Cours 8: Systèmes sans fil

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Cours 8: Systèmes sans fil
Communications sans fil, M2 ISIM 2012-2012
Iryna Andriyanova
Tuesday, November 13, 12
Design des réseaux sans fil
1. Re-utilisation
Design des systèmes
cellulaires
du spectre
Spectral
Reuse
La bande passantee est limitée, alors la réutilisation du spectre
D ue to its scarcity, spectrum is reused
In licensed bands
and unlicensed bands
BS
Cellular, Wimax
Wifi, BT, UWB,…
nterférence dans les systèmes cellulaires
1. Re-utilisation du spectre
Le réutilisation du spectre cause l’interférence.
L’interférence :
augmente la probabilité d’erreur et réduit la capacité si traitée
comme bruit
peut être parfaitement supprimée, si elle est décodable
peut être utilisée pour la coopération et la cognition (futures
générations ?)
1. Re-utilisation du spectre
Cellular System Overview
Systèmes cellulaires
• Frequencies
(or time
slots
reused
atsont
spatiallyLes fréquences
(ou les
slotsordecodes)
temps are
ou les
codes)
separated
locations
exploits
power
falloff
withdedistance.
réutilisés
dans les!
cellules
situées
assèz
loin l’une
l’autre.
Lesstations
stationsperform
de base effectuent
le controle
• Base
centralized
control centralisé
functions
(etablissement
de l’appel,
handover,
(call
setup, handoff,
routing,
etc.) routage,...).
La meilleure efficacité est obtenue avec la distance de
• Best efficiency obtained with minimum reuse distance
réutilisation grande.
• System capacity is interference-limited.
Capacity Comparison of Wi
spectre et
capacité
800 MHz. Cellular A
Re-utilisation
du
nd System Capacity:
/I and Frequency Reuse
totale du système
AMPS, D-AMPS, N-AMPS
1
3
30
1 Users
Band
Vulnerability:
C/I 17 dB
10 kHz Bandwidth
Typical Frequency Reuse N=7
30
GSM
8
2
3
7
1
6
4
5
Users
Vulnerability:
C/I 6.5-9 dB
1
4
200 kHz
2
3
CDMA
Vulnerability:
EbNo 6 dB
22 Users
1250 kHz
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
58
800 (A,B)
Fwd or Rev Spectrum
12.5 MHz
Technology
AMPS TDMA CDMA
Req’d C/I or Eb/No, dB
17
17
6
Freq Reuse Factor N
7
7
1
RF Signal BW, kHz
30
30
1250
Total # RF Signals
416
416
9
RF Sigs per Cell @ N
59
59
9
# Sectors per Cell
3
3
3
# CCH per Sector
1
1
0
RF Signals per Sector
18
18
8
Voicepaths/RF Signal
1
3
17
Voicepaths per Sector
18
54
136
P.02 Erlangs per Sector 11.5
44
123.1
Voicepaths per Site
54
162
408
P.02 Erlangs per Site
34.5
132
369.3
Capacity vs AMPS @800
1
3.8
10.7
2. Considérations du design des couches
basses
et de deladesign
planification des fréquences
Considérations
Partage du spectre
TD, CD ou hybrides (TD/FD)
Distance de réutilisation
Distance ente les cellules avec la même fréquence, le même
slot ou le même code
La petite distance augmente le nombre des utilisateurs mais
également augmente l’interférence
Rayon de la cellule
La diminution de la taille de cellule augmente la capacité mais
complique le routage et le handover
Allocation des ressources
Puissance, bande passante, ...
Techniques de coopération
Le relayage entre les terminaux et la station de base;
Coopération entre les stations de base
3. Gestion de la communication
• Canaux de communication sont utilisés pas
les utilisateurs individuels pendant leur
communication active avec la station de base
(BTS)
• Canaux d’accès sont utilisés par les
utilisateurs pas encore actifs pour
s’enregistrer, faire la demande de
communication ou toute autre signalisation
Architecture d’un réseau sans fil
gsm_e2_jpg.jpg 572×348 pixels
11/13/
Exemple
:
architecture
du
réseau
CDMA
Basic CDMA Network Architecture
Switch
SLM
GPS
GPSR
LPP
CDSU
CDSU
DS0 in T1
IOC
CDSU
GPS
Packets
DISCO 1
DISCO 2
CDSU
CDSU
CDSU
SBS
Vocoders
Selectors
CDSU DISCO
TFU
CDSU
CDSU
DTCs
BSM
TFU1
DMS-BUS
PSTN
BTS
GPSR
CM
LPP ENET
Access Manager
or BSC/BSM
Vocoder
Ch. Card
ACC
Txcvr
A
Txcvr
B
Txcvr
C
RFFE
A
RFFE
B
RFFE
C
Chips
Channel
Element
RF
Téléphonie mobile
1-2G1-2G
design: design
accent sur :laaccent
voix
sur la voix
La couverture des cellules est construite pour la voix
Service minimal mais "égal" et "partout"
Les systèmes cellulaires sont basés sur la voix
Structure des données (paquets de 20ms)
Codage de canal, les délais du décodage et d’entrelacement
Efficacité spectrale
0.04-0.07 bits/Hz/secteur
Comparable pour les TDMA et CDMA
SM (TD et FH) GSM
(TD/FD+FH)
FDD sépare les uplink et downlink
L’accès est une combination de FD, TD et des sauts lents de
fréquence (FH)
La bande passante est divisée sur les canaux de 200 kHz.
Les canaux sont réutilisés dans les cellules en basant sur les
mesures de l’interférence.
Tous les signaux sont modulés avec un code FH
Les codes FH d’une cellule sont orthogonaux
Les codes FH des différentes cellules sont semi-orthoogonaux
Le FH diminue l’interférence par le codage.
Le FH moyenne l’interférence par les sauts pseudo-aléatoires
Tableau GSM de “Wireless Communications”
Wireless
Communicatio
leau GSM de "Wireless
Communications"
de
Molisch’11
de Molisch’11
Table 24.1
Key parameters of the Global System for Mobile communications
Parameter
Frequency range
GSM900
GSM1800
GSM1900
Multiple access
Selection of physical channel
Carrier distance
Modulation format
Effective frequency usage per duplex speech
connection
Tuesday, November
12 rate on the air interface
Gross13,bit
Value
880– 915 MHz (uplink)
925– 960 MHz (downlink)
1710– 1785 MHz (uplink)
1805– 1880 MHz (downlink)
1850– 1910 MHz (uplink – U.S.A.)
1930– 1990 MHz
(downlink – U.S.A.)
FDMA/TDMA/FDD
Fixed channel allocation/intracell
handover/frequency hopping
0.2 MHz
GMSK (BG T = 0.3)
50-kHz/channel
271 kbit/s
access
au Multiple
GSM
:
cont’d
Selection of physical channel
1930– 1990 MHz
(downlink – U.S.A.)
FDMA/TDMA/FDD
Fixed channel allocation/intracell
handover/frequency hopping
0.2 MHz
GMSK (BG T = 0.3)
50-kHz/channel
Tableau GSM : cont’d
Carrier distance
Modulation format
Effective frequency usage per duplex speech
connection
Gross bit rate on the air interface
Symbol duration
Channels per carrier
Frame duration
Maximal RF transmission power at the MS
Voice encoding
Diversity
Maximal cell range
Power control
271 kbit/s
3.7 µs
8 full slots (13 kbit/s user data)
4.6 ms
2W
13 kbit/s RPE-LTP
Channel coding with interleaving
Channel equalization
Antenna diversity (optional)
Frequency hopping (optional)
35 km
30-dB dynamics
GSM : timeslot et structure du réseau
595
GSM – Global System for Mobile Communications
GSM : timeslot et structure du réseau
Timeslot (normal burst)
156.25 bits
576.92 µs
3
57
1
26
Control
bit
Tail
bits
Data
1
57
Tail
bits
Control
bit
Midamble
3 8.25 Bits
Data
Guard
period
Standard
ouvert
Figure
24.6 Functions of the bits of a normal transmission burst.
Réseau: BS, MSC, OSS
of the detection of burst data. This reduces the complexity and increases the performance of
Signalisation:
canaux
"logiques"
decoding (see
also Chapter 14).
The timeslots
end with a guard period of 8.25 bits. Apart from
“normal” transmission
therede
arebroadcast,
other kinds de
of bursts.
MSs transmitdu
access
burstsde
to establish
canaux de bursts,
données,
synchronisation,
contrôle
initial contact with the BS. Frequency correction bursts enable frequency correction of the MSs.
broadcast, du controôle général, d’accès aléatoire,...
Synchronization bursts allow MSs to synchronize to the frame timing of BSs. These bursts will be
explained in more detail in Section 24.4.2.
S-95 (CDMA)
IS-95 (CDMA)
Les utilisateurs possèdent les codes d’étalement de type DS
(uniques)
Les codes orthogonaux sur le downlink
Les codes semi-orhtogonaux sur l’uplink
Le code est réutilisé dans chaque cellule
Pas de plannification des fréquences
Handover progressif entre les cellules
Le controle des puissances est nécessaire à cause de "near-far
problem"
Augmentation de l’interférence crée par les terminaux, se
trouvant loin de la station de base
IS-95 (CDMA)
-95
en addition du CDMA, le FDMA est aussi utilisé (FDD)
fréquences: 1850–1910MHz (uplink) et 1930–1990MHz
(downlink), avec 1.25 MHz pour un canal
Spread factor = 64
Théoriquement, 64 appels simultanés par cellule, en pratique –
entre 12 et 18
Asymmetry dans le codage pour uplink et downlink
Signalisation: canal de contrôle de puissance
DECT (Digital Enhanced Cordless
DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone)
Telephone)
1.8-1.9 GHz
FDMA-TDMA
Débit: 32 kbps
120 connections simultanées au maximum
2 applications: grande marché et entreprises
3G design : voix et données
3G design : voix et données
Objectif: le même interface sans fil pour tout le monde
La transmission par paquets due à la nature des données
Augmentation du débit
384Kbps à l’exterieur, 1 Mbps à l’interieur
Amélioration du qualité de service (QoS)
passage de "faire au mieux" à "garantir"
Techniques adaptatives
Débit (étalement, modulation/codage), puissance, ressources,
traitement en espace, MIMO
2.5G
(EDGE)
basé
sur
le
GSM
2.5G basé sur le GSM
EDGE (2.5G): transmission des données par paquets, modulation et
codage adaptatifs;
8PSK/GMSK à 271 ksps offrent de 9 à 52 Kbps par un slot de
temps, avec 8 slots disponibles;
Le débit maximum est de 384 Kbps;
La voix et les données sont transmis en paquets.
3G CDMA Approaches
3G basé sur W-CDMA
le CDMA (W-CDMA
et
cdma2000)
and cdma2000
3G UMTS (WCDMA et cdma2000)
!!
cdma2000 uses a multicarrier overlay for IS-95 compatibility
!!
WCDMA designed for evolution of GSM systems
!! Current
services pour
basedêtre
on WCDMA
cdma2000
est3G
construit
compatible avec le IS-95
!! Voice,
streaming,
high-speed
data
WCDMA
utilise
la puissance
et l’étalement
adaptatifs, les service
!! Multirate
service
variable
and spreading
différents
peuvent
être via
mixer
danspower
un code
pour un utilisateur
!!
Different services can be mixed on a single code for a user
CA
CC
CD
10
WCDMA
Propriétés de WCDMA
Bande passante
5, 10, 20 MHz
Codes d’étalement
Facteur d’étalement = 4...256
(codes différents pour "data" et "control")
Division en temps
intervales de 10ms avec des slots de 0.67ms
Modulation
QPSK pour le downlink
BPSK pour l’uplink
Débit
144 Kbps, 1 Mbps, 2 Mbps
Duplexage
FDD
17 / 42
WCDMA cont’d
WCDMA cont’d
Structure du réseau
hiérarchique
Classes des débits
Conversation, streaming, interactif, de fond
Codage
codes convolutifs et turbo codes
MIMO
2 antennes (downlink) en option
Evolution des standards
Evolution des standards
Cellular Standards Evolution to date
Japan
st Gen
1
1st Gen
nd Gen
Gen
22nd
3rd
rd Gen
3 Gen
TACS
Americas
Europe
NMT/TACS/Other
PDC
GSM
W-CDMA/EDGE
(EDGE in Europe and Asia
outside Japan)
AMPS
TDMA
CDMA
EDGE
WCDMA
Global strategy
based on W-CDMA and EDGE networks,
common IP based network, and dual mode
W-CDMA/EDGE phones.
cdma2000 was the initial
standard, which evolved
To WCDMA
19 / 42
4G and Beyond
4G and beyond
Evolution vers la transmission des données
Débits plus importants (au moins pour le downink)
Plus de contenu multimedia
– Voix, données, video, accès Internet
– Broadcast & cellulaire
Bandes passantes larges (10 MHz et plus)
Les candidats principaux étaient
– WOFDM
– WCDMA
– CDMA à multi-porteuses
4G and beyond
Continuation
de l’evolution
Evolution
going forward
3GPP Specifications Releases
4G and beyond
Rel’99
Rel’99
UMTS
UMTS FDD
FDD
Rel’4
Rel’4
NGN
NGN
FDD
FDD
repeaters
repeaters
1.28Mcps
1.28Mcps
TDD
TDD
Rel’5
Rel’5
Rel’6
Rel’6
HSDPA
HSDPA
HSUPA
HSUPA
MBMS
MBMS
IMS
IMS
cel-00665854, version 1 - 2 Feb 2012
NGN = Next Generation Network
HSDPA = High Speed Downlink Packet
Access
IMS = IP Multimedia Sub-System
HSUPA = High Speed Uplink Packet
Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
Access
MBMS = Multimedia Broadcast/
Multimedia Services
Rel’7
Rel’7
Rel’8
Rel’8
HSPA+
HSPA+
i.e.
i.e. MIMO,
MIMO,
CPC,
CPC, DL
DL
64-QAM,
64-QAM,
UL
UL 16-QAM
16-QAM
3GPP
Release
LTE
LTE
Interface radio de HSDPA
Concepts de HSDPA
34
Modulation Types
- QPSK
- 16-QAM
Transmission and
Retransmission Scheduling
in NodeB
Higher Troughput Rates
in Dwnlink
Hybrid ARQ
Adaptive Modulation and
Coding
43
Evolution de l’interface radio
Évolution de l’interface radio
WCDMA
(UMTS)
HSPA
HSDPA / HSUPA
HSPA+
LTE
Max downlink speed
(bps)
384 k
14 M
28 M
100M
Max uplink speed
(bps)
128 k
5.7 M
11 M
50 M
100 ms
50ms (max)
~10 ms
Latency
round trip time
approx
150 ms
TTI
10 ms
2 ms
2 ms
1 ms
3GPP releases
Rel 99/4
Rel 5 / 6
Rel 7
Rel 8
Approx years of
initial roll out
2003 / 4
2005 / 6 HSDPA
2007 / 8 HSUPA
2008 / 9
2009 / 10
Access method
CDMA
CDMA
CDMA
OFDMA / SC-FDMA
41
LTE (Long-Term Evolution)
Interface Radio LTE
Parameter
Peak downlink speed
64QAM (Mbps)
Peak uplink speeds (Mbps)
Data type
Channel bandwidths (MHz)
Duplex schemes
Mobility
Latency
Spectral efficiency
Access schemes
Modulation types supported
Channel coding
Adaptive modulation and coding
H-ARQ
Details
100 (SISO), 172 (2x2 MIMO), 326 (4x4 MIMO)
50 (QPSK), 57 (16 QAM), 86 (64 QAM)
All packet switched data (voice and data).
No circuit switched.
1.4, 3, 5, 10, 15, 20
FDD & TDD
0 - 15 km/h (optimised),
15 - 120 km/h (high performance)
Idle to active less than 100ms
Small packets ~10 ms
Downlink: 3 - 4 times Rel 6 HSDPA
Uplink: 2 -3 x Rel 6 HSUPA
OFDMA (Downlink)
SC-FDMA (Uplink)
QPSK, 16QAM, 64QAM (Uplink and downlink)
Convolutional coding and turbo coding
DL/UL modulations: QPSK, 16QAM, and 64QAM
Convolutional code and Rel-6 turbo code
mobility support, rate control, security, and etc
68
Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
Architecture LTE
Application
Servers
PSTN
IMS
HSS
Internet
MME
S-GW/P-GW
MME
S-GW/P-GW
cel-00665854, version 1 - 2 Feb 2012
Architecture LTE
IMS
(IP Multimedia Subsystem)
•
eNB
–
•
Node that terminates the interface
towards E-UTRAN.
P-GW
–
Node that terminates the interface
towards PDN.
SAE (System Architecture Evolution) or
EPC (Evolved Packet Core)
•- MME (Mobility Management Entity)
- Serving Gateway (S-GW)
S1
S1
S1
S1
X2
eNB
Mohamed Mous
E-UTRAN
(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)
X2
X2
eNB
eNB
Manages mobility, UE identity, and
security parameters.
S-GW
–
•
All radio interface-related functions
MME
–
•
Archit
65
Transmission des données
sans fil/ Internet sans fil
Bluetooth (PAN)
Bluetooth
2.4 GHz de la bande passante
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
Distances courtes (pas plus de 10 m)
Regimes asynchrone (données) et synchrone (voix)
Jusqu’au 700 kbps
Pas d’infrastructure (ad hoc)
Petite consommation
1300 entreprises au support de BT : Intel, IBM, Nokia, Toshiba, ...
802.11 et Wi-Fi
802.11 et Wi-Fi
802.11b
– Premier standard devenu populaire
– 2.4 GHz de la bande passante
– variation du DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– Les débits sont 11, 5.5, 2 and 1 Mbps (en pratique, 6-7 Mbps au
maximum)
– Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance
– Interfère avec Bluetooth! (CSMA/CA)
802.11a/g
–
–
–
–
5 GHz de la bande passante
OFDM
54 Mbps (en pratique, aux alentours de 50%)
Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA)
26 / 42
mandatory;
• OFDM with 64 subcarriers, out of which 52 are user modulated with Binary or Quadrature-Phase
Shift Keying (BPSK/QPSK), 16-Quadrature Amplitude Modulation (16-QAM), or 64-QAM;
Tb
Tb
Tb
T
Tb
Tb
data
• forward errorInput
correction,
using
convolutional
coding bwith coding
rates
of 1/2, 2/3, or 3/4 as
Forward Error Correction (FEC) coding.
Exemple
:
802.11a
(Molisch’11)
Exemple: 802.11a [Molisch’11]
Table 29.2
Important parameters of the 802.11a PHY layer
Output data B
Information data rate Figure 29.4 Convolutional encoder
6, 9,(K12,
= 18,
7). 24, 36, 48, 54 Mbit/s
Modulation
BPSK,
OPSK, 16-QAM, 64-QAM
Reproduced with permission from IEEE 802.11
 IEEE.
FEC
K = 7 convolutional code
Coding rate
1/2, 2/3, 3/4
The second
ensures
that adjacent coded bits are mapped52 alternately onto both less and more
Number
of subcarriers
significantOFDM
bits of
the constellation
and, thereby, long runs 4of
symbol
duration
µslow-reliability bits are avoided.
Guardsummarizes
interval
0.8 µsdifferent combinations of alphabets
Table 29.4
the rates that can be achieved with
Occupied
bandwidth
16.6 MHz
and coding
rates, as
well as the OFDM modulation parameters.
Table 29.4
Data rates in 802.11a
Data rate (Mbit/s)
6
9
12
18
24
36
48
54
Modulation
Coding rate
Coded bits per
subcarrier
Coded bits
per OFDM
symbol
Data bits per
OFDM symbol
BPSK
BPSK
QPSK
QPSK
16-QAM
16-QAM
64-QAM
64-QAM
1/2
3/4
1/2
3/4
1/2
3/4
2/3
3/4
1
1
2
2
4
4
6
6
48
48
96
96
192
192
288
288
24
36
48
72
96
144
192
216
802.11 et Wi-Fi
802.11 et Wi-Fi
802.11n
– jusqu’au 540 Mbps grâce au MIMO
– release en Septembre 2009
Wi-Fi (Wireless Fidelity)
Une organisation non-profitable s’assurant l’inter-operationalité des
produits basés sur 802.11
HiperMAN+802.16
=WiMax
HiperMAN+802.16
= WiMax
WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access
10-66 GHz, pour les connexions en ligne de vue, ou 2-11 GHz,
en non-ligne de vue; 1-15 km de distance
Débits: dizaines Mbps
MIMO
OFDM
Scalable OFDMA
CSMA pour la couche MAC
Quelques autres applications sans fil
Réseaux
ad-hoc
Ad Hoc Mode
Server
Mobile
Stations
- Pas d’infrastructure pre-définie
ndependent Basic Service Set (IBSS) or Peer to Peer
- CSMA
tations communicate directly with each other
- Beaucuop d’attention sur le
When no direct link is feasible between
two
station,
a
routage (AODV, ...)
hird station may act as a relay (multi-hop
ommunications)
ss Environment and Wireless LANs
vember
6,November
12
Tuesday,
13, 12
Réseaux ad-hoc : applications
Surveillance medicale
figure9.jpg 468×300 pixels
•
Wireless Medical Telemetry Service (WMTS) aux US : 608 – 614, 1395 – 1400, et
1427 – 1432 MHz; Terminaux “in/on-body” + station de base “nursery station”
•
WBAN (Wireless Body Area Network)
11/

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