IEEE 802.16 Network Simulation with Mobile Stations User Model Presented by: Ehud Zemel Michael Ivnik Supervisors: Dr. Yehuda Ben-Shimol Mr. Itzik Kitroser

Presentation Outline The IEEE 802.16 Standard OMNeT++ Physical Layer, OFDMA, MAC Layer OMNeT++ Project Rationale and Environment Dynamic Topology Generator Module Design Overview Transmit Path Receive Path Other Modules

IEEE Standard 802.16 Broadband Wireless Access – tens of Mb/s Metropolitan Area Network – 5-15km, max 50 Physical and MAC layers Quality of Service 802.16e-2005 – Mobility Features: Multiple Antenna (AAS/MIMO), Security, Adaptive PHY, ARQ, HARQ… WiMAX

Media Access Control layer Base Station / Subscriber Station Uplink, Downlink (UL/DL) Central Management Connections Quality of Service (QoS) CID  216 Unidirectional Bandwidth Requests שכבת ה-MAC: התקן מגדיר שני סוגי תחנות – תחנת בסיס ותחנת משתמש. הקשר מתחנת בסיס לתחנת משתמש נקרא downlink ובכיוון השני – uplink. התקשורת מנוהלת באופן מאוד ריכוזי – תחנת משתמש משדרת רק על פי הרשאה מתחנת הבסיס. תחנת הבסיס מגדירה בדיוק מי משדר, מתי באיזה אפנון וכו'. הפרוטוקול הוא connection oriented. connection הוא בין שתי תחנות. לכל connection מוגדרים פרמטרים של QOS. הקשרים הם חד-כיוניים – אם פתחנו CONN לכיוון אחד ואנחנו רוצים שיהיה אפשר להעביר תשובות יהיה צריך לפתוח CONN אחר גם בכיוון השני. תחנות שרוצות לשדר צריכות להודיע ל-BS על זה באמצעות bandwidth request. יש שני סוגים – stand-alone – משודר עצמאי – ומולבש על חבילת מידע אחרת (piggybacked).

Physical Layer Single Carrier SC (below 11 GHz) SCa (10 GHz to 66 GHz) Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM (2 - 11 GHz) Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDMA (below 11 GHz) Defines both transmission and multiple access השכבה הפיזית: בתקן הוגדרו כמה טכנולוגיות ("שכבות פיזיות"). הראשונה – Single Carrier, גל נושא יחיד, סטנדרטי. הוגדרו שתי שיטות עם כמה הבדלים ביניהן; העיקרי הוא התדר. OFDM היא שיטת שידור שמיועדת בשביל להתמודד עם הפרעות צרות פס. השידור הוא multi carrier – יש חלוקה של התדר ל-subchannels. הסימבולים קצרים וזה מאפשר להתמודד עם הפרעות כאלה. OFDMA נבדל מהשניים הקודמים בזה שהוא לא רק שיטת שידור אלא גם שיטת גישה לערוץ. השידור מתבצע ב-OFDM, אבל כאן תחנות שונות יכולות לשדר במקביל בתתי-ערוצים שונים, בניגוד ל-OFDM שבו רק תחנה אחת משדרת בכל תתי-הערוצים במקביל.

OFDMA frame כאן רואים frame של OFDMA. למטה – ציר הזמן, מחולק לסימבולים. משמאל ציר התדר, מחולק ל-subchannels. בהתחלה יש אלמנטים של השכבה הפיזית, אחר-כך שידור של תחנת הבסיס ואחר-כך שידור של תחנות הקצה. אפשר לראות שתחנות שונות משדרות במקביל – באותו זמן – ב-subchannels שונים.

OMNeT++ Discrete Event Simulation System Written by András Varga Modular (simple modules, compound modules) C++, object-oriented OMNET++ היא מערכת סימולציה ל-C++ שנכתבה ע"י הונגרי בשם אנדראש ורגה. המערכת מבוססת מודולים. יש מודולים פשוטים שאותם אנחנו מתכנתים ומהם בונים מודולים מורכבים. אומנט עצמה כתובה ב-C++ וגם התכנות אליה מתבצע ב-C++.

The Project An OMNeT++ simulation of the 802.16 MAC layer in OFDMA with support for mobility C++ Microsoft Visual Studio 2005 OMNeT++ 3.2p1 Integrated with the Base Station project Motivation: Performance evaluation of scheduling algorithms הפרוייקט עצמו: הפרוייקט הוא סימולציה מבוססת אומנט++ של שכבת ה-MAC של תקן 802.16 עם OFDMA כשכבה הפיזית שמתחת, עם תמיכה בתחנות ניידות. הפרוייקט הוא בעיקרו פרויקט תכנות. הוא בוצע ב-C++ תחת VS ומשולב עם אומנט. כמו שאמרתי בהתחלה הפרויקט הוא חלק מצמד פרוייקטים. הפרוייקט השני עושה את תחנת הבסיס. בסוף הכל משולב למערכת אחת. יש כמה מודולים שבנינו במשותף. המוטיבציה לכל הפרוייקט – השוואת ביצועים של אלגוריתמי SCHEDULING שונים. יש לנו מודול של scheduler שאותו אפשר להחליף וכך אפשר להשוות.

Dynamic Topology Generator Allows for easy and fast definition Connection Types Parameters: General, QoS, ARQ Subscriber Station Types Connections: count, UL / DL, connection type Topology – Stations Creates a file to be included in omnetpp.ini Type, name, count, movement, location, speed… Dynamic Topology Generator: זה רכיב בפרוייקט שבנינו. המטרה שלו היא לאפשר הגדרה של הטופולגיה בקלות ובמהירות. אנחנו מגדירים שלושה דברים: הראשון הוא סוגי connections – לכל אחד יש פרמטרים – כלליים, QOS ובמידה וה-connection הוא ARQ אז גם פרמטריים של ARQ, סוגי subscriber station לפי ה-connections שלהן – לכל connection יש סוג מאלה שהוגדרו קודם, כיוון (UL/DL). בסוף מגדירים טופולגיה – תחנות לפי type מאלה שהגדרנו קודם, שם, כמות (למשל אם רוצים 20 פלאפונים אז לא צריך לעשות COPY+PASTE 20 פעם), מודל תנועה – אדם הולך, רכב או סטטי, מיקום, מהירות...

Dynamic Topology – ini File [General] connections-per-subscriber-station = 12 default-location-x = intuniform(50,900) default-location-y = intuniform(220,620) [SubscriberStation] type = advancedSt; count = 4 movement = static type = simple station count = 1 movement = circular location = intuniform(150,450); intuniform(200,500) speed = 0.1 movement = linear location = 1000; 300 speed = 10.0 דוגמה לקובץ. בהתחלה יש בלוק של General עם ערכי default ועוד, אחר-כך בלוקים של SubscriberStation עם הגדרות, למשל יש count=4

And the Result… This is how a (simple) network in our project looks like והנה התוצאה – 4 תחנות. כך נראית רשת לדוגמה במערכת שלנו. יש שתי תחנות בסיס עם מרחקי שידור מקסימליים, תחנות נייחות, ניידות במהירויות שונות יש גם מודול אוויר. הכל מחובר אליו. תחנות לא מחוברות אחת לשנייה אלא אליו.

Subscriber Station – Module Design Overview Transmit Path Service Receive Path

Subscriber Station – Module Design Overview Traffic Generator IP TCP IP UDP IP ATM Classifier

Subscriber Station – Module Design Overview Classifier CID IP CID IP SDU CID CID IP CID IP Classifier Queue Manager IP TCP

Subscriber Station – Module Design Overview Queue Manager Sort QoS CID Discard SDU SDU QoS CID SDU SDU QoS CID Queue Manager CID SDU

Subscriber Station – Module Design Overview Scheduler Connection Queues UL-Map Scheduler UL-Packe Bandwidth Allocations Management Queue

Subscriber Station – Module Design Overview UL-Packer CID QoS SDU PDU Allocations Data PDU PDU CID Ack Data

Subscriber Station – Module Design Overview Parser PDU for other station UL-MAP PDU for this Station Scheduler ARQ Parser ? ? ? Basic CID

Subscriber Station – Module Design Overview Defragmenter CID # block 4280 3 CID # block 57 5 CID # block 4280 1 Defragmenter CID 57 CID ARQ Expected block # 4280 No 1 57 Yes 3 ARQ Yes 1 2 5 CID 57 IP SDU CID 4280 CID 4280 ARQ No 2 1 3 Application

Subscriber Station – Module Design Overview ARQ PDU CID ARQ 57 Yes # block 36-37 ARQ Feedback CID 57 Yes # block 19 Queue Manager ARQ UL DL CID ARQ 57 Yes 17 18 19 20 21 22 1640 36 37 38 39 40 41 17 19 ARQ Feedback CID 1640 Yes # block 36-37 36 37

Subscriber Station – Module Design Overview “Air” Error Simulation Packet Drop Probability Mobility Subscriber Station Position Update Connectivity Matrix SNR Calculation

What We Have Learned The 802.16 Standard The OMNeT++ Simulation System The standard itself Design of an advanced modern comm. standard The OMNeT++ Simulation System More Programming Experience More About Communication From working with and reading about the standard From working with the supervisors

Questions Thank You c++; /* this makes c bigger but returns the old value */