RADIOAKSESS. Prof. Gunnar Stette. Slide 1

Transkript

1 RADIOAKSESS Prof. Gunnar Stette Slide 1

2 Systemer for trådløs aksess Services and Applications New air interface Returkanal Nedlasting DAB DVB : Wireline IP based core network cellular GSM IMT-2000 UMTS WLAN Hyperlan, IEEE og tilsvarende other entities short range connectivity Bluetooth, IR, UWB Slide 2

3 Hvem er aktørene? IEEE Bluetooth WMMF UWCC MET IPv6 Forum ITU-R ITU-T ETSI GSMA IETF WAP Forum W3C 3GPP2 3GPP JPEG JIMM 3G.IP MWIF MPEG ISC ESI LIF icap MobileIN CODID SyncML Forum UMTS Forum EBU Wireless Village Parlay DVB JCP OMA Liberty Alliance 3GCF Radio Internet Telecom Mobile Broadcasting m-commerce Web Media Slide 3

4 Suksessfaktorer Teknologi Komplisert men kompakt utstyr, med lavt strømforbruk, effektiv utnyttelse av frekvensressurser Økonomi Billig i anskaffelse og drift, masseproduksjon, konkurranse Standardisering Massemarkedet krever åpne standarder, nasjonale standarder erstattes av regionale, som erstattes av globale. Regulatoriske forhold Bruk av radiobølger krever internasjonal koordinering og samtidig et hensiktsmessig regulatorisk regime, hensiktsmessige frekvensbånd. Slide 4

5 Mobilsystemene GSM: 9,6 kbit/s HSCSD 14,4 28/43 kbit/s High Speed Circuit Switched Data Slide 5 GPRS: EDGE: UMTS: 20/ kbit/s pakketransmisjon kbit/s pakketransmisjon med høyere rater 64 kbit/s 2 Mbit/s utformet for dataoverføring

6 Systemoversikt, aksessnett Slide 6

7 Radiomiljøet Strategier: Øk båndbredden slik at transmisjonsveiene kan skilles, eller Øk symbollengden slik at utjevnernetteverket kan kompensere. 20 db Slide 7

8 DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum DSSS: fasemodulasjon med hurtig kode Data kilde m(t) z(t) m(t) z(t) Symbollengde T Kodegenerator Bærebølge generator Binær modulasjon m(t) = ±1 z(t) = ±1 Kodeklokke Kodeklokkerate 1/ Kode chip -lengde Koderaten høyere enn dataraten Slide 8

9 Egenskaper for støy og interferens Mottatt signal: xt () = 2 C zt () mt () cos2π fct C er bærebølgeeffekten Krav (1), : Multipliserer med spredekoden, z(t+τ) y() t = x() t z( t+ τ ) = 2 C z() t z( t+ τ) m() t cos2π f t zt () zt ( + τ ) τ Synkroniseringsfeil Signalkomponenter som kommer til mottakeren forsinket mer enn vil ikke bli oppfattet som intersymbolinterferens men bli spredt ytterligere og oppfattet som tilfeldig støy. En ekstra korrelatore i mottakeren kan dekode reflekser og dermed forbedre overføringskvaliteten, RAKE-prinsippet Slide 9.

10 Impulsrespons ved flerveistransmisjon RAKE-mottakeren Tre transmisjonsveier Tid (s) Autokorrelasjonsfunksjon, CDMA spredekode Impulsrespons ved flerveistransmisjon - Hver transmisjonsvei blir isolert og dette gir diversitet. Tid (s) Slide 10

11 IEEE (DSSS) 1 µs Bitrate 1 Mbit/s m(t) Chiprate 11 Mc/s z(t) 11 bit Barkerkode 11 bit Barkerkode 11 bit Barkerkode 11 bit Barkerkode MULTIPLISERER BITSEKVENS MED KODESEKVENS m(t) z(t) Båndbredde 22 MHz, bitrate 1 Mbit/s Slide 11

12 CCK, Complimentary Code Keying Barkerkoden erstattes av komplementære koder, CC (Complementary Codes) utviklet av Marcel Golay i Sekvens 1: LIKE ULIKE 4 3 Sekvens 2: Summen av de to autokorrelasjonsfunksjonene er 0 for alle verdier av tidsforskyvning forskjellig fra 0. Komplementære koder basert på binære sekvenser kan utvides til det som kalles polyfasekoder. Hvert element kan anta flere verdier, for eksempel 4, som tilsvarer {1, -1, j, -j} Slide 12

13 Polyfasekode Slide 13

14 802.11b Juli 1998: Utvidelse av datahastigheten til 5,5 og 11 Mbit/s Polyfasekode med 8 chip, men med samme chip-rate og 8 chip per symbol. Det totale antallet mulige symboler er 4 8 = Av disse utgjør 2 8 = 256 et subsett polyfase komplementærkoder. Det tilsvarer 8 bit per symbol. Chipraten er som for : 11 Mc/s Med 8 chip per symbol, symbolrate 11/8 = 1,375 MBaud Med 8 bit per symbol, R = 8 x 1,375 = 11 Mbit/s. Et subsett brukes ved overføring med 5,5 Mbit/s b+ gir 22 Mbit/s vha. Packet Binary Convolutional Code (PBCC) Den er utviklet for g, og gir en kodegevinst på 3 db. Slide 14

15 802.11g Alternativ strategi for høyere hastighet er bruk av CCK-OFDM. Signalformatet utviklet av Texas Instruments og Intersil, ratifisert i Det er kompatibelt med Slide 15

16 Aktuelle frekvensbånd MHz. For DSSS, max. effekttetthet: 20 dbw eirp per MHz. For frekvenshopping max. effekttetthet: 10 dbw eirp per 100 khz. Max. utsendt effekt is 100 mw eirp MHz (Frekvensbånd A) Tillatt for innendørs bruk til WLAN. Maksimalt utstrålt effekt: 120 mw eirp med effektkontroll (TPC) 60 mw eirp uten TPC 200 mw eirp med TPC og dynamisk frekvensvalg MHz (Frekvensbånd B) Tillatt til lokale radionett Maksimalt utstrålt effekt 1 Watt EIRP eirp. Kilde: NPT, Information regarding regulations relating to wireless networks (WLAN) Slide 16

17 OFDM Ortogonal Frekvensdivisjon-Modulasjon N 1 st () = a wt ( kt) e k= n= 0 BPSK, QPSK, 16QAM nk, Symbollengde j2 π f ( t kt) Tid fra - til Frekvensavstand Hensikt: Fordele bitstrømmen på flere bærebølger for å øke symbollengden slik at reflekser kan håndteres av utjevnere. Frekvens, N bærebølger Guard time Effektiv kapasitet Slide 17

18 Over til 5 GHz-båndet:802.11a Signalformat COFDM Antall underbærebølger: Total symbollengde Guardintervall Nyttig symbollengde: Avstand mellom underbærebølger: 3 db båndbredde: Kanalbåndbredde: Underbærebølgene kan moduleres med Koderatene er Det gir følgende datahastigheter 52. Av disse er 4 pilotbærebølger som skal lette koherent mottaking. Antallet Informasjons-bærende underbærebølger er dermed 48 4 µs 0,8 µs 3,2 µs 312,5 khz 16,56 MHz 20 MHz BPSK, QPSK og 16-QAM ½, 2/3 og ¾ 6, 9, 18, 24, 36, 48 og 54 Mbit/s Slide 18

19 Oversikt over systemene Netegriti a & b & g PCMCIA Combo Card WiFi Certified! Up to 108Mbps Slide 19

20 Overføringshastighet vs. avstand Slide 20

21 TRÅDLØSE NETT IEEE (foreslag) IEEE Wireless MAN IEEE Wireless LAN WAN e WirelessMAN MAN LAN 3GPP EDGE ETSI HiperMAN HIPERACCESS ETSI HiperLAN IEEE Bluetooth PAN Personal Area Network ETSI HiperPAN Slide 21

22 IEEE IEEE a Frekvensområde GHz Single Carrier modulasjon Kanalbredder MHz i USA, 28 MHz i Europa Datarater opp til 134 Mbit/s i Europa TDD (tidsdelt dupleks) eller FDD (frekvensdelt dupleks) Slide 22

23 Eksempel på anvendelser 1. Overføring til området 2. Tilkobling til faste linjer 3. Mating av DSLsystemer 4. Dekning av utviklingsland 5. Mating av trådløse nett IEEE Kilde: INTEL Slide 23

24 Eksempel på anvendelse, IEEE og IEEE overføring ved fri sikt IEEE a distribusjon i nærområdet IEEE tilkobling av individuelle brukere Kilde: INTEL Slide 24

25 Oversikt over IEEE familien IEEE (2001) IEEE a (januar 2003) Trådløst MAN (Metropolitan Area Network) i frekvensområdet 10 til 66 GHz, LOS, P-t-p Dekker frekvensområdet 2 til 10 GHz, flere modulasjonsmetoder, QoS IEEE a-2004 (juni 2004) IEEE c (fullført) IEEE d (januar 2003) Utvidelse til bruk av innendørs utstyr, modulasjonsmetode 256 ODFDM Profiler, testsuiter etc., (11-66GHz). Systemprofiler for a (2-11GHz). IEEE e (medio 2005) Omfatter også datamobilitet, godkjennelse ventet mid 2005 Slide 25

26 Fra IEEE til IEEE Rekkevidde Optimalisert for brukere innen 100 m radius Større rekkevidde mulig med antenner Optimalisert for celler på 7 10 km, rekkevidde opp til 50 km Tolerere større flerveisforsinkelser Dekning Optimalisert for innendørs bruk Optimalisert for utendørs bruk (naturlige hindringer) Dynamisk adaptiv modulasjon Støtte for avanserte antenner Skalerbarhet Fast båndbredde 20 MHz Kanalbåndbredder fra 1,5 til 20 MHz Datahastighet 2,7 bit/s/hz Datahastighet opp til 54 Mbit/s i 20 MHz 3,8 bit/s/hz opp til 75 Mbit/s 5 bit/s/hz > 100 Mbit/s Quality of Service Ingen QoS i dag > arb. med e QoS for tale/video, differensierte tjenester : radom access : tildeling Slide 26

27 Fra IEEE til IEEE e a/Rev.d e Frekvensbånd GHz < 11 GHz < 6 GHz Dekning Fri sikt (LoS) Krever ikke fri sikt Krever ikke fri sikt Datahastighet Mbit/s ved 28 MHz kanalbredde Opp til 75 Mbit/s ved 20 MHz kanalbredde Opp til 15 Mbit/s ved 5 MHz kanalbredde Modulasjon QPSK, 16 QAM, 64 QAM OFDM 256 underbærebølger med QPSK, 16 QAM, 64 QAM Som a Mobilitet fast fast Gangfart Kanalbåndbredde 20, 25 og 28 MHz Skalerbar, mellom 1,25 og 20 MHz Som a Typisk celleradius 2 5 km 5 8 km, maksimum rekkevidde 50 km 1,5 til 5 km Slide 27

28 IEEE standard Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems alias IEEE Wireless MAN (Metropolitan Area Network), aksesstjenester sammenlignbar med kabel og ADSL. Frekvensområde 10 til 66 GHz Enkel bærebølge med 64 QAM, 16 QAM og QPSK Dynamisk adaptiv modulasjon Feilkorrigerende koding, R-S og foldingskode Tidsdelt og frekvensdelt dupleks. TDD og FDD Høy spektral effektivitet, 3.8 bit/hz Fleksible kanalbåndbredder, 20 MHz, 2 x 10 MHz sektorer, 4 x 5 MHz sektorer Publisert april 2002 Slide 28

29 IEEE a, avledet av Godkjent av IEEE i januar 2003 Dekker frekvensbåndet 2 til 11 GHz Tre modulasjonsmetoder enkel bærebølge 256 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Orthogonal Frequency Division Multiple Access Delte datarater opp til 100 Mbit/s innen 20 MHz bånd Definerer et MAC lag som kan håndtere flere modulasjonsmetoder. MAC-laget støtter frekvensdelt dupleks (FDD), tidsdelt duplex (TDD) og sanntids adaptiv modulasjon Anvendelse tale over IP krever definert QoS, Quality of Service Samtidig flere QoS-klasser i samme område, styrt av MAC (Medium Access Controller) Autentisering og datakryptering Slide 29

30 WiMax (802.16a) profiler, fysisk lag Fleksibel modulasjon, koding, ramme- og tidslukestruktur sikrer anvendelighet til mange tjenester Foldingskode og Reed-Solomonkode QPSK ½ rate QPSK ¾ rate 16 QAM ½ rate 64 QAM 2/3 rate 64 QAM ¾ rate WiMax OFDM: FFT koder, størrelse 256 Guard band ( ) = 55 Pilot 8 Antall brukte frekvensluker 192 Guard time fra 25% (1/4) til 3% (1/32) Slide 30

31 Fra IEEE til IEEE e a/Rev.d e (HiperAccess) (HiperMAN) Frekvensbånd GHz < 11 GHz < 6 GHz Dekning Fri sikt (LoS) Krever ikke fri sikt Krever ikke fri sikt Datahastighet Mbit/s ved 28 MHz kanalbredde Opp til 75 Mbit/s ved 20 MHz kanalbredde Opp til 15 Mbit/s ved 5 MHz kanalbredde Modulasjon QPSK, 16 QAM, 64 QAM OFDM 256 underbærebølger med QPSK, 16 QAM, 64 QAM Som a Mobilitet fast fast Gangfart Kanalbåndbredde 20, 25 og 28 MHz Skalerbar, mellom 1,25 og 20 MHz Som a Typisk celleradius 2 5 km 5 8 km, maksimum rekkevidde 50 km 1,5 til 5 km Slide 31

32 OFDM og OFDMA Nedlink: OFDM (typisk 2048 bærebølger) (Multipleks) Opplink fra en enkelt bruker: OFDMA (OFD Multiple Access) - ¼ av antallet bærebølger - ¼ av datakapasiteten -samme rekkevidden - samme spektralspredning Slide 32

33 Multippel aksesstruktur Tildeling av subkanaler på opplink. 1/16 kanal gir en marginøkning på 12 db. Mulig å bruke flere preambles (midambles) for tidsvarierende kanaler. Frekvensdelt dupleks (FDD) har rammer med gitt innbyrdes tidsrelasjon. Rammelengdene kan varieres fra ramme til ramme. Tidsdelt dupleks (TDD). Delingstidspunktet for opp og nedlink kan varieres, asymmetrisk kapasitet. Nedlinkrammene inneholder preamble fulgt av UL_MAP og DL_MAP, som beskriver tidsluketildeling i UL (oplink) og DL (nedlink) DL_MAP inneholder også signaleringspakkene, identifisert ved CID ( er forbindelseorientert) Opplink må ha luker for tilfeldig aksess (contention slots) (QoS) Slide 33

34 SAMMENFATNING, Hva er WiMAX? WiMAX Basert på versjonen av IEEE standard og ETSI HiperMAN OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Faste og nomadiske tjenester Brukerterminaler og PCMCIA for portable datamaskiner Profiler for 3,5 og 5,8 GHz-båndene Første produktene sertifisert i slutten av e WiMAX Optimalisert for mobile kanaler Støtte for hand-over og streifing (roaming) SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplex Access) muliggjør inndeling i subkanaler Profiler ventes for 2,3 og 2,5 GHz-båndene Sertifisering ventet å begynne mid 2006 Slide 34

35 WiMAX Forum WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access etablert i april 2002 av produsenter av utstyr og komponenter for testing og sertifisering for å sikre kompatibilitet av utstyr. Slide 35