Mobilkommunikationsnetze - LTE & weiter? · PDF fileUMTS LTE GGSN NodeB SGSN RNC SGW MME ENodeB Control Plane User Plane. Mobilkommunikationsnetze Vorlesung 6 ... • Beispiel: Huawei-“Mobiltelefon

Mobilkommunikationsnetze

Vorlesung

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Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel

Fachgebiet Integrierte Kommunikationssysteme

www.tu-ilmenau.de/iks


- LTE & weiter? -

Vorlesung

Andreas Mitschele-Thiel


Vorlesung

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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)


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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


Vorlesung

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LTE – Netzwerkinfrastruktur

• Entwicklung der NetzkomponentenUMTS LTE

GGSN

Node B

SGSN

RNC

SGW

MME

ENodeB Control Plane

User Plane


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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


Vorlesung

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Zukunft?


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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.


Vorlesung

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Und hier?


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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)


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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


Vorlesung

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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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