Chapter 6 WiMAX (IEEE 802.16) and 3GPP LTE-Advance Yu-Chee Tseng@cs.nCTu 1 1

Outline WiMAX 介紹 3GPP LTE 簡介 IEEE 802.16 網路架構型態 IEEE 802.16 MAC layer WiMAX Forum組織, 標準發展, 802.16 標準比較 IEEE 802.16 網路架構型態 PMP architecture, Relay architecture, MESH architecture IEEE 802.16 MAC layer CS、CPS、PS三種子層, QoS 類別, Handoff 機制, 省電模式 IEEE 802.16 Physical layer TDD & FDD, 調變, OFDM & OFDMA, Frame structure 3GPP LTE 簡介 網路架構 省電模式

前言 無線區域網路(IEEE 802.11,WIFI)的缺點 無線都會網路(IEEE 802.16,WiMAX)的誕生 傳輸距離過短 無線頻寬較小 無線都會網路(IEEE 802.16,WiMAX)的誕生 傳輸速度更快 (>100 Mbps) 涵蓋範圍更廣 (>5 km) 支援高速的移動存取 (>100 km/h)

WiMAX 介紹 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)”全球微波互通存取” 基於IEEE 802.16 standard的無線存取標準 屬於”都會區域網路”(Metropolitan Area Network, MAN)，特色為長距離傳輸(up to 30 miles)及高頻寬傳輸(up to 70 Mbps) 提供最後一哩網路存取之方案 4

WiMAX 介紹 (cont.) 目前分成固定式 及移動式 固定式 WiMAX： 移動式 WiMAX： 以 802.16-2004 (IEEE 802.16d) 為主，2004 年獲 IEEE 核准。 移動式 WiMAX： 以 802.16-2005 (IEEE 802.16e) 為主，2005獲 IEEE 核准。主要競爭對手為 3GPP。 5

WiMAX Forum 組織 WiMAX Forum 主要任務： 主要成員 (as of 2011): 為一推廣IEEE802.16技術的組織 主要任務： 聯合全球參與者，含晶片製造商、軟體開發商、設備商及服務供應商來支援IEEE 802.16標準。 主要成員 (as of 2011): Alcatel、AT&T、英國電信、富士通(Fujitsu)、NOKIA、MOTO、Intel、SAMSUNG 、LG，大陸的華為科技、中興通訊等 6

標準發展狀況 4G 802.16j 802.16m LTE-Adv 7

IEEE 802.16 標準比較 standard 802.16 802.16d-2004 802.16e 802.16j 802.16m 應用模式 固定式應用 (取代寬頻設備) 移動式應用 應用方向 Last Mile & Backhaul Mobile Device 頻段 10~66GHz (SCM) 2~11GHz (OFDM, OFDMA) 2~6 GHz (OFDMA) (4x4 MIMO-OFDMA) 傳輸條件 LOS NLOS 傳輸速率 32~134 Mbps 75 Mbps 35 Mbps >35 Mbps 350 Mbps 調變技術 QPSK、16QAM、64QAM 固定/ 移動性 固定性 (60~120 km/h) (350 Km/h) 傳輸距離 1~3 Mile 4~6Mile (最大30Mile) 8 註：1mile＝ 1.6Km, LOS (Line of Sight) ：可直視範圍的直線傳輸

IEEE 802.16 網路架構型態 IEEE 802.16 支援 3種網路架構 1) 點對多點架構(Point-to-multipoint, PMP) IEEE 802.16d/e 2) 中繼網路架構(Relay architecture) IEEE 802.16j 3) 網狀網路架構(Mesh architecture) IEEE 802.16d

(1) 點對多點網路架構(PMP Architecture) 定義於： IEEE 802.16d及802.16e standards 架構型態： 基本網路架構：星狀拓蹼 (BS直接跟MSSs通訊) 適合用戶端較少的區域，如：郊區 提供骨幹網路及高速傳輸服務 (up to 70 Mbps) over long distances (up to 30 miles) 評語： 當MSSs靠近BS較近者有較強的訊號，可享有較高的傳送速率。 當MSSs較遠離BS時 (如：MSS1及MSS4)，則訊號會較弱，將使用更多的資源 遮敝問題： 障礙物如：建築物等遮敝)會減弱MSS和BS之間的訊號，形成覆蓋漏洞 (如：右圖的MSS4) Point-to-multipoint (PMP) architecture

(2) 中繼架構 (Relay Architecture) IEEE 802.16j standard 目的： 佈建relay stations來協助MSSs的傳輸，改善MSSs因”遮敝問題”(如：MSS4)或跟”BS距離較遠”(如：MSS1 and MSS5)導致訊號衰弱的問題。 適合用戶端密集度較高的區域，如：城市 分兩種relay： Transparent Mode 特色：MSSs無法查察 用途：增加網路capacity 優點：穿透式relay不管理MSSs的資源配置(由BS貞理)，因此較易實作 Non-transparent Mode 特色：MSS能查察 用途：增大BS的覆蓋範圍 Relay architecture 圖： ．整個網路會形成two-level的tree，root在BS。 ．特別的是，多組MS-RS pair可以利用spatial reuse達到平行傳送。

(3) 網狀網路(Mesh Architecture) IEEE 802.16d standard 特色： 利用固定式SS佈建在建築物上方，供建築物內部用 建構方式： 傳遞資料透過multi-hop，覆蓋範圍廣 運作方式： SS傳送頻寬需求給BS，BS則根據拓蹼及SS的需求，建立routing tree及排程提供SS傳遞資料 mesh architecture 圖：此network下可存在相當多的”平行傳送”，因為這SS們相隔如夠遠。

IEEE 802.16 MAC layer IEEE 802.16 MAC 共含三個子層： 1) 聚合子層 (Service-specific Convergence Sublayer) 2) 共通子層 (Common Part Sublayer) 3) 安全子層 (Security Sublayer) 聚合子層 (CS)，負責 I) 分類(Classification)： 將上層服務資料單元(Service Data Units, SDU)切割或轉換成協議資料單元(Protocol Data Unit, PDU)，並根據服務流(Service Flow)以進行連線識別碼(Connection ID)的傳送。 一條連線只會對應到一種服務流(e.g., video stream, file transfer) 服務流是定義資料服務之QoS之參數，供BS排程。 II) Payload Header, PHS 減少重覆性資料的傳輸造成的浪費，如：IPTV stream。 當密集且連續資料傳送時，封包檔頭所填入的資料相同，如：IP來源及目的。 圖: IEEE 802.16之MAC層

IEEE 802.16 MAC layer (cont.) (cont.) 共通子層(CPS) MAC的核心層： 3) 安全子層(SS) 提供加密，保護用戶端和基地台傳輸的隱私性，利用認證金鑰交換協定以避免資料遭竊取。 包含數位認證的金鑰管理協定，強化了傳輸的安全性。 圖: IEEE 802.16之MAC層

QoS 類別 為了滿足不同需求，WiMAX定義了5種QoS服務 (1) 免經請求之服務 (UGS, unsolicited grant service): 支援固定大小、固定週期之Constant bit rate即時性資料流 參數：最大保有速率、最大延遲及容許的jitter 優點： 每個MSS或SS只需要在最初連線建立時協調一次參數，可免去多餘的頻寬請求負荷及等待授予頻寬的時間外。 缺點： 當資料流未充份利用配置的頻寬時，資源將造成浪費。 圖：UGS資料流型態之示意圖

(2) 即時之輪詢服務 (real-time polling service, rtPS)： 支援可變動大小、固定傳輸週期之variable bit rate (VBR)資料流，如：MPEG 影音資料流。 參數：最大保有速率、最大延遲及最大jitter，最小保留速率. 頻寬請求方式： BS使用單播詢問(Unicast Polling) 詢問MSS所需頻寬 優點：動態調整頻寬，配置資料流”真正”所需頻寬 缺點：週期性的詢問將會耗費部分資源 圖: rtPS資料流型態之示意圖

(3) 延伸之即時輪詢服務 (extended real-time polling service, ertPS) 支援無訊號期間之壓縮VoIP (VoIP with silence suppression)服務，此服務在silence period時，不會有traffic。 頻寬請求方式：BS週期性配置頻寬至”最大保有速率”、允許頻寬變更 (4) 非即時之輪詢服務 (non-real-time polling service, nrtPS)： 支援具最低傳輸速率限制的資料流，如：FTP 服務 頻寬請求方式：BS單播輪詢、競爭程序 (5) 盡力式傳輸服務 (Best effort service, BE)： 支援無最低要求的資料流，如：HTTP。 頻寬請求方式：競爭程序 (通常配置完前四種QoS類別，剩餘頻寬才供BE資料流競爭)

省電機制(Power Saving Mechanism) 兩種模式： 閒置模式(Idle Mode)： 利用Paging及Location Update，使後端網路能找尋該用戶端 睡眠模式(Sleep Mode) 仍維持服務品質. 定義兩種行為: 睡眠(sleep) ：這段時間稱睡眠時間(Sleep Window)，不可收/送資料; 監聽(listen)：這段時間稱監聽時間(Listening Window)，可收/送資料。 睡眠週期(Sleep Cycle)：睡眠時間+監聽時間 運作方式：MSS首先發送睡眠請求給BS，BS決定一套最佳的睡眠配置回應給MSS。MSS依配置進入睡眠模式，直到睡眠模式中斷恢復清醒模式。 圖: 清醒模式(Wake Mode)及睡眠模式(Sleep Mode)之交替圖

Sleep Mode: Type I 適用到達時間不固定且允許較長延遲的非即時性資料流，如：nrtPS或BE等。 參數：初始睡眠時間(Initial Sleep Window)、最大睡眠時間( Maximum Sleep Window) 運作方式： MSS在監聽時間未收到BS通知時，睡眠時間以兩倍方式遞增，且不斷重覆直到最大睡眠時間 MSS在監聽時間有收到BS通知時，結束省電模式, 並將資料傳收完畢 圖: 省電類別(一)之運作流程圖

Sleep Mode: Type II 適用資料具週期性, 且資料量穩定具嚴格延遲限制的即時性資料流，如UGS 或 rtPS資料流 初始化參數：睡眠時間、監聽時間 運作方式： MSS在監聽時間有收到BS通知時，會立即在監聽時間將資料傳/收，傳/收不完會在下一個睡眠週期繼續 MSS在監聽時間未收到BS通知時，進入睡眠，長度不變 圖9: 省電類別(二)之運作流程圖

Sleep Mode: Type III 適用資料流量變化大、具嚴格延遲性的連線、定期測距 (Periodic Ranging)及群播服務等。 初始化參數：睡眠時間 運作方式： 只執行一回合睡眠時間，之後立即結束睡眠恢復清醒 圖：省電類別 (三) 之運作流程圖

Sleep Mode: Summary 每個MSS可含多條連線，每條連線可關聯到不同的省電類別; 因此，如何妥善排程以增大眠睡時間並滿足資料流的服務品質，是省電機制下的一項重要議題.

IEEE 802.16 Physical layer 二種雙工方式： 分時雙工(Time-Division Duplex, TDD) 通訊時間切割成上鍵(Uplink)傳輸與下鍵(Downlink) 優點：成本較低 缺點：兩者之間有必須等待一段訊號發射接收轉換間隔與發射接收轉換間隔，以確保訊號正常收/發切換。 分頻雙工(Frequency-Division Duplex, FDD) 通訊頻率切割成上鍵(Uplink)傳輸與下鍵(Downlink) 優點：可雙向並行傳輸 缺點：成本較高 圖:分頻雙工(FDD) 圖: 分時雙工(TDD)

Physical layer: Frame Format 支援3種訊框長度: 5 ms、10 ms及20 ms (5 ms是預設) 兩種傳輸技術 OFDM: 每個SS可使用完全的subcarrier 資源分配方式：每個MSS可用一個長條區域傳/收資料，BS只要決定time-slot的分配 OFDMA:每個SS可使用部份的subcarrier, 可適應channel的變化 資源分配方式：每個MSS可用一個矩形區域傳/收資料，有效利用power，配置方式較複雜

調變機制 (Modulation and coding schemes, MCSs) 支援種類：QPSK (Quaternary Phase Shift Keying)、16 QAM(16-Quadrature Amplitude Modulation、64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 特徵： 較高SNR值可達到較高的調變 較高的調變在相同的符元時間(Symbol Time)攜帶較高的資料位元數 速率編號 調變方式 編碼率 攜帶位元數/符元時間(bits/symbol) SNR值門檻 1 QPSK 1/2 1.0 6 dBm 2 3/4 1.5 8.5 dBm 3 16QAM 2.0 11.5 dBm 4 3.0 15 dBm 5 64QAM 2/3 4.0 19 dBm 6 4.5 21 dBm 表: IEEE 802.16支援的六種調變編碼

PMP網路架構下的訊框 2維訊框：由subchannel 和time-slot組成 圖示如下頁 每個frame分成uplink subframe及downlink subframe 每個downlink subframe，包含 Preamble (用於time synchronization) Control portion 包含：downlink map (DL-MAP)及uplink map (UL_MAP) 目的：指示donwlink及uplink的資源配置 Data portion 包含多個bursts, 是配置給MSS基本的單元，以矩形方式 每個uplink subframe只含data portion 以”列優先”排列

圖：PMP網路架構下的訊框

PMP網路架構下的訊框(cont.) PMP網路架構下的訊框 每個burst： 每個IE： 用一種調變(MCS)，利用information element (IE)來指定位置及大小 每個IE： 需要60bits(使用最低調變QPSK1/2)，佔5/4個slot 結論：IE和burst共用downlink subframe，過多的IEs會降低網路的傳送效益。

Relay網路架構下的訊框 2維訊框 (採OFDMA技術) 含兩種frame：BS frame及RS frame(兩者具”互補性”) 圖示如下頁 Downlink Subframe BS-MSS/RS region: BS 傳送資料給MSSs或RSs RS-MSS region: RS傳送資料給MSSs Uplink Subframe MSS-BS region: MSS傳送資料給BS。 RS-BS region: RS傳送資料給BS。 MSS-RS region: MSS透過RS傳送資料給BS 圖：中繼網路架構

圖：Relay網路架構下的訊框(Frame structure) BS RS MSS MSS BS RS MSS MSS

每個RS是視為”bufferless” Burst是否可重疊： RS從MSS及BS收到的資料必須在同一個frame傳遞給BS及MSS 舉例：有一個Burst(MSS1-RS1)配置在MSS-RS region，因此必定有一個burst (RS1-BS)對應在RS-BS region。 Burst是否可重疊： 是：位於RS-MSS及MSS-RS regions的bursts可能可重疊，利用spatial reuse 否：任兩個burst位於BS-MSS/RS region無法重疊，因BS是RS們唯一的接收端

Mesh網路架構下的訊框 1維訊框 (因使用OFDM) 定義兩種型態的frame (圖示如下頁) 基本配置單元：”mini-slot” Type-1 frame (含一個network control subframe及一個data subframe) 提供network 參數設置 network control subframe ： 長度固定 攜帶一些”網路資訊”，如：network topology的資訊。 data subframe ： 攜帶SS的bursts guard time：burst傳遞前必須等待的一段時間用於同步及避免前面burst對後面burst產生propagation的影響

圖：Mesh網路架構下的訊框(Frame structure)

Type-2 frame (含一個schedule subframe及一個data subframe) 目的：資料排程 schedule subframe： 長度固定 包含scheduling information，如：傳/收對象，及burst傳送的mini-slot數目 data subframe：同上

3GPP LTE 簡介 - 網路架構 - 省電模式

3GPP LTE-A網路架構 PMP architecture: Relay architectures:

LTE-A省電機制(Power Saving Mechanism) Discontinuous Reception/Transmission (DRX/DTX) Two kinks of cycles: Short Cycle Long Cycle Each cycle has one listen window and one sleep window. 37

Operation of DRX Short Cycle data arrival: 每次資料結束, 都會啟動此Inactive Timer 無資料, 則等下一次 shortDRX-Cycle 38

Trigger of DRX Long Cycle LongDrxCycle 期間, 若有任 何data, 則回到 ShortDrxCycle 在此期間, ShortCycle持續進行 在Short Cycle時, 每次drxInactiveTimer結束後, 啟動此drxShortCycleTimer (預備進入Long Cycle) drxShortCycleTimer 結束, 進入LongDrxCycle 39

(Data prepared by Dr. J.-M. Liang) Thank You. (Data prepared by Dr. J.-M. Liang)