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Mobilkommunikationsnetze
Vorlesung
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Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel
Fachgebiet Integrierte Kommunikationssysteme
www.tu-ilmenau.de/iks
Mobilkommunikationsnetze
- LTE & weiter? -
Vorlesung
Andreas Mitschele-Thiel
Mobilkommunikationsnetze
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LTE
• Long-Term Evolution
• Entwicklungspfad für Mobilfunknetze nach UMTS
– Fokus auf Datenübertragung
nur Paketvermittlung, gesamtes Netz IP-basiert
– Hohe Übertragungsraten (300 MBit/s Down-, 75 MBit/s
Uplink)
– Geringe Latenz (< 5 ms im Funknetz)
– flexible Skalierung der Bandbreite (1,4 - 20 MHz pro
Kanal)
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LTE – Funkschnittstelle
• Downlink: OFDM
– robust gegenüber frequenzabhängigem Fading & Inter-
Symbol-Interferenz
– einfache Skalierung der Kanalbandbreite
• Uplink: SC-FDMA
– weniger leistungsfähig, als OFDM
– energieeffizient wichtig für Endgeräte mit begrenztem
Energievorrat
• Modulation bis 64-QAM
• bis 4x4 MIMO zur Kapazitätssteigerung
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LTE – Netzwerkstruktur
• 2 Teile:
– eNodeB: evolved Node B Basisstation
– EPC: Evolved Packet Core Kernnetz
X2
X2
X2
EPC
eNodeB
eNodeB
eNodeB
S1 S1
Nach: http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/98-lte
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LTE – Netzwerkinfrastruktur
• Entwicklung der NetzkomponentenUMTS LTE
GGSN
Node B
SGSN
RNC
SGW
MME
ENodeB Control Plane
User Plane
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LTE – Handover
• netzgetriebener Handover
– Endgerät misst Signalstärken & meldet benachbarte Zellen
an eNodeB
keine vordefinierte Nachbarschaftsliste notwendig
– eNodeB trifft Handoverentscheidung
• HO ohne Beteiligung des Kernnetzes (wenn möglich)
– Abstimmung beteiligter eNodeB via X2-Schnittstelle
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LTE – Handover
• Handover ohne Wechsel des MME (vereinfacht)
UESource
eNodeBMME SGW
TargeteNodeB
HO Entscheidung
Admission Control
Measurement Report
HO Request
HO Request ACKInformationen d.Target eNodeB
Abmelden Source eNodeB,
Synchronisation mit Target eNodeB
Weiterleitungvon Paketen für
UE via X2
Datenverbindung
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LTE – Handover
• Ziel: Seamless Mobility
– Vorbereitung Wechsel durch alten eNodeB
• Anforderung von Ressourcen am neuen eNodeB
• Weiterleitung von Konfigurationsdaten an UE
vermeidet Zugriff auf Ressourcen des neuen eNodeB
– Pufferung & Weiterleitung von Paketen in altem & neuem
eNodeB während Wechsel
Unterbrechung nur etwa 35 ms
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LTE-Advanced
• Weiterentwicklung von LTE in Richtung 4G
• Nutzdatenraten bis 1 GBit/s symmetrisch
(100 MBit/s bei schneller Bewegung)
• Kanalbandbreiten bis 100 MHz
• 8x8 MIMO im Downlink
• Update für bestehende LTE-Zellen in Software
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Zukunft?
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5G
• Bisher: hauptsächlich Ideen/Visionen
• Zeitrahmen: ab 2020
• Ziele
– Hohe Systemkapazität (x 1000)
– Hohe Datenraten und hohe Dienstgüte
• 1 GBit/s pro Nutzer für dutzende Nutzer (Beispiel: Büro-Umgebung)
• min. 50 MBit/s „überall“
– Hohe Nutzerzahlen
• >10 MBit/s pro Nutzer für >10.000 Nutzer (Beispiel: Stadion)
• >> 100.000 Endgeräte/km² (Beispiel: Sensornetze)
– Geringe Latenz ~1 ms für spezielle Anwendungsfälle
– Geringe Kosten
– Geringer Energieverbrauch
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5G
• Erste Technologiedemonstrationen
• Beispiel: Huawei-“Mobiltelefon“ Anfang 2015
Quelle: http://www.golem.de/news/lte-nachfolger-huawei-zeigt-sein-erstes-5g-handy-1501-111819.html
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802.11ad – WiGig
• WLAN bis 7 GBit/s
• Kanalbandbreite > 2 GHz
• 60 GHz ISM-Band
– Kurzstreckenübertragung (keine Durchdringung von
Wänden)
– Zielgruppe eher Geräteverbindungen (bspw. drahtlose
Bildschirmanbindung)
• Beam Forming zur gerichteten Übertragung
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LTE in unlicensed spectrum
• Nutzung von ISM-Bändern durch LTE
zusätzliche Bandbreite bspw. für Femtozellen
– Grundlegende Abdeckung im lizenzierten Band, ISM-Kanal
nur als zusätzliche Ressource
• Problem: Koexistenz mit bestehenden Technologien
notwendig
– Implementierung von Carrier Sensing
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Selbstorganisation
• Selbstorganisierte Konfiguration, Betrieb und Reparatur
von Mobilfunknetzen
– Optimierung von Betriebsparametern
• Antennenneigung
• Handover-Einstellungen
• Sendeleistung
• Reuse Schema. etc.
– Ziele
• Zellkapazität (Systemkapazität) und Zellabdeckung
• Lastverteilung
• Dienstgüte für Nutzer (Fehlerrate, Verbindungsabbrüche,
Latenz für Verbindungsaufbau, etc.)
• Energieverbrauch, etc.
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Und hier?
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Cognitive Radio Networking
Motivation:
• Lücken in der Nutzung des
Spektrums (white space)
• Überlastetes ISM-Band (Wifi) sowie
zelluläre Netze (GSM, UMTS, ..)
• Statische Zuweisung bzw. Technik
verhindert Nutzung freier
Ressourcen
Idee:
• Nutzung des „besten“ verfügbaren
Kanals
• Automatische Anpassung des Netze
bzw. der Parameter an aktuelle
Situation
• Intelligentes, flexibles und
rekonfigurierbares Radio (Software
Defined Radio)Zeit
Sende-leistung
Ressourcen
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Cognitive Radio Networking
• Aktuelle IKS-Forschungsprojekte:
– Entwicklung und Bewertung neuer Algorithmen im Bereich:
• Kanalzugriff (MAC) und Link-Anpassung
• Spectrum Abstraction/Allocation/Sharing
– Experimentelle Evaluierung und prototypische Implementierung
mittels Software Defined Radio (USRP bzw. GNU Radio/Iris)
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Satellitenkommunikation
• alle üblichen Probleme mit Funk plus:
– große Entfernung
• Signalqualität
• Übertragungszeiten (geostationär: 250 ms Erde-Sat-Erde)
– wenige sinnvolle Orbits
• genaue Ausrichtung der Antennen
– Mobilität
• Antennennachführung notwendig
• ständig veränderliche Kapazität
• KASYMOSA
– QoS über veränderliche Links
mit hohem Delay
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Selbstorganisation
• Selbstorganisation:
– Realisierung gewünschten Verhaltens als Resultat der
Interaktion beteiligter Systeme
– keine zentrale Kontrolle
– typisch: einfache Regeln für das Einzelsystem, komplexes
Verhalten entsteht aus der Kombination vieler Teilnehmer
• Beispiele:
– Optimierung von Funksystemparametern bei LTE
– Energieeinsparungen durch Ab-/Anschalten von Zellen
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Controlled Mobility
• Mobilität zur Erstellung von:
– Multi-Hop Netzen in Katastrophenfällen
– Delay Tolerant Networks ( „Elektronische Brieftaube“)
• Werkzeug:
– UAVs (Unmanned Aerial Vehicles)
– Vorlesung Entwicklung integrierter HW/SW-Systeme
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