Trådløs Kommunikasjon Andreas Arntsen Bård Myrstad

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

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

Båndbredde/datarate kapasitet Radio frekvens spekteret En endelig resurs Reguleres av myndighetene Flere interessegrupper 1983 40MHz Slutten av 80-tallet 50MHz 1995 170MHz

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hvorfor trådløst? Mange alternativer, alt fra relativt billige nett(Bluetooth og infrarødt WLAN), til dyrere radiobaserte nett(IEEE 802.11 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.

WLAN satt i perspektiv Parameter UMTS MBS (Mobile Broadband Systems) Områder Inne/Ute Mest Inne Frekvenser 1885-2025 MHz 2110-2200 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+ 100-1000 m Ca 50 m Fart Bil på motorveien Under 50 km/t Lav fart

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

GPRS arkitektur

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

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

Protokoll lagene i GPRS

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

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

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

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

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

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

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

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