RADIOAKSESS Prof. Gunnar Stette G.Stette@iet.ntnu.no Slide 1
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 802.11 og tilsvarende other entities short range connectivity Bluetooth, IR, UWB Slide 2
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
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
Mobilsystemene GSM: 9,6 kbit/s HSCSD 14,4 28/43 kbit/s High Speed Circuit Switched Data Slide 5 GPRS: EDGE: UMTS: 20/30 115 kbit/s pakketransmisjon 115 384 kbit/s pakketransmisjon med høyere rater 64 kbit/s 2 Mbit/s utformet for dataoverføring
Systemoversikt, aksessnett Slide 6
Radiomiljøet Strategier: Øk båndbredden slik at transmisjonsveiene kan skilles, eller Øk symbollengden slik at utjevnernetteverket kan kompensere. 20 db Slide 7
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
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 0 1 0 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.
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
IEEE 802.11(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
CCK, Complimentary Code Keying Barkerkoden erstattes av komplementære koder, CC (Complementary Codes) utviklet av Marcel Golay i 1951. Sekvens 1: -1-1 -1 1 1 1-1 1 LIKE ULIKE 4 3 Sekvens 2: -1-1 -1 1-1 -1 1-1 3 4 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
Polyfasekode Slide 13
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 = 65536. Av disse utgjør 2 8 = 256 et subsett polyfase komplementærkoder. Det tilsvarer 8 bit per symbol. Chipraten er som for 802.11: 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. 802.11b+ gir 22 Mbit/s vha. Packet Binary Convolutional Code (PBCC) Den er utviklet for 802.11g, og gir en kodegevinst på 3 db. Slide 14
802.11g Alternativ strategi for høyere hastighet er bruk av CCK-OFDM. Signalformatet utviklet av Texas Instruments og Intersil, ratifisert i 2003. Det er kompatibelt med 802.11. Slide 15
Aktuelle frekvensbånd 2400 2483.5 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. 5150 5350 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 5470 5725 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
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
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
Oversikt over 802.11-systemene Netegriti 802.11a & 802.11b & 802.11g PCMCIA Combo Card WiFi Certified! Up to 108Mbps Slide 19
Overføringshastighet vs. avstand Slide 20
TRÅDLØSE NETT IEEE 802.20 (foreslag) IEEE 802.16 Wireless MAN IEEE 802.11 Wireless LAN WAN 802.16e WirelessMAN MAN LAN 3GPP EDGE ETSI HiperMAN HIPERACCESS ETSI HiperLAN IEEE 802.15 Bluetooth PAN Personal Area Network ETSI HiperPAN Slide 21
IEEE 802.16 IEEE 802.16a Frekvensområde 10 66 GHz Single Carrier modulasjon Kanalbredder 20 25 MHz i USA, 28 MHz i Europa Datarater opp til 134 Mbit/s i Europa TDD (tidsdelt dupleks) eller FDD (frekvensdelt dupleks) Slide 22
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 802.11 Kilde: INTEL Slide 23
Eksempel på anvendelse, IEEE 802.11 og 802.16 IEEE 802.16 overføring ved fri sikt IEEE 802.16a distribusjon i nærområdet IEEE 802.11 tilkobling av individuelle brukere Kilde: INTEL Slide 24
Oversikt over IEEE 802.16-familien IEEE 802.16 (2001) IEEE 802.16a (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 802.16a-2004 (juni 2004) IEEE 802.16c (fullført) IEEE 802.16d (januar 2003) Utvidelse til bruk av innendørs utstyr, modulasjonsmetode 256 ODFDM Profiler, testsuiter etc.,802.16 (11-66GHz). Systemprofiler for 802.16a (2-11GHz). IEEE 802.16e (medio 2005) Omfatter også datamobilitet, godkjennelse ventet mid 2005 Slide 25
Fra IEEE 802.11 til IEEE 802.16 802.11 802.16 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 802.11e QoS for tale/video, differensierte tjenester 802.11: radom access 802.16: tildeling Slide 26
Fra IEEE 802.16 til IEEE 802.16e 802.16 802.16a/Rev.d 802.16e Frekvensbånd 10 66 GHz < 11 GHz < 6 GHz Dekning Fri sikt (LoS) Krever ikke fri sikt Krever ikke fri sikt Datahastighet 13 134 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 802.16a Mobilitet fast fast Gangfart Kanalbåndbredde 20, 25 og 28 MHz Skalerbar, mellom 1,25 og 20 MHz Som 802.16a Typisk celleradius 2 5 km 5 8 km, maksimum rekkevidde 50 km 1,5 til 5 km Slide 27
IEEE 802.16 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
IEEE 802.16a, avledet av 602.16 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 802.16 MAC (Medium Access Controller) Autentisering og datakryptering Slide 29
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 (27 + 28) = 55 Pilot 8 Antall brukte frekvensluker 192 Guard time fra 25% (1/4) til 3% (1/32) Slide 30
Fra IEEE 802.16 til IEEE 802.16e 802.16 802.16a/Rev.d 802.16e (HiperAccess) (HiperMAN) Frekvensbånd 10 66 GHz < 11 GHz < 6 GHz Dekning Fri sikt (LoS) Krever ikke fri sikt Krever ikke fri sikt Datahastighet 13 134 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 802.16a Mobilitet fast fast Gangfart Kanalbåndbredde 20, 25 og 28 MHz Skalerbar, mellom 1,25 og 20 MHz Som 802.16a Typisk celleradius 2 5 km 5 8 km, maksimum rekkevidde 50 km 1,5 til 5 km Slide 31
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
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 (802.16 er forbindelseorientert) Opplink må ha luker for tilfeldig aksess (contention slots) (QoS) Slide 33
SAMMENFATNING, Hva er WiMAX? 802.16-2004 WiMAX Basert på 802.16 versjonen av IEEE 802.16 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 2005 802.15e 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
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