WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Standards, Technik, Anwendungen Aktuelle Entwicklungen und Trends

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1 WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Standards, Technik, Anwendungen Aktuelle Entwicklungen und Trends Hermann Lipfert Institut für Rundfunktechnik Speicher und Netze im Rundfunk 1 WiMAX Entstehungsgeschichte Prestandard GHz PHY Weltweiter Start a REVd 2-11 GHz PHY 2004 Fixed Stationär Portabel Start in Deutschland 2006 WiMAX Mobile e-2005 Mobil 12/2005 Weltweiter Start 2006 Quelle: Scaltel 2 1

2 WiMAX Forum WiMAX Forum 2001 von Geräte- und Komponentenherstellern gegründet Rasantes Wachstum, heute über 400 Mitgliedsfirmen - (Alcatel, Alvarion, British Telecom, Deutsche Telekom, France Telecom, Fujitsu, Intel, Nortel, Motorola, Siemens, Samsung.) Firmen verpflichten sich zu Interoperabilität ihrer Produkte Marketing und Promotion für IEEE Entwicklung von Systemprofilen für den Einsatz von IEEE Klärung der regulatorischen Rahmenbedingungen (Dialog mit den Regulierungsbehörden) Aufwendiges Test- und Zertifizierungsprogramm seit Juli 2005 bei Cetecom Labs Malaga Vergabe von WiMAX Forum Certified Interoperabilität und Konformität muss mit mindestens 2 weiteren Herstellern getestet werden 3 Was ist WiMAX? weltweiter Standard für Broadband Wireless Access (BWA) auch in Europa von ETSI (BRAN) als HiperMAN standardisiert auch Korea (Samsung, LG) standardkonform zu IEEE e Punkt-zu-Multipunkt Richtfunksystem (PMP) Base Station (BS) Subscriber Station (SS) Uplink teilen sich die SS en die Ressourcen nach Bedarf Netzzugang wird über konkurrierenden Zugriff zwischen den einzelnen Nutzern geregelt jeder Datenkommunikation ist eine Verbindung zugeordnet Funkressourcen können dynamisch zu jeder Anwendung passend verteilt werden 4 2

3 WiMAX: Verschiedene Anwendungsmodelle Städtischer DSL/E1 Ersatz Zubringer- und Verteildienst für e WCDMA Ländliche Breitbandversorgung (Wireless DSL) Aktuelle Lizenzvergabe Deutschland Dezember G e G Zellulare Überlappung mit 3G 5 WiMAX bestehende und potentielle Frequenzspektren weltweit USA,Mexiko, Brasilien, Südostasien Deutschland 2006 Unlizensiert USA US WCS MMDS ~ GHz band ISM (11b/g) USA < 1 GHz: 700 MHz, 450 MHz Low/Mid UNII-band (802.11a) WiMAX profiles available Future WiMAX profiles WRC Upper UNII-band ~

4 WiMAX weltweit Quelle: Intel 7 IEEE Familie HF-Parameter IEEE a IEEE Fixed WiMAX IEEE e Mobile WiMAX Fertigstellung Januar 2003 Juli 2004 Dezember 2005 Produkte Verfügbar, jedoch keine Relevanz für Privatkunden Seit 2005 Ab 2006 Frequenzbereich < 11 GHz 2 bis 11 GHz 0,7 bis 6 GHz max. Datenrate bis 75 Mbit/s in 28-MHz- Kanälen Bis zu 75 Mbit/s in 20-MHz-Kanälen Bis zu 15 Mbit/s in 5-MHz- Kanälen Bandbreite 1,25 MHz - 28 MHz In 250 KHz-Stufen skalierbar von 1,25 bis 20 (28) MHz (lizenzabhängig) 1,25-2, (28) MHz WiBRO Korea 8,75MHz Modulationsarten OFDM-256 mit QPSK, 16QAM, 64QAM SC, 256 FFT OFDM mit BPSK, QPSK,16QAM,64QAM OFDMA-2048 S-OFDMA 128, 512, 1024, 2048 FFT Betriebsweise Festinstallation mit Sichtverbindung Sicht- oder keine Sichtverbindung Anwendungen mit eingeschränkter Mobilität Keine Sichtverbindung und mobile Anwendung max. Reichweite 50 km bis zu 50 km, typisch 15 km mit Außenantenne, bis zu 5 km mit Innenantenne Bis zu 5 km, typisch 1,5 km 8 4

5 WiMAX PHY- MAC- Protokollschichten MAC unterstützt ATM- und IP- basierende Netzwerkdienste Unterstützung von Ende-zu-Ende Signalisierung dynamischer Verbindungen mit QoS Quelle: Acterna 9 Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDMA Codierung, Modulation und Amplitude werden einzeln für jeden Sub-Channel je nach Verhalten des Übertragungskanals optimiert 10 5

6 OFDMA bei OFDM sendet genau ein Teilnehmer (SS) pro Zeitslot OFDMA ermöglicht mehreren Teilnehmern beim Uplink jeweils in zugewiesenen Sub-Channels im selben Zeitslot zu senden Multiple Access Codierung, Modulation und Amplitude einzeln für jeden Sub-Channel optimiert Adaptive Modulation and Coding (AMC) S-OFDMA (Scalable OFDMA) skaliert die Trägerzahl der FFT (128, 512, 1024, 2048) und damit die Anzahl der Sub-Channels (2, 8, 16, 32) höhere spektrale Effizienz 11 WiMAX OFDMA Frame Structure WiMAX Forum FCH: Frame Control Header CQICH: Channel Quality Indicator channel Ranging: Adjustment for Mobile Stations (MS) DL/UL-MAP: Downlink/Uplink Media Access Protocol ACK-CH: Acknowledge Channel 12 6

7 Frame- und Zonetypen Uplinks und Downlinks werden voneinander durch gaps getrennt: Transmit Transition Gap (TTG) nach dem Downlink-Subframe Receive Transition Gap (RTG) nach dem Uplink-Subframe OFDMA kann DL sowie UL unterschiedliche Übertragungsmodi verwenden Zeitbereiche in denen ein bestimmter Modus genutzt wird heißen Zones Die 3 häufigsten Zonetypen sind: DL-PUSC (Downlink-Partially Used Sub-Carrier) DL-FUSC (Downlink-Fully Used Sub-Carrier) UL_PUSC (Uplink-Partially Used Sub-Carrier) 13 Advanced Features von Mobile WiMAX AAS wie Beamforming und Transmit Diversity MIMO (Spatial Multiplexing) Flexible Datenraten durch Sub-Channelization und Advanced Coding and Modulation (ACM) MAC-Architektur definiert Service-Flows mit QoS die auf DiffServ oder MPLS abgebildet werden können Skalierbarkeit der spektralen Ressourcen (1,25 20 MHz) Hohe Sicherheitsstandards integriert (EAP, AES-CCM, SIM) Optimierter Handover für realtime (Verzögerungen < 50ms) Multicast and Broadcast Service (MBS) Single Frequency Network (SFN) Data-Casting neben Audio- und Video-Streams 14 7

8 ATM/Packet Convergence Sublayer ATM: VP (Virtual Path) switched connections VC (Virtual Channel) switched connections Unterstützung von Ende-zu-Ende Signalisierung dynamischer Verbindungen SVCs soft PVCs ATM Header Suppression und volle QoS Unterstützung Packet: Ethernet, IPv4, IPv6 Payload Header Suppression (allgemein oder IP spezifisch) PPP, MPLS 15 Uplink Betriebsart Quelle: Acterna 16 8

9 Downlink Betriebsart Quelle: Acterna 17 Vermaschte Netzstruktur Mesh-based WirelessMAN WirelessHUMAN (High Speed Unlicensed MAN) Vermaschter Betriebsmode definiert für lizenzfreie Anwendungen zwischen 5 GHz und 6 GHz Quelle: Acterna 18 9

10 Ergebnis der BWA-Lizenzversteigerung in Deutschland im Dezember 2006 Im Frequenzbereich 3400 MHz bis 3600 MHz 4 Frequenz-Pakete Je 21 MHz gepaart im Unterband und Oberband Im Frequenzbereich von Paket C und D existieren noch einige regionale WLL- Lizenzen, die weiterbenützt werden dürfen 19 Ergebnis der BWA-Lizenzversteigerung in Deutschland im Dezember 2006 Zur Versteigerung konnte für 28 Regionen geboten werden 20 10

11 BWA-Lizenzversteigerung in Deutschland 2006 Gesamtwert 56 Millionen Euro Folgende Bieter haben den Zuschlag erhalten Clearwire Europe S.a.r.l. (Sitz in Europa: Luxemburg - Mutterfirma mit Sitz in Kirkland, Washington/USA) Frequenzpaket A in allen 28 Regionen Inquam Broadband GmbH (Sitz: Köln/Deutschland) Joint venture zwischen NextWave Wireless (Entwickler WiMAX Technik mit Sitz in San Diego/CA) und Finanzinvestoren aus dem Telecom-Markt wie Omnia Holdings Limited Frequenzpaket B in allen 28 Regionen 21 BWA-Lizenzversteigerung in Deutschland im Dezember 2006 Deutsche Breitbanddienste GmbH (Sitz: Heidelberg/Deutschland Investoren: Intel Capital/ Santa Clara CA, PolyTechnos/ München Frequenzpaket C in 27 Regionen außer Region 14 dort Frequenzpaket D Televersa Online GmbH (Sitz: Töging/Inn Bayern) Partner: Colt Telecom, MCI Worldcom, BT, Telcat Multicom Frequenzpaket D in den Regionen 25 (Oberpfalz) und 28 (Niederbayern) MGM Productions Group S.R.L. (Sitz: Italien - Tochter der US-kanadischen MGM Productions Group, Inc.) Frequenzpaket D in der Region 27 (Oberbayern) 22 11

12 Frequenznutzungsbestimmungen Nutzungszweck: Breitbandiger drahtloser Netzzugang (BWA) Technologie-Neutralität: keine Einsatzbeschränkung auf bestimmte Technologien (im Unterschied zu GSM, UMTS) Für stationäre und nomadische Applikationen vorgesehen in naher Zukunft auch mobile Anwendungen in eigenem Vergabeverfahren Anstelle einer maximalen Sendeleistung (EIRP) Vorgabe einer maximalen Spektralen Leistungsflussdichte von -122 dbw/(mhz m 2 ) in einer Entfernung von 7,5km hinter der Regionsgrenze (bzw. Bundesgrenze). Frequenzzuteilungen bis befristet (15 Jahre) Versorgungsauflage: innerhalb einer Region mindestens 15 % von Gemeinden bis und mindestens 25 % bis Beispiele am Markt verfügbarer WiMAX Geräte für 3.5 GHz Airspan: MacroMAX, MicroMAX, EasyST, ProST Redline Com.: RedMAX BS, SS Axess-pro: BS, SS Alvarion: BreezeMAX, BreezeACCESS, BreezeNET BS, SS Nortel: BTS 1080, EasyST, ProST Aperto: PacketMAX Family BS, SS Telsima: StarMAX Family BS, SS Telsa: Freemax CPE System Navini: Ripwave Family BS, SS Motorola: MOTOwi4 Family Siemens: WayMAX Family BS, SS Alcatel+Intel Wimax mobile in 2007 Proxim: Tsunami Family BS SS 24 12

13 Kapazität pro RF-Sektor PHY-Layer MAC-Layer 25 Produktbeispiel Basisstation RedMAX AN100-U (Sektorkontroller) Sektorcontroller für 1 Sektor = Stationäre Anbindungen 2 x FE-Anschlüsse Frequenz: 3,4 3,6 GHz Kanalbandbreite: 3,5/7 MHz Durchsatz / Sektor: 9/18 Mbps Netto Betriebsmodus: TDD / FDD Adaptive Modulation: 64 QAM, 16 QAM, QPSK 250 Empfänger / 4000 Serviceflows / 1000 VLANs je Sektor AES und DES Verschlüsselung 1HE 2,5 Kg 230V~ und/oder 48V redundante Netzteile 70W Temperaturbereich 0 bis +40 permanent HTTP Webserver mit GUI Quelle: Scaltel 26 13

14 Range of coverag: RedMAX (Base Station AN100-U and Subscriber Unit SU-O) Adaptive PHY Calculated range performance for PMP configuration; 3.5 MHz channel bandwidth Modulation/ Coding Mode Upstream Ethernet Data Rate (Mbps) Downstream Ethernet Data Rate (Mbps) Upstream SS: 90 degree Antenna Range (km) SS: 60 degree Antenna Range (km) LOS OLOS NLOS LOS OLOS NLOS QPSK 1/ QPSK 3/ QAM 1/ QAM 3/ QAM 2/ QAM 3/ Quelle: Scaltel 27 Vergabeverfahren Nachbarländer In Österreich (TKK) Frequenzvergabe bereits im Dezember 2004 abgeschlossen (regionale und überregionale Anbieter) Telecom Austria, WiMAX Telecom (Schweiz), UPC, Teleport bauen landesweites Netz auf Max. Sendeleistungen: BS: +18 dbw EIRP (63 Watt) SS: +35 dbw EIRP (3,1 kw) sehr stark gerichtete Antennen erlaubt Schweiz (BaKom): Konzessionsvergabe im 2. Quartal 2006 Italien: Frequenzvergabe für 2. Quartal 2007 geplant Portugal, Frankreich, Spanien: im Laufe von 2007 geplant Kroatien, Slowenien, Slowakei, Polen, Tschechien, Netzaufbau läuft bereits 28 14

15 19. Januar 2006 erste WiMAX Certfied Produkte im Markt Aperto Networks PacketMAX 5000 Base Station Redline Communications RedMAX AN-100U BS SEQUANS Communications SQN2010 SoC BS Wavesat mimimax CPE solution weitere 26 Hersteller lassen aktuell (Januar April 2006) ihr Equipment (BS sowie SS) bei Cetecom testen ab 4. Quartal 2006 mobile WiMAX Equipment Zertifizierungstests in Korea (TTA Lab) 29 Roadmap WiMAX Forum 30 15

16 Live News Broadcast over WiMAX bei BBC und Telabria Ort: Von Bristol Millenium Square zu BBC Television Studio im Stadtzentrum WiMAX broadcasting vehicle = LandRover mit 10 m Teleskopmast Ersatz für standard satellite truck 20 MBit/s bidirektionale Verbindung Live encoding im Landrover mit Tandberg MPEG-4 Equipment Übertragungsrate des Live-Streams ca. 8 MBit/s Übrige Bandbreite in Zukunft für weitere Kamerapositionen 31 WiMAX news Samsung mit e Handset (M800) WiMAX Telecom erhält Zuschlag für kroatische Lizenzen (Split, Rijeka ab 2. Quartal 2006) DBD plant Komplettversorgung Raum Berlin bis Ende 2007 Unter der Marke MAXXtelekom ab sofort Highspeed-Datenkommunikation (bis zu 3,5 Mbit/s) und Internet-Telefonie ab 33,99 Euro pro Monat Via Networks will WiMAX Netz in der Schweiz Örtliche Regulierungsbehörde(BAKOM) erteilt die Genehmigung, ein entsprechendes Netz aufzubauen. WiMAX Testbetrieb in den Städten Zürich und Genf flächendeckende Ausbreitung in der Schweiz vorgesehen Nokia und Siemens treiben WiMAX in Russland voran in Großpetersdorf im Südburgenland startete Österreichs erstes WiMAX-Breitband-Netz Der TK-Ausrüster Marconi ist am bisher größten öffentlichen Test des WiMAX Standards in den italienischen Regionen Piemont und Sizilien beteiligt 32 16

17 WiMAX news Sprint Nextel setzt auf WiMAX IEEE802.16e-2005 für next generation mobile (4G) Kooperationpartner WiMAX: Intel Corporation entwickelte ein single-chip, multi-band WiMAX/ chipset für PC- Steckkarten sowie Module ab 2. Halbjahr 2007 Samsung entwickelt sechs verschiedene mobile WiMAX-Adapter z. B. für Ultra mobile PCs und personal media players Verwendet werden Chips der WiMAX-Firma Runcom aber auch eigene Chipherstellung geplant Motorola entwickelt eigene Mobile WiMAX Chipsets Nokia und LG Electronics liefern passende Consumer Electronic Devices Sprint rechnet mit über 100 Millonen Nutzern, die Mobile WiMAX Broadband Services bis Ende 2008 einsetzen werden Start im Großraum Chicago und Washington D.C Genutzt werden Frequenzen im Bereich 2,3 GHz und 2,5 GHz 33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hermann Lipfert Institut für Rundfunktechnik GmbH Floriansmühlstrasse München Tel / lipfert@irt.de