Redes y servicios móviles

Transcripción

1 Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX Roberto García Fernández José Ángel Vallejo Pinto Universidad de Oviedo Área de Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 1/35

2 Índice Introducción. IEEE / WiMAX. Normalización. Características técnicas. Capa de acceso al medio (MAC). Capa física (PHY). Servicios y prestaciones de WiMAX. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 2/35

3 Introducción WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es una tecnología radio de banda ancha para redes metropolitanas basada en los estándares desarrollados por el grupo IEEE Alternativa a otras tecnologías de banda ancha. ADSL, cable, PLC o satélite. Solución económica para el despliegue rápido de redes en áreas sin cobertura de banda ancha. Cobertura hasta 50 Km de la estación base. Servicios de acceso a Internet y telefonía. Grandes anchos de banda (hasta 70 Mbps). Garantía de calidad de servicio (QoS). Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 3/35

4 WiMAX Forum Es una entidad privada, independiente de IEEE, que promociona y certifica la compatibilidad e interoperabilidad de equipos basados en el estándar IEEE La certificación se basa en «perfiles» que especifican características obligatorias y opcionales como subconjuntos de El ámbito de IEEE se limita a los niveles 1 y 2, mientras que el WiMAX Forum está desarrollando las especificaciones de los niveles superiores. Es un «usuario» de los estándares , lo que implica que son posibles otras implementaciones de los mismos. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 4/35

5 Competencia en acceso inalámbrico de banda ancha Posicionamiento4de4Tecnologías4Inalámbricas Movilidad L4Rango Alta4velocidad Fija Caminata Vehículo Vehicular Rural Vehicular Urbano Pedestre Nomádico Fijo4Urbano Interiores Area4Personal GSM GPRS DECT Bluetooth EDGE (Wx Flash6OFDM UMTS x Sistemas4CG4>)(x( HSDPA IEEE U()Wxje WLAN RIEEE4U()WxxxB IEEE U()Wxjd WiMAX4para4DSL4 inalámbrico con4 movilidad4limitada Bitrate x( x(( Mbps FuenteO4SIEMENS4SkyMAX Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 5/35

6 WiMAX frente a WiFi WiMAX íredídeíáreaíextensaí(man,íwan) íentornoíruralíyíurbano ícalidadesídeíservicio ívoz,ívídeoíyídatos WiFi íredídeíáreaílocalí(lan) ícoberturaílimitada íinternetíyídatos Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 6/35

7 Funcionamiento de la red WiMAX NLOS (Non Line Of Sight). Frecuencias más bajas (2 11 GHz). Señal no interrumpida por objetos. LOS (Line Of Sight). Línea más estable y robusta. Mayor cantidad de datos con tasa de error baja. Frecuencias más altas. Menos interferencia. Ancho de banda mayor. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 7/35

8 Evolución I IEEE Accesos fijos LOS AccesoIfijo eniexteriores Backhaul IEEE Accesos fijos móviles (NLOS) AccesoIfijo eniinteriores AccesoInómada MovilidadIreducida Redes y servicios móviles IEEE e-2005 Accesos fijos y móviles Fuente:ITecnologíasIdeIbandaIancha yiconvergenciaideiredes MinisterioIdeIIndustria, TurismoIyIcomercio Redes IEEE / WiMAX 8/35

9 Evolución II - Características IEEEofT/M3K,/TT3 IEEEofT/M3K,/TTQ IEEEofT/M3Ke,/TTP Fechaodeopublicación Diciembreo/TT3 Octubreo/TTQ Diciembreo/TTP Bandaodeooperación 3T,KKoGHz /,33oGHz /,KGHz Visiónodirecta Sío(LOSL Noo(NLOSL Noo(NLOSL Anchoodeobanda poro canal Tasasodeobit Modulación /TAo/PAo/foMHz 7/,37QMbitys (canalesodeo/fmhzl Variableoentre 3MPMHz yo/tomhz HastaovTMbitys (canalesodeo/tmhzl Variableoentreo 3MPMHz yo/tomhz Hastao3PMbitys (canalesodeopmhzl QPSK OFDMo/PK OFDMo/PK 3KQAM OFDMAo/TQf OFDMAo/TQf KQQAM QPSKy3KQAMyKQQAM QPSKy3KQAMyKQQAM Movilidad Accesoofijo Accesoofijooooportable Accesoomóvil Radioodeocélulaotípico 3MP,PKm P,fKmo(máxMoPTKmL 3MP,PKm Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 9/35

10 Evolución III - IEEE m Conocida como WiMAX 2 o WiMAX Release 2. En octubre de 2009, IEEE la propone como candidata para tecnología estándar 4G. En octubre de 2010 la ITU aceptó la propuesta. Los sistemas basados en IEEE m ya han demostrado ser capaces de proporcionar rendimientos máximos por encima de 300 Mbps con un simple espectro de 20 MHz. Publicación del estándar en mayo de Proporciona los siguientes caudales: 100 Mbps en movilidad. Hasta 1Gbps para accesos fijos. Es un estándar abierto, por lo que resulta barato de implementar para los fabricantes de dispositivos. Compite con LTE. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 10/35

11 Bandas de operación Con licencia. 3,5 GHz (banda LMDS. Licencias en marzo de 2000) 3400 MHz 3420 MHz 3440 MHz 3460 MHz 3480 MHz 3500 MHz 3520 MHz 3540 MHz 3560 MHz 3580 MHz 3600 MHz A B C D A B C D Bloque A: Clearwire España. Bloque B: Neo-Sky. Bloque C: Iberbanda (cobertura en Asturias). Bloque D: ONO. 2,5 GHz. En España está en estudio su utilización para sistemas móviles de banda ancha (WiMAX Mobile, LTE). Sin licencia. 2,4 GHz. Muchas interferencias por el gran número de dispositivos que la usan (IEEE b/g, Bluetooth, etc.). 5 GHz. Pérdidas de propagación más elevadas pero menos interferencias. Posibles problemas legales impredecibles. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 11/35

12 Topología Red inalámbrica metropolitana. Base Station SOHO customer Residential customer Multi-tenant customers Core network Source: Nokia Networks Base Station Repeater SME customer Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 12/35

13 Modos de operación I Punto a multipunto (PMP): tráfico entre las estaciones base (BS) y las estaciones de abonado (SS). Repetidor Core network Estación base Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 13/35

14 Modos de operación II Red mallada (mesh): tráfico entre las estaciones de abonado directamente. Mesh SS Mesh SS Mesh SS Mesh BS Mesh SS Mesh BS Mesh SS Core network Estación base BS: Base Station SS: Subscriber Station Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 14/35

15 Arquitectura de protocolos I RedesGATM RedesGdeGpaquetesGREthernetVGVLANVGIPT EntidadesGdeGGestión CS SAP ServiceLSpecific ConvergenceGSublayer MAC SAP CommonGPartGSublayer RMACGCPST SecurityGSublayer PHY SAP MAC 802N16 PhysicalGSublayer CapaGfísica PlanoGdeGcontrolGyGdeGdatos Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 15/35

16 Arquitectura de protocolos II - subcapas de MAC Service-Specific Convergence Sublayer (CS): Clasificación de paquetes: clasifica paquetes de capas superiores con una QoS determinada. Supresión de información redundante de las cabeceras. Common Part Sublayer (CPS): PDU operation: formar MPDU y ráfagas para la capa física. Connection Management: crear y mantener conexiones. QoS Scheduling: planificar recursos del medio inalámbrico y proporcionar diferenciación mediante QoS. Airlink Control: adaptar canales inalámbricos a los errores en la transmisión. Network Entry: Asociar SS con BS al entrar y salir de la red. Mobility Management: Gestionar el traspaso de las SS cuando están en itinerancia. Power Management: Apagar equipos móviles para mejorar la eficiencia energética. Multicast and Broadcast Service (MBS): Soportar multicast y broadcast. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 16/35

17 Formato de la PDU MAC I Consta de una cabecera obligatoria y de una carga y CRC opcionales. Hay dos tipos: Generic MAC Header (GMH). Generic)MAC)Header A6)bytes) Payload)Aoptional) A0)to)2041)bytes) CRC)Aoptional) A4)bytes) Bits HT EC Type Rsv CI EKS Rsv LEN CID HCS Bandwidth Request Header (BRH). Bandwidth request header (6 bytes) Bits HT EC Type Bandwidth request CID HCS Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 17/35

18 Formato de la PDU MAC II - GMH Header Type (HT): Un único bit de valor 0. Encryption Control (EC): Carga cifrada (1) o no (0). Type: Indica el tipo de contenido de la PDU. Reserved (Rsv): Campos reservados (00). CRC Indicator (CI): La PDU lleva CRC (1) o no (0). Encryption Key Sequence (EKS): Sólo aplicable si EC=1. Length (LEN): Longitud de la PDU, incluida la cabecera y el CRC (si existe). Connection IDentifier (CID): Representa el identificador de la conexión del usuario. Header Check Sequence (HCS): Se usa para detectar errores en la cabecera. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 18/35

19 Formato de la PDU MAC III - BRH Header Type (HT): Un único bit de valor 1. Encryption Control (EC): Un único bit de valor 0, que indica no cifrado. Type: Indica el tipo de BRH. Puede tener dos valores: 000 para solicitud de ancho de banda incremental y 001 para solicitud de ancho de banda agregada. Bandwidth request (BR): Número de bytes solicitados. Connection IDentifier (CID): Identificador de la conexión para la que se solicita ancho de banda en el enlace ascendente. Header Check Sequence (HCS): Se usa para detectar errores en la cabecera. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 19/35

20 Servicios de la PDU MAC La subcapa CPS proporciona los siguientes servicios: Fragmentación y empaquetado de MAC SDU en MAC PDU. Fragmentation Subheader (FRAG SHR). Packing Subheader (PACK SHR). Concatenación de PDU de la capa MAC en SDU de la capa física. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 20/35

21 Soporte de QoS I Asignación eficiente de los recursos disponibles para cumplir los requisitos de QoS de cada conexión/servicio. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 21/35

22 Soporte de QoS II La planificación de prioridades está determinada por un conjunto de parámetros de QoS. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 22/35

23 Capa física I Modulación OFDM de 256 subportadoras. De ellas se usan 200 para datos (192) y pilotos (8). Modulaciones BPSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM. Codificación FEC concatenada con códigos Reed-Solomon y convolucionales. La utilización de turbocódigos es opcional. Incluye diversidad en transmisión (STC: Space-Time Coding) y sistemas de antenas adaptativas (AAS: Adaptive Antenna System) como opcionales. Soporta el modo MESH. Permite el uso de subcanalización en el UL: Un usuario no transmite en todas las portadoras, sino en un subconjunto de ellas. IEEE contempla diferentes anchos de canal (1,75, 3,5,..., 20 MHz) y dos posibilidades de multiplexado (FDD y TDD). Para asegurar la interoperabilidad de los equipos el WiMAX Forum define «perfiles» que son subconjuntos de posibles combinaciones. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 23/35

24 Capa física II - Acceso múltiple OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access. Asignación ortogonal para acceso múltiple. Reduce las interferencias. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 24/35

25 Capa física III Permite trabajar con uno o más canales de 1,5 MHz. En Europa 1,75 MHz. Adaptación a las necesidades particulares del tráfico. Las tasas de bit ofrecidas dependen del ancho del canal y de la tasa de codificación: Con 20 MHz de ancho de banda: Hasta 100 Mbps en bajada. Hasta 30 Mbps en subida. Con 10 MHz de ancho de banda: Hasta 63 Mbps en bajada. Hasta 20 Mbps en subida. En la práctica se obtienen tasas binarias menores, porque la eficiencia disminuye con la distancia. Bandas de operación por debajo de 6 GHz: Despliegues comerciales 2,3-2,5-3,5 GHz En España, el CNAF especifica: Banda licenciada: 3,5 GHz Banda libre: 5,4 GHz (exige estudios espectrales) Servicios de emergencias 4,9 GHz Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 25/35

26 Capa física IV - Control del enlace radio Modulación adaptativa. Selección del esquema de modulación y codificación. Basado en la calidad del enlace. Modulaciones QPSK, 16QAM, 64QAM. 64QAM 2/ Mbps 16QAM 1/ Mbps QPSK 1/ Mbps Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 26/35

27 Capa física V - Cobertura I Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 27/35

28 Capa física VI - Cobertura II Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 28/35

29 Modelo de referencia de red (NRM) I Usuario NAP Proveedor de red de acceso NSP Proveedor de servicio de red R2 ASN (Access Service Network) Home-CSN (Connectivity Service Network) SS-/-MS Subscriber Station / Mobile Station MIP Client R1 BS BS BS R6 R6 R6 ASN Gateway Auth MIP-FA PMIP Client R3 H-AAA MIP-HA Internet-o-ASP (Application Service Provider) Otro ASN ASN Gateway Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 29/35

30 Modelo de referencia de red (NRM) II Objetivo: Provisión de servicios de acceso a Internet con soporte de movilidad. WiMAX Forum define NRM. Arquitectura de red WiMAX basada en IP. Soporta a usuarios fijos, nómadas y móviles. La red se divide en tres partes. Terminales (MS). Red de acceso (ASN). Estaciones base (BS) y pasarela (ASNG). Red de conectividad (CSN). Elementos de conmutación y control. Conectividad IP hacia otras redes. Asignación de direcciones IP, autenticación, localización, movilidad, gestión de QoS,... Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 30/35

31 Servicios y prestaciones Servicios. Acceso a Internet de alta velocidad. Voz (VoIP). Transmisión de datos. Conectividad a Internet para redes Wifi / GSM / GPRS/ UMTS. Prestaciones. Gran ancho de banda hasta 70 Mbps por usuario y hasta 420 Mbps por estación base. Rápido despliegue (hasta 50 Km de cobertura). Fácil instalación Garantía de calidad de servicio Prestación de servicios WiMAX en frecuencias de uso exclusivo Alta eficiencia en el uso del espectro y estabilidad. Transmisión simultánea de voz, datos y vídeo. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 31/35

32 Tasas binarias Tipozdezmodulación Tasaszbinarias QPSK 16QAM 64QAM WiMAX Tasazdez Tasazdez Tasazdez Unidades MbitXs codificación codificación codificación 1X2 3X4 1X2 3X4 2X3 3X4 Ancho dezcanal 1W75MHz 1W04 2W18 2W91 4W36 5W94 6W55 3W5MHz 2W08 4W37 5W82 8W73 11W88 13W09 5MHz 4W16 6W28 8W32 12W48 16W63 18W70 7MHz 4W15 8W73 11W64 17W45 23W75 26W18 10MHz 8W31 12W47 16W63 24W94 33W25 37W40 20MHz 16W62 24W94 33W25 49W87 66W49 74W81 Dependenzdezanchozdezbandazdelzcanalzyzdelztipozdezmodulación Tasaszbinariaszenzcondicioneszóptimaszdezpropagación Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 32/35

33 Prestaciones: Alcance-Tasa Radios de cobertura típicos: Entornos urbanos. 1-3 Km. Alta densidad de usuarios. Entornos rurales Km. Baja densidad de usuarios. km Enlace WiMAX fijo Banda 3z5 GHz Ancho de canal 3z5 MHz Mbiths LOS NLOS Rural NLOS Urbano Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 33/35

34 Servicios Telefonía. WiMAX adecuada para este servicio. Mecanismos para garantizar requisitos de retardos: Clases de servicio UGS, rtps, ertps Acceso a Internet. Acceso de banda ancha en zonas sin otra cobertura. Videostreaming factible si no hay muchos usuarios. Juegos en red también factible gracias a la baja latencia. Descargas P2P. Consumo de recursos elevado en DL y UL. Problemas de escalabilidad a los operadores. Mecanismos de regulación de tráfico. Distribución de TV. Calidad SDTV (Standard Definition Television). Tasa de 2-5 Mbps por canal. Número elevado de canales consumen gran ancho de banda. Tecnología no adecuada para distribución de TV estándar. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 34/35

35 Madurez de la tecnología y del mercado Primer laboratorio de certificación de equipos WiMAX. Cetecom Labs, Málaga. Julio de WiMAX Forum. 73 productos certificados de 28 fabricantes (2008). Fabricantes de productos certificados. Motorola, Huawei, NEC, Alvarion, Alcatel-Lucent, Siemens,... Primeras redes WiMAX fijas. Despliegues en Primer despliegue comercial. Servicio WiBro de Korea Telecom (2007). Modem USB para ordenadores portátiles. España. Oferta de servicios WiMAX fijo (Operador Iberbanda). Pruebas piloto de WiMAX móvil. Redes y servicios móviles Redes IEEE / WiMAX 35/35