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

2. 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

3. 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

4. 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).

5. Physical Layer Single Carrier
SC (below 11 GHz)
SCa (10 GHz to 66 GHz)
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDM ( 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.

6. 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.

7. 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++.

8. The Project
An OMNeT++ simulation of the 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 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.

9. 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...

10. 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

11. 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.

12. Subscriber Station – Module Design Overview
Transmit Path
Service
Receive Path

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

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

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

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

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

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

19. 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

20. 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

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

22. 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

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