Problematiche progettuali in WiMax

Gli standard 802.16 IEEE sono stati definiti per garantire una connessione dati wireless a banda larga di tipo “always  on” agli utenti sia fissi (prima generazione, 802.16d/802.16-2004) che mobili (seconda generazione, 802.16e). Grazie alla capacità di soddisfare i requisiti di classi multiple di Quality of Service (QoS), una rete 802.16 può supportare servizi vocali mobili, trasmissione dati ad alta velocità e video in modalità wireless. Gli standard 802.16 sono approvati dal WiMAX Forum (WiMAX sta per Worldwide Interoperability for Microwave Access) a garanzia sia dell’interoperabilità degli apparati che della diffusione degli standard.

Modulazione e codifica  adattabili

Nello standard 802.16 la distanza massima tra una stazione base (BS) e un terminale utente (Service Station, SS o Mobile Station, MS) è di vari chilometri. Una dimensione massima della cella relativamente grande e il supporto delle con nessioni NLOS richiedono flessibilità in termini di metodo di modulazione sulla base della qualità del collegamento. Per esempio, lo standard 802.16e consente di scegliere indifferentemente tra modulazione QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) e 64QAM, mentre 802.16d supporta anche la modulazione BPSK (Binary Phase Shift Keying). Il tipo di modulazione può essere cambiato per ogni singolo utente frame per frame per tener conto dei continui cambiamenti delle condizioni del canale. In una situazione ideale (ogni utente dispone di una connessione  64QAM), il massimo throughput del sistema – suddiviso tra tutti gli utenti – è pari a circa 40 Mbps con l’uso di un canale a 10 MHz. Il funzionamento è ammesso in modalità sia duplexing a divisione di tempo (Time Division Duplexing - TDD) che duplexing a divisione di frequenza (Frequency Division Duplexing - FDD). In TDD l’uplink e il downlink condividono un’unica portante fisica (es.: 10 MHz) mentre in FDD vengono assegnate portanti distinte per l’uplink e il downlink, rendendo quindi possibile il funzionamento  full-duplex.

Figura 1: Il metodo di modulazione ottimale dipende dalle condizioni del canale che sono determinate, tra l’altro, dalla distanza che separa il terminale dalla stazione base.

Figura 1: Il metodo di modulazione ottimale dipende dalle condizioni del canale che sono determinate, tra l’altro, dalla distanza che separa il terminale dalla stazione base.

La modulazione OFDMA e la struttura del frame

Un canale di comunicazione “classico” utilizza una singola frequenza di portante dove il bit stream in ingresso (dopo la codifica del canale) è modulato con la portante. Il  tempo dei simboli di un sistema del genere può essere definito 1/T (T è la frequenza dei dati). In una situazione ideale il segnale ricevuto è uguale al segnale trasmesso, il che significa che è possibile decodificare  il segnale trasmesso tramite un’ulteriore modulazione con la frequenza della portante. Nella pratica, è necessario tener conto dell’interferenza multipath, in quanto, prima di raggiungere  il ricevitore,  il segnale trasmesso incontra sulla sua strada ostacoli di varia natura come terreno, alberi, edifici ecc. Tutte queste trasmissioni arrivano all’antenna ricevente in tempi leggermente diversi, dando quindi origine al cosiddetto “ritardo multipath” - caratterizzato dalla risposta all’impulso del canale (Channel Impulse Response o CIR) - per cui un simbolo del link può interferire con un altro provocando l’interferenza intersimbolica (Inter Symbol Interference - ISI). Entro certi limiti, è possibile eliminare la ISI con un equalizzatore nel dominio temporale (filtro del canale) che compensa la ISI moltiplicando  il segnale ricevuto per la risposta stimata del canale. Quando però la ISI supera un certo livello, la complessità dell’equalizzatore del lato ricevente aumenta notevolmente, ponendo quindi un limite alla larghezza di banda massima che può essere modulata su una determinata frequenza di portante. Il  multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) risolve con eleganza il  problema della ISI. Invece di una singola portante, per trasmettere i dati vengono utilizzate numerose portanti parallele, per cui si suddivide la larghezza di banda (BW) disponibile del canale, relativamente ampia, in una serie di canali più stretti con una spaziatura pari a Δf. Rispetto al sistema basato su un’unica portante, il data rate di ciascun canale è pari alla velocità originaria divisa per il numero di portanti utilizzate. Scegliendo una velocità dei simboli 1/T su ciascun sottocanale pari alla spaziatura di frequenza Δf, si elimina l’interferenza tra le Le diverse portanti trattate nel paragrafo precedente possono essere considerate una rappresentazione nel dominio della frequenza di un segnale nel dominio temporale, per cui l’implementazione di un sistema OFDM può risultare relativamente elegante. Fondamentalmente, la conversione della rappresentazione del segnale di frequenza multiportante in un segnale nel dominio temporale consiste in una trasformata inversa di Fourier, il che significa che il principale elemento costitutivo di un sistema OFDM è la funzione sa di Fourier) e FFT (uplink, trasformata rapida di Fourier). L’aspetto fondamentale di un sistema OFDM sta nel fatto che la frequenza della portante è suddivisa in un gran numero di sottoportanti (802.16 supporta tra 128 e 2048 sottoportanti), ciascuna delle quali è più o meno indipendente da tutte le altre. Per realizzare l’“Accesso multiplo” del sistema OFDMA si raggruppano le sottoportanti in sottocanali logici, per cui utenti multipli possono effettuare contemporaneamente la trasmissione.  I sottocanali  sono una serie di sottoportanti, comprese le portanti pilota che sono utilizzate per la stima dei canali. La mappatura sottoportante-sottocanale può essere fatta attraverso l’allocazione semirandomizzata (PUSC / FUSC - Partial Usage of Subchannels / Full Usage of Subchannels) che fornisce diversità di frequenza e una media dell’interferenza intercella oppure attraverso l’allocazione contigua (AMC), che fornisce diversità multiutente in quanto consente a un algoritmo di scheduling intelligente di abbinare il sottocanale assegnato a un utente alla risposta del canale di quel determinato utente, una situazione perfetta
in casi di fading a banda stretta. A questo punto, il frame OFDM può essere rappresentato sotto forma di struttura bidimensionale, con i  simboli collocati lungo un asse (ciascun simbolo corrisponde a una istanza di una (I)FFT) e i sottocanali collocati lungo l’altro asse, come esemplificato nella figura sottostante.

Nel caso di AMC, si può immaginare che la performance di un sottocanale assegnato a un determinato utente sarà diversa da quella del sottocanale di un altro utente in quanto utenti diversi percepiscono un livello qualitativo differente in base alle condizioni fisiche del rispettivo canale,  il che significa che la performance di un canale può essere positiva per un utente e negativa per un altro. L’accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - OFDMA) fa uso di questa caratteristica per allocare sottocanali diversi a utenti diversi in una porzione temporale configurabile del frame in aria (numero di simboli OFDM). Nella figura 3, per burst si intende un contenitore del payload da trasmettere a un determinato terminale utente.

Figura 3: Rappresentazione della catena di elaborazione di un livello fisico OFDMA. Nel dominio utente/frequenza vengono applicati la randomizzazione, la correzione degli errori (es.: Turbo o convolutional encoding), interleaving e modulazione/mappatura. La trasformazione dal dominio della frequenza e viceversa è effettuata attraverso le funzioni IFFT e FFT.

Figura 3: Rappresentazione della catena di elaborazione di un livello fisico OFDMA. Nel dominio utente/frequenza vengono applicati la randomizzazione, la correzione degli errori (es.: Turbo o convolutional encoding), interleaving e modulazione/mappatura. La trasformazione dal dominio della frequenza e viceversa è effettuata attraverso le funzioni IFFT e FFT.

Nel downlink, ciascun burst è codificato (es.: convolutional o turbo coding) e modulato (QPSK, 16QAM, 64QAM come spiegato in precedenza) singolarmente dal livello fisico della stazione base. Nella figura precedente questo potrebbe significare, per esempio, che il DL burst N.1 è modulato con 16QAM e convolutional encoding mentre il DL burst N. 2 è modulato con 64QAM e CTC turbo coding, per cui la quantità di bit trasferiti per numero di simboli OFDMA/numero di sottocanali logici varia notevolmente tra questi due burst. La locazione del burst nel frame ODFMA unitamente al tipo di codifica del burst è indicata per ogni singolo terminale (utente) nella DL-MAP, che funge da “indice” e che viene trasmessa all’inizio del frame. Il funzionamento dell’uplink è simile a quello del downlink. La stazione base indica a ciascun terminale in quale locazione (in termini di numeri di simboli OFDMA e di sottocanali) gli è consentito di dare inizio a una trasmissione, unitamente al metodo di modulazione da utilizzare. Dal punto di vista del livello fisico, il numero di byte effettivi di payload trasmessi in un burst è indicato dalle dimensioni del burst e dal tipo di codifica (che stabilisce la quantità di informazioni ridondanti che devono essere aggiunte al payload prima della trasmissione).

Figura 2: Esempio di interferenza multipath

Figura 2: Esempio di interferenza multipath

Trasmissione del payload

Un burst trasmesso attraverso il livello fisico può contenere un numero indeterminato di PDU (Protocol Data Unit) collegate in serie, ciascuna delle quali è composta da un header di 6 byte, un CRC-32 (opzionale) da 4 byte e da un payload di lunghezza variabile. Nell’header della PDU, il campo Connection Identifier (CID) indica la connessione di destinazione del payload. Ciascun terminale utente può avere una quantità variabile di connessioni/CID attivi e il traffico relativo a CID multipli può essere trasportato in un singolo burst nella misura in cui tutto il traffico è destinato a una singola SS. La dimensione delle PDU è stabilita dal livello MAC ed è il frutto di un compromesso tra l’efficienza del link aereo (una PDU di grandi dimensioni significa meno overhead a livello di header e di CRC) e la possibilità che la PDU vada persa durante il trasporto a causa del Bit Error Rate (BER) relativamente elevato dell’interfaccia aerea. Al fine di abbinare il payload IP da trasmettere alla larghezza di banda assegnata in corrispondenza del livello fisico, lo standard 802.16 supporta la frammentazione e la compattazione, per suddividere un pacchetto IP di grandi dimensioni in frammenti multipli che possono essere trasmessi in singole PDU oppure per compattare numerosi pacchetti IP di piccole dimensioni in una PDU più grande. Il  protocollo Transmission Control Protocol (TCP) è stato messo a punto come sistema end to end per controllare  il trasporto dei dati lungo collegamenti terrestri di alta qualità. Questa forma di trasporto comporta: 1) un bit error rate basso e 2) un ritardo ridotto. Queste proprietà non sono del tutto disponibili in un sistema 802.16 (la catena di elaborazione della BS comporta un ritardo a livello di traffico e un link aereo è intrinsecamente meno efficace di un collegamento terrestre). Quando in TCP un pacchetto non arriva a destinazione,  il protocollo assume la presenza di congestione lungo la rete e, oltre a ritrasmettere  il pacchetto, riduce la velocità di trasmissione. Su un’interfaccia aerea la perdita di un pacchetto non è provocata necessariamente dalla congestione, per cui la reazione di TCP che diminuisce la velocità di trasmissione non è corretta e l’effetto negativo è amplificato da un grande round trip delay. Nel tempo sono state introdotte versioni diverse del protocollo TCP per risolvere questa situazione (es.: TCP con Selective Acknowledgements (SACK)), ma il nocciolo del problema persiste. La soluzione offerta nei moderni ambienti wireless come HSDPA, HSUPA e anche 802.16 consiste nel ritrasmettere  i pacchetti lungo lo stesso link aereo, impedendo quindi al protocollo TCP end to end di rilevare la perdita del pacchetto, per cui il comportamento atteso di TCP non cambia. In 802.16, lo snooping algorithm utilizzato a questo fine è denominato Automatic Repeat Request (ARQ), che funziona attribuendo un numero sequenziale a ciascun blocco dati di dimensione fissa (es.: ogni 10 byte di payload) e accusando ricevuta in positivo o in negativo dei singoli blocchi ARQ.  Ci si potrebbe chiedere perché il meccanismo ARQ 802.16 non ritrasmette PDU complete invece di singoli blocchi. Il meccanismo ARQ può, se necessario, riframmentare un frammento/PDU trasmesso in precedenza lungo linee diverse in vista della ritrasmissione. L’esigenza di questa riframmentazione non appare subito ovvia ma lo diventa se si analizza più in dettaglio il livello fisico. Supponiamo che una connessione che  funziona  con  una  modulazione 64QAM subisca un profondo fading e debba passare alla modulazione QPSK facendo cadere contemporaneamente una PDU, il  che fa scattare il  meccanismo ARQ. Dal punto di vista del livello MAC, nella ritrasmissione la dimensione effettiva di questa PDU resta invariata (numero di byte di payload) ma dal punto di vista del livello fisico (numero di simboli OFDMA, numero di sottocanali/slot), l’area della PDU utilizzata nel frame OFDMA avrà una dimensione di tre volte maggiore (QPSK trasferisce 2 bit per simbolo, 64QAM trasferisce 6 bit). Potrebbe essere impossibile o indesiderabile allocare questa area di livello fisico a fini di ritrasmissione. La riframmentazione risolve il problema e concede maggiore flessibilità agli algoritmi di mappatura a livello di frame.

Quality of service

La caratteristica più importante dello standard 802.16 è il supporto della Quality of Service (QoS). Se 802.11 consente solo la miglior connessione possibile, 802.16 prevede almeno quattro classi di QoS:

Unsolicited Grant  Service (UGS) supporta data stream in tempo reale composti da pacchetti dati di dimensioni fisse inviati a intervalli regolari come, per esempio, T1/E1, ATM CBR e Voice over IP senza soppressione del silenzio.

Real-time Polling  Service (rtPS) supporta data stream in tempo reale composti da pacchetti dati di dimensioni variabili inviati a intervalli regolari come, per esempio, video MPEG.

Non-real-time Polling  Service (nrtPS) supporta data stream in grado di tollerare ritardi composti da pacchetti dati di dimensioni variabili per i quali si richiede una velocità minima di trasmissione come, per esempio, FTP.

Best Effort  (BE) supporta data stream per i quali non è richiesto nessun livello minimo di QoS e che quindi possono essere gestiti in base allo spazio disponibile.

Figura 4: Struttura del frame OFDMA (prima figura) e OFDM (seconda figura) . La principale differenza tra i due sta nel fatto che OFDMA consente l’accesso in parallelo all’interfaccia aerea da parte di numerosi utenti grazie all’allocazione di sottocanali.

Figura 4: Struttura del frame OFDMA (prima figura) e OFDM (seconda figura) . La principale differenza tra i due sta nel fatto che OFDMA consente l’accesso in parallelo all’interfaccia aerea da parte di numerosi utenti grazie all’allocazione di sottocanali.

A ciascuna delle suddette classi sono associati un certo numero di parametri QoS, come indicato nella tabella a fianco. Oltre a questi ed altri parametri QoS lo standard consente ai vendor di differenziarsi lasciando un parametro QoS da definire.

Problematiche progettuali

Gli algoritmi di scheduling per l’uplink e il downlink costituiscono il centro del livello MAC 802.16. Gli algoritmi di scheduling devono avere accesso a molti parametri di input quali dimensione e stato delle code di input, disponibilità  dei dati ARQ e performance del livello fisico in termini di modulazione e tipo di codifica del canale da utilizzare per utente su un determinato sottocanale logico. Tutti i suddetti parametri devono essere integrati nei contratti QoS sottoscritti con l’utente finale e contribuiscono congiuntamente a una decisione ottimale di scheduling. È evidente che la complessità degli algoritmi di scheduling può aumentare notevolmente nei sistemi avanzati, soprattutto con il supporto di AMC. Ne consegue che gli algoritmi di scheduling sono il perno centrale dell’implementazione della stazione base 802.16 messa a punto da un vendor. È quindi fondamentale prevedere la differenziazione attraverso la programmabilità, laddove è compito del progettista del livello MAC definire l’interfaccia MAC ottimale verso lo scheduler senza imporre limiti inutili. Per fare un esempio, non è opportuno che il livello MAC imponga allo scheduler dimensioni “ammesse” delle PDU o dei burst nemmeno in caso di ritrasmissione di traffico ARQ, in quanto in tal modo contribuirebbe a complicare notevolmente le decisioni dello scheduler.

Figura 5: Il compito dello scheduler consiste nel mappare i pacchetti provenienti dalla rete (memorizzati nelle code del downlink) sul frame OFDMA tenendo conto delle diverse priorità utenti, della qualità del canale, dei limiti di mappatura del frame, delle ritrasmissioni ecc.

Figura 5: Il compito dello scheduler consiste nel mappare i pacchetti provenienti dalla rete (memorizzati
nelle code del downlink) sul frame OFDMA tenendo conto delle diverse priorità utenti, della qualità del
canale, dei limiti di mappatura del frame, delle
ritrasmissioni ecc.

 

 

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