Performance Analysis of Two-Dimensional Scheduling Algorithms in IEEE 802.16 WiMAX™ Supervised by: Dr. Michael Segal Mr. Itzik Kitroser Shani Levy Meshi Peer Communication Systems Engineering Department Ben - Gurion University, Israel

Outline Project’s goals and steps Background Ranging & BW Request Summary הפרוייקט מחולק ל-4 חלקים: צעדים ומטרות רקע תיאורטי מימוש אלגוריתם של RANGING וקבלת רוחב פס סיכום ותוצאות עתידיות לפי מודלים תיאורטיים

Main Goals Design and implementation of an environment suitable for performance analysis of two dimensional scheduling algorithms for wireless networks based on the IEEE 802.16 standard. Implementation of a simulation environment under NS-2 network simulator. Run and research the implementation with various parameters to investigate network traffic and load to optimize the system. מטרות הפרוייקט הן ליצור פלטפורמה שעליה יבוצע חקר ביצועים של אלגוריתמי שיבוץ דו ממדיים המתבססים על התקן של WIMAX 802.16. לשם כך אנו משתמשים בסימולטור רשתות NS2. נרצה לחקור עומסים ברשת כתלות במספר פרמטרים שונים ולבצע בעצם אופטימיזציה למערכת.

Project Steps Studying: 802.16 IEEE standard and relevant articles. NS2 simulator and it’s tools, using LINUX OS. Examine existing implementations to work with. Implementation: Implementing the Ranging and BW request algorithm. Try to optimize the ranging process in terms of efficient, while reducing the required number of codes/ranging slots. Results: Create graphs from the results and try to get optimize results under different conditions. לימוד: למידה של התקן והעמקה של החומר ע"י קריאת מאמרים בנושא למידה של הסימולטור NS2 שעובד מעל LINUX 2. מימוש: מימוש אלגוריתם של בקשת רוחב פס (חלק מה-ranging) ניסיון לחקור איך משפיע עומס של תחנות ברשת על תהליך בקשת וקבלת רוחב הפס, תוך כדי שינוי פרמטרים שונים ברשת כגון מספר קודים אפשריים וקרוסקורלציה. 3. תוצאות: הצגת התוצאות בצורה ויזואלית ע"י גרפים. ניתוח התוצאות והוצאת מסקנות.

Outline Project’s goals and steps Background Ranging & BW Request Summary

What is WiMAX? WiMAX - World Interoperability for Microwave Access. The next generation of WiFi (IEEE 802.11), Based on the IEEE 802.16 standard. Expected to enable true broadband speeds over wireless networks at a cost point to enable mass market adoption. A wireless networking technology that will connect you to the Internet at faster speeds and from much longer ranges than current wireless technology allows. מה זה בכלל וווימקס? ווימקס תוכנן כדור הבא של רשתות אלחוטית שנועד להיות בעל טווח קליטה גדול יותר ורוחב פס גדול יותר. זהו בעצם הדור הבא של הרשתות האלחוטיות שמבוסס כפי שכבר אמרנו על התקן של IEEE 802.16. כדי לתמוך באיזור קליטה רחב יותר, WIMAX תוכנן כבעל תשתית חזקה יותר ותומכת לQOS. ניתן להשתמש בתשתית כדי להעביר תעבורת WIFI מתשתית קיימת, או לשרת לקוחות המחוברים ישר לתשתית הWIMAX

Basic Architecture BS SS SS SS AP AP BS - Base Station 802.16 WMAN BS SS Fixed network AP 802.11 WLAN 802.16 WMAN 802.16 WMAN SS ברשת זו קיימות שתי סוגי תחנות: BS – תחנת הבסיס, מנהלת את הרשת ואת התקשורת ל-SS. (יכול להיות מצב בו יש יותר מ-BS אחד). SS – subscriber station, תחנות הקצה ברשת. ה- BS מחובר לרשת באופן wireless או wired. כל BS מספק שרות ל-SSים בטווח של עשרות ק"מ. SS יכול להיות user עצמאי, AP או תחנת בסיס למספר APים, כאשר ה- AP פורש סביבה המתקשרת ב- 802.11. כאשר הוא תחנת בסיס למספר APים שאר התחנות שמחוברות אליו שולחות מידע ל-BS דרכו. AP SS BS - Base Station SS - Subscriber Station

OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDM subdivides the bandwidth into multiple frequency sub-carriers. OFDMA is a multiple-access scheme for OFDM. It provides Multiplexing operation of data streams from multiple users. Resources are available in the time domain by means of OFDMA symbols and in the frequency domain by means of sub-carriers. OFDMA הינה שיטת מודולציה מבוססת OFDM המאפשרת מספר גישות לערוץ בו-זמנית. OFDM מבוסס על רעיון של FDM – frequency division multiplexing שהיא טכנולוגיה שמשדרת מספר סיגנלים בו זמנית באותו נתיב – באותו כבל או באותו ערוץ. לכל סיגנל יש טווח תדר ייחודי משלו (carrier). ב-OFDM הרעיון הוא שהתדרים והמודולוציה של FDM הם אורתוגונלים וכך אין הפרעה בין הערוצים השונים. תחום הזמן מחולק לסימבולי OFDMA. תחום התדר מחולק ל- subcarrier. למעשה, באמצעות בסיסים אורתוגונלים ניתן לשלוח אותות שונים על אותו symbol ו-subchannel.

Cross Correlation The number of orthogonal codes that can be transmitted in each combination of Symbol and Subchannel. Raised from Energy reasons. Depends on the environment conditions (weather, high buildings). בפועל,משיקולי אנרגיה מספר האותות שניתן לשלוח על אותו symbol ו-subchannel הוא מוגבל ותלוי בתנאי הסביבה: מיסוך, מזג אוויר וכו'. במימוש שלנו מוגדר פרמטר קרוסקורלציה כמספר הקודים האורתוגונלים שניתן לשדר בכל קומבינציה שונה של symbol ו-subchannel.

Outline Project’s goals and steps Background Ranging & BW Request Summary

Ranging Ranging is the process to acquire up-link synchronization, control the power between SS and BS and perform the bandwidth request to BS. There are 3 main steps in the ranging process: Initial and periodic ranging are supported to synchronize the SS’s with the BS at the initial network entry. BW Request allows SS to ask for BW allocation. If a Station is already transmitting it can send a BW request message on a data packet as Piggyback. תהליך ה-Ranging הוא תהליך שבו מתבצע סינכרון בין ה-BS וה-SS, בו נקבעים הפרמטרים של השידור ביניהם ולאחר מכן בקשת רוחב הפס. תהליך ה-Ranging מחולק ל-3 שלבים: Initial ranging – תהליך בו ה-SS מקבל CID כדי להתחבר לרשת. Periodic ranging- סנכרון של המשאבים כגון שעון,אנרגיה וכו'. BW request בשניים הראשונים מתבצע תהליך הסנכרון וההזדהות של התחנות ברשת בפני ה-BS כאשר הן רוצות להצטרף לרשת. תהליך ה-BW REQ נותן ל-SS שנמצא ברשת ורוצה להתחיל לשדר את האפשרות לבקש רוחב פס. (בתהליך של בקשת רוחב הפס בעצם מוקצה מקום ספיציפי במפה שבו התחנה מבקשת לשדר) piggy

Relevant Frame Areas BS uses the ULMAP in the Downlink part of the frame, to the allocation process. SS Send the request in the appropriate area in the Uplink part. OFDMA Symbol Number FCH Ranging Subchannel DL burst #5 DL burst #2 UL burst #1 UL-MAP DL burst #4 DL burst #6 UL burst #2 Preamble Subchannel Number DL-MAP DL burst #1 דוגמא למבנה הפריים במוד עבודה של TDD. אפשר לראות שיש הפרדה בין DL ל UL הDL- (החלק שנשלח אל ה SS) מכיל את המפות ואת הברסטים עבור הSSים המחוברים. הDL MAP מציין איך הפריים מחולק לאזורי פרמוצטיה (zones) . ה-UL MAP מכיל מידע לגבי מיקום ערוץ הranging והמיקום שבו כל SS צריך לשדר את המידע שלו ל BS. כל SS שולח את הבקשה שלו במקום המתאים בחלק של ה-uplink. אפשר לראות שבTDD אין ניצול של כל הזמן כיוון שיש את המרווחים TTG ו RTG. UL burst #3 DL burst #8 UL burst #4 DL burst #7 DL burst #3 TTG UL burst #5 RTG Downlink Uplink Frame

1. BS Allocate TOS Transmit Opportunities (TOS) combines Symbols & Subchannels. For example: symbol = 3, sub = 2 The number of orthogonal Codes (OFDMA). For example: codes = 12 BS OFDMA Symbol Number TOS מורכב מ-symbol ו-subchannel כמו שניתן לראות באיור כמו כן נקבע גם מספר קודים אורתוגונלים ברשת c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8 Subchannel number c9 c10 c11 c12

2. SS Request Creation Randomly Draw legal symbol & subchannel. Draw a code. Put the request in the current Frame. SS1 OFDMA Symbol Number כל SS שרוצה לשדר מגריל symbol,subchannel ו- code ולפי מה שהגריל שם את הבקשה ב-frame הנוכחי ב-TO המתאים. SS1 – c7 Symbol = 2 Sub = 1 Code = 7 Subchannel number

Example (cont) Number of SS’s = 12 Cross Correlation value = 3 Collision! OFDMA Symbol Number SS4 – c2 SS11 – c2 SS1 – c7 SS3 – c12 Cross Correlation! לדוגמא נניח שיש 12 SS’S ערך פרמטר הקרוסקורלציה הוא 3. ניתן לראות שיש שתי סוגי התנגשויות: התנגשות אחת כאשר באותו מיקום יש שני SS’S שהגרילו את אותו קוד בדיוק התנגשות אחרת כאשר יש מספר קודים שונים השווה/ גדול לערך הקרוסקורלציה ואז משיקולי אנרגיה גם פה תהיה התנגשות כי לא ניתן יהיה להפריד את המידע. Subchannel number SS2 – c10 SS9 – c3 SS6 – c1 SS10 – c3 SS7 – c5

symbol = 2; sub = 1; code = 7 can use BW at…” 3. BS Allocates BW According to the scheduler algorithm, allocation is made. The Response format: “The Station with symbol = 2; sub = 1; code = 7 can use BW at…” ה-BS בודק את כל הבקשות ומכיוון שלא יודע איזה SS שלח איזו בקשה הוא מודיע בצורה הבאה מי קיבל הקצאה. BS

4. SS waits for Response Every SS that waits for “The Station with symbol = 2; sub = 1; code = 7 can use BW at…” Every SS that waits for allocation, checks if he got a response in the appropriate frame. BS “Ohh!!! What Can I Do?” “Yes!!! It’s me, I Can Transmit!” כל SS מחכה לתגובה מה-BS ב-FRAME המתאים. Symbol = 1 Sub = 1 Code = 2 Symbol = 2 Sub = 1 Code = 7 SS4 SS1

5. SS Retransmits (backoff) If after 2 frames there is no allocation (collision), the SS draws a backoff that indicates when to retransmit. Backoff_Val = Random(0, 2 current+1); The backoff window size is doubled in every collision, until the maximum value (MaxBO). Current++; The probability of collision rapidly decreases and after few iterations becomes negligible. מה קורה כאשר SS חיכה 2 FRMAES ולא קיבל תגובה? הוא מגריל פרמטר שנקרא BACKOFF שאומר מתי הוא יכול שוב לשלוח בקשה. רוצים לרווח את הזמן בו ישלחו שוב בקשות כדי למנוע שוב התנגשויות. המספר המוגרל מוכפל בכל התנגשות עד שמגיע לערך מקסימלי כלשהו. דבר זה מקטין בכל פעם את ההסתברות להתנגשות חוזרת. “I draw a backoff of 3, I wait for Retransmission!” SS4

Outline Project’s goals and steps Background Ranging & BW Request Summary

Expected Results n – stations w – TOs c – codes α – cross correlation value הגרף המוצג הוא תאורטי, בלבד ואנו מקווים שתוצאות הסימולציה יהיו דומות. ניצולת - ??? יש להסביר מהמ משמעות הערכים , יחידות? מסקנות מהגרף: ככל שמספר ה TOS גדל (סגול מול ירוק), ניתן לספק אותה ניצולת לכמות גדולה יותר של תחנות ככל שמספר הקודים גדל ( 2 הקווים העליונים), הניצולת גדלה. גם פרמטר הcross corelation , משפיע בצורה דומה עבור כל שילוב של הפרמטרים הנ"ל, ישנו מספר תחנות שיביא לניצולת אופטימלית.

Questions