Modelle und Algorithmen zur Konzipierung und Entwicklung von Projektierungstools für WLAN/WiMAX - Funknetze

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1 Modelle und Algorithmen zur Konzipierung und Entwicklung von Projektierungstools für WLAN/WiMAX Funknetze Mark Hoja TU Dresden, Fakultät Informatik, Lehrstuhl für Rechnernetze Betreuer: Dr. Andriy Luntovskyy/Dr. rer. nat. Dietbert Gütter Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr. A. Schill

2 Gliederung Einleitung Existierende Standards Verfügbare Softwarelösungen Ausbreitungsmodelle Verteilung von Acces Points/Base Stations RadioNDML Prototyp Ausblicke

3 Einleitung Problem: Planung von Drahtlosen Netzwerken, basierend auf den Standards WLAN(IEEE ) und WiMAX(IEEE ) Unzureichende Unterstützung durch bestehende Programme

4 WLAN/IEEE a b g n (geplant 2006) Frequenzen 5 Ghz 2,4 Ghz 2,4 Ghz geplant 5 Ghz Kanäle 19 Kanäle überlappungsfrei In Deutschland nach h Max. 14 Kanäle davon 3 überlappungsfrei Max. 14 Kanäle davon 3 überlappungsfrei k.a. Übertragungsraten 54 Mbit/s 11 Mbit/s 54 Mbit/s bis zu 540 Mbit/s Kompatibilität keine g b mit Overhead k.a. Reichweite 15m 20m innen 20m 40m außen 25m 50m innen 30m 100m außen 15m 20m innen 20m 40m außen k.a. Bemerkung Frequenzband nicht so ausgelastet, hohe Datenrate, geringe Akzeptanz Frequenzband wird von anderen Systemen genutzt, geringe Datenrate, hohe Akzeptanz Frequenzband wird von anderen Systemen genutzt, hohe Datenrate, hohe Akzeptanz Standardisierung erst 2006, momentan umstritten

5 WiMax/IEEE a/ e2005 Standardisiert Dezember 2001 Januar 2003 Dezember 2005 Frequenzen 1066 Ghz 211 Ghz 26 Ghz Bandbreite Mbit/s 75 Mbit/s 15 Mbit/s Kanalbreite 20, 25 and 28 МHz veränderlich 1,5 20 MHz veränderlich 1,5 20 MHz Reichweite 2 5 km 710 km max. 50 Km 25 km Bandbreite Mbit/s 75 Mbit/s 15 Mbit/s Kanalbedingungen LoS NLoS NLoS Modulation QPSK, 16QAM, 64QAM OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64QAM OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64QAM

6 Existierende Tools Ekahau Site Airespace Airmagnet RadioPlan Survey Control System Surveyor Survey Standard WLAN WLAN WLAN UMTS Dateneingabeformate Bildformate Bildformate Bildformate Bild, und CADFormate Datenausgabeformate Bild, XML, HTML Bild, Berichte Bild, Doc, PDF, XML, HTML, Bild, CAD, PDF, Excel, Excel Mathlab, ASCII Messung von Ja Ja Ja Ja Netzen Dimension 2D mit Ebenen 2D 2D mit max.4 3D Ebenen

7 Projektierungstool Generieren eines geeigneten Umgebungsmodells Einlesen von externen Daten, z.b. Kartenmaterial Erstellung von Grundrissen Simulation des Netzwerkes Geeignete Ausbreitungsmodelle für WLAN/WiMAX Positionierung von Access Points manuell/automatisch Ausgabe des Funknetzes in RadioNDML oder geeigneten Version von NDML

8 Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen Einflüsse auf Wellen bei ihrer Ausbreitung Dämpfung Durch Ausbreitung im freien Raum und Eindringen in Objekten Interferenzen Reflexion und Streuung Beugung Einfach und mehrfach

9 Modelle zu Berechnung der Wellenausbreitung Ausbreitungsmodelle Empirische Semiempirisch Strahlenoptische Feldtheoretische One Slope Multi Wall Ray Tracing Liner Attenuation COST WI Ray Launching COST 231 HATA DPPM

10 Link Budget Model zu Berechnung der maximalen Dämpfung Einbeziehung der Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit Beachtung von Antennengewinnen Berechnung der maximalen Entfernung, mittels Freiraumdämpfung P LB = P tx + G tx P rx + G rx + G dv M L FS = 92,5 + 20log d + 20log f d = 10 P LB 92,45 20log 20 f Durch Abänderung, Berechnung der empfangnen Signalstärke P s = P tx + G tx + G rx M P L

11 Ermittlung der Datenrate Datenraten IEEE a IEEE b IEEE g 54 Mbps 70 db 70 db 48 Mbps 71 db 71 db 36 Mbps 76 db 75 db 24 Mbps 79 db 79 db 18 Mbps 82 db 82 db 12 Mbps 85 db 84 db 11 Mbps 86 db 9 Mbps 86 db 86 db 6 Mbps 87 db 87 db 5,5 Mbps 88 db 2 Mbps 91 db 1 Mbps 93 db

12 Algorithmen zur Platzierung von Access Points bzw. Base Stations Viele Parameter beeinflussen die Platzierung von AP/BS Anzahl der Nutzer Benötigte Bandbreite Erlaubt Stellplätze Fläche die Versorgt werden soll Umgebung Zwei Ansätze möglich AddHeuristik DropHeuristik

13 Algorithmen zur Platzierung von Access Points bzw. Base Stations Multifarben Tintenfleck Algorithmus Verteilung der AP so, das überall eine bestimmte Datenrate für jeden Nutzer vorhanden ist Ermittlung der Datenrate kritisch

14 Algorithmen zur Platzierung von Access Points bzw. Base Stations Site Finder Verteilung der AP/BS so, das überall eine festgelegte Sendeleistung vorhanden ist Site Finder Algorithmus wurde erweitert Definition von User Areas Verteilung der AP/BS nach der Anzahl der Nutzer und der minimalen Datenrate

15 RadioNDML Erweiterung von NDML um spezifische Daten für drahtlose Netzwerke Erweiterung der Produktdaten benutzbare Frequenzen Übertragungsraten Sende/Empfängerleistung Zusätzliche Daten für die Ausbreitungsmodelle Aufnahme der Umgebungsdaten Speicherung von Dämpfungsdaten für verschiedene Frequenzen Vorschläge bauen auf NDML 3.0 auf

16 Definition eines Viewpoints Wireless <wireless > <devices> </devices> <environment> </environment> <userareas> </userareas> </wireless> <device id="ap1"> <position> <point x="170.0" y="382.5" z= 0.0 /> </position> <antenna>antenna1<antenna> <productid>deviceproduct2</productid> <reacharea> <point x="100.0" y="350.5" /> </reacharea> </device> <objects> <hall id="hall1"> <point x="9.875" y="16.875" /> <point x="62.625" y="16.75" /> <point x="63.125" y="59.0" /> <point x="10.0" y="58.75" /> </hall> <wall id="wall4" thickness="0.3"> <materialid>material1</materialid> <point x="10.5" y="17.25" /> <point x="10.625" y="57.5" /> </wall> </objects>

17 Definition eines Viewpoints Wireless <wireless > <devices> </devices> <environment> </environment> <userareas> </userareas> </wireless> <userarea id="user Area1" minimumdatarate="1.0" numberofusers="15"> <deviceid>ap1</deviceid> <area> <point x="11.5" y="15.0" /> <point x="38.0" y="9.5" /> <point x="67.875" y="22.875" /> <point x="67.0" y="61.5" /> <point x="47.5" y="70.5" /> <point x="6.625" y="71.75" /> <point x="2.5" y="34.375" /> </area> </userarea>

18 Der Prototyp Vorführung

19 Ausblicke Integration in das CandyFramework Plugin für die Eclipse RCPPlatform Eventuell Berechnungen als Webservice anbieten Entwicklung von RadioNDML Überarbeitung des Standards Externe Beschreibung der Gebäude z.b. ifcxml Verwendung genauere Modelle Für bessere Ergebnisse genauere Modelle bzw. Optimierung bestehender Modelle Verbesserung der Verteilungsalgorithmen Bessere Beachtung der Umgebung