Draadloos internet op de trein: onderzoek van de throughput bij Mobile WiMAX

Draadloos internet op de trein: onderzoek van de throughput bij Mobile WiMAX Viktor Petrov

Promotor: prof. dr. ir. Ingrid Moerman Begeleiders: ir. Daan Pareit, lic. Dries Naudts Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: computerwetenschappen

Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Daniël De Zutter Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2008-2009

Draadloos internet op de trein: onderzoek van de throughput bij Mobile WiMAX Viktor Petrov

Promotor: prof. dr. ir. Ingrid Moerman Begeleiders: ir. Daan Pareit, lic. Dries Naudts Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: computerwetenschappen

Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Daniël De Zutter Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2008-2009

VOORWOORD

iv

Voorwoord Een vos kwam op zijn dagelijkse wandeling door het bos een konijntje tegen. “Hey daar, hoe gaat het ermee?”, zei Renard, “wat spook je zoal uit dezer dagen?” “Ik ben mijn literatuurstudie over hoe konijntjes vossen opeten stilletjes aan aan het afronden”, sprak Bunny. “Laat me niet lachen, vriend, dat kan toch helemaal niet!”, bulderde de vos. “Als je het een interessant onderwerp vindt, moet je maar eens meekomen naar mijn woonst. Ik toon je ineens wat van mijn recent werk.” Ze dalen beiden af onder de grond en na een tijdje komt het konijn gelukzalig glimlachend buiten en legt het zich languit op het gras. In de verte komt een wolf aangelopen: “Hallo, druk bezig, zie ik”, sprak de wolf. “Ik ben de structuur het tweede hoofdstuk van mijn thesis aan bedenken: ‘Hoe konijnen wolven verorberen’ is de titel.” “Ben je helemaal gek? Welke zijn je bronnen daarover?” “Kom mee en ik zal ze je voorleggen.” Ze verdwijnen naar binnen. Na een tijdje kruipt het konijn opnieuw opgetogen uit zijn holletje en legt zich languit op het gras aan de ingang. “Maak je geen zorgen, Leo. Ik ruim de botjes straks wel op voor je.”, roept Bunny nog naar binnen alvorens zijn siësta aan te vangen. Het moraal: de titel van de thesis is niet belangrijk. Het onderwerp van de thesis is niet belangrijk. Het onderzoek is niet belangrijk. Het enige wat echt belangrijk is, is een ijzersterke begeleider! Het bovenstaande stukje geeft in een zekere zin weer hoeveel ik te danken heb aan mijn rechtstreekse begeleider Daan Pareit. Steeds was hij bereid om tijd vrij te maken om problemen op te lossen en goede raad te geven. Altijd kreeg ik tijdig antwoord op mails. Nooit was hij te beroerd om mee te wroeten door de ellenlange IEEE standaarden. Bedankt, Daan.

Graag bedank ik ook mijn promotor, prof. Ingrid Moerman, voor de waardevolle commentaar tijdens de tussentijdse evaluaties. Uiteraard vergeet ik mijn ouders niet die me de kans gaven de studie af te ronden. Ik besef ondertussen wel hoeveel inspanning dat van jullie vergde. In één adem wil ik ook Anne-Marie danken omdat ze me vaak de moed gaf om te door werken en mijn geklaag aanhoorde. Aan de vooravond van de deadline blik ik ook graag nog eens terug op het voorbije jaar. Het was ongetwijfeld een jaar dat volledig brak met het gezapige verloop van al die jaren ervoor. De druk van de thesis bleef onverminderd boven het hoofd hangen en toch voelde je je vrijer dan ooit. Geen feestje werd overgeslagen, geen goliarde onbezocht. En als het erop aankwam in december slaagden we erin om een aanvaardbare collectie code, tekst of formules bijeengeschreven te hebben. We hadden tenslotte ervaring genoeg om een tandje bij te steken en door te werken tot het af was. De motivatie kwam dan uit het zalig gevoel dat wij ons straks ingenieur mochten noemen. Nu de laatste hand aan het boek gelegd is, resten mij enkel de goede herinneringen aan mijn studies, een sterk diploma en een aantal goede vrienden.

Viktor Petrov, juni 2009

TOELATING TOT BRUIKLEEN

vi

Toelating tot bruikleen

“De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.”

Viktor Petrov, juni 2009

Draadloos internet op de trein: onderzoek van de throughput bij Mobile WiMAX door Viktor Petrov Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: computerwetenschappen Academiejaar 2008–2009 Promotor: Prof. Dr. ir. I. Moerman Begeleiders: ir. D. Pareit en lic. D. Naudts Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: Prof. Dr. ir. D. De Zutter

Samenvatting Waar men bij Mobile WiMAX (IEEE 802.16e-2005) vaak data rates op de fysische laag van het OSI model aanhaalt, analyseren en vergelijken we in dit werk de throughput op de datalink laag. We onderzoeken de impact van verschillende parameters zoals het aantal gebruikers, de pakketgrootte afgeleverd door de hogere lagen, bandbreedte, modulatie, ... We bestuderen het gebruik van Mobile WiMAX als toegangstechnologie voor het internet op de trein en onderzoeken de mogelijkheden om de throughput te optimaliseren door het benutten van enkele intrinsieke eigenschappen van WiMAX zoals het gebruik van pakketbundeling op de MAC laag.

Trefwoorden Internet op de trein, throughput, Mobile WiMAX, IEEE 802.16e-2005

Wireless internet on the train : an investigation of Mobile WiMAX throughput Viktor Petrov Supervisor(s): Ingrid Moerman, Daan Pareit, Dries Naudts Abstract— This article tries to explore the potential of Mobile WiMAX as the upcoming wireless broadband technology. It examines the data rate on both physical (PHY) and MAC layer and assesses the possible influence of built-in packing mechanisms that boost the throughput. It also contains a case study on the application of Mobile WiMAX as the access technology to connect a train with the mainland. Keywords— Internet on the train, throughput, Mobile WiMAX, IEEE 802.16e-2005

E

I. M OTIVATION

VER since its introduction it has been clear that WiMAX will become serious competition for conventional broadband internet access technologies in delivering last-mile wireless broadband access. It has serious advantage on cable and DSL in sparsely populated rural areas where it may not been economically viable to install or upgrade land lines and local exchanges. It is an ongoing topic of research how this new technology will perform for different purposes. WiMAX (or some kind of variant thereof) is nowadays sometimes used for providing a data connection between the train and the mainland [1]. II. A PPROACH Many are blinded by the high advertised data rates up to 74 Mbps and ranges up to 30 km promised by the WiMAX vendors. In reality the data rate an application can send at, is a lot lower considering the required PHY, MAC and coding overhead. In this article we make a clear distinction between the rather misleading physical data rate and the highest possible data rate WiMAX can offer to Layer 2. We look deeper into the MAC layer with its features and restrictions and evaluate several factors that have influence on the MAC data rate. III. PHY THROUGHPUT

Fig. 1. Overhead in a WiMAX TDD frame [2]

arate the overhead from data bursts, we define it to be all bits that don’t carry actual data. According to this definition, overhead consists of PHY preamble, Frame Control Header (FCH), DL-MAP and UL-MAP in downlink and the ranging channel in uplink. MAC headers and subheaders are also part of both downlink and uplink overhead. Excluding the overhead from the frame leaves only zone A (solid line border) available for downlink and zone A’ for uplink data bursts together with coding bits that also need to be transported in the same zone. We then performed both uplink and downlink MAC throughput calculations, taking into consideration slot granularity, channel bandwidth, frame length, cyclic prefix, DL/UL ratio, modulation and subcarrier permutation scheme. Results of which are depicted in Fig. 2 and Fig. 3. The modulation will play an important role: the more bits per symbol it permits the higher the throughput. Of course there’s a downside to it: connections to fast moving vehicles tend to have a bit error rate (BER) that hinders a successful decode process at the receiver. A glance on Fig. 2 will give the reader a better understanding of how the UL throughput changes with a better modulation.

The literature is inconsistent about the physical data rate calculations in which mainly two different formulas are being used. As it happens, considering one OFDM symbol time or taking in account a whole frame with it’s boundaries, will yield a slightly different solution. We propose to base the formula on the relation between the number of OFDM symbols and frame duration. Dividing both and considering the number of databits per modulation symbol generates very appropriate values. IV. MAC THROUGHPUT A. Calculations We consider an OFDMA frame for Time Division Duplexing (TDD) (Fig. 1). It consists of downlink (DL) and uplink (UL) subframes, separated by Transmit Transition Gap (TTG) and Receive Transition Gap (RTG) respectively. In order to sep-

Fig. 2. UL MAC throughput versus packet size for different modulations

The resulting MAC data rate are upper bounded by the PHY data rate from section III. It’s a good criterion to measure the

B. Simulations

Fig. 3. DL MAC throughput versus packet size for a different number of users for 16-QAM 12

The OPNET WiMAX model we used is unfortunately not fully developed yet. It lacks support for MAC packing and PHS but more important it takes a simplified approach to filling up the downlink subframe. The model assumes a whole number of OFDM symbols dedicated for the UL-MAP, DL-MAP and FCH opposing to what the standard [2] depicts in Fig. 1. You can see clearly that Burst #2 extends onto OFDMA symbol k + 3 which at the same time carries a part of the DL-MAP. Such a placement is not accepted in the OPNET model what makes the simulations not suited as a validation since they don’t illustrate our findings. The problem however doesn’t re-occur for the uplink and there the performed simulations confirm our calculations. V. I NTERNET ON THE TRAIN

ratio of the MAC throughput to the PHY throughput. This ratio, which we call MAC efficiency of WiMAX, reaches a maximum of 93,3 % in the downlink and 98,5 % in the uplink depending on the packet size and number of users. Those are high values in comparison with that other well known wireless technology Wi-Fi which reaches only about 75 %. Next, we define several factors which influence the MAC throughput. A higher number of users increases the size of the MAP. Hence it influences only the downlink data rate: the maximal DL throughput at the Base Station (BS) to 2 users is 1,1 % lower and to 10 users 9,8 % lower compared to a single DL user. The packet size of incoming packets is important for the number of Generic MAC headers (GMH) that have to be sent over the air. Larger packets will require less headers keeping the overhead low and consequently the throughput high. One can observe the the influence in Fig. 2 and Fig. 3. Packing of several higher layer packets into a single WiMAX MAC packet will benefit streams with small packets e.g. VoIP. MAC packing (Fig. 4) replaces the 6 byte GMH with a 3 byte packing subheader (PSH) in front of every included small packet and is thus advantageous when three or more packets get combined. Packing can be fully employed in case of one train per cell because the BS can concentrate all its effort on scheduling the traffic in a very efficient way.

Fig. 4. Packing of several MAC SDU’s into one PDU [2]

We can observe a very specific cell occupancy pattern as we think about using WiMAX as an access technology for internet on the train. A BS covering a station could have to serve around 10 trains at once but a BS next to the tracks will have no more than one or two trains as its clients. From Fig. 2 we can see that the maximum UL throughput for 16-QAM 12 reaches 2,27 Mbps. This bandwidth that has to be divided among the trains in the cell. Lannoo et al. state that the static bandwidth assigned to the user is set at 25 kbit/s downlink and 6.25 kbit/s uplink. This is comparable to a user experience of 1 Mbit/s downlink as not everyone is using the connection constantly at the same time, e.g. surfing and e-mailing. Elaborating on this conclusion we calculate that 139 passengers will be able to enjoy a broadband internet experience per cell. When there’s only one train in the cell, the BS can exploit MAC packing in order to boost the throughput. On the other hand, the BS that has to cover a train station should be planted in vicinity of it so that the BS can make use of a better modulation. 64-QAM 43 has a 120 % throughput advantage over 16-QAM 12 and that advantage can be made even higher with the use of advanced MIMO techniques and beamforming since we know the relative position of the BS to the train station. At the train stations however, one can also prefer to combine Wi-Fi and WiMAX in an intelligent way. VI. C ONCLUSION WiMAX has a very well performing MAC layer that adds only a small overhead keeping up to 93 % of the DL and up to 99,3% of the UL PHY rate available for data. Several factors originating from both the network load as the WiMAX configuration will have their own, positive or negative, influence on the MAC data rate. MAC packing is found to be a solid technique to boost the MAC traffic containing small packets with about 2 %. R EFERENCES

Packing Header Suppression (PHS) reduces the combination IPv4, RTP andn UDP headers to 35 % of its original size, raising the effective application throughput even more. We find that piggybacking a bandwidth request with a data containing packet reduces the request overhead to almost zero. Restarting a contention based procedure each time a subscriber station (SS) has data to send is catastrophic for the throughput reducing it with more than 10 %.

[1] Piet Demeester, Bart Lannoo, and Jan Van Ooteghem. Internet on the train. In FITCE Always ‘ON’: Internet on the Train, December 2008. [2] IEEE 802.16e 2005. IEEE Standards for Local and Metropolitan Area Networks - Part16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and Corrigendum 1. February 2006. [3] B. Lannoo, J. Van Ooteghem, D. Pareit, T. Van Leeuwen, D. Colle, I. Moerman, and P. Demeester. Business model for broadband internet on the train. In The Journal of The Institute of Telecommunications Professionals, volume 1, pages 19–27, 2007.

INHOUDSOPGAVE

x

Inhoudsopgave Voorwoord

iv

Toelating tot bruikleen

vi

Overzicht

vii

Extended abstract

viii

Inhoudsopgave

x

Lijst van afkortingen

xii

1 Inleiding 1.1 Internet op de trein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Naar een gedetailleerde berekening van de WiMAX data rate . . . . . . 2 WiMAX als toegangstechnologie 2.1 IEEE 802.16 standaarden . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Fysische laag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing basis 2.2.2 Subchannelization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Subcarrier permutatieschema’s . . . . . . . . . . . 2.2.4 PHY frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 PHY parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 MAC laag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Convergence Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Common Part Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Frame Control Header, DL-MAP en UL-MAP . . 2.3.4 MAC Packet Data Unit . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Packing en fragmentatie . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Service Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7 Bandbreedte aanvraag en toewijzing . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

1 1 3 4 6 6 7 7 7 8 10 11 13 13 15 16 19 23 25 26

INHOUDSOPGAVE

xi

3 Theoretische bepaling van de throughput op de PHY laag 3.1 Data rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Ogenblikkelijke data rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Data rate voor het datadeel per frame . . . . . . . . . . 3.1.3 Data rate voor het datadeel van een subframe per frame 3.1.4 Conclusie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

30 30 30 31 32 32

4 Theoretische bepaling van de throughput op de MAC laag 4.1 MAC overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Opstellen formule voor overhead en throughput . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Bepaling van de overhead in steady state regime in standaard operatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Bepaling van de throughput in steady state regime in standaard operatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Invloed van externe factoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Invloed van de pakketgrootte op de overhead en de throughput . 4.3.2 Invloed van het aantal gebruikers op de overhead en de throughput 4.3.3 Gecombineerde invloed van het aantal gebruikers en de pakketgrootte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Invloed van WiMAX specifieke factoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Invloed van de modulatie op de overhead en de throughput . . . 4.4.2 Invloed van de bandbreedte aanvraag op de throughput . . . . . 4.4.3 Invloed van de MAC packing op de overhead en de throughput . 4.4.4 Invloed van Packet Header Suppression op de overhead . . . . . 4.5 Vergelijking met de fysische data rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Vergelijking met Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34 34 36

5 Validatie van de throughputberekeningen 5.1 Simulaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Uplink throughput . . . . . . . . . 5.1.2 Downlink throughput . . . . . . . . 5.2 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

62 62 63 65 67

6 WiMAX als toegangstechnologie voor het internet op de trein 6.1 Throughput onderweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Throughput in de stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68 68 69

7 Besluit en toekomstverwachtingen

70

Bibliografie

72

Lijst van figuren

75

Lijst van tabellen

77

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

38 41 41 41 44 46 47 47 49 52 56 58 60

Lijst van afkortingen

Lijst van afkortingen AMC ARQ BE BER BRH BS BW-REQ BWA CDMA CID CP CPS CRC CS CSMA/CA CSMA/CD CSRC DIUC DL DL-MAP IE DSL ECRTP FC FCH FEC FSH FSN FUSC GMH GMS GPRS

Adaptive Modulation and Coding Automatic Repeat reQuest Best Effort Bit Error Rate Bandwidth Request Header Base Station Bandwidth Request Broadband Wireless Access Code Division Multiple Access Connection Identifier Cyclic Prefix Common Part Sublayer Cyclic Redundancy Check Convergence Sublayer Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Contributing Synchronisation Sources Downlink Interval Usage Code Downlink Downlink Map Information Element Digital Subscriber Loop Enhanced Compressed RTP Fragment Control Frame Control Header Forward Error Correction Fragmentation Subheader Fragment Serial Number Full Usage of Sub-channels Generic MAC Header Grant Management Subheader General Packet Radio Service

xii

Lijst van afkortingen HT ISI MAC MIMO MPEG nrtPS OFDM OFDMA OSI PDU PHS PHSF PHSI PHSM PHSV PM PSH PUSC QoS ROHC RTG RTP rtPS SDU SFID SOHO SS SSRC TCP TDD TTG UDP UGS UIUC UL UMTS VC WiMAX

Header Type InterSymbool Interferentie Media Access Control Multiple Input Multiple Output Moving Pictures Experts Group Non-real-time polling service Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Open Systems Interconnection Packet Data Unit Packet Header Suppression PHS Field PHS Index PHS Mask PHS Verify Poll Me Packing Subheader Partial Usage of Sub-Channels Quality of Service Robust Header Compression Receive Transition Gap Realtime Transport Protocol Real-time polling service Service Data Unit Service Flow ID Small Office Home Office Subscriber Station Synchronisation Source Transmission Control Protocol Time-Division Duplex Transmit Transition Gap User Datagram Protocol Unsolicited Grant Service Uplink Interval Usage Code Uplink Universal Mobile Telecommunications System Virtual Channel Worldwide Interoperability for Microwave Access

xiii

INLEIDING

1

Hoofdstuk 1 Inleiding Duizenden mensen maken dagelijks gebruik van het internet en hun leven raakt steeds meer verweven met het world wide web. Wie geen toegang tot het internet heeft, telt vandaag al bijna niet meer mee. Je moet maar even voor jezelf nagaan hoeveel uitnodigingen enkel per e-mail worden verstuurd en van welke gebeurtenissen je nooit weet zou gehad hebben zonder het internet. Het is een evolutie eigen aan de moderne maatschappij en we raden het niet aan om er je er bewust tegen af te zetten. Maar hoe hard je je leven erdoor laat be¨ınvloeden, heb je zelf in de hand... Er zijn voorspellingen gedaan dat men in 2010 meer tijd op het internet zal doorbrengen dan voor de televisie [1]. Wat opvalt hierbij is dat het gebruik van het internet op een conventionele desktop zijn daling zal verderzetten ten koste van laptops, mobiele telefoons en andere consumentenelektronica. De gebruikers van de laatstgenoemde groep zwengelen automatisch de vraag aan om overal mobiel te kunnen surfen en verschillende operatoren springen graag op deze mobiele trein. Ook een aantal spoorwegmaatschappijen over de wereld heen hebben al een tijdje de meerwaarde ingezien van het aanbieden van draadloos internet in hun treinstellen. Hoewel het businessmodel en de technologie nog onvolmaakt zijn, geloven ze in de glorieuze toekomst ervan.

1.1

Internet op de trein

Internet op de trein heeft al een lang testparcours doorstaan. Sinds 2003 zijn er reeds pilootprojecten in Canada, UK, Zweden en Spanje voor het aanbieden van draadloos internet aan de treinreizigers. Een volledig overzicht van deze projecten kan je terugvinden in Figuur 1.1. In deze vroege stadia lag de focus voornamelijk op hybride oplossingen waarbij steevast data over een satelliet verbinding werd verstuurd. De satelliet in de downlink werd aangevuld met mobiele technologieën zoals General Packet Radio Service (GPRS) en Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) voor het uplink verkeer. Hoe langer hoe meer wordt er getracht de satellietlink overbodig te maken omdat deze voor vele applicaties een onaanvaardbare delay introduceert. Tech-

1.1 Internet op de trein

2

Figuur 1.1: Overzicht field trials en deployments van WiMAX [2]

nologieën zoals Wi-Fi, EDGE, UMTS en WiMAX komen dan naar voor als valabele kandidaten. Dichter bij ons wordt sinds einde 2008 in Frankrijk draadloos internet aangeboden op de TGV lijnen. Als alles volgens plan verloopt, zullen 52 TGV’s in 2010 uitgerust

1.2 WiMAX

3

zijn met de technologie die steunt op een satelliet of UMTS verbinding bijgestaan door Wi-Fi relays op de grond [3]. Dat er toekomst in zit, wordt aangetoond door studies die concluderen dat pendelaars veel sneller bereid zijn hun wagen aan de kant te laten als ze op de trein een aantal zaken voor hun werk kunnen uitvoeren.

1.2

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) staat voor de belofte om breedband internet draadloos te maken en tegelijkertijd een nog bredere groep potentiële gebruikers ervan te laten genieten. Er worden WiMAX vele voordelen aangemeten zoals een bereik van 30 km en transportsnelheden van 74 Mbps. Hoewel beide waardes met scepsis moeten worden bekeken voor praktische toepassingen, wordt de WiMAX Broadband Wireless Access (BWA) op termijn dus beschouwd als een alternatief en/of aanvulling voor kabel en DSL internet. Twee typische toepassingsgebieden van WiMAX zijn voor gesteld op Figuur 1.2.

Figuur 1.2: Overzicht mogelijke toepassingen van WiMAX [5]

Residenti¨ ele en Small Office Speed Internet Toegang Op het gebied van last-mile technologieën moet WiMAX opboksen tegen de gevestigde en beproefde waarden: kabel en DSL. Om in de ge¨ındustrialiseerde landen in competitie te kunnen treden zal WiMAX dus zijn troeven moeten uitspelen: geen vaste aansluitingen nodig, internettoegang voor gebruikers op andere locaties dan thuis, ... WiMAX biedt nu al een meer betrouwbare internetoplossing in ontwikkelingslanden waar de landlijnen van slechte kwaliteit zijn [4].

1.3 Naar een gedetailleerde berekening van de WiMAX data rate

4

Een groot nadeel van WiMAX is de beperktheid van het draadloos spectrum. Als WiMAX uitgerold wordt in een dicht bevolkt gebied, stijgt de kans dat de beschikbare bandbreedte onvoldoende zal zijn om tegemoet te komen aan de noden van een uitgebreid klantenbestand. Backhaul WiMAX kan gebruikt worden als backhaul om veraf gelegen of moeilijk bereikbare gebieden te voorzien van breedband internet. Het is voordelig in omstandigheden waarbij een kabel trekken teveel tijd en kosten vraagt. Daarnaast kan WiMAX zijn toepassing vinden als de verbinding tussen het core netwerk en de bestaande Wi-Fi hotspots.

Als we de manier bekijken waarop Wi-Fi in een mum van tijd een gegeerd alternatief is geworden voor snellere vaste ethernet lijnen, is het zeer moeilijk in te beelden dat WiMAX geen enorme impact zal hebben op privé en bedrijfsbreedbandnetwerken.

1.3

Naar een gedetailleerde berekening van de WiMAX data rate

Deze masterproef onderzoekt het potentieel van Mobile WiMAX als een opkomende draadloze breedbandinternettechnologie. Wij onderzoeken de data rate op zowel de fysische (PHY) als de Media Access Control (MAC) laag en schatten de mogelijke invloed in van WiMAX specifieke packing mechanismes die de throughput kunnen omhoogstuwen. De data rate van WiMAX is reeds veelvuldig berekend in verschillende boeken, artikels en technische rapporten. Maar in het overgrote merendeel van de documenten vind je enkel de fysische data rate terug wanneer er over de snelheid van WiMAX gesproken wordt. We aanzien dit als een tekortkoming om de werkelijke snelheid van WiMAX in te schatten en de mogelijkheden van de technologie correct te beoordelen. Velen geraken namelijk verblind door de data rate van 74 Mbps en de range van 30 km die geadverteerd worden door de producenten van WiMAX apparatuur. In realiteit is de data rate die een applicatie kan gebruiken een heel stuk lager dan dat. Pas als de noodzakelijke fysische, MAC en code overhead in rekening gebracht is, kan men een uitspraak doen over de werkelijke data rate die aangeboden kan worden. Het resultaat van zulke berekeningen vindt men vrijwel nergens in de literatuur terug en die leemte proberen we met deze thesis op te vullen. Enkel in [6] wordt een poging gedaan om de MAC data rate te berekenen maar de bevindingen zijn onvoldoende gestaafd met formules. In deze masterproef zullen we dus een duidelijk onderscheid maken tussen de eerder misleidende fysische data rate en de hoogst mogelijke data rate die WiMAX aan laag 2

1.3 Naar een gedetailleerde berekening van de WiMAX data rate

5

kan aanbieden. We leggen de rekenwijze nauweurig uit zodat de complete gevoerde redenering kan worden gevolgd. Dit werk vat aan met een meer technische omschrijving van de IEEE 802.16 standaard. In hoofdstuk 2 wordt dieper ingegaan op alle facetten van de fysische en de MAC laag die noodzakelijk zijn om de verdere berekeningen te kunnen begrijpen. In hoofdstuk 3 en hoofdstuk 4 wordt respectievelijk de througput van de fysische laag en de MAC laag bepaald. De invloed van de technieken voor het bundelen van pakketjes die WiMAX voorziet, wordt onderworpen aan een nauwkeurige analyse. In hoofdstuk 5 volgt een verificatie van de uitgevoerde berekeningen door simulaties in OPNET. Alvorens een finale conclusie te trekken in hoofdstuk 7 is er nog een use case van WiMAX als toegangstechnologie voor het internet op de trein in hoofdstuk 6.

WIMAX ALS TOEGANGSTECHNOLOGIE

6

Hoofdstuk 2 WiMAX als toegangstechnologie 2.1

IEEE 802.16 standaarden

Het WiMAX trademark werd ge¨ıntroduceerd door het WiMAX Forum® [7], een consortium dat een aantal bedrijven groepeert en die als doel heeft de familie van de IEEE 802.16 standaarden te promoten. De opzet is dus gelijkaardig aan het Wi-Fi label dat door de Wi-Fi Alliance [8] wordt uitgedeeld voor technologie die gebaseerd is op de IEEE 802.11 standaard. De IEEE 802.16-2004 [9] die gepubliceerd werd in 2004 was vroeger bekend als IEEE 802.16d. De IEEE 802.16e-2005 [10] is een amendment én corrigendum daarvan en werd definitief afgerond in 2006. “WiMAX” is dus geen standaard maar een label voor technologische specificaties van de IEEE 802.16-2004 en IEEE 802.16e-2005 standaarden die geselecteerd, ondersteund en gecertificiëerd zijn door het WiMAX Forum® . Verschillende subsets worden “profiles” genoemd en worden gedefinieerd in [13]. Door te voldoen aan de WiMAX profiles kunnen de fabrikanten een certificaat verkrijgen van een onafhankelijk testlabo en kunnen ze interoperabiliteit garanderen met producten van andere fabrikanten. De IEEE 802.16e-2005 is niet achterwaarts compatibel met zijn voorganger waardoor veel geleverde inspanningen qua ontwikkeling en uitrol nutteloos zijn gebleken. Door de snelle opvolging en opvallende verbetering zullen de fabrikanten en operatoren dus eerder de IEEE 802.16e-2005 standaard gebruiken. Baseert men zich op de IEEE 802.16e-2005, dan spreekt men over Mobile WiMAX en verraadt die naam ineens de grootste vooruitgang van deze iteratie: daar waar IEEE 802.16-2004 voorzien was voor statische gebruikers, voorziet IEEE 802.16e-2005 een volwaardig handover mechanisme en ondersteunt dus het volledige spectrum van vaste, nomadische, draagbare en mobiele oplossingen voor gebruikers die zich tot 120 km h−1 kunnen verplaatsen. Bij WiMAX profiles die gebaseerd zijn op IEEE 802.16-2004 spreekt men dan soms over Fixed WiMAX. In het kader van het ’Internet op de trein’ ligt het voor de hand dat we ons vooral

2.2 Fysische laag

7

zullen toespitsen op de IEEE 802.16e-2005 standaard.

2.2

Fysische laag

De WiMAX fysische laag is gebaseerd op de OFDM air interface. Door de hoge flexibiliteit is het de ideale keuze voor hoge snelheids dataverbindingen, video en multimedia communicatiesystemen. In deze sectie wordt de basis van OFDM verklaard en wordt er een overzicht gegeven van de WiMAX fysische laag.

2.2.1

Orthogonal Frequency Division Multiplexing basis

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) behoort tot de familie van transmissieschema’s die multicarrier modulatieschema’s worden genoemd. Het idee erachter is dat een datastroom met hoge bitsnelheid opgesplitst wordt in meerdere parallelle datastromen met lagere snelheid die elk op afzonderlijke subcarriers of tones worden gemoduleerd. Er wordt voor gezorgd dat de gemoduleerde stromen steeds orthogonaal zijn zodat ze niet interfereren met elkaar. Dit is ook de techniek die gebruikt wordt in IEEE 802.11a en g [11]. Multicarrier modulatieschema’s hebben een positief effect op de intersymbool interferentie (ISI). Doordat de data rate per deelstroom lager is dan in de hoofdstroom, wordt de symbooltijd -die omgekeerd evenredig is aan de data rate- verhoogd. Dat heeft als gevolg dat de delays -die ge¨ınduceerd worden door multipad propagatie in het kanaalinsignificant genoeg (ongeveer 10 %) worden tegenover de symbooltijd. Zo’n delay verstoort nauwelijks het correct decoderen van het ontvangen symbool. Toch zal men de ISI volledig willen elimineren door het toevoegen van een guard interval tussen twee OFDMA symbolen. Als deze langer wordt gemaakt dan de verwachte vertraging zal de ISI volledig verdwijnen. Uiteraard brengt dit een vermindering van de datasnelheid en verlies aan vermogen met zich mee waardoor bij de implementatie een weldoordachte afweging moet worden gemaakt tussen performantie en decodeercomplexiteit. IEEE 802.16 bepaalt twee soorten OFDM air interfaces: een ervan is in de standaard WirelessMAN-OFDM genaamd en de andere WirelessMAN-OFDMA(1) . We refereren ernaar met respectievelijk OFDM en OFDMA in de verdere tekst.

2.2.2

Subchannelization

Subchannelization is het partitioneren van de beschikbare subcarriers in een aantal sets die we subchannels noemen. Fixed WiMAX, die gebaseerd is op OFDM, beschikt IEEE 802.16 specificieert hiernaast ook single carrier air interfaces: WirelessMAN-SCa en WirelessHUMAN (1)

WirelessMAN-SC,

2.2 Fysische laag

8

enkel over een beperkte vorm van subchannelization in de uplink. De standaard definieert 16 subchannels, waarvan 1, 2, 4, 8, of alle 16 kunnen toegewezen worden aan de Subscriber Station (SS) in de uplink. Dat geeft de gebruiker van fixed WiMAX de mogelijkheid om slechts een fractie (zelfs 1/16) van de door de Base Station (BS) toegewezen bandbreedte te gebruiken. Dat heeft als voordeel dat de gebruiker zijn vermogen kan concentereren en zo een betrouwbaardere transmissie tot stand brengen (subchannelization gain genoemd) of de batterijduur verlengen. OFDMA in Mobile WiMAX voorziet subchannelization in zowel uplink als downlink en daarbij is de subchannel de mimimale frequentie eenheid die kan worden toegekend. Verschillende subchannels kunnen dus toegewezen worden aan verschillende gebruikers. Een en ander wordt duidelijk in Figuur 2.1 waar we het verschil tussen OFDM en OFDMA grafisch voorstellen op een tijd-frequentiegrafiek waarbij elke kleur een andere gebruiker voorstelt. Een gebruiker in OFDM mode zal heel het kanaal ter zijner beschikking krijgen in één bepaald tijdsslot terwijl dat slechts een deel ervan zal zijn als er in OFDMA mode geopereerd wordt. In essentie is het principe van OFDMA dat verschillende gebruikers de upstream frequentie ruimte onderling delen en dus parallel data naar de Base Station (BS) kunnen doorsturen of van de BS kunnen ontvangen in hun eigen toegewezen subchannel(s). De voordelen van OFDMA springen zo naar voor: een hogere granulariteit zorgt voor minder verspilling van de beschikbare frequentieruimte als de gebruiker slechts weinig data per tijdsslot te versturen heeft.

Figuur 2.1: Vergelijking OFDM en OFDMA modulatieschema’s

2.2.3

Subcarrier permutatieschema’s

Subchannels kunnen ofwel gevormd zijn uit naast elkaar liggende subcarriers ofwel uit pseudowillekeurig over het frequentie spectrum verspreide subcarriers. We bespreken de drie mogelijke schema’s.

2.2 Fysische laag

9

Adaptive Modulation and Coding Dat is de techniek waarbij alle subcarriers van een subchannel aanliggend zijn. Deze methode is vooral geschikt voor beamforming en buit de multi-user diversiteit goed uit [15]. Partial Usage of Sub-channels Alle subcarriers worden eerst opgedeeld in 6 groepen waarna de permutatie van de subcarriers om de subchannels te creëren per groep onafhankelijk gebeurt. De exacte methode van uitvoering verschilt bij downlink en uplink [15]. DL Partial Usage of Sub-channels (PUSC) De parameters gerelateerd aan de DL PUSC zijn te vinden in Tabel 2.1. Tabel 2.1: Parameters van subcarrier permutatieschema’s voor een kanaalbreedte van 5MHz

Data subcarriers per subchannel Aantal subchannels Data subcarriers Pilot subcarriers Linker guard subcarriers Rechter guard subcarriers DC subcarriers

DL PUSC

UL PUSC

FUSC

24 15 360 60 46 45 1

16 17 272 68 86 85 1

48 8 384 42 43 42 1

UL PUSC De parameters gerelateerd aan de UL PUSC zijn te vinden in Tabel 2.1.

Full Usage of Sub-channels Bij deze techniek wordt in de downlink elke subchannel samengesteld uit 48 subcarriers die verspreid kunnen liggen over de gehele frequentieband. Eerst legt de BS de pilot subcarriers vast waarna de overblijvende subcarriers gemapt worden op de subchannels. De gehele set van pilot subcarriers wordt verdeeld in twee constante sets en twee variabele sets. De index van de pilot subcarriers die uit de variabele set komen, verandert van symbool tot symbool terwijl de index van de subcarriers uit de constante set onveranderd blijft. Het bestaan van de variabele set biedt aan de ontvanger de mogelijkheid om de kwaliteit van het kanaal beter te monitoren. De parameters gerelateerd aan de DL Full Usage of Sub-channels (FUSC) zijn te vinden in Tabel 2.1.

2.2 Fysische laag

2.2.4

10

PHY frame

De huidige Mobile WiMAX profiles gebruiken steeds Time-Division Duplex (TDD) als multiplexeringstechniek. WiMAX is zeer flexibel wat betreft de multiplexering van verschillende users en pakketten in een enkele frame (Figuur 2.2). Het downlink subframe

Figuur 2.2: De PHY TDD frame van 802.16e met downlink en uplink gedeelte [10]

heeft plaats voor meerdere databursts van variërende groote en deze bursts kunnen meerdere pakketten van een hogere laag omvatten welke al dan niet geconcateneerd zijn (zie 2.3.5). Het uplink subframe, gescheiden van het downlink (DL) subframe door een Transmit Transition Gap (TTG), bestaat uit meerdere uplink bursts van verschillende gebruikers. Een deel van het subframe, het ranging subkanaal, is bestemd voor contentiegebaseerde toegang en wordt gebruikt voor vele doeleinden: closed-loop frequentie, tijds- en vermogenaanpassing tijdens de toegang tot het netwerk alsook regelmatig erna. Het ranging subkanaal wordt ook gebruikt door subscriber stations om bandwidth requests uit te sturen. Daarnaast mag ook best-effort data verstuurd worden over dat kanaal onder voorwaarde dat de hoeveelheid data te klein is om er een apart kanaal voor aan te vragen. Slot De standaard [9] definiëert het begrip slot als de kleinst mogelijke hoeveelheid data die gealloceerd kan worden. Afhankelijk van uplink of downlink en de subcarrier permutatietechniek is een slot anders van structuur.

2.2 Fysische laag

11

DL FUSC Een slot is één subchannel over één OFDMA symbool DL PUSC Een slot is één subchannel over twee OFDMA symbolen UL PUSC Een slot is één subchannel over drie OFDMA symbolen

Vergelijkend met de data in 2.2.3 stellen we vast dat voor elke permutatietechniek een slot 48 data subcarriers bevat. Er is bewust voor gekozen dat een slot bij dezelfde modulatie steeds evenveel bytes data bevat voor elke permutatie, omwille van de eenvoudigere berekeningen en verwerking door de hardware. Alle data allocaties door de BS gebeuren in een veelvoud van slots. Het voordeel is uiteraard de eenduidige afbakening van de dataregio’s. Daar tegenover staat dat het maar soms zal voorkomen dat een slot onvolledig gevuld werd met data en aangevuld moest worden met padding bits door de SS. Hierdoor worden dus bytes verspild.

2.2.5

PHY parameters

De parameters die een rol spelen in de berekening van de data rate in de volgende hoofdstukken worden opgesomd in Tabel 2.2 en Tabel 2.3. Parameter

Symbool

Waarde

kanaal bandbreedte frame lengte cyclische prefix subchannel permutatie DL/UL ratio

BW Tf CP

5 MHz 5 ms 1 8

PUSC 26/21

Tabel 2.2: Belangrijkste gekozen WiMAX parameters

Het WiMAX Forum® heeft voor de variëteit aan parameters een profile [13] voorgesteld waarin per parameter mogelijke subsets van waarden worden gedefiniëerd. De subset in Tabel 2.2 wordt in de literatuur vaak aangenomen als een basissubset. Daarom worden die waardes gebruikt in deze thesis om de waardes in Tabel 2.3 en de numerieke uitkomsten in verdere hoofdstukken te bekomen. De waardes opgenomen in Tabel 2.3 volgen uit de volgende formules: Fs = BW · n ∆f =

Fs · 1000 Ndata

(2.1) (2.2)

2.2 Fysische laag

12

Parameter

Symbool

Waarde

sampling frequentie aantal subcarriers sampling factor subcarrier spacing nuttige symbooltijd guard tijd OFDM symbooltijd OFDM symboolrate OFDM symbolen per frame

Fs Nsc n ∆f Tb Tg Ts Rs Nsymb

5,6 MHz 512 28 25

10,9375 kHz 91,429 µs 11,429 µs 102,857 µs 9722,222 symb s 48

Tabel 2.3: Belangrijkste berekende WiMAX parameters

Tb =

1000 ∆f

(2.3)

Tg = Tb · CP

(2.4)

Ts = Tb + Tb 1000 · Tf Nsymb = Tb

(2.5) (2.6)

106 (2.7) Ts waarbij Ndata het aantal data subcarriers voorstelt. Het aantal subcarriers is vast verbonden met de kanaalbreedte en alle mogelijke waardes zijn opgesomd in Tabel 2.4. De sampling factor n bij 256 OFDM is 76 . Voor Rs =

Kanaalbreedte [MHz]

Aantal subcarriers Nsc

1,25 3,5 5 10 20

128 192 512 1024 2048

Tabel 2.4: Kanaalbreedte en het bijbehorende aantal subcarriers

OFDMA hangt de sampling factor af van de bandbreedte: 87 voor veelvouden van 28 voor veelvouden van 1.25MHz, 1.5MHz, 2MHz of 2.75MHz 1.75MHz, en 25

2.3 MAC laag

2.3

13

MAC laag

De MAC laag waarop het MAC protocol draait, bevindt zich bovenop de fysische laag. Ze bestaat uit 3 afzonderlijke componenten: de service-specifieke Convergence Sublayer (CS), de Common Part Sublayer (MAC CPS) en de Security of Privacy Sublayer. Dat alles is voorgesteld in Figuur 2.3 waarop ook de fysische laag is weergegeven.

Figuur 2.3: De WiMAX MAC laag in relatie met andere systemen [17]

De CS vormt de interface tussen de MAC laag en laag 3 van het netwerk volgens het OSI model. Ze ontvangt dus pakketten van de hogere lagen die MAC Service Data Units (SDU) worden genoemd. De CS is verantwoordelijk voor het uitvoeren van alle operaties die afhankelijk zijn van het gebruikte hogere-laag protocol zoals header suppression en address mapping. Ze kan dus worden beschouwd als een adaptatielaag die het bovenliggende protocol en diens eigenschappen afschermt van de rest van de MAC laag en van de PHY laag in het WiMAX netwerk. De MAC CPS voert alle MAC specifieke bewerkingen uit op de pakketten: fragmentatie en packing van pakketten van de hogere laag (SDU’s) in MAC pakketten (PDU’s) (zie 2.3.4), transmissie van de PDU’s en Quality of Service (QoS) controle. De Security Sublayer is verantwoordelijk voor de encryptie, authorizatie en correcte uitwisseling van encryptiesleutels tussen de BS en de SS.

2.3.1

Convergence Sublayer

Deze sublayer is naast header suppression ook verantwoordelijk voor het mappen van hogere-laag adressen (bv. IP adres) van de SDU’s op die van de MAC connecties die zullen gebruikt worden bij de transmissie. Deze functionaliteit is noodzakelijk omdat

2.3 MAC laag

14

de MAC en fysische laag geen toegang hebben tot de adressen toegekend door de hogere lagen. De WiMAX MAC laag is connectie-georiënteerd: ze identificeert een logische connectie tussen de BS en de SS met een unidirectionele connectie identifier (CID). Dat wil zeggen dat CIDs voor uplink en downlink verschillend zijn. De CID kan beschouwd worden als een tijdelijk en dynamisch laag-2-adres om een unidirectionele connectie tussen MAC/PHY communicatiestations aan te duiden. Zo’n connectie kan zowel dataverkeer als control plane verkeer dragen. Om de hogere-laag adressen te kunnen mappen op de CID, moet de CS een mapping bijhouden van bestemmingadressen en hun respectievelijke CIDs. Het is zeer waarschijnlijk dat SDU’s die horen bij één specifieke bestemming over verschillende connecties worden verstuurd afhankelijk van de QoS vereisten. In dat geval wijst de CS de passende CID niet alleen toe op basis van het bestemmingadres maar ook op basis van de Service Flow ID (SFID) en bronadres. De IEEE 802.16 standaard voorziet een CS voor ATM en packet services maar voor WiMAX werd beslist enkel de IP en Ethernet (IEEE 802.3 [12]) CS op te nemen. Packet Header Suppression Een van de belangrijkste taken van de CS is Packet Header Suppression (PHS). Bij de verzender houdt dat in dat het repetitief deel van de header verwijderd wordt in alle SDU’s. In het geval van een IP-stroom zal het bron- en bestemmingadres in de IP header telkens hetzelfde zijn en hoeven deze dus slechts één maal over het netwerk gestuurd te worden. Daarna kunnen deze dus in de volgende pakketten worden weggelaten alvorens de pakketten over de air link worden getransporteerd. Aan de ontvangerzijde worden deze dan opnieuw ingevoegd in de SDU waarna die doorgegeven wordt aan de hogere lagen. Om het mechanisme draaiende te houden is er wel een bepaalde graad van synchronisatie noodzakelijk tussen de CS’s van de zender en ontvanger. De PHS werking is gebaseerd op de “PHS regel” die alle parameters voorziet die gerelateerd zijn aan de SDU header suppression. Bij het ontvangen van een SDU, bepaalt de CS welke PHS regel er van toepassing is op basis van parameters zoals bron- en bestemmingadres. Verder voorziet de CS ook een SFID, een CID en PHS gerelateerde parameters voor die SDU. De PHS regel kan afhangen van het type van de service zoals VoIP, HTTP of FTP omdat het aantal bytes die overbodig zijn in de headers kunnen verschillen per type. Zo is er bij VoIP de lengte indicator van het pakketje voor ieder pakketje gelijk en kan deze worden weggelaten terwijl dat niet het geval is voor HTTP verkeer. Figuur 2.4 illustreert de basiswerking van PHS bij WiMAX. Als een SDU binnenkomt, controleert de CS eerst of er een geassocieerde PHS regel bestaat. In dat geval bepaalt de CS welk deel van de header mag worden weggelaten door met een bijbehorende PHS

2.3 MAC laag

15

Figuur 2.4: Werking van de PHS bij WiMAX [9]

Mask (PHSM) te filteren. Naar die bits wordt in de figuur met PHS Field (PHSF) gerefereerd. Indien er PHS Verify (PHSV) gebruikt wordt, zal de CS eerst de bits in de PHSF vergelijken met de verwachte bits op basis van de regel. Als de PHSF van de SDU gelijk is aan de verwachte PHSF worden deze bytes verwijderd. In de plaats daarvan wordt er een PHS Index (PHSI) voorgevoegd die behoort bij de gebruikte regel. De PHSI is een 8-bit veld die een verwijzing heeft naar de verwachte (gecachete) PHSF bits. Als er daarentegen geen PHSV gebruikt wordt, zal de CS geen vergelijking doen van de PHSF en wordt de suppression uitgevoerd op alle SDU’s. Die werkwijze biedt geen garantie dat de gereconstrueerde PHSF bits gelijk zijn aan de oorspronkelijke bits.

2.3.2

Common Part Sublayer

Het MAC protocol heeft als doel om de beschikbare resources van de draadloze link efficiënt te beheren. De hoeveelheid resources toegewezen aan een terminal kan variëren van één enkele slot tot het volledige frame wat de grote flexibiliteit van WiMAX nog eens onderstreept. Daar de allocatie informatie bekend gemaakt wordt in de MAP berichten (zie 2.3.3) aan het begin van elke frame, kan de scheduler efficiënt de toegewezen hoeveelheid resources aanpassen op het niveau van één enkele frame. Dat mechanisme biedt een hoog aanpassingsvermogen voor het onregelmatig dataverkeer. Daarnaast voorziet de MAC laag ook in het bewaken van de QoS. Door de aanwezigheid van een snelle air link, asymmetische downlink/uplink verdeling, zeer fijne resources granulariteit en een flexibele resource allocatie mechanisme kan WiMAX aan de QoS vereisten van een breed gamma van data services en applicaties voldoen. Ook biedt het ondersteuning voor Point-To-Multipoint en Mesh Network modellen, wat buiten de scope van deze thesis valt.

2.3 MAC laag

2.3.3

16

Frame Control Header, DL-MAP en UL-MAP

Frame Control Header De Frame Control Header (FCH) bevat informatie over de configuratie van het frame zoals de lengte van de MAP berichten, modulatie en codeerschema, en het aantal bruikbare subcarriers. De FCH wordt altijd gecodeerd met QPSK 12 en 4x herhaald om de hoogste zekerheid te hebben dat alle SS in de cel het kunnen decoderen. De FCH wordt voorgesteld op Figuur 2.5 en de velden zijn verklaard in Tabel 2.5.

Figuur 2.5: Samenstelling van de Frame Control Header

Veld

Lengte (bits)

Subchannel bitmap RNG REP Coding DL-MAP Lengte Reserved

6 1 2 3 8 4

Beschrijving Definieert de subchannels in het frame Ranging change indication Repetition Coding Indication (1,2,4,6) Coding Indication CC en CTC Lengte van de DL-MAP Gereserveerd

Tabel 2.5: Velden van de FCH

DL-MAP en UL-MAP DL-MAP en UL-MAP specifiëren de data gebieden voor de verschillende gebruikers in respectievelijk het downlink en het uplink subframe. Door het luisteren naar deze berichten weet de SS exact welke subchannels en OFDMA symbolen aan hem zijn toegewezen. De velden van de DL-MAP zijn getoond in Figuur 2.6 waarbij de PHY Synchronization Field voor de OFDMA air link 32 bit groot is en de DL-MAP IE 52 bit. In elke DL-MAP is er één DL-MAP IE per burst die de volledige burstallocatie beschrijft. De samenstelling van de DL-MAP IE is voorgesteld in Tabel 2.6. De DIUC en UIUC bevatten een verwijzing naar de burst profile(2) waarmee de burst waarvoor de IE verantwoordelijk is, verzonden wordt. De UL-MAP en de ULMAP IE zijn volledig analoog qua inhoud. Voor de volledigheid zetten we de velden ervan uit in Figuur 2.7 en in Tabel 2.7. (2)

Een burst profile is een set parameters die de modulatie en het codeerschema bepalen

2.3 MAC laag

17

Figuur 2.6: Velden van de DL-MAP [9]

Veld

Lengte (bits)

DIUC CID OFDMA Symbol Offset

4 16 8

Subchannel Offset

6

Boosting No. OFDMA Symbols

3 7

No. Subchannels

6

Repetition Coding

2

Beschrijving DIUC gebruikt voor de burst Geeft de CID weer Geeft de offset voor de start van de burst weer in OFDMA symbolen gerekend vanaf het begin van de downlink subframe De laagste index van het OFDMA subchannel gebruikt voor de burst Subcarriers power boosting indicator Het aantal OFDMA symbolen die (volledig of gedeeltelijk) gebruikt worden om de burst te dragen Het aantal subchannels gebruikt om de burst te dragen Gebruikte repetitie coding

Tabel 2.6: Velden van de DL-MAP IE

2.3 MAC laag

18

Figuur 2.7: Velden van de UL-MAP [9]

Veld

Lengte (bits)

UIUC CID OFDMA Symbol Offset

4 16 8

Subchannel Offset

7

Boosting No. OFDMA Symbols

3 7

No. Subchannels

7

Ranging Method

2

reserved

1

Beschrijving UIUC gebruikt voor de burst Geeft de CID weer Geeft de offset voor de start van de burst weer in OFDMA symbolen gerekend vanaf het begin van de downlink subframe De laagste index van het OFDMA subchannel gebruikt voor de burst Subcarriers power boosting indicator Het aantal OFDMA symbolen die (volledig of gedeeltelijk) gebruikt worden om de burst te dragen Het aantal subchannels gebruikt om de burst te dragen Informatie over Initial en Periodic ranging Moet op 0 gezet worden

Tabel 2.7: Velden van de UL-MAP IE

2.3 MAC laag

2.3.4

19

MAC Packet Data Unit

De SDU’s die toekomen bij de MAC CPS van de hogere laag worden geassembleerd tot een MAC PDU, de basis payload eenheid op de MAC laag. Er kunnen drie types MAC PDU’s onderscheiden worden: De generieke PDU (Figuur 2.8) bestaat uit 3 delen: de MAC header die de controle informatie bevat, de MAC payload van variabele lengte en een optionele Frame Check Sequence die een 32 bit Cyclic Redundancy Check (CRC) code bevat die berekend werd over de gehele PDU. de Bandwidth Request PDU wordt gebruikt door de SS om een aanvraag voor bandbreedte uit te sturen in de uplink. Deze PDU bestaat enkel uit een Bandwidth Request Header zonder payload en CRC. de MAC Management PDU is een standaard MAC PDU waarbij de payload bestaat uit MAC Management messages.

Figuur 2.8: De samenstelling van een MAC PDU [24]

MAC Header Er bestaan twee types MAC headers die beiden 6 bytes groot zijn, de Generic MAC Header (GMH) en de Bandwidth Request Header (BRH). Generic MAC Header Deze header (Figuur 2.9) heeft als Header Type (HT) bit 0 en wordt gebruikt er een MAC payload op volgt die SDU’s van de hogere laag bevat. Ook voor het vervoer van MAC Management data zal deze header aangewend worden. De velden van deze header zijn uitgezet in Tabel 2.8. Bandwidth Request Header Deze header (Figuur 2.10) de SS in de tweede cyclus de uplink zoals beschreven benodigde informatie past zijn uitgezet in Tabel 2.9.

heeft als Header Type bit 1 en wordt verstuurd door van de procedure voor aanvraag van bandbreedte in in 2.3.7. Er wordt geen payload toegevoegd want alle precies in de header zelf. De velden van deze header

2.3 MAC laag

20

Figuur 2.9: De generieke MAC header [10]

Veld

Lengte (bits)

HT EC

1 1

Type ESF

6 1

CI

1

EKS Rsv LEN

2 1 11

CID

16

HCS

8

Beschrijving Header type (in dit geval 0) Encryptie controle (0 = payload niet geëncrypteerd, 1 = payload geëncrypteerd) Type Extended Subheader field (1 = ES aanwezig, 0 = ES niet aanwezig) CRC indicator (1 = CRC aanwezig, 0 = CRC niet aanwezig) Encryption key sequence Gereserveerd Lengte van de MAC PDU in bytes, inclusief header en optionele CRC Connection Identifier die gebruikt moet worden voor de payload Header Check Sequence

Tabel 2.8: Velden van de MAC GMH

MAC Subheaders Naast de bovengenoemde headers definieert WiMAX ook nog vijf subheaders die gebruikt kunnen worden in een MAC PDU: 1. Mesh subheader volgt op de Generic MAC Header (GMH) wanneer WiMAX in mesh mode opereert. 2. Fragmentation subheader volgt op de GMH en duidt aan dat de SDU over meerdere PDU’s is gefragmenteerd (zie 2.3.5). De grootte ervan is 2 bytes voor zowel

2.3 MAC laag

21

Figuur 2.10: De Bandwidth Request MAC header [10]

Veld

Lengte (bits)

HT EC

1 1

Type BR

3 19

CID

16

HCS

8

Beschrijving Header type (in dit geval 1) Encryptie controle (in dit geval 0 = payload niet geëncrypteerd) Type Bandwidth Request (het aantal bytes in de uplink die aangevraagd worden door de SS voor een gegeven CID) Connection Identifier die gebruikt moet worden voor de payload Header Check Sequence

Tabel 2.9: Velden van de MAC Bandwidth Request Header

Automatic Repeat reQuest-enabled (ARQ) als voor Non-ARQ met Extended Type(3) connecties. Voor Normal Type Non-ARQ connecties is de subheader 1 byte groot. De Fragmentation subheader (FSH) is voorgesteld in Figuur 2.11. 3. Packing subheader duidt aan dat meerdere SDU’s of SDU fragmenten in een enkele PDU ingepakt zijn. Hij wordt geplaatst bij het begin van elke SDU of elk SDU fragment volgens de methode beschreven in 2.3.5. De grootte ervan is 3 bytes voor ARQ-enabled en Non-ARQ met Extended Type(4) connecties en 2 bytes voor Normal Type Non-ARQ connecties. De PSH is voorgesteld in Figuur 2.12. Extended Type wordt bij fragmentatie aangewend wanneer de SDU in meer dan 8 fragmenten moet worden opgedeeld (4) Extended Type wordt bij packing aangewend wanneer in de PDU meer dan 8 SDU’s worden geconcateneerd (3)

2.3 MAC laag

22

Figuur 2.11: De Fragmentation Subheader

Figuur 2.12: De Packing Subheader

4. Fast-feedback allocation subheader duidt aan dat de PDU feedback van de SS bevat over de DL kanaalkwaliteit. 5. Grant-management subheader wordt gebruikt door de SS en bevat verschillende berichten gerelateerd aan bandbreedte management zoals polling request en aanvragen voor bijkomende bandbreedte tijdens een sessie. Het heeft als voordeel dat het zeer compact is en geen verzending van een extra PDU nodig heeft. MAC payload Omwille van de 11 bits in het LEN field van de GMH is een MAC PDU maximaal 211 −1 of 2047 bytes groot. De maximale lengte die de payload kan hebben, is dus 2037 bytes(5) . De payload van een generieke MAC PDU kan data van meerdere MAC SDU’s bevatten maar ook slechts een deel van één MAC SDU. De packing en fragmentatie van WiMAX zijn beschreven in 2.3.5. (5)

2047 bytes minus de CRC van 4 bytes en de GMH van 6 bytes

2.3 MAC laag

2.3.5

23

Packing en fragmentatie

Naast de PHS procedure beschreven in 2.3.1 beschikt de MAC laag van WiMAX over een tweede methode om bandbreedte te besparen: Packing Meerdere MAC SDU’s met dezelfde CID kunnen geconcateneerd worden door de zender tot één MAC PDU. Het samenvoegen van SDU pakketjes onder één gemeenschappelijke MAC header zal overduidelijk een besparing aan overhead opleveren. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen packing van variabele-grootte SDU’s en packing van vastegrootte SDU’s. We bespreken beiden afzonderlijk. Packing van variabele-grootte SDU’s In veel gevallen zullen de SDU’s die van de hogere laag ontvangen worden per SDU verschillend zijn van grootte. Als we dan die SDU’s wensen te verpakken in één PDU moet er duidelijk aangegeven worden waar de volgende SDU start zodat de decoder de correcte acties kan ondernemen. Dat gebeurt door het voorvoegen van een Packing Subheader (PSH) bij elke SDU met daarin de lengte in bytes van de SDU (zie ook 2.3.4). Het gebruik van de packing methode en de aanwezigheid van de PSH’s wordt aangekondigd in het Type veld van de GMH. Deze methode zal dus bijzonder geschikt zijn om de throughput te verhogen. Een PSH is altijd kleiner dan de MAC Header zodat de totale grootte van de MAC PDU kleiner zal zijn dat de standaard situatie zonder packing. De structuur van zo’n ingepakte MAC PDU wordt weergegeven in Figuur 2.13.

Figuur 2.13: Packing van variabele-grootte MAC SDU’s in een MAC PDU [10]

Packing van vaste-grootte SDU’s Soms komt het voor dat de SDU’s van de hogere laag allemaal evengroot zijn (zoals Asynchronous Transfer Mode (ATM) of VoIP zonder silence suppression). Het verpakken van zulke SDU’s vereist geen extra headers omdat het voldoende is om de totale lengte op te geven van de MAC PDU. De lengte van een SDU, aangeduid door de parameter n in Figuur 2.14, kan per connectie worden afgesproken met de BS. Impliciet weet de decoder dus aan de hand van het LEN

2.3 MAC laag

24

veld, die de totale grootte van de PDU bevat, hoeveel SDU’s er verpakt zijn en zal de unpacking correct kunnen verlopen. Standaard wordt n op 49 bytes genomen omdat dit de grootte is van een Virtual Channel-switched ATM cell met header suppression. De bijbehorende structuur wordt weergegeven in Figuur 2.14 waarop k het aantal ingepakte SDU’s en j de grootte van een GMH voorstellen.

Figuur 2.14: Packing van vaste-grootte MAC SDU’s in een MAC PDU [10]

Op het eerste zicht lijkt de tweede optie altijd beter te presteren dan de eerste omdat er geen extra PSH’s vereist zijn bij de transmissie. Hoewel niet expliciet beschreven in de IEEE 802.16-2004 standaard [9], leert de observatie van Figuur 2.13 en Figuur 2.14 dat de invulling van het LEN veld in de MAC Header licht verschillend gebeurt. We weten dat het LEN veld 11 bits groot is en dus waarden kan weergeven tot 2047. De MAC header in het geval van Packing van vaste-grootte SDU’s” bevat volgens Figuur 2.14 de ” totale grootte van zijn payload n∗ k + j en beperkt tegelijk deze payload tot 2047 bytes of n = 2047−j bytes per pakket. Hierbij stelt j de grootte van de GMH voor plus k eventuele andere voorafgaande MAC subheaders. In Figuur 2.13 zien we echter dat het LEN veld van de GMH voor Packing van variabele-grootte SDU’s” slechts de waarde ” j en dus niet afhangt van het aan geconcateneerde SDU’s. Zo’n PDU kan dus in een extreem geval oneindig veel MAC SDU’s bevatten. Gesteld dat deze vaststelling niet berust op een fout in de standaard, kan deze uitgebuit worden om grotere MAC PDU’s te maken. Per ingepakte SDU is er een daling in overhead ter grootte van het verschil in bytes tussen een GMH en PSH (6 bytes - 2 of 3 bytes = 3 of 4 bytes) tegenover de standaard transmissie onder een eigen GMH. Uiteraard kan de packing niet tot in het oneindige doorgaan omdat er een evenwicht moet worden gevonden tussen de verhoogde throughput en de sterke stijging van de overhead in het geval van een fout op de link. Een transmissie fout vereist automatisch een retransmissie van het gehele pakket. Fragmentatie Fragmentatie is een proces waarbij een MAC SDU verdeeld wordt over één of meerdere MAC PDU’s waarbij elk een Fragmentation Subheader toegevoegd krijgt. Daar wordt met de Fragment Serial Number (FSN) de tel bijgehouden en de Fragment Control

2.3 MAC laag

25

code (FC) geeft aan of de PDU het eerste, een van de middenste of het laatste in de reeks is. Aan de hand van de FSN kan een detectie gebeuren van verloren pakketten; bij verlies zullen alle fragmenten van die CID genegeerd worden tot er een nieuwe PDU met FSN code 10 of 00 binnenkomt (zie Tabel 2.10). Op basis van de gegevens in de Fragment

FC

First Fragment Continuing Fragment Last Fragment Unfragmented

10 11 01 00

FSN Incremented Incremented Incremented Incremented

modulo modulo modulo modulo

8 8 8 8

Tabel 2.10: Het Fragment Serial Number veld in de Fragmenting Subheader [10]

subheader kan de SDU weer samengesteld worden aan de ontvangerkant. Fragmentatie kan zowel in de uplink als in de downlink aangewend worden en het maximaal aantal fragmenten is 16.

2.3.6

Service Classes

Een van de belangrijkste functies van de WiMAX MAC laag is het zo goed mogelijk verzekeren van de QoS vereisten voor verschillende service flows. Dat wil zeggen dat het verstuurde verkeer per service flow aan de vooraf vastgelegde waarden voor parameters zoals delay, jitter, data rate, packet error rate en beschikbaarheid moet voldoen. Tegenwoordig bestaat er een quasi oneindig breed gamma aan types verkeer elk met hun vereisten: HTTP, FTP, VoIP, ATM, ... Om door het bos de bomen nog te zien, definieert WiMAX vijf scheduling services die voldoende gedifferentieerd zijn om voor elk type een passende service te vinden: Unsolicited grant service (UGS) is ontworpen voor real-time service flow die periodiek pakketten genereren met vaste grootte zoals T1/E1 en VoIP zonder silence suppression. Dit type is doorgaans symmetrisch in bandbreedte en heeft zeer strikte QoS vereisten wat betreft throughput, latency en jitter. Real-time polling service (rtPS) is ontworpen voor real-time service flows die periodiek pakketten genereren met variabele grootte zoals Moving Pictures Experts Group (MPEG) video bijvoorbeeld video conferentie applicaties. De QoS vereisten zijn eveneens strikt maar er is meer tolerantie op de jitter. Extended real-time polling service (ertPS) (6) bouwt voort op de efficiëntie van UGS en rtPS. De BS voorziet niet aangevraagde unicast grants zoals in UGS (6)

Deze service werd pas gedefinieerd in IEEE 802.16e-2005 en niet in IEEE 802.16-2004

2.3 MAC laag

26

zodat de vertraging die gepaard gaan met het scheduling mechanisme vermeden wordt. Toch zal ertPS de bandbreedte niet toekennen op basis van een vaste pakketgrootte zoals in UGS. Non-real-time polling service (nrtPS) zendt regelmatig unicast polls van de BS naar de SS om op die manier te verzekeren dat elke service flow mogelijkheden krijgt om bandbreedte-aanvragen door te sturen, zelfs tijdens een network congestion. Deze klasse is geschikt voor applicaties die wat latency en jitter kunnen verdragen maar wel een verzekerde throughput willen. Best effort (BE) is bedoeld om een efficiënte service te voorzien voor BE verkeer zoals browsen. In het algemeen zal een bandbreedte contentie mechanisme gebruikt worden om bandbreedte aan te vragen bij de BS voor iedere service flow. Eens de MAC PDU samengesteld werd, wordt hij doorgegeven aan de scheduler die de PDU inpast in het zendschema op basis van de beschikbare PHY resources. De scheduler controleert de SFID en de CID en schat op basis daarvan de QoS vereisten in. Gebaseerd op die vereisten zal de scheduler de optimale verdeleling van de PHY resources frame per frame voor alle MAC PDU’s bepalen. De scheduling procedure wordt niet gedefinieerd in de standaard en wordt overgelaten aan de producenten van de apparatuur. Daar de scheduling een hoge impact heeft op de performantie speelt dit aspect een belangrijke rol in het onderscheid tussen de fabrikanten en de kwaliteit van hun producten.

2.3.7

Bandbreedte aanvraag en toewijzing

Downlink In de downlink worden alle beslissingen betreffende bandbreedte toekenningen aan de verschillende SS genomen door de BS. Ze gebeuren op basis van de CID en vereisen geen tussenkomst van de SS. Als de MAC PDU van een bepaalde CID aankomt bij de scheduler, zal de BS PHY resources eraan toewijzen rekening houden met zijn QoS vereisten. Als dat gebeurd is, zal de BS dat meedelen aan de SS door middel van het DL-MAP bericht. Uplink In de uplink biedt WiMAX meerdere faciliteiten aan om de benodigde bandbreedte te blijven garanderen aan de SS. Een duidelijk onderscheid wordt gemaakt tussen de methodes waarbij er reactief bandbreedte wordt toegekend door de BS (bij de klassen rtPS, nrtPS, BE alsook mogelijk bij UGS en ertPS) en deze waarbij de BS pro-actief bandbreedte toekent of de SS bevraagt (bij de klassen UGS en ertPS). De laatste

2.3 MAC laag

27

methode wordt toegepast bij zeer delay gevoelige applicaties als onderdeel van de QoS garanties terwijl de eerstgenoemde eerder zijn toepassing vindt voor verkeer met laksere QoS eisen. Opdat de BS aan een SS reactief bandbreedte zou toekennen, moet de SS een requestmechanisme opstarten. De waarde van zo’n mechanisme wordt duidelijk uit de vergelijking van WiMAX met de CSMA/CD of CSMA/CA mechanismes die gebruikt worden in LAN technologiën zoals IEEE 802.11. Als de CSMA/CA gebaseerde access point een hoog aantal gebruikers te verwerken krijgt, zullen deze een hoog aantal collisies ervaren alvorens ze hun data op het medium kunnen plaatsen. De overhead die ontstaat door het gebruik van de backoff window en de retransmissies zal al vlug een niet te verwaarlozen aandeel aannemen van het totale verkeer. We bespreken hieronder drie methodes om bandbreedte aan te vragen: Contention gebaseerd requestmechanisme Als er nieuwe data beschikbaar is om uplink te versturen, zal de SS een contention gebaseerde bandwidth request procedure opstarten zoals getoond in Figuur 2.15. Een

Figuur 2.15: De contention gebaseerde bandwidth request procedure [17]

SS zal om te starten willekeurig een Code Division Multiple Access (CDMA) code kiezen uit de pool en deze uplink versturen in de contention channel (zie Figuur 2.2). Bij het succesvol ontvangen van de code zal de BS een toewijzing geven voor 6 bytes in het volgende uplink frame zodat de SS een Bandwidth Request (BW-REQ) kan versturen. De BS evalueert de aanvraag van de SS in de context van de service-level overeenkomst dat de gebruiker toegewezen had gekregen en wijst hem een slot toe in een van de volgende UL frames. Bandbreedte-aanvragen kunnen zowel incrementeel als geaggregeerd zijn. Als de BS een incrementele bandbreedte-aanvraag ontvangt voor een bepaalde CID, zal deze de hoeveelheid aangevraagde data optellen bij zijn huidige perceptie van de nood aan bandbreedte voor die CID. Als de aanvraag geaggregeerd is dan zal de BS zijn per-

2.3 MAC laag

28

ceptie van de nood aan bandbreedte voor die CID vervangen door de hoeveelheid aangevraagde bytes. Het Type veld in de header duidt het type van de BW-REQ aan. Een eerste mogelijke verbetering voor deze procedure is voorgesteld in [17]. Door de redelijk ruime pool CDMA codes onder te verdelen in subsets op basis van de benodigde data, kan de BS op basis van de ontvangen code onmiddelijk een grant voor de impliciet aangevraagde hoeveelheid bytes. Deze methode spaart één cyclus uit van standaard procedure en leent zich bijzonder goed voor Transmission Control Protocol (TCP) ACK berichten waarvan de grootte vooraf bekend is en waarvoor een snelle verwerking van groot belang is voor het functioneren van TCP. Een tweede mogelijkheid is om in plaats van een BW-REQ te versturen in de tweede cyclus, onmiddellijk data op de contention channel te plaatsen. Deze aanpassing is enkel voordelig voor zeer kleine datahoeveelheden omdat je van de BS slechts de ruimte krijgt voor één BW-REQ. Zoals beschreven in 2.2.4 zal je sowieso minimaal één slot toegewezen krijgen. Dit wordt verder uitgerekend in 4.4.2. BW-REQ piggybacking requestmechanisme Iedere niet-UGS flow mag om tijd te besparen een nieuwe bandbreedte aanvraag meesturen met zijn gewone dataverkeer. Er is dus geen verplichting om te wachten tot de toegestane bytes opgebruikt zijn en dan daarna iedere keer opnieuw in competitie te treden met andere SS op de contention channel. Deze methode vereist het toevoegen van een Grant Management Subheader (GMS) van 2 bytes net na de GMH waardoor de SS ook nog eens de overhead vermijdt die gepaard gaat met het effectief verzenden van een volledige BW-REQ van 6 bytes (Figuur 2.10). De GMS bevat dan ruimte om maximaal 32 kB aan te vragen. De aanvraag door middel van piggybacking is altijd incrementeel. Active Polling Polling refereert naar het proces waarbij uplink resources regelmatig worden gereserveerd voor één (unicast polling) of meerdere (multicast polling) SS om hen de kans te geven bandbreedte aanvragen uit te sturen. Het wordt gebruikt in de klassen rtPS, nrtPS en ertPS. Wanneer de SS individueel bevraagd wordt, kan deze uit de UL-MAP afleiden welk gedeelte van de uplink subframe voor hem werd voorzien door te zoeken naar de allocatie getagd met zijn primaire CID(7) . Deze allocatie wordt dan gebruikt om een BW-REQ te versturen naar de BS indien de BS bijkomende bandbreedte vereist. Wanneer dit niet het geval is, zal de BS een dummy MAC PDU uitsturen en dat De primaire CID werd toegewezen aan de SS gedurende de fase van de toegang tot het netwerk en de initialisatie en wordt verder gebruikt voor transport van MAC-level signalisatie tussen SS en BS (7)

2.3 MAC laag

29

aangeven in het Type veld van de header(8) . Unicast polling vereist dus geen actieve transmissie van data van BS naar SS. De multicast methode wordt in gebruik genomen als er onvoldoende bandbreedte beschikbaar is om vele SS afzonderlijk te pollen. Deze zullen dan tijdens de allocatie door middel van contentie resolutie op basis van het truncated binary exponential backoff algoritme strijden voor het versturen van hun BW-REQ. Het multicast pollen is dus opnieuw een contention gebaseerd aanvraagmechanisme maar slechts voor een subset van SS. De flows van de QoS klasse UGS zoals beschreven in 2.3.6 sturen met één van hun MAC PDU’s een GMS mee. Daarin wordt de Poll Me (PM) bit op 1 gelaten zolang de SS data wenst te versturen. Daardoor blijft de BS actief de SS voorzien van ruimte in de uplink. Technisch gezien worden deze dus niet gepolld. Het UGS mechanisme van regelmatige allocatie in de uplink werkt gelijkaardig aan active polling maar UGS kan meer dan 6 bytes per allocatie toewijzen.

(8)

Het is niet toegestaan aan de SS om helemaal niets te sturen tijdens zijn allocatie

THEORETISCHE BEPALING VAN DE THROUGHPUT OP DE PHY LAAG

30

Hoofdstuk 3 Theoretische bepaling van de throughput op de PHY laag 3.1

Data rate

In de literatuur vindt men verschillende formules wanneer het gaat om het berekenen van de data rate. In de volgende paragrafen vergelijken we deze afwijkende benaderingen en leggen uit waar het verschil zit. In de formules worden steeds de symbolen en waarden uit 2.2.5 gebruikt.

3.1.1

Ogenblikkelijke data rate

De ogenblikkelijke data rate is de snelheid waarmee bits over de lucht verstuurd worden op een vast ogenblik. De berekening gebeurt aan de hand van de formule P HY Datarate =

Ndata · bm · c r Ts

(3.1)

met bm het aantal bits per modulatiesymbool en cr de code rate. De formule (3.1) berekent het aantal bits die om de symbooltijd (Ts ) verstuurd worden, als het ware in een oneindige continue stroom. Dit vindt men vaak in de literatuur [14, 15] terug wanneer het gaat om PHY data rate(1) . Toegepast voor een 16-QAM 12 PUSC modulatie en 5 MHz kanaal wordt dit slechts P HY DL Datarate =

360 1 · 4 bit · = 7, 000 M bps. 102, 857 µs 2

De vaak beloofde downlink piek data rates van 74 Mbps vloeien ook voort uit deze formule mits het gebruik van de volgende parameters

®

Let op bij de tabel op p.18 van [14] van het WiMAX Forum . Daar beweert men formule (3.1) te gebruiken maar zijn de waarden in de tabel toch berekend met (3.3) met 44 data OFDM symbolen voor de DL en 42 voor de UL. (1)

3.1 Data rate

31

20 MHz kanaal, i.e. de best mogelijke kanaalbreedte voor throughput(2) 1536 data subcarriers indien DL-FUSC permutatie, i.e. de best mogelijke subcarrier permutatieschema voor throughput [15] 64-QAM

5 6

modulatie, i.e. de best mogelijke modulatie voor throughput

waardoor de formule dan wordt P HY DL Datarate =

3.1.2

1536 5 · 6 bit · = 74, 667 M bps. 102, 857 µs 6

(3.2)

Data rate voor het datadeel per frame

Een zender kan niet continu data versturen maar moet rekening houden met de opdeling van de air link in frames. Omdat er geen geheel aantal OFDM symbolen passen in een 5 ms lang frame zullen er op het einde van de frame altijd enkele microseconden (minder dan één Ts ) verloren gaan omdat je dan geen extra OFDM symbool meer kan versturen. Je moet dus uitgaan van een bepaald aantal OFDM symbolen (berekend volgens (2.6)) die verstuurd kunnen worden over een vaste frameduur Tf . De berekening met (3.1) houdt daar geen rekening mee terwijl de formule P HY Datarate =

Ndata · bm · cr · Nsymb Tf

(3.3)

dat wel doet. Ze geeft dus eigenlijk beter weer hoeveel de fysische throughput bedraagt als we de verplichte indeling in frames in acht nemen. Een WiMAX TDD frame bestaat uit een downlink en een uplink gedeelte (zie Figuur 2.2) met overhead en TTG. Dat houdt in dat bij de berekeningen van de throughput enkel rekening mag worden gehouden met de OFDM symbolen die toegewezen werden aan het dataverkeer. Daarom is de factor Nsymb in (3.3) gelijk aan het aantal data OFDM symbolen per frame en zal dus afhangen van de overhead en TTG. We voorzien voor de overhead (preamble, FCH, DL-MAP en UL-MAP) 3 OFDM symbolen en 1 OFDM symbool voor de TTG. Vertrekkend van de 48 OFDM symbolen uit Tabel 2.3, blijven er zo nog 44 OFDM symbolen over voor data. De waarden die we zo uitkomen benaderen het best de werkelijke datathroughput van de WiMAX PHY laag. Hoewel de grootte van de overhead variabel is, is het toekennen van een vast aantal overhead OFDM symbolen (4 zoals hierboven) gebruikelijk in de literatuur [14]. In de verdere hoofdstukken echter zullen we de grootte van de overhead exact bepalen en net zoveel slots toekennen als er nodig zijn. Toepassen van (3.3) voor een 16-QAM 12 PUSC modulatie en 5MHz kanaal levert 360 · 4 bit · 12 · 44 P HY DL Datarate = = 6, 336 M bps 5 ms Merk op dat 20 MHz in de IEEE 802.16e-2005 standaard [10] wel beschreven staat maar nog niet in de WiMAX profiles [13] opgenomen is. Daarin gebruikt men 10 MHz als maximale kanaalbreedte. (2)

3.1 Data rate

32

en met de parameterwaarden die we gebruikten in 3.1.1 om de piek rate te bepalen bekomen we 1536 · 6 bit · 56 · 44 P HY DL Datarate = = 67, 584 M bps. 5 ms

3.1.3

Data rate voor het datadeel van een subframe per frame

In 3.1.2 werd de factor Nsymb uit (3.3) gedefinieerd als het aantal datasymbolen per frame. Met deze definitie bepaalt de formule de throughput van het volledige frame wanneer deze enkel voor downlink of enkel voor uplink gebruikt zou worden. Dat is weinig waarschijnlijk in een realistisch scenario met normaal duplex internetverkeer en is het dus noodzakelijk om vooral de throughput per subframe te bekijken. We veronderstelden reeds in Tabel 2.2 een DL/UL ratio van 26/21 OFDM symbolen maar als we de voorgaande aannames over een vast aantal overhead OFDM symbolen in rekening brengen, blijven er 23 DL OFDM data symbolen en 21 UL OFDM data symbolen over. Samengevat krijgen we de volgende formules P HY DL Datarate =

Ndata · bm · cr · Ndlsymb Tf

(3.4)

P HY U L Datarate =

Ndata · bm · cr · Nulsymb . Tf

(3.5)

en

Toegepast voor een 16-QAM

1 2

PUSC modulatie en 5MHz kanaal wordt dit

360 · 4 bit · 12 · 23 = 3, 312 M bps P HY DL Datarate = 5 ms 272 · 4 bit · 21 · 21 P HY U L Datarate = = 2, 285 M bps 5 ms terwijl voor het voorbeeld van de pieksnelheid voor een kanaal van 20 MHz uit 3.1.1 de volgende downlink data rate voorzien wordt van P HY DL Datarate =

3.1.4

1536 · 6 bit · 65 · 23 = 35, 328 M bps. 5 ms

Conclusie

In Tabel 3.1 zijn de fysische data rates voorgesteld voor verschillende modulaties en codeerschema’s waarbij de parameters uit Tabel 2.2 gebruikt werden in (3.1) tot (3.5). Men stelt vast dat de waarden dalen van links naar rechts in de tabel. Dat is te verklaren doordat de formules steeds nauwkeuriger worden in het weergeven van de werkelijke throughput in reële omstandigheden. De momentopname van de throughput die (3.1) berekent, verschilt sterk van wat er werkelijk in één bepaalde richting kan verstuurd worden binnen een frame. Uit de cijfervoorbeelden doorheen de paragrafen

3.1 Data rate

Modulatie

33

Code Rate

Ogenblikkelijke data rate DL

QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM

1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 2/3 3/4 5/6

CTC CTC CTC CTC CTC CTC CTC CTC

3,500 5,250 7,000 10,500 10,500 14,000 15,750 17,500

UL 2,644 3,967 5,289 7,933 7,933 10,578 11,900 13,222

Data rate volgens 3.1.2


DL

DL

UL

1,656 2,484 3,312 4,968 4,968 6,624 7,452 8,280

1,142 1,714 2,285 3,427 3,427 4,570 5,141 5,712

3,168 4,752 6,336 9,504 9,504 12,672 14,256 15,840

UL 2,394 3,590 4,787 7,181 7,181 9,574 10,771 11,968

Tabel 3.1: PHY data rates in Mbps met WiMAX parameters volgens Tabel 2.2

wordt reeds duidelijk dat de vermelde piek data rate van 74 Mbps nooit mag beschouwd worden als de continue data throughput die kan worden aangeboden aan bepaalde applicaties. Voor het berekenen van de DL en UL data rates werd respectievelijk het DL-PUSC en UL-PUSC permuatatieschema verondersteld. Het verschil in het aantal data subcarriers voor beide schema’s (Tabel 2.1) verklaart de afzonderlijke resultaten.

THEORETISCHE BEPALING VAN DE THROUGHPUT OP DE MAC LAAG

34

Hoofdstuk 4 Theoretische bepaling van de throughput op de MAC laag In hoofdstuk 3 werd de fysische throughput van WiMAX berekend. In dit hoofdstuk zullen we hoger gaan in de OSI stack en de throughput op de WiMAX MAC laag bepalen. Eerst bekijken we de samenstelling van de MAC overhead waarna we aan de hand van het aantal overblijvende data bytes de MAC throughput kunnen bepalen. We bespreken uitgebreid de invloed van verschillende factoren die kunnen onderverdeeld worden in twee categorieën: de parameters van de WiMAX configuratie de externe parameters eigen aan de bezettingsgraad en het gebruik van het netwerk

De eerste set werd besproken in 2.2.5 en is weinig variabel eens deze werd vastgelegd bij de uitrol van de technologie. In de tweede set zijn de voornaamste twee parameters het aantal parallelle gebruikers de grootte van de pakketjes die verstuurd worden

Het hoofdstuk wordt afgesloten met de analyse van technieken die de throughput kunnen verhogen door de overhead te verminderen.

4.1

MAC overhead

De overhead op de MAC laag wordt gedefiniëerd als alle bytes van het WiMAX frame die geen data van de hogere laag (netwerklaag in het OSI model) dragen. De overhead wordt daarom samengesteld uit De preamble

4.1 MAC overhead

35

Figuur 4.1: De gebruikte verdeling van een WiMAX TDD frame [10]

FCH (zie 2.3.3) DL-MAP (zie 2.3.3) UL-MAP (zie 2.3.3) Codebits van de FEC code

Men kan bediscussiëren dat de preamble en codebits deel uitmaken van PHY overhead of niet maar wij maken in deze masterproef de afspraak dat het zo is. De focus van dit werk ligt op de hoeveelheid verstuurde databits op laag 2 en daarvoor maakt de eventuele classificatie van de overhead bij PHY of MAC geen verschil uit. De veronderstelling uit 3.1.2 was dat een vast aantal OFDM symbolen(1) toegewezen wordt voor FCH, DL-MAP en UL-MAP (onafhankelijk van de grootte ervan) en het resterend aantal symbolen dan beschikbaar zou zijn voor data (zones A en A’ op Figuur 4.2). Die veronderstelling wordt hier niet verder doorgevoerd want we passen vanaf nu een nauwkeurigere methode toe. In onze berekeningen gaan wij ervan uit dat het deel van het OFDM symbool dat niet meer nodig is voor de DL-MAP reeds kan gebruikt worden voor een data burst (zie Figuur 4.1). Daarom is de zone A waarin data verstuurd kan worden anders van grootte in beide gevallen en hangt deze af van het aantal gebruikers. Onze werkwijze wordt gesteund door de standaard [10] waaruit Figuur 4.1 afkomstig is alsook door het ontbreken aan enige vermelding daarin die zou (1)

3 in dit geval, overgenomen uit de beschikbare literatuur [14]

4.2 Opstellen formule voor overhead en throughput

36

Figuur 4.2: Verdeling van het frame volgens de eenvoudige veronderstelling uit 3.1.2 [10]

pleiten voor een vast aantal OFDM symbolen. Hoogstwaarschijnlijk werd de vereenvoudiging in [14] doorgevoerd om de formules niet nodeloos ingewikkeld te maken. We gaan in dit werk wel de exacte data rate bepalen en de data bits die verloren zouden gaan door de eenvoudige redenering uit 3.1.2 (doorkruist in Figuur 4.2) ook opnemen in de calculaties. Voor de 16-QAM 12 modulatie kunnen we voorspellen dat de throughput naar de hogere laag toe ten hoogste de helft van de maximale fysieke throughput zal bedragen omwille van de code rate. De helft van de bits uit zones A en A’ zullen namelijk code bits zijn. Wetende dat er nog andere overhead moet worden meegestuurd, wordt er zelfs verwacht dat de throughput op de MAC laag minder dan de helft zal zijn van de fysieke throughput.

4.2

Opstellen formule voor overhead en throughput

In de formules in deze sectie rekenen we steeds met slot” als de kleinste granulariteit ” omdat dit ook de kleinst alloceerbare eenheid is binnen een frame. De data-inhoud van één slot in bytes is 1 Sslot (2) = nsymb · ndata · bm · cr · . 8 (2)

Factoren in het rechterlid bepaald volgens de definitie in 2.2.4

(4.1)


37

Het aantal slots dat een pakket samen met zijn overhead zal innemen, is Spayload + SGM H ˆ . Spacket = Sslot Het aantal slots in een subframe wordt bepaald door Sf rame,raw ˆ Sf rame,raw = . Sslot

(4.2)

(4.3)

Dat geldt voor zowel uplink als downlink. In alle berekeningen gebruiken we de symbolen uit Tabel 4.1. Een symbool met eenôp wijst erop dat zijn eenheid slot” is. ” Symbool

Eenheid

Verklaring

Sslot Nsymb nsymb ndata Spacket Sˆpacket

byte

Grootte van één slot Aantal OFDM symbolen per frame Aantal OFDM symbolen per slot Aantal data subcarriers per slot Grootte van pakket plus GMH Aantal slots voor pakket plus GMH Grootte van de MAC PDU payload Grootte van de GMH (6 byte) Code rate Aantal bits per modulatiesymbool Aantal slots beschikbaar voor data Grootte van het (sub)frame Aantal slots in het (sub)frame Grootte van de DL-MAP Grootte van de UL-MAP Grootte van de DL-MAP header Grootte van de UL-MAP header Grootte van de DL-MAP IE Grootte van de UL-MAP IE Grootte van de FCH (=48 bits voor FEC) Grootte van een slot bij QPSK 12 modulatie in databits Aantal gebruikers Repetitie voor FCH Grootte van de PHY preamble Het aantal pakketten het subframe Aantal overblijvende slots

Spayload SGM H cr bm ˆ Sdata Sf rame,raw Sˆf rame,raw SDM SU M SDM H SU M H SDM I SU M I SF CH SQP SK U RF CH P Npackets ˆrest N

byte slot byte byte bits slot byte slot byte byte byte byte byte byte byte byte

bit

Tabel 4.1: Verklaring van de symbolen voor de berekeningen in 4.2.1


4.2.1

38

Bepaling van de overhead in steady state regime in standaard operatie

Voor steady state veronderstellen we dat er een continue stroom van SDU pakketten van maximale grootte (zie Tabel 4.3) gegenereerd worden aan een tempo dat hoger ligt dan de data rate. Doordat de belasting hoger is dan de throughput en omdat de frames volledig opgevuld zijn, bekomen we de maximale throughput. Onder standaard operatie verstaan we de afwezigheid van MAC packing of PHS. Downlink De overhead in de downlink wordt samengesteld uit de elementen die beschreven werden in de opsomming in sectie 4.1. We berekenen het procentuele aandeel van de overhead tegenover alle verstuurde bits voor de data en de overhead. Het aantal slots in het bruikbare gedeelte van het downlink subframe werd berekend in (4.3) en is aangeduid met de gestreepte lijn rond het downlink subframe op Figuur 4.1. De slots die we werkelijk voor data kunnen gebruiken, bepalen we met Sˆdata = Sˆf rame,raw − SˆDM − SÛ M − SˆF CH .

(4.4)

De locatie van deze slots wordt aangeduid met A op Figuur 4.1. De grootte van de MAP berichten wordt bepaald door SDM = SDM H + U · SDM I

(4.5)

SU M = SU M H + U · SU M I

(4.6)

indien we veronderstellen dat aan elke gebruiker in elk frame slechts één burst toegewezen wordt. We berekenen de nodige slots voor de DL-MAP, UL-MAP en FCH door S DM (3) (4.7) SˆDM = SQP SK SU M (3) ˆ SU M = (4.8) SQP SK SF CH ˆ SF CH = · RF CH . (4.9) SQP SK Hoewel de FCH slechts 24 bits groot is, vereist de FEC een minimale blokgrootte van 48 bits. De FCH wordt daarom uitgebreid waarna repetition coding van 4x en QPSK 21 wordt toegepast. Het aantal pakketten dat in het downlink subframe past, is $ % ˆ Sdata Npackets = . (4.10) ˆ Spacket (3)

Er wordt geen extra repetition coding verondersteld voor MAP berichten


39

De overhead in bytes die hoort bij het frame is OvM AC = P +

SDM SU M SF + + cr cr cr

(4.11)

waarbij de preamble 360 bits(4) inneemt. Met de overhead per pakket daarbij geteld komt de overhead uit op SGM H 1 Ov = OvM AC + Npackets · + Spayload · −1 . (4.12) cr cr De hoeveelheid databytes dat het downlink subframe kan transporteren bedraagt Data = Npackets · Spayload .

(4.13)

Bij de bekomen uitkomst in (4.13) werd de veronderstelling gemaakt dat het frame opgevuld wordt met pakketjes van gelijke grootte. Als het laatste pakketje op het einde van het frame niet meer past, worden die overblijvende bytes niet meer nuttig gebruikt. Daar het niet wenselijk is om bytes verloren te laten gaan kan de BS beslissen om toch nog een zo groot mogelijke PDU in te passen op het einde van de frame. Om het scenario te vervolledigen, doen we dus extra berekeningen om te bepalen hoe groot de laatste PDU mag zijn. Het aantal slots die nog overblijven op het einde is ˆrest = Sˆdata − Npackets · Sˆpacket . N

(4.14)

De overhead die hoort bij de laatste kleinere PDU kunnen we bepalen uit het volgende stelsel met twee onbekenden, Ovrest (5) en Datarest .  Ovrest = SGM H + Datarest · 1 − 1 cr cr (4.15) Datarest = N ˆrest · Sslot − Ovrest met als oplossing ˆrest · Sslot · (1 + cr ) . Ovrest = SGM H + N

(4.16)

In het volledige scenario zal het downlink subframe dus opgevuld worden met Datatot = Data + Datarest

(4.17)

Ovtot = Ov + Ovrest

(4.18)

en de overhead daarvan zal bedragen. De totale procentuele overhead aan bytes van het DL subframe wordt dan Ov% =

Ovtot . Ovtot + Datatot

(4.19)

360 subcarriers met 1 bit per subcarrier wegens BPSK modulatie Er wordt geen nieuwe DL-MAP IE verondersteld omdat de PDU in de laatste burst wordt opgenomen (4) (5)


40

Uplink In de uplink gelden licht andere voorwaarden om de doorstroom te bepalen. Enerzijds hebben we geen overhead van de preamble, MAPs en FCH maar anderzijds is er wel een ranging kanaal dat gebruikt wordt voor de contentie-gebaseerde aanvragen op te plaatsen en moet je de tijd nodig voor de request-grant procedure (zie 2.3.7) in rekening brengen. De invloed van het ranging kanaal zal gelden doordat de beschikbare ruimte voor data in het uplink subframe beperkt wordt zoals te zien is in Figuur 2.2 maar zal verder niet voorkomen in de formules. De overhead in de uplink bestaat enkel uit de codebits en de MAC headers. Voor de berekening van het procentuele aandeel van de overhead tegenover alle verstuurde bits voor de data en de overhead volgen we de volgende redenering. Het aantal beschikbare dataslots in het bruikbare deel van het uplink subframe (aangeduid met de volle rode lijn op Figuur 4.1 en benoemd met A’) bedraagt Sf rame,raw ˆ . (4.20) Sdata = Sslot Hierin is Sf rame,raw verondersteld als de grootte van het UL subframe zonder het ranging subkanaal. Het aantal pakketten dat in het uplink subframe past, is $ % Sˆdata Npackets = . (4.21) Sˆpacket De overhead in bytes die hoort bij de pakketten is SGM H 1 OvM AC = Npackets · + Spayload · −1 . CR CR

(4.22)

De hoeveelheid databytes dat het uplink subframe kan transporteren bedraagt Data = Npackets · Spayload .

(4.23)

Bij de bekomen uitkomst in (4.23) werd de veronderstelling gemaakt dat het frame opgevuld wordt met pakketjes van gelijke grootte. Als het laatste pakketje op het einde van het frame niet meer past, worden die overblijvende bytes niet meer nuttig gebruikt. Daar het niet wenselijk is om bytes verloren te laten gaan kan de BS beslissen om toch nog een zo groot mogelijke PDU in te passen op het einde van de frame. Om het scenario te vervolledigen, doen we dus extra berekeningen om te bepalen hoe groot de laatste PDU mag zijn. Het aantal slots die nog overblijven op het einde bedraagt ˆrest = Sˆdata − Npackets · Sˆpacket . N

(4.24)

De overhead die hoort bij de laatste kleinere PDU kunnen we bepalen uit het volgende stelsel met twee onbekenden, Ovrest en Datarest .  Ovrest = SGM H + Datarest · 1 − 1 CR CR (4.25) Datarest = N ˆrest · Sslot − Ovrest

4.3 Invloed van externe factoren

41

met als oplossing ˆrest · Sslot · (1 + cr ) . Ovrest = SGM H + N

(4.26)

In het volledige scenario zal het uplink subframe dus opgevuld worden met Datatot = Data + Datarest

(4.27)

Ovtot = Ov + Ovrest

(4.28)

en de overhead daarvan zal

bedragen. De totale procentuele overhead aan bytes van het UL subframe wordt dan Ov% =

4.2.2

Ovtot . Ovtot + Data

(4.29)

Bepaling van de throughput in steady state regime in standaard operatie

De downlink en uplink throughput kan respectievelijk bepaald worden uit (4.17) en (4.27). Aangezien de daarin gevonden hoeveelheid databytes verstuurd wordt om Tf ms, geeft de verhouding Datatot (4.30) Tf de reële steady state throughput weer. Alle formules uit deze sectie werden ingegeven in Maple 12 en ook de grafieken uit de volgende secties zijn hiermee gegenereerd.

4.3 4.3.1

Invloed van externe factoren Invloed van de pakketgrootte op de overhead en de throughput

Overhead Als de SDU pakketjes kleiner worden, zal de payload van de MAC PDU waarin ze vervoerd worden percentueel kleiner worden tegenover de GMH. Om evenveel data te versturen in kleinere SDU’s moeten er meer MAC PDU’s gevormd worden en dat betekent per bijkomende PDU 6 bytes extra overhead aan GMH (plus eventueel 4 bytes per CRC). De hoeveelheid verstuurde data blijft dus dezelfde maar de procentuele overhead(6) zal sterk stijgen. Als we teruggrijpen naar de formules in sectie 4.2 dan verminderen we volgens de bovenstaande redenering de Spayload . In dat geval verkleint Sˆpacket uit (4.2) evenredig (6)

procentuele overhead berekend volgens (4.19)


42

en verhoogt Npackets in (4.10). Het stijgen van Npackets zal uiteindelijk via (4.12) de totale overhead omhoogstuwen. Dit wordt uitgezet in Figuur 4.3a en volgens een analoge berekening in Figuur 4.4a . Throughput De relatie Sf rame,raw = Ov + Data

(4.31)

blijft altijd gelden omdat het frame steeds volledig wordt opgevuld op de manier beschreven in sectie 4.2. Uit de paragraaf hierboven weet men dat een stijgende waarde van Spayload de overhead zal laten dalen. Daarom moet dus de hoeveelheid verstuurde data stijgen omdat Sf rame,raw een constante is. Meer intu¨ıtief kan men dat verklaren doordat met stijgende Spayload er minder grotere PDU’s in een subframe zullen passen. Daardoor zal er minder GMH overhead zijn en is er meer ruimte voor data. De effectieve throughput wordt in functie van de pakketgrootte (SDU grootte) uitgezet op Figuur 4.3b en Figuur 4.4b. De gestippelde lijn is dan de maximale fictieve L2databits throughput voor de 16-QAM 12 modulatie. Deze throughput wordt nooit bereikt omwille van de extra GMH’s die de MAC laag toevoegt. Voor de DL staan er op Figuur 4.3 grafieken voor een verschillend aantal gebruikers. Men stelt vast dat een stijgend aantal gebruikers verder een grotere DL-MAP en ULMAP vereisen en dus eveneens de data throughput verlagen. Deze laatste invloed wordt verder beschreven in 4.3.2. De conclusie is dus dat er in de meest optimale omstandigheden ten hoogste 48 % van de fysische throughput kan worden aangeboden aan de netwerklaag. 50 % gaat naar de codebits en de rest naar de MAC overhead. Voor applicaties met kleine pakketten zoals VoIP bereikt de overhead hoge waarden en is duidelijk nood aan een bundeling van pakketjes om de overhead te reduceren. WiMAX voorziet daarin met ingebouwde faciliteiten voor het groeperen van pakketten onder één MAC header met toevoeging van een (kleine) PSH. Deze techniek werd beschreven in 2.3.5. De volgende vaststellingen kunnen worden afgeleid uit Figuur 4.3 en Figuur 4.4: Alle grafieken vertonen een trapjeslijn en zijn gelijkvormig voor iedere modulatie en code rate. De verklaring van de vorm wordt ondersteund door Figuur 4.5 waarop drie situaties zijn weergegeven voor stijgende pakketgroottes. De laatste PDU is de rest-PDU en de overige PDU’s stellen de PDU’s van gelijke grootte voor waarmee het frame eerst opgevuld wordt. Het vergroten van de PDU’s is equivalent aan een opschuiving naar rechts op de grafiek van Figuur 4.3a en Figuur 4.4a. Dat wordt voorgesteld door stap 1 op Figuur 4.5 waarop men vaststelt


(a) Overhead

43

(b) Throughput

Figuur 4.3: Invloed van de pakketgrootte op de procentuele DL overhead en DL throughput voor een verschillend aantal gebruikers met parameters uit Tabel 2.2 en 16-QAM 21 modulatie

(a) Overhead

(b) Throughput

Figuur 4.4: Invloed van de pakketgrootte op de procentuele UL overhead en UL throughput voor een verschillend aantal gebruikers met parameters uit Tabel 2.2 en 16-QAM 21 modulatie


44

dat de hoeveelheid data tegenover de overhead volledig gelijk blijft. Dat is eenvoudig te begrijpen omdat er evenveel headers en CRC’s zijn in beide gevallen en omdat men weet dat het uplink subframe steeds volledig opgevuld is. De vaststelling verklaart de horizontale gedeeltes in de grafieken waar voor stijgende pakketgrootte de procentuele overhead niet onmiddelijk afneemt.

Figuur 4.5: Duiding bij de opvulprocedure van het subframe

Als men nu de PDU’s blijft vergroten zal er op een bepaald moment geen extra PDU meer passen in het overblijvende stukje frame zoals getoond in stap 2. De overhead van die extra PDU valt dan weg zodat de procentuele overhead vermindert tegenover de data. Dat verklaart de ‘trede’ in de grafieken. Alle throughput grafieken dalen omwille van de verminderde procentuele invloed van headers bij grotere pakketten, blijven steeds boven de eigen theoretische ondergrens en bereiken deze slechts bij een oneindige pakketgrootte. De grafieken stoppen bij de maximale grootte van de MAC PDU payload die beperkt is. We bekijken de maximale grootte grondiger in sectie 4.4.1 omdat deze ook afhangt van de gebruikte modulatie.

4.3.2

Invloed van het aantal gebruikers op de overhead en de throughput

Men veronderstelt dat alle gebruikers SDU pakketten sturen van een vaste grootte. Het frame wordt gelijk verdeeld voor elke gebruiker en iedere gebruiker vult zijn stuk eerst op met zijn vaste-grootte pakketjes. Als zijn deel niet volledig opgevuld geraakt, wordt in het resterende gedeelte ervan een zo groot mogelijke PDU gestoken. Downlink Een hoger aantal gebruikers heeft een negatieve invloed op de grootte van de UL-MAP en DL-MAP. Per gebruiker wordt er een extra burst toegevoegd waardoor in DL-MAP


45

een extra DL-MAP IE moet bijkomen. Dat vertaalt zich in een toevoeging van 52 bit (Tabel 2.6) per informatie-element. Voor de DL-MAP wordt een QPSK 12 modulatie gebruikt zodat er 104 bits effectief bijkomen in het downlink subframe(7) . Dat vertaalt zich in een negatieve invloed op throughput omdat SˆDM en SÛ M stijgen. Uit (4.4) zien dan we dat Sˆdata kleiner wordt. Daardoor wordt ook Npackets kleiner (via (4.10)) en dus ook Data via (4.13). Uiteindelijk kan men uit de relatie in (4.30) concluderen dat de throughput lager wordt. De grafieken worden uitgezet op Figuur 4.6 en enkele waarden ervan worden geplaatst

Figuur 4.6: DL throughput in functie van het aantal gebruikers voor verschillende pakketgroottes

in Tabel 4.2. Er worden steeds pakketten van maximale grootte en de 16-QAM modulatie verondersteld. Aantal gebruikers

Throughput (Mbps)

% tegenover 1 gebruiker

1 2 5 10

3,50 3,46 3,33 3,14

100 98,9 95,6 89,6

Tabel 4.2: Data throughput vanuit de BS in functie van het aantal gebruikers (7)

Eventueel kan in de FCH nog een repetition coding opgelegd worden voor de MAP berichten

1 2


46

Uplink De uplink throughput ondervindt geen invloed van het aantal gebruikers. De enige elementen in het frame die veranderen van grootte zijn DL-MAP en UL-MAP en beide komen niet voor in het uplink subframe.

4.3.3

Gecombineerde invloed van het aantal gebruikers en de pakketgrootte

In Figuur 4.7 wordt de procentuele overhead en de throughput in functie van de pakketgrootte en het aantal gebruikers voorgesteld. De hierboven beschreven invloed wordt nogmaals bevestigd: het verhogen van het aantal gebruikers en het verkleinen van de SDU pakketjes doet de overhead stijgen en de throughput dalen.

(a) Overhead

(b) Throughput

Figuur 4.7: DL overhead en throughput functie van het aantal gebruikers en van de pakketgrootte voor de 16-QAM 21 modulatie met parameters uit Tabel 2.2

De overhead zal altijd meer dan 50 % uitmaken van de datastroom omwille van de codebits die de helft van het verkeer op zich nemen(8) . Daarbij komen sowieso nog de PHY preamble, FCH, UL-MAP, DL-MAP en de GMH’s. Deze laatste zullen een kleinere rol spelen als de pakketjes groter worden en het procentueel aandeel van de headers dus verkleint. Uitgaande van een modulaties (8)

1 2

code rate. De overhead zal altijd meer dan 25% bedragen bij

3 4

code rate

4.4 Invloed van WiMAX specifieke factoren

4.4 4.4.1

47

Invloed van WiMAX specifieke factoren Invloed van de modulatie op de overhead en de throughput

Uplink In Figuur 4.8 wordt de uplink overhead en throughput uitgezet in in functie van de pakketgrootte en voor verschillende modulaties. De verklaring waarom de grafieken

(a) Overhead

(b) Throughput

Figuur 4.8: UL overhead en throughput functie van de pakketgrootte voor verschillende modulaties met parameters uit Tabel 2.2

op de x-as slechts doorlopen tot aan een bepaalde grootte van de MAC PDU payload is dat die beperkt is door de MAC specificaties zoals beschreven in 2.3.4 op 2037 bytes (voor 16-QAM 34 , 64-QAM 21 , 64-QAM 23 , 64-QAM 43 en 64-QAM 56 ). de grootte van het uplink subframe (voor QPSK 21 , QPSK bepaald wordt door Nulsymb · Ndata · bm · cr .

3 4

en 16-QAM 12 ) die (4.32)

De exacte waarde van de maximale grootte van de MAC payload en de minimale overhead die daarbij hoort, worden in Tabel 4.3 uitgezet. Uit de Figuur 4.8 kan men opmaken dat de procentuele overhead het laagst is voor de 64-QAM modulaties omdat er daar meer bits per subframe kunnen worden verstuurd. Daar de grootte en modulatie van de DL-MAP, UL-MAP en FCH niet verandert, zal er dus in verhouding meer data kunnen verstuurd worden onder gelijke


(a) Overhead

48

(b) Throughput

Figuur 4.9: DL overhead en throughput functie van de pakketgrootte voor verschillende modulaties met parameters uit Tabel 2.2

frame overhead. In dezelfde figuur kan er ook vastgesteld worden dat de hoogste throughput bereikt wordt voor pakketten met maximale grootte. Dat is equivalent met één grote PDU per uplink subframe voor alle modulaties op de 64-QAM na waar er meer dan één pakket van maximale grootte in een frame past. Een interessante Modulatie

Maximale pakketgrootte (bytes)

Overhead (%)

QPSK 21 QPSK 43 16-QAM 12 16-QAM 34 64-QAM 12 64-QAM 23 64-QAM 34 64-QAM 56

704 1061 1418 2038 2038 2038 2038 2038

50,70 25,70 50,35 25,70 50,47 33,80 25,47 17,14

Tabel 4.3: Maximale grootte pakketten per modulatie

vaststelling is dat de throughput in de uplink voor de 64-QAM 12 dezelfde is als voor de 16-QAM 34 modulatie. Deze vaststelling kan wiskundig gecontroleerd worden aan de hand van de formule Databits per modulatiesymbool = bm · cr

(4.33)

die voor beide modulaties dezelfde waarde oplevert (6 · 12 bit = 4 · 43 bit). Ieder modulatiesymbool in het frame bevat dus evenveel databits en daardoor biedt het frame


49

dezelfde throughput aan. Downlink In Figuur 4.9 wordt de procentuele overhead en throughput uitgezet voor verschillende modulaties. Men kan vaststellen zoals in de uplink dat bij de 64-QAM 21 deze overhead lager ligt dan bij de 16-QAM 12 modulatie (Figuur 4.9a). Analoog zal de throughput voor de 64-QAM 21 modulatie hoger liggen dan voor de 16-QAM 12 modulatie (Figuur 4.9b) omdat het frame meer data kan bevatten. Een hogere bm zal met andere woorden tot gevolg hebben dat Sf rame,raw groter wordt. Via (4.4) weet men dan dat Sˆdata groter wordt. Meer plaats voor data zal dus als gevolg hebben dat de throughput stijgt.

4.4.2

Invloed van de bandbreedte aanvraag op de throughput

Downlink De downlink ondervindt geen invloed van de bandbreedte aanvraagprocedure omdat alle contentie-gebaseerd verkeer in de uplink gebeurt. Uplink Om een duidelijke conclusie te kunnen trekken over de invloed van het type bandbreedte aanvraag analyseert men de volgende situaties: de situatie waarbij om een bepaald aantal frames een volledige aanvraagprocedure voor bandbreedte (zie 2.3.7) moet doorlopen worden alvorens nieuwe data te mogen sturen. de situatie waarbij de nodige BW-REQ gepiggybackt kan worden tijdens het sturen van data. het ge¨ıdealiseerd geval waarbij een BS slechts één maal een request-grant procedure moet doorlopen bij de start

Men veronderstelt maximale pakketgroottes zoals deze in Tabel 4.3 uitgezet zijn. een error-rate van 0,22(9) . De error-rate bepaalt de waarschijnlijkheid dat de CDMA code niet correct decodeerbaar was aan de kant van de BS waardoor (9)

Voor de exacte berekening daarvan verwijzen we naar de literatuur [18]


50

de CDMA code opnieuw moet worden gestuurd na het verloop van twee frames (zie Figuur 2.15). De totale tijd voor een BW-REQ zal daarom Tbwreq = 2Tf · (1 − pe − p2e − p3e − p4e )+ 5Tf · pe +8Tf · p2e +11Tf · p3e + 14Tf · p4e (4.34) bedragen, waarbij we de formule tot in de vierde graad uitschrijven. Voor een 5 ms frame komt het uit op 15,37 ms gemiddeld wat ongeveer 50 % langer is dan in het geval met één gebruiker. om de 20 frames (100 ms) een nieuwe bandbreedte aanvraag voor het eerste scenario. parameters uit Tabel 2.2 en 16-QAM

1 2

modulatie.

Figuur 4.10: Invloed van de bandbreedte aanvraag op de throughput

Voor de bekomen resultaten in Figuur 4.10 geldt de volgende redenering: men veronderstelt een grote hoeveelheid data die klaar staat op de hogere laag om doorgegeven te worden aan de WiMAX MAC laag. Dat gebeurt in pakketten van maximale grootte (Tabel 4.3) zodat het frame steeds volledig opgevuld is. De totale hoeveelheid data van de hogere laag wordt op de x-as geplaatst en kan ge¨ınterpreteerd worden als tijd. De grafiek stelt dus eigenlijk de gemiddelde throughput voor om x bytes te versturen aangevraagd volgens een bepaalde request grant procedure. Men stelt zoals verwacht vast dat het telkens opnieuw uitvoeren van de requestgrant procedure een grote negatieve invloed heeft op de throughput. Voor iedere aanvraag gaan er minstens 15 ms verloren met het versturen van de CDMA code en de daaropvolgende BW-REQ per voltooide procedure zodat het veel langer duurt om een


51

bepaalde hoeveelheid data door te sturen. In Tabel 4.4 worden enkele cijfers meegegeven waarbij 1 Mb totale data van de hogere laag verondersteld wordt. Daaruit ziet men dat het reële voorbeeld van het piggybacken van een BW-REQ in een GMS slechts een minieme overhead introduceert tegenover het ideale geval met slechts één aanvraag. De 2 bytes grote GMS meesturen met het laatste frame in plaats van de bandbreedte aanvraag procedure opnieuw te starten levert dus algauw een winst op van 13% in UL throughput. Request grant procedure

Throughput (Mbps)

% tegenover 1x request grant

1x request grant piggybacked request multiple request grants

2,2566 2,2564 1,9592

100 99,9 86,8

Tabel 4.4: UL throughput in functie van de request grant procedure

Data over ranging channel In de gevallen waarbij er slechts een heel kleine hoeveelheid data uplink moet worden gestuurd(10) kan de SS beslissen om tijdens de request grant procedure (Figuur 2.15) onmiddellijk de MAC PDU te versturen in de ruimte voorzien voor de BW-REQ. Op die manier komt het data pakket Tf ms eerder toe. Uit 2.2.4 weet men dat een slot de kleinst mogelijke alloceerbare eenheid is binnen het frame. Daarom zal de BS geen andere keuze hebben dan minimaal één slot toe te wijzen voor de BW-REQ die op zich slechts 6 byte groot is (Figuur 2.10). De slotgrootte op haar beurt hangt rechtstreeks af van de modulatie (Tabel 4.5) en er zal dus tot 36 bytes vrijgehouden moeten worden voor de BW-REQ bij 64-QAM modulaties. Op Figuur 4.11 ziet men de maximaal haalbare throughput voor deze methode in functie van de slotgrootte. De figuur is opgedeeld voor de 12 en 34 code rate modulaties omdat de code bits ook een rol zullen spelen bij de maximale grootte van de MAC PDU die in een slot past. In Tabel 4.5 staat ook de maximale throughput over het ranging kanaal per modulatie met de bijbehorende percentuele winst tegenover het scenario waarbij de volledige bandbreedte aanvraagprocedure werd doorlopen om dezelfde hoeveelheid data te versturen. De throughput zal ongeveer 48 % hoger liggen omdat de aanvraagprocedure 31 korter wordt.

(10)

Dat zal vaak zo zijn voor het ACK bericht horende bij het TCP protocol


52

modulatie

slot grootte (byte)

throughput (kbps)

% winst

QPSK 12 QPSK 43 16-QAM 21 16-QAM 43 64-QAM 21 64-QAM 43

12 12 24 12 36 36

2,31 3,47 6,94 10,41 11,57 17,35

48,1 48,2 48,3 48,1 48,1 48,2

Tabel 4.5: Verband tussen modulatie en slotgrootte

(a)

1 2

code rate

(b)

3 4

code rate

Figuur 4.11: Throughput van data over het ranging kanaal voor verschillende modulaties

4.4.3

Invloed van de MAC packing op de overhead en de throughput

De invloed van de pakketgrootte en het aantal gebruikers op de MAC packing functie (2.3.5) wordt geëvalueerd voor een 16-QAM 21 modulatie in de uplink. De focus ligt op de procentuele overhead alsook op de throughput. Men veronderstelt dat alle gebruikers SDU pakketten sturen die gemiddeld gezien een gelijke grootte hebben. Het frame wordt evenredig verdeeld voor elke gebruiker en iedere gebruiker vult zijn stuk eerst op met zijn pakketjes. Als zijn deel niet volledig opgevuld geraakt, wordt in het resterende gedeelte ervan een zo groot mogelijke PDU gestoken. Het valt op dat dat zonder packing ieder pakket een eigen GMH en CRC vereist zoals in (1) op Figuur 4.12 terwijl bij de situatie met packing de laatste SDU nog opgenomen kan worden in de PDU zoals in (2). Een belangrijke bemerking hierbij is dat er slechts gemiddeld een vaste grootte wordt verondersteld maar dat de pakketjes een variabele grootte kunnen hebben. Voor


53

Figuur 4.12: Verklaring van de gebruikte evaluatiemethode voor MAC packing

de berekeningen maakt het dan niet uit of men met n maal de gemiddelde waarde rekent of met de exacte som want dat komt op dezelfde hoeveelheid bytes neer. Voor de eenvoud van de figuren neemt men dus pakketjes van vaste grootte maar is men wel genoodzaakt om de “Packing van variabele-grootte SDU’s” methode toe te passen. Om de “Packing van vaste-grootte SDU’s” methode te bespreken en het mogelijke voordeel te vergelijken, worden ook deze grafieken getekend op de volgende figuren. Daarbij moeten uiteraard de pakketjes wél een vaste grootte hebben en heeft deze methode de bijkomende beperking dat er geen kleinere PDU meer kan worden toevoegd op het einde. Deze zal namelijk nooit van dezelfde grootte kunnen zijn als de rest en in dat geval had de “Packing van variabele-grootte SDU’s” methode moeten worden toegepast. Invloed van SDU pakketgrootte De procentuele overhead wordt uitgezet in Figuur 4.13a voor een situatie met 2 gebruikers waarbij men de SDU grootte laat variëren. Men stelt de volgende zaken vast: de overhead ligt bijna overal lager wanneer packing wordt toegepast packing levert pas winst op vanaf er 3 SDU’s worden ingepakt. Als de grootte van de SDU verkleint dan zuller er meer dan 2 SDU’s verpakt kunnen worden in 1 PDU en wordt de packing winst zichtbaar. Dat is te verklaren doordat in de berekeningen een PSH van 3 bytes verondersteld werd. Teruggrijpend naar Figuur 2.13 kan men namelijk berekenen dat bij 2 SDU’s het wegvallen van één GMH gecompenseerd wordt door het toevoegen van twee PSH’s (6 bytes = 2·3 bytes). Het stuk van de grafiek voor packing waarbij de payloadgrootte slechts het inpakken van 2 SDU’s toelaat, is anders aangeduid op de grafiek zodat duidelijk te zien is dat beide grafieken in dat stuk overlappen. de packing optie voor vaste-grootte pakketten genereert een overhead die 1 % lager ligt dan bij variabele-grootte pakketten


(a) Overhead

54

(b) Throughput

Figuur 4.13: DL overhead en throughput functie van de pakketgrootte voor verschillende packing methodes met parameters uit Tabel 2.2

Verder kan men uit de resultaten in Figuur 4.13b besluiten dat de throughput zoals verwacht hoger is als de packing optie gebruikt wordt omwille van de winst in overhead bytes. Per ingepakte SDU bestaat de winst uit het verschil tussen een GMH en de PSH (6 bytes min 3 bytes) en de eventuele CRC van 4 byte. In de berekeningen in deze sectie werd verondersteld dat er geen CRC gebruikt wordt. Mocht dit wel zo zijn dan zal de packing winst nog groter worden omdat er per ingepakte SDU niet alleen de GMH verdwijnt maar ook de CRC, samen 10 bytes. De vaste-grootte packing optie blijkt slechts voor enkele pakketgroottes een betere throughput te hebben. Dat zijn waardes waarvoor er een geheel aantal pakketten in de ruimte voorzien voor 1 gebruiker passen. Voor de andere waardes gaat er steeds ruimte verloren omdat het laatste pakket er niet volledig in kan waardoor de throughput zakt. De variabele-grootte packing optie vult die ruimte in dat geval wel op met een kleinere PDU wat hier niet kan. Verder is de vaste-grootte packing optie vooral voordelig voor heel kleine pakketjes omdat enerzijds door de lage granulariteit weinig ruimte verloren zal gaan op het einde (minder dan 1 pakketgrootte) en anderzijds omdat het veel beter presteert aangezien er geen PHS van 3 bytes per pakket moet worden voorzien. Als gevolg van deze berekening kunnen we voor minder real-time gevoelige applicaties een redelijk ruw scheduling schema voorstellen: in plaats van de beschikbare data in iedere frame te versturen, wordt er beter gedurende enkele frames de binnenkomende data gebufferd en dan geprofiteerd van de packingwinst die voorzien wordt door de MAC laag. Het bufferen introduceert slechts een delay van 5 ms per gebufferd frame en kan ook getweakt worden per applicatie op basis van de QoS vereisten. We gaan niet


55

verder in op het uitwerken van een scheduling algoritme maar zulke schema’s bieden kans om het maximum uit throughput te halen. Invloed van het aantal gebruikers De SDU grootte wordt vastgelegd op 100 bytes en het aantal gebruikers wordt gevariëerd. Uit Figuur 4.14a blijkt dat de overhead met voor de situatie met variabelegrootte packing lager ligt dan de overhead zonder packing. De vaste-grootte packing overhead ligt nog eens ongeveer 1 % lager.

(a) Overhead

(b) Throughput

Figuur 4.14: UL overhead en throughput in functie van het aantal gebruikers met en zonder packing

Men stelt ook vast dat vanaf 7 gebruikers er geen verschil meer merkbaar is in de overhead tussen de situatie zonder packing en met variabele-grootte packing. Dat komt door de verhouding van de SDU grootte en de grootte van het UL subframe (1428 bytes voor 16-QAM 21 ): als het frame opsplitst wordt in 7 delen zal er in ieder deel slechts één pakket van exact 100 byte kunnen. Doordat nog één SDU de resterende bytes opvult, zullen er dus in totaal 2 SDU’s worden ingepakt per PDU. Zoals vroeger reeds besproken, geldt de packingwinst niet zolang er minder dan 3 pakketjes gebundeld worden. De grafiek voor variabele-grootte packing loopt niet verder dan 7 gebruikers omdat vanaf dan er geen enkel pakket van 100 bytes meer in het frame past. Uit Figuur 4.14b blijkt dat de invloed van het aantal gebruikers op de throughput niet zo groot is. Het daalt ongeveer 2 a` 3 % tussen de situatie met 1 gebruiker en de situatie met 10 gebruikers. Opnieuw stelt men vast dat de throughput voor variabele-grootte packing gelijk is aan het geval zonder packing als er meer dan 6 gebruikers per frame zijn.


56

De vaste-grootte packing presteert slechts zelden beter in tegenstelling tot wat men zou kunnen verwachten als men de lagere overhead op Figuur 4.14a ziet. Het is misleidend omdat de overhead berekend wordt tegenover de hoeveelheid data die verstuurd werd. Het komt dus voor dat er gewoon weinig data verstuurd kan worden waardoor de overhead wel laag is maar de throughput ook.

4.4.4

Invloed van Packet Header Suppression op de overhead

We analyseren de invloed van de PHS zoals beschreven in 2.3.1. Deze techniek werkt niet in op de overhead van de WiMAX headers van PDU’s zoals packing maar wel op de headers toegevoegd door de hogere lagen van SDU’s en verwijdert daaruit de redundante velden. In [20] werd een PHS regel voorgesteld die inwerkt op headers van een VoIP pakket: Realtime Transport Protocol (RTP), User Datagram Protocol (UDP) en IPv6. Hoewel het gebruik van IPv6 als netwerkprotocol van vooruitziendheid getuigt, verkiezen we toch de analyse zelf te doen voor IPv4, gezien het grote belang dat het vandaag nog steeds heeft. Daarbij is het helemaal niet zeker of IPv6 eerder zal ingevoerd worden dan WiMAX. Per type header bekijken welke velden zich het best lenen om te worden onderdrukt of verwijderd. Enerzijds zijn dat velden die onveranderd blijven doorheen de levenscyclus van een pakket of volledig voorspelbaar veranderen. Dat kan bijvoorbeeld een incrementele teller zijn waarvan de waarde dan niet meer moet worden meegestuurd maar berekend kan worden aan de ontvangerkant. Anderzijds zijn dat velden die voorspeld kunnen worden aan de hand van de informatie die op een andere laag al wordt meegestuurd zoals de lengte van het pakket. Velden die vaak en willekeurig veranderen kunnen niet worden voorspeld en worden dus nog onveranderd meegestuurd. De IPv4 header voorgesteld in Figuur 4.15 is 20 bytes groot wanneer verondersteld wordt dat het Options veld leeg is. Na het weglaten van de onveranderlijke velden (aangeduid met een gestreepte rand en lichte opvulling) en de af te leiden velden (aangeduid met een donkere opvulling) blijven er nog 2 bytes over voor Identification. De UDP header is 8 bytes groot en de velden ervan worden weergeven in Figuur 4.16. We stellen voor om Source Port, Destination Port en Length te onderdrukken. De checksum kan in principe herbepaald worden aan de ontvangerzijde maar als we niet zeker zijn van goede kwaliteit van de air link kan er toch geopteerd worden om deze mee te sturen. Uit [20] volgt dat de RTP header (Figuur 4.17) tussen 12 en 72 bytes groot is afhankelijk van het aantal Contributing Synchronisation Sources (CSRC). Er kunnen tussen 0 en 15 CSRC zijn en elke CSRC voegt 4 bytes bij de RTP header toe. Hoewel een aantal bits in eerste vier bytes van de header statisch zijn, werkt PHSM met


57

Figuur 4.15: IPv4 header met te ondrukken velden

Figuur 4.16: UDP header met te ondrukken velden

een byte granulariteit wat onvoldoende is om deze bits eruit te halen. Daarom stelt men voor om enkel het Synchronisation Source (SSRC) veld te ondrukken waardoor er 4 bytes uit de RTP header wegvallen en veronderstelt men verder geen CSRC.

Figuur 4.17: RTP header met te ondrukken velden

Samenvattend kan men berekenen dat na de beschreven compressie van de headercombinatie RTP/UDP/IPv4, die oorspronkelijk 40 bytes groot was, nog 14 bytes overblijven. Dat staat gelijk aan een reductie van 65 % van de headergrootte. In IEEE 802.16e-2005 worden ook nog andere methodes gedefinieerd dan het weglaten van repetitieve velden in de headers: Robust Header Compression (ROHC) [22] en

4.5 Vergelijking met de fysische data rates

58

Enhanced Compressed RTP (ECRTP) [23]. ROHC is een sterk compressieprotocol die goede performantie biedt voor onbetrouwbare links met hoge verliezen zoals draadloze links. ROHC is in staat om de 40 bytes van RTP/UDP/IPv4 te reduceren tot 2 a` 4 bytes maar is wel complexer dan standaard PHS en brengt een delay met zich mee. Over het algemeen zal ROHC te prefereren zijn boven PHS maar het is niet uitgesloten dat er toepassingen bestaan waarbij PHS beter presteert, in het bijzonder als een groot deel van de headers statisch is.

4.5

Vergelijking met de fysische data rates

De berekende MAC data rates worden vergeleken met de PHY data rates uit hoofdstuk 3. Ter herhaling wordt in Tabel 4.6 eerst de rij voor de 16-QAM 21 modulatie uit Tabel 3.1 uitgezet. In Tabel 4.7 worden dan de berekende MAC data rates uitge-

Modulatie


Code Rate

16-QAM

1/2 CTC

DL

UL

3,312

2,285

Tabel 4.6: PHY data rate in Mbps met WiMAX parameters volgens Tabel 2.2

Gebruikers

1

2

5

10

Pakketgrootte (byte)

DL

UL

DL

UL

DL

UL

DL

UL

50 100 500 1000 1418 2037

2,94 2,94 3,41 3,45 3,47 3,49

1,90 1,92 2,22 2,24 2,27

2,90 2,90 3,38 3,41 3,43 3,45

1,90 1,92 2,22 2,24 2,27

2,80 2,80 3,24 3,28 3,30 3,32

1,90 1,92 2,22 2,24 2,27

2,64 2,64 3,08 3,12 3,14 3,15

1,90 1,92 2,22 2,24 2,27

Tabel 4.7: MAC data rate in functie van aantal gebruikers en pakketgrootte in Mbps met WiMAX parameters volgens Tabel 2.2 en 16-QAM 12 modulatie

zet in functie van het aantal gebruikers en de pakketgrootte voor zowel downlink als uplink. Daaruit stelt men vast dat de PHY rate in de uplink de bovengrens vormt voor de MAC rate. In de downlink is het schijnbaar niet zo maar dat heeft als oorzaak dat de downlink waarden in Tabel 3.1 berekend werden voor 23 DL OFDM symbolen terwijl de waardes in Tabel 4.7 berekend werden volgens de aannames uit sectie 4.1.

4.5 Vergelijking met de fysische data rates

59

De hogere downlink MAC data rate vloeit dan voort uit het feit dat een deel van het OFDM symbool dat het laatste deel van de DL-MAP draagt ook ingezet kan worden als datadrager. Een correcte vergelijking is deze waarbij de bekomen waarden voor 1 gebruiker bij maximale pakketgrootte (2037 bytes) uit Figuur 4.3b vergeleken wordt met de throughput die bekomen werd door in (3.4) 26 in te vullen voor Ndlsymb (11) . Toegepast voor een 16-QAM 21 PUSC modulatie en 5 MHz kanaal wordt dit 360 · 4 bit · 12 · 26 P HY DL Datarate = = 3, 744 M bps 5 ms en daar liggen de DL MAC waarden in Tabel 4.7 zoals verwacht wel onder.

(4.35)

MAC effici¨ entie Als maatstaf voor de vergelijking tussen PHY en MAC data rates introduceren we de MAC efficiëntie die gedefiniëerd wordt als M AC Datarate × 100 % ηM = P HY Datarate en die het percentage weergeeft dat overblijft van de fysische throughput na het invoegen van de verplichte MAC overhead. Gebruikers

1

2

5

10

Pakketgrootte (byte)

DL

UL

DL

UL

DL

UL

DL

UL

50 100 500 1000 1418 2037

78,5 78,5 91,1 92,1 93,1 93,3

83,2 84,0 97,2 98,0 99,3

77,4 77,4 90,3 91,1 92,1 92,3

83,2 84,0 97,2 98,0 99,3

74,8 74,8 86,5 87,6 88,5 88,7

83,2 84,0 97,2 98,0 99,3

70,5 70,5 82,3 83,3 83,8 84,2

83,2 84,0 97,2 98,0 99,3

Tabel 4.8: MAC efficiëntie in functie van aantal gebruikers en pakketgrootte in % met WiMAX parameters volgens Tabel 2.2 en 16-QAM 12 modulatie

De uplink MAC efficiëntie voor één gebruiker en maximale pakketgrootte (1418 bytes) wordt bekomen door uit de grafiek in Figuur 4.4b of uit Tabel 4.7 de UL throughput voor de 16-QAM 12 modulatie af te lezen. Die bedraagt 2,27 Mbps terwijl de PHY data rate 2,285 Mbps is, waardoor de MAC efficiëntie 2, 27 M bps × 100 % = 99, 3 % ηM = 2, 285 M bps bedraagt. De UL MAC efficiëntie voor alle modulaties wordt voor de volledigheid ook grafisch voorgesteld op Figuur 4.18. Men stelt vast dat de grafieken van de verschillende (11)

Het volledige downlink subframe bestaat uit 26 OFDMA symbolen, dat is zonder de preamble

4.6 Vergelijking met Wi-Fi

60

Figuur 4.18: UL MAC efficiëntie in functie van de pakketgrootte voor meerdere modulaties

modulaties voor de maximale pakketgrootte quasi op elkaar liggen en alle ηM daar hoger zijn dan 98,5 %. Voor de downlink wordt met de uitkomst uit (4.35) de volgende maximale waarde bekomen 3, 493 M bps ηM = × 100 % = 93, 3 %. 3, 744 M bps De downlink MAC efficiëntie is lager dan in de uplink omwille van de extra overhead van de FCH, DL-MAP en UL-MAP die de MAC laag moet transporteren. De bits die daarvoor gereserveerd worden kunnen namelijk niet meer worden gebruikt voor data.

4.6

Vergelijking met Wi-Fi

We maken de vergelijking tussen WiMAX en Wi-Fi wat betreft het efficiënt gebruik van het medium. De maatstaven die we daarvoor gebruiken zijn de spectrale efficiëntie en de MAC efficiëntie. De maximale spectrale efficiëntie van WiMAX is met de maximale fysische data rate uit (3.2) gelijk aan η=

P HY Datarate 74, 667 M bps = = 3, 73 bits s−1 Hz −1 BW 20 M Hz

(4.36)

terwijl de maximale spectrale efficiëntie van Wi-Fi gelijk is aan η=

P HY Datarate 54 M bps = = 2, 45 bits s−1 Hz −1 BW 22 M Hz

(4.37)

4.6 Vergelijking met Wi-Fi

61

Men kan vaststellen dat WiMAX een hogere η heeft dan Wi-Fi en dus wordt het beschikbare spectrum efficiënter gebruikt. Voor Wi-Fi ligt de MAC efficiëntie heel wat lager omwille van de wachttijden die gepaard gaan met het luisteren naar het medium en het versturen van controle berichten. Voor een pakket van 2037 bytes die verstuurd wordt aan 54 Mbps is de uiteindelijke gemiddelde throughput 40,5 Mbps(12) . De MAC efficiëntie bedraagt in dit geval ηM =

54 M bps × 100 % = 75 % 40, 5 M bps

wat beduidend lager is dan de WiMAX waarde. We hielden bij de berekeningen voor Wi-Fi slechts rekening met 1 gebruiker van het medium; indien er meerdere gebruikers data willen versturen zal de gemiddelde throughput nog lager liggen omwille van het backoff venster. WiMAX presteert hierop dus beduidend beter, zowel in uplink als in downlink.

(12)

Berekend aan de hand van een Excel sheet die gebaseerd is op de bevindingen in [26]

VALIDATIE VAN DE THROUGHPUTBEREKENINGEN

62

Hoofdstuk 5 Validatie van de throughputberekeningen In de vorige hoofdstukken werd de throughput berekend die door de WiMAX MAC laag aangeboden wordt aan de hogere lagen. De theoretische uitkomsten daarvan worden in deze sectie geverifieerd aan de hand van simulaties. We gebruiken de softwaretool OPNET 14.5.A met het ingebouwde WiMAX IEEE 802.16e-2005 model.

5.1

Simulaties

We stellen een profile in met één applicatie waarin één task per user wordt gedraaid. De task genereert een constante stroom UDP verkeer waarvan de juiste karakteristieken zoals pakketgrootte, aantal pakketten die tegelijk toekomen en de inter packet spacing afzonderlijk kunnen worden ingesteld. We zetten een eenvoudige IEEE 802.16e-2005 topologie op met één of meerdere SS en één BS die verbonden is aan een server via een switch (Figuur 5.1). De WiMAX instellingen zijn ingesteld op basis van Tabel 2.2.

Figuur 5.1: Topologie van het netwerk gebruikt voor simulaties

5.1 Simulaties

5.1.1

63

Uplink throughput

Aan de hand van de simulaties worden de volgende stellingen en berekeningen gecontroleerd: De throughput in uplink in steady state De grafieken op Figuur 5.2 stellen het verloop van de throughput in de tijd voor

Figuur 5.2: Verificatie in OPNET van de UL MAC throughput voor 16-QAM 12 , 16-QAM en 64-QAM 12

3 4

bij een maximaal gevulde uplink subframe wat overeenkomt met de maximale pakketgrootte. We kiezen ervoor om resultaten voor drie modulaties (16-QAM 12 , 16-QAM 43 en 64-QAM 12 ) uit te zetten om de grafiek niet te overladen. Om deze simulatie met de berekende UL throughput te vergelijken, moet men goed in het achterhoofd houden dat bij de simulaties het subframe volledig opgevuld is. De throughput die daarmee overeenkomt, leest men af op Figuur 4.8b voor een pakketgrootte van 1418 bytes op de 16-QAM 12 grafiek of voor 2037 bytes op de grafieken voor de 16-QAM 34 en 64-QAM 21 modulaties. Daaruit kan men concluderen dat de simulaties overeenkomen. De throughput voor de 16-QAM 34 en 64-QAM 21 modulaties is gelijk Dat werd wiskundig in (4.33) gecontroleerd en de simulaties tonen het nog eens aan (Figuur 5.2). Throughput naar hogere lagen en traffic received OPNET geeft nog andere interessante statistieken: WiMAX Traffic Received en WiMAX Throughput. WiMAX Traffic Received stelt alle verkeer voor die ontvangen wordt op de BS en WiMAX Throughput wordt gedefinieerd als alle verkeer dat doorgegeven wordt aan de hogere laag. WiMAX Throughput ligt lager dan

5.1 Simulaties

64

WiMAX Traffic Received omdat de laatste ook alle overhead bevat. Deze wordt eraf gestript alvorens door te geven aan de netwerklaag. De simulaties worden in Figuur 5.3 weergegeven.

Figuur 5.3: UL WiMAX Throughput en UL WiMAX Traffic Received

De throughput in de uplink voor twee gebruikers Bijkomende gebruikers in de uplink hebben geen invloed op de throughput, zoals beschreven in 4.3.2. In Figuur 5.4 staat de gesimuleerde WiMAX Throughput van de BS afgebeeld voor de scenario’s met 1 en 2 gebruikers. We zien dat de som van het ontvangen verkeer van twee gebruikers in het laatste scenario gelijk is aan wat ontvangen wordt van één enkele gebruiker in het eerste scenario.

Figuur 5.4: Uplink throughput voor 1 en 2 gebruikers

We voeren ook een simulatie uit die aantoont wat QoS betekent in een scenario met twee gebruikers. Het verkeer van de eerste client wordt gemapt op de rtPS QoS klasse

5.1 Simulaties

65

terwijl het verkeer van de tweede client best effort is (sectie 2.3.6). Uit Figuur 5.5 kan men afleiden dat het verkeer van clientTwo steeds voorrang krijgt op dat van client. Als clientTwo niet de volledige bandbreedte nodig heeft, zal de BS in de resterende bandbreedte het verkeer van de eerste client schedulen. Wanneer echter clientTwo de volledige bandbreedte vraagt, zal de BS deze ook volledig aan hem toewijzen. Dat illustreert ook dat het BE verkeer geen enkele QoS garantie krijgt.

Figuur 5.5: Simulatie van het QoS gedrag in de uplink

5.1.2

Downlink throughput

We simuleren het scenario met één enkele SS met de 16-QAM 12 modulatie en de instellingen uit Tabel 2.2. De resultaten worden weergegeven in Figuur 5.6.

Figuur 5.6: Simulatie in DL throughput OPNET

De parameters in OPNET zijn zo gekozen dat de maximale throughput in de downlink gesimuleerd wordt. Dat kan worden nagegaan in de statistiek Downlink subframe

5.1 Simulaties

66

wastage die over heel de lijn op 0 staat (Figuur 5.7a) en dus weet men dat het downlink subframe volledig opgevuld is met data.

(a) Het verlies in het downlink subframe

(b) Usable data in het downlink subframe

Figuur 5.7: OPNET statistieken voor het downlink subframe

De gesimuleerde waarden op Figuur 5.6 liggen lager dan de berekende waarden voor 1 gebruiker op 4.3b. We zijn op zoek gegaan naar de oorzaak van de afwijking die zowel bij onze berekeningen als in het OPNET model gesitueerd kon zijn. Een grondige analyse van het OPNET model aan de hand van de simulaties heeft de volgende voornaamste vaststellingen als gevolg: Usable Size (1) bevat 7920 modulatiesymbolen (Figuur 5.7b). Het is geweten dat er 360 data subcarriers (Tabel 2.1), waarop telkens één modulatiesymbool gedragen wordt, per OFDM symbool zijn. Dus kan men concluderen dat er door OPNET invariabel 22 OFDM symbolen worden gereserveerd voor data = 7920 . 360 In het WiMAX model werd de UL/DL Boundary ingesteld op 21 OFDM symbolen in de uplink. Daar er 48 OFDM symbolen zijn per frame (Tabel 2.3) en één ervan voor de frame preamble dient, kan men berekenen dat er 26 OFDM symbolen voor de downlink zouden moeten zijn. Omdat de Usable Size aangeeft dat er 22 OFDMA symbolen gebruikt worden, weet men dat het OPNET model 4 OFDM symbolen voor DL-MAP, UL-MAP en FCH reserveert. Dat blijkt ook uit de simulatie van MAP % Usage die onveranderlijk is in de tijd. Het verhogen van het aantal SS heeft geen invloed op de WiMAX Traffic Sent in de BS. Dat werd geverifieerd door een scenario’s met 2, 5 en 10 downlink gebruikers op te stellen. Gedefiniëerd als het deel van het subframe exclusief de DL-MAP, UL-MAP en preamble dat kan gebruikt worden voor databursts (1)

5.2 Besluit

67

Uit het bovenvermelde kan men eenduidig concluderen dat de vereenvoudigde veronderstelling uit 3.1.2 dus ook in het OPNET model aangewend wordt (met 4 OFDM symbolen in plaats van 3). De throughput op Figuur 5.6 ligt lager omdat een deel van het OFDM symbool dat doorstreept is op Figuur 4.2 niet gebruikt wordt voor data. De gesimuleerde grafiek komt overeen met de thoughput berekend met (3.3): 22 · 360 · 4 bit ·

1 1 · = 3168000 bit s−1 . 2 5 ms

(5.1)

We kunnen ook de invloed van een verschillend aantal gebruikers niet nagaan omdat de MAP waarschijnlijk wel vergroot maar steeds op hetzelfde OFDMA symbool gemoduleerd blijft.

5.2

Besluit

De gehouden uplink simulaties bevestigen volledig de berekeningen. Daarnaast hebben we ook een goede indicatie dat de downlink berekeningen correct zijn maar kunnen we niets concreet verifiëren. Het model bevat een aantal beperkingen waardoor het niet mogelijk is om alle berekeningen te controleren. Zo zijn de belangrijke functies zoals packing en PHS helaas niet in het model opgenomen en kunnen we deze niet inschakelen bij de simulaties.

WIMAX ALS TOEGANGSTECHNOLOGIE VOOR HET INTERNET OP DE TREIN

68

Hoofdstuk 6 WiMAX als toegangstechnologie voor het internet op de trein Tot slot evalueren we de performantie van het internet op de trein (voor passagiers) wanneer WiMAX gebruikt wordt als toegangstechnologie naar het vasteland. Omdat treinen een zeer specifiek celbezettingspatroon vertonen, kan een beperkt aantal scenario’s in beschouwing worden genomen. In de meeste gevallen zal er namelijk per BS slechts één of twee gebruikers/treinen actief zijn. Een trein rijdt immers vaak alleen op een deel van het spoor, tenzij treinen elkaar kruisen. De treinen zullen echter wel “grootverbruikers” zijn aangezien ze als gateway fungeren voor het dataverkeer van een grote hoeveelheid reizigers. Doordat er weinig treinen per cel zijn, stijgt de MAC throughput in vergelijking met wanneer elke passagier afzonderlijk een WiMAX verbinding zou maken (zie 4.3.2). De masten die de connectiviteit in de stations moeten verzorgen krijgen een hoger aantal treinen te verwerken en de verwachting is dat de gemiddelde throughput zal dalen. In wat volgt beschouwen we twee grote onderdelen: throughput bij de trein die onderweg is en throughput bij de trein in een station.

6.1

Throughput onderweg

We veronderstellen voor een snel bewegende trein een modulatie van gemiddelde sterk2,27 te, 16-QAM 12 , zodat de treinen in de cel een piekrate van ongeveer #treinen Mbps in de cel aangeboden kunnen krijgen op de MAC laag (Tabel 4.7). De bandbreedte moet verdeeld worden onder de reizigers op een manier dat de QoS vereisten van hun applicaties zo goed mogelijk worden nagekomen. Om een HTTP surfkwaliteit te hebben die een ervaring van 1 Mbps oproept, moet er tenminste 6,25 kbps uplink per gebruiker worden aangeboden en 25 kbps downlink [19]. Deze conclusie steunt op het gegeven dat niet iedereen zijn connectie permanent gebruikt. Vertrekkend van 2,27 Mbps uplink en 3,493 Mbps downlink voor de 16-QAM 21 modulatie (Tabel 4.7) bekomt men dat ongeveer 139 reizigers per cel van een aangename surfsessie kunnen genieten. De beperken-

6.2 Throughput in de stations

69

de factor is namelijk de downlink snelheid. Daarnaas moet er wel rekening gehouden worden met het feit dat een deel van de bandbreedte gereserveerd zal zijn voor controleverkeer bestemd voor het spoorcontrolecentrum. De theoretische maximumsnelheid bedraagt 120 km h−1 voor Mobile WiMAX. Omdat er zich hoofdzakelijk slechts één trein binnen een cel zal bevinden, kan de BS uitgebreid gebruik maken van MAC packing (zie 2.3.5). Op die manier wordt de overhead verlaagd (zie 4.4.3) en wordt de transmissie nog efficiënter uitgevoerd. Eventueel kan men in een verder onderzoek een analyse uitvoeren van het tunnelen van pakketjes. Het voordeel van zo’n werkwijze is dat de bestemming steeds dezelfde zal blijven en indien men de pakketjes ook even groot kan maken, kan de packing functie extra uitgebuit worden door middel van packing van vaste-grootte pakketten (zie Figuur 4.13b). Door de pakketten zo groot mogelijk te maken, heeft men ook de stijging in MAC throughput (zie 4.3.1). Hier moet men wel een afweging maken met de overhead bij retransmissie van grotere pakketten. Het is zeer waarschijnlijk dat de bestaande tunnelprotocols daar uitermate voor geschikt zijn zodat het extra werk dat errond moet minimaal blijft. Dit is slechts een aanbeveling voor een verder onderzoek.

6.2

Throughput in de stations

Een station is uiteraard een vaste locatie. Dat kan uitgebuit worden door het plaatsen van de mast in de onmiddellijke nabijheid ervan waardoor een efficiëntere modulatie kan worden aangewend. Door de air link zo kort mogelijkheid te houden, daalt de kans op transmissiefouten en daarom ook de overhead die gepaard gaat met het herverzenden van de foutief ontvangen pakketjes. Het gebruik van een modulatie zoals 64-QAM 21 biedt een 50 % hogere UL throughput tegenover de 16-QAM 21 (Figuur 4.8b) en de beste 64-QAM 43 modulatie biedt zelf een UL throughput die 120 % hoger ligt in ideale omstandigheden (zie 4.4.1). Dit zou dan ook (deels) kunnen compenseren voor de daling in beschikbare bandbreedte aangezien in een station typisch meerdere treinen de draadloze link zullen delen. Tevens kunnen een aantal geavanceerde technieken zoals beamforming en Multiple Input Multiple Output (MIMO) worden aangewend om de performantie met een veelvoud te verhogen omdat de relatieve locatie van station en mast vooraf gekend is. Om de throughput in de stations te verhogen kan geopteerd worden om de connectie deels via Wi-Fi te laten verlopen door een intelligente opsplitsing van het verkeer van de reizigers.

BESLUIT EN TOEKOMSTVERWACHTINGEN

70

Hoofdstuk 7 Besluit en toekomstverwachtingen In dit werk werd de performantie van de opkomende draadloze breedbandtoegangstechnologie WiMAX van naderbij bekenen. Vooral de throughput op de fysische en de MAC laag werd geanalyseerd. Eerst hebben we de fysische throughput geanalyseerd. In de literatuur worden hier reeds verschillende berekeningswijzes gehanteerd. Ofwel beschouwt men slechts de tijdsspanne voor een enkele OFDM symbooltijd, ofwel beschouwt men een hele frame. We berekenden de fysische data throughput op beide manieren. Dit leidt uiteraard tot verschillende waarden die moeten worden ge¨ınterpreteerd met de gebruikte formule, en waar die voor staat, in het achterhoofd. De waardes die we bekomen, worden verder gebruikt als beoordeling van de performantie van de MAC laag. Daarna werd de MAC throughput consistent geanalyseerd, zowel in de uplink als in de downlink. We stellen vast dat de efficiëntie van het MAC protocol bij WiMAX vrij hoog ligt. In de downlink is 93,3 % van de fysische throughput bruikbaar voor data terwijl dat in de uplink zelf 99,3 % is. Wi-Fi scoort hier slechts 75 % op. De MAC packing optie verhoogt de throughput nog eens met ongeveer 2 % en verkleint zo het negatieve effect van de headers. De PSH optie reduceert de IPv4/RTP/UDP headercombinatie tot 35 % van zijn normale grootte. De ROHC die we niet behandeld hebben is nog sterker dan PHS en de combinatie ervan met MAC packing zou de MAC efficiëntie nog hoger doen uitkomen. We analyseerden nauwkeurig de invloed van de netwerkbezitting met extra aandacht voor het aantal gebruikers per BS en de gemiddelde pakketgrootte waaruit hun verkeer bestaat. Een stijgend aantal gebruikers zal een negatieve invloed hebben op de throughput in de downlink terwijl de uplink er niet door be¨ınvloed wordt. Dat heeft te maken met het feit dat het aantal gebruikers invloed heeft op de MAP berichten en dat deze enkel in het downlink subframe worden verstuurd. Een dalende pakketgrootte zal meer pakketjes per frame en dus meer headers vereisen. Daardoor zal de overhead

BESLUIT EN TOEKOMSTVERWACHTINGEN

71

stijgen en de throughput dalen. De validatie van onze bevindingen en berekeningen gebeurde in OPNET 14.5.A. We identificeerden een aantal tekortkomingen van het ingebouwde WiMAX model. Het was niet mogelijk om de packing optie of PHS in te stellen en te simuleren. Ook strookten enkele aspecten van het opvullen van het frame niet met wat de standaard [10] en het WiMAX Forum® profile [13] opdragen. Ondanks de tekortkomingen konden we een aantal simulaties uitvoeren en deze bevestigden de berekeningen in dit onderzoek. We hopen dat het WiMAX model verder zal verfijnd worden en dat iemand in de toekomst ook de andere simulaties kan laten lopen. Uiteindelijk werkten we ook een kleine use case uit voor het internet op de trein. We stelden daarin vast dat wanneer de BS slechts één trein moeten bedienen, ze dat op een efficiënte wijze kan doen door het uitbuiten van de packing functionaliteit. Een ruwe berekening geeft ons het idee dat per treinstel ongeveer 139 reizigers kunnen genieten van een breedbandervaring wannneer de connectie met het vasteland via WiMAX zou verlopen. Als we WiMAX naast zijn concurrenten voor breedbandinternet plaatsen, zien we dat qua snelheid en betrouwbaarheid hoogstwaarschijnlijk de kabel en DSL nooit overtreffen zullen worden. Maar WiMAX heeft heel wat andere troeven zoals hoge flexibiliteit en beschikbaarheid. Alleen de uitdaging om bedrijven tot investeringen te overtuigen en zo de prijs te doen zakken, blijft bestaan. De eerste ontwikkeling in de juiste richting is de zeer recente integratie van WiMAX door Intel® in zijn Centrino® Processor [25]. Voor gedetailleerde succesindicatoren is het nog te vroeg maar we verwachten dus van WiMAX dat het zeker furore zal maken bij een grootschalige uitrol. Voorlopig is het wel nog aan te raden om zich te concentreren op nichemarkten zoals landelijke gebieden en ontwikkelingslanden.

BIBLIOGRAFIE

72

Bibliografie [1] Microsoft® . Europe Logs On: European Internet Trends of Today and Tomorrow, April 2009. [2] Piet Demeester, Bart Lannoo, and Jan Van Ooteghem. Internet on the train. In FITCE Always ‘ON’: Internet on the Train, December 2008. [3] Gertjan Groen. Razendsnel internet in razendsnelle tgv-treinen. 26 March 2008. http://www.telecomwereld.nl/n0002651.htm. [4] BBC News website. Libya’s wireless web access leap. 22 January 2009. [5] Intel Corp. Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions. [6] Ariton E. Xhafa, Shantanu Kangude, and Xiaolin Lu. Mac performance of ieee 802.16e. In Vehicular Technology Conference, pages 685 – 689, 28 september 2005. [7] WiMAX Forum. http://www.wimaxforum.org. [8] WiFi Alliance. http://www.wi-fi.org/. [9] IEEE 802.16-2004. IEEE Standards for Local and Metropolitan Area Networks Part16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Standard, 2004. [10] IEEE 802.16e 2005. IEEE Standards for Local and Metropolitan Area Networks Part16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and Corrigendum 1. Standard, February 2006. [11] IEEE 802.11. Part 11: Wireless LAN Medium Access, Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Standard, Augustus 1999. [12] IEEE 802.3. Part3: Carrier sense multiple access with collision detection (CAMA/CD) access method and physical layer specifications. Standard.

BIBLIOGRAFIE

73

[13] WiMAX Forum. WiMAX Forum Mobile System Profile, Release 1.0 Approved Specification (revision 1.7.1: 2008-11-07). http://www.wimaxforum.org, November 2008. [14] WiMAX Forum. Mobile WiMAX Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation. http://www.wimaxforum.org, Augustus 2006. [15] Jeffrey G. Andrews, Arunabha Ghosh, and Rias Muhamed. Fundamentals of WiMAX, Understanding Broadband Wireless Networking. PTR Prentice Hall, 2007. [16] Jochen Schiller. Mobiele Communicatie. Pearson Education, 2005. [17] Kwang Cheng Chen and J. Roberto B. De Marca. Mobile WiMAX. Wiley, 2008. [18] Dirk Staehle and Rastin Pries. Comparative Study of the IEEE 802.16 Random Access Mechanisms. In The 2007 International Conference on Next Generation Mobile Applications, Services and Technologies (NGMAST 2007), volume 12-14, pages 334 – 339, September 2007. [19] B. Lannoo, J. Van Ooteghem, D. Pareit, T. Van Leeuwen, D. Colle, I. Moerman, and P. Demeester. Business model for broadband internet on the train. In The Journal of The Institute of Telecommunications Professionals, volume 1, pages 19–27, 2007. [20] Loutfi Nuaymi, Nabil Bouida, Nabil Lahbil, and Philippe Godlewski. Headers Overhead Estimation, Header Suppression and Header Compression in WiMAX. In Proceedings of the Third IEEE International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications, page 17, 2007. [21] IETF RFC 2508. Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low-Speed Serial Links. S. Casner and V. Jacobson, 1999. [22] IETF RFC 3095. RObust Header Compression (ROHC): Framework and four profiles: RTP, UDP, ESP, and uncompressed. C. Bormann et al, 2001. [23] IETF RFC 3545. Enhanced Compressed RTP (CRTP) for Links with High Delay, Packet Loss and Reordering. T. Koren et al, 2001. [24] Karim M. El Defrawy. WiMAX for Broadband Wireless Access, 2005. [25] Intel® Corporation. Wimax Technology. Now the whole city can be your hotspot. http://www.intel.com/consumer/learn/wimax.htm, 2008. [26] Yang Xiao and Jon Rosdahl. Throughput and Delay Limits of IEEE 802.11. In IEEE communications letters, volume 6, pages 355–357. IEEE, August 2002.

BIBLIOGRAFIE [27] Unknown author. What’s up, doc? html.

74 http://www.tk421.net/humor/thesis.

LIJST VAN FIGUREN

75

Lijst van figuren 1.1 1.2

Overzicht field trials en deployments van WiMAX [2] . . . . . . . . . . Overzicht mogelijke toepassingen van WiMAX [5] . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15

Vergelijking OFDM en OFDMA modulatieschema’s . . . . . . . . De PHY TDD frame van 802.16e met downlink en uplink gedeelte De WiMAX MAC laag in relatie met andere systemen [17] . . . . Werking van de PHS bij WiMAX [9] . . . . . . . . . . . . . . . . Samenstelling van de Frame Control Header . . . . . . . . . . . . Velden van de DL-MAP [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Velden van de UL-MAP [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De samenstelling van een MAC PDU [24] . . . . . . . . . . . . . . De generieke MAC header [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De Bandwidth Request MAC header [10] . . . . . . . . . . . . . . De Fragmentation Subheader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De Packing Subheader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Packing van variabele-grootte MAC SDU’s in een MAC PDU [10] Packing van vaste-grootte MAC SDU’s in een MAC PDU [10] . . De contention gebaseerde bandwidth request procedure [17] . . . .

4.1 4.2 4.3

De gebruikte verdeling van een WiMAX TDD frame [10] . . . . . . . . Verdeling van het frame volgens de eenvoudige veronderstelling uit 3.1.2 [10] Invloed van de pakketgrootte op de procentuele DL overhead en DL throughput voor een verschillend aantal gebruikers met parameters uit Tabel 2.2 en 16-QAM 21 modulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Invloed van de pakketgrootte op de procentuele UL overhead en UL throughput voor een verschillend aantal gebruikers met parameters uit Tabel 2.2 en 16-QAM 21 modulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Duiding bij de opvulprocedure van het subframe . . . . . . . . . . . . . DL throughput in functie van het aantal gebruikers voor verschillende pakketgroottes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4

4.5 4.6

. . . [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 3 8 10 13 15 16 17 18 19 20 21 22 22 23 24 27 35 36

43

43 44 45

LIJST VAN FIGUREN 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

76

DL overhead en throughput functie van het aantal gebruikers en van de pakketgrootte voor de 16-QAM 12 modulatie met parameters uit Tabel 2.2 UL overhead en throughput functie van de pakketgrootte voor verschillende modulaties met parameters uit Tabel 2.2 . . . . . . . . . . . . . . DL overhead en throughput functie van de pakketgrootte voor verschillende modulaties met parameters uit Tabel 2.2 . . . . . . . . . . . . . . Invloed van de bandbreedte aanvraag op de throughput . . . . . . . . . Throughput van data over het ranging kanaal voor verschillende modulaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verklaring van de gebruikte evaluatiemethode voor MAC packing . . . DL overhead en throughput functie van de pakketgrootte voor verschillende packing methodes met parameters uit Tabel 2.2 . . . . . . . . . . UL overhead en throughput in functie van het aantal gebruikers met en zonder packing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IPv4 header met te ondrukken velden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UDP header met te ondrukken velden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RTP header met te ondrukken velden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UL MAC efficiëntie in functie van de pakketgrootte voor meerdere modulaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Topologie van het netwerk gebruikt voor simulaties . . . . . . . . . Verificatie in OPNET van de UL MAC throughput voor 16-QAM 16-QAM 34 en 64-QAM 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UL WiMAX Throughput en UL WiMAX Traffic Received . . . . . Uplink throughput voor 1 en 2 gebruikers . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie van het QoS gedrag in de uplink . . . . . . . . . . . . . . Simulatie in DL throughput OPNET . . . . . . . . . . . . . . . . . OPNET statistieken voor het downlink subframe . . . . . . . . . .

. . 1 , 2 . . . . . . . . . . . .

46 47 48 50 52 53 54 55 57 57 57 60 62 63 64 64 65 65 66

LIJST VAN TABELLEN

77

Lijst van tabellen 2.1

Parameters van subcarrier permutatieschema’s voor een kanaalbreedte van 5MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Belangrijkste gekozen WiMAX parameters . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Belangrijkste berekende WiMAX parameters . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Kanaalbreedte en het bijbehorende aantal subcarriers . . . . . . . . . . 2.5 Velden van de FCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Velden van de DL-MAP IE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Velden van de UL-MAP IE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Velden van de MAC GMH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Velden van de MAC Bandwidth Request Header . . . . . . . . . . . . . 2.10 Het Fragment Serial Number veld in de Fragmenting Subheader [10] . .

9 11 12 12 16 17 18 20 21 25

3.1

PHY data rates in Mbps met WiMAX parameters volgens Tabel 2.2 . .

33

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Verklaring van de symbolen voor de berekeningen in 4.2.1 . . . . . . . . Data throughput vanuit de BS in functie van het aantal gebruikers . . . Maximale grootte pakketten per modulatie . . . . . . . . . . . . . . . . UL throughput in functie van de request grant procedure . . . . . . . . Verband tussen modulatie en slotgrootte . . . . . . . . . . . . . . . . . PHY data rate in Mbps met WiMAX parameters volgens Tabel 2.2 . . MAC data rate in functie van aantal gebruikers en pakketgrootte in Mbps met WiMAX parameters volgens Tabel 2.2 en 16-QAM 12 modulatie MAC efficiëntie in functie van aantal gebruikers en pakketgrootte in % met WiMAX parameters volgens Tabel 2.2 en 16-QAM 12 modulatie . .

37 45 48 51 52 58

4.8

58 59

Draadloos internet op de trein: onderzoek van de throughput bij Mobile WiMAX

Recommend Documents