Το Πρότυπο Ασύρματων Ευρυζωνικών Επικοινωνιών WiMAX*: Τεχνικά Χαρακτηριστικά και Επιδόσεις *Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) Θερινό Σχολείο 2007 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος Ομιλητής: Φυσικός (Bsc), Ραδιοηλεκτρολόγος (Msc, PhD) Συνεργαζόμενος ερευνητής στο: Εργαστήριο Κινητών Επικοινωνιών, Ινστιτούτο Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών, Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών- Δημόκριτος E-mail: nsagias@ieee.org Ιστοσελίδα: www.iit.demokritos.gr/~nsagias Αθήνα, 16 Ιουλίου 2008
Περιεχόμενα Εισαγωγικά Περιγραφή Τεχνικά χαρακτηριστικά Προηγμένες τεχνικές κεραιών Συγκριτικά Προϊόντα Άδειες (Ελλάδα) Βιβλιογραφικές πηγές 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 2/36
Εισαγωγικά (1/4) Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Μη κερδοσκοπική οργάνωση Περισσότερα από 370,000 μέλη Περισσότερους από 1,500 φοιτητικούς κλάδους I-triple-E Έκδοση 132 περιοδικών Σύσταση 900 προτύπων Ομάδα εργασίας ΙΕΕΕ 802.16 συστάθηκε Αύγουστο 1998 και επικύρωσε τα εξής πρότυπα: ΙΕΕΕ 802.16 Οκτώβριος 2001 ΙΕΕΕ 802.16a Ιανουάριος 2003 ΙΕΕΕ 802.16d Ιούνιος 2004 ΙΕΕΕ 802.16e Δεκέμβριο 2005 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 3/36
Εισαγωγικά (2/4) Το πρότυπο WiMAX: Αναπτύχθηκε από το WiMAX Forum (συστάθηκε Ιούνιο 2001) Περιλαμβάνει χαρακτηριστικά των ΙΕΕΕ 802.16d και 802.16e Φιλοδοξεί για επικοινωνίες πανταχού παρούσες (ubiquitous) Παρέχει ευρυζωνικές υπηρεσίες σε σταθερούς/κινητούς χρήστες Υποστηρίζεται από μεγάλους κατασκευαστές: Intel, Fujitsu, Samsung The WiMAX Forum is an industry-led, not-for-profit organization formed to certify and promote the compatibility and interoperability of broadband wireless products based upon the harmonized IEEE 802.16/ETSI HiperMAN standard 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 4/36
Εισαγωγικά (3/4) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 5/36
Εισαγωγικά (4/4) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 6/36
Περιγραφή (1/4) Υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης (έως 75 Mbps) Σταθερή και κινητή πρόσβαση ΙΕΕΕ 802.16d: σταθερά τερματικά ΙΕΕΕ 802.16e: κινητά τερματικά Υποστηρίζονται ταχύτητες τερματικών έως 150Km/h Από ένα σταθμό βάσης παρέχεται κάλυψη σε ακτίνα έως 50km 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 7/36
Περιγραφή (2/4) Οικονομικά ελκυστική τεχνολογία Υψηλού επιπέδου ασφάλεια Δεν απαιτείται απαραίτητα οπτική επαφή Προηγμένη αρχιτεκτονική βασισμένη σε IP 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 8/36
Περιγραφή (3/4) Λειτουργεί και σε ζώνες συχνοτήτων που δεν απαιτείται άδεια Ευελιξία (διάφορα φασματικά εύροι) Υποστηρίζονται ακατάστατα δίκτυα Υποστηρίζει υπηρεσίες τηλεφώνου, video, δεδομένων, 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 9/36
Περιγραφή (4/4) Το WiMAX είναι σχεδιασμένο για: Υπηρεσίες διαδικτύου Τηλέφωνο (VoIP) Σταθερό Κινητό Πολυμεσικές υπηρεσίες Εικόνα Κινούμενη εικόνα Τηλεόραση Δεδομένα 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 10/36
Τεχνικά Χαρακτηριστικά (1/8) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) GB GB f 1 f 2 f 3 Frequency Division Multiplexing (FDM) Συνθήκη ορθογωνιότητας: Όλες οι υπο-φέρουσες συχνότητες είναι ορθογώνιες μεταξύ τους f 1 f 2 f 3 OFDM 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 11/36
Τεχνικά Χαρακτηριστικά (2/8) Πλεονεκτήματα OFDM Οικονομία στο εύρος ζώνης Χαμηλή πολυπλοκότητα υλοποίησης Υψηλή ανοχή στην πολυδιόδευση Μειονεκτήματα OFDM Ευαισθησία σε ολισθήσεις φάσης, χρόνου και συχνότητας Μη γραμμικότητες στην εκπομπή 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 12/36
Τεχνικά Χαρακτηριστικά (3/8) QPSK 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 13/36
Τεχνικά Χαρακτηριστικά (4/8) Τεχνική πρόσβασης OFDM Χρησιμοποιούνται N=256, 512, 1024 και 2048 υπο-φέρουσες Για N=256, 192 υπο-φέρουσες αφιερώνονται σε δεδομένα, 8 σε πιλοτικά σύμβολα και 56 μηδενίζονται Διαμόρφωση BPSK ή M-QAM, με M=4, 16 και 64 Κώδικες Turbo/802.16d και LDPC/802.16e 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 14/36
Τεχνικά Χαρακτηριστικά (5/8) Το WiMAX είναι σύστημα Full-Duplex (TDD ή FDD) Time Division Duplex (TDD) downlink uplink χρόνος Frequency Division Duplex (FDD) downlink uplink συχνότητα 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 15/36
Τεχνικά Χαρακτηριστικά (6/8) Πολλαπλή πρόσβαση Downlink Πολυπλεξία χρόνου (TDM) Uplink 802.16d: TDMA 802.16e: OFDMA 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 16/36
Τεχνικά Χαρακτηριστικά (7/8) Μηχανισμοί στο 802.16e Διαχείριση ισχύος Sleep mode Idle mode Μεταπομπή Hard handoff Fast base station switching Macro diversity handover Soft handoff 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 17/36
Τεχνικά Χαρακτηριστικά (8/8) Δίκτυα Μονής Συχνότητας (SFN) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 18/36
Προηγμένες Τεχνικές Κεραιών (1/7) Στιγμιαία ισχύς διαλείψεων (db) β) Διαλείψεις Χρόνος (msec) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 19/36
Προηγμένες Τεχνικές Κεραιών (2/7) Μίααπότιςδημοφιλέστερεςμεθόδουςκαταπολέμησηςτων διαλείψεων είναι η τεχνική του διαφορισμού (diversity). Διαφορισμός στο δέκτη ονομάζεται η μέθοδος κατά την οποία δύο ή περισσότερα αντίγραφα του ίδιου σήματος λαμβάνονται και συνδυάζονται κατάλληλα προκειμένου να προκύψει ένα σήμα ενισχυμένο. Στο WiMAX χρησιμοποιούνται οι παρακάτω τεχνικές διαφορισμού: Διαφορισμός χώρου (space diversity) κώδικες χώρου-χρόνου Διαφορισμός χρόνου (time diversity) Διαφορισμός πόλωσης (polarization diversity) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 20/36
Προηγμένες Τεχνικές Κεραιών (3/7) Διαφορισμός στον δέκτη: #1 Πομπός #2 Δέκτης με L κεραίες Στο σύστημα WiMAX χρησιμοποιούνται τα εξής σχήματα διαφορισμού (στο downlink): Μέγιστου Λόγου (maximal-ratio combiner - MRC) Άριστες επιδόσεις, υψηλή πολυπλοκότητα #L Επιλογής (selection combiner - SC) Μέτριες επιδόσεις, χαμηλή πολυπλοκότητα Ίσης Απολαβής (equal-gain combiner - EGC) Καλές επιδόσεις, μέση πολυπλοκότητα Μεταγωγής (switched-selection combiner - SSC) Χαμηλές επιδόσεις, πολύ χαμηλή πολυπλοκότητα 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 21/36
Προηγμένες Τεχνικές Κεραιών (4/7) Το σχήμα Alamouti (διαφορισμός στον πομπό) είναι κατάλληλο εφαρμογή σε σταθμούς βάσης (στο downlink) στα δίκτυα WiMAX: Συνδυαστής Ανιχνευτής μέγιστης πιθανοφάνειας Εκτιμητής καναλιού Κώδικες χώρου χρόνου 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 22/36
Προηγμένες Τεχνικές Κεραιών (5/7) Με τους κώδικες χώρου-χρόνου επιτυγχάνεται σχεδόν βέλτιστη απολαβή διαφορισμού εκπομπής Οι κώδικες χώρου-χρόνου εμφανίζουν ευαισθησία ως προς την χρονική καθυστέρηση Η τεχνική OFDM έχει υψηλή ανοχή σε χρονική καθυστέρηση Καλή λύση για το σύστημα WiMAX: Συνδυασμός κωδίκων χώρου-χρόνου και OFDM 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 23/36
Προηγμένες Τεχνικές Κεραιών (6/7) 1 1 Πομπός 2 M 2 N Δέκτης Τα συστήματα ΜΙΜΟ βελτιώνουν την: Απολαβή διαφορισμού (αυξάνει την κάλυψη και το QoS) Απολαβή πολυπλεξίας (αυξάνει τη φασματική απόδοση) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 24/36
Προηγμένες Τεχνικές Κεραιών (7/7) Στο WiMAX γίνεται χρήση: Beamforming Space-time coding Spatial multiplexing Beamforming Space-time coding Spatial multiplexing Downlink N t 2, N r 1 N t 2, N r =1 N t 2, N r 2 Uplink N t 1, N r 2 - N t =1, N r 2 N t : αριθμός κεραιών εκπομπής N r : αριθμός κεραιών λήψης 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 25/36
Συγκριτικά (1/6) 802.16 802.16d 802.16e Συχνότητες (GHz) 10-66 2-11 2-6 Διάδοση οπτική επαφή (ΟΕ) χωρίς ΟΕ χωρίς ΟΕ Τοπολογία P2P P2P, P2MP, mesh ίδιο με 802.16d Ρυθμός (Mbps) 32-134 έως 75 έως 15 Εύρος ζώνης (MHz) Διαμόρφωση 28 (Ευρώπη) Μονό φέρον BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM πολλαπλάσια των 1.25, 1.5 και 1.75 έως 20 256OFDM (BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM) έως 5 κλιμακωτό OFDM 128/512/1024/2048 Κινητικότητα Όχι Όχι έως 150 km/h Κάλυψη (km) 2-5 5-50 2-5 Μηχανισμοί - - μεταγωγής, εξοικονόμησης ισχύος 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 26/36
Συγκριτικά (2/6) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 27/36
Συγκριτικά (3/6) Το WiFi: Βασίζεται στο πρότυπο 802.11 της ΙΕΕΕ Εμπεριέχεται σε πολλά προϊόντα όπως: Σταθερούς και φορητούς ΗΥ Φωτογραφικές μηχανές Κάμερες Παρέχεται ήδη σε: Δήμους Αεροδρόμια Ξενοδοχεία Καφετέριες 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 28/36
Συγκριτικά (4/6) Το WiMAX συγκριτικά με το Wi-Fi παρέχει: Ευρύτερη γεωγραφική κάλυψη Υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης Υψηλότερη ασφάλεια Καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών WiMAX = Wi-Fi on steroids 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 29/36
Συγκριτικά (5/6) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 30/36
Συγκριτικά (6/6) 100 10 Κάλυψη (km) 1 0.1 0.01 0.1 1 10 100 Ρυθμός Δεδομένων (Mbps) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 31/36
Προϊόντα (1/3) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 32/36
Προϊόντα (2/3) 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 33/36
Προϊόντα (3/3) LG KC1 PDA Nokia N830 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 34/36
Άδειες (Ελλάδα) Ζώνη συχνοτήτων 3.5GHz Ισχύς αδειών για 10 έτη Υποχρέωση: κάλυψη>20% του πληθυσμού σε 7 γεωγραφικές ζώνες εντός 4 ετών Εταιρίες που κατέχουν άδειες: ΟΤΕ Q-Telecom Craig Wireless Cosmoline 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 35/36
Βιβλιογραφικές Πηγές WiMAX Forum: www.wimaxforum.org White Papers Mobile WiMAX Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation, WiMAX Forum, 2006. Mobile WiMAX Part II: A Comparative Analysis, WiMAX Forum, 2006. 802.16 IEEE: www.ieee802.org/16/ A. Ghosh, D. R. Wolter, J. G. Andrews, and R. Chen, Broadband wireless access with WiMAX/8O2.16: Current performance benchmarks and future potential, IEEE Communications Magazine, pp. 129-136, February 2005. D. Pareek, The Business of WiMAX, Wiley, Great Britain, 2006. 16 Ιουλίου 2008, Θερινό Σχολείο 2008 ΕΚΕΦΕ- Δημόκριτος 36/36