – Actualización
      • Tecnologías emergentes – Disponibilidad de equipos comerciales
      • Espacio, condiciones de trabajo, coste de los equipos,…
      • Errores de hardware, interferencias,…
      Demostrador en Laboratorio
      Opción 2
      Simulador híbrido
      DynamicrEsource Management fOradvanCedmuLtiplecarriErsyStemplatform
      (DEMOCLES®)
      3
    • Plataforma DEMOCLES® I
      El proyecto DEMOCLES® se inició en el año 2006 (y sigue en marcha) con el objetivo de desarrollar una plataforma capaz de simular simultáneamente varios sistemas inalámbricos teniendo en cuenta estas propiedades:
      • Proporcionar conectividad en cualquier momento y en cualquier lugar (connectedanytime and anywhere).
      • Proporcionar al usuario siempre la mejor conexión posible entre las distintas tecnologías (alwaysbestconnected).
      • Simular sistemas multiportadora
      Modelos de movilidad
      Tráfico
      Algoritmos de handover
      Modelos de propagación (canal)
      Scheduling
      Sistema RRM
      • Control de admisión
      • Control de congestión
      • Gestión del control de transmisión
      • Scheduling
      Evaluación de la SINR
      Sistemas compatibles RRM
      Simulador nivel de enlace (SINR vs BER)
      Diagrama funcional de DEMOCLES®
      4
    • Plataforma DEMOCLES® II
      La plataforma DEMOCLES®, a día de hoy, permite simular WIFI, UMTS y WIMAX. La parte de WIMAX es la que se ha desarrollado para este trabajo y le denominaremos a partir de ahora módulo WiDE (WiMax para DEMOCLES®)
      RRM
      (Radio Resource Management)
      UMTS
      WIFI
      ARQ
      OFDM
      OFDMA
      RELAY
      WIMAX (WiDE)
      DEMOCLES®
      5
    • WiMAX – Visión general
      • WiMAX (WorldwideInteroperabilityforMicrowave Access) es un protocolo de comunicaciones de red basado en el estándar IEEE802.16.
      • El grupo de trabajo IEEE802.16 define las especificaciones de WIMAX refiriéndose a las 3 capas más bajas de la pila de protocolos de la OSI:
      • Capa física (PHY)
      • Capa de control de acceso al medio (MAC)
      • Capa de red
      • El organismo regulador de WiMAX desde 2001 es el WiMAX Forum, el cual se encarga de certificar los equipos WiMAX asegurando la compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos fabricantes.
      • Algunos estándares del IEEE802.16 que se han tenido en cuenta en WiDE:
      • IEEE802.16-2004 , estándar para los sistemas fijos
      • IEEE802.16-2005 (IEEE802.16e), estándar para los sistemas móviles
      • IEEE802.16j, estándar que introduce las estaciones repetidoras
      • IEEE802.16m, estándar que propone una extensión de WiMAX para alcanzar los requisitos para los nuevos criterios definidos por el IMT-Advanced (requisitos definidos por la ITU):
      • 1 Gbit/s para sistemas fijos
      • 100 Mbit/s para sistemas móviles
      6
    • WiDE – WiMAX para DEMOCLES
      WIDE
      • ARQ
      • Scheduling OFDMA
      • PUSC
      • MIESM
      • Funcionalidades de relay
      • Modelo detallado OFDM
      y OFDMA
      NIST
      • Principales funciones de la capa MAC
      • OFDM para la capa PHY
      MIRACLE
      • Estructura de nodos flexible
      • Escenarios multi-tecnología
      • Motor cross-layer
      • Funcionalidades específicas de capas PHY y MAC
      Network Simulator 2 (ns2)
      • Funcionalidades de scheduling y del núcleo
      • Protocolos (transporte, enrutamiento,…)
      • Varias aplicaciones
      • Varias tecnologías radio
      • MIRACLE (Multi-InteRfAce Cross-LayerExtension): Extensión para ns2 que soluciona algunas de las deficiencias que presenta el propio ns2.
      • NIST (NationalInstitute of Standards and Technology): Esta extensión supone una buena solución para la implementación de la capa MAC y, además, está integrada en la plataforma MIRACLE por la Universidad de Karlstad
      7
    • WiDE – Capa física
      Se han implementado 2 niveles de complejidad:
      • BASIC: la simulación de todas las transmisiones se realiza a través de la misma portadora.
      • FULL: se modelan todas las subportadoras de datos. La interferencia y la ganancia de canal se calculan para cada subportadora.
      Cada canal modelado tiene en cuenta:
      • Fading (o desvanecimientos rápidos) – Modelo Jakes
      • Shadowing (o desvanecimientos lentos) – Modelo Gudmundson
      • Path-loss(o pérdidas de canal) – Modelo Hata
      Para modelar el rendimiento del enlace se ha interactuado un simulador de enlace (implementado por el CTTC) con técnicas de LSM (Link toSystemMapping). Diagrama de bloques del esquema de mapeado:
      8
    • WiDE – Capa física - Modelos OFDMA
      Distancia vs Velocidad de transmisión según el modelo de “propagación en disco”
      R
      Distancia vs Velocidad de transmisión según la aproximación LSM.
      Se define el esquema de señalización PUSC (24 subportadoras de datos y 2 reservadas para pruebas piloto). Permite monitorizar la SINR a nivel de subportadora.
      Implementados los módulos OFDM y OFDMA en modo TDD
      9
    • WiDE – Capa MAC
      • Se ha implementado un esquema ARQ(AutomaticRepeat-reQuest)
      • Es un esquema híbrido acumulativo y selectivo de retransmisión
      • Un receptor puede reconocer un grupo de bloques adyacentes gracias a los mapas de secuencia
      • Permite la recopilación de toda la información necesaria en el lado del receptor para retransmitir los bloques (o secuencias de los mismos) que no se hayan recibido correctamente.
      • Se han introducido nodos repetidores (RS) que sumados a las estaciones base (BS) y a los equipos de usuario (SS) permiten simular un escenario WIMAX completo. Por lo tanto, podemos:
      • simular una comunicación directamente entre BS y SS
      • simular una comunicación a través de RS
      RS
      BS
      SS
      10
    • WiDE – Cuadro resumen
      11
    • WiDE – Modelo de referencia
      SS
      NSP
      CSN
      (ConnectivityService Network)
      Códec de vídeo / VoIP
      RTP / UDP / TCP
      IP
      NAP
      BS_1
      BS_N
      SS WIMAX MAC
      BS WIMAX MAC
      BS WIMAX MAC
      ……
      SS WIMAX PHY
      BS WIMAX PHY
      BS WIMAX PHY
      • NAP(Network Access Provider) formado por un conjunto de funcionalidades que permiten gestionar una transmisión con los terminales desde el punto de vista radio. Puede estar formado por una BS o un conjunto de ellas.
      • NSP(Network ServiceProvider) es la entidad que gestiona las peticiones entrantes de conexión y negocia los requisitos de servicio (QoS, iniciar comunicación, gestión de conexiones,…)
      12
    • WiDE – Ejemplo de simulación I – IPTV
      Evalvid es una herramienta que permite evaluar la calidad de un vídeo transmitido a través de una red de comunicaciones real o simulada. Permite obtener estadísticas sobre PSNR (Picture SignaltoNoise Ratio), pérdidas de paquetes y jitter.
      Escenario simulado: Vídeo-streaming en downlink
      Nodo recolector (Servidor)
      Terminal (Rx)
      7. Vídeo
      7. Vídeo
      Estación Base (Tx)
      6. Puerto
      6. Puerto
      5. IP/Enrutamiento
      5. IP/Enrutamiento
      5. IP/Enrutamiento
      4. IP/Interfaz
      4. IP/Interfaz
      4. IP/Interfaz
      4. IP/Interfaz
      3. Capa de enlace
      3. Capa de enlace
      3. Capa de enlace
      3. Capa de enlace
      2. 802.16 SS MAC
      2. 802.16 BS MAC
      2. Capa MAC
      2. Capa MAC
      1. OFDM
      1. OFDM
      1. N/A
      1. N/A
      Canal inalámbrico
      Enlace dúplex
      13
    • WiDE – Ejemplo de simulación II - IPTV
      Con el fin de obtener estadísticas que permitan caracterizar este escenario se han introducido algunos errores en el canal a medida que un usuario se aproxima al límite de la celda de cobertura, de tal manera que algunas ráfagas de datos no lleguen al terminal y provocan la recepción de paquetes fuera de secuencia.
      Vídeo transmitido (referencia)
      Vídeo recibido con errores
      Los errores se aprecian por el pixelado y el desdoblamiento de imagen
      14
    • WiDE – Ejemplo de simulación III - IPTV
      Se muestra el número de paquetes recibidos fuera de secuencia en función del tiempo de recepción del vídeo.
      Este ejemplo también podría simular una degradación de la señal WiMAX debido a interferencias, ya que un aumento de las señales interferentes provoca una disminución de la SINR que, a su vez, provoca que el receptor no reciba correctamente los paquetes.
      Se muestra la PSNR en el transmisor (línea discontinua) y en el receptor (línea continua) en función del tiempo de recepción del vídeo. El vídeo transmitido se degrada debido a la codificación en el transmisor, mientras que se puede apreciar claramente en la curva del receptor las degradaciones debidas a los errores ocurridos durante la transmisión entre los segundos 3 y 6 donde el nivel de PSNR baja debido a un incremento considerable de los paquetes perdidos.
      15
    • Conclusiones – Trabajo futuro
      • Se ha presentado el módulo WiMAX para DEMOCLES® (WiDE) que incluye las técnicas de transmisión OFDM y OFDMA para simular WiMAX fijo y móvil, respectivamente.
      • Se ha modelado la capa física teniendo en cuenta las interferencias y el fenómeno de la propagación y manteniendo una complejidad computacional relativamente baja.
      • Se han introducido la funcionalidades propias de las estaciones repetidoras para poder simular escenarios lo más realistas posibles, desde arquitecturas punto a punto/multipunto o topologías malladas (o mesh).
      • Esta plataforma es completamente escalable. Por lo tanto, puede adaptarse con facilidad para estudiar nuevas tecnologías radio que precisen de escenarios de investigación muy concretos.
      • Trabajo futuro
      • Actualizar el simulador WiDE con futuras actualizaciones de la tecnología de acuerdo a los avances del grupo de trabajo del IEEE 802.16.
      • Ampliar DEMOCLES® con nuevas tecnologías emergentes como, por ejemplo, Long TermEvolution (LTE).
      16
    • www.eusipco2011.org
      17
      ¡Muchas gracias por su atención!
      David PubillFondevila
      dpubill@cttc.es
      CTTC