Nutzung. Drahtlose Breitband-Netze WMAN. Need for Speed

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1 Drahtlose Breitband-Netze - Nutzung 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 (Broadband Wireless Access, BWA) IEEE (Mobile Broadband Wireless Access, MBWA) Seite 1 Seite 2 Need for Speed WMAN Geschwindigkeit Narrowband Broadband Cable/DSL Satellite Modem Stationär Bluetooth abg Wi-Fi WCDMA CDMA2000 GPRS 2.5G GSM 2G Local Area Networks Wide Area Networks Mobilität 3G WWAN WPAN WLAN WMAN WLAN WLAN WPAN: IEEE (WirelessPAN, Bluetooth) WLAN: IEEE (WirelessLAN) WMAN: IEEE (WirelessMAN) WWAN: IEEE e (WirelessMAN), IEEE (Wireless Mobility) IEEE : Handover zwischen den Netztypen Seite 3 Seite 4

2 : Point-to-Multipoint : Mesh-Topologie Eine Basisstation versorgt ein festumrissenes Gebiet Alle Basisstationen sind mit dem Festnetz verknüpft Core Network Ausgezeichnete Subscriber dienen als Relaisstation (Repeater) Ein vermaschtes Netz wird aufgebaut Gute Anpassung an Topologie und Bandbreitenbedarf Seite 5 Seite 6 Komplexes Netz IEEE 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 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 Quelle: Nokia Networks Seite 7 Seite 8

3 a, b, c,, a und e IEEE.1 Frequenzbereich: GHz Line-of-sight (LOS) bis zu 134 MBit/s IEEE.2 Minimierung der Interferenz koexistierender WMANs IEEE a Frequenzbereich: 2-11 GHz Non-line-of-sight (NLOS, größere Reichweite, aber geringere Datenrate) Mesh-Topologie IEEE b Frequenzbereich 5-6 GHz ( WirelessHUMAN ) IEEE c Detailed System Profiles (Interoperabilität) IEEE e Unterstützung mobiler Stationen Frequenzbereich Empfangsbereich Datenrate Modulation Mobilität Typischer Zellradius Anwendung LOS Nein GHz MBit/s QPSK, 16QAM, 64QAM km ; 50 km ist Obergrenze Anbindung stationärer Teilnehmer in einer Region NLOS QPSK, 16QAM, 64QAM, OFDM Nein a 2-11 GHz Bis zu 75 MBit/s 7 bis 10 km; 50 km ist Obergrenze Schnelle Anbindung von Hotspots, Mesh- Topologie 5-6 GHz NLOS e Bis zu 15 MBit/s QPSK, 16QAM, 64QAM, OFDM Pedestrian Mobility km Erweiterung um Mobilität der Teilnehmer Seite 9 Seite 10 - Physikalische Schicht Frequenzbereich von GHz (IEEE 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: Uplinkund Downlink-Bandbreiten werden durch adaptive Modulation und Codierung dynamisch zugewiesen, abhängig von Traffic-Anforderungen (DAMA-TDMA) Frequenzbereich von 2 11 GHz (IEEE a) 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 Seite 11 Physikalische Schicht - TDD Zeitachse ist aufgeteilt in Frames. Ein Frame besteht aus einem Uplink (UL)- Subframe und einem Downlink (DL)-Subframe: Präambel DL-Subframe DL-Map UL-Map DL-Burst #1 DL-Burst #n UL-Subframe 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 Seite 12

4 Physikalische Schicht - TDD Zeitachse ist aufgeteilt in Frames. Ein Frame besteht aus einem Uplink (UL)- Subframe und einem Downlink (DL)-Subframe: DL-Subframe Initial Maintenance Request Contention UL-Subframe Daten Station #1 Daten Station #n 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 - 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) Seite 13 Seite 14 MAC-Schicht: QoS Dienstklassen 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 Seite 15 Unsolicited 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 Seite 16

5 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 Seite 17 a-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 a-produkten durch Definition von Profilen (Dez. 2001) GHz LOS Punkt-zu-Punkt c (2002) WiMAX System Profiles Fixed Outdoor & Limited Indoor System Profile Enhanced Fixed Indoor System Profile Mobile Client System Profile a (Jan. 2003) 2-11 GHz NLOS Punkt-zu-Mehrpunkt e (2005?) 2-6 GHz Mobilität bis hin zu Fahrzeug- Geschwindigkeiten Roaming Seite 18 vs IEEE Reichweite Zielgebiet Skalierbarkeit Datenrate QoS Kosten Meter Indoor Bandbreite von 20 MHz ist starr Bis zu 54 MBit/s Erst durch e Lizenzfreie Bänder Typische Zellgröße: 7-10 km Bis zu 50 km Keine Hidden Stations Outdoor, Unterstützung von Mesh-Topologien Bandbreite zwischen 1.5 und 28 MHz erlaubt eine Anpassung an einzelne Nutzer Bis zu 134 MBit/s, abhängig von verwendeter Bandbreite Differentiated Services Lizenzfreie und lizenzpflichtige Bänder Erläuterung kann bis zu 10 Mal so gut mit Multipath-Ausbreitung umgehen - Signalerkennung ist auch in größerer Entfernung noch gut möglich hat keine Probleme mit Zell- Überlappung, Verwendung von DAMA statt CSMA/CA, Möglichkeit adaptiver Modulation OFDM mit höherer Modulationsrate, Netto-Datenrate ist auch höher (DAMA) Reservierung von Kapazitäten erlaubt eine Untescheidung von Dienstklassen Kosten werden bei eher akzeptiert - Alternative zu xdsl Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) Seit Dezember 2002 eigenständige IEEE-Arbeitsgruppe Zuvor ECSG (Executive Committee Study Group) in 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 nutzen Seite 19 Seite 20

6 (Wireless Mobility) vs ist ein direkter Konkurrent für 3G-Wireless-Zellulartechnologien/UMTS. Die Frage ist dabei: CDMA oder OFDM? ist spezifiziert für 500 MHz bis 3.5GHz Bereich für volle Mobilität Paket-basiert, drahtloses IP-Netzwerk Schnittstelle: Echtzeitdatenübertragung Drahtlose Stadtvernetzung Konkurrierend zu -, 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 e vs : e 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 ,, für das mobile Internet Ursprünglich für feste Stationen, Frequenzen: GHz, Bandbreite pro Kanal: MHz Erweiterung a: 2-11 GHz, Bandbreite pro Kanal ~ 6 MHz Mobilität kommt erst mit e, basiert auf PHY/MAC von a, für langsamere Geschwindigkeiten, regionales Roaming 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 Seite 21 Seite und 3G (UMTS) Mögliche Techniken für Hotspots 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 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 Standard (a, b, g) (a, e) Bitrate 1-54 MBit/s Bis 134 MBit/s Ab 1 MBit/s Reichweite 100 m Bis 50 km Bis 15 km Mobilität Schrittgeschwindigkeit km/h (Autos, Züge) Bis 250 km/h (Schnellzüge) Ca. 13% der Kosten für eine UMTS-Zelle N.N. Kosten 20% der Kosten für eine UMTS-Zelle Einsatz USA EU Datenraten von 144 KBit/s bei 100 km/h Datenraten von 1 MBit/s bei 250 km/h Seite 23 Seite 24

7 Hotspots heute Hotspots morgen Hotspot GSM/ GPRS/ UMTS Einzelne Hotspots Keine Interoperabilität zwischen Mobilfunk und Wireless Kein Handover zwischen Netzen Hotspot GSM/ GPRS/ UMTS Zusammenschluss von , und Hotspots Interoperabilität, kombinierte Endgeräte Handover zwischen Netzen Ethernet, SDH, UMTS-Microzelle Ethernet, SDH, PSTN, ISDN, DSL PSTN, ISDN, DSL Seite 25 Seite 26