WiBro System

Min Kyu HanMultimedia Communications LaboratoryHankuk University of Foreign StudiesApril 18, 2007

2007 Sensor Network

Contents

Wibro Conecept WiBro MAC Layer Standard WiBro Service

WiBro Concept

What is “WiBro”?(1/2)

Portable Internet Service (WiBro) is to provide a high data rate wireless internet access with PSS (Personal Subscriber Station) under the stationary or mobile environment, anytime and anywhere.

Definition

“Portable Internet” was named as 『WiBro』 . (End of April, 2004)

WiBro : Wireless BroadbandReference

WiBroWiBro

Low CostAnytime,Anywhere

MobilityHighData Rate

What is “WiBro”?(2/2)

Wibro

여러명의 사용자가 동시에 인터넷 서비스를받을 수 있도록 , OFDMA-TDD 사용( 다중접속 방식 지원 )

이동중 고속데이터 서비스 지원 OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing) 신호전송 방식 지원

사용자에게 인터넷 서비스를 안정적으로 제공하기 위해기지국과 단말기에 여러 개의안테나를 장착하는 MIMO기술 지원

WiBro Service Positioning

Strong needs to High Speed Portable Internet:– Easy connectivity: anywhere and anytime internet ac-

cess– High-speed Data: about high-speed wireline internet– Low mobility: nomadic ~ medium-speed mobile user– Terminal : notebook, handheld PC, PDA, smart phone,

etc. WiBro Service PositioningTxRate

MobilityFixed Low Mobil-ity

MobileMobility(Nomadic User)

Low CostHigh Tx Capacity

HPi Service

High-Speed Inter-net

Wirelss LAN

4G Mobile Communi-cation

3G Mobile Communi-cation

HPI

WiBro and IEEE 802.16

Fixed Wireless (IEEE Std.802.16-2004):IEEE Standard 802.16-2004 published on 1 Oct.2004.– “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks

:Air Interface for Fiexed Broadband Wireless Access Sys-tem”

Mobility Support Enhancement(P802.16e/D12) WiBro Specification

– Subset of Consolidated version of “IEEE Std. 802.16-2004 + P802.16e/D12+P802.16-2004/Cor/D5.”

• IEEE P802.16e/D7 : Combined Fiexed and Mobile Operation in Licensed Bands below 6GHz

• IEEE P802.16-2004/Cor/D2 : WiBro Air Interface Specifica-tion is fully compatible

• IEEE Std. 802.16-2004 : OFDM, OFDMA PHY mode with IEEE 802.16 MAC

WiBro System Architecture

HA

RAS

PSS PSS

Uh

Mobile IP

ACR

FA

AAA

PSS: Personal Subscriber StationRAS: Radio Access StationACR : Access Control RouterNMS: Network Management System

NMS(O&M)

Public IP Network

RAS

ACR

W-LAN

PSS

W-LAN AP

Service provider’s IP Network

Uh

AhAh

Ih

Ph

Ih

Interface Reference Point Uh : PSS-RAS (Defined in WiBro Specification)Ah : RAS-ACRPh : ACR-ACR Ih : ACR-INTERNET

Inter RAS HandoverInter ACR Handover

Seamless handover (if MIP supported)

PSS = MSS/MS in 802.16eRAS + ACR = BS in 802.16e

Network Reference Model – WiBro & IEEE 802.16e IEEE 802.16e

– BS : Base Station, ASA Servers : Authentication & Service Authorization Server

TTA

– U-IF : TTA 표준화 규격 , I-IF : IETF 표준화 규격 , A-IF & IR-IF : 비표준규격

MSS

MSS BS

BS

ASAServer(s)

U

UIB

A

⇒ 표준화대상 : U-IF

단말

단말 기지국

기지국 Core 망

U

U

AAA

HA제어국

제어국

A

AIR

I

I

WiBro Design Concept

OFDMA/TDD– OFDM & OFDMA advantages

• Robust against multipath delay spread• No intra-cell interference (orthogonal multiple access)• High degree of freedom in resource allocation

– TDD• Flexible DL and UL resource allocation (time zone) according to

traffic request

BS 1

Cell 1

WiBro Design Concept

Adaptive Modulation and Coding (AMC)– For high spectral efficiency (high data rate)– High SNR(Signal-to-noise ratio)

High order modulation and high rate coding High spectral efficiency

– Based on user channel measurement feedback • Fast feedback in dedicated physical channel• CQI (Channel Quality Indication)• RSSI (Received Signal Strength Indication)

BS 1 BS 2

64QAM4/5 rate

Cell 2QPSK1/12 rate

Hybrid ARQ– Fast physical layer retransmission– Soft combining and Incremental redundancy – Overcome link adaptation error (AMC)– Robust to channel and interference fluctuation– Higher target FER at PHY (ex. FER 1% 10%)

Lower operating SINR (ex. SINR 6 dB 4 dB) Capacity gain

MAC PDU #1

BS

PHY

MAC

MAC PDU #2 MAC PDU #1 MAC PDU #2

PHY

MAC

MS

PHY #1

PHY

PHY #2 PHY #3 PHY #4 PHY #1 PHY #2 PHY #3 PHY #4

PHY

Typical ARQ at Layer 2

Hybrid ARQ at Layer 1

MAC PDU #2 MAC PDU #2

PHY #3 PHY #5 PHY #3 PHY #5

Packets

ACK/NAK

Soft bit combing and IR decoding

Fast retx

Internet packet traffic– Highly bursty – Packet-switch mode Statistical multiplexing gain– Centrally controlled Resource Allocation by Base Station:

MAP-based dynamic BW allocation Dynamic burst allocation

Service Classes– Real-time service

• Definition: Service which imposes delay constraints while requiring the guaranteed resource allocation during the session.

• Examples: audio/video streaming, interactive game

– Non-real-time service• Definition: Service which does not impose any delay constraints

while requiring the guaranteed resource allocation during the ses-sion.

• Examples: FTP, Multimedia mail, chatting, e-commerce

– Best-effort Service• Definition: Service which does not impose any delay constraints

while requiring no guaranteed resource allocation during the given service.

• Examples: Web browsing, e-mail

PSS Requirements & Parameters– Power saving function

• PSS shall support a power saving function to minimize the power consumption.

– Mobility support• PSS shall support IP-based seamless service when it moves to an-

other cell.– Multicast/Broadcast

• PSS shall be able to receive multicast/broadcast data transmitted from the network.

– Interworking with other networks• PSS shall be able to provide an appropriate method to control the

connection when interworking with other networks.– Authentication and Security

• MSS shall support the authentication /security protocol based on EAP. If necessary, the PKI-based protocol shall be supported.

• Various cryptographic functions shall be provided.

System Comparision

Item W-LAN WiBro IMT-2000

Servicetype

- Packet based- High-speed data- IP originating call

- Packet based- High-speed data- IP based call

- Circuit/Packet based- Medium/Low-speed data- Originating/Terminating call

Service character-istics

- Private- No QoS guarantee ( BW contention )

- Public- QoS guarantee ( BW allocation )

- Public- QoS guarantee ( BW allocation )

Tx. rate - Maximum 54Mbps - Maximum 50Mbps - Maximum 2 ,or 10Mbps

Cellcoverage

- Coverage : 100m- pico(hot spot area)

- Coverage : 1Km- micro/pico(full coverage)

- Coverage : 10Km- macro/micro(full coverage)

Mobility - Fixed (Coverage) - Low mobility(60Km) - High mobility (250Km)

Cell planning - no - Frequency reuse (~1) - Frequency reuse (~1)

Cell capacity- 54Mbps - 50Mbps - 2Mbps(Ev-DO)

- 10Mbps(HSDPA)

Cell structure - omni - 1 to 3 sector - 1 to 3 sector

Terminal - PC, Note-book, PDA - Note-book, PDA - Cellular phone, PDA

Frame Structure

Frame configuration– 42 OFDM symbols (5 ms)– DL subframe: minimal set

• Preamble (1 symbol) + PUSC zone (more than 2 symbols) + Diversity zone + Band AMC zone

– UL subframe • Control zone (3 symbols) + Diversity zone + Band AMC zone

Flexible DL and UL partitioning in time – DL traffic : UL traffic = 12:24, 18:18, 24:12, 30:6, etc– Synchronized operation

• To avoid interference between DL and UL of different cells Dynamic zone allocation in a frame

– Diversity : Band AMC– BS can change the DL:UL ratio and zone configuration every frame

Separate UL control time slots– Ranging channel, Fast feedback channels, HARQ ACK channels

OFDM 의 필요성

OFDM 은 여러 개의 저속의 부 채널을 사용하여 고속의 데이터를 동시에 병렬 전송하는 방식임 .

• 효율적인 자원 ( 대역폭 ) 사용이 가능함 .

OFDM 의 필요성

Orthogonality– ∆f = 1/T 의 정수배를 주파수로 갖는 정현파들은 T 구간 동안

서로 직교함

OFDMA Scheme

Multiple user signals are multiplexed by unit of subchannel in the same OFDM sysmbols

WiBro MAC Layer Standard(Service-Specific Convergence Sublayer)

MAC Layer Function

Convergence SubLayer(CS)– 외부 IP 망 CS SAP,– MAC SAP CS SAP 를 통하여

수신된 MAC SDU(Service DataUnit) 데이터를 변환 / 매핑해 주는역할을 수행한다 .

MAC CPS– 시스템 접속과 과련된 역할 수행

• 대역폭 할당 , 연결 설정 / 관리• 특정 MAC 연결들의 QoS 관리 , ARQ 기능

, 스케쥴링 및 MAC P 여 구성 등 .

– Privacy Sublayer• 단말 인증 , 키 분배 , 데이터 암호화를 수행

Service SpecificConvergence Sublayer(CS)

MAC Common Part Sublayer(MAC CPS)

Privacy Sublayer

Physical Layer(PHY)

PHY SAP

MAC SAP

CS SAP

MAC

PHY

MAC SDU 구조

IP 패킷 기반 프로토콜 계층의 PDU 는 다음과 같이 MAC SDU 를 형성한다 .

– PHSI ‘0’ : 패킷 PDU 의 header 를 압축하지 않음 .– PHSI otherwise : 패킷 PDU 의 header 압축에 사용한

압축 규칙을 가리키는 식별자

PHSI 8 bits

패킷 PDU (가변 길이)

PHSI = ‘0’ IP 패킷 ( 헤더 포함)

PHSI ‘0’ 헤더 억압 IP 패킷

*PHSI : Payload Header Suppression Index

Packet Classification(1)

P1

P2

P3

Packet Classifier

P1 P2 P3 P4 P5

CID 1 CID 2 CID 3 CID 4 CID 5

Source IP Address

Destination IP Address

Source Port Destination Port

PROTO

Connection ID

Packet Classifier

HLver TOS Length

ID 3F 13Flag Offset

TTL HCSPROTO

Destination IP Address

Source IP Address

0 31

IP

Destination PortSource Port

Length CheckSum

UD

P

UDP / IP

Destination PortSource Port

TC

P

Sequence Number

Rcv Win SizeHL

CheckSum

Acknowledgement Number

Prt Urgent Data

reserved U A P R S F

HLver TOS Length

ID 3F 13Flag Offset

TTL HCSPROTO

Destination IP Address

Source IP Address

0 31

IP

TCP / IP

P4

P5

해당 Packet 에 대한 QoS 를 제공

Packet Classification(2)

CS 는 IP 패킷 기반 프로토콜 계층으로부터 수신되는 모든 IP 패킷을 분류하는 패킷 분류기를 갖는다 .

상위 계층 구성 요소 (예 : 브릿지, 라우터)

하향링크 분류자

802.16 MAC CPS

CID 1

CID 2

. . . . .

CID n

상위 계층 구성 요소 (예, 브릿지, 라우터, 호스트)

재구성(예, PHS 해제)

802.16 MAC CPS

기지국 단말

SDU SDU

{SDU, CID, ...}

SAP SAP

{SDU, CID, ...}

상향링크 분류자

802.16 MAC CPS

CID 1

CID 2

. . . . .

CID n

상위 계층 구성요소 (예, 브릿지, 라우터)

재구성(예, PHS 해제)

802.16 MAC CPS

SDU

{SDU, CID, ...}

SAPSAP

{SDU, CID, ...}

SDU

기지국 단말

< 기지국에서 단말 > < 단말에서 기지국 >

WiBro MAC Layer Standard(MAC Common Part Sublayer)

Addressing & Connections

Connections ( 단말과 기지국 사이 : DL,UL) – Basic Connection

• 기지국의 MAC 이나 단말의 MAC 에서 긴급 MAC 관리메시지들을 교환할 때 이용한다 .

– Primary Management Connection• 기지국의 MAC 과 단말의 MAC 이 좀더 긴 지연을 허용하는 MAC 관리

메시지들을 교환 할 때 이용한다 .

– Secondary Management Connection• 기지국과 단말의 표준 기반 메시지를 전송할 때 이용한다 .

– DHCP, TFTP, SNMP Msg 등

Secondary Management Connection 에서 전달되는 메시지들은 packing 이나 fragment 될 수도 있다 .

각 Connection pair(DL,UL) 은 항상 동일한 CID 값이 할당된다 .

CID & MAP

Connection Identifier (CID)– RAS 와 PSS 의 MAC 계층 내의 동등한 peer 들에 대하여

connection 을 식별하는 단방향의 MAC 계층 주소 .– CID 는 connection 과 연관된 service flow 의 QoS parame-

ter 들을 정의하는 service flow identifier(SFID) 와 대응됨 MAP

– DL/UL 상에서 Burst 의 symbol offset 및 subchannel off-set 과 할당된 자원인 symbol 개수 및 subchannel 개수를 정의하는 MAC 계층 메시지

• Downlink Map(DL-MAP), Uplink MAP(UL-MAP)

Wibro System Frame Strucuture & Process-ing Time RAS 의 MAC CPS(Common Part Sublayer) 에서 단말이 대역폭

(Bandwidth) 를 요구하면 대역폭을 할당해주고 , 단물은 대역폭에 데이터를 보내기 시작한다 .

MAP 은 DL-BURST 와 UL-BURST 내의 각 요소들을 지정하는 인덱스와 같은 역할을 수행한다 .

단말은 MAP 을 해석하여 자신에게 할당된 대역폭이 있음을 확인하 후 , MAP 이 지시하고있는 대역폭 할당구간에 데이터를 전송하게 된다 .

MAP DL BURST UL BURST

모뎀 /RF수신 지연 시간

단말 처리시간 모뎀 /RF송신지연 시간

단말에 대한 대역폭할당 구간

Resource Allocation

MAC PDU( Protocol Data Unit)

MAC PDU Format

Generic MAC Header Format

– HT: Header Type = 0 or 1• 0 : Generic MAC Header• 1 : Bandwidth Request Header

– EC: Encryption Control– ESF: Extend Subheader Field– CI :CRC Indicator– EKS : Encryption Key Sequence– HCS : Header Check Sequence

Generic MAC Header Payload(optional) CRC(optional)

MAC PDU( Protocol Data Unit)

HT = 0, EC=0 or 1

HT = 1, EC=0 or 1

MAC PDU( Protocol Data Unit)

MAC PDU( Protocol Data Unit)

MAC Signaling header type– 이 형식은 UL 에서만 사용하며 , MAC 헤더 뒤에 어떤 MAC

PDU 페이로드나 CRC 도 붙지 않는다 .• Bandwidth request header

– 헤더 타입 I 의 MAC Signaling header– CID 는 상향 대역을 요구하는 대상 연결을 지시한다 .– 대역폭 요구 필드는 요구되는 바이트의 수를 나타낸다 .

PDU 구성의 예Packet PDUPHSI

MAC SDU MAC SDUMAC SDU #1

MAC SDU #2

PackingSub-header

MAC Header MAC SDU CRC

MAC Header MAC SDU

MAC SDU MAC SDU

PackingSub-header MAC SDU

FragmentationSub-headerMAC Header MAC SDU f1

FragmentationSub-headerMAC Header MAC SDU f2

BR Header

Bandwidth Request PDU

MAC HeaderManagement Message Type

MAC ManagementPayload

Management PDU

MAC PDU

MAC PDU MAC PDU

MAC PDU

MAC PDU

Fragmentation

Packing

User PDU

Packet PDUPHSI

WiBro Service

WiBro Service : KT

서비스 명 : KT WiBro 서비스 내용

– 2006 년 3 월 시범 서비스 – 2006 년 6 월 상용 서비스 실시 ( 수도권 일부 지역 )– 2007 년 4 월 서울 전역으로 확대 ( 현 가입자 3000 명 )

속도 – DL(18Mbps), UL(5Mbps)

이동성 – 60Km

KTF iPulg 와 서비스 결합 관련 컨소시엄 : 삼성전자 ( 시스템 분야 ), 쏠리테크 ,

기산텔레콤 , 티아이 , 위다스 , 영우통신 ( 이상 중계기 분야 )

WiBro Service Business Model : KT

고속 무선 인터넷의 장점을 사려 멀티미디어 / 컨버젼스 형 수익 모델 개발 기존 서비스와의 결합을 통해 소비자 이용 편익 증대 및 수익 창출 극대화

기존 인터넷 서비스 WiBro Service Apps

멀티 미디어화컨버젼스 화유무선 연계화

핵심 서비스

· MMS (Multimedia Message Service)ü Hi-Quality 영상 메일/메시징

· PUSH형 서비스ü 그룹 영상 채팅, Ad & Coupon 서비스

· 게임 : IP 기반의 다양한 네트워크 서비스· LBS(Location Based Service)· IP Multicasting

ü 고화질 VoD, 실시간 방송, 영화

· NESPOT 결합 서비스 · CDMA 결합 서비스· DMB 결합 서비스

무선 서비스

유선 서비스

· 정보 검색, e- mail 등의 정보 서비스 · 영화, VOD 등의 오락 서비스· 기타 : e-Stock, e-Banking, e-Learning

무선 서비스

· 단순 문자 메시지 (SMS) · VoD, 단순 게임 등의 오락 서비스· 기타 : e-Banking, m-Commerce

기존 인프라 및 초고속 인터넷 축적 기술 활용유선 ( 이동성 요구 ) + 무선 (광대역 요구 ) 결합 서비스

기존 유무선 컨텐츠 + 다양한 인터넷 서비스 멀티미디어 , 3D 등 다양한 결합 상품으로 업그레이드

Communication- 커뮤니티

양방향 대용량특성을 살린 멀티미디어 기반의 커뮤니티 환경과 All-IP 기반의 P2P 기능을 활용한 다양한 데이터 생성 / 고유 서비스를 제공 가능함

Data Services - 검색

유선 기반 컨텐츠의 변환 /활용이 용이하여 단말기 UI 및 WiBro 특성을 바탕으로 풍부한 컨텐츠를 편리하게 이용할 수 있음

Media - 게임

대용량 멀티미디어 컨텐츠를 실시간 / 양방향으로 1:1, 1:N, 게임형 교육 형태로 언제 어디서나 편리하게 사용 가능함

Commerce - 교육

대용량 멀티미디어 컨텐츠를 실시간 양방향으로 1:1, 1:N, 게임형 교육 형태로 언제 어디서나 고객이 편리하게 사용 가능함

Wibro Service : SKT

2007 년 4 월 부터 시범 서비스 실시 시범 서비스 내용

– 신촌 등의 서울 지역 대학가 중심으로 Hot-Zone 지역– 장비 안정성 점검 중심으로 진행

향후 서비스 방향 – 6 월부터 서울시 전체로 확대 서비스 시행 – 2009 년 까지 단계적으로 서비스 지역 확대

WiBro 와 HSDPA 혼합 서비스 관련 컨소시엄 : 삼성전자 , SK 텔레시스 ( 시스템 분야 ), 쏘리테크 , SK 텔레시스 , 이트로닉스 ( 중계기 분야 )

휴대인터넷 관련 이동 사업자 서비스 개요 구분 SKT (“T login”) KTF (“iPlug”)

Chipset • Qualcomm MSM6275 • Qualcomm MSN 6280

다운 로드 속도 • 3.0Mbps(평균 0.8Mbps) • 3.6Mbps(평균 1.2Mbps)

* 업그레이드시 7.2Mbps까지 가능 모델

기능 • SMS/ 전화번호부 , 무선 인터넷 접속

• 무선 인터넷 접속

인프라 구조 • HSDPA,EV-DO 인프라 사용 • Wibro 와 HSDPA 의 결합 인프라 구조 ( 수도권 : WiBro 그외 지역 : HSPDA )

특징 • 3G 단말에서만 동작• 선발 주자(* 2007 년 2 월 7 만명 정도의 가입자 유치 )

• 2G/3G 단말 모두에서 동작 가능• 모뎀에 내부 메모리 (플래쉬와 램 ) 장착

WiBro Service 의 문제점

단절 현상으로 인한 Packet Loss– 802.16e 의 Hard Handover 방식 이용– Handover 과정에서 Home Agent 가 ACK msg 를 받지 못함

타 기술과 비교하여 이동성이 떨어짐– HSDPA 가 250Km/h 를 보장하는데 반하여 WiBro 는 60Km/h

정도로 제한됨

QoS 가 제한적– ISM 대역폭 사용– 지역에 따라 서비스 질적 차이가 큼– 현재 진행되는 시범 서비스의 경우 HSDPA 와의 혼합 방식이

이용됨