Wimax Al Politecnico 2

WiMAX Presentazione tecnica Claudio Santacesaria

Politecnico di Milano, 17 Maggio 2006

Indice Livello fisico

„

Livello MAC

™

Introduzione

™

MAC PDU e struttura di trama

™

Le Basi

™

Qualità del servizio (QoS)

™

OFDM

„

Security

™

Modulazioni, codici FEC e permutazioni

„

Architettura di rete e mobilità

™

Modulazione adattativa

™

Antenne multiple

™

Funzioni di supporto

™

ARQ e H-ARQ

© Siemens – January 2006

„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 2

Introduzione Livelli fisici supportati dallo standard „

OFDM (WirelessMAN-OFDM Air Interface) ™ 256-point FFT con TDMA (TDD/FDD)

„

S-OFDMA (WirelessMAN-Scalable OFDMA Air Interface) ™ 128-point FFT con OFDMA (TDD) ™ 512-point FFT con OFDMA (TDD); 3.5, 5 MHz ™ 1024-point FFT con OFDMA (TDD); 7, 10 MHz ™ 2048-point FFT con OFDMA (TDD)

„

Single-Carrier (WirelessMAN-SCa Air Interface) © Siemens – January 2006

™ Non rilevante

„ Il MAC è unico (con molte funzionalità opzionali) CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 3

Introduzione: flessibilità La flessibilità non è sempre attraente

© Siemens – January 2006

„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 4

© Siemens – January 2006

Livello fisico: Le basi

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 5

Propagazione: LOS e NLOS Propagazione LOS: link budget stabile; alte frequenze

„

Propagazione NLOS in presenza di cammini multipli che garantiscono la comunicazione grazie alle riflessioni (ma non la stabilità del link budget); frequenze basse

„

Tecniche NLOS: Controllo di potenza, modulazione e codici adattativi, Equalizzazione adattiva e stima di canale, OFDM, Diversità e antenne adattative

© Siemens – January 2006

„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 6

„

Il segnale ricevuto è la somma di diverse copie del segnale orginale con diversi ritardi e ampiezze

„

Il delay spread RMS di un canale urbano si stima intorno ai 3 µs (~15 campioni con 5 MHz BW)

„

Interferenza intersimbolo

„

Banda di coerenza

„

Per di più canale tempo-variante

Coherence ∝ bandwidth

1

© Siemens – January 2006

Propagazione NLOS: delay spread da multipath

Delay Spread

Delay spread CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 7

Duplex: TDD vs FDD Time Division Duplex (TDD)

Mobile Station

Base Station

Downlink (F1) Transmitter

Uplink (F1)

Base Station

Transmitter

Receiver

BPF

BPF

F1

F1

Receiver

Synchronous Switches

Tslot Mobile Station

UL

DL

Frequency Division Duplex (FDD) Mobile Station

) F2 ( k lin p U

Transmitter

Base Station Receiver

BPF

BPF

F1

F2

BPF

BPF

F2

F1

Transmitter

© Siemens – January 2006

) F1 ( k lin n w Do

Base Station

Receiver

Mobile Station CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 8

Accesso: FDMA, TDMA e CDMA

power

FDMA (OFDMA)

power

tim e

TDMA

ncy que e r f

tim e

power

Base Station

CDMA

cy uen q e fr

DL tim e

UL

y enc u q fre

Mobile Station

Mobile Station

CRD MW SE SA

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Mobile Station

Mobile Station

Com Italy R&D

Page 9

|H(ω)|

OFDMA

User 1 Frequenza

|H(ω)|

BS

User 2

• Più utenti si suddividono la banda disponibile • L’allocazione viene variata nel tempo (OFDMA-TDMA) • Può essere gestita in modo flessibile in base alle necessità di capacità da parte degli utente e alla qualità del canale

Tempo

Allocazione a pura diversità di frequenza CRD MW SE SA

© Siemens – January 2006

Frequenza

Frequenza

Frequenza

Tempo

Allocazione in base al canale Com Italy R&D

Page 10

La modulazione può cambiare se mutano le condizioni di propagazione e interferenza. Richiede il feedback dell’entità remota. CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 11

© Siemens – January 2006

Modulazione adattativa

© Siemens – January 2006

Livello fisico: OFDM

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 12

OFDM „

OFDM è una tecnica di modulazione utilizzata da ™ ADSL ™ WiFi (802.11a/g) ™ WiMAX ™ Alcune tecnologie di trasmissione dati su rete elettrica ™ considerato da 3GPP per il 4G

E’ adattato alla trasmissione a larga banda su mezzi fisici “di cattiva qualità”

© Siemens – January 2006

„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 13

Sistemi single carrier „

Ad esempio con 5 MHz di banda il tempo di simbolo è Ts = 200 ns

f

© Siemens – January 2006

BW

t Ts = 1 CRD MW SE SA

BW Com Italy R&D

Page 14

Frequency Division Multiplexing „

Suddividere un flusso dati in N flussi a velocità inferiore

„

Trasmetterli su diversi canali con banda BW/K con K>N

„

Il simbolo dura K volte quello dell’equivalente sistema single carrier

BWch = BW

K

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nel tempo

nelle frequenze

K/BW CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 15

Modulazione OFDM Diverse sinusoidi troncate vengono modulate con il dato digitale e poi sommate fra loro (IDFT)

„

Risultano ortogonali

© Siemens – January 2006

„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 16

Demodulazione OFDM Si demodula correlando con ciascuna delle sinusoidi originali per estrarne l’ampiezza (DFT) x(k ) =

N −1

∑a s (k )

n=− N

n

n

an =

mN + N

∑ x(k ) s (k )

k =mN

* n

a1

© Siemens – January 2006

„

a4 CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 17

Uso della trasformata discreta di Fourier

QAM/PSK Mapper

Serial to Parallel (S/P)

Modulators IDFT Bank

Parallel to Serial (S/P)

Low Pass Filter

Serial to Parallel (S/P)

Matched DFT Filter bank

Parallel to Serial (S/P)

Σ

Baseband Modulation

„ Modulazione: Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) dei dati © Siemens – January 2006

„ Demodulazione: DFT

CRD MW SE SA

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Page 18

Robustezza al multipath „

Si inserisce un prefisso ciclico CP (overhead tg) e ho risolto

1 OFDM Symbol

Tx

© Siemens – January 2006

Ch

Rx

tg CRD MW SE SA

una frazione tg/(tg+tb) di capacità è sprecata! Com Italy R&D

Page 19

Proprietà OFDM „ Tratta il multipath con efficacia (automaticamente) „ Offre tecniche per migliorare l’efficienza spettrale e la capacità di canale „ E’ robusto all’interferenza a banda stretta „ E’ sensibile al rumore di fase degli oscillatori e all’imprecisione del campionamento

© Siemens – January 2006

„ Ha un alto Peak to Average Power Ratio (PAPR)

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 20

Codifiche multitono (DMT, AMC) Canale Atten

Frequenza

Bit/carrier

Frequenza

Frequenza

Canale con interferenza e notch multipath Atten

AM

Bit/carrier

xtalk Frequenza

Frequenza

© Siemens – January 2006

Frequenza

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 21

Codifiche FEC pure

Atten

Bits/carrier

Interferente

codice FEC

Frequenza

Frequenza

Frequenza

Anche senza AMC, un codice FEC può compensare le sotttoportanti più deboli (che devono essere sparpagliate)

Interleaved codeword

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f

Deinterleaving Corrupted codeword CRD MW SE SA

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Page 22

Sincronizzazione e stima di canale Vengono fatte tramite simboli noti ™ Preamboli: posizioni fisse nel tempo ™ Portanti pilota: posizioni fisse nelle frequenze

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„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 23

© Siemens – January 2006

Livello fisico: Modulazioni, codici FEC e permutazioni

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 24

Modulazioni e codici: burst profile „

Modulazioni: BPSK (solo OFDM), QPSK, 16QAM, 64QAM

„

Codici: ™ convoluzionali TB (solo OFDMA) con vari rate 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 ™ convoluzionali ZT + Reed Solomon (solo OFDM)

© Siemens – January 2006

™ turbocodici (CTC, BTC, LDPC)

CRD MW SE SA

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Page 25

Confronto di prestazioni tra CC e CTC Esempio con codici Rate ½

„

CTC guadagnano 1-2 dB a 10-4

© Siemens – January 2006

„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 26

Allocazione delle sottoportanti in OFDM 256 Le sottoportanti sono organizzate in sottocanali e sottoportanti pilota

„

La posizione di sotto portanti dati e pilota in OFDM 256 è fissa

„

S-OFDMA è più complesso

Pilot Carriers:

Guard Carriers {-128,…,-101}

-88

-63

-38

24 Data Carriers

CRD MW SE SA

-13

DC Carrier

13

38

63

88

Guard Carriers {101,…,127} Com Italy R&D

Page 27

© Siemens – January 2006

„

Allocazione delle sottoportanti in SOFDMA (es. PUSC) Cluster logici

Cluster fisici

Dominio fisico

„ Le sottoportanti fisiche sono N raggruppate in cluster/tile/bin (es. 14 portanti adiacenti di un simbolo ma anche su più simboli) che contengono portanti dati e pilota

Tempo: numero SLOT

SUBCAR=14

Sidx 0,

CRD MW SE SA

N1 N2 N3 N4

Nsubch

2,

3….

0 1

K+2

K+3

Tile (0)

Tile (1)

NUSED- DC © Siemens – January 2006

„ I cluster sono combinati per formare i sottocanali, i major group, segmenti

K+1

Frequenza: subchannels

™ tempo ™ ID di cella ™ schema

1,

0

„ I cluster sono combinati in sottocanali logici „ L’associazione tra cluster fisici e logici dipende dal

0

0

Tile (5) 47 11 NCLUSTER -1 NCLUSTER-1 Tutti i sottocanali dati

appartenenti al segmento Com Italy R&D

Page 28

Allocazione delle sottoportanti in SOFDMA Vi sono diversi tipi di “schemi di permutazione (o di allocazione) dei subchannel” ottimizzati per diverse applicazioni ™ Sottoportanti distribuite ™ Sottoportanti adiacenti

Sub. scheme UL

PUSC

MS Req.

(MTG)

(MTG)

Sub. scheme DL

BS Req.

MS Req.

(MTG)

(MTG)

PUSC

Y

Y

PUSC w/all subch.

Y

Y

PUSC w/ dedicated Pilots

IO-BF

Y

FUSC

Y

Y

FUSC w/ dedicated Pilots

N

N

Optional FUSC

N

N

N

N

N

N

Y

Y

IO-BF

Y

Optional PUSC

N

N

AMC 1X6

N

N

AMC 2X3

Y

Y

w/ dedicated Pilots

AMC 3X2

N

N

AMC 2X3

Y

Y

AMC 3X2

N

N

Default Type AMC 1X6 w/ dedicated Pilots AMC 2X3 w/ dedicated Pilots AMC 3X2 w/ dedicated Pilots

N

N

N

N

IO-BF

N

N

N

N

N

PUSC w/o subch. Rotation

Mini Subchannel

N

N

Optional FUSC AMC 1X6

PUSC ASCA

© Siemens – January 2006

„

BS Req.

CRD MW SE SA

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Page 29

Struttura di trama OFDMA 2D: Time – Frequency (TDD) k+1 k+2

Dominio del tempo: numero di simboli OFDM

k+n

Pemutation Zone: zona contigua (UL o DL) che utilizza la stessa permutazione

1

Allocazione dati DL nella data region: prima in frequenza Data Region: allocazione 2D di un gruppo di sottocanali adiacenti in simboli OFDM adiacenti

Slot: struttura 2D structure che rappresenta la minima unità di allocazione. Diversa da uplink e downlink dipende dallo schema di allocazione dei sotto canali

Ns-1

DL Subframe CRD MW SE SA

Nell’esempio: UL PUSC 1 Subchannel x 3 simboli

Allocazione dati UL: 2D come Data Region 1D nel tempo mapping: prima la frequenza © Siemens – January 2006

Dominio delle frequenza: numero sottocanali logici

0

UL Subframe Com Italy R&D

Page 30

Considerazioni sugli schemi di permutazione PUSC: suddivide le portanti tra i sottocanali e le distribuisce in frequenza in modo diverso per ogni settore minimizzando e mediando l’interferenza. La distribuzione in frequenza serve anche a garantire una certa diversità di frequenza. In uplink può introdurre una rotazione con effetti simili al frequency hopping del CDMA.

„

FUSC: Simile al PUSC, massimizza l’effetto di diversità e aggiunge flessibilità all’allocazione

© Siemens – January 2006

„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 31

Considerazioni sugli schemi di permutazione AMC: tiene vicine le portanti di un sottocanale perdendo gli effetti precedenti ma consente di ottimizzare l’allocazione dei terminali. ™ Modulazione adattativa per sottocanale (sensibile al fading) ™ Scheduling opportunistico: cross-layer optimisation, MIMO,

beamforming

25

Fx1

Fx3

Fx1

20

Fx3

Fx2

User 2

15 20log10(|H(ω)|)

10

5

User 1

User 3

0

-5

-10

CRD MW SE SA

0

20

40

60

80

100 120 Frequenza

140

160

180

Com Italy R&D

200

Page 32

© Siemens – January 2006

„

© Siemens – January 2006

Livello fisico: Modulazione adattativa

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 33

Modulazione adattativa „

Al variare del rapporto Segnale Rumore (S/N)

„

scelgo modulazione e codice (“modo fisico” o “burst profile”): ™ Per ogni terminale ™ Per ogni istante di tempo

in modo da massimizzare la capacità garantendo una certa BER. © Siemens – January 2006

„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 34

© Siemens – January 2006

Livello fisico: Antenne multiple

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 35

Tecniche con antenne multiple: MIMO e beamforming „

Posso trarre beneficio dalla presenza di antenne multiple sulla BS o sul terminale

„

Metodo più semplice: ™ diversità di ricezione (non

richiede supporto dello standard)

Tecniche più evolute: ™ Space time coding ™ Spatial multiplexing ™ Beamforming

CRD MW SE SA

© Siemens – January 2006

„

Com Italy R&D

Page 36

Diversità di ricezione h0 = α 0 e jθ 0

Rx h1 = α 1e jθ1

Tx

Dopo la combinazione

r0 = h0 s + n0 r1 = h1s + n1

~ s = w0 r0 + w1r1

= (w0 h0 + w1h1 )s + w0 n0 + w1n1

Rx

•

Pesi ottimali:

*

w1 = h1 2

•

Risultato:

SNR =

CRD MW SE SA

h0 + h1

σ

2

Compensano lo sfasamento Pesano in base alla potenza del segnale 2

Sum of SNR di ciascun ramo

© Siemens – January 2006

*

w0 = h0

Com Italy R&D

Page 37

Tecniche previste dallo standard (IO-MIMO)

„

„

Downlink Space time coding (duale della diversità di ricezione, riduce margine di fading) Downlink Spatial multiplexing (aumenta capacità)

1)

STC Matrix A

SM 2) Matrix B

Rate 1 Diversity Gain

STC Matrix A

SM Matrix B Rate 2 Multiplexing Gain UL Collab.

Uplink: Collaborative Spatial multiplexing (Rx antennas ≥ 2)

UL Collab.

UL Collab.

© Siemens – January 2006

„

3)

Rate 2 Multiplexing Gain CRD MW SE SA

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Page 38

STC: Space-Time Coding t t+T

Schema base STC Alamouti: 1. In un dato tempo di simbolo, due segnali (S0, S1) vengono trasmessi simultaneamente. Durante il successivo si trasmette (-S*1 ,S*0). 2. Assumendo che il fading sia costante per due simboli consecutivi si possono combinare i segnali trasmessi: r0 = r0(t)= h0s0 +h1s1+n0 r1 = r1(t+T)= -h0s*1 +h1s*0+n1. 3. I segnali ricevuti sono ricostruiti: s0 combined = h*0 r0 +h1r*1 s1 combined = h*1 r0 -h0r*1. e inviati al decisore.

CRD MW SE SA

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„

Com Italy R&D

Page 39

Collaborative MIMO User 2, s2(t)ejωt

User 1, s1(t)ejωt

as1(t)+bs2(t)

as1(t)-bs2(t)

+1

-1

2as1(t)

+1

2bs2(t) © Siemens – January 2006

+1

I segnali di due utenti arrivano alla schiera di antenne con diverse ampiezze e fasi Elaborando i segnali si ottiene un guadagno e una reiezione dell’interferente

CRD MW SE SA

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Page 40

Beamforming user

serving sector

„

Implementa un filtro spaziale per ridurre/filtrare l’interferenza

„

Si applica lato BS sia in ricezione che in trasmissione

„

Richiede delle schiere di antenne (comunque non meno di 4 antenne)

∆θ out beam interferers

user

interference

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array

in beam interferer

CRD MW SE SA

Arraycom

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Page 41

Combinazione delle migliorie „

Il canale è soggetto a fading e interferenza e quindi ha proprietà selettive in: ™ tempo ™ frequenza

„

MIMO, beamforming consentono di modificare (migliorare) il canale

„

La modulazione adattativa per sottocanale (OFDM AMC) consente di utilizzare massimizzare l’uso del canale

„

Lo scheduling opportunistico e l’ottimizzazione cross-layer permettono di sfruttare le variazioni del canale.

„

... se si riesce a mantenere il controllo CRD MW SE SA

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™ spazio

Page 42

© Siemens – January 2006

Livello fisico: Funzioni di supporto

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 43

Controllo di potenza „

Il controllo di potenza UL è essenziale per limitare l’interferenza e la dinamica del ricevitore ™ Viene gestito in anello chiuso tramite messaggi di feedback dati dalla

Base Station ™ In TDD è possibile utilizzare anche un controllo di potenza in anello

aperto basato sulla potenza ricevuta downlink sfruttando la reciprocità del canale

C’è anche un controllo di potenza DL in due forme ™ In anello chiuso consente di ridurre la potenza sui terminali più vicini

limitando l’interferenza ™ Zone boosting: consente di concentrare la potenza della BS su un

sottocanale per raggiungere terminali più lontani

CRD MW SE SA

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„

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Page 44

Ranging Correzione di frequenza e di timing per compensare ™ effetto doppler ed errori di sincronizzazione (FDMA) ™ l’effetto della differente distanza dei vari terminali (TDMA)

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„

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 45

Misure e canali di feedback 1

„

Esempi di misure ™ CINR ™ RSSI

2 3 4 n

™ Funzione di trasferimento

del canale in frequenza ™ ACK

n+1 n+2

Subch 0

1

Subch 1

2

Subch 2

3

4

Subch 3

Trasporto ™ Messaggi MAC

I confini di slot sono allineati per tutti i canali

™ Canali di fast feedback (4-

6 bit per slot-subchannel)

CRD MW SE SA

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„

Com Italy R&D

Page 46

© Siemens – January 2006

Livello fisico: ARQ e H-ARQ

CRD MW SE SA

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Page 47

ARQ e H-ARQ L’ARQ è una tecnologia per il controllo degli errori ™ complementare al FEC ™ opera a livello MAC ™ ritrasmette le PDU MAC ricevute errate ™ permette di dimensionare il funzionamento normale del FEC con una

BER più elevata di quella tollerata dal servizio ™ è molto onerosa perchè richiede i feedback (ACK) ™ è più efficiente delle ritrasmissioni TCP perchè è più rapida, non è

end-to-end, ritrasmette solo i blocchi FEC errati e non interi pacchetti IP ™ diatribe infinite se sia meglio ARQ o un codice FEC più robusto

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„

soprattutto in sistemi con modulazione e FEC adattativi

CRD MW SE SA

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Page 48

ARQ e H-ARQ L’H-ARQ (ARQ ibrida) è una tecnologia per il controllo degli errori ™ che interagisce con il FEC ™ opera tra il livello MAC e il livello fisico ™ trasmette ridondanza FEC aggiuntiva quando quella

precedentemente inviata non risultava sufficiente ™ permette di dimensionare il funzionamento normale del FEC con una

BER più elevata di quella tollerata dal servizio ™ è molto onerosa perchè richiede i feedback (ACK) e richiede che

siano protetti in modo estremamente sicuro ™ è considerata più efficiente dell’ARQ perchè riduce gli sprechi: nulla

va buttato

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„

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Page 49

Incremental Redundancy HARQ ¾

Quando il CRC rivela un errore, viene inviato un NACK e si tiene copia del pacchetto. Il trasmettitore ritrasmette: la ritrasmissione avviene con un diverso codice FEC più robusto del precedente aggiungendo ridondanza non trasmessa in precedenza. La codifica viene quindi ottenuta attraverso la ricombinazione delle informazioni ricevute nella varie trasmissioni.

¾

TIl livello fisico genera diverse versioni del pacchetto condificato e le copie sono identificate con un identificativo SPID. Data Block

Accept Data Block

Combine

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Redundant Information

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Page 50

Chase Combining HARQ ¾

Quando il CRC rivela un errore, viene inviato un NACK e si tiene copia del pacchetto. Il trasmettitore ritrasmette: Rimanda esattamente lo stesso pacchetto inviato in precedenza con la stess codifica e modulazione (stesso burst profile); può cambiare il livello di potenza. Se la nuova trasmissione fallisce: il pacchetto precedente e quello attuale possono essere ricombinati in un soft decoder per migliorare la probabilità di una ricezione corretta.

¾

Non esistono identificativi SPID perchè esiste una sola copia di ogni pacchetto che viene inviata identica più volte. Data Block

Accept Data Block

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Combine Retransmissions Block

CRD MW SE SA

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Page 51

© Siemens – January 2006

Livello MAC: MAC PDU e struttura di trama

CRD MW SE SA

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Page 52

Formato MAC PDU

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„ Due bit identificano il tipo di PDU

CRD MW SE SA

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Page 53

MAC signalling header type I HT = 1; EC = 0

„

Lunghezza fissa = 6 byte

„

Solo Uplink

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„

CRD MW SE SA

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Page 54

MAC signalling header type II HT = 1; EC = 1

„

Lunghezza fissa = 6 byte

„

Es. Uplink Î feedback header

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„

CRD MW SE SA

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Page 55

MAC subheader „

Possono essere aggiunti al Generic MAC header ™ HT = 0; EC = 0/1

„

Payload segue i subheader

„

Sei tipi di subheader ™ Grant Management ™ Fragmentation ™ Packing ™ Fast-feedback allocation

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™ Extended subheader

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Page 56

Ranging subchannel

Struttura di trama

0011101 1100110 1101011 1001110 1101011 1001101

© Siemens – January 2006

0110101 1100110 1101011 1001110 1101011 1001101

1100101110 0110110101 1110101 1100101 1010111001 1100110 1100110 1111010101 1101011 1101011 1100111110

CRD MW SE SA

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Page 57

© Siemens – January 2006

Livello MAC: Qualità del servizio

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 58

Ruolo del MAC „

Amministrare la capacità del canale radio condiviso distribuendola fra gli utenti e le loro connessioni (sia downlink che, tramite lo schedulatore, uplink)

„

La QoS permette di differenziare il servizio tra le connessioni in base a ™ contratto

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™ esigenze del tipo di servizio (dati, voce, video,...)

CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 59

Modello di qualità del servizio „

Convergence sublayer ™ legati alla tipologia del traffico trasportato: Ethernet, IPv4, IPv6, ATM,..

„

Classificatori ™ dipendono dai Convergence Sublayer ™ esempi di classificatori: ToS, DSCP, Indirizzo IP sorgente, Indirizzo IP

destinazione, Indirizzi MAC, VLAN Id, VLAN priority ...

„

Service Flow ™ Connessioni a livello MAC (CID)

Classi di servizio ™ riguardano la gestione della banda e i parametri di traffico configurabili

per ogni service flow

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„

™ esempi: la banda garantita, i metodi per richiedere banda uplink allo

schedulatore della BS CRD MW SE SA

Com Italy R&D

Page 60

„

Undefined

„

Packet, IPv4

„

Packet, IPv6

„

Packet, 802.3/Ethernet

„

Packet, 802.1Q VLAN

„ „

Packet, IPv4 over 802.3/Ethernet Packet, IPv6 over 802.3/Ethernet

„

Packet, IPv4 over 802.1Q VLAN

„

Packet, IPv6 over 802.1Q VLAN

„

ATM

„

Packet, IPv4 with Header Compression (ROHC)

„

Packet, IPv4 with Header Compression (ECRTP)

„

Packet, IPv6 with Header Compression (ROHC)

„

Packet, IPv6 with Header Compression (ECRTP)

„

Packet, IPv4 over 802.3/Ethernet with Header Compression (ROHC)

„

Packet, IPv4 over 802.3/Ethernet with Header Compression (ECRTP)

„

Packet, IPv6 over 802.3/Ethernet with Header Compression (ROHC)

„

Packet, IPv6 over 802.3/Ethernet with Header Compression (ECRTP)

„

Packet, IPv4 over 802.1Q VLAN with Header Compression (ROHC)

„

Packet, IPv4 over 802.1Q VLAN with Header Compression (ECRTP)

„

Packet, IPv6 over 802.1Q VLAN with Header Compression (ROHC)

„

Packet, IPv6 over 802.1Q VLAN with Header Compression (ECRTP) CRD MW SE SA

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Convergence sublayer

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„

Best Effort: posso limitare la capacità di picco, non do garanzie, un protocollo di request – grant garantisce l’allocazione della banda alle connessioni che hanno traffico da trasmettere.

„

NRT-VR (nrt-PS); non real time variable rate: rispetto al Best Effort posso garantire una banda minima

„

RT-VR (rt-PS); real time variable rate: rispetto a NRT garantisco contenimento di ritardo e jitter (adatto per VoIP e video streaming)

„

UGS; unsolicited grant service: BS alloca un flusso continuo fatto da pacchetti di dimensione fissa con cadenza regolare senza scambio di informazioni sullo stato delle code.

„

ERT-VR; come UGS ma la capacità del flusso può essere modificata run time con scambio di messaggi CRD MW SE SA

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Classi di servizio

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Security

CRD MW SE SA

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La sicurezza in 802.16 (1) „

802.16-2004 contiene un layer di sicurezza basato su PKMv1

„

PKMv1 opera secondo i seguenti concetti: ™ autenticazione di dispositivo (il terminale contiene un certificato X.509

collegato al suo indirizzo MAC Ethernet, cablato in fabbrica) ™ durante la fase di collegamento iniziale (network entry) il terminale si

autentica e la BS la riconosce se il MAC address è stato inserito preventivamente nel suo archivio di utenti autorizzati ™ l’utente riceve i servizi per cui il suo terminale è autorizzato ™ il certificato X.509 contiene una coppia di chiavi RSA (pubblica-

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privata) grazie alle quali viene garantito il trasferimento sicuro della chiave di traffico (utilizzata per cifrare il traffico utente con DES, 3DES o AES) ™ il meccanismo è semplice e un po’ rigido ma molto sicuro sia in

termini di autenticazione che di cifratura del traffico. CRD MW SE SA

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La sicurezza in 802.16 (2) „

802-16e-2005 introduce il PKMv2

„

Il PKMv2 offre i seguenti vantaggi: ™ autenticazione di utente flessibile e aperta a protocolli standard ™ può supportare l’uso di SIM, password, token, etc. ™ autenticazione basata sul modello a 3 parti (consente un server

centralizzato)

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™ scambio di chiavi per la crittografia sicura del traffico

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Architettura del modello a Tre Parti Il modello a 3 parti è composto dalle seguenti 3 entità: ™ Supplicant o Peer è l’entità che richiede l’accesso alla rete ™ Authentication Server è l’entità che autentica il Supplicant e lo

autorizza e abilita ad accedere alla rete. ™ Authenticator è l’entità che fa da tramite e inoltra i messaggi AAA

tra Supplicant e Authentication Server, abilità fisicamente l’accesso.

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„

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Il contesto del modello a 3 parti „

Il modello a 3 parti è stato definito originariamente da IEEE 802.1x con riferiemnto all’uso dell’EAP (Extensible Authentication Protocol) definito nella RFC 3748

„

Il modello è in uso nelle Wireless LAN e tipicamente si riferisce a: ™ EAP over 802.1x tra Supplicant e Authenticator ™ EAP over RADIUS descritto dalla RFC 3579 tra Authenticator e the

Authentication Server

Il sottolayer di Security “PKMv2” specificato da IEEE 802.16 2005 è ispirato al modello 3 parti.

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„

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PKMv2 „

Il PKMv2 segue il modello a tre parti così: ™ IEEE 802.16 – 2005 Terminal Station (Supplicant) ™ IEEE 802.16 – 2005 Base Station o ASN GW (Authenticator) ™ AAA Server (Authentication Server)

EAP over PKMv2 è il protocollo tra Terminale e BS

„

EAP over RADIUS è il protocollo utilizzato tra Base Station e AAA Server

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Three – Party model and PKMv2

EAP RADIUS /UDP/IP

Terminal Station

Base Station

(Supplicant)

e Access Network

AAA Server (Authentication Server) © Siemens – January 2006

PKMv2

(Authenticator) CRD MW SE SA

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EAP Methods IEEE 802.16 - 2005 suggerisce alcuni metodi EAP come: ™ AKA (Authentication and Key Agreement) (WiFi / Mobile Networks /

WiMAX) ™ basato su un segreto precondiviso ™ PSK (Pre-Shared Key) ™ non completamente standardizzato ma ritenuto molto interessante ™ EAP TTLS (not standardized yet) fulfills all security requirements

specified by RFC 4017 ™ in corso di definizione

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„

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EAP AKA method: call flow Authenticator

Peer

Authentication Server

EAP Req (Id(-))

EAP Req (AKA-Identity(-)) EAP Rsp (AKA-Identity(user@realm))

RADIUS Req (EAP Rsp (Id(user@realm))) RADIUS Chal (EAP Req (AKA-Identity(-)))

RADIUS Req (EAP Rsp (AKA-Identity(user@realm)))

Authentication Server dopo aver ricevuto EAP Response / Identity richiede il supporto per il metodo AKA. Questo viene fatto generando EAP Request / AKA Identity CRD MW SE SA

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EAP Rsp (Id(user@realm))

Authentication Process – call flow Authenticator

Peer

Authentication Server

EAP Req (Id(-)) EAP Rsp (Id(user@realm))

RADIUS Req (EAP Rsp (Id(user@realm)))

Identity communication

EAP Rsp (AKA-Identity(user@realm))

Operazioni Peer: - Validazione MAC EAPdel ReqServer (AKA-Chal(RAND;AUTN;MAC)) - Autenticazione - Invio AKA-Challenge response EAP Rsp (AKA-Chal(RES;MAC))

EAP Success

calcolo delle MSK

RADIUS Chal (EAP Req (AKA-Identity(-)))

Operazioni Authentication Server: RADIUS Req (EAP Rsp (AKA-Identity(user@realm))) - Generazione Authentication Vector dal segreto precondiviso - Invio AKA-Challenge RADIUS Chal (EAP Req (AKA-Chal(RAND;AUTN;MAC)))

Operazioni Authentication Server:

- Validazione MAC - Autenticazione del Peer - Invio Result Indication

RADIUS Req (EAP Rsp (AKA-Chal(RES;MAC)))

RADIUS Accept (EAP Success)

calcolo delle MSK CRD MW SE SA

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EAP Req (AKA-Identity(-))

Security Sub-layer: PKMv2 Il PKMv2 specificato da IEEE 802.16e – 2005 offre: ™ Un protocollo per trasportare EAP su 802.16 ™ Ma consente l’uso di altre forme di autenticazione (doppio EAP, RSA, RSA+EAP, ...) ™ Un protocollo di gestione delle chiavi ™ Definisce come derivare: MSK > PMK > AK > KEK e MAC-key ™ Definisce come usare KEK per trasportare TEK (chiavi di traffico) ™ Definisce come usare MAC-key per autenticare i messaggi (HMAC e CMAC) ™ Un metodo per negoziare la suite crittografica ™ Diversi protocolli di encryption per il traffico (DES in CBC mode, 3DES, AES in CTR mode, AES in CCM mode, AES in CBC mode)

CRD MW SE SA

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„

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EAP – based Authorization with AKA Peer MSK

Authentication Server

Authenticator PMK

AK

KEK

MSK

PMK

AK

KEK

SA – TEK Challenge (AK par, BS RANDOM, ..,MAC) SA – TEK Request (AK par, BS RANDOM, MS RANDOM, .., MAC)

SA – TEK Response (AK par, BS RANDOM, MS RANDOM, SA par, MAC)

Key Request (AK SN, SAID, NONCE, MAC) Key Response (AK SN, SAID;, NONCE, KEK{TEK}, MAC)

TEK

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TEK

CRD MW SE SA

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Architettura di rete e mobilità

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Network Reference Model (NRM)

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Struttura di ASN

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Architettura di rete Roaming Broker

NAP

3GPP MNO

NSP

MSS

HLR

3GPP2 MNO

WAG/AAAH AC

AAAH

IP CS MAC PHY

R3 CS GRE MAC IP PHY LNK

GRE MIP IP IP LNK LNK

ASN

CRD MW SE SA

R5 IP IP MIP LNK IP LNK

IP IP LNK LNK

IP LNK © Siemens – January 2006

R1

AAAH

Home ISP

CSN

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Micro & Macro Mobility (1) Serving BS

Serving ASN GW

Micro Mobility (Intra ASN Mobility)

CSN

ASN 1 MS

BS1

Target BS

R6

MS

BS2

R3

Target ASN GW

BS3

R6

ASN 2

R3

HA

ASN GW BS4 NAP CRD MW SE SA

Macro Mobility via Mobile IP (Inter ASN Mobility)

NSP Com Italy R&D

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MS

ASN GW

Micro & Macro Mobility (2)

CSN

BS

MS

IP IP

IP IP CS CS 802.16e 802.16e

ASN GW

CS CS 802.16e 802.16e

CRD MW SE SA

HA

IP IP

IP IP

GRE GRE

GRE GRE

MIP MIP

MIP MIP

IP IP

IP IP

IP IP

IP IP

L2 L2

L2 L2

L2 L2

L2 L2

Phy Phy

Phy Phy

Phy Phy

Phy Phy

Micro M.

Macro M.

IP IP

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ASN

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ASN Profile “A” – Anchor \ Serving Initiated

HO-RSP

ASN 1

Bearer Plane R6

MS

S-ASN GW

S-BS HO-REQ HO-OK

HO Decision

CSN

R3

R4

HA

HO-RSP

MS

T-BS

T-ASN GW

ASN 2 NAP CRD MW SE SA

NSP Com Italy R&D

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R6

Bearer Plane

ASN Profile “C” – Target Initiated HO Decision

HO-RSP

CSN

Bearer Plane

ASN 1 R6

S-ASN GW

S-BS HO-REQ

R4

HO-OK HO-RSP

HA

Bearer Plane

R6 MS

R3

T-ASN GW

T-BS

AK CONTEX-RSP AK CONTEX-REQ

ASN 2

NAP CRD MW SE SA

NSP Com Italy R&D

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MS

Mobility management „

Network Topology Acquisition ™ Network Topology Advertisement ™ MS Scanning of neighbour BSs

„

Association

„

Processo di Handover ™ Cell Reselection ™ HO Decision & Initiation ™ Synchronization of Target BS downlink ™ Ranging ™ Termination of MS Context

Altre tecnologie collegate

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„

™ Sleep Mode (il terminale è autorizzato a spegnersi in certi intervalli) ™ Idle Mode (il terminale non è registrato ma è raggiungibile da un paging) CRD MW SE SA

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WiMAX: ... mobile technology

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„ Ci si può collegare ad Internet „ da qualsiasi luogo „ con qualsiasi dispositivo (Notebook, PDA, ... desktop)

CRD MW SE SA

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