SIMULADOR DE NIVEL MAC Y COMPARATIVA DE MECANISMOS

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN PROYECTO FIN DE CARRERA SIMULADOR DE NIVEL MAC Y COMPARATIVA DE MECANISMOS DE ARQ EN EL ESTÁNDAR IEEE AUTOR: Gonzalo Malpartida Martínez-Darve TUTOR: Germán Madinabeitia Luque DEPARTAMENTO: Ingeniería de Sistemas y Automática, Área de Ingeniería Telemática

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3 Introducción El Proyecto Fin de Carrera Simulador de nivel MAC y comparativa de mecanismos de nace como propuesta del Prof. Ing. Fabio Graziosi del Laboratorio di Telecomunicazioni de la Facoltá di Ingegneria di L Aquila, Italia, durante la estancia del autor con una beca Erasmus. La idea primera de este Proyecto era el desarrollo de un simulador de nivel MAC que conectase con otro simulador de nivel PHY correspondiente a otro proyecto del mismo departamento que a su vez hiciese uso de un modelo de canal desarrollado como Proyecto Fin de Carrera por otros alumnos de esa Facoltà, correspondiente al estudio de cobertura radio en el interior de túneles. El conjunto de esta serie de proyectos junto con otros posteriores está encaminado a la construcción de un simulador de comunicaciones de un sistema WiMAX que diera servicio a los trenes en un ámbito ferroviario metropolitano. De acuerdo con el Dr. Ing. D. Germán Madinabeitia Luque y siguiendo esas directrices se ha procedido a la elaboración de este Proyecto Fin de Carrera, si bien, al no realizarse el mencionado simulador de nivel PHY, se ha optado por conectar el nivel MAC a un simulador de nivel físico y canal proporcionado por el mismo Laboratorio di Telecomunicazioni de la Facoltà di Ingegneria di L Aquila y realizado en el Politecnico di Milano. El trabajo realizado ha consistido en la implementación de un simulador de nivel MAC formado por un bloque transmisor y un bloque receptor. Ambos I

4 bloques intercambian tramas haciendo uso del conjunto formado por el nivel físico y el canal antes mencionado, al cual se le han debido realizar algunas modificaciones. En el Capítulo 1. se introduce el estándar IEEE dando una breve descripción de su estructura y posibles aplicaciones. El Capítulo 2. describe brevemente el nivel PHY del estándar IEEE comentando detalles de las distintas especificaciones. El Capítulo 3. ocupa el nivel MAC, en este capítulo se describen las subcapas que lo forman, y se profundiza en aspectos del funcionamiento de la Subcapa de Parte Común MAC, principalmente la construcción y transmisión de MAC PDUs y el mecanismo de ARQ. El Capítulo 4. corresponde al Simulador realizado. En primer lugar se aborda el simulador de nivel MAC implementado, donde, para transmisor y receptor, se comenta su funcionamiento y las funciones desarrolladas. En segundo lugar se describe el simulador de nivel físico y canal empleado detallándose las modificaciones necesarias para su adaptación. En el Capítulo 5. se explican las simulaciones realizas, se comentan los resultados y se realiza la comparación entre los cuatro mecanismos de ARQ, comprobando que el simulador realizado se comporta adecuadamente, dando resultados coherentes con el funcionamiento esperado. Por último, en el Capítulo 6. se procede a las conclusiones y se comenta el posible desarrollo futuro. II

5 Índice de Contenidos INTRODUCCIÓN... I ÍNDICE DE CONTENIDOS... III ÍNDICE DE FIGURAS... VI ÍNDICE DE TABLAS... IX ABREVIATURAS Y ACRÓNIMOS... X CAPÍTULO 1. EL ESTÁNDAR IEEE STD Interoperabilidad entre WiMAX y Wi-Fi La torre de protocolos... 8 CAPÍTULO 2. CAPA PHY WirelessMAN-SC WirelessMAN-SCa WirelessMAN-OFDM Estructuras de trama WirelessMAN-OFDMA Definición de vocablos básicos OFDMA Estructuras de trama Codificación de canal WirelessHUMAN Canalización III

6 2.5.2 Máscara espectral de transmisión CAPÍTULO 3. CAPA MAC Subcapa de Convergencia de Servicio Específico ATM CS Packet CS Subcapa de Parte Común MAC Plano de datos/control Direccionamiento y conexiones Formatos de MAC PDU Construcción y transmisión de MAC PDUs Mecanismo de ARQ Servicios de planificación Entrada a la red e inicialización Ranging QoS Subcapa de Seguridad Arquitectura CAPÍTULO 4. SIMULADOR Nivel MAC Transmisor: mactx.exe TXheader.h TXmain.cpp TXfuns.cpp TXcs.cpp TXmac_cps.cpp TXbuild_mpdu.cpp TXbuild_arq_mpdu.cpp TXcrc.cpp TXarq.cpp Receptor: macrx.exe RXheader.h RXmain.cpp RXfuns.cpp RXcs.cpp RXmac_cps.cpp RXreceive_mpdu.cpp RXreceive_arq_mpdu.cpp RXcrc.cpp RXarq.cpp Nivel físico Transmisor PHY Canal IV

7 4.2.3 Receptor PHY CAPÍTULO 5. SIMULACIONES ARQ_BLOCK_SIZE = 64B, RateID variable RateID RateID RateID RateID RateID RateID RateID ARQ_BLOCK_SIZE variable, RateID CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES Y DESARROLLO FUTURO BIBLIOGRAFÍA V

8 Índice de figuras Figura 1. Ámbitos de aplicación... 3 Figura 2. Ejemplo de red WiMAX... 3 Figura 3. Diferentes usos de Figura 4. Aplicación de en escenarios de movilidad... 4 Figura 5. Familia de estándares IEEE Figura 6. Interoperabilidad / Figura 7. Torre de protocolo... 8 Figura 8. Ejemplo de asignación de ancho de banda en FDD en WirelessMAN-SC Figura 9. Estructura de subtrama de bajada FDD en WirelessMAN-SC Figura 10. Estructura de trama TDD en WirelessMAN-SC Figura 11. Estructura de subtrama de bajada TDD en WirelessMAN-SC Figura 12. Estructura de subtrama de subida WirelessMAN-SC Figura 13. Formato de trama FDD en WirelessMAN-SCa Figura 14. Formato de trama TDD en WirelessMAN-SCa Figura 15. Estructura temporal de un símbolo OFDM Figura 16. Símbolo OFDM en frecuencia Figura 17. Randomizer Figura 18. Constelaciones BPSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM Figura 19. Estructura de trama OFDM TDD Figura 20. Estructura de trama OFDM FDD Figura 21. Estructura de trama Mesh Figura 22. Estructura temporal de un símbolo OFDMA Figura 23. Descripción frecuencial OFDMA VI

9 Figura 24. Ejemplo de región de datos OFDMA Figura 25. Ejemplo de trama TDD OFDMA Figura 26. Trama OFDMA con múltiples zonas Figura 27. Canalización de 20 MHz Figura 28. Máscara espectral de transmisión WirelessHUMAN Figura 29. ATM CS PDU Figura 30. CS PDU para una conexión ATM VP-conmutada Figura 31. CS PDU para una conexión ATM VC-conmutada Figura 32. MAC SDU Figura 33. PHS con enmascarado Figura 34. Formato de MAC PDU Figura 35. Formato de cabecera MAC genérica Figura 36. Construcción de MAC PDUs Figura 37. Empaquetado de MAC SDUs en una MAC PDU Figura 38. Empaquetado y fragmentación de SDUs de longitud variable Figura 39. MAC PDU con subcabecera de Fragmentación extendida Figura 40. MAC PDU con subcabecera de Empaquetado ARQ Figura 41. Ejemplo de uso de bloques ARQ Figura 42. Selective ACK Map Figura 43. Cumulative ACK Figura 44. Cumulative with Selective ACK Map Figura 45. Cumulative ACK with Block Sequence Figura 46. Estados de transmisión de los bloques ARQ Figura 47. Recepción de un bloque ARQ Figura 48. Inicialización de una SS Figura 49. Umbrales de CINR Figura 50. Subcapa de seguridad Figura 51. Diagrama de bloques del simulador Figura 52. BER para canal AWGN Figura 53. Tramas válidas/total - ACK Type Figura 54. Tramas válidas/total - ACK Type Figura 55. Tramas válidas/total - ACK Type Figura 56. Tramas válidas/total - ACK Type Figura 57. Octetos de ACK/Octetos totales RateID VII

10 Figura 58. Bloques repetidos/total RateID Figura 59. Octetos de ACK/Octetos totales RateID Figura 60. Bloques repetidos/total RateID Figura 61. Octetos de ACK/Octetos totales RateID Figura 62. Bloques repetidos/total RateID Figura 63. Octetos de ACK/Octetos totales RateID Figura 64. Bloques repetidos/total RateID Figura 65. Octetos de ACK/Octetos totales RateID Figura 66. Bloques repetidos/total RateID Figura 67. Octetos de ACK/Octetos totales RateID Figura 68. Bloques repetidos/total RateID Figura 69. Octetos de ACK/Octetos totales RateID Figura 70. Bloques repetidos/total RateID Figura 71. Octetos de ACK/Octetos totales ACK Type Figura 72. Octetos de ACK/Octetos totales ACK Type Figura 73. Octetos de ACK/Octetos totales ACK Type Figura 74. Octetos de ACK/Octetos totales ACK Type VIII

11 Índice de Tablas Tabla 1. Comparativa Wi-Fi / WiMAX... 6 Tabla 2. Especificaciones PHY Tabla 3. Especificaciones de la interfaz radio Tabla 4. Codificaciones Rate ID OFDM Tabla 5. Canalizaciones WIrelessHUMAN Tabla 6. Parámetros de la máscara espectral de transmisión Tabla 7. Campos de la cabecera MAC genérica Tabla 8. Codificación del campo Type Tabla 9. Formato de Subcabecera de Fragmentación Tabla 10. Formato de Subcabecera de Empaquetado Tabla 11. Reglas de fragmentación Tabla 12. ARQ Feedback IE IX

12 Abreviaturas y acrónimos ARQ BER BS BSN BWA CID CINR CPS CRC CS DCD DL DSx EC FC FEC FFT FSH FSN HCS IE IFFT IP LLC LOS Automatic Repeat Request Bit Error Rate Base Station Block Sequence Number Broadband Wireless Access Connection Identifier Carrier-to-Interference-and-Noise Ratio Common Part Sublayer Cyclic Redundancy Check Convergence Sublayer Downlink Channel Descriptor Downlink Adición, cambio o borrado de Servicio Dinámico Encryption Control Fragmentation Control Forward Error Correction Fast Fourier Transform Fragmentation Subheader Fragment Sequence Number Header Check Sequence Information Element Inverse Fast Fourier Transform Internet Protocol Logical Link Control Line-Of-Sight X

13 LSB MAC MSB NLOS OFDM PDU PHS PHY PKM PMP PS PSH QoS RS SAP SC SDU SF SFID SNR SS SSID TLV UCD UL WirelessMAN WirelessHUMAN Least Significant Bit (o Byte) Medium Access Control layer Most Significan Bit (o Byte) Non-Line-Of-Sight Orthogonal Frequency Division Multiplexing Protocol Data Unit Payload Header Suppresion Capa Física Privacy Key Management Point-to-Multipoint Physical Slot Packing Subheader Quality of Service Reed-Solomon Service Access Point Single Carrier Service Data Unit Service Flow Service Flow Identifier Signal-to-Noise Ratio Subscriber Station Subscriber Station Identifier Type/Length/Value Uplink Channel Descriptor Uplink Wireless Metropolitan Area Network Wireless High-speed Unlicensed Metropolitan Area Networks XI