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UWB et les standards IEEE 802.15.3

André-Luc BEYLOT

Département Télécoms et Réseaux

INPT/ENSEEIHT

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Plan

Introduction et contexte

La normalisation

La pile de protocoles

Les évolutions

3

Motivations

Réseaux à longue distance

Systèmes cellulaires 2G, 3G, IEEE 802.22

Réseaux métropolitains

802.16/e, wireless broadband

Réseaux locaux

802.11/a/b/g/n…, wireless LAN

Réseaux personnels

802.15.1, 802.15.3, 802.15.4, 802.15.6 ?

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Portée

PAN802.15.x

<10m

LAN802.11100m

MAN802.162-4km

WAN2G, 3G2km/linknationalareas

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Positionnement des solutions IEEE

Data Rate (Mbps)

Ran

ge

ZigBee

802.15.4

15.4c802.15.3

802.15.3cWPAN

WLAN

WMAN

WWAN

WiFi

802.11

0.01 0.1 1 10 100 1000

Bluetooth

802.15.1

IEEE 802.22

WiMax

IEEE 802.16

IEEE 802.20

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Comparaison

Technologie

PuissancemW

Portée Bande passante/

Canal

DébitB/s

GSM EDGE 600 ~2000 200 kHz 384k

CDMA 1xEVDO 600 ~2000 1.25 MHz 2.4M

802.16 (WiMax) 250 ~4000 25 MHz 120M

802.11g (WiFi) 50 100 25 MHz 54M

Bluetooth 1 10 1 MHz <1M

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Remplacement de Bluetooth ?

Bluetooth a surtout permis de supprimer de la “quincaillerie”

Il faut améliorer les débits

Dans les conditions optimales, débit maximal = 1Mb/s pour la version 1.1.

Les améliorations conduisent à 3 Mb/s.

Diminuer la puissance d’émission

Bluetooth : 1mW

UWB entre 5 et 10 fois moins

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Nouvelles applications

Accès Mobile Internet

Débits comparables ou supérieurs à WiFi­ (le 802.11n excédera le 100Mb/s)

Puissance plus faible (100-200 µW) que WiFi (50 mW)

Meilleure capacité spatiale (b/s/m2)

Accès rapide à des périphériques sans fil

Transferts photos, fichiers, musique, vidéo

Streaming audio et/ou vidéo

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Comparaison capacité spatiale

TypePortée

m

surface

m2débit

capacité

Kb/s/m2

BT 1.1 10 314 1M 3.2

802.11b 100 31416 11M 0.35

802.11g 100 31416 54M 1.72

802.11a 50 7854 54M 6.88

802.15.3 10 314 55M 175

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Puissance consommée

Type Bit rate TX Power mJ/MB

802.11b 11Mb 50mW 36.4

802.11a 54Mb 200mW 29.6

802.11g 54Mb 50mW 7.4

Bluetooth 1Mb 1mW 8.0

802.15.3 55Mb 200µW 0.03

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IEEE 802.15.3-2002Premiers réseaux PAN à haut débit

Spécifications des couches MAC et PHY

L’objectif initial était d’atteindre un débit d’au moins 20 Mb/s, avec une portée et une puissance identiques à Bluetooth, en utilisant la bande 2.4 GHz ISM (pas UWB)

Les premiers travaux de standardisation UWB : extension du 802.15.3:

WiMedia MB-UWB (Multi-Band OFDM)

UWB Forum DS-UWB (Direct Sequence)

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Modèle de référence

13

Bandes utilisées DS-UWB

Chaque piconet opère dans l’une des deux

bandes

Low band (3.1 à 4.9 GHz) – obligatoire

High band (6.2 à 9.7 GHz) – Optionelle

3 4 5 6 7 8 9 10 11

Low Band

3 4 5 6 7 8 9 10 11

High Band

GHz GHz

14

MB-UWB PHY Spectra

3432MHz

3960MHz

4488MHz

5016MHz

5544MHz

6072MHz

6600MHz

7128MHz

7656MHz

8184MHz

8712MHz

9240MHz

9768MHz

Band#1

Band#2

Band#3

Band#4

Band#5

Band#6

Band#7

Band#8

Band#9

Band#10

Band#11

Band#12

Band#13

Band Group 1 Band Group 2 Band Group 3 Band Group 4

Band#14

Band Group 5

10298MHz

Mandatory Optional Optional Optional OptionalMandatory Optional Optional Optional Optional

Link Margin Ref. (0 dB). -02.7 dB -04.9 dB -06.5 dBLink Margin Ref. (0 dB). -02.7 dB -04.9 dB -06.5 dB

… …

128tones

… …

128tones

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3

2

1

Channel Number

2

3

2

3

2

3

3

2

3

2

1

1

3

2

2

3

1

1

3

2

1

1

1

1

Band Group 1

Length 6 TFC

4

3

2

1

Channel Number

2

3

2

3

2

3

3

2

3

2

1

1

3

2

2

3

1

1

3

2

1

1

1

1

Band Group 1

Length 6 TFC

MBOA PHY Specification 1.0•Band Switching

•Within Band Set #1• 3.168 – 4.752 GHz

•Bands 1, 2 and 3• Each occupy 528 MHz

•Band Subcarriers• 128 tone OFDM• Tone width: 4.125 MHz• Tone modulation: QPSK

MBOA PHY Specification 1.0•Band Switching

•Within Band Set #1• 3.168 – 4.752 GHz

•Bands 1, 2 and 3• Each occupy 528 MHz

•Band Subcarriers• 128 tone OFDM• Tone width: 4.125 MHz• Tone modulation: QPSK

Global Solution: Flexible band plan and use of OFDM subcarriers allows for “spectrum shaping” which can be used to meet worldwide regulatory requirements

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3

2

1

Channel Number

2

3

2

3

2

3

3

2

3

2

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1

3

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2

3

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1

1

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Band Group 1

Length 6 TFC

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Channel Number

2

3

2

3

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3

3

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3

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1

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Band Group 1

Length 6 TFC

MBOA PHY Specification 1.0•Band Switching

•Within Band Set #1• 3.168 – 4.752 GHz

•Bands 1, 2 and 3• Each occupy 528 MHz

•Band Subcarriers• 128 tone OFDM• Tone width: 4.125 MHz• Tone modulation: QPSK

MBOA PHY Specification 1.0•Band Switching

•Within Band Set #1• 3.168 – 4.752 GHz

•Bands 1, 2 and 3• Each occupy 528 MHz

•Band Subcarriers• 128 tone OFDM• Tone width: 4.125 MHz• Tone modulation: QPSK

Global Solution: Flexible band plan and use of OFDM subcarriers allows for “spectrum shaping” which can be used to meet worldwide regulatory requirements

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802.15.3 UWB Portée et Débits

UWB type Portée Bande Passante

MHz

DébitMb/s

MB-UWB 10 528 200

MB-UWB 3 528 480

DS-UWB 13 1750/3500 220

DS-UWB 7 “ 500

DS-UWB 2 “ 1320

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UWB Distinctions 1

Basic DS-UWB has simpler hardware approximately half the gate count

reduces total power consumption IF the circuits are clocked at the same rate.

Both designs scale up data rate at close range. MB-UWB scales up with more complex modulation (e.g. QAM)

on each carrier.

DS-UWB scales up with fewer chips/bit.

Simultaneously Operating Piconet (SOP) differences: DS-UWB implements SOP by offset center frequencies.

MB-UWB implements SOP by using less spectrum per piconet and by MAC features.

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Standardisation IEEE

Besoin de 75% des voix pour que le standard soit approuvé.

Aucune solution n’a obtenu ce score

Le groupe TG802.15.3a a été dissous

Les solutions ne seront donc pas standardisées par l’IEEE …

Impossibilité d’accéder aux propositions (si l’on ne fait pas partie du consortium)

Les produits sont tout de même développés

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Groupe UWB

UWB Forum

MultiBand OFDM Alliance

Fusion avec la WiMedia Alliance en 2005

WiMedia Alliance

Wireless USB Promoters

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IEEE 802.15.3 MAC

Réseau auto-organisant

Temps d’association faible (< 1s)

Dynamique : jusqu’à 245 équipements peuvent joindre/quitter un piconet

Economie d’énergie : 3 niveaux

Transfert de données asynchrones (QoS)

+ Données multimédia (TDMA)

Faible overhead : IDs sur un octet

Sécurité : authentification, cryptographie, intégrité

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Topologie d’un piconet

DEV = Device (esclave)

PNC = Pico-Network Controller (maître)

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Formation de piconets

Un DEV qui est capable d’être PNC et qui veut démarrer un piconet cherche un canal libre

S’il y en a un: Il envoie une trame de balise et se déclare PNC

Sinon il essaye de créer un piconet dépendant d’un existant

Ce n’est donc pas forcément le plus “capable” qui devient le PNC ; cela peut être renégocié lors de l’association d’un nouveau DEV. On maintient les allocations en cours

Pour étendre la portée d’un piconet, on peut créer un piconet enfant. Il a un ID spécifique et utilise des slots de son réseau père. Les procédures d’association/sécurité sont identiques

Fin d’un piconet : le PNC peut décider la fin du piconet (Piconet Shutdown) ; un piconet dépendant peut continuer à fonctionner (la dépendance disparaît du Beacon)

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Association à un piconet

piconet voisin Envoi d’une requête d’association (le noeud annonce ses

capacités)

Le PNC lui attribue un identifiant

Broadcast sa présence dans le beacon suivant

Déassociation : envoi d’un message au PNC qui prévient l’ensemble des noeuds ; la référence est gelée un certain temps

Piconet voisin : idem que le piconet fils. Seule différence le PNC du piconet voisin ne fait pas partie du piconet père

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Supertrame

Balise : début de la trame, synchronisation, information de gestion + allocation des slots de la supertrame

Période avec contention pour effectuer les requêtes : En accès aléatoire

CSMA/CA pour 802.15.3 et Aloha discrétisé pour 802.15.3a

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Format des Trames

(802.15.3)

PNID = identifiant du pico-net

Src et Dest ID = identifiant (certains sont réservés pour PNC, Broadcast, Multicast, terminaux non associés, PNC piconets voisins)

Stream Index = pour les flux synchrones attribués par le PNC (dans le beacon)

Fragmentation control = numéro de SDU, numéro de fragment, nombre total de fragments

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Format des Trames

(802.15.3) suite

Version de protocole : figé (pour l’instant)

Type de trame : Beacon, Imm-Ack, Delayed Ack, Command, Data

SEC = trame sécurisée ?

Ack policy = type d’acquittement utilisé Sans ack, ack immédiat, ack différé, demande ack (différé)

More Data = en cas de fragmentation

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Utilisation des CTAs

Rq : proposition non retenue de concaténation

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Remarques

L’alliance WiMedia a critiqué vertement la solution 802.15.3 MAC Absence de solution pour bâtir des solutions maillées Routage Les piconets fils/voisins ne sont pas de bonnes solutions

pour le passage à l’échelle

Proposition NON STANDARDISEE par l’IEEE de la couche MAC … et donc inacessible

L’UWB-Forum est resté conforme au standard IEEE

EST-CE VRAIMENT SI CRITIQUE QUE CELA ? (cf. Bluetooth)

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WiMedia Multi-Protocol Architecture

WiMedia Convergence Platform

WiMedia Network Encapsulation Protocol

WiNET

WiMedia Application

Profiles

Protocol

Adaptation

Layer

Protocol

Adaptation

Layer

W-USB Digital

HomeWireless

1394

29

Common UWB Platform

Diverse technology solutions

sharing a common UWB radio platform

Wireless USB

Promoters

• Lowest cost

PC peripherals

ECMA-0368 Convergence Layer

ECMA-0368 MB-UWB PHY

ECMA-0368 UWB MACWiMedia/

ECMA-0368

Common

UWB

Radio

Platform

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Scénario UWB (source Nokia)

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Remarques

L’alliance WiMedia a critiqué vertement la solution 802.15.3 MAC Absence de solution pour bâtir des solutions maillées Routage Les piconets fils/voisins ne sont pas de bonnes solutions

pour le passage à l’échelle

Proposition NON STANDARDISEE par l’IEEE de la couche MAC … et donc inacessible

L’UWB-Forum est resté conforme au standard IEEE

EST-CE VRAIMENT SI CRITIQUE QUE CELA ? (cf. Bluetooth)

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Evolutions

• 802.15.3c - Millimiter Wave WPAN• Début du travail Mars 2005• Standard prévu 2ème trimestre 2008• (IEEE 802.15.3c-2008)• Bande de 7 GHz non soumise à licence • (57 − 64 GHz, FCC)• Débit Prévu : Data 2/3 Gbit/s• Premier chipset annoncé par IBM• Applications : video/multimedia