Großer Beleg Weiterentwicklung von Methoden physikalischer Planung drahtloser

1. Fakultät Informatik Professur Rechnernetze Großer BelegWeiterentwicklung von Methoden physikalischer Planung drahtloser Netzwerke (WLAN / WiMAX) im Rahmen des CANDY FrameworksAndreas Eulitzer Dresden, 22.11.2007

2. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung Gliederung • Einleitung • Entwicklungsstand von WLAN- und WiMAX- Netzwerken • WLAN • WiMAX • Physikalische Grundlagen elektromagnetischer Wellen • Elektromagnetische Wellen • Antennen • Ausbreitungsmodelle Elektromagnetischer Wellen • Empirische Ausbreitungsmodelle • Semi-Empirische Ausbreitungsmodelle • Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle • Feldtheoretische Ausbreitungsmodelle • Link Budget • Konzepte zur Auswahl der passenden Modelle, Methoden • Auswahl der optimalen Senderstandorte • Auswahl der Ausbreitungsmodelle anhand der Zellengröße • Konzepte zur Portierung des CANDY SF in die Eclipse Riche Client Platform Andreas Eulitzer

3. 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 Andreas Eulitzer

4. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – 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) Andreas Eulitzer

5. 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 Andreas Eulitzer

6. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

7. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

8. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

9. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

10. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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. Andreas Eulitzer

11. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

12. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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) Andreas Eulitzer

13. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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) Andreas Eulitzer

14. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

15. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

16. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung Dämpfung • Verringerung der Amplitude durch Energieverlußt an die Umwelt • Abhängig von zu durchdringendem Material • Freiraumdämpfung: 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 Andreas Eulitzer

17. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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: Fresnel Zone • Räumliche Bereich zwischen Sender und Empfänger in welchem der Hauptteil der Energie Übertragen wird • Radius der Fresnel Zone Andreas Eulitzer

18. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

19. Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Andreas Eulitzer

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

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

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

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

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

25. Semi-empirische Modelle berücksichtigen vereinfachte Modelle der Umgebung und somit einige Physikalische Besonderheiten Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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

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

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

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