Fakultät Informatik Professur Rechnernetze Großer Beleg Weiterentwicklung von Methoden...

Fakultät Informatik Professur Rechnernetze

Großer Beleg

Weiterentwicklung von Methodenphysikalischer Planung drahtloser

Netzwerke (WLAN / WiMAX) imRahmen des CANDY Frameworks

Andreas Eulitzer

Fakultät Informatik Professur Rechnernetze

Dresden, 22.11.2007

Andreas EulitzerTU Dresden, 22.11.2007 Folie 2 von 36TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

Gliederung

1. Einleitung2. Entwicklungsstand von WLAN- und WiMAX- Netzwerken

I. WLANII. WiMAX

3. Physikalische Grundlagen elektromagnetischer WellenI. Elektromagnetische WellenII. Antennen

4. Ausbreitungsmodelle Elektromagnetischer WellenI. Empirische AusbreitungsmodelleII. Semi-Empirische AusbreitungsmodelleIII. Strahlenoptische AusbreitungsmodelleIV. Feldtheoretische AusbreitungsmodelleV. Link Budget

5. Konzepte zur Auswahl der passenden Modelle, MethodenI. Auswahl der optimalen SenderstandorteII. Auswahl der Ausbreitungsmodelle anhand der Zellengröße

6. Konzepte zur Portierung des CANDY SF in die Eclipse Rich Client Platform

Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung

Andreas EulitzerTU Dresden, 22.11.2007 Folie 3 von 36

1. Einleitung• schnelllebige Zeit• Drang nach immer mehr Mobilität• immer und überall online

• immer bessere Netzwerke nötig• genaue Planung für Flächendeckende Nutzung

• Basis: elektromagnetische Wellen• Problem: - physikalische Ausbreitungseigenschaften

- Geographische Besonderheiten

• Ziel der Studienarbeit: Einblick in Konzepte und Auswahltechniken der passenden Modelle und Methoden

TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung


2. WLAN- Standards IEEE 802.11a

– 5 GHz, 54 (32) Mbit/s, max. 1W Sendeleistung ohne Dynamic Freq. Selection und TCP Transmission Power Control (IEEE 802.11h)

IEEE 802.11b– 2,4 GHz, 11 (6) Mbit/s, max. 100mW Sendeleistung, CSMA/CA, DSSS

IEEE 802.11g– 2,4 GHz, 54 (19) Mbit/s, OFDM, 802.11b und 802.11g auf selbem Kanal

reduziert Datenrate (CTS)

IEEE 802.11n (draft)– 2,4 GHz, 315 (100) Mbit/s, OFDM und MIMO,

IEEE 802.11p– 2009, 5,9 GHz, bis 27 Mbit/s, Vehicular Environment,


Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung


2. WiMAX - Standards• Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 66 GHz (Lizenzpflichtig), ab 10 GHz LOS • in Deutschland hauptsächlich 3,4 bis 3,6 GHz• Unterschied zu WLAN: Vorhandensein einer Basisstation

IEEE 802.16-2001– 10-66 GHz, bis 134 Mbit/s, bis 5 Km, TDMA (TDD, FDD), Richtfunk

IEEE 802.16a– 2-11 GHz, bis 50 (10) Km, kein Roaming, QoS, OFDM, OFDMA, TDMA

IEEE 802.16-2004 (WiMAX fixed)– 2-66 GHz, Kanalbandbreite: 1,75-20 MHz, OFDM (TDD, FDD), OFDMA– Übertragungsrate von Kanalbandbreite abhängig: – LOS 30Km 3,75 bit/s/Hz (max 75Mbit/s), NLOS 6Km 2bit/s/Hz (max 40Mbit/s)

IEEE 802.16e-2005 (WiMAX mobile)– 2-6GHz, Roaming, Handover, 46Mbit/s, 120Km/h, QoS, OFDMA, SOFDMA




3. Physikalische Grundlagen• Grundlage sind Elektromagnetische Wellen• Elektrisches Feld E und Magnetisches Feld H• beschrieben durch Maxwellsche Gleichungen

• physikalischen Eigenschaften -> Ausbreitung ->Signalqualität -> Modulationsverfahren -> Datenrate

• Signalqualität:

• Beeinflussung der Signalqualität durch:» Dämpfung» Beugung» Interferenzen» Mehrwegeausbreitung» Fresnell Zone» Antennen



Nutzsignalleistung [W]SNR =10 log [dB]

Rauschsignalleistung [W]


Dämpfung• Verringerung der Amplitude durch Energieverlust an die Umwelt• Abhängig von zu durchdringendem Material• Freiraumdämpfung:



2

F

4 ra dB =

Beugung• Ablenkung von Wellen an Hindernissen• Ausbreitung in geometrischen Schattenraum• Erwünschtes Phänomen• neue Wellen können durch Überlagerung zu Interferenzen führen

Interferenzen• Überlagerung (Addition) von zwei oder mehr

Wellen• Vermeidung von Interferenz durch Überlappungs-

freie Frequenzverteilung


Mehrwegeausbreitung• durch Dämpfung, Beugung und Interferenzen legen die gesendeten Signale

unterschiedliche Wege zum Empfänger zurück und treffen bei diesem zu verschiedenen Zeiten mit unterschiedlichen Phasenlagen ein

• kann zu Intersymbolinterferenzen führen -> starke Schwankungen der Feldstärke• sinnvoll bei MIMO• Beschreibung durch Rice Faktor:



LOS

NLOS

PK =

E (P )

Fresnel Zone• Räumliche Bereich zwischen Sender und Empfänger in welchem der Hauptteil der

Energie Übertragen wird

• Radius der Fresnel Zone

r = s rd d

d


Antennen• wichtigster Bestandteil drahtloser Netzwerke• Erzeugung und Empfang elektromagnetischer Wellen

• Unterschied zwischen Fernfeld und Nahfeld einer Antenne (Wellenfront eben, gekrümmt)

• Grenze ist Abhängig von Wellenlänge und Antennendurchmesser

• Vorzugsrichtung der Antenne (Ausnahme Kugelstrahler) wichtig für Planung



22LR =


4. Ausbreitungsmodelle• wichtigstes Mittel zur Funknetzplanung

• Ausbreitung unterliegt Physikalischen Bedingungen

• verschiedene Ansätze, meistens Aussagen anhand der Verlustleistung

• prinzipielle Unterteilung in vier Gruppen möglich

» Empirische Ausbreitungsmodell» Semi-empirische Ausbreitungsmodelle» Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle» Feldtheoretische Ausbreitungsmodelle

• einige Modelle sind bereits in CANDY implementiert




Empirische Ausbreitungsmodelle

• fließender Übergang zu Semi-empirischen Modellen

• kommen ohne konkrete Beschreibung der Umgebung aus

• Verlustleistung anhand Entfernung zwischen Sender und Empfänger

• keine Unterschiede zwischen Flachland und Hochgebirge

• kreisförmige Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen

• physikalische Besonderheiten vernachlässigt

• Anpassung durch in Messreihen ermittelte Korrekturfaktoren

• nur zur groben Abschätzung im Flachland brauchbar




Freiraum Modell (free space loss model)

• einfachstes Empirisches Modell• Annahme: ungehinderte Ausbreitung der Elektromagnetischen Wellen• Freiraumdämpfung im Verhältnis zum Abstand• Verdopplung der Entfernung -> 6dB Verlust an Signalenergie• keine Bedeutung bei der Funknetzplanung• im CANDY implementiert obwohl Höhen von Basisstationen angegeben

werden können -> Modifiziertes Freiraummodell besser


Modifiziertes Freiraum Modell (mod. free space loss model)

• berücksichtigt Antennenhöhen über dem Erdboden– Reflektionen und Absorptionen an der Erdoberfläche

• Verdopplung der Entfernung -> 12dB Verlust an Signalenergie• Aufgrund seiner Einfachheit gut zur Abschätzung verwendbar• Genauigkeit ist stark Umgebungsabhängig



Motley Keenan Modell

• einfach, weit verbreitet, indoor• berücksichtigt alle Wände in vertikaler Ebene zwischen Sender und

Empfänger• jede Wand erhält spezifische (materialabhängige) Dämpfung• keine Mehrwegeausbreitung durch Reflektionen und Interferenzen• Pfadverlust abhängig von Entfernung und Anzahl der Wände


One Slope• indoor, implementiert in CANDY• Pfadverlust Abhängig von Entfernung und Verlustfaktor• Verlustfaktor in Messreihen ermittelt• Aufgrund seiner einfachheit sehr ungenau

Lineares Dämpfungsmodell• ähnlich One Slope• Pfadverlust abhängig von Entfernung, Freiraumdämpfung, Dämpfungskoeffizienten• Erhöhung der Genauigkeit durch weitere Verlustterme



Okumura Modell

• basiert auf realen Messwerten aus Tokyo (Japan)• Basis für viele weitere Modelle• Messungen im Frequenzbereich zwischen 200 MHz und 2 GHz• geeignet für Städte mit vielen Häusern mittlerer Höhe• Pfadverlust abhängig von Freiraumdämpfung, mittlerer Dämpfungsfaktor,

Gewinnfaktoren durch Sende- Empfangsantennenhöhen


Okumura Hata Modell

• Standard und Referenzmodell, outdoor• Unterteilung der Ausbreitungsgebiete in open ~, suburban ~ und urban area• urban area als Referenz -> Korrekturfaktoren für andere Typen• Frequenzbereich 150 MHz bis 1500 MHz -> ungeeignet für Drahtlose

Netzwerke



Hata Modell (COST 231)

• weit verbreitet, outdoor• Ausbreitung im Städtischen Umfeld• Weiterentwicklung vom Okumura Modell um physikalischen

Ausbreitungseigenschaften gerecht zu werden• Pfadverlust abhängig von Frequenz , Entfernung, Höhe der Sendeantenne und

Höhe des Empfängers• Angepasst auf Frequenzbereich zwischen 1500 MHz und 2000 MHz und kleine

bis mittlere Städte




Semi-empirische Modelle

• berücksichtigen vereinfachte Modelle der Umgebung und somit einige Physikalische Besonderheiten

Allsebrook - Parson Modell

• berücksichtigen vereinfachte Modelle der Umgebung und somit einige Physikalische Besonderheiten

• basiert auf Messreihen in Bradford, Bath und Birmingham mit 86 Mhz, 167 MHz und 441 MHz




Ikegami Modell

• versucht vollständig deterministische Vorhersage der Feldstärke an verschiedenen Punkten

• detaillierte Modelle (Höhe, Form, Position) der Gebäude zwischen Sender und Empfänger

• Vereinfachung durch einfache Reflektionen von den nächstgelegenen Gebäuden beim Empfänger

• gibt Veränderungen der Feldstärke im Straßenverlauf recht gut wieder• ungenau für große Entfernungen




Flat Edge Modell

• in städtischen Szenarien größter Teil des Pfadverlustes durch Mehrwegeausbreitung und Beugung der elektromagnetischen Wellen an Hausdächern

• Beugung an scharfer Kante mit Ausnahme letztes Hausdach vor Empfänger

• gesamter Pfadverlust Pfadverlust über die ersten n−1 Häuser, Pfadverlust durch die Brechung an der scharfen Kante des letzten Hauses und Freiraumdämpfung

• bei sehr unterschiedlichen Gebäudehöhe ungenau




Walsch-Ikegami-Model (COST 231)

• berücksichtigt Einfluss der Beugung an Hausdächern und Ausbreitung im Straßenverlauf

• in CANDY implementiert, Benutzer kann wählen zwischen medium sized city, suburban center und metropolitan center

• Pfadverlust ergibt sich aus Gebäudehöhen, Straßenbreiten, Gebäudeabstände, Ausrichtung der Straße im Verhältnis zum Ausbreitungspfad, Höhe der Sendeantenne, Höhe der Empfangsantenne, Abstand Sender und Empfänger, Höhe der Empfänger, Höhe der Basisstation

• gute Korrelation mit Messwerten, durchschnittlicher Fehler 3dB




Multi Wall Modell (COST 231)

• Erweiterung des One Slope Modells• im CANDY SF implementiert• zusätzlich zur Entfernung und Verlustfaktor die Dämpfung durch Wände in der

OLoS• Dämpfungen und Verlustfaktoren durch Messungen ermittelt• Frequenzabhängig: hohe Frequenz -> hoher Verlust• Genauigkeit abhängig von der Anzahl der Wände -> besser: Multi Wall and

Floor Modell (MWF)


Multi Wall and Floor Modell (MWF)• relativ junges Modell (2001)• Zusammenhang zwischen Gesamtdämpfung und Anzahl der zu

durchdringenden Wände nicht linear– Verlust durch die erste Wand gröÿer ist als der zusätzliche Verlust durch

jede weitere Wand• Parameter des Modells durch Ray Tracing Simulationen und Messungen in

Bürogebäuden ermittelt• schnell, einfach, auch für große Szenarien da wenig Parameter nötig



Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle• genaue Vorhersage der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen mit

vertretbarem Aufwand möglich• basieren auf den physikalisch theoretischen Ansätzen der optischen

Strahlenausbreitung• Wellennatur elektromagnetischer Felder vernachlässigt, Annahme: geradlinige

lichtähnliche Ausbreitung entlang einzelner Strahlen• Berechnung der Empfangsleistung in drei Schritten

» Suche aller relevanten Ausbreitungspfade unter Berücksichtigung der Bebauung und der Geländehöhen

» Berechnung des Übertragungsverhaltens aller Pfade » Verwendung der Parameter aller Ausbreitungspfade zur

Berechnung der Empfangsleistung

• Einteilung in drei Gruppen üblich um Ausbreitung relevanter Strahlen zu ermitteln:

» Strahlensuch Methode (Ray tracing)» Strahlenabschuß Methode (Ray launching)» Dominant Path Prediction

• Rechenaufwand und Genauigkeit steigen mit der Anzahl der Strahlen an




Strahlensuch Methode (Ray tracing)

• sehr rechenintensiv• zwei Strahlen werden für jeden möglichen Empfängerstandort im Raum

betrachtet– direkter Pfad zwischen Sender und Empfänger– indirekte Verbindung mithilfe Spiegelnder Reflektionen am Hindernis

• jede Interaktion führt zu Dämpfung• je mehr Strahlen desto genauer Ergebnis

• Verbesserung: intelligent Ray tracing

• benötigt weniger Speicherplatz und Rechenzeit• nur Strahlen innerhalb der Fresnel Zone• nur jeder zweite Punkt im Raum als möglicher Empfängerstandort• intelligentes pre processing der Gebäudedatenbank

• Sichtbarkeiten und Beziehungen der Wände und Hindernisse unabhängig vom Empfängerstandort

• Vorhersagefläche in Raster mögl. Empfängerstandorte aufteilen




Strahlenabschuß Methode (Ray launching)

• nicht mehr alle Strahlen betrachtet• Annahme: fest vorgegebenen, diskreten Verteilung von endlichen

Ausbreitungsrichtungen am Senderstandort• Ausgehend vom Sender werden divergierende Strahlenröhren betrachtet

– Bündel von vielen einzelnen Strahlen mit zentral Strahl• Strahlenröhren werden, ohne den Empfängerstandort vorher zu kennen, in

festgelegten Ausbreitungsrichtungen verfolgt• so gewählt das sie definierten Ausbreitungsraum vollständig, eindeutig und

lückenlos erreichen

• nur einfache Brechungen an Hindernissenberücksichtigt da Rechenzeitproportional mit Brechungensteigt

• besonders für 3D geeignet• z.B. 3D-URBAN-PICO Modell




Dominant Path Prediction Model

• nur dominante Strahlen werden betrachtet• 95% der Gesamtenergie über zwei bis drei Strahlen übertragen• Rechenaufwand deutlich geringer• hohe Genauigkeit in komplexen Szenarien• Fehler durch ungenaue Umgebungsbeschreibung minimiert

• Berechnung in zwei Schritten:» dominanten Pfad suchen» Pfadverlust auf diesem Weg berechnen

• im CANDY SF implementiert• genaue Abbildung der Umgebung nötig• im Indoorbereich semantische Informationen nötig (Wand oder Raum)




Feldtheoretische Ausbreitungsmodelle

• sehr genaue Ergebnisse, aber auch sehr komplex• Lösung der Maxwellschen Gleichungen anhand von Integral- oder

Differentialgleichungssystemen• momentan hauptsächlich für Strukturen mit Abmessungen von wenigen

Wellenlängen (z.B. elektronische Bauteile oder Antennen)• Berechnung der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen benötigt sehr

viel Zeit und Speicherplatz • Versorgungsgebiet im Verhältnis zur Wellenlänge sehr groß

• drei wichtige Vertreter:» Finite Elemente Methode - FEM» Finite Difference Methode - FDM» Finite Difference Time Domain Methode - FDTD




Link Budget

• betrachtet benötigte Leistung am Empfänger damit ankommendes Signal verarbeitet werden kann

• Summe aus Übertragungsleistung, Empfängerempfindlichkeit, Antennengewinn, Verluste durch Kabel und Verbinder, Gewinne durch Equipment (Sender / Empfänger)

• häufigster Fehler bei Berechnungen: Vernachlässigung von Verlusten durch Kabel und Verbinder– hochwertiges Kabel: bei 2, 4 GHz Verlust von 6, 8 dB pro 30m

bei 5, 6 Ghz Verlust von 10, 6 dB pro 30 m

• Berechnung möglichst immer in beide Richtungen




Konzepte zur Auswahl der passenden Modelle, Methoden

• Funknetzwerke haben meist Zelluläre Form

• Innerhalb der einzelnen Zellen können die Frequenzen und Kanäle wiederverwendet werden

• Unterteilung anhand der Größe des zu versorgenden Gebietes in verschiedene Gruppen

» Picocells» Microcells» Macrocells» Megacells (Worldcells)

• Auswahl der optimalen Senderstandorte




Picocells

• meist kleine Indoorzellen• meist unter 100m Reichweiter• bei WLAN: Picozelle = Accesspoint• mehrere Picozellen zur Kapazitätserhöhung in einem Raum

• Folgende Modelle sind für Picozellen geeignet:

» Multi-Wall Model (COST 231)» Multi-Wall and Floor Model» Ray-Tracing Modelle» Motley Keenan Modell» One Slope Modell




Microcells

• weit verbreitete Zellenart in Outdoorszenarien• Sendeantenne meist in 3 bis 6 m Höhe• Reichweite stark Umgebungsabhängig aber meist wenige 100m• dominante Ausbreitungsmechanismen sind Freiraumausbreitung, Brechung an

Kanten, Reflektion an Hindernissen

• folgenden Modelle sind verwendbar:

» Dual Slope Model» Lee Microcell Model» Har Xia Bertoni Model» Two Ray Model» Street Canyon Models» Random Waveguide Model




Macrocells

• werden genutzt um Große Flächen zu versorgen• genaue Umgebungsbeschreibung nötig• vollständige und genaue Beschreibung meist ineffizient • meist nur grundlegende Netzabdeckung wichtig, nicht genaue Feldstärke

• Modellen für Macrozellen sind (meist empirisch):

» Okumura Hata Model» Hata Modell (COST 231)» Lee Model» Ibrahim and Parson Model» Allsebrook - Parson Modell» Ikegami Modell» Flat Edge Modell» Walsch-Ikegami-Model (COST 231)» Walsch- Bertoni Model




Megacells

• genutzt zur Globalen Versorgung mit Funknetzwerken• Low- und Medium Earth Orbit Satelliten• Reflektion oder Brechung an Hindernissen spielen untergeordnete Rolle• atmosphärischen Effekte wie Dämpfung oder Absorptionen durch

athmospärische Gase entscheidender

• anzuwendende Ausbreitungsmodelle:» Loo Model» Corazza Model» Lutz Model» Time Series Model




Auswahl der optimalen Senderstandorte

• wichtigster Schritt bei der Funknetzplanung• keine optimale Lösung

• Problemlösung in zwei Iterationsschritten möglich• Äußere Schleife: Anzahl der Standorte variieren• innere Schleife: Standorte so zu platzieren, dass Gesamtkosten

und Netzabdeckung optimal werden

• Multicolor Inkspot Algorithmus– Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ähnlich Tintenfleck auf Papier– Färbung/Feldstärke nimmt

zum Rand hin ab




• Site Finder Algorithmus– war im CANDY SF implementiert -> Abgelöst durch Erweiterten SFA– geringe Voraussetzung an Gebäudegeometrie– berücksichtigt kein Benutzerverhalten, nur Feldstärke– leeren Räume mit geraden Wänden und bekannten Wandstärken, keine

Fenster, Türen und etagenübergreifende Abdeckung– Höhe der Accesspoints als Korrekturfaktor

• Erweiterter Site Finder Algorithmus– im CANDY SF implementiert– Nutzerverhalten wird berücksichtigt– minimale Datenrate pro Benutzer kann festgelegt werden




Konzepte zur Portierung des CANDY SF in die Eclipse Rich Client Platform• Überschneidung mit Diplomarbeit von Thomas Hochstetter „Neukonzeption

und Implementierung des Netzwerkdesigntools CANDY Site Finder unter der Eclipse Rich Client Plattform „

• unterschiedlichen Programmplattformen und Graphikbibliotheken erschweren die optimale Zusammenarbeit der einzelnen Komponenten

• Erweiterung der Funktionalitäten oder Aktualisierung nur durch die komplette Neuinstallation möglich

• Portierung der Einzelanwendungen als Plugins in die Eclipse Rich Client Plattform soll Nachteile und Unterschiede zukünftig beseitigen

• Eclipse RCP stellt Framework für die Erstellung von Client-seitigen, Komponenten-basierten Java-Anwendungen zur Verfügung

• seit v3 in der Standard Eclipse IDE eingebaut• Vorteile gegenüber SWING: basiert auf Plugins, seine Widgets sind schneller

und User Interface bietet mehr Möglichkeiten




• dynamisches Laden neuer oder überarbeiteter Funktionalitäten ohne Neustart der kompletten Anwendung möglich

• Automatische Einbindung der Plugins durch Manifeste• manifest.xml beschreibt Abhängigkeiten zu anderen Plugins • Modularität der Anwendung durch Extension Points (plugin.xml) welche genau

beschreiben welche Komponenten (z.B. Klassen, Bilder und Konstanten) zur Einbindung durch das Plugin geliefert werden müssen

• zur Portierung des Candy Site Finders eignen sich die Eclipse RCP FrameworksEMF(Eclipse Modeling Framework) und GMF (Graphical Modeling Framework).– EMF zur Spezizierung des Datenmodells,

– bietet Konzepte zur persistenten Datenspeicherung– GMF bietet alle notwendigen Konzepte zur grafischen Modellierung

• Swing Komponenten der GUI können nicht einfach übernommen werden, da Eclipse SWT verwendet

• Portierung der GUI: - Neuimplementierung mit SWT ?- Eingebettete Variante mit SWING ?

• Extension Points sollte vor der Implementierung gut überlegt Definiert werden, da sehr wichtig für Zukunftssicherheit




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