Großer Beleg Weiterentwicklung von Methoden physikalischer Planung drahtloser

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

TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer Folie 2 von 24

Gliederung1. 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 Riche Client Platform

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

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

• immer bessere Netzwerke nötig• genaue Planung für Flächendeckende Nutzung

• Basis: elektromagentische Wellen• Problem: - physikalische Ausbreitungseigenschaften

- Geographische Besonderheiten

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


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

2. I - WLAN- Standards • WLAN – Wireless Local Area Network nach IEEE 802.11

• genutzte Frequenzen: - ISM Band bei 2,4 GHz (Lizenzfrei, 79 Kanäle)- Frequenzbereich um 5 GHz (Lizenzpflichtig)

• Nutzbare Kanäle (DSSS): - 13 Europa (3 Überlappungsfrei)- 11 USA- 14 Japan

• Probleme: - Shared Medium- Carrier Sense Multiple Access (CSMA) - Collision Domain entspricht der Reichweite vom Sender- Reflektion, Beugung, Polarisation, Interferenz- Fresnel-Zone

• maximale Sendeleistung: - 100mW (Europa)- 1000mW (USA)


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

IEEE 802.11a• seit 1999• Frequenzband um 5 GHz (Lizenzpflichtig)• erlaubte Sendeleistung Frequenzabhängig, max. 1W (Outdoor)• Sendeleistungen > 1W – 802.11h: DFS (Dynamic Frequency Selection) TCP

(Transmission Power Control)

• Datenraten bis zu 54 Mbit/s (32 Mbit/s)• Qualität des Subträgers -> Modulationsverfahren -> Datenrate

– BPSK bis 9 Mbit/s, QPSK bis 18 Mbit/s, 16-QAM 36 Mbit/s, 64-QAM bis 54Mbit/s

- wenig Verbreitet wegen Rechtliche Nutzungsbeschränkungen- durch DFS und TCP teurer als reine 802.11b / g Geräte- Single Band Geräte nach 802.11a inkompatibel zu 802.11b/g+ 5 GHz Frequenzband seltener genutzt als ISM Band+ durch DFS deutlich zuverlässiger und weniger Störanfällig+ hohe Sendeleistung outdoor -> Richtfunkanbindung



IEEE 802.11b• seit Oktober 1999• ISM Frequenzband um 2,4 GHz (Lizenzfrei), 79 Kanäle• erlaubte Sendeleistung 100mW• Reichweite: max. 40m (indoor)

max. 100m (outdoor, LOS)• maximale Datenrate 11 Mbit/s

– wegen CSMA/CA Protokolloverhead max. 5,9 Mbit/s (TCP) / 7,1 Mbit/s (UDP)• Modulationsverfahren DSSS -> Zusammenfassung zu 13 Kanälen

• inoffizielle Erweiterungen durch TI• doppelte, dreifache oder vierfache Datenrate (22 MBit / 33 MBit / 44 MBit)• Kodierverfahren Packet Binary Convolutional Coding (PBCC)• Gleichzeitiges Senden auf mehreren Kanälen• nie Standartisiert, überflüssig mit 802.11g



IEEE 802.11g• seit Juli 2003• ISM Frequenzband um 2,4 GHz (Lizenzfrei)• maximale Datenrate 54 Mbit/s (19 Mbit/s)• Modulationsverfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)• Modulationsverfahren Abwärtskompatibel zu 802.11a (dualband)

• 1, 2, 5.5 und 11 Mbit/s Complementary Code Keying CCK• 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, und 54 Mbit/s OFDM

• Unterschiedliche Modulationsverfahren zu 802.11b• 802.11b Gerät erkennt nicht ob Übertragungsmedium durch 802.11g Gerät

belegt ist• bei anwesenden 802.11b Geräten Voranstellung CTS Steuerpaket• Reservierung des Mediums für bestimmt Zeit• 802.11b und 802.11g auf selben Funkkanal -> Reduzierte Datenrate



IEEE 802.11n (draft)• seit Januar 2006 • ISM Frequenzband um 2,4 GHz• maximale Datenrate 315 Mbit/s (100 Mbit/s) später bis zu 630 Mbit/s (320 Mbit/s)• Reichweite bis zu 100m (indoor) / 200m (outdoor)

• höherer Durchsatz auf MAC Layer, geringerer Overhead durch Frame Aggregation, Packet Aggregation und Packet Bursting

• bessere Aufteilung der Bandbreite durch adaptive MACs

• Kombination von MIMO und OFDM -> Steigerung der Performance und der Spektralen Effizienz

• Gleichzeitige Nutzung von zweier 20 MHz-Kanälen (54 Mbit/s) Verdopplung durch MIMO auf etwa 125 Mbit/s möglich, 2x2 MIMO weitere Verdoppelung, 4x4 Konguration Vervierfachung auf etwa 500 Mbit/s

• Draft 802.11n Geräte erhältlich -> nach Ratifizierung (Sommer 2008) durch IEEE Aktualisierung der Treiber / Firmware

• Abwärtskompatibilität zu 802.11b/g



IEEE 802.11p• Wireless Access in the Vehicular Environment

• Entwicklungsstadium, Veröffentlichung voraussichtlich April 2009• ITS Frequenzband um 5,9 GHz (Lizenzpflichtig)• 7 Kanäle mit je 10 MHz• Datenraten zwischen 3 und 27 Mbit/s (brutto)

• Datenaustausch zwischen Fahrzeugen mit hoher Geschwindigkeit sowie Datenaustausch zwischen Fahrzeugen und Infrastruktur am Straßenrand

• kostengünstige Funktechnik für Fahrzeugkommunikation auf Basis von WLAN



2. II – WiMAX - Standards• Worldwide Interoperability for Microwave Access• IEEE 802.16• Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 66 GHz (Lizenzpflichtig)• ab 10 GHz LOS nötig• in Deutschland hauptsächlich 3,4 bis 3,6 GHz

• Unterschied zu WLAN: Vorhandensein einer Basisstation

• erste kommerzielle Netze seit Ende 2005 (Deutschen Breitband Dienste GmbH (DBD) und Arcor)

• seit Ende 2006 in Dresden (Maxxonair) mit Geschwindigkeiten bis 2 Mbit/s

• Bedingungen für die Lizenzvergabe: - bis Ende 2009 in jedem Versorgungsgebiet 15 Prozent der Gemeinden abgedeckt- bis Ende 2011 25 Prozent

• bundesweites Netz benötigt etwa 10.000 Basisstationen, Aufbau wird Schätzungen zufolge 500 Millionen Euro kosten, jährlicher Betrieb wird mit 160 Millionen Euro geschätzt.



IEEE 802.16-2001• erster Standard für Punkt zu Punkt Verbindungen• Frequenzbereich zwischen 10 GHz und 66 GHz (23-38 GHz in D) (LOS)• Bandbreiten von 20, 25 und 28 MHz• Übertragungsraten von 32 Mbit/s bis 134 Mbit/s• Entfernung von bis zu 5 km möglich

• Medienzugrifsverfahren: Time Division Multiple Access (TDMA) mit Time Division Duplex (TDD) und Frequency Division Duplex (FDD)

• Modulationsverfahren QPSK, 16 QAM oder 64 QAM

• Nutzung nur für Richtfunk und drahtloses Backbone Netz• konnte sich nicht Durchsetzen



IEEE 802.16a• seit Januar 2003• Frequenzbereich: 2-11 GHz• Kanalbandbreite: 1,25 bis 20 MHz• Reichweite bis 50 Km (LOS) / 7-10 Km (NLOS)• Point zu Multipoint Verbindung mit zellulär angeordneten zentralen

Basisstationen • kein Roaming zwischen Basisstationen• QoS Implementiert

• PHYs Layer: Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) und Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA) -> höhere spektrale Effzienz

• MAC Layer: slotted Time Division Multiple Access (TDMA)



IEEE 802.16-2004 – WiMAX fixed• seit 2004• vollständige Überarbeitung von IEEE 802.16

• kein Handover• Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 66 GHz• Kanalbandbreite zwischen 1,75 MHz und 20 MHz.

• Modulationsverfahren: OFDM (mit TDD und FDD) und OFDMA

• Reichweite abhängig von Kanalbandbreite • bei LoS werden bei einer Reichweite von 30 km 3,75 bit/s/Hz erreicht• bei NLoS können 2 bit/s/Hz über 6 km übertragen werden• 20 MHz breiter Kanal -> Übertragungsraten von 75 Mbit/s (LoS) bzw. 40 Mbit/s

(NLoS)



IEEE 802.16e-2005 – WiMAX mobile• seit 2005• Frequenzband: 2 bis 6 GHz• Roaming und Handover implementiert• bis zu Geschwindigkeiten von 120 Km/h• maximale Datenrate: 46 Mbit/s

• neben OFDM auch Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access SOFDMA (niedrigere Rechenleistung)

• QoS mit 5 Serviceklassen implementiert• Aushandlung der Serviceklassen bei Verbindung zur Basisstation



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 Energieverlußt an die Umwelt• Abhängig von zu durchdringendem Material• Freiraumdämpfung:



2

F4 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 dd

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


Großer Beleg Weiterentwicklung von Methoden physikalischer Planung drahtloser

Documents

Transcript of Großer Beleg Weiterentwicklung von Methoden physikalischer Planung drahtloser