physikalischer Planung drahtloser Netzwerke (WLAN / WiMAX) im Fakultät Informatik Professur Rechnernetze Großer Beleg Weiterentwicklung von Methoden physikalischer Planung drahtloser Netzwerke (WLAN / WiMAX) im Rahmen des CANDY Frameworks Andreas Eulitzer Dresden, 22.11.2007

Gliederung Einleitung 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

1. Einleitung schnelllebige Zeit Drang nach immer mehr Mobilität 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

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) TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

IEEE 802.11a seit 1999 Frequenzband um 5 GHz (Lizenzpflichtig) 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

IEEE 802.11g seit Juli 2003 ISM Frequenzband um 2,4 GHz (Lizenzfrei) 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

IEEE 802.11n (draft) seit Januar 2006 ISM Frequenzband um 2,4 GHz 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

IEEE 802.11p Wireless Access in the Vehicular Environment 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

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. TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

IEEE 802.16-2001 erster Standard für Punkt zu Punkt Verbindungen 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

IEEE 802.16a seit Januar 2003 Frequenzbereich: 2-11 GHz 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) TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

IEEE 802.16-2004 – WiMAX fixed seit 2004 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) TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

IEEE 802.16e-2005 – WiMAX mobile seit 2005 Frequenzband: 2 bis 6 GHz 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

3. Physikalische Grundlagen 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

Dämpfung Beugung Interferenzen 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

Mehrwegeausbreitung Fresnel Zone 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

Antennen wichtigster Bestandteil drahtloser Netzwerke 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

4. Ausbreitungsmodelle wichtigstes Mittel zur Funknetzplanung 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 TU Dresden, 22.11.2007 Andreas Eulitzer

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

Lineares Dämpfungsmodell Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Okumura Hata Modell Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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 Gliederung – Einleitung – Entwicklungsstand WLAN – WiMAX – Physikalische Grundlagen – Ausbreitungsmodelle – Auswahlmethoden - Portierung 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

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