LezioneWiMAX

WiMAX Wireless Technology
Worldwide Interoperability
for Microwave ACCess
Donatella Ermini
[email protected]
Sommario
 Introduzione al WiMAX
 Lo Standard IEEE 802.16
 A chi serve WiMAX ?
 Quali servizi offre WiMAX ?
 WiMAX nel panorama delle reti wireless
 Tecnologie di rete a confronto
 Situazione in Italia: Gara WiMAX
Introduzione al WiMAX
 WiMAX vs IEEE 802.16
 Versioni della tecnologia WiMAX
 Broadband Wireless Access (BWA)
 Metropolitan Area Network (MAN)
 Raggio di copertura
 Velocità di trasmissione
 Digital Divide
 Ultimo Miglio
WiMAX vs IEEE 802.16
WiMAX è l’acronimo di “Worldwide Interoperability for Microwave ACCess “ .
Il termine WiMAX rappresenta “un marchio di certificazione”, definito dal
“WiMAX Forum” (un consorzio formato da più di 420 aziende, tra cui Intel,
Accenture, Ericsson, Google, Microsoft, Sony, Telecom Italia, etc..), con
l’obiettivo di verificare, testare e certificare, che i prodotti WiMAX siano
conformi allo “Standard IEEE 802.16” e che rispettino i requisiti dei “profili”
fissati dal Forum, come quello dell’“interoperabilità” dei dispositivi WiMAX.
Due dispositivi“IEEE 802.16” possono essere conformi allo
Standard, ma non essere “WiMAX certified”, perchè ad esempio,
non sono interoperabili.
Il termine “IEEE 802.16” definisce la “standardizzazione” della tecnologia,
mentre il termine “WiMAX” definisce la “commercializzazione e certificazione”
dei dispositivi WiMAX prodotti dalle aziende.
Il Gruppo di lavoro numero 16 dell’IEEE 802 si è formato nel 1999, con l’obiettivo di:
 definire e standardizzare l’ “INTERFACCIA ARIA” tra la “Stazione Base”
(BS: Base Station) e la “Stazione Utente” (SB: Subscriber Station) per
l’accesso ai sistemi wireless a “banda larga” (BWA: Broadband Wireless
Access) con estensione “metropolitana” (MAN: Metropolitan Area Network),
fissi, nomadici e mobili, di tipo PMP (Point-to-Multipoint) e MPM (Multipoint-toMultipoint) o Mesh.
Nel corso degli anni seguenti si sono avuti vari rilasci ed estensioni dello “Standard
802.16”, a seguito dei miglioramenti tecnici apportati principalmente ai Livelli
“Fisico” e “MAC” (Medium Access Control) della Pila Protocollare TCP/IP. Fino ad
arrivare alla definizione di due Standard principali, che individuano le due tipologie
fondamentali della tecnologia WiMAX:
 Nell’Ottobre 2004 è stato approvato l’emendamento 802.16d o 802.16-2004,
per i sistemi “fissi e nomadici” , nelle topologie PMP e MPM;
 Nell’Ottobre 2005 è stato approvato l’emendamento 802.16e o 802.16e-2005,
noto con il nome di “Mobile WiMAX”, che aggiunge componenti per la “mobilità”
come ad esempio, la gestione dell’handoff e del risparmio energetico.
IEEE 802.16
Dicembre 2001
IEEE 802.16a
Gennaio 2003
IEEE 802.16d
Ottobre 2004
IEEE 802.16e
Ottobre 2005
• Interfaccia aria per l’accesso fisso a banda
larga compresa tra 11 e 66GHz
• Solo Line-Of-Sight
• Solo topologia Point-to-Multipoint (PMP)
• Aggiunta banda compresa tra 2 e 11GHz
• Aggiunte trasmissioni Non-Line-Of-Sight
• Aggiunta topologia PMP o Mesh
• Aggiunta possibilità per il MAC di
supportare specifiche fisiche diverse
• Interfaccia aria per l’accesso “fisso e
nomadico” a banda larga PMP e MPM tra 2 e
66GHz (è la sintesi tra l’802.16-2001 e
l’802.16-2003)
• Interfaccia aria per l’accesso “mobile”, a
banda larga PMP, per le bande licenziate
comprese tra 2 e 6GHz anche a velocità
veicolari.
Figura 1: Evoluzione dello Standard IEEE 802.16
Versioni della tecnologia WiMAX
Attualmente esistono due versioni di WiMAX, che si propongono, sia come
“alternativa” che come “complemento” alle attuali tecnologie di rete presenti
sul mercato (DSL, WiFi, UMTS, etc..) :
 il WiMAX fisso e nomadico (IEEE 802.16d-2004), che può rimpiazzare,
ma anche integrarsi, sia con le linee fisse a banda larga di tipo DSL
(Digital Subscriber Line), che con quelle wireless LAN (Local Area
Network) di tipo WiFi (Wireless Fidelity).
 il WiMAX Mobile (IEEE 802.16e-2005), che è in grado di sostituirsi
alle tecnologie mobili di terza generazione (3G:3rd Generation), come
l’UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).
Broadband Wireless Access (BWA)
WiMAX è una tecnologia BWA, in quanto consente l’accesso a reti di
telecomunicazioni senza fili a “banda larga”, cioè in grado di raggiungere
velocità di trasmissione dei dati elevate (dell’ordine di Mbit/s) su lunghe
distanze (dell’ordine di diversi Km). Tale tecnologia è particolarmente adatta
per l’accesso ad Internet ad alta mobilità (es. servizi VoIP, IPTV) e per la
trasmissione di servizi multimediali (es. streaming audio e video) e real-time
(es. videoconferenza, videoemergenza).
Metropolitan Area Network (MAN)
WiMAX è una tecnologia ad estensione “metropolitana”, in quanto il suo raggio
d’azione è in grado di coprire un’intera città .
Raggio di Copertura
 In un sistema “WiMAX fisso e nomadico”, una tipica “Base Station” può
riuscire a coprire una vasta area di servizio, fino a 50Km di raggio in condizioni
di visibilità diretta (LOS: Line Of Sight) tra la BS e la SS. In realtà, le
sperimentazioni fin’ora effettuate parlano di una distanza intorno ai 20Km.
 In un sistema “Mobile WiMAX”, una tipica “Base Station” riesce a coprire
una vasta area di servizio, che può arrivare fino a 5-7Km di raggio.
Velocità di trasmissione
 In un sistema “WiMAX fisso e nomadico”, si possono raggiungere velocità di
trasmissione dati in condivisione fino a 70Mbps, in condizioni di “Line-of-Sight”
(LOS) e con un’ampiezza di banda di 20MHz. Ad esempio, WiMAX sarebbe in
grado di supportare simultaneamente almeno 40 connessioni di tipo “business” con
connettività da 1,5Mbps e 70 connessioni di tipo “home” con connettività da
1Mbps. In realtà, le sperimentazioni fin’ora effettuate hanno evidenziato un “data
rate” di 10Mbps.
 In un sistema “Mobile WiMAX”, si possono raggiungere velocità di trasmissione
dati fino a 63 Mbps in downlink e 28 Mbps in uplink e con un’ampiezza di banda di
10 MHz, in condizioni di velocità veicolari della SS fino a 122Km/h. In realtà, le
sperimentazioni fin’ora effettuate hanno evidenziato un “data rate” di 1Mbps per
dispositivi in movimento ad una velocità di 70Km/h.
Digital Divide
WiMAX, grazie alle sue prestazioni in termini di raggio d’azione (circa 50Km)
e di velocità di trasmissione (circa 70Mbps), riuscirebbe a servire a banda
larga anche utenti che si trovano in aree disagiate, non facilmente
raggiungibili con il cavo o con le antenne wireless o non economicamente
convenienti, risolvendo, in modo veloce ed economico, il problema del “Digital
Divide”.
Ultimo Miglio
WiMAX può fornire un’alternativa ai collegamenti cablati xDSL (Digital
Subscriber Line) e WiFi (WIreless FIdelity) nelle le trasmissioni dell’“ultimo
miglio”.
Modello di riferimento dello Standard
IEEE 802.16
 Modello ISO/OSI
 Il Livello PHY :
 Canali Trasmissivi
 Tecniche di Multiplexing
 Tecniche di Trasmissione
 Frequenze Trasmissive
 NLOS (Non Line-Of-Sigth)
 Il Livello MAC :
 Sottolivelli MAC
 Topologie di Rete
 QoS (Quality Of Service)
 Scheduling
 Handover (o Handoff)
Modello ISO/OSI
Lo Standard IEEE 802.16 va ad occupare i livelli MAC e PHY della pila protocollare
ISO/OSI, definendo l’interfaccia aria tra la Base Station e la Subscriber Station.
Il livello MAC è responsabile di stabilire e mantenere le
connessioni tra la BS e la SS, occupandosi della gestione degli
accessi multipli sul canale di UL, dello scheduling, della
sicurezza, della mobilità, etc...
Il livello PHY è responsabile di realizzare le trasmissioni fisiche
dei dati sui canali di DL (Downlink) ed UL (Uplink), occupandosi
della modulazione del segnale, della gestione delle frequenze e
della potenza di trasmissione, etc...
Figura 2: Pila Protocollare ISO/OSI
Il Livello Fisico
Il livello PHY è responsabile di realizzare le trasmissioni fisiche dei dati sui canali di
DL (Downlink) ed UL (Uplink), occupandosi della modulazione del segnale, della gestione
delle frequenze e della potenza di trasmissione, etc...
 Canali Trasmissivi :
Le trasnissioni di dati tra la BS e la SS hanno due direzioni:
 in downlink, dalla BS alla SS; il canale di downlink
(DL) è definito come la direzione del flusso dei dati
dalla BS verso le SS, è un canale di broadcast, sul
quale trasmette soltanto la BS;
 in unplink, dalla SS alla BS; il canale di uplink (UL)
è definito come la direzione del flusso dei dati dalla
SS verso la BS, è un canale condiviso fra tutte le SS,
che devono competere per accedervi.
Figura 3: Canali trasmissivi
Lo Standard non prevede un’ampiezza di banda prefissata per i canali in DL ed UL,
che può essere decisa quindi, dai fornitori dei servizi, rispettando i seguenti vincoli:
 l’ampiezza del canale deve essere un multiplo intero di 1.25MHz, 1.5MHz o
1.75MHz;
 l’ampiezza massima di un canale è di 28MHz.
 Tecniche di Multiplexing :
Meccanismo attraverso il quale la capacità del collegamento radio (la banda di
frequenza) viene condivisa tra due canali trasmissivi, quello di DL e quello di UL.
Lo Standard IEEE 802.16 prevede due modalità di duplexing:
 Frequency Division Duplexing (FDD), che utilizza due bande diverse, separate
da 50-100MHz, per le trasmissioni in DL e per quelle in UL, che quindi, possono
avvenire contemporaneamente
 Time Division Duplexing (TDD), che utilizza tutta la banda disponibile per le
trasmissioni in DL e per quelle in UL, che quindi, devono avvenire in tempi diversi.
Figura 4: Tecniche di duplexing
La tecnica TDD viene preferita a quella FDD, in quanto offre maggiore flessibilità
nell’assegnamento dell’ampiezza di banda all’uno o all’altro flusso, a seconda delle
condizioni del traffico. L’utilizzo di una tale tecnica però, richiede anche una
sincronizzazione periodica tra chi trasmette e chi riceve.
 Tecniche di Modulazione :
Lo Standard IEEE 802.16 prevede due tecniche di trasmissione dei dati, a
seconda del numero di “portanti” modulate e trasmesse simultaneamente
sul mezzo trasmissivo: “single carrier” o “multiple carrier”.
La modulazione è necessaria per trasmettere dati digitali su un mezzo
trasmissivo che trasporta onde elettromagnetiche.
WiMAX utilizza una “modulazione digitale”, il cui principio è quello di
modulare un segnale analogico (detto “portante” ) con un“segnale digitale”,
con l’obiettivo di trasportare tale segnale digitale sullo spettro delle
microonde.
Figura 5: Modulazione digitale
Lo Standard IEEE 802.16 definisce due tecniche di trasmissione del segnale:
 a portante singola o (single-carrier) , in cui viene trasmessa una sola portante
modulata con il segnale generato da un solo utente sull’intera banda disponibile,
all’interno di uno stesso TS:
Figura 6: Tecnica di trasmissione del segnale “Single Carrier”.
 a multi-portante (o multiple-carrier), in cui viene trasmesso un elevato
numero di “sottoportanti” (subcarriers) diverse, ciascuna modulata da un substream in cui viene ripartito il segnale prodotto da un solo utente o i segnali
prodotti da più utenti diversi, all’interno dello stesso TS.
Lo Standard IEEE 802.16 definisce tre tecniche di trasmissione di tipo
“multiple-carrier” :
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) : in cui le sottoportanti
trasmesse sono ortogonali tra loro e vengono modulate dal segnale generato
da un solo utente all’interno dello stesso TS;
• OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : in cui le
sottoportanti trasmesse possono essere modulate da sub-stream ottenuti da
da utenti diversi all’interno dello stesso TS.
• SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : il numero
delle sottoportanti modulate e trasmesse è variabile, può “scalare” tra 128,
512, 1024 e 2048. Viene utilizzata nel “Mobile WiMAX”, dove le condizioni del
canale sono molto variabili a causa della mobilità degli utenti.
Figura 7: Tecniche di trasmissione del segnale “Multiple Carrier” (OFDM e OFDMA)
Con la trasmissione “multiple-carrier OFDM” il segnale viene ripartito in un elevato
numero di sub-stream paralleli, di data rate minore (ma di durata temporale maggiore),
ciascuno dei quali può modulare una sottoportante diversa. In questo modo, è possibile
scegliere quei sub-stream del segnale che riescono a modulare “meglio” le sottoportanti.
Inoltre, l’“ortogonalità” delle portanti, permette di attenuare le interferenze reciproche
dei segnali.
 Frequenze Trasmissive :
 Le frequenze radio utilizzate coprono lo spettro di frequenza delle “microonde” .
 Le bande di frequenza (licenziate e non) vanno da 2 a 66 GHz. In particolare,
quelle al di sotto degli 11 GHz sono molto adatte alle trasmissioni NLOS (Non
Line Of Sight), anche se perdono potenza e si degradano piuttosto velocemente,
a causa del rumore e dei vari rimbalzi e riflessioni sugli ostacoli (multipath).
(Customer Premise Equipment)
Figura 8: Multipath nelle trasmissioni NLOS
 WiMAX fisso e nomadico: frequenze comprese nell’intervallo 3.4 – 3.6 GHz
 WiMAX mobile: frequenze comprese nell’intervallo 2.3 – 3.5 GHz
 NLOS (Non Line-Of-Sight) :
 Le frequenze comprese tra 2 e 11GHz sono state introdotte per le
trasmissioni NLOS, cioè quelle in cui non c’è visibilità diretta tra la BS e la SS.
 Le frequenze più basse hanno una lunghezza d’onda piuttosto lunga che riesce
a superare in parte gli ostacoli, ma subiscono anche un veloce degrado.
 Le trasmissioni NLOS
permettono lo sviluppo di sistemi “indoor”. Tali
trasmissioni però, richiedono la gestione dei fenomeni di diffrazione, rimbalzo ed
attenuazione del segnale, a causa degli ostacoli che si trovano sul loro cammino.
Il recupero del segnale originario è affidato a tecniche di trasmissione di tipo
OFDM , che utilizzano un numero elevato (e scalabile nel SOFDMA) di
multiportanti ortogonali.
Figura 9: Trasmissioni LOS e NLOS
Livello MAC
Il livello MAC è responsabile di stabilire e mantenere le connessioni tra la BS e la
SS, occupandosi dell’ingresso delle SS nella rete, della gestione degli accessi multipli
sul canale di UL, dello scheduling dei servizi, della sicurezza, della mobilità, etc...
SAP: Service Access Point
Il livello MAC è composto da tre sottolivelli:
 Convergence Sublayer (CS) : accetta le
MPDU dei livelli superiori attraverso il CS SAP;
classifica e mappa le MSDU sul corretto flusso
di servizio e sul CID (Connection IDentifier)
della corrispondente connesione.
 MAC Common Part Sublayer (MAC CPS) :
accetta le MPDU dal livello CS attraverso il
MAC SAP; stabilisce e mantiene le connessioni
tra la BS e la SS; si occupa di allocare la banda
in DL ed UL ai servizi (applicando una politica di
scheduling); si occupa della costruzione dei
Frame (DL ed UL Sub-frame).
Figura 10: Livello MAC
 Security Sublayer : fornisce autenticazione,
scambio
sicuro
delle
chiavi,
algoritmi
crittografici “forti” dei dati, come AES
(Advanced Encryption Standard) e Tiple-DES
(Data Ecnryption Standard) e controllo di
integrità.
 Topologie di Rete :
Point-to-Multipoint (PMP): tutte le comunicazioni avvengono in modo
centralizzato passando per la “Base Station” (BS), la quale raccoglie tutto il
traffico proveniente dalle “Subscriber Station” (SS) che si trovano sotto il suo
“raggio d’azione”. Pertanto, le SS non possono comunicare direttamente tra di loro,
ma devono trasmettere il proprio traffico verso la BS di competenza.
BS
MS
SS
Figura 11: Topologia di rete Point-to-Multipoint
Multipoint-to-Multipoint (MPM) o Mesh : il traffico può essere instradato
sulle altre SS fino alla BS. In realtà, anche in questa topologia esiste un Mesh
centralizzato ed uno distribuito.
BS
SS
Mesh Centralizzato
Mesh Distribuito
Figura 12: Topologia di rete Multipoin-to-Multipoint o Mesh
 Sottolivelli MAC:
Il livello MAC è composto da tre sottolivelli : Convergence Sublayer (CS), Common Part
Sublayer (CPS) e Security Sublayer.
 Convergence Sublayer (CS) :
• Accetta le MPDU (MAC Packet
Data Unit) delle applicazioni dai
livelli superiori attraverso il CS SAP
(CS Service Access Point);
• Classifica ciascuna MSDU (MAC
Service Data Unit) nel flusso di
servizio (Classe di Servizio: UGS,
rtPS, ertPS, nrtPS, BE) che
identifica i suoi parametri di QoS e
la associa al CID (Connection
IDentifier) della corrispondente
connessione creata dal MAC CPS
(MAC Common Part Sublayer);
• Invia le MSDU al MAC CPS che
provvederà ad applicare l’algoritmo di
scheduling, allocando alle applicazioni
la banda di frequenza e i time slot
per la trasmissione.
Figura 13: Convergence Sublayer
 MAC Common Part Sublayer (MAC CPS) : rappresenta il cuore del livello
MAC, in quanto:
• Si occupa di stabilire, mantenere e terminare le connessioni tra la BS
e le SS (il MAC è connection-oriented);
• Si occupa di applicare la “politica di scheduling” per la priorizzazione
del traffico da parte delle SS che vogliono trasmettere i loro dati,
decidendo sull’allocazione delle bande di frequenza e dei time slot in
cui le SS possono trasmettere;
• Si occupa di gestire le richieste di banda in UL da parte delle SS che
vogliono trasmettere i loro servizi;
• Si occupa di gestire le trasmissioni in DL (dalla BS alle SS);
• Si occupa della costruzione dei “Sub-frame in DL ed UL” sui quali
vengono trasmesse le informazioni dalla BS alle SS (come ad esempio, il
risultato dello scheduling e dell’allocazione della banda in UL) e dalle SS
alla BS (come ad esempio, la trasmissione del servizio di una SS verso
un’altra SS, oppure la richiesta di banda per trasmettere il proprio
servizio) .
Un Frame si colloca nel dominio delle frequenze e del tempo, infatti, dal
punto di vista fisico, è individuato da una banda di frequenza e da un
certo numero di intervalli temporali (TS: Time Slot).
Un Frame contiene tutte le informazioni neccessarie affinchè BS e SS
possano collaborare in modo ottimale.
Preamble : sincronizzazione e stima del canale
Frame Control Header (FCH): info di configurazione del frame, come la lunghezza del msg
MAP, lo schema di codifica dei segnali, etc...
DL-MAP : contiene la lista degli utenti a cui è destinato il Sub-frame di DL
UL-MAP : contiene la lista degli utenti che possono trasmettere nel Sub-frame di UL
DL-Burst : contiene i “profili” a cui ciascun utente deve attenersi per poter trasmettere e
ricevere in modo corretto sul canale (ad es. la modulazione) ed i dati delle SS;
UL-Ranging :
di contesa
utenti, per
alla rete, le
di banda;
intervallo
per gli
l’accesso
richieste
UL-Burst : contiene
info
riguardo
alle
richieste di banda da
parte degli utenti per i
loro servizi e alla
trasmissione dei dati
veri e propri dei
servizi degli utenti
Figura 14: Subframe di Downlink ed Uplink
 QoS (Quality of Service) :
Lo Standard IEEE 802.16 fornisce un meccanismo di QoS differenziato a seconda
della tipologia di servizio trasmesso dall’utente e delle sue caratteristiche.
Attualmente WiMAX prevede cinque “Classi di Servizio”, ciascuna delle quali
possiede le proprie caratteristiche da gestire (ad esempio, il massimo ritardo
tollerato, il jitter, la banda minima garantita, la perdita dei pacchetti, il
throughput, la fairness, etc.) :
 UGS (Unsolicited Grant Services) : traffico real-time con pacchetti di dati a
dimensione fissa e trasmessi ad intervalli di tempo costanti (ad esempio, VoIP
senza soppressione del silenzio);
 rtPS (real-time Polling Service) : traffico real-time con pacchetti di dati a
dimensione più o meno variabile variabile e trasmessi ad intervalli più o meno
costanti di tempo (ad esempio, Video MPEG (Moving Pictures Experts Group));
 ertPS (extended real-time Polling Service) : traffico real-time con
pacchetti di dimensione variabile e trasmessi ad intervalli di tempo costanti
(ad esempio, VoIP con soppressione del silenzio);
 nrtPS (non real-time Polling Service) : traffico non real-time “delay
tolerant” con pacchetti di dati a dimensione variabile per i quali è
richiesta una banda minima garantita (ad esempio, l’FTP ed il video ondemand);
 BE (Best Effort) : traffico per il quale non è richiesto alcun livello
minimo di servizio e che riceve la banda disponibile dopo l’allocazione
dei servizi con particolari esigenze (ad esempio, web browsing, email).
Il meccanismo di QoS richiede che il livello MAC sia “connection-oriented” :
ogni volta che una SS richiede di trasmettere un nuovo servizio verso
un’altra SS, deve prima stabilire una “connessione” con il livello MAC della
BS, la quale individua la classe di appartenenza del servizio da trasmettere e
ne determina i meccanismi di gestione. Ad esempio, una volta stabilita la
connessione tra la BS e la SS, relativa alla richiesta di trasmissione di un
servizio, la QoS dello Standard definisce le modalità attraverso cui la SS
può fare le sue “richieste di banda” per trasmettere il suo servizio. In
particolare:
 i servizi UGS ed ertPS, utilizzano un meccanismo di “Unicast
Grant”, in base al quale la BS indirizza le concessioni di banda al CID
(Connection Identifier) della SS in modo periodico; pertanto, una
volta negoziata la banda alla connessione, la SS non ne deve più fare
richiesta fino alla terminazione;
 i servizi rtPS, utilizzano un meccanismo di“Unicast Polling” , in base
al quale la BS concede ad intervalli periodici alla SS la possibilità di
fare richieste di banda per il suo servizio; tali richieste, possono
essere di tipo “stand-alone” o “piggy-back” ;
 i servizi nrtPS e BE, utilizzano un meccanismo di“Multicast o
Broadcast Polling” , il quale non è diretto esplicitamente verso un CID
di una SS, ma verso un CID multicast o broadcast ed una SS
appartenente al gruppo, può fare la sua richiesta di banda durante ogni
intervallo di contesa (bandwidth requests contention slot) allocato per
quell’indirizzo. Tutte le SS che possono partecipare a tale intervallo di
richieste entreranno in coflitto tra di loro e dovranno quindi, applicare
un algoritmo di “risoluzione delle contese”, per selezionare lo slot nel
quale trasmettere la propria richiesta di banda.
 Scheduling:
Lo “scheduling” è il meccanismo attraverso il quale la BS riceve le richieste di
trasmissione delle SS verso altre SS ed applicando un’opportuna “politica di
scheduling”, determina le frequenze e i TS sul canale di UL in cui ciascuna SS può
trasmettere i dati del suo servizio.
Nelle topologie PMP e Mesh centralizzato, tutte le trasmissioni tra le SS devono
passare per la BS. Per cui, se una SS vuole trasmettere un servizio (ad es. VoIP)
verso un’altra SS, deve chiedere alla BS di determinare le frequnze e iTS sul
canale di UL in cui potrà trasmettere il suo servizio.
Il risultato dello “scheduling” viene comunicato dalla BS alle SS nel subframe di DL.
Lo Standard IEEE 802.16 non definisce le “politiche di scheduling” in base alle
quali le trasmissioni di servizio da parte delle SS devono essere allocate sul
canale di UL, cioè non definisce un ordine con cui soddisfare le richieste di
trasmissione. E’ compito dei fornitori dei servizi dotare le proprie BS di un
algoritmo di priorizzazione del traffico (priorità dei servizi, massimo ritardo
tollerato, fairness, throughput, etc...).
Lo scheduling viene eseguito dalla BS “Frame-by-Frame” : le richieste di servizio raccolte
nel frame corrente vengono schedulate nel frame successivo.
Nel frame corrente può
aggiungersi nuovo traffico
da allocare, oltre a quello
già esistente.
Il “Subframe di UL” è una
risorsa condivisa tra più SS,
che
vi
accedono
per
richiedere
banda
e
trasmettere i dati dei loro
servizi.
Il “Subframe di DL” è una
risorsa utilizzata soltanto
dalla BS per comunicare
diversi tipi di informazioni
alle SS, come ad esempio, il
risultato dello scheduling e
le opportunità di richiedere
banda per i loro servizi.
Figura 15: Scheduling frame-by-frame
 Handover (o Handoff) :
Lo Standard 802.16e definisce due tipologie di “handover” (o handoff) :
 l’“hard handover”, nel quale la MS (Mobile Station) interrompe la
sessione corrente con la BS attuale, prima di instaurare un’altra sessione
con una nuova BS.
 il“soft handover”, nel quale la MS instaura due o più sessioni con due o
più nuove BS contemporaneamente, prima di interrompere la sessione
corrente con la BS attuale.
Il “soft handover” è più veloce dell’”hard handover” in quanto, la MS non deve
effettuare ogni volta la procedura completa di ingresso nella rete relativa alla
nuova BS.
Nei profili “Mobile WiMAX” previsti dal “WiMAX Forum” solo l’hard handover è
un requisito obbligatorio per i dispositivi MS e BS.
*Handover o handoff : procedimento attraverso il quale la MS si sposta da una cella
all’altra senza percepire il cambio di gestione della sessione corrente da parte della BS
uscente e quella entrante. L’utente non subisce l’interruzione del servizio a causa del
cambio di gestione.
A chi serve WiMAX ?
 Il “WiMAX Forum” ha previsto un vastissimo impiego della tecnologia WiMAX, in
numerosi contesti applicativi, ad esempio:
 per le Aziende e la Pubblica Amministrazione, che spesso si ritrovano ad avere
più sedi nella stessa area urbana, il WiMAX sarà la soluzione più veloce, efficiente,
flessibile ed economica per dotarsi di una rete privata metropolitana.
 i WISP (Wireless Internet Service Provider) potranno utilizzare gli “HotSpot”
(di raggio limitato) del WiFi, per servire aree circoscritte a più alta concentrazione
di traffico (Università, aereoporti, etc..), mentre le “HotZone” (di raggio più ampio)
del WiMAX, per coprire intere aree urbane.
 per gli operatori di rete fissa, WiMAX sarà complementare all’xDSL nella
copertura delle aree rurali (risolvendo il problema del “Digital Divide”), mentre
per gli operatori “emergenti” rappresenterà un modo per dotarsi a costi
relativamente bassi di una propria infrastruttura di rete a banda larga (senza il
proglema dell’ultimo miglio).
 gli operatori di rete mobile, utilizzeranno WiMAX in un primo momento per
rilegare tra di loro le Stazioni Base, a costi molto più bassi rispetto all’affitto delle
linee esistenti. In seguito, forniranno ai loro utenti anche la possibilità di
connettersi ad Internet e di trasmettere a banda larga, in condizioni di mobilità.
Quali servizi offre WiMAX ?
 La tecnologia WiMAX è in grado di supportare varie tipologie di traffico e di
soddisfare le richieste di un’ampia varietà di servizi. Ad esempio:
 per le applicazioni real-time con una bassa tolleranza ai ritardi (VoIP,
videoconferenza, gaming interattivo, videofonia, ecc...), che generano pacchetti di
dati di lunghezza fissa ad intervalli periodici, il sistema garantisce una certa
quantità di banda costante per tutta la durata della connessione, senza che
l’utente avanzi una nuova richiesta ogni volta che deve inviare un nuovo pacchetto.
 per le applicazioni real-time con una minima tolleranza ai ritardi (streaming
audio e video, ecc...), che generano pacchetti di dati di lunghezza variabile ad
intervalli periodici, il sistema garantisce una certa quantità di banda minima ed un
tempo massimo di attesa nelle code, con la possibilità per l’utente, di chiedere
eventualmente, nuove “integrazioni” di banda.
 per le applicazioni non real-time, che non hanno specifiche richieste di ritardo,
ma sono particolarmente “bandwidth-intensive” (FTP, torrent, etc...), il sistema
garantisce una certa quantità di banda minima, con la possibilità per l’utente di
chiedere eventualmente, nuove “integrazioni” di banda.
WiMAX nel panorama delle reti wireless
W
WWAN: Wireless Wide Area Network.
Sono le tecnologie cellulari, come il 3G,
WiMAX-Mobile, UMTS, GPRS, GSM....
WMAN: Wireless Metropolitan Area Network.
Sono le reti ad estensione metropolitana, come
il WiMAX nella versione fissa e nomadica.
WBAN
Figura 16: Global Wireless Standards
WBAN: Wireless Body Area Network.
Sono le reti di sensori indossate o
impiantate nel corpo umano, per
monitorarne in real-time i parametri
vitali o i movimenti.
WLAN: Wireless Local Area Network.
Sono le reti ad estensione locale (nelle
aziende, nelle Università...), come il WiFi
(IEEE 802.11).
WPAN: Wireless Personal Area Network.
Sono le reti la cui estensione è limitata da
un raggio d’azione di qualche decina di
metri (un’abitazione, un’automobile...), come
il Bluetooth (IEEE 802.15).
Tecnologie di rete a confronto
La tecnologia WiMAX può
essere vista ed impiegata
sia come alternativa che
come complemento
alle
attuali reti presenti sul
mercato, come ad esempio
i sistemi wireless LAN di
tipo WiFi ed i sistemi a
cablaggio fisico di tipo
LAN Ethernet e xDSL.
Infatti, poichè le reti
IEEE 802.16 utilizzano lo
stesso
protocollo
LLC
(Logical Link Control) delle
reti LAN e WAN, esse
possono essere integrate
tra di loro e servire come
incanalatori comuni verso
la connessione ad Internet
dell’utenza.
802.3 – LAN Ethernet
802.11 – WLAN WiFi
802.16 – WMAN WiMAX
Figura 17: Contesto applicativo di WiMAX
 xDSL (Digital Subscriber Line) :
 Si tratta di reti “wired” (generalmente, in fibra ottica) che
connettono le centrali telefoniche agli utenti finali, permettendo
velocità di trasmissione fino a 52Mbps.
 Per risolvere il problema del “digital divide”, invece di stendere
cavi in fibra ottica per la DSL per arrivare in piccoli paesini di
montagna o in zone rurali, è sufficiente realizzare un collegamento
radio tra la dorsale cablata, già presente sul territorio e i punti di
accesso a banda larga WiMAX per tale utenza.
 Per risolvere il problema dell’“ultimo miglio”, invece di affittare le
connessioni DSL via cavo già esistenti o ricorrere a ponti radio o
costose soluzioni WLL (Wireless Local Loop), come WiFi o reti
cellulari, WiMAX fornisce un’alternativa wireless a banda larga
economica e a lungo raggio.
 WiFi (Wireless Fidelity) :
 Si tratta di “Wirelss Local Network” (WLAN), reti senza fili ad estensione locale, in
grado di connettere ad Internet gli utenti entro un raggio d’azione limitato, intorno ai
300mt e a velocità di trasmissione fino a 54Mbps.
 Anche tali reti potrebbero essere utilizzate
per la connessione dell’utenza nell’“ultimo
miglio”, ma il loro raggio d’azione riesce a
raggiungere al massimo il chilometro, solo in
condizioni di
“Line of Sight” (LOS) ed
utilizzando un certo numero di ripetitori di
segnale.
 “WiFi” è uno standard a corto
raggio (decine di mt), pensato per reti
casalinghe o comunque a corto raggio,
per fornire accesso Internet ad una
rete locale.
 “WiMAX”
è uno standard a grande
copertura (decine di Km), anche in
condizioni di “Non Line of Sight” (NLOS),
pensato per reti metropolitane, per fornire
accesso Internet anche ad utenti non
facilmente raggiungibili ed in mobilità.
Figura 18: Es. di struttura di WiMAX
 Ad ogni modo, WiMAX non si pone necessariamente in competizione con WiFi, anzi
offrendosi come “WiFi Backhaul”, ne può costituire il naturale complemento,
estendendo e trasportando il suo traffico, dai 300mt di distanza fino ai 50Km.
 Pertanto, si viene a delineare uno scenario in cui si avrà una WMAN, che gestirà il
traffico di rete sulle lunghe distanze, al cui interno poi, le WLAN di tipo WiFi, si
specializzeranno verso la fornitura di servizi a banda larga a corto raggio.
Figura 19: Es. di contesto applicativo di WiMAX
 Comunque, tra la tecnologia WiFi e quella WiMAX, esistono delle grandi
differenze, soprattutto ai livelli PHY e MAC della Pila Protocollare:
802.11
802.16d
Raggio
Ottimizzato fino a 100mt;
Topologia Point-to-Point;
Ottimizzato fino a 50Km;
Topologia Point-to-Multipoint;
Copertura
Ottimizzato per usi indoor;
Supporto per Mesh non previsto dallo Standard;
Ottimizzato per usi outdoor NLOS;
Supporto per Mesh previsto dallo Standard;
Ampiezza di banda del canale richiesta: 20MHz;
L’ampiezza di banda del canale può essere scelta
dagli operatori: scalabile da 1.25MHz fino a 20MHz;
Il livello MAC supporta decine di utenti;
Il livello MAC supporta centinaia di utenti;
Massimo “data rate”: 54Mbps in 20MHz di canale;
Massimo “data rate”: 100Mbps in 20MHz di canale;
Solo TDD asimmetrico;
TDD/FDD simmetrico ed asimmetrico;
MAC basato sulle contese, non ci sono garanzie di
QoS; protocollo CSMA/CA
MAC basato sulla possibilità per ogni tipologia di
servizio di richiedere banda;
Lo Standard non garantisce contro la latenza per
servizi real-time Voce e Video;
Lo Standard garantisce contro la latenza per i
servizi real-time Voce e Video;
Non sono supportati livelli di servizio differenziati;
Lo Standard propone una QoS basata solo sulla
priorità.
Sono supportati livelli di servizio differenziati;
Lo Standard propone una QoS basata sulla gestione
di cinque “Classi di Servizio” differenziate.
Scalabilità
Performance
Qualità del
Servizio
 3G (3rd Generation) :
3G sono reti mobili di terza generazione, il cui maggior esponente ad oggi, è
sicuramente lo Standard UMTS (Universal Mobile Telephone System),
successore del GSM (Global System for Mobile Communications), definito
dall’ITU (International Telecommunications Union).
La maggiore differenza tra “UMTS ” e “Mobile WiMAX ” è rappresentata dalla
“modalità di accesso al mezzo fisico” :
 UMTS utilizza una tecnica CDMA (Code Division Multiple Access), secondo
la quale più utenti diversi condividono le stesse frequenze nello stesso timeslot ma usano dei “codici” differenti che consentono loro di essere
individuati dal ricevente; purtroppo, c’è uno spreco di banda a causa delle
numerose interferenze.
 Mobile WiMAX utilizza la tecnica SOFDMA (Scalable Orthogonal
Frequency Multiple Access), la quale suddivide la banda di frequenza in un
numero scalabile di sottocanali ortogonali, in modo da ottimizzare l’utilizzo
della banda e ridurre l’effetto del multipath e delle interferenze reciproche.
 Secondo alcuni il “Mobile WiMAX” rappresenta il vero competitore dell’UMTS nel
fornire accesso Internet a banda larga senza fili e telefonia mobile.
UMTS
802.16e
W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple
Access) e TD-CDMA: tecnologie di accesso
multiplo a divisione di codice con bande accoppiate
(W-CDMA) e non accoppiate (TD-CDMA);
FDD/TDD;
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access): tecnologia di accesso multiplo a divisione
ortogonale della frequenza;
SOFDMA (Scalable OFDMA): tecnologia che
permette di scalare sul numero dei sottocanali in
base alla disponibilità di banda;
FDD/TDD;
Canale in DL da 5MHz nelle frequenze 1.9GHz;
Canale in UL da 5MHz nelle frequenze 2.1GHz;
L’ampiezza del canale può andare da 1.25MHz a
20MHz nelle frequenze comprese tra 2.3-5.8GHz
Performance
(Velocità di
Trasmissione)
144Kbps per le applicazioni a mobilità totale;
384Kbps per le applicazioni a mobilità parziale;
2.048Mbps per le applicazioni a bassa mobilità;
10Mbps in mobilità fino a 122Km/h entro un raggio
di 10Km;
Qualità del
Servizio
I servizi tipici attualmente implementati sono tre:
Voce, Videoconferenza e trasmissioni dati a
pacchetto. Ad ognuno, è assegnato uno specifico
trasfer rate: Voce 12.2Kbps, Videoconferenza
64Kbps, trasmissioni dati 384Kbps.
Supporta la QoS: suddivide le varie tipologie di
traffico in cinque “Classi di Servizio” e fornendo
dei meccanismi per soddisfare alle diverse
richieste di massimo ritardo ammesso, minima
banda necessaria, etc...
Interfaccia di
Trasmissione
Scalabilità
 4G (4th Generation) :
 4G sono reti mobili di quarta generazione, ancora in fase sperimentale e di
definizione da parte del NGMN (Next Generation Mobile Networks), un
gruppo di lavoro formato dai maggiori operatori di telefonia mobile.
 Comunque, i risultati delle prime sperimentazioni fanno già ben pensare che
questa nuova tecnologia sia in grado di offrire prestazioni superiori a quelle
del WiMAX. Ad esempio, un prototipo di mini-network 4G, sviluppato in
Giappone, ha dimostrato di essere in grado di trasmettere a 100Mbps alla
velocità veicolare di 20Km/h e a 1Gbps in posizione statica.
 I sistemi di quarta generazione sono reti:
• completamente basate su IP (a “communtazione di pacchetto”), anche per il
traffico vocale;
• di tipo “Broadband Wireless Access” (BWA), pensate per soddisfare alle
crescenti richieste di risorse da parte di servizi multimediali sempre più
complessi (MMS (Multimedia Messaging Service), video chat, mobile TV,
High Definition TV content, Digital Video Broadcasting, etc...)
• che utilizzano come tecnica di accesso al canale, l’OFDMA per il downlink
e diverse varianti dell’OFDM per l’uplink; utilizzano antenne di tipo MIMO
(Multiple Input-Multiple Output), che permettono ad un terminale di
ricevere contemporaneamente da varie fonti.
Situazione in Italia: Gara WiMAX
In base alla procedura stabilita dal “Ministero delle Comunicazioni”, vengono rilasciati “3
diritti d’uso” complessivi delle frequenze disponibili nella banda 3.4 – 3.6 GHz, indicati
come Blocco A, Blocco B e Blocco C, ciascuno di ampiezza frequenziale pari a 2x21 MHz.
Di tali diritti d’uso, 2 (Blocco A e Blocco B) sono rilasciati per aree di estensione geografica
macroregionale, per 7 Macroregioni:
1. Lombardia-Bolzano-Trento
5. Campania-Puglia-Basilicata-Calabria
2. Valle d'Aosta-Piemonte-Liguria-Toscana
6. Sicilia
3. Friuli Venezia Giulia-Veneto-Emilia Romagna-Marche
7. Sardegna
4. Umbria-Lazio-Abruzzo-Molise
Mentre 1 diritto d’uso (Blocco C) è rilasciato a livello regionale (con suddivisione provinciale
nel caso delle Province Autonome di Trento e Bolzano) per 21 Regioni.
Quindi, in totale, 35 diritti d’uso messi all’asta: 14 Macroregionali e 21 Regionali.
Tutte le 35 licenze avranno una durata di 15 anni e potranno essere rinnovate, ma non
potranno essere cedute a terzi senza l'autorizzazione del ministero.
La gara Wi-Max è partita su una base d'asta di 45 milioni di euro.
 Cronologia gara WiMAX :
Marzo 2007 stipula dell’accordo fra Ministero della difesa e Ministero delle comunicazioni
per la liberalizzazione delle bande di frequenza da destinare a sistemi Broadband Wireless
Access (BWA), bande precedentemente in uso esclusivo al Ministero della difesa.
13 Giugno 2007 pubblicazione della delibera AGCOM (Autorità per le Garanzie nelle
Comunicazioni) “Procedure per l’assegnazione di diritti d’uso di frequenze per sistemi
Broadband Wireless Access (BWA) nella banda a 3.5 GHz”.
19 Ottobre 2007 pubblicazione del bando di gara per l’assegnazione di 35 diritti d’uso
(14 macroregionali e 21 regionali) di frequenze per sistemi BWA nella banda 3.4-3.6 GHz.
3 dicembre 2007 scadenza per la presentazione delle domande di partecipazione:
presentate 48 domande.
21 gennaio 2008 scadenza per la presentazione delle offerte: presentate 29 offerte valide.
31 gennaio 2008 apertura delle offerte iniziali: 26 offerte valide.
13 febbraio 2008 inizio fase rilanci competitivi con la partecipazione di 26 società.
27 febbraio 2008 termine fase rilanci competitivi.
La gara WiMAX si è conclusa con un incasso finale pari a € 136.337.000,00 (+ 176% sulla
base d’asta), il più elevato fra le gare WiMax sin’ora svolte nell’Unione Europea !
BWA Broadband Wireless Access - Assegnazioni definitive diritti d’uso nazionali
BLOCCO A :
 AriADSL S.p.A
Provider Umbro
Investimento: 47.570.000 €
Ha acquistato una licenza d’uso
per ogni Macroregione, eccetto la
Sicilia.
 A.F.T. S.p.A. – Linkem S.p.A.
Provider Pugliese
Investimento: 34.422.000 €
Ha acquistato la licenza d’uso
Macroregionale per la Sicilia
BWA Broadband Wireless Access - Assegnazioni definitive diritti d’uso nazionali
BLOCCO B :
 E-VIA S.p.A. Gruppo RETELIT
Società Milanese.
Investimento: 23.320.000 €
Ha acquistato una licenza d’uso
per 3 Macroregioni: 1) LombardiaBolzano-Trento; 2) Valle d'AostaPiemonte-Liguria-Toscana; 3) Friuli
Venezia Giulia-Veneto-Emilia RomagnaMarche.
 Telecom Italia S.p.A.
Investimento: 13.810.000 €
Ha acquistato una licenza d’uso
per 3 Macroregioni: 4) Umbria-LazioAbruzzo-Molise; 5) Campania-PugliaBasilicata-Calabria; 7) Sardegna.
 Tourist Ferry Boat - Temix Medianet Comunicazioni
Investimento: 5.010.000 €
Ha acquistato la licenza d’uso per la
Sardegna
BWA Broadband Wireless Access - Assegnazioni definitive diritti d’uso regionali
 A.F.T. S.p.A. – Linkem S.p.A.
BLOCCO C :
• Piemonte, Lombardia, Veneto, Umbria, Lazio,
Marche, Abruzzo, Campania, Puglia, Basilicata,
Calabria e Sardegna.
 MGM Productions Profit Group
Investimento: 7.250.000 €
• Liguria, Toscana e Provincia di Trento
 Brennercom S.p.A.
Investimento: 760.000 €
• Provincia di Bolzano
 Ribes Informatica - Hal Service - Lan Service Informatica System - Tex97 - B.B.Bell
Investimento: 280.000 €
• Valle D’Aosta
 Assomax s.r.l
Investimento: 680.000 €
• Friuli Venezia Giulia
 Infracom S.p.A.
Investimento: 2.115..000 €
• Emilia Romagna
 City Carrier
Investimento: 1.120..000 €
• Marche
 AriADSL S.p.A.
• Sicilia
Riferimenti
http://etutorials.org/Networking/wimax+technology+broadband+wir
eless+access/WiMAX-Technology+for+Broadband+Wireless+Access/
 http://standards.ieee.org/getieee802/
 http://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX
http://www.comunicazioni.it/ministero/ufficio_stampa/comunicati_st
ampa/pagina179.html
 http://www.wimax.com/research/whitepapers
 http://www.wimax-italia.it/
http://portal.acm.org/results.cfm?coll=Portal&dl=Portal&CFID=69381
273&CFTOKEN=73741095
 http://wimax.fub.it/