Bekjennelser fra en Wimax-troende som er blitt radioagnostiker

Transkript

1 Bekjennelser fra en Wimax-troende som er blitt radioagnostiker Mobilt bredbånd Gardermoen 10 Mars 09 Per Thorvaldsen Nettplanlegger

2 Møte med menigheten Hva er det folk vil ha? Internett med alt dets innhold overalt hele tiden helst gratis Utfordringer Dekning Kapasitet & QoS Tungt innhold Kostnader ved utbygging Bråtet e-kafe Gratis internett påfyll

3 Møte med menigheten Det trådløse økosystemet Terminalen Brukervennlighet, brukervennlighet, brukervennlighet... Dingsprodusenten dikterer det trådløse regimet (WiFi, Edge, 3G, WiMax,... Whatever) Sendere Overalt (posisjon, kapasitet) Ute Inne WiFi, 3G, WiMax WiFi, Femtoceller

4 Bruker? Bit/s/bruker Bruker Hver enkelt bruker tilbys en bitstrøm som er begrenset av MIN(basens tilgjengelige kapasitet, teknologi og mediets overføringsevne) Bruker Base Bruker Da mobilt bredbånd er en en-til-mange kommunikasjon er delt aksess et naturlig valg Bruker Sektorisering FDMA frekvensdelt multippel aksess TDMA tidsdelt multippel aksess CDMA kodedelt multippel aksess Bruker Bruker

5 Bruker Opp og ned Bruker Trafikken mellom basestasjon og brukere kan realiseres enten med FDD (Frekvensdelt duplex) TDD (Tidsdelt duplex) Med FDD bruker basestasjon en annen senderfrekvens enn brukerene, mens for TDD brukes samme frekvens Fordeler med TDD er mulighet for asymmetrisk trafikk mens ulempene er rask av og påslåing av sendere samt tidsspille mellom send og motta Bruker Base Bruker Bruker Bruker Bruker

6 Medietilpasning Det er ikke mulig å sende 0 og 1-ere over luften Bitstrømmen moduleres med et analogt signal hvor en har følgende frihetsgrader Rom Amplitude, vinkel, tid og rom Amplitude # romlige veier romlig ukorrelasjon Alene i sektoren Kapasitet bit / symbol S ( ) Symbolvarighet Symbol Base s2 Vinkel Bruker s1 = t1 t2=t1+τ t3=t2+τ Tid

7 Før synden kom inn i verden Ubegrenset båndbredde τ->0 Ingen støy S/N-> S C Blog 2 (1 ) bit / N sek Selv med begrenset båndbredde er det mulig å få til uendelig kapasitet

8 Sjakkmatt Det som plager oss aller mest # Symboler 2 N bits Dobling av antall symboler gir kun et ekstra bit 64 QAM N=6 Kortere avstand; mer utsatt for støy 16 QAM N=4 Praktiske radioer stopper ved N mellom 6 og 8

9 Masse inn og masse ut - MiMo Gir økt kapasitet ved flerveistransmisjon Spektral Multipleksing SM gjør det mulig å ha flere kanaler med samme frekvens men ulikt innhold dersom mottakervinklene er forskjellige med et par grader Space Time Coding STC gir diversitet ved lav S/N Øker kost og kompleksitet

10 Hva kan vi håpe på i en ideell verden? Østfold Båndbredder: 20 MHz per sektor 64 QAM modulasjon som gir 6 bit/hz MiMo gevinster i størrelsesorden 4 bit/hz Overføringskapasitet (rå) 200 Mbit/s per sektor Og med statistisk multipleksing skulle det bli nok til alle Valsefjord

11 Fremad i alle retninger Raskt fluktuerende kanal Doppler effekt TDD systemer mer sårbare Tunneleffekten Modulasjonsrate går ned, effekten av Mimo svekkes og resultater er lavere kapasitet

12 OFDM og OFDMa Tiltak som beskytter mot flerveisfading og intersymbolinterferens Nødvendig ved brede kanaler OFDMa Mer energi - mindre kapasitet tid frekvens OFDM kanalbredde Mindre båndbredde lavere datarate; mindre intersymbolinterferens Sendt signal Mottatt signal

13 CDMA Ortogonal kode skiller mellom brukere på en base Spred spektrum teknikk som muliggjør bredde kanaler i en verden med flerveisfading Gir også beskyttelse mot interferens Spredning gjøres med enten ortogonale koder, pseudostøy eller en kombinasjon Pseudostøy skiller mellom baser Enten ortogonal kode eller pseudostøy Rate R Rate W Chips Chipping rate R/W (spredefaktor/prosessgain)

14 [db] Møte med de fysiske lover Utendørsdekning - Frittromstap Jo flere bit/symbol jo mer sårbar for støy -> kortere rekkevidde Jo lavere bærefrekvens jo lavere strekningstap Dobling av avstand gir 6 db mer tap (3/4 av energien forsvinner) log(d f ) db 2 bit 8 bit GHz 1.8 GHz 20 db; 4 QAM rekker mer enn 8 ganger lenger enn 256 QAM MHz [km] Gi oss digitalt dividende ( MHz) og vi skal rokke jorden

15 Utendørsdekning - Hata Det mobile miljøet er vanskelig å modellere og en bruker derfor empiriske modeller. Hata er en empirisk modell for å finne medianverdien av strekningstap for ulike geografiske områder så som byer, forsteder og landsbygd Tap i urbane områder: MHz m km 900 MHz L p ( db) log( f0) ( logh 13.82logh b a( h mu ) b )logd Korreksjonsfaktor for store og små byer m

16 Utendørsdekning - Linkbudsjett Uteffekt (Base) + Antennegain - Strekningstap + Antennegain = Inngangsnivå Med mulig shaping - Terskel Ved et gitt interferensnivå = Fading margin

17 Trådløs utfordring 90% av all kommunikasjon foregår innedørs

18 Femtocelle er løsningen 3G, 4G, WiFi og WiMax? RadioFrame Hver mann sin basestasjon By 2011 there are forecast to be 102 million femtocell users Rupert Baines, picochip

19 Mating Transmisjonsradioer med høy kapasitet Skalerbar E1 og Ethernet Landsdekkende lave frekvenser Mange 56 MHz kanaler 310 Mbit/s per kanal Små antenner Høy uteffekt Nera Networks Evolution

20 Transmisjonskapasitet 200% 100% 300% 350% 400% Økende QoS 256QAM 128QAM 64 QAM 16 QAM 4 QAM 16 QAM 64 QAM 128QAM 256QAM 0dB 4dB 99.9% Fading margin økning 8dB 15dB Kumulativ fading Tilgjengelighet 20dB %

21 Grønn evolusjon Nera Networks Evolution Redusert energibehov Samlokasjon av stasjoner Høyere spektraleffektivitet (bit/hz/s) Flere stasjoner og femtoceller mindre stråling Blyet er borte 15% mindre strømforbruk Eltek likeretter 96.5% effektivitet

22 Ulike teknologier WiFi Thomas Jelle i fri dressur Har satt standarden for mobilt (nomadisk) bredbånd når det gjelder kapasitet Bruker ulisensiert bånd Innebygd i PCer og håndsett I samsvar med internetts gratiskultur b bruker QPSK og spred spektrum med kapasitet opptil 11 Mbit/s g anvender i tillegg OFDM for å nå datarater på 54 Mbit/s n har MiMo for å øke kapasiteten til over 200 Mbit/s Trådløse Trondheim Inneruter med MiMo

23 Ulike teknologier WiMax Fixed 2005 Nomadic 2007 Metrozone Portable/ Mobile Opprinnelig tenkt som høykapasitets trådløst datanett (>10 GHz, MHz) Fast WiMax startet i 3.5 GHz med 3.5 MHz båndbredde (10 Mbit/s i en sektor) WiMax anvender OFDM teknologi WiMax har senere utviklet seg til en mobilteknologi med muligheter for roaming (2.6 GHz, 10 MHz, TDD & OFDM) WiMax har potensiale for 96 Mbit/s i en 20 MHz luke Fixed Outdoor Backhaul Wi-Fi Hotspot km/h Hard handover Enterprise Campus Piconet Fixed Indoor Mobile km/h Soft handover Wimax en teknologisk kameleon

24 Ulike teknologier Veien til 3G 2G GSM er basert på FDD og FDMA (Opp MHz, Ned MHz, KHz kanaler) I tillegg er hver kanal delt opp i 8 tidsluker (TDMA) GSM har også sakte frekvenshopping Data sendes sammen med tale i egne tidsluker Maks hastighet 38.4 kbp/s. Modulasjon GMSK (Gaussian Minimums Shift Keying) Datatyper SMS og WAP. WAP lite brukt pga lav hastighet og kronglete oppsett (og skamløst dyrt) En typisk 2G telefon

25 Ulike teknologier Veien til 3G 2.5G GPRS (General Packet Radio Service) er pakkebasert og bruker ledige tidsslotter i GSM Modulasjonstype er GMSK Makshastigheten til GPRS på 171,2 kbps. Dette er imidlertid en teoretisk øvre hastighet, den praktiske begrensingen er på ca 40 kbps på grunn av begrensing i mobiltelefonene GPRS er pakkebasert

26 Ulike teknologier Veien til 3G 2.75G EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) bruker 8 PSK istedenfor GMSK for å øke hastigheten på datatrafikken EDGE gir teoretisk hastighet opp til 236 kbit/s 8 PSK med greykoding 9 av 10 Iphone brukere foretrekker WiFi

27 Ulike teknologier 3G 3G UMTS, W-CDMA, IMT Kjært barn har mange navn GSM teknologien er forlatt. Basert på CDMA teknologi I tillegg til at hver bruker har egen ortogonal kode brukes ortogonale koder også til å øke hastighet for den enkelte bruker ved å parallellkjøre bitstrømmer med ulike ortogonale koder (såkalt Multicode CDMA) 5 MHz båndbredde. Variabel datarate og dermed også variabelt prosessgain. Modulasjonsmetode QPSK FDD i 2 GHz båndet Talekvalitet som fast-telefoni 144 kbit/s datarate i høye hastigheter 384 kbit/s datarate for gående Symmetrisk og asymmetrisk datatrafikk Både pakke- og linjesvitsjing Sløser frekvensressurser! ICE startet det mobile bredbåndsracet i Norge med sitt CDMA2000 system

28 Ulike teknologier 3.5G endelig noe som ligner på datakapasitet HSPA (High Speed Packet Access) Opptil 14.2 Mbit/s (nedstrøms) Adaptiv modulasjon QPSK- 16 QAM HARQ. Sammensetting av pakker med feil til feilfrie pakker 2-4 km radius (maks bithastighet) HSPA+ Opptil 42 Mbit/s (nedstrøms) Adaptiv modulasjon QPSK- 64 QAM MiMo 2-4 km radius (maks bithastighet) Vis meg din mobil og jeg skal si deg hvem du er

29 Ulike teknologier LTE (Teknologi i WiMaxs fotefar) CDMA forlatt til fordel for OFDM på grunn av brede kanaler Nedstrøms brukes OFDMa også til multippel aksess med mulighet for ulike rater/modulasjoner i den enkelte kanal. Maks Mbit/s i en 20 MHz kanal Adaptiv modulasjon opptil 64 QAM Opplink SC-OFDM (Single Carrier). Opptil 64 QAM og 86.4 Mbit/s MiMo Kommersiell utrulling fra 2010 En tidlig prototyp

30 Mbit/s Ulike teknologier Sammenligning Obs! Logaritmisk akse Raskt og mobilt (fotgjenger) 1000 Nomadisk, men billig For sakte Ned Opp Ned Opp Ned Opp Ned Opp Ned Opp Ned Opp Ned Opp Ned Opp Ned Opp Ned Opp GSM GPRS Class 10 GSM Edge CDMA R99 CDMA HSPA CDMA HSPA+ LTE WiMax WiFi b WiFi g WiFi n

31 Ulike teknologier Fordeler og ulemper Teknologi + - WiFi 2G til 3 G Utbredt, billig utstyr, kosteffektiv leveranse av megabiter Stor utbredelse, billige håndsett, mobilt Ulisensiert, liten rekkevidde, nomadisk Lav kapasitet, dyre megabiter 3.5G til 4G God kapasitet under rette forhold, mobilt Dekning hovedsaklig i byer, dyre megabiter WiMax God kapasitet, mobilt Lite utbygd, begrenset tilgang på terminaler

32 LTE+WiMax=Sant? 4G ITU IMT-Advanced IMT Advanced 1 Gigabit/s i ro. 100 Mbit/s mobilt LTE Advanced OFDM MiMo Båndbredder over 20 MHz Wimax m OFDM MiMo Båndbredder over 20 MHz Uavhengige romlige kanaler 2 romlige kanaler bit / symbol S ( ) 1 2 (7 (80 10E6)) 1.12E9 128 QAM 80 MHz båndbredde Det forjettede land Giga til folket

33 Konklusjon Fremtiden er mobil og trådløs xdsl og fiber er anakronistiske aksessmetoder Vær radioagnostisk Bygg mobilt bredbånd overalt nå! Glem krisen og nyt IT Per Thorvaldsen O wait, there s some even funnier stuff in chapter II