WiMAX - die Technik für drahtlose Breitband-Internetzugänge

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1 Kommunikationsnetz Franken e.v. WiMAX - die Technik für drahtlose Breitband-Internetzugänge Max Riegel <riegel@max.franken.de> KNF Kongress 04,

2 Motivation WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access" Familie von Funktechnologien für breitbandige Netzzugänge Standardisierung als IEEE IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - IEEE ist Wireless LAN Standardisierung Markteinführung wird unterstützt durch das WiMAX Forum Ziel und Ausrichtung des Forums wie Wi-Fi Alliance für IEEE Intel treibt die Entwicklung Weiterentwicklungen des Standards für portable Anwendungen Markteinführung in Korea in 2006 WiMAX Funkschnittstelle wird Teil von Intel Centrino Verhältnis zu UMTS? Stimulierende Ergänzung für drahtloses DSL WiMAX, , (Max Riegel) Seite 2 Kommunikationsnetz Franken e.v.

3 WiMAX schafft einen neuen Markt Die Gliederung des Telekommunikationsmarktes: Integrated Services Digital Network Digital Subscriber Line fest mobil DECT POTS, ISDN (B-ISDN, ATM) GSM, UMTS (WCDMA, HSDPA) xdsl, Cable WiMAX Wi-Fi Garantierte Übertragung Echtzeitanwendungen (Sprache) definierte Verkehrsklassen Integrierte Dienste -Telefonie, SMS, Mehrwertdienste Detailierte Abrechnung und Rechnungsstellung best-effort, (Priorisierung) Interaktive Dienste Streaming, Downloads Zugang zum Internet -Web, Flat-rate, Nutzungsklassen WiMAX, , (Max Riegel) Seite 3 Kommunikationsnetz Franken e.v.

4 Der WiMAX-Markt ist keine Nische Die Breitband-Scheide: Nur die Hälfte aller Internet- Haushalte wird sich einen Breitbandzugang leisten. Die Gründe: zu kompliziert - speziell für die Generation 55+ zu teuer - speziell für die Gelegenheitsnutzer Die Versorgung der anderen 50% aller Haushalte mit Breitband Internet-Zugang ist ein grosser Markt Typischerweise ist eine drahtlose Technik benutzerfreundlicher und gerade bei Gelegenheitsnutzern ökonomischer. Viele dieser Gelegenheitsnutzer dürften bereit sein bis zu 20 monatlich für ihren Breitbandzugang zu bezahlen. Mio Source: Jupiterresearch, Nov 2003 WiMAX, , (Max Riegel) Seite 4 Kommunikationsnetz Franken e.v.

5 Worldwide Interoperability for Microwave Access WiMAX Forum President: Ron Resnick, Intel Marketing Working Group Service Provider Working Group Regulatory Working Group Technical Working Group Certification Working Group Das WiMAX Forum wurde im Jahr 2003 von 10 Herstellern gegründet. Rasantes Wachstum, heute mehr als 150 Mitglieder Hersteller, Netzbetreiber und Organisationen aus allen Teilen der Welt, z.b. Unternehmen wie Alcatel, British Telecom, Deutsche Telekom, France Telecom, Fujitsu, Intel, Motorola und Siemens. Ziele des Forums Marketing für IEEE Entwicklung von Systemprofilen für den Einsatz von IEEE Zertifizierung der Kompatibilität und Interoperabilität Klärung der regulatorischen Rahmenbedingungen WiMAX, , (Max Riegel) Seite 5 Kommunikationsnetz Franken e.v.

6 WiMAX Einsatzbereiche Fixed Nomadic Portable Mobile Drahtloses DSL Hot Zone kein Handover (wg. Regulierung) Hot Zone session continuity Mobilfunk seamless handover WiMAX Profile#0 WiMAX Profile#1 ( /802.16e) WiMAX Profile#2 ( /802.16e/802.16g) WiMAX, , (Max Riegel) Seite 6 Kommunikationsnetz Franken e.v.

7 Das Standardisierungsprojekt IEEE P802 Internet Protocols Level of Mobility CSMA/CD "Ethernet LAN Bridging & Management Internetworking Logical Link Control Wireless LAN Local Area WLAN Wireless PAN Personal Area WPAN Wireless MAN Metropolitan Area e mobility Handoff Wireless Mobility (MBWA) mobile topics IEEE802 cellular nomadic stationary 2G/3G low IEEE e IEEE IEEE a IEEE high Bandwidth IEEE802 behandelt nur den Physical Layer und den Data Link Layer Ethernet (IEEE802.3) war das erste Ergebnis Erfolgreichste Standardisierungsorganisation der Welt IEEE802 wendet sich zunehmend der Funktechnik zu. WiMAX, , (Max Riegel) Seite 7 Kommunikationsnetz Franken e.v.

8 IEEE Standards und laufende Standardisierung < 11 GHz GHz MAC PHY e Mobility Enhancements (scalability) SOFDMA a SCa OFDM-256 OFDMA TDMA FDD/TDD Single Carrier c System Profiles (802.16REVd) NetMan Conformance Coexistance f: MIB for g: Mgmt. Plane Procedures and Services Conf.-01: PICS ProFo. Conf.-02: Test Suites Conf.-03: Radio Tests Coexistance REVa WiMAX, , (Max Riegel) Seite 8 Kommunikationsnetz Franken e.v.

9 IEEE Referenzmodell MAC PHY CS SAP Service Specific Convergence Sublayer (CS) MAC SAP MAC Common Part Sublayer (MAC CPS) Privacy Sublayer PHY SAP Pysical Layer (PHY) Management Entity Service Specific Convergence Sublayer Management Entity MAC Common Part Sublayer Privacy Sublayer Management Entity PHY Layer Network Management System Basisstandard beschreibt nur Kontroll- und Datenübertragungsfunktionen, aber keine Managementfunktionen. Wird mit.16f und.16g ergänzt. Schichtenmodell erlaubt flexible Ergänzung der Funktionalität Convergence Sublayer unterstützt ATM und Paketübertragung. Es gibt mehrere verschiedene Privacy Sublayer Data/Control Plane Management Plane Die Physical Layer sind beliebig ausbaubar. Mit der.16e werden im MAC Handover-Funktionen ergänzt. WiMAX, , (Max Riegel) Seite 9 Kommunikationsnetz Franken e.v.

10 MAC Layer Übersicht Verbindungsorientiert Verbindungen gekennzeichnet durch 16 Bit Connection Identifier (CID) Unterstützt Point-to-Multipoint (und Mesh-Network) Periodischer Rahmen 3 Managementverbindungen in jede Richtung Basisverbindung für kurze, zeitkritische MAC-Kontrollnachrichten Primäre Managementverbindung für restliche MAC-Kontrollnachrichten Sekundäre Managementverbindungen für DHCP, TFTP, SNMP Eine oder mehrere Datenverbindungen in jede Richtung 4 Verkehrsklassen - Unsolicited Grant Service (UGS) - Realtime Polling Service (rtps) - Non-Realtime Polling Service (nrtps) - Best Effort Service (BE) WiMAX, , (Max Riegel) Seite 10 Kommunikationsnetz Franken e.v.

11 MAC Rahmenstruktur Preamble FCH DL-MAP UL-MAP DCD UCD Initial ranging Bandwidth request Header Payload CRC Header Payload CRC Preamble Header Payload CRC Header Payload CRC Header DL Burst#1 DL Burst#2 DL Burst#3 DL Burst#4 Contention SS#1 SS#2 SS#3 SS#4 DL Frame UL Frame CRC: DCD: DL: FCH: Cyclic Redundancy Check DL Channel Descriptor, Downlink Frame Control Header MAP: SS: UCD: UL: Mapping Subscriber Station UL Channel Descriptor Uplink WiMAX, , (Max Riegel) Seite 11 Kommunikationsnetz Franken e.v.

12 Netzeintritt einer Teilnehmerstation Downlink Channel Synchronization: Suche nach DL-Rahmen und Synchronisation mithilfe der Preamble Initial Ranging: Justierung ihres Sendeteils (Power, Codierparameter, Phasenlage) Capabilities Negotiation: Modulationsverfahren, Codierschemata, Codierraten, Duplexverfahren Authentication: Authentisierung und Verschlüsselungsverfahren einrichten Registration: IP-Version, ARQ-Parameter, Flusskontrolle, Fehlererkennungsverfahren IP Connectivity: Managementverbindungen zwischen Basisstation und Teilnehmerstation Transport Connection Creation: Verbindungen für die Nutzdaten WiMAX, , (Max Riegel) Seite 12 Kommunikationsnetz Franken e.v.

13 PHY Layer Übersicht GHz: Single-Carrier-Verfahren < 11 GHz: Single-Carrier-Verfahren - Entzerrer für Verbindungen ohne direkten Sichtkontakt OFDM-Verfahren mit 256 Trägern (OFDM-256) OFDMA-Verfahren mit 2048 Trägern (OFDMA-2048), Scalable-OFDMA-Verfahren von Intel und Samsung - variable Trägerzahl mit konstanter Trägerbandbreite Flexible Fehlerkorrekturverfahren Anpassung der Codierung an den Signal-Rauschabstand QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation, mit 16 Codierstufen) oder 64-QAM (QAM, 64 Codierstufen) WiMAX, , (Max Riegel) Seite 13 Kommunikationsnetz Franken e.v.

14 SOFDMA Rahmenstruktur OFDMA Symbol Number OFDM überträgt Datenströme parallel auf Tönen Subchannel Logical Number Preamble UL-MAP DL-MAP FCH UL-MAP DL-Burst Broadcast DL-Burst SS1 DL-Burst Multicast DL Subframe DL-Burst SS2 DL-Burst SS3 DL-Burst SS5 DL-Burst SS4 UL-Burst SS1 UL-Burst SS2 UL-Burst SS3 UL-Burst SS4 UL-Burst SS5 RNG/BW-REQ UL Subframe Preamble UL-MAP DL-MAP FCH Power Frequency Lange Symboldauer ist robuster gegen Mehrwegeempfang (Reflektionen) SOFDMA verwendet parallele Ton-Struktur zum Multiplex verschiedener Verbindungen Statistisch verteilte Unterkanalstrukturen reduzieren Störungen durch gleichkanalige Nachbarzellen WiMAX, , (Max Riegel) Seite 14 Kommunikationsnetz Franken e.v.

15 IEEE : One standard fits all Completed Spectrum Channel Conditions Bit Rate GHz Feeding December 2001 Line of Sight Only Mbps in 28MHz channel bandwidth January 2003 < 11 GHz FWA Non Line of Sight Up to 75 Mbps in 20MHz channel bandwidth Cellular June 04/Mobility mid 05 < 6 GHz Non Line of Sight Up to 15 Mbps in 5MHz channel bandwidth Modulation Mobility Channel Bandwidths Typical Cell Radius Single Carrier QPSK, 16QAM, 64QAM Fixed 20, 25 and 28 MHz 2-5 km OFDM 256 sub-carriers QPSK, 16QAM, 64QAM Fixed Scalable 1.5 to 20 MHz 7 to 10 km Max range 50 km 1x Scalable OFDMA QPSK, 16QAM, 64QAM Portable Mobile (up to 120 km/h) Scalable 1,25 to 20 MHz 1-5 km WiMAX, , (Max Riegel) Seite 15 Kommunikationsnetz Franken e.v.

16 WiMAX entwickelt sich Anbindung von Basisstationen Feste Punkt-zu-Punkt Verbindungen Spezialmarkt mit begrenzter Größe Fixed Wireless Access Drahtloser Teilnehmeranschluss Schwachstelle Teilnehmereinheit Nomadischer Zugang (Hotzone) Desktop CPE mit verbessertem Funk Funkeinheit evtl. direkt in Terminal Einstieg in den Massenmarkt Portabler Zugang Handover für mobile Anwendungen z.b. für den Internetzugang unterwegs Verbesserter Handover erschließt weitere Anwendungsfelder OFDM-256 SOFDMA SOFDMA &.16e SC, OFDM-256 WiMAX, , (Max Riegel) Seite 16 Kommunikationsnetz Franken e.v.

17 Spektrum für WiMAX Lizenziertes Spektrum für großflächige Einsatz notwendig WiMAX kann als Fixed Wireless Access System betrieben werden Basis IEEE (anfangs OFDM-256, später SOFDMA) FWA-Frequenzbereiche, die sich für WiMAX eignen MHz (einziges verfügbares Band in Europa) MHz (MMDS, nur in Nordamerika) MHz (lizenzfrei in Nordamerika, für Richtfunk -strecken) WiMAX entwickelt sich in Richtung Mobilität SOFDMA & Handover in IEEE /802.16e Ersteinsatz bei Sprint und Nextel in den USA und als WiBro in Korea MHz (Sprint, Nextel in den USA) MHz (Korea) Mobiles Spektrum in Europa derzeit nur für UMTS Was ist Mobilität? WiMAX sprengt technisch die Regeln der Frequenzvergabe WiMAX, , (Max Riegel) Seite 17 Kommunikationsnetz Franken e.v.

18 WiMAX Netzwerkeinbindung für FWA WiMAX verhält sich wie eine drahtlose Ethernet-Bridge Network Integration AAA CRM Billing Internet Basisstation Transportnetz IP PPP PPPoE WiMAX IP PPP PPPoE IP WiMAX ist für das Netz nicht sichtbar! WiMAX, , (Max Riegel) Seite 18 Kommunikationsnetz Franken e.v.

19 WiMAX entwickelt sich zum mobilen DSL DSL Architektur ATM/ETH WiMAX Architektur UE NAP NSP ASP Internet WiMAX, , (Max Riegel) Seite 19 Kommunikationsnetz Franken e.v.

20 Zusammenfassung WiMAX ist derzeit ein großer Hype Der Massenmarkt beginnt frühestens Verschläft Europa die Entwicklung (Spektrum!)? Potential für einen riesigen neuen Telekommunikationsmarkt - Längerfristig nachhaltige Beeinflussung des Mobilfunks Funktechnisch ist WiMAX nicht besser als UMTS Aber besser geeignet für Breitband-Internet Der wesentliche Unterschied liegt in der Struktur des PLMN (Public Land Mobile Network, Netz zur Anbindung der Basisstationen) Die Karten für den Mobilfunkmarkt der Zukunft werden neu gemischt. Kein entweder - oder, sondern ein sowohl - als auch Folien unter WiMAX, , (Max Riegel) Seite 20 Kommunikationsnetz Franken e.v.