simulador hibrido redes_heterogeneas_modulo_wi_max
TRANSCRIPT
1
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAX
David Pubill – Research EngineerCentre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC)
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
2
Motivaciones
Plataforma DEMOCLES®
WiMAX – Visión general
WiDE – WiMAX para DEMOCLES® Capa física Capa MAC Modelo de referencia Ejemplo de simulación
Conclusiones y trabajo futuro
Índice
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
3
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®)
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
4
Plataforma DEMOCLES® I
El proyecto DEMOCLES® se inició en el año 2006 (y sigue en marcha) con el objetivo de desarrollar una plataforma capaz de simular simultáneamente varios sistemas inalámbricos 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 las distintas 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 de transmisión• Scheduling
Algoritmos de handover
Diagrama funcional de DEMOCLES®
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
5
RRM(Radio Resource Management)
Plataforma DEMOCLES® II
DEMOCLES®
WIMAX (WiDE)U
MTS
WIF
I ARQ
OFD
M
OFD
MA
RELA
Y
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 le denominaremos a partir de ahora módulo WiDE (WiMax para DEMOCLES®)
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
6
WiMAX – Visión general
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es un protocolo de comunicaciones de red basado en el estándar IEEE802.16.
El grupo de trabajo IEEE802.16 define las especificaciones de WIMAX refiriéndose a las 3 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 encarga de certificar los equipos WiMAX asegurando la compatibilidad e interoperabilidad entre los 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 los
requisitos para los nuevos criterios definidos por el IMT-Advanced (requisitos definidos por la ITU):
1 Gbit/s para sistemas fijos 100 Mbit/s para sistemas móviles
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
7
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 soluciona algunas de las deficiencias que presenta el propio ns2.
NIST (National Institute of Standards and Technology): Esta extensión supone una buena solución para la implementación de la capa MAC y, además, está integrada en la plataforma MIRACLE por la Universidad de Karlstad
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
8
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 de bloques 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
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
9
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 señalización PUSC (24 subportadoras de datos y 2 reservadas para pruebas piloto). Permite monitorizar la SINR a nivel de subportadora.
Implementados los módulos OFDM y OFDMA en modo TDD
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
10
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 los
mapas de secuencia Permite la recopilación de toda la información necesaria en el lado del receptor
para retransmitir los bloques (o secuencias de los mismos) que no se hayan recibido correctamente.
Se han introducido nodos repetidores (RS) que sumados a las estaciones base (BS) y a los equipos de usuario (SS) permiten simular un escenario WIMAX completo. Por lo tanto, podemos:
simular una comunicación directamente entre BS y SS simular una comunicación a través de RS
BSRS
SS
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
11
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
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
12
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 que permiten 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 de conexión y negocia los requisitos de servicio (QoS, iniciar comunicación, gestión de conexiones,…)
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
13
WiDE – Ejemplo de simulación I – IPTV
Evalvid es una herramienta que permite evaluar la calidad de un vídeo transmitido a través de una red de comunicaciones real o simulada. Permite obtener estadísticas sobre PSNR (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)
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
14
WiDE – Ejemplo de simulación II - IPTV
Con el fin de obtener estadísticas que permitan caracterizar este escenario se han introducido algunos errores en el canal a medida que un usuario se aproxima al límite de la celda de cobertura, de tal manera que algunas ráfagas de datos no lleguen 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
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
15
WiDE – Ejemplo de simulación III - IPTV
Se muestra el número de paquetes recibidos fuera de secuencia en función del tiempo de recepción del vídeo.
Se muestra la PSNR en el transmisor (línea discontinua) y en el receptor (línea continua) en función del tiempo de recepción del vídeo. El vídeo transmitido se degrada debido a la codificación en el transmisor, mientras que se puede apreciar claramente en la curva del receptor las degradaciones debidas a los errores ocurridos durante la transmisión entre los segundos 3 y 6 donde el nivel de PSNR baja debido a un incremento considerable de los paquetes perdidos.
Este ejemplo también podría simular una degradación de la señal WiMAX debido a interferencias, ya que un aumento de las señales interferentes provoca una disminución de la SINR que, a su vez, provoca que el receptor no reciba correctamente los paquetes.
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
16
Conclusiones – Trabajo futuro
Se ha presentado el módulo WiMAX para DEMOCLES® (WiDE) que incluye las técnicas de transmisión OFDM y OFDMA para simular WiMAX fijo y móvil, respectivamente.
Se ha modelado la capa física teniendo en cuenta las interferencias y el fenómeno de la propagación y manteniendo una complejidad computacional relativamente baja.
Se han introducido la funcionalidades propias de las estaciones repetidoras para poder simular escenarios lo más realistas posibles, desde arquitecturas punto a punto/multipunto o topologías malladas (o mesh).
Esta plataforma es completamente escalable. Por lo tanto, puede adaptarse con facilidad para estudiar nuevas tecnologías radio que precisen de escenarios de investigación muy concretos.
Trabajo futuro
Actualizar el simulador WiDE con futuras actualizaciones de la tecnología de acuerdo a los avances del grupo de trabajo del IEEE 802.16.
Ampliar DEMOCLES® con nuevas tecnologías emergentes como, por ejemplo, Long Term Evolution (LTE).
Simulador Híbrido para Redes Heterogéneas – Módulo WiMAXM. Miozzo, D.Pubill, L.Giupponi, F.Bader
Valladolid 28/09/10
17
www.eusipco2011.org
¡Muchas gracias por su atención!
David Pubill [email protected]
CTTC