Trådløs Kommunikasjon

Presentasjon om: "Trådløs Kommunikasjon"— Utskrift av presentasjonen:

1 Trådløs Kommunikasjon
Andreas Arntsen Bård Myrstad

2 Artikler Wireless Bandwidth in the Making
metoder for økt båndbredde i trådløse nett A MAC Protocol for a Wireless LAN Based on OFDM-CDMA lokale WLAN alternativer Packet Mode in Wireless Networks: Overview of Transition to Third Generation 2. generasjon – GSM, CDMA/IS95A 2.5 generasjon – GSM/GPRS/HSCSD, CDMA/IS95B 3. generasjon – UMTS, CDMA2000

3 Trådløse teknikker for økt utnyttelse av frekvens spekteret
”Wireless Bandwidth in the making” Sergio verdu, Princeton University IEEE Communication Magazine, july 2000

4 Båndbredde/datarate kapasitet
Radio frekvens spekteret En endelig resurs Reguleres av myndighetene Flere interessegrupper MHz Slutten av 80-tallet 50MHz MHz

5 Moor’s law Shannon’s capacity law
Datarate per frekvens er begrenset Moore’s law virker ikke i det trådløse domene Men det er mer å gå på

6 Problemer i trådløsverden
Fading Varierer over tid Trådløse kanalers parametere varierer mer Doppler Multi-User Brukerne er geografisk sprett .. .. Og de er ukoordinerte Strøm begrensninger Begrenser styrken på signalet Begrenser kompleksiteten i design

7 Multi-aksess teknikker
Oppdeling av celler 3G har en hierarkisk cellestruktur, der ”hot spots” kontrolleres av mikroceller Kan ikke deles uendelig Trenger flere basestasjoner Flere og større ”gråsoner” Terminalene vil bytte basestasjon oftere

8 Forbedringer i CDMA Bredspekter teknikker er robuste men gir dårligere utnyttelse av frekvens spekteret Øke antall brukere per chip 4 ganger bedre utnyttelse ved å gå fra ¼ til 2 brukere pr chip Skille data og taletrafikk Stiller ulike krav til signal styrke og spektral utnyttelse Går fra simultan transmisjon til pakke trafikk

9 Forbedringer i TDMA Dynamisk tildeling av kanaler
Tildeler større/flere tidsluker ved liten trafikk Prising for trafikkbelastning Hybrider av CDMA og TDMA

10 Wideband impuls radio Sender korte impulser i små tidsintervall
Stjeler tidsluker fra andre frekvenser Foreløpig ikke lovlig

11 Multi-bruker deteksjon
Støy fra andre brukere utgjør en stor del av den totale støyen 2G ser på dette som bakgrunnsstøy Multi-aksess støy har struktur og er mindre tilfeldig enn Gaussisk støy Kan brukes til filtrering Kjenne igjen tidligere mottatte signaler

12 Antenne Array Direktive antenner Smarte antenner Mindre strømkrevende
Minsker støyen til andre antenner Reduserer forsinkede signaler Smarte antenner Justeres automatisk etter hvor brukerne befinner seg Ikke så effektivt innendørs

13 Antenne Array Et mottaker antenne array med tilstrekkelig avstand mellom mottakerne Fadingen er uavhengig av hverandre Vi et robust signalet Et antenne array på sender siden Subkannaler – kan sende ulik informasjon på hver sender på samme frekvens Forutsetter kjente fading konstanter

14 Fading mottiltak Tid Frekvens Rom Multi-bruker
Sprer informasjonen i hvert bit over tid, ”interleaving”, for å hindre error bursts Frekvens Bredspektret modulasjon sprer informasjonen i hvert bit over frekvens Rom Antenne array ”Macrodiversity” – samme melding mottas av flere basestasjoner samtidig Multi-bruker Flere sendere kan oppnå bedre effektivitet sammen

15 Channel Error Control Coding
Legge på redundant informasjon Turbo koding/dekoding Oppnår ytelse nær opp mot Shannons grense Er iterativ og har en dekoding forsinkelse som gjør den ubrukelig for tale Burst error correction og interleaving er mest brukt Fremtidige strategier Adaptive kode strategier - varierer antall bit per sendte symbol etter kanalens fading nivå Toveiskommunikasjon

16 Lokale WLAN alternativer
”A MAC Protocol for a Wireless LAN Based on OFDM-CDMA” Francesca Cuomo, Andrea Baiocchi & Roberto Cautelier, University of Rome ”La Sapienza IEEE Communications Magazine, September 2000

17 LAN requirements, krav til et godt lokalnett
Høy båndbredde Rask og sikker overføring Fleksibelt med hensyn på utvidelser og endringer

18 Hvorfor trådløst? Enklere å sette opp Kontinuerlig dekning
Ad hoc endringer og utvidelser blir enklere Støtter bruker-/terminalmobilitet

19 Hvorfor trådløst? Mange alternativer, alt fra relativt billige nett(Bluetooth og infrarødt WLAN), til dyrere radiobaserte nett(IEEE og HIPERLAN) Trådløse nett er relativt billige i forhold til tradisjonelle ’kablede’ nett, spesielt med tanke på oppgarderinger, eller ved endringer i infrastrukturen i nettet.

20 WLAN satt i perspektiv Parameter UMTS MBS (Mobile Broadband Systems)
Områder Inne/Ute Mest Inne Frekvenser MHz MHz 40 og 60 GHz 2.4, 5 og 17 GHz, (eksperimenter med 60 GHz) Data rate 2 Mb/s 2-155 Mb/s 1-54Mb/s Avstand fra Basestasjon 10 km+ m Ca 50 m Fart Bil på motorveien Under 50 km/t Lav fart

21 WLAN arkitektur Terminaler (PCer, Laptop’er ol.. egentlig alt med et WLAN kort som passer) Basestasjoner, kommuniserer med flere terminaler Gateway/router til andre nett, for eksempel Internett

22 WLAN protokoller Service layer(SL), Adressering, ruting og trafikkstyring. Omtrent som et IP lag men med bedre støtte for QoS Adaption layer(AL), tilpasser SL pakker til MAC, sjekker mottatte pakker for feil og ber eventuelt om retransmittering Medium Access Control(MAC) layer, sørger for fordeling av radioressursene mellom ulike pakkestrømmer Physical layer, modulering/demodulering, kanalkoding, synkronisering og transmisjon

23 Bredbånds WLAN Høy ytelse, radiobasert
Skal støtte roaming, tillate brukere å bruke andre nett enn ’hjemmenettet’ Støtte for flere tjenester, alt fra best-effort til krevende realtime applikasjoner

24 Praktiske problemer Irregulært innendørs miljø
Interferens fra andre systemer Lav signalstyrke både pga. begrenset batterikapasitet i terminaler og pga. lovgivning Objekter og personer beveger på seg

25 Mottiltak ’smarte’ antenner Bedre feildeteksjon og korreksjon
Robuste moduleringsteknikker, som for eksempel Orthogonal frequency-division multiplexing(OFDM)

26 Modulering og Multiple Access
Single Carrier(SC) Alt sendes på en kanal/frekvens Intersymbol interferens(ISI), på grunn av at deler av symbolene bruker lengre tid Multi Carrier(MC) OFDM Kanalen deles i flere under-kanaler, og det legges inn pauser mellom signalene Mer sårbar for ustabile oscillatorer (signalgenererere) siden data sendes i parallell To muligheter OFDM-TDMA OFDM-CDMA

27 Pakkeoverføring i cellulære nett
”Packet Mode in Wireless Networks: Overview of Transition to Third Generation” Behcet Sarikaya, University of Aizu IEEE Communication Magazine, September 2000

28 Dagens nett(2G) GSM, IS-95/CDMA Lav båndbredde, 9.6-32 kb/s
Taletelefoni dominerer Prognoser spår fortsatt vekst innen taletelefoni, og en ’eksplosjon’ når det gjelder øvrige tjenester

29 Krav til morgendagens cellulære nett
Bedre kapasitet Større båndbredde til den enkelte bruker Støtte for avanserte/krevende applikasjoner og terminaler Integrasjon med Internet, støtte for Mobil IP

30 Tjenester/Båndbredde
Tale/lav båndbredde E-post, Filoverføring, bilder, musikk TV, video/høy båndbredde

31 Veien til 3G 2G+ er utvidelser av dagens 2G nett GPRS IS-95B
samme luftgrensesnitt Tilbyr høyhastighetstrafikk GPRS En utvidelse av GSM 165.5 kb/s downlink, 154 kb/s uplink TDMA (Time Division Multiple Access)-basert IS-95B En utvidelse av IS-95 CDMA (Code Division Multiple Access)-basert

32 GPRS arkitektur

33 Logiske kanaler i GPRS Packet Common Control Channel PCCCH
Packet Random Access Channel (PRACH) (uplink) for å initiere data eller signal trafikk Packet Paging Channel (PPCH) (downlink) for å nå en mobil før pakketransport Packet Access Grant Channel (PAGCH) (downlink) sende resurs tildeling til en mobil Packet Broadcast Control Channel (PBCCH) (downlink) kringkaster system info for pakketrafikk

34 Andre kanaler i GPRS Packet Data Transfer Channel (PDTCH)
En kanal dedikert til datatrafikk Midlertidig gitt til 1 mobil 1 mobil kan bruke flere PDTCH Enten uplink eller downlink Packet Assosiated Control Chanel Signal informasjon til en bestemt mobil Allokering og re-allokerings meldinger f.eks. PDTCH’er

35 Protokoll lagene i GPRS

36 Temporary Block Flow (TBF)
Den fysiske forbindelsen for transport av en LLC pakke Hver TBF får utdelt en unik ID av nettverket Kan transporteres ved en eller flere PDTCH’er

37 IS-95B Støtter multiple koder per mobil
1 FCC (Fundamental Code Channel) + opptil 7 SCC (Supplemental Code Channels 20 ms frames 9.6kb/s eller 14.4 kb/s

38 Kanaler i IS-95B Downlink kanaler Uplink kanaler Sync channel
Pilot channel Gir CDMA infrastruktur meldinger f.eks. demodulasjon Paging channel Traffic channel Uplink kanaler Access channel Initierer en oppringing/svar på en paging channel melding Sync channel Sender ut info om bl.a. paging channel data rate

39 IS-95B En mobil sender primært på FCC
Basestasjonen sender en SCCassign melding til mobilen og begynner å sende på SCC kanalen Mobilen sender en SCCrequest melding og får en SCCassign melding tilbake, sender så på SCC kanalen En celle kan ha 64 uplink kanaler på en gitt frekvens

40 Tredje generasjons nett
Mye forskning siden tidlig på 90-tallet To hovedkonkurrenter CDMA-2000 UMTS Begge baserer seg på WCDMA (Wideband Code Division Mulitple Access) som radiogrensesnitt, og vil sannsynligvis ha kompatible terminaler

41 cdma2000 Bygger videre på IS-95B
0 eller 1 SCC kanaler med 9.6kb/s til 2Mb/s Frames på 5, 10, 20, 40 og 80 ms Downlink channels = forward channels og uplink channels = reverse channels En rekke nye kanaler bl.a. for tilstandsinformasjon

42 cdma2000 For å få tilgang til en eller flere trafikkanaler sender mobilen en access probe (på R-ACH) En trafikk kanal blir tildelt via en melding i neste frame Ingen melding mottas Sender meldingen igjen etter en eksponensielt økende tid Radio Configuratons Spesifiserer datarate, coding og andre parametere Settes ved initiering av kanalen Har f.eks. radio konfigurasjoner for bakover kompatibilitet

43 UMTS Båndbredde 2 Mb/s (GPRS rundt 160 kb/s)
Informasjon og underholdning Et arbeidsredskap Fjernarbeid, tilgang til bedriftens intranett Video konferanse