第8回講義資料 - SOI-Asia

ワイヤレスシステムの展開
森　川　博　之
東京大学新領域創成科学研究科
[email protected]
2003.5.30
1
移動体通信システムの発展
アナログ自動車・携帯電話
アナログ自動車・携帯電話
（第1世代）
（第1世代）
ディジタル自動車・携帯電話
ディジタル自動車・携帯電話
（第2世代）
（第2世代）
IMT2000
（第3世代）
ディジタルコードレス電話
ディジタルコードレス電話
（第2世代）
（第2世代）
アナログコードレス電話
アナログコードレス電話
（第1世代）
（第1世代）
2
1
要素技術
z
狭帯域化
– 50kHz → 25kHz → 12.5kHz → 6.25kHz
z
マイクロセル／ピコセル化
– セル半径： 100km → 30km → 2km → 0.3km
z
ディジタル化
– アナログ：低品質、高端末コスト、割当周波数不足
z
端末の小型化・低消費電力化
z
高周波数の利用（150MHz, 800MHz, 1.9GHz）
– さらなるサイズの小型化
3
ディジタル自動車電話
z
MHz, BSあたりのユーザ数多い
z
高送信電力
z
複雑な端末／ネットワーク
z
低ビットレート音声符号化 ≦ 5-13kbps
z
音声の無音区間の利用
z
複雑なDSP
z
送信遅延 ≒ 200ms R/T
z
固定チャネル割当
z
FDD
z
パワーコントロール
4
2
ディジタル自動車電話
日本(PDC)
米国
(IS-54/136)
欧州(GSM)
周波数
800/1500MHz 帯
800MHz 帯
800 MHz 帯
800 MHz 帯
伝送方式
TDMA
TDMA
TDMA
CDMA(DS)
米国(IS-95)
多重数
3 (6)
3 (6)
8 (16)
－
キャリア間隔
25 kHz
30 kHz
200 kHz
1,250 kHz
伝送速度
42 kbps
48.6 kbps
270.83 kbps
－
変調方式
π/4DQPSK
π/4DQPSK
GMSK
BPSK/QPSK
セル半径
0.5～20 km
0.5～20 km
0.5～30 km
0.5～20 km
音声符号化
VSELP
11.2k/5.6bps
VSELP
7.95kbps
RPE-LTP
13kbps
QCELP
8～32kbps
商用化
1993 年
1993/1998 年
1992 年
1996 年
5
携帯電話システムの普及分布図
ヨーロッパ
北アメリカ
D-AMPS/TDMA(27％)
CDMA(9％)
GSM(4％)
その他AMPS等(60％)
GSM(89%)
TACS, NMT等のアナ
ログ(11%)
アジア
アフリカ
ラテンアメリカ
D-AMPS/TDMA(39％)
CDMA(5％)
GSM(1％)
その他AMPS等(55％)
GSM(88％)
その他TACS, AMPS.
NMT等(12％)
GSM(35％)
CDMA(14%)
D-AMPS/TDMA(3%)
その他PDC, PHS, TACS,
NMT等(48％)
Source: ITU “World Telecommunication Development Report, 1999”
6
3
ディジタルコードレス電話
z
MHz, BSあたりのユーザ数少ない
z
単位面積あたりの基地局数多い
z
セル半径小さい
z
32kbps ADPCMディジタル音声符号化
z
平均送信電力 ≦ 10mW
z
簡潔な無線信号処理
z
送信遅延 ＜ 50ms
z
ダイナミックチャネル割当
z
TDD
7
ディジタルコードレス電話
PHS
DECT
CT-2
周波数
1.9GHz 帯
1.9GHz 帯
800 MHz 帯
伝送方式
TDMA-TDD
TDMA-TDD
SCPC-TDD
多重数
4
12
1
キャリア間隔
300 kHz
1728 kHz
100 kHz
伝送速度
384 kbps
1.15 Mbps
72 kbps
変調方式
π/4 シフト QPSK
GMSK
GFSK
音声符号化
32kbps ADPCM
32kbps ADPCM
32kbps ADPCM
フレーム間隔
5 ms
10 ms
2 ms
送信電力ピーク
5 ms
10 ms
2 ms
制御チャネル
専用
専用
チャネル選択
自律分散
自律分散
専用
自律分散
8
4
IMT-2000
z
IMT-2000 (International Mobile Telecommunications)
z
FPLMTS(Future Public Land Mobile Telecommunication Systems)の新し
い呼び方
z
2000年目標、2000MHz帯域（WARC-92）を利用
z
固定網と同等の高品質サービスの提供
z
2 Mbps までの多元レートサービスの提供
z
屋外から屋内までの多様な運用環境
z
無線周波数資源の有効利用
z
グローバルなパーソナル／ターミナルモビリティの提供
z
W-CDMA, cdma2000
9
Evolution Path
1980‘s
First Generation
1990‘s
Second Generation
2000‘s
IMT-2000
Analog
Digital
Wideband Digital
Voice
Voice/Data
Voice / Multimedia
2.4 kbps
9.6-28.8 kbps
144 kbps: vehicular
384 kbps: pedestrian
2000 kbps: indoor
GSM, PDC, IS-95,
IS-54/136, etc….
Global standard
10
5
Wideband CDMA
z
高速データサービスの提供
z
伝搬パス数の増加（パスダイバーシチ効果）
⇒　所要送信電力低下、容量増
z
統計多重効果大　⇒　容量増
z
間欠受信比率低減
⇒　電池の長寿命化（待ち受け時間）
11
Cellular Generation
z
z
z
z
1st Generation (1G) - Analog
– AMPS, NMT, other; 94 M users worldwide
2nd Generation (2G) – DigitalTODAY
– GSM: Europe, Asia Pacific, N. America; 280M users
– TDMA: N. America, Japan; 100 M users
– CDMA: Korea, N. America; 50 M users
– PHS: Japan, 6M users (Microcell) ,
2.5 Generation (2.5G)
– GPRS, EDGE
3rd Generation (3G)
– WCDMA(GSM), CDMA2000(Qualcom), TDSCDMA(China, MII)
12
6
Wireless Everywhere
z
無線LAN
z
PAN (personal area network) : Bluetooth and HomeRF
z
無線固定アクセス
z
衛星
z
ITS
z
無線アクセスカード／無線タグ
z
．．．
13
GPRS, 3G – UMTS
Wide Area
< 400 Kb/s – xx Mls, Kms
Local Area
Mobile Broadband Internet
Wi-Fi (IEEE 802.11b)
> 10 Mb/s – > 300 ft, 100 m
Wi-Fi/3G
switching
Personal Area
Bluetooth
< 800 Kb/s – < 30 ft, 10 m
BT/Wi-Fi
switching
WAN:
everywhere outside of
the hotspots, where
wireless Internet
connection are
provided
LAN:
collection of secure
“hot spot” connections,
providing broadband
access to the Internet
PAN:
collection of secure
connections between
devices in a
“very” local area
14
7
Public Hot Spots
Enterprises
Wi-Fi
T1/E1/ATM
Ethernet
Corporate Intranet
Network
Personal Area
Wi-Fi
Public Broadband Network
Personal Area
BlueTooth
INTERNET
BlueTooth
Cellular Network
Homes
Wi-Fi/3G switching
Public Switched Network
Cable Network
Wi-Fi
POTS, Cable, xDSL
3G
Personal Area
BlueTooth
Neighbourhoods
Wide Area
Personal Area
Wi-Fi/3G switching
Bluetooth
15
IEEE 802 Wireless Standards
z
IEEE 802 committee sets standards for LANs and MANs
z
Wireless standards http://www.ieee802.org/
– IEEE 802.11 Wireless Local Area Network
– IEEE 802.15 Wireless Personal Area Network
– IEEE 802.16 Broadband Wireless Access
16
8
What is Wi-Fi™?
z
Wi-Fi certification began in March 2000
z
Wi-Fi™ is the trademark of WECA
– Wireless Ethernet Compatibility Alliance
– All key (wireless) networking companies
– Agere Systems, Lucent Technologies, Cisco, Intel/Symbol,
– 3Com, Enterasys (Cabletron), Compaq,
– IBM, Toshiba, Nokia, Dell, Philips,
– Samsung, Sony, Intersil, …, many more
z
The mission of WECA is
– To certify interoperability of Wi-Fi™ (IEEE 802.11) products
– To promote Wi-Fi as the global wireless LAN standard across all
market segments
17
Wi-Fi Market in the News
z
Wireless LAN equipment market
z
In 2001:
– $969 Million in 2000 to estimated $4.5 Billion in 2006
– Microsoft adds 802.11 in Windows XP
– Major hotel chains install Wi-Fi Internet access
– 462 Starbucks stores offer wireless Internet
– Microsoft joins WECA board (the 802.11 alliance)
– Intel Joins WECA board
z
Most PC/Laptop manufacturers offer Wi-Fi
18
9
IEEE Std 802.11-1997
z
z
物理層
– 2,400-2,483.5 MHz(ISM)帯と赤外線(850-900nm)
– 周波数ホッピングPHY：1Mbps (with 2Mbps optional)
– 2 level GFSK for 1Mbps, 4 level GFSK for 2Mbps
– 直接拡散PHY: 1, 2Mbit/s
– DBPSK for 1Mbps, DQPSK for 2Mbps
– 赤外線PHY: 1Mbps (with 2Mbps optional)
– 16-PPM for 1Mbps, 4-PPM for 2Mbps
MAC層
– 基地局モードとアドホックモード
– MACプロトコル：CSMA/CA
– ローミングサポート
– プライオリティサポート、リアルタイム性トラフィックサポート
– ドーズモード
19
IEEE 802.11
z
802.11a: 5GHz帯における高データレートPHY
– OFDM (52 subcarriers)
– 5Mbps - 54Mbps (6, 12, 24 Mbps mandatory)
– 20 Mbps チャネルセパレーション
z
802.11b: 2.4GHz帯における高データレートPHY
– 5.5, 11 Mbps
– Complementary Code Keying (CCK)
(optional: Packet Binary Convolutional Coding(PBCC))
20
10
Rate
Bits
Rate
(Mbps)
Modulation
Coding
Rate
1101
6
BPSK
R = 1/2
1111
9
BPSK
R = 3/4
0101
12
QPSK
R = 1/2
0111
18
QPSK
R = 3/4
1001
24
16QAM
R = 1/2
1011
36
16QAM
R = 3/4
0001
48
64QAM
R = 2/3
0011
54
64QAM
R = 3/4
optional
802.11a Rates
21
IEEE 802.11 Directions
IEEE 802.11b
2.4 GHz
Radio: CCK
1/2/5.5/11 Mb/s
IEEE 802.11g
High Rate in 2.4 GHz
Radio: PBCC or OFDM
22 to 54 Mb/s
?
PHY
IEEE 802.11a
5 GHz
MAC
1998
Radio: OFDM
6/12/24/36/54 Mb/s
CSMA/CA
Roaming
Power Management
Security
1999
?
IEEE 802.11e
MAC enhancements
Quality of Service
Improved Security
IEEE 802.11f
MAC enhancements
Inter Access Point
Protocol
2000
2001
2002
22
11
Coverage - Open Office
140.0
5 GHz OFDM (.11a)
120.0
Distance (m)
2.4 GHz OFDM (.11g)
100.0
2.4 GHz CCK (.11b)
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
1Mbps
5.5Mbps 6Mbps
11Mbps 12Mbps
24Mbps
36Mbps
54Mbps
23
Wireless LAN Security Concerns
z
Authentication
– Risk of unauthorized access to companies network from bogus WiFi™ station
z
Privacy
– Risk of eavesdropping on WLAN data traffic
z
Encryption
– WEP has been proven to have limited cryptographic strength
– Feb 2001: paper by Berkeley on “802.11 Security”
– Aug 2001: paper by Fluhrer on “WEP weaknesses”
– Aug 2001: AirSnort software
– Makes use of weak keys (specific IVs) to determine WEP key
– Requires approximately 5-10 million encrypted packets to be
gathered
24
12
PAN (Personal Area Network)
Grandma’s Brownies
3 cups flour
1 cup grated
chocolate
1 cup sugar
1 stick butter
PAN nodes
USB
1394
Camera Game Pad
Stereo
Camcor
der
Printer
VCR
Phone
Cable
TV
HomePNA
25
Home Network / Office Network
z
IEEE1394
z
電灯線LAN
z
無線LAN
z
HomePNA(Home Phoneline Networking)
z
HomeRF Working Group（www.homerf.org）
– 家庭内の電気製品
– SWAP-CA(Shared Wireless Access Protocol Cordless Access) =
IEEE802.11 + DECT
– 1MHz～2MHz以上、複数同時通信、TDMA, CSMA/CA, 2.4GHz帯、
音声伝送にはDECT/PHS技術採用、同時6通話
z
Bluetooth（www.bluetooth.org）
– ビジネス／オフィスでの携帯機器
– 0.5平方インチのモジュール、1MHz～2MHz, 10m
26
13
無線ホームリンク
Display
Personal Computer
5GHz
CATV
Display
DVD
VTR
Telephone line
5GHz
Personal Computer
Display
Personal Computer
Satellite
Tuner
27
ワイヤレス固定系アクセスシステム
z
ローカル市場における競争の促進
z
広帯域アクセス手段のユーザへの早期普及
z
ワイヤレスローカルループ(WLL)
FR/ATM
PSTN
Internet
28
14
Competitive Access Technologies
z
公衆回線・ISDN ：銅線, ～128kbps, 公衆網
z
FTTH(Fiber to the Home)：光ファイバ, *, 専用／公衆網
z
xDSL (Digital Subscriber Line)：銅線, 数100kbps～数10Mbps, 専用
z
CATV：同軸ケーブル, 数100kbps, 専用
z
考慮すべき事項
– 物理的形態
– 回線速度
– 接続形態
– 料金形態
– その他（guaranteed/best-effort, symmetric/asymmetric,,,)
29
Satellites
z
Coverage for wide
areas at potentially
higher data rates
z
For low latency data,
low earth orbit (LEO)
is preferred
z
Providers focused on global voice services, with data second
z
Iridium: 66 satellites, 780km, 48 spot beams/satellite, Motorola
Teledesic: 840 satellites (21 orbits), 700km, $9 billion, 2Mbps
voice/data, phased array antenna, faster than terrestrial
network, Bill Gates, Craig McCaw
z
Regional Area
30
15
GEO vs LEO
z
GEO (Geostationary Orbit)
– 高度35,786km　⇒　往復伝搬遅延 250ms
– 高緯度地方： coverage 悪い
– 中緯度地方： shadowing の影響
z
LEO (Low Earth Orbit)
– 高度1,500km以下
– 伝搬遅延小
– 電波出力 GEO の 1/3000
– 複数の衛星　⇒　衛星間ハンドオフ，衛星間通信
– 低起動のため衛星寿命短い
31
ITS
z
高度道路交通システム
z
ナビゲーションの高度化、自動料金収受システム、安全運転支援、交
通管理最適化、道路管理効率化、歩行者支援等
z
道路交通情報通信システム(VICS)： 電波ビーコン、光ビーコン、FM多
重放送
z
自動料金収受システム(ETC)： DSRC (Dedicated Short Range
Communication), 5.8GHz, スポット型間欠極小ゾーン構成
z
ヘテロジニアスネットワーク構成の必要性
32
16
車載無線機器
Vehicle to Vehicle
Transponder
Multi-Application
Toll & Parking
Transponder
Transponder
Gas Payment
Transponder
Other ITS
Communications
Equipment
87.5-107.9 MHz
FM subcarrier
800 to 900 MHz
Cellular Phone
1575.42MHz
GPS Receiver
Interface Devices
(Built-in Display, Annunciator,
Microphone, Keypad, etc.
connected to the Computer)
76-77 GHz
Collision Avoidance
Radar
33
無線アクセスカード／無線タグ
z
z
z
非接触ICカード
– 人が所持
– 個人ID，金額，ポイント
– カード
– 密着型、近接型、近傍型、マイ
クロ波型
無線タグ（狭義）
– 物品に貼付
– 製品種類，製品ID，製造メーカ，
センサ，時計
– コイン，棒状，カード，ラベル
密着型，近接型，近傍型，マイクロ
波型
34
17
バーコードとの違い
z
書き込み機能
z
同時読み取り機能
z
透過機能
z
バーコードコスト：ほぼ０円
z
「郵便処理の効率化に関する要素技術の調査研究」
– 100通程度の一括読み取り
– 10通/s 以上の読み取り速度
– 50cm-3m 程度の通信距離
– 金属の影響を受けない
35
Low-Cost RFID
Market
z
アクセスコントロール
z
モノ管理／追跡
z
イモビライサー
z
動物管理
z
SCM
z
航空荷物
z
．．．
4
36
18
RFID System Primer
z
Three Main Components:
– Tags, or transponders, carry object ID data.
– Readers, or transceivers, read or write tag data and interface with
back-end databases.
– Back-end databases correlate data stored on tags with physical
objects.
z
Active Tags vs. Passive Tags:
– Passive tags receive power from a reader.
– Active tags have greater read ranges and may operate without
readers present (e.g. sensors).
– Passive tags cost less than active tags. Low cost tags will likely be
passive.
37
System Interface
Network
Reader
Data
Processing
Reader
01.203D2A.916E8B.8719BAE03C
Tag
Database
38
19
Assignment7
z
2003年4月末現在，携帯電話の加入数が7600万以上であるのに対し，
PHSの加入数は約540万であり，両者の間には大きな差がある．また，
携帯電話の加入数が増え続けているのに対し，PHSの加入数はここ数
年ほぼ横這いである．このように，携帯電話に対しPHSの加入数が伸
び悩んでいる理由として思うところを述べよ．
参考資料：
http://www.soumu.go.jp/joho_tsusin/pressrelease/japanese/sogo_t
susin/030527_1.html
締め切り：06/06/2003 (Fri) 24:00
提出方法：[email protected] までメールで送る
と共に，SOIにも提出して下さい
39
20