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Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas –Módulo WiMAX

David Pubill – Research EngineerCentre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC)

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Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader

Valladolid 28/09/10

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Motivaciones

Plataforma DEMOCLES®

WiMAX – Visión general

WiDE – WiMAX para DEMOCLES®

Capa física Capa MACModelo de referencia Ejemplo de simulación

Conclusiones y trabajo futuro

Índice


Valladolid 28/09/10

Avances en el hardware

Reducción componentes electrónicos

Equipos más pequeños y de menor coste

Dispositivos multi-tecnología

Proliferación redes

heterogéneas

Demostrador en Laboratorio

Simulador híbrido

Motivaciones

Objetivos: Estudiar las redes heterogéneas Estudiar las tecnologías a nivel de sistema

Opción 1

Opción 2

Las tecnologías evolucionan rápidamente – Actualización Tecnologías emergentes – Disponibilidad de equipos comerciales Espacio, condiciones de trabajo, coste de los equipos,… Errores de hardware, interferencias,…

Dynamic rEsource Management fOr advanCed muLtiple carriEr syStem platform

(DEMOCLES®)

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Plataforma DEMOCLES® I

El proyecto DEMOCLES® se inició en el año 2006 (y sigue en marcha) con el objetivode desarrollar una plataforma capaz de simular simultáneamente varios sistemasinalámbricos teniendo en cuenta estas propiedades:

Proporcionar conectividad en cualquier momento y en cualquier lugar(connected anytime and anywhere).

Proporcionar al usuario siempre la mejor conexión posible entre lasdistintas tecnologías (always best connected).

Simular sistemas multiportadora

Modelos de movilidad

Modelos de propagación

(canal)

Evaluación de la SINR

Simulador nivel de enlace (SINR vs BER)

Tráfico

Scheduling

Sistemas compatibles

RRM

Sistema RRM• Control de admisión• Control de congestión• Gestión del control detransmisión• Scheduling

Algoritmos de handover

Diagrama funcional de DEMOCLES®

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RRM(Radio Resource Management)

Plataforma DEMOCLES® II

DEMOCLES®

WIMAX (WiDE)U

MTS

WIF

I AR

Q

OFD

M

OFD

MA

REL

AY

La plataforma DEMOCLES®, a día de hoy, permite simular WIFI, UMTS y WIMAX.La parte de WIMAX es la que se ha desarrollado para este trabajo y ledenominaremos a partir de ahora módulo WiDE (WiMax para DEMOCLES®)

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WiMAX – Visión general

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es un protocolo decomunicaciones de red basado en el estándar IEEE802.16.

El grupo de trabajo IEEE802.16 define las especificaciones de WIMAX refiriéndose a las3 capas más bajas de la pila de protocolos de la OSI:

Capa física (PHY) Capa de control de acceso al medio (MAC) Capa de red

El organismo regulador de WiMAX desde 2001 es el WiMAX Forum, el cual se encargade certificar los equipos WiMAX asegurando la compatibilidad e interoperabilidad entrelos distintos fabricantes.

Algunos estándares del IEEE802.16 que se han tenido en cuenta en WiDE: IEEE802.16-2004 , estándar para los sistemas fijos IEEE802.16-2005 (IEEE802.16e), estándar para los sistemas móviles IEEE802.16j, estándar que introduce las estaciones repetidoras IEEE802.16m, estándar que propone una extensión de WiMAX para alcanzar losrequisitos para los nuevos criterios definidos por el IMT-Advanced (requisitosdefinidos por la ITU):

1 Gbit/s para sistemas fijos 100 Mbit/s para sistemas móviles

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WIDE

• ARQ• Scheduling OFDMA• PUSC• MIESM• Funcionalidades de relay• Modelo detallado OFDMy OFDMA

NIST• Principales funciones de la capa MAC• OFDM para la capa PHY

MIRACLE• Estructura de nodos flexible• Escenarios multi-tecnología• Motor cross-layer• Funcionalidades específicas de capas PHY y MAC

Network Simulator 2 (ns2)• Funcionalidades de scheduling y del núcleo• Protocolos (transporte, enrutamiento,…)• Varias aplicaciones• Varias tecnologías radio

WiDE – WiMAX para DEMOCLES

MIRACLE (Multi-InteRfAce Cross-Layer Extension): Extensión para ns2 que solucionaalgunas de las deficiencias que presenta el propio ns2.

NIST (National Institute of Standards and Technology): Esta extensión supone unabuena solución para la implementación de la capa MAC y, además, está integrada en laplataforma MIRACLE por la Universidad de Karlstad

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Se han implementado 2 niveles de complejidad: BASIC: la simulación de todas las transmisiones se realiza a través de la misma portadora. FULL: se modelan todas las subportadoras de datos. La interferencia y la ganancia de canal se calculan para cada subportadora.

Para modelar el rendimiento del enlace se ha interactuado un simulador de enlace(implementado por el CTTC) con técnicas de LSM (Link to System Mapping). Diagrama debloques del esquema de mapeado:

WiDE – Capa física

Cada canal modelado tiene en cuenta: Fading (o desvanecimientos rápidos) – Modelo Jakes Shadowing (o desvanecimientos lentos) – Modelo Gudmundson Path-loss (o pérdidas de canal) – Modelo Hata

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WiDE – Capa física - Modelos OFDMA

Distancia vs Velocidad de transmisión según el modelo de “propagación en disco”

Distancia vs Velocidad de transmisión según la aproximación LSM.

R

Se define el esquema de señalizaciónPUSC (24 subportadoras de datos y 2reservadas para pruebas piloto).Permite monitorizar la SINR a nivel desubportadora.

Implementados los módulos OFDM y OFDMA en modo TDD

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WiDE – Capa MAC

Se ha implementado un esquema ARQ (Automatic Repeat-reQuest)

Es un esquema híbrido acumulativo y selectivo de retransmisión Un receptor puede reconocer un grupo de bloques adyacentes gracias a losmapas de secuencia Permite la recopilación de toda la información necesaria en el lado del receptorpara retransmitir los bloques (o secuencias de los mismos) que no se hayanrecibido correctamente.

Se han introducido nodos repetidores (RS) que sumados a las estaciones base (BS) ya los equipos de usuario (SS) permiten simular un escenario WIMAX completo. Por lotanto, podemos:

simular una comunicación directamente entre BS y SS simular una comunicación a través de RS

BS

RS

SS

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WiDE – Cuadro resumen

Capa física

Cálculo de SINR para cada paquete detectado por el receptor Modelado de canal forzando errores en función de la SINR, en base a curvas

diseñadas a partir de simulaciones con MATLAB de un enlace físico WiMAX-OFDM MIESM Test 1: OFDM simplificado a 1 subportadora simulada Test 2: OFDM con 256 subportadoras simuladas (según estándar WiMAX fijo) Test 3: OFDMA simplificado a 1 subportadoras simulada Test 4: OFDMA con 30 subcanales PUSC simulados Test 5: OFDMA con 1024 subportadoras simuladas Canal modelado con path-loss, shadowing y fading

Capa MAC

Gestión de mensajes MAC Funcionalidades sobre las estaciones repetidoras Esquema ARQ (feedback y ventana de transmisión) Petición de ancho de banda: modos standalone y piggy-backed Scheduler en la BS (Best Effort) Scheduler en la SS

NSP (Network Service Provider)

Protocolo de negociación (ranging, evaluación de canal y registro) Protocolo de establecimiento de conexión Funcionalidades de handover

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WiDE – Modelo de referencia

IP

RTP / UDP / TCP

Códec de vídeo / VoIP CSN (Connectivity Service Network)

SS NSP

NAPBS_1 BS_N

……

BS WIMAX MAC BS WIMAX MAC

SS WIMAX PHY BS WIMAX PHY BS WIMAX PHY

SS WIMAX MAC

NAP (Network Access Provider) formado por un conjunto de funcionalidades quepermiten gestionar una transmisión con los terminales desde el punto de vista radio.Puede estar formado por una BS o un conjunto de ellas.

NSP (Network Service Provider) es la entidad que gestiona las peticiones entrantes deconexión y negocia los requisitos de servicio (QoS, iniciar comunicación, gestión deconexiones,…)

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WiDE – Ejemplo de simulación I – IPTV

Evalvid es una herramienta que permite evaluar la calidad de un vídeo transmitido através de una red de comunicaciones real o simulada. Permite obtener estadísticas sobrePSNR (Picture Signal to Noise Ratio), pérdidas de paquetes y jitter.

Escenario simulado: Vídeo-streaming en downlink

1. OFDM

2. 802.16 SS MAC

3. Capa de enlace

4. IP/Interfaz

5. IP/Enrutamiento

6. Puerto

7. Vídeo

1. OFDM

2. 802.16 BS MAC

3. Capa de enlace

4. IP/Interfaz

1. N/A

2. Capa MAC

3. Capa de enlace

4. IP/Interfaz

5. IP/Enrutamiento

1. N/A

2. Capa MAC

3. Capa de enlace

4. IP/Interfaz

5. IP/Enrutamiento

6. Puerto

7. Vídeo

Canal inalámbrico Enlace dúplex

Estación Base (Tx)

Terminal (Rx) Nodo recolector (Servidor)

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WiDE – Ejemplo de simulación II - IPTV

Con el fin de obtener estadísticas que permitan caracterizar este escenario se hanintroducido algunos errores en el canal a medida que un usuario se aproxima allímite de la celda de cobertura, de tal manera que algunas ráfagas de datos nolleguen al terminal y provocan la recepción de paquetes fuera de secuencia.

Los errores se aprecian por el pixelado y el desdoblamiento de imagen

Vídeo transmitido (referencia) Vídeo recibido con errores

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WiDE – Ejemplo de simulación III - IPTV

Se muestra el número de paquetes recibidosfuera de secuencia en función del tiempo derecepción del vídeo.

Se muestra la PSNR en el transmisor (líneadiscontinua) y en el receptor (líneacontinua) en función del tiempo derecepción del vídeo. El vídeo transmitido sedegrada debido a la codificación en eltransmisor, mientras que se puede apreciarclaramente en la curva del receptor lasdegradaciones debidas a los erroresocurridos durante la transmisión entre lossegundos 3 y 6 donde el nivel de PSNR bajadebido a un incremento considerable de lospaquetes perdidos.

Este ejemplo también podría simular unadegradación de la señal WiMAX debido ainterferencias, ya que un aumento de lasseñales interferentes provoca una disminuciónde la SINR que, a su vez, provoca que el receptorno reciba correctamente los paquetes.

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Conclusiones – Trabajo futuro

Se ha presentado el módulo WiMAX para DEMOCLES® (WiDE) que incluye las técnicasde transmisión OFDM y OFDMA para simular WiMAX fijo y móvil, respectivamente.

Se ha modelado la capa física teniendo en cuenta las interferencias y el fenómenode la propagación y manteniendo una complejidad computacional relativamentebaja.

Se han introducido la funcionalidades propias de las estaciones repetidoras parapoder simular escenarios lo más realistas posibles, desde arquitecturas punto apunto/multipunto o topologías malladas (o mesh).

Esta plataforma es completamente escalable. Por lo tanto, puede adaptarse confacilidad para estudiar nuevas tecnologías radio que precisen de escenarios deinvestigación muy concretos.

Trabajo futuro

Actualizar el simulador WiDE con futuras actualizaciones de la tecnología deacuerdo a los avances del grupo de trabajo del IEEE 802.16.

Ampliar DEMOCLES® con nuevas tecnologías emergentes como, por ejemplo, LongTerm Evolution (LTE).

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www.eusipco2011.org

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¡Muchas gracias por su atención!

David Pubill [email protected]

CTTC

mailto:[email protected]

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