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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 ?) Tuesday, November 13, 12 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. Tuesday, November 13, 12 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 Typical Frequency Reuse N=4 CDMA Vulnerability: EbNo 6 dB 22 Users 1250 kHz 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Typical Frequency Reuse N=1 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 Architecture d’un réseau sans fil gsm_e2_jpg.jpg 572×348 pixels Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 271 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. Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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. Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 WCDMA Propriétés de WCDMA Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 4G and beyond Continuation de l’evolution Evolution going forward Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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, ... Tuesday, November 13, 12 802.11 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 – – – – Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 Quelques autres applications sans fil Tuesday, November 13, 12 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 Tuesday, November 13, 12 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) Tuesday, November 13, 12 11/