Tracking delle stime tempo-frequenza in sistemi WiMAX con frequency hopping

Introduzione viii
un servizio di accesso wireless ad alto bit rate su scala metropolitana, con
celle di raggio molto maggiore delle attuali celle UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System), abbattendo fortemente i costi di installazione
e gestione della rete, soprattutto se usata per soluzioni di accesso alle reti
ad alta velocita` come l’ultimo miglio. Proprio perche` WiMAX si candida
come una infrastruttura assai versatile, se ne prevedono applicazioni in molti
campi.
`
E possibile quindi immaginare uno scenario in cui questa tecnologia
verra` utilizzata non solo per scopi prettamente commerciali ma anche in am-
biti non civili, come per scenari di emergenza od operazioni militari, in cui
sono aspetti di fondamentale importanza la sicurezza e la segretezza come la
bassa probabilita` di intercettazione e di rilevamento del segnale trasmesso.
Com’e` noto, le tecnologie ad allargamento di spettro o spread spectrum sono
molto utili nell’ottenere gli obiettivi di sicurezza precedentemente esposti;
in particolare la tecnica del frequency hopping e` particolarmente apprezzata
sia in ambito militare sia come soluzione al problema dell’allocazione delle
risorse radio in casi di emergenza.
`
E interessante quindi immaginare di in-
globare questa tecnologia di allargamento di spettro all’interno del WiMAX
e chiedersi quali sono le prestazioni del sistema cos`ı ottenuto; in particolar
modo e` lecito domandarsi quali sono gli effetti dei salti di frequenza su una
delle parti piu` critiche del sistema di ricezione utilizzato da WiMAX:glial-
goritmi di acquisizione del segnale e di stima degli errori di sincronizzazione
e di frequenza. Tali errori hanno infatti un ruolo chiave nel corretto funzio-
namento dei sistemi che utilizzano la modulazione OFDM come IEEE 802.16.
Per i motivi precedentemente esposti WiMAX e` stato l’oggetto del presente
lavoro di tesi. Inizialmente si sono studiate le caratteristiche degli algoritmi
usati per l’acquisizione del segnale e per la valutazione degli errori di frequen-
za e di sincronizzazione causati dal disallineamento degli oscillatori locali in
ricezione sperimentati dal terminale sul canale di downlink. Questa parte di
lavoro ha previsto lo studio del sistema PLL (Phase-Locked Loop) e l’analisi
degli algoritmi utilizzati nella compensazione degli offset di tempo e di fre-
quenza sopra menzionati. Gli algoritmi sono prima stati testati in una rete
a frequenza fissa. Successivamente si e` passati alla parte centrale del lavoro,
Introduzione ix
che rappresenta l’obiettivo di questa tesi, cioe` l’implementazione della tecnica
frequency hopping e lo studio delle conseguenze che ne derivano se utilizzata
per trasmissioni sul canale di downlink. Attraverso il sistema cos`ı realizzato
si sono studiati quindi gli effetti dell’introduzione di questa particolare tec-
nica di trasmissione ad allargamento di spettro, innovativa rispetto a quanto
previsto dallo standard, sulle capacita` di acquisizione e stima dei parametri
di offset tempo-frequenza del terminale, il comportamento del PLL elepre-
stazioni in termini di Bit Error Rate in diversi ambienti propagativi.
La tesi e` organizzata come segue.
Nel capitolo 1 e` presentata un’analisi del livello fisico dello standard IEEE
802.16, con particolare attenzione alle soluzioni adottate per garantire la mo-
bilita` degli utenti, quelle cioe` definite nella seconda rettifica dello standard,
[3].
Il capitolo 2 descrive la tecnica di modulazione OFDM, le caratteristiche,
i vantaggi che comporta rispetto agli effetti del canale radiomobile e le re-
lative vulnerabilita`, i dettagli teorici dell’implementazione e la realizzazione
reale. Infine, presenta un’analisi quantitativa degli errori di fase e di frequen-
za introdotti sia dal canale sia dal disallineamento degli oscillatori locali, e di
come la gestione di tali errori sia di fondamentale importanza per il corret-
to funzionamento di qualsiasi sistema che utilizzi la tecnica di modulazione
OFDM.
Il capitolo 3 fornisce una panoramica sulle tecniche ad allargamento di spet-
tro, frequency hopping, time hopping e direct sequence,imotividelloro
utilizzo e i vantaggi che apportano in termini di sicurezza della trasmissione,
bassa probabilita` di intercettazione e di rilevamento delle comunicazioni che
le utilizzano.
Infine nel capitolo 4 viene descritto il simulatore WiMAX utilizzato per lo
studio e le simulazioni degli scenari proposti, la sua struttura logica e il suo
Introduzione x
funzionamento. Successivamente sono esposti i risultati delle simulazioni del
sistema originale, l’introduzione della tecnica del frequency hopping elecon-
seguenze che da essa derivano. Per ultimi, sono riportati i risultati delle
simulazioni sia in termini di prestazioni del PLL sia in termini di BER,peril
sistema modificato contestualizzato in molteplici scenari, quali diversi canali
multipath, diversi errori di disallineamento tra gli oscillatori locali in ricezio-
ne e in trasmissione, diverse modalita` di gestione del frequency hopping da
parte del terminale in ricezione.
Capitolo 1
Lo standard WiMAX
WiMAX,acronimodiWorldwide Interoperability for Microwave Access,e`
una tecnologia di accesso a reti wireless a banda larga di ultima generazione.
Tale acronimo e` stato definito dal WiMAX Forum, [2], un consorzio di aziende
formatosi nel 2001 per supportare e favorire lo sviluppo di questa tecnolo-
gia basata sullo standard IEEE 802.16 WirelessMAN (Wireless Metropolitan
Area Network), [3]. In particolare l’obiettivo del WiMAX Forum e` quello di
promuovere l’uso commerciale del WiMAX,eperci`oleaziendechenefanno
parte hanno come fine quello di realizzare profili che siano compatibili con
le specifiche dello standard, in modo da garantire la futura interoperabilita`
tra i prodotti disponibili sul mercato. In questo modo i produttori potranno
usufruire della certificazione WiMAX Forum, in qualche modo una garan-
zia sulla qualita`efedelt`a allo standard delle proprie soluzioni, e potranno
ottenere abbassamenti di costi di produzione dalle economie di scala che si
creeranno dalla produzione di massa di sistemi e dispositivi aderenti ad un
unico standard.
Il punto di forza del WiMAX e` la capacita` di coprire grandi zone, fino a
50 km di raggio, abbattendo notevolmente i costi di installazione e fornitu-
ra del servizio se paragonati con quelli necessari per l’installazione di una
rete cablata in un’area di grandezza equivalente. Inoltre, tale vantaggio vie-
ne ulteriormente enfatizzato se andiamo a considerare zone rurali o paesi
in via di sviluppo, in cui la forbice tra possibili guadagni futuri e costi di
Capitolo 1. Lo standard WiMAX 2
Internet hotspot
On-demand video
LAN
Residential
Business corporation
VoIP
Server and computers
VoIP
Core network
Mobile users
Base station
Figura 1.1: Scenario WiMAX
posizionamento di una rete di cavi scoraggiano i provider. In queste zone,
la popolazione non ha la possibilita` di poter usufruire dei servizi di teleco-
municazione a banda larga, evidenziando il problema del digital divide tra
zone sviluppate e non. In questa direzione il WiMAX risulta essere un buon
candidato come tecnologia in grado di fornire accesso alla rete in modalita
punto-multipunto. In piu` si potrebbe pensare al WiMAX come tecnologia di
backbone tra hot-spot wireless 802.11,menocostosaedipi`u facile gestione
e realizzazione delle tradizionali backbone su cavo DSL (Digital Subscriber
Line)oT1 ; in figura 1.1 e` visualizzato un potenziale scenario applicativo.
Vediamo quali sono le principali caratteristiche che rendono il WiMAX
uno standard molto competitivo:
• Data rate elevati: l’utilizzo combinato di sistemi MIMO (Multiple-
Input Multiple-Output), schemi dinamici di allocazione del canale, co-
difica e modulazione avanzata, garantiscono rate trasmissivi fino a 63
Mbps in downlink e 28 Mbps in uplink, per canali a 10 MHz;
Capitolo 1. Lo standard WiMAX 3
• Quality of Service: WiMAX puo` essere ottimizzato per supportare
traffico eterogeneo, utilizzando le architetture DiffServ o MPLS (Multi
Protocol Label Switching ) che permettono flussi end-to-end sottoposti
a vincoli di QoS;
• Estesa area di copertura: grazie alla modulazione OFDM (Othogonal
Frequency Division Multiplex) si riesce a garantire la comunicazione
anche in condizioni in NLOS (Non Line-Of-Sight), si arriva fino a 50
km in LOS;
• Mobilita`: garantisce accesso nomadico e in mobilita` fino a 160 km/h;
• Interoperabilita`: obiettivo fondamentale del WiMAX Forum e` quello
di rendere possibile la coesistenza di WiMAX con altri standard di
comunicazione wireless;
• Multi-applicazione: sfrutta il protocollo IP come base per fornire tutti
itipidiservizi(www, VoIP , streaming audio-video);
• Flessibilita` di architettura: sono supportati diversi tipi di architettura,
PMP ultimo miglio, Mesh e backhaul;
• Flessibilita` di spettro: WiMAX puo` lavorare in differenti range di fre-
quenza, in bande licenziate e non licenziate, e prevede un elevato grado
di versatilita` a lavorare in canalizzazioni differenti, da 1.25 a 20 MHz;
• Sicurezza: privacy e sicurezza sono garantiti dagli standard AES (Ad-
vanced Encryption Standard)e3DES (Triple Data Encryption Stan-
dard);
• Facilita` di installazione e gestione, rapidita` di sviluppo: tutto a costi
contenuti;
• Bassi costi di produzione: essendo uno standard aperto si prevede
un’adozione di massa e un abbattimento dei costi dei componenti;
I potenziali ambiti applicativi della tecnologia WiMAX sono quindi mol-
tissimi, anche se per poter utilizzare in modo ottimale tutte le capacita`dovr`a
Capitolo 1. Lo standard WiMAX 4
essere svolto un lavoro di adattamento alla coesistenza e integrazione con le
altre tecnologie wireless oggi disponibili.
1.1 Lo standard IEEE 802.16
WiMAX e` basato sullo standard IEEE 802.16, [3], che definisce le operazioni
di accesso al canale (MAC) e il livello fisico. Tale standard ha subito nel
corso degli anni vari aggiornamenti: la prima versione, pubblicata nel 2001,
e` stata ideata per applicazioni FBWA (Fixed Broadband Wireless Access)
in scenari di LOS nelle bande licenziate da 10 a 66 GHz, definisce un rate
di trasmissione teorico massimo pari a 120 Mbps e non permette ne`lamo-
bilita`n`e la portabilita`. La versione successiva, del 2004, opera tra 2 e 11
GHz, utilizza la modulazione OFDM garantendo anche l’accesso nomadico
in situazioni di NLOS. La terza versione, pubblicata nel 2005, oltre a inclu-
dere le versioni precedenti, introduce funzionalita` necessarie per l’accesso in
mobilita`, come l’incremento di copertura dovuto all’uso di schemi avanzati
quali HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), elevata sottocanalizzazio-
ne, utilizzo di sistemi adattivi di antenna (AAS)eMIMO, handoff e power
saving. A tale fine introduce anche una nuova tecnica di modulazione, la SO-
FDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access), che pero`
non e` compatibile ne`conOFDM ne`conOFDMA. In tabella 1.2 sono elen-
cate le principali caratteristiche tecniche della seconda versione 802.16-2004
e della terza 802.16e.
In particolare si nota come la versione 802.16-2004 operi nella banda da 2
a 11 GHz mentre quella successiva utilizzi la totalita` di tale banda solamente
per l’accesso fisso mentre per l’accesso mobile prevede l’uso della banda da 2
a 6GHz.
1.1.1 Il livello fisico
Il livello fisico dello standard 802.16 prevede quattro diverse modalita`di
accesso al canale, qui di seguito elencate:
Capitolo 1. Lo standard WiMAX 5
ϴϬϮ͘ϭϲͲϮϬϬϰ ϴϬϮ͘ϭϲ
ƉƉƌŽǀĂƚŽ 'ŝƵŐŶŽϮϬϬϰ ŝĐĞŵďƌĞϮϬϬϱ
ĂŶĚĂ Ϯоϭϭ',nj
Ϯоϭϭ',nj;ĨŝƐƐŽͿ͕
Ϯоϲ',nj;ŵŽďŝůĞͿ
^ĐĞŶĂƌŝŽŽƉĞƌĂƚŝǀŽ >K^ͬE>K^ >K^ͬE>K^
ĂƚĂƌĂƚĞ ϳϱDďƉƐŝŶϮϬD,nj
ϳϱDďƉƐŝŶϮϬD,nj;ĨŝƐƐŽͿ͕
ϭϱDďƉƐŝŶϱD,nj;ŵŽďŝůĞͿ
dĞĐŶŝĐĂĚŝƚƌĂƐŵŝƐƐŝŽŶĞ
K&D;ϮϱϲƐŽƚƚŽƉŽƌƚĂŶƚŝͿ͕
K&D;ϮϬϰϴƐŽƚƚŽƉŽƌƚĂŶƚŝͿ
K&D͕K&D͕^K&D
ĐĐĞƐƐŽŵƵůƚŝƉůŽ dD͕K&D dD͕^K&D
ƵƉůĞdžŝŶŐ dͬ& dͬ&
ĂŶĚĂĚŝĐĂŶĂůĞ
sĂƌŝĂďŝůĞƚƌĂϭ͘ϮϱD,njĞϮϬ
D,nj
sĂƌŝĂďŝůĞƚƌĂϭ͘ϮϱD,njĞϮϬ
D,nj
ĨĨŝĐŝĞŶnjĂƐƉĞƚƚƌĂůĞ ϯ͘ϳϱďƉƐͬ,njŝŶϮϬD,nj
ϯ͘ϳϱďƉƐͬ,njŝŶϮϬD,nj;ĨŝƐƐŽͿ͕
ϯďƉƐͬ,njŝŶϱD,nj;ŵŽďŝůĞͿ
Figura 1.2: Confronto tra 802.16-2004 e 802-16e
• Wireless MAN SC : accesso alla rete MAN (Metropolitan Area Net-
work) con trasmissione a singola portante (Single Carrier);
• Wireless MAN SCa: analogo al Wireless MAN SC con accesso multiu-
tente;
• Wireless MAN OFDM : accesso alla rete MAN utilizzando la modula-
zione OFDM ;
• Wireless MAN OFDMa: analogo al Wireless MAN OFDM con accesso
multiutente;
Vediamo in dettaglio quali sono le caratteristiche principali per quan-
to riguarda l’ultima modalita` di accesso al canale, Wireless MAN OFDMa,
poiche` proprio quest’ultima e` stata utilizzata nel presente lavoro.
Il simbolo OFDM
Il livello fisico dello standard 802.16e prevede l’uso della modulazione OFDM,
tecnica che suddivide la banda disponibile in piu` sottocanali ortogonali tra
diloro. InunsistemaOFDM il flusso informativo di bit da trasmettere
Capitolo 1. Lo standard WiMAX 6
 195 OFDM symbol time structure
T
g
T
b
T
s
Figura 1.3: Simbolo OFDM nel dominio del tempo
viene diviso in piu` sotto-flussi paralleli, ognuno ad un rate inferiore a quello
di partenza, ed ognuno modulato su una delle sottoportanti ortogonali. Il
tempo di simbolo quindi aumenta in modo proporzionale al numero di por-
tanti OFDM utilizzate, con il risultato che la trasmissione e`pi`u robusta nei
confronti dell’interferenza inter simbolica (ISI). In piu`, l’inserimento di un
prefisso ciclico all’inizio di ogni simbolo tende ad eliminare gli effetti del ri-
tardo di propagazione, fino a quando la durata di tale prefisso e` maggiore del
delay spread del canale.
All’interno della catena di trasmissione, una FFT inversa genera il simbolo
OFDM di periodo T
b
e l’ultima parte del simbolo, T
g
, viene ripetuta all’inizio
del simbolo stesso. In questo modo si genera un prefisso ciclico che ha il com-
pito di assorbire gli effetti della dispersione nel dominio del tempo dovuta al
multipath, mantenendo l’ortogonalita` tra le portanti, fig. 1.3. La lunghez-
za della FFT puo` variare e puo` assumere i valori di 2048 1024 512 e 128
campioni, in modo da adattarsi alle varie possibilita` di larghezza di banda.
Questa particolare flessibilita`, che viene definita SOFDMA (Scalable OFD-
MA), adatta la dimensione della FFT alla larghezza di banda disponibile
sempre mantenendo la spaziatura ottimale tra le sottoportanti.
L’inserimento del prefisso ciclico provoca una perdita di energia pari a
10 log
T
b
T
b
+T
g
in quanto l’energia richiesta dal trasmettitore aumenta con l’au-
mentare della durata del tempo di guardia mentre al ricevitore il prefisso
ciclico viene scartato in ogni caso. Questa perdita puo` essere diminuita an-
dando ad aumentare la lunghezza della FFT in trasmissione, accorgimento
Capitolo 1. Lo standard WiMAX 7
che comunque ha un effetto negativo sulla sensibilita` all’errore di fase degli
oscillatori in fase di ricezione. Oltre a questo effetto negativo il prefisso ciclico
di fatto introduce overhead, che in pratica riduce il troughput e l’efficienza
di banda. Tuttavia poiche` la modulazione OFDM presenta uno spettro in
cui le portanti sono molto ravvicinate, in trasmissione si utilizza una por-
zione piu` ampia della banda a disposizione rispetto ad esempio a sistemi di
tipo FDM,eci`o mitiga la perdita di efficienza dovuta all’utilizzo del prefisso
ciclico. Un’altra importante caratteristica del prefisso ciclico e` quella di con-
tenere anche l’errore di sincronizzazione temporale, dovuto sia alla distanza
variabile tra stazione base e stazione mobile sia all’errore di temporizzazio-
ne, timing offset, che inevitabilmente varia attorno a zero durante la durata
della trasmissione. Durante il periodo di inizializzazione la stazione mobile
effettua una ricerca su tutte le lunghezze possibili di prefisso ciclico utilizzate
dalla stazione base, fino ad individuare quella corretta: tale valore verra`poi
usato per tutta la durata della sessione.
1.2 L’accesso Multiutente
In un sistema OFDM, vengono individuate due tipi di risorse: nel dominio
della frequenza, rappresentate dalle sottoportanti, e nel dominio del tempo,
rappresentate dai simboli. Questi due tipi di risorse possono essere organiz-
zate per la definizione di sottocanali da assegnare ai vari utenti. OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)e` uno schema di accesso
multiplo che fornisce operazioni di multiplexing dei segnali provenienti dai
vari utenti nei sottocanali di downlink e operazioni di accesso multiplo nei
sottocanali di uplink. Nel dominio della frequenza un simbolo OFDM si
presenta come una sequenza di sottoportanti adiacenti, il cui numero e`de-
terminato dalla dimensione della FFT utilizzata in trasmissione, fig. 1.4. Le
sottoportanti si dividono in tre gruppi, secondo il tipo di dato trasmesso:
• Dati: per la trasmissione dei dati;
• Pilota: per la stima di alcuni parametri, come le condizioni del canale
e la sincronizzazione;