Drahtlose Breitband-Netze 802.16 - Nutzung - RWTH Aachen · Lehrstuhl für Informatik 4 Kommunikation und verteilte Systeme Kapitel 3.3: WMAN Seite 9 a, b, c, … IEEE 802.16.1 •

Lehrstuhl für Informatik 4

Kommunikation und verteilte Systeme

Seite 1Kapitel 3.3: WMAN

Drahtlose Breitband-Netze

WLAN: Unterstützung mobiler Endgeräte, aber niedrige Datenraten bei höheren Nutzerzahlen

→ Was tun bei hohen Nutzerzahlen bzw. QoS-Ansprüchen?

Problem der letzten Meile• Versorgung von Haushalten mit (breitbandigem) Internetzugang• Modem, ISDN, xDSL, CATV (Cable TV), PLC (Power Line Communications) -

immer ist eine Verkabelung nötig

→ WirelessMAN (WMAN)• Drahtlose Internetanbindung von Hotspots

• Highspeed-Internetanbindung von mobilen Nutzern• DSL-Ersatz für Wohngebiete und Firmen• Drahtloser Backbone

→ IEEE 802.16 (Broadband Wireless Access, BWA)

→ IEEE 802.20 (Mobile Broadband Wireless Access, MBWA)




802.16 - Nutzung




802.11abgWi-Fi 802.20

WCDMACDMA2000

GPRS2.5G

802.16

Cable/DSL

Modem

802.15Bluetooth

Stationär Local Area Networks Wide Area Networks

Nar

row

band

Bro

adba

nd

Mobilität

Ges

chw

ind

igke

it

Satellite

3G

GSM

Need for Speed

2G




WMAN

WPAN

WLAN

WLAN

WLAN

WMAN

WWAN

WPAN: IEEE 802.15 (WirelessPAN, Bluetooth)WLAN: IEEE 802.11 (WirelessLAN)WMAN: IEEE 802.16 (WirelessMAN)WWAN: IEEE 802.16e (WirelessMAN), IEEE 802.20 (Wireless Mobility)IEEE 802.21: Handover zwischen den Netztypen




802.16: Point-to-Multipoint

• Eine Basisstation versorgt ein festumrissenesGebiet

• Alle Basisstationen sind mit dem Festnetz verknüpft

Core Network




802.16: Mesh-Topologie

• Ausgezeichnete Subscriber dienen als Relaisstation (Repeater)• Ein vermaschtes Netz wird aufgebaut

• Gute Anpassung an Topologie und Bandbreitenbedarf




Komplexes Netz

Quelle: Nokia Networks




IEEE 802.16

Arbeitsgruppe „Broadband Wireless Access“• Juli 1999 gegründet

• Standard Dezember 2002 verabschiedet• Standardisiert als WirelessMAN (bzw. Europa: ETSI HIPERMAN)

Spezifikation von PHY- und MAC-Schicht bei 10 - 66 GHz

• Sichtverbindung notwendig - geringe bis keine Mobilität• Nutzung lizenzfreier und lizenzpflichtiger Frequenzbänder

• Variable Kanalbreite zur optimalen Ausnutzung des Frequenzspektrums• Optimiert für paketorientierte Datenübertragung• QoS-Unterstützung

• Variable Datenraten




a, b, c, …

IEEE 802.16.1

• Frequenzbereich: 10 - 66 GHz• Line-of-sight (LOS)• bis zu 134 MBit/s

IEEE 802.16.2• Minimierung der Interferenz koexistierender WMANs

IEEE 802.16a• Frequenzbereich: 2 - 11 GHz

• Non-line-of-sight (NLOS, größere Reichweite, aber geringere Datenrate)• Mesh-Topologie

IEEE 802.16b• Frequenzbereich 5 - 6 GHz („WirelessHUMAN“)IEEE 802.16c

• Detailed System Profiles (Interoperabilität)IEEE 802.16e

• Unterstützung mobiler Stationen




802.16, 802.16a und 802.16e

Erweiterung um Mobilität der Teilnehmer

Schnelle Anbindung von Hotspots, Mesh-Topologie

Anbindung stationärer Teilnehmer in einer Region

Anwendung

1.5 - 5 km7 bis 10 km; 50 km ist Obergrenze

1.5 - 5 km ; 50 km ist Obergrenze

Typischer Zellradius

„PedestrianMobility“

NeinNeinMobilität

QPSK, 16QAM, 64QAM, OFDM

QPSK, 16QAM, 64QAM, OFDM

QPSK, 16QAM, 64QAM

Modulation

Bis zu 15 MBit/sBis zu 75 MBit/s32 - 134 MBit/sDatenrate

NLOSNLOSLOSEmpfangsbereich

5 - 6 GHz2 - 11 GHz10 - 66 GHzFrequenzbereich

802.16e802.16a802.16




802.16 - Physikalische Schicht

Frequenzbereich von 10 – 66 GHz (IEEE 802.16 Basisstandard)

• Als Luftschnittstelle ist derzeit nur WirelessMAN-SC (Single Carrier) definiert:� TDD (Time Division Duplex) oder� FDD (Frequency Division Duplex)

� Auch: Halb-Duplex FDD (kostengünstiger)• TDD- und FDD-Variante realisieren ein hochflexibles Duplexing-Schema: Uplink-

und Downlink-Bandbreiten werden durch adaptive Modulation und Codierung dynamisch zugewiesen, abhängig von Traffic-Anforderungen (DAMA-TDMA)

Frequenzbereich von 2 – 11 GHz (IEEE 802.16a)• Multipath-Signalausbreitung muss beachtet werden

• Derzeit sind drei unterschiedliche Luftschnittstellen definiert• WirelessMAN-SC2• WirelessMAN-OFDM mit 256 Subbändern, Zugriff per TDMA

(Verpflichtend für lizenzfreie Frequenzbänder)• WirelessMAN-OFDMA (OFD Multiple Access) mit 2048 Subbändern; einer

Übertragung wird eine Teilmenge der Subbänder zugewiesen




Physikalische Schicht - TDD

Zeitachse ist aufgeteilt in Frames. Ein Frame besteht aus einem Uplink (UL)-Subframe und einem Downlink (DL)-Subframe:

UL-SubframeDL-Subframe

Prä

ambe

l

DL-Map UL-Map DL-Burst #1 DL-Burst #n…

• Präambel: Synchronisation

• DL-Map: spezifiziert Änderungen in Modulation und/oder FEC-Schema, die während der Rahmenübertragung auftreten

• UL-Map: teilt allen Stationen die Bandbreiten-Allokation für folgende UL-Subframes mit

• DL-Burst: ein oder mehrere MAC-Rahmen für eine bestimmte Station




Physikalische Schicht - TDD

UL-SubframeDL-Subframe

InitialMaintenance

RequestContention

Daten Station #1 Daten Station #n…

Zeitachse ist aufgeteilt in Frames. Ein Frame besteht aus einem Uplink (UL)-Subframe und einem Downlink (DL)-Subframe:

• Initial Maintenance: Erster Zugriff durch Stationen, um die Laufzeit/ Übertragungsleistung zur Basisstation zu ermitteln, Kollisionen können auftreten

• Request Contention: Platzierung von Reservierungswünschen (mit Backoff-Mechanismus), Kollisionen können auftreten

• Die folgenden Daten werden wie in der UL-Map angegeben platziert




802.16 - MAC-Schicht

• Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur� Eine zentrale Basisstationen, mehrere Stationen

• Skalierbarkeit� Eine Basisstation kann mehrere hundert Stationen verwalten

• Verwendung von TDMA für den Medienzugriff

• Unterstützung mehrere Verkehrsarten

� Kontinuierlicher Datenverkehr (Video), Burst-artiger Datenverkehr (WWW)

• Sicherheitsmechanismen

� Schlüsselmanagement, Authentisierung, Verschlüsselung der Nutzdaten

• Bereitstellung mehrerer Dienstgüteklassen

• Dynamische Frequenzwahl

• Übertragungswiederholung (ARQ)




802.16 MAC-Schicht: QoS

• Der MAC-Layer is verbindungsorientiert

• Vier Typen von Dienstklassen werden angeboten (ATM):

� Unsolicited Grant Service (UGS)� Real-time Polling Service (rtPS)

� Non-real-time Polling Service (nrtPS)� Best Effort Service (BE)

• Daten einer Verbindung werden als Service Flow betrachtet

• Ein Service Flow wird durch einen 32-Bit ID (SFID) und einen beschreibenden Namen (in ASCII) definiert




DienstklassenUnsolicited Grant Service• Echtzeit-Übertragung (z.B. Sprache), periodische Übertragung von Paketen fester

Größe

• Die Basisstation reserviert in festen Zeitabständen Kapazität

Real-Time Polling Service

• Echtzeit-Übertragung (z.B. MPEG), periodische Übertragung von Paketen variabler Größe

• Die Basisstation initiiert periodisch Polls, um den Bandbreitenbedarf des Teilnehmers zu decken

Non-Real-Time Polling Service

• Pakete variabler Größe mit schwachen Delay-Anforderungen• Die Basisstation initiiert regelmäßig (aber nicht notwendigerweise periodisch) Polls

• Kann auch Contention-Requests verwenden

Best Effort Service

• Kein Polling• Stationen verwenden Contention-Requests




Scheduling

Um Dienstgüteanforderungen durchsetzen zu können, müssen alle Übertragungen geschedult werden.

Zentralisiertes Scheduling

• Die Basisstation teilt Ressourcen zu• LOS-Systeme: alle Stationen müssen direkt mit der Basisstation verbunden sein

• NLOS-Systeme: auch Mesh-Topologien sind zulässig

Dezentrales Schedling

• Stationen tauschen Scheduling-Informationen mit ihren Nachbarn aus• Jede Station merkt sich die Scheduling-Request der Nachbarn

• Die Basisstation nimmt kein Scheduling mehr vor, sondern teilt nur noch Bandbreite zu

• Variante 1: Koordiniert. Die Basisstation reserviert Ressourcen für den Austausch der Scheduling-Nachrichten (mit 3-Way-Handshake)

• Variante 2: Unkoordiniert. Austausch der Nachrichten mit einem Wettbewerbsmechanismus (mit Backoff) - Risiko von Kollisionen




802.16a-Forum (WiMAX)

Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum (WiMAX)

• Mitglieder: Airspan Networks, Alvarion, Aperto Networks, Ensemble Communication, Fujitsu of America, Intel, Nokia, Proxim, Wi-LAN

• Zweck: globale Kompatibilität zwischen 802.16a-Produkten durch Definition von Profilen

802.16(Dez. 2001)

802.16a(Jan. 2003)

802.16e(2005?)

802.16c(2002)

• 10 - 66 GHz

• LOS• Punkt-zu-Punkt

• 2 - 11 GHz• NLOS

• Punkt-zu-Mehrpunkt

• 2 - 6 GHz• Mobilität bis hin zu

Fahrzeug-Geschwindigkeiten

• Roaming

WiMAX System Profiles

• Fixed Outdoor & Limited Indoor System Profile• Enhanced Fixed Indoor System Profile

• Mobile Client System Profile




802.16 vs. 802.11

• Kosten werden bei 802.16 eher akzeptiert - Alternative zu xDSL

• Lizenzfreie und lizenzpflichtige Bänder

• Lizenzfreie Bänder

Kosten

• Reservierung von Kapazitäten erlaubt eine Untescheidung von Dienstklassen

• Differentiated Services• Erst durch 802.11e

QoS

• OFDM mit höherer Modulationsrate, Netto-Datenrate ist auch höher (DAMA)

• Bis zu 134 MBit/s, abhängig von verwendeter Bandbreite

• Bis zu 54 MBit/sDatenrate

• 802.16 hat keine Probleme mit Zell-Überlappung, Verwendung von DAMA statt CSMA/CA, Möglichkeit adaptiver Modulation

• Bandbreite zwischen 1.5 und 28 MHz erlaubt eine Anpassung an einzelne Nutzer

• Bandbreite von 20 MHz ist starr

Skalierbarkeit

• Outdoor, Unterstützung von Mesh-Topologien

• IndoorZielgebiet

• 802.16 kann bis zu 10 Mal so gut mit Multipath-Ausbreitung umgehen -Signalerkennung ist auch in größerer Entfernung noch gut möglich

• Typische Zellgröße: 7 - 10 km

• Bis zu 50 km• Keine „Hidden Stations“

• 30 - 100 MeterReichweite

Erläuterung802.16802.11




IEEE 802.20

„Mobile Broadband Wireless Access“ (MBWA)• Seit Dezember 2002 eigenständige IEEE-Arbeitsgruppe 802.20• Zuvor ECSG (Executive Committee Study Group) in 802.16• Standard soll im Dezember 2004 verfügbar sein

Spezifikation der PHY- und MAC-Schicht einer neuen Luftschnittstelle• Datenübertragung, optimiert für IP-basierte Dienste, z.B.

� Firmen-Intranet, VLAN Services� Spiele und Entertainment

� Internet und Location-based Services• Unterstützung unterschiedlicher Dienstklassen (auch Echtzeit)

• Datenraten wie bei ADSL/Kabelmodem: Downlink > 1 MBit/s, Uplink > 300 KBit/s• Mobilität unterstützt bis zu Fahrzeuggeschwindigkeiten von 250 km/h

• Weltweites Roaming durch Mobile IP

Integration in 3G-Netze (UMTS)

Vision: 2009 sollen 30 Millionen Teilnehmer 802.20 nutzen




802.20 (Wireless Mobility)

• 802.20 ist ein direkter Konkurrent für 3G-Wireless-Zellulartechnologien/UMTS. Die Frage ist dabei: CDMA oder OFDM?

• 802.20 ist spezifiziert für 500 MHz bis 3.5GHz – Bereich für “volle Mobilität”

• Paket-basiert, drahtloses IP-Netzwerk• 802.20- Schnittstelle:

� Echtzeitdatenübertragung

� Drahtlose Stadtvernetzung� Konkurrierend zu 802.16-, DSL- und Cable-Links (mehr als 1MBit/s)

� Auf Zellgrößen bis 15 km basierend� Mobile Nutzung mit Geschwindigkeiten bis 250 km/h

� Einsatz in Hochgeschwindigkeitszügen• Projekte 802.16e vs. 802.20: 802.16e ergänzt Mobilität für zunächst feste

Stationen, welche im Bereich von 2 - 6 GHz mit Zugangstechniken versorgt werden und erreicht Geschwindigkeiten ca. 120 bis 150 km/h

• Zukünftig: Kombination von 802.11, 802.16, 802.20 für das mobile Internet




802.20 vs. 802.16

802.16

• Ursprünglich für feste Stationen, Frequenzen: 10-66 GHz, Bandbreite pro Kanal: 20-28 MHz

• Erweiterung 802.16a: 2-11 GHz, Bandbreite pro Kanal ~ 6 MHz

• Mobilität kommt erst mit 802.16e, basiert auf PHY/MAC von 802.16a, für langsamere Geschwindigkeiten, regionales Roaming

802.20

• Konzipiert für mobile Stationen, Frequenzband unter 3,5 GHz, Bandbreite pro Kanal bei FDD: je 1.25 MHz up/down, bei TDD: 5 MHz (pro Zelle)

• Neue PHY- und MAC-Schicht, nahtlose Handover zwischen Zellen und Sektoren für mehrere Mobilitätsklassen bis zu 250 km/h, weltweites Roaming




802.20 und 3G (UMTS)

3G

• Relativ niedrige Spektraleffizienz und relativ wenig Nutzer/Zelle bei heutiger CDMA-Technologie

• Heute noch Leitungsvermittlung im Access- und Core-Network, Luftschnittstellen optimiert für konstante Raten (Sprache), unökonomisch für Datendienste

• Übertragung ungeeignet für TCP aufgrund relativ hoher Fehlerrate und langsamer Fehlerbehebung

• Relativ hohe Kosten durch komplexe 3G-Infrastruktur

• Datenraten von 144 KBit/s bei 100 km/h

802.20

• Höhere Spektraleffizienz und deutlich mehr Nutzer/Zelle möglich dank OFDM-Technologie

• Nur Paketvermittlung (IP), auch für Sprachdienste (Voice over IP), Luftschnittstelle erlaubt effiziente Nutzung der Bandbreite auch bei stark variierenden Datenraten

• Übertragung geeignet für TCP durch Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) und schnelle Wiederholung (ARQ)

• Relativ geringe Kosten durch flache IP-basierte Architektur

• Datenraten von 1 MBit/s bei 250 km/h




Mögliche Techniken für Hotspots

20% der Kosten für eine UMTS-Zelle

N.N.

Ca. 13% der Kosten für eine UMTS-Zelle

Kosten

2005Bis 250 km/h(Schnellzüge)

Bis 15 kmAb 1 MBit/s

802.20

USA - 2004EU 2005

120 - 150 km/h (Autos, Züge)

Bis 50 kmBis 134 MBit/s

802.16(a, e)

Schritt-geschwindigkeit

100 m1 - 54 MBit/s

802.11

(a, b, g)

Einsatz…MobilitätReichweiteBitrateStandard




Hotspots heute

Ethernet, SDH, …

PSTN, ISDN, DSL

Hotspot802.11

GSM/GPRS/UMTS

• Einzelne 802.11-Hotspots

• Keine Interoperabilitätzwischen Mobilfunk und Wireless

• Kein Handoverzwischen Netzen




Hotspots morgen

Ethernet, SDH, …

PSTN, ISDN, DSL

GSM/GPRS/UMTS

• Zusammenschluss von 802.11, 802.16 und 802.20 Hotspots

• Interoperabilität, kombinierte Endgeräte

• Handover zwischen Netzen

Hotspot802.16

UMTS-Microzelle+ 802.20

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