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
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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
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Introduzione: flessibilità La flessibilità non è sempre attraente
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Livello fisico: Le basi
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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
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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
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Propagazione NLOS: delay spread da multipath
Delay Spread
Delay spread CRD MW SE SA
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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
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) F1 ( k lin n w Do
Base Station
Receiver
Mobile Station CRD MW SE SA
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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
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|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
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Frequenza
Frequenza
Frequenza
Tempo
Allocazione in base al canale Com Italy R&D
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La modulazione può cambiare se mutano le condizioni di propagazione e interferenza. Richiede il feedback dell’entità remota. CRD MW SE SA
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Modulazione adattativa
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Livello fisico: OFDM
CRD MW SE SA
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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”
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Sistemi single carrier
Ad esempio con 5 MHz di banda il tempo di simbolo è Ts = 200 ns
f
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BW
t Ts = 1 CRD MW SE SA
BW Com Italy R&D
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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
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Modulazione OFDM Diverse sinusoidi troncate vengono modulate con il dato digitale e poi sommate fra loro (IDFT)
Risultano ortogonali
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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
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a4 CRD MW SE SA
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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
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Robustezza al multipath
Si inserisce un prefisso ciclico CP (overhead tg) e ho risolto
1 OFDM Symbol
Tx
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Ch
Rx
tg CRD MW SE SA
una frazione tg/(tg+tb) di capacità è sprecata! Com Italy R&D
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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
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Ha un alto Peak to Average Power Ratio (PAPR)
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Codifiche multitono (DMT, AMC) Canale Atten
Frequenza
Bit/carrier
Frequenza
Frequenza
Canale con interferenza e notch multipath Atten
AM
Bit/carrier
xtalk Frequenza
Frequenza
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Frequenza
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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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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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Livello fisico: Modulazioni, codici FEC e permutazioni
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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)
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turbocodici (CTC, BTC, LDPC)
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Confronto di prestazioni tra CC e CTC Esempio con codici Rate ½
CTC guadagnano 1-2 dB a 10-4
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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
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-13
DC Carrier
13
38
63
88
Guard Carriers {101,…,127} Com Italy R&D
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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
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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
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BS Req.
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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
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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
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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
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200
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Livello fisico: Modulazione adattativa
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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
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Livello fisico: Antenne multiple
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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
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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 =
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h0 + h1
σ
2
Compensano lo sfasamento Pesano in base alla potenza del segnale 2
Sum of SNR di ciascun ramo
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*
w0 = h0
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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.
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3)
Rate 2 Multiplexing Gain CRD MW SE SA
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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.
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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
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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
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Arraycom
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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
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Livello fisico: Funzioni di supporto
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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
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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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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)
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Livello fisico: ARQ e H-ARQ
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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
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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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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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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
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Livello MAC: MAC PDU e struttura di trama
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Formato MAC PDU
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Due bit identificano il tipo di PDU
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MAC signalling header type I HT = 1; EC = 0
Lunghezza fissa = 6 byte
Solo Uplink
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MAC signalling header type II HT = 1; EC = 1
Lunghezza fissa = 6 byte
Es. Uplink Î feedback header
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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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Ranging subchannel
Struttura di trama
0011101 1100110 1101011 1001110 1101011 1001101
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0110101 1100110 1101011 1001110 1101011 1001101
1100101110 0110110101 1110101 1100101 1010111001 1100110 1100110 1111010101 1101011 1101011 1100111110
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Livello MAC: Qualità del servizio
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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,...)
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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
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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
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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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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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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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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)
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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
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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
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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)
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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
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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
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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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