Jarosław Szóstka WiMAX NOWY STANDARD DOSTĘPU RADIOWEGO
Kabelkom Sp. z o.o. Biuro handlowe Adres: ul. Bukowa 30 43-300 Bielsko-Biała, POLSKA Tel.: (+48) 33 821 35 38 Tel.: (+48) 33 819 11 43 Tel.: (+48) 33 498 00 02 Tel./Fax: (+48) 33 818 55 55 Naprawa i kalibracja mierników Adres: ul. Konstruktorska 6. 02-673 Warszawa, POLSKA Tel./Fax: (+48) 22 853 49 41 E-mail: serwis@kabelkom.pl
Plan wykładu Założenia wstępne nowego standardu Wprowadzone sposoby poprawienia łączności Parametry standardu WiMAX Propagacja i zasięgi stacji bazowych
System WiMAX - założenia Rośnie zapotrzebowanie na szybką transmisję danych (sieci szkieletowe, ostatnia mila, dostęp do innych sieci) Bardzo popularna jest usługa Triple Play (telefonia, TV i transmisja danych) Triple Play jest świadczona przez sieci TV kablowej i tradycyjne telekomy
System WiMAX - założenia Systemy kablowe lub światłowodowe nie wszędzie są możliwe do zastosowania W Polsce popularne stało się budowanie sieci dostępu bezprzewodowego i szkieletowych w standardzie Wi-Fi 802.11 Nie jest to dobre rozwiązanie: niedopuszczalnie duża moc EIRP, pasmo nielicencjonowane, niedostateczna przepływność i jakość transmisji. Wi-Fi jest odpowiednie do tworzenia sieci lokalnych.
System WiMAX - założenia Istniejące systemy są niewystarczające
System WiMAX - założenia Powstała idea opracowania nowego, elastycznego standardu do budowy m.in. bezprzewodowych sieci MAN (do 50 km) Należało uwzględnić przypadek braku bezpośredniej widoczności anten (NLOS) W standardzie uwzględniono mechanizmy obsługi jakości usług (QoS) i większą przepływność W przyszłości łącza ruchome (mobilne) Powstał standard WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) 802.16-2004 i 802.16e (łącza ruchome)
System WiMAX - założenia
System WiMAX - założenia
System WiMAX - zastosowania Szybkie bezprzewodowe łącze między węzłami sieci Bezprzewodowe łącze do punktów dostępowych innych sieci Łącze ostatniej mili Publiczny dostęp do Internetu (hot zones) Pokrycie dużych obszarów (również łącza mobilne)
Mechanizmy poprawy łączności Modulacja wielotonowa OFDM umożliwia pracę przy większym opóźnieniu odbitych impulsów, zwiększa odporność na interferencje międzysymbolowe, maleją wymagania na adaptacyjną korekcję kanału, większa dyspersyjność (10 µs, 900 ns dla Wi-Fi) Sygnał składa się z 256 nośnych 192 transmitują dane, 8 pilotów, 56 nośnych niewykorzystanych
Mechanizmy poprawy łączności Modulacja OFDM OFDM Jedna nośna Poziom f f S1 S2 S4 Czas S3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S5 Szeregowy strumień danych S6 S7 Każdy symbol moduluje jedną podnośną
Mechanizmy poprawy łączności Technika podkanałów w łączu do stacji bazowej bilans energetyczny jest w obu kierunkach asymetryczny (mniejsza moc nadajnika abonenta, inny poziom tła szumów radioelektrycznych), a technika podkanałów wyrównuje tłumienia w obu kierunkach. Polega ona na skoncentrowaniu mocy na wybranych podnośnych kosztem innych podnośnych
Mechanizmy poprawy łączności Widmo OFDM nadawane w kanale w dół przez BS Widmo OFDM nadawane w kanale w górę przez urządzenie abonenckie - mniejsza moc oznacza mniejszy zasięg transmisji Widmo OFDM nadawane w kanale w górę przez urządzenie abonenckie-ta sama moc jak w BS, ale wykorzystane tylko niektóre kanały
Mechanizmy poprawy łączności Odpowiednie anteny o dużej kierunkowości (zysku), anteny adaptacyjne, przestrzenny odbiór zbiorczy, sektoryzacja komórek Modulacje adaptacyjne system sam dobiera odpowiedni rodzaj modulacji w zależności od jakości łącza, umożliwiając zwiększenie przepływności przy dobrych warunkach propagacyjnych. Im gorsze łącze, tym modulacja bardziej odporna na zakłócenia.
Mechanizmy poprawy łączności Klasyczna antena promieniuje we wszystkich kierunkach większe zakłócenia, mniejsza pojemność systemu Antena adaptacyjna promieniuje tylko w kierunku odbiorcy zwiększenie sprawności energet., mniejsze zakłócenia, większa pojmność systemu
Mechanizmy poprawy łączności
Mechanizmy poprawy łączności 64 QAM SNR = 22 db 16 QAM SNR = 16 db QPSK SNR = 9 db BPSK SNR = 6 db
Mechanizmy poprawy łączności
Mechanizmy poprawy łączności QAM polega na przesłaniu danych na dwóch nośnych o tej samej częstotliwości i przesuniętych w fazie o 90 stopni Zwielokrotniamy ilość informacji nadawanych w tym samym pasmie Zmianie ulega zarówno amplituda, jak i faza nośnej, przesyłamy symbole, a nie bity Modulacja 64-QAM jest złożeniem dwóch sygnałów 8-QAM
Mechanizmy poprawy łączności Ze 180 przesunięciem fazy nośnych nadajemy 8 poziomów 000 100 001 101 010 110 011 111 I Channel Carrier Phase Data 180 przesunięcie fazy nośnych + = Carrier Amplitude Q Channel Carrier Phase 90 Shifted Carrier Phase Shift
Mechanizmy poprawy łączności 8 Level AM Modulator Składowa I Bity 101 010 Local Osc Sumator Oscillator Shifted 90 8 Level AM Modulator Składowa Q 64 QAM
Mechanizmy poprawy łączności Punkt w konstelacji Q Channel Faza nośnej I Channel Amplituda nośnej
Mechanizmy poprawy łączności Modulacja QAM o różnych wartościowościach I Q QPSK (4QAM) 64QAM wieksza wrażliwość na zakłócenia
Mechanizmy poprawy łączności Techniki korekcji błędów kody blokowe Reeda-Solomona, kody splotowe, przeplot. Gdy błędu nie można skorygować, stosuje się powtórzenie danych (ARQ). Kontrola mocy stacja bazowa reguluje poziom mocy w urządzeniu abonenckim, utrzymując dobrą jakość, zmniejszając zakłócenia i oszczędzając energię.
Parametry standardu WiMAX Pasmo 2-66 GHz (typowo 2-11 GHz), w Polsce 3,6 3,8 GHz, również 3,5 GHz (licenc.) Szerokość pasma 1,5 20 MHz (typowo 1.75, 3.5, 7 i 14 MHz) Przepływność do 75 Mbit/s TDMA w łączu w górę, zwielokrotnienie TDM w łączu w dół, w pasmach nielicencjonowanych dupleks czasowy TDD, a w licencjonowanych dodatkowo FDD (również półduplex H-FDD)
Parametry standardu WiMAX
Parametry standardu WiMAX Stacja bazowa obsługuje do 1000 abonentów Nadajniki mogą pracować w jednej z czterech klas mocy (najwyższa to 1 W mocy wyjściowej nadajnika) Sprawność wykorzystania widma do 3,7 bit/s/hz Wyższa jakość usług dzięki wprowadzeniu mechanizmów QoS (np. większa przepływność dla klientów biznesowych czy małe opóźnienie dla VoIP), wiele usług jednocześnie (TV, VoIP) Większa odporność na wzrost ruchu niż dla Wi-Fi
Parametry standardu WiMAX WiMAX ma mechanizmy zapewniające prywatność i bezpieczeństwo (autoryzacja terminala i użytkownika) Wykorzystane jest zarządzanie kluczem prywatnym PKM (X.509) Do szyfrowania wykorzystywany jest algorytm DES (PKMv1), w 802.16e AES (PKMv2) Wykorzystuje się połączenia kontrolne, danych i dodatkowe
Parametry standardu WiMAX Jakość usług jest uzyskiwana przez tzw. klasy usług (SC) i strumienie danych (SF) Klasa usług UGS dla połączeń nie tolerujących opóźnień (E1, VoIP bez redukcji ciszy), klasa rtps usługi regularnie generujące paczki danych o zmiennej długości (VoIP z redukcją ciszy, MPEG), Best Effort przeglądanie stron WWW. Kontrolę jakości wykonuje stacja bazowa Parametry QoS mogą być negocjowane w czasie połączenia w oparciu o protokół SNMP
Mobilność WiMAX Stopniowe przechodzenie: nomadyczność, przenośność, mobilność Przejmowanie transmisji <50ms Downlink do 63 Mbit/s, uplink do 28 Mbit/s (w kanale 10 MHz) Zastosowanie techniki wieloantenowej MIMO Kształtowanie wiązki promieniowania (anteny adaptacyjne) Tryby oszczędzające akumulatory
Zasięgi w standardzie WiMAX Zasięg zależy od typu stacji bazowej. Wyróżnia się dwa typy: Standardowa SB (standardowa moc wyjściowa, tzw. parametry obowiązkowe) Opcjonalna SB (wyższa moc wyjściowa, odbiór i nadawanie zbiorcze, kodowanie przestrzenno-czasowe, technika podkanałów i ARQ)
Zasięgi w standardzie WiMAX
Zasięgi w standardzie WiMAX Typ stacji bazowej Promień komórki (km) standardowa od do od do 10 16 30 50 1 2 4 9 wewnątrz budynków 0,3 0,5 1 2 Downlink 11,3 8 11,3 8 Uplink 11,3 8 11,3 8 Downlink 11,3 2,8 11,3 2,8 Uplink 11,3 2,8 0,7 0,175 * LOS NLOS płaski) Maks. przepływność na sektor (Mbit/s) Maks. przepływność dla urz. abonenckiego na krawędzi komórki (Mbit/s) opcjonalna (teren *Podana przepływność w łączu w górę zakłada użycie jednego podkanału w celu zwiększenia zasięgu stacji.
Zasięgi w standardzie WiMAX Przy zasięgu LOS korzystamy z typowych modeli do projektowania linii radiowych, określając wierność i dostępność (np.99,95%) Dla NLOS nie można skorzystać z modeli używanych w telefonii komórkowej (tylko poniżej 2 GHz) Można wykorzystać modele fizyczne, ale są one bardzo skomplikowane i wymagają wielu obliczeń
Zasięgi w standardzie WiMAX Dla NLOS wykorzystuje się modele statystyczne. W zaleceniu 802.16 opisano tzw. model SUI SUI wyodrębnia 3 typy terenu (pagórkowaty/ gęsty las, pagórkowaty /rzadki las lub płaski/gesty las, płaski/ rzadki las) Model określa procent prawdopodobieństwa pokrycia terenu 90 % miejsc oznacza, że statystycznie 90 na 100 abonentów ma łączność w określonym procencie czasu (np. 95%)
Zasięgi w standardzie WiMAX Symulowany zasięg na poziomie dachu
Zasięgi w standardzie WiMAX Symulowany zasięg mobilny na poziomie ziemi
Zasięgi w standardzie WiMAX Niestety, zasięgów NLOS, szczególnie w mieście, nie można precyzyjnie obliczyć błąd może być bardzo duży Jedynym sposobem weryfikacji zasięgu jest pomiar propagacyjny Ponieważ WiMAX jest systemem cyfrowym, należy mierzyć nie tylko natężenie pola elektrycznego, ale również parametry sygnału (BER, MER, konstelację itp.)
Zasięgi w standardzie WiMAX TELE-COM wraz z partnerem, firmą KABELKOM, posiada specjalizowany wóz pomiarowy do pomiarów propagacyjnych systemów WiMAX, TETRA, P.25, MPT1327, DVB-T, DVBH, UKF-FM, TV analogowa...
AMSmax dla WiMAX Analizator R&S jako platforma pomiarowa stan obecny AMSmax system pomiarowy firmy Kabelkom, AMSmax wersja stajonarna oraz mobilna Wsparcie dla GIS Dowolne mapy skanowane, zdjęcia... Pomiary wykonujemy w każdym terenie...
AMSmax dla WiMAX pomiary w zakresie częstotliwości od 9kHz do 6GHz, pomiar mocy, MER, statystyki CCDF, bit stream, pomiar zasięgu/pokrycie sygnałem obszaru wokół nadajnika, pomiary stacjonarne oraz mobilne, określenie zasięgu przy braku widoczności anteny nadawczej (NLOS), określenie maksymalnego zasięgu transmisji, określenie rzeczywistej jakości sygnału na danym obszarze, współpraca z systemem GPS.
AMSmax dla WiMAX Pomiary systemu