Wireless – aber rich-g ! Von echtem Mul-- Gigabit zu …...Wireless – aber rich-g ! Von echtem Mul--Gigabit zu LTE-Erweiterungen auf dem Weg zu 5G Dr. Franz-Joachim Kauﬀels Unabhängiger

Wireless–aberrich-g!VonechtemMul--GigabitzuLTE-Erweiterungenaufdem

Wegzu5G

Dr.Franz-JoachimKauffelsUnabhängigerTechnologie-undIndustrie-Analyst

ComConsultAkademieNetzwerkForumKönigswinter2016,V.03,7.3.16

• LTERel.13–15• LTEAdvanced• LTEinlizenzfreienBändern,LAA,LTE-U

• Leistungsziele• KonstrukVon• StandderPlanung• ErsteTests

• MulVgigabitim60GHz-Band

• NeueFeatures• Produkte

• Wachstumallgemein• Wachstumgerätespez.• Offload

MegatrendMobilität

IEEE802.11ad/WiGig

reloaded

LTEaktuell

5G

• Wachstumallgemein• Wachstumgerätespez.

• Offload

MegatrendMobilität

Mobilität=Cellular(4G,5G)+WiFiOffloading

4

WachstumdesglobalenMobilfunkverkehrsnachGerätetyp

Mobilität=Cellular(4G,5G)+WiFiOffloading

5

IP-VerkehrnachZugangstechnologie

AnwendungsbereichefürMul--Gigabit-WLANs

6

MobileVideo,AugmentedundVirtualReality

7

•  Unterstützungvon3DHD-Video•  UnterstützungallerBewegungen•  Indoorwenigstens3-5m

MobilesVideowird2020dreiVierteldesMobilverkehrsausmachen....

...undmieelfrisVgnichtbei„normalen“Video-Inhaltenstoppen.

HighSpeedDownloadServices

8Book, Magazine, Newspaper Music, Video etc.

Train Station Digital KIOSK Front

Ad video, Drama, Movie etc.

•  SehrkleineDistanzenzwischenSenderundEmpfänger,typischunter10cm•  SehrhoheLadegeschwindigkeit,z.B.CD(700MB)0,2sbei30Gbpsoder

HD-VideozweiStunden(3,6GB)0,6sbei50Gbps

CableReplacement,Docking

9

Interface Version Approx. max. datarate(Gbps)

DisplayPort 1.0-1.1 8.6 1.2 17.3

HDMI 1.0-1.2a 5 1.3-1.4a 10.2 2.0 18

USB 2.0 0.48 3.0 5 3.1 10

Thunderbolt 1.0 102.0 20

MobileDisplay

3D,HDUncompressedvideo

InFlight-,Train-,Ship-,Bus-,Car-Entertainment

10

TFT touchscreen

TFT touchscreen

TFT touchscreen

TFT touchscreen

• MulVgigabitim60GHz-Band

• NeueFeatures• Produkte

MegatrendMobilität

IEEE802.11ad/WiGig

reloaded

5GLTE

aktuell

•  Übertragungsgeschwindigkeitbisnahezu7Gbpsbrueo•  NurunwesentlicherVerwaltungs-Overhead,Brueo-

Leistungbiszu90%nutzbar•  Arbeitsbereich50–100qm,LeistungzumRandhinstark

abfallend•  Peer-to-PeerModusundAccessPoint/StaVonen-Modus•  KeineInterferenzenmitanderenFunkdiensten,lizenzfrei•  KostenmodellfürConsumer-Bereich,nichtteurerals11ac

12

AllgemeineEigenscha[enIEEE802.11ad/WiGig

IEEE802.11admmWaveSpektralmaske

0.94 1.2 1.6 2.2-0.94-1.2-1.6-2.2 (f-fc) GHz

-30dBr

-25dBr

-20dBr

Dämpfungdurchmenschl.Körper

Au[reffwinkel

Mul-pathEffekte

30 feet

30 feet

PT = 10 dBm GT = 10 dBi GR = 10 dBi

Left Hand Si = -82 dBm

Time = 49 ns

Right Hand

Right Hand

Left Hand

Right Hand

Si = -87 dBm

Time = 90 ns

Outside antenna’s

beam coverage

Technologie*Komponenten/

MAC Modem Front End

Transmit Antenna Receive Antenna

Horn%Printed%Circuit%Phase%Array%

GaAs%4%PHEMPT%%%%%%%%%%%4%NHEMPT%DHBT%InP%GaN%SiGe%

SiGe%BiCMOS%CMOS%

Sub%μ%CMOS%

Verfügbare%Technologien%

MIMO%Antennen%%%%56+%GHz%MMICs%%RFIC%MAC%Processor%EncrypLon%DecrypLon%

16

Technologie-Komponentenfür60GHz-Band-WLANs

17

Verfügbarkeitdes60GHz-Spektrumsweltweit

Quelle:WiFiAlliance

18

OFDMModula-ons-undCodierungsschemata

Quelle:IEEE802.11ad

19

DynamischeperiodischeZuordnungvonServices

Quelle:IEEE802.11ad

Polling Period (PP) Data Transfer in SP

Poll1

SPR1

PCP/AP:

STA:

SPR1

Poll1

Grant Period (GP)

PollN. . .

PollN. . .

. . .

. . . SPRN

SPRN Grant1 Grant2

Grant1 Grant2

Time

SBIFS

SBIFS SBIFS SIFS SBIFS SBIFS

20

LOSMIMOHybridBeamforming

Quelle:IEEE802.11ad

3DMIMOMatrixnachgrobemBeamforming,ergibtvrtuelleMIMO-Kanal-MatrixfürFeinabsVmmung

MIMOmitinnovaVverAntennen-ArchitekturfürHybridBeamforming

802.11ad/WiGig-Antennemit16-ElementArrayfür3D-Beamforming

Sector#1

Sector#2

Sector#3Sector#4Sector#N

Sector#1Sector#2

Sector#3Sector

#4

Sector#

N

RED–bestrayandbestpairofTX-RXsectorsGreen–secondbestpairofsectorsBlue–thirdbestpairofsectors

TX RX

•  UnterstützungvonDatenratenvonbiszu7Gbps.•  SpeziellesDesignzurUnterstützungunterschiedlicherEndgeräte-Typen

vonkompaktenmobilenGerätenwieSmartphonesüberTabletsundNotebooksbishinzuhöchstleistungsfähigenstaVonärenodermobilenComputern.

•  AngepasstesLeistungs-Management.•  UnterstützungvonWiFi-arVgenNetzwerk-ImplemenVerungenmitder

MöglichkeitdestransparentenUmschaltenszwischen802.11-NetzenaufjedemFrequenzbandeinschließlich2,4GHz,5GHzund60GHz.

•  UnterstützungvonBeamformingzurMaximierungderSignalstärkeundeinerrobustenKommunikaVonauchjenseitsder10m-Distanz

•  SicherheitunterNutzungdesGalois/CounterModesderAES-Verschlüsselung

•  UnterstützungvondrahtlosenHochleistungs-ImplemenVerungenvonHDMI,DisplayPort,USBundPCIe

21

SpezielleEigenscha[envonWiGig

22

WiGig-Architektur

Quelle:WiFiAlliance

23

WiGigProtocolAdap-onLayers

Quelle:WiFiAlliance

24

Produkte

ACERTravelMateP648,QuelleACER

TP-LinkAD7200WiGigRouter,QuelleTP-Link

LTEAdvanced•  Cat.12(biszu600Mbps)imDownlink•  Cat.13(biszu150Mbps)imUplink•  Biszu4X4MIMOproDL-LTE-TrägerKonnek-vitätinlizenzfreienBereichen•  2X2MU-MIMO(802.11ac)•  MulV-Gigabit802.11ad•  LTE-U•  LTE+WiFiLinkAggregaVon(LWA)UnterbrechungsfreieDiensteüberverschiedeneVerbindungsarten•  NextGenHDVoice&VideoCallingüberLTEundWiFi

(VoLTE,ViLTE)•  VerbindungskonVnuitätüberWiFi,LTE,3Gund2GRFFrontEndInnova-onen•  AdvancedClosedLoopAntennenTuner•  Qualcomm360GradFrontEndSoluVon•  WiFi/LTEAntennen-Sharing 25

QualcommTriBand-Transceiver

• LTERel.13–15• LTEAdvanced• LTEinlizenzfreienBändern,LAA,LTE-U

MegatrendMobilität

IEEE802.11ad/

LTEaktuell

5G

LTEAdvanced:AujruchzuneuenUfern

Basisgrafik:Qualcomm

VerbesserungenmitLTEAdvanced


CarrierAggrega-on


CarrierAggrega-onverbessertLeistungbeitypischenLasten

TypischeSmartphoneAnwendungenmitBurst

Charakter

KapazitätsgewinndurchCarrierAggregaVon


MehrAntennen–GewinndurchEmpfänger-Diversity


NotwendigkeitvonFiberBackhaul


KapazitätskaliertdankumfangreichemInterferenz-ManagementmitderAnzahlderSmallCells


EntwicklungderCarrierAggrega-onbeiLTEAdvanced


Mul--Flow:dualeZellen-Konnek-vitätüberkleineZellensowieMakrosundkleineZellen

•  VerbesserterOffloadindieSmallCells•  HöhereDatenratenanZellen-Kanten•  RobusteMobilität


VerbesserungderLeistung„Heterogener“Netze(HetNets)


AngereicherteReceiver-SchaltkreisezurLeistungsverbesserunginHetNets


Sonderfunk-on:LTEBroadcast(MOOD:Mul-castOpera-onOnDemandinRel12+)


LTERel.13undderWegzu5G

•  3GPPPerweitertdieLTE-PlaworminRichtungneuerServicesundhöhererLeistung,umdiezunehmendenBedarfederMobil-KommunikaVonabdeckenzukönnen

•  GleichzeiVgarbeitet3GPPPaberauchandernächstenGeneraVonMobilfunk(5G),dieca.ab2020kommenwird

•  Quelle:LTERelease13androadto5G,DinoFlore,Chairmanof3GPPPRAN,ATIS5GSymposium,Juni15

OffloadinslizenzfreieSpektrum

•  DaslizensierteSpektrumbleibtdieersteWahlfüreinen3GPPP-Betreiber,umdenKundenneueDienstleistungenundeinverbessertesBenutzererlebniszuliefern

•  DiezusätzlicheNutzunglizenzfreierBereichewirdabereinzunehmendwichVgesElementumaufdenwachsendenLeistungshungerreagierenzukönnen

•  3GPP-BetreiberhabenletztlichzweiMöglichkeiten,lizenzfreieBereichezunutzen:–  WiFivermögeWiFi/LTE-Internetworking–  LTEimlizenzfreienSpektrum

•  DieAuswahlhängtvonvielenverschiedenenFaktorenab

LTE/WiFi-Internetworking

•  FrameworkwurdeseitdemerstenLTE-Releaseentwickelt•  ImLaufederZeitwurdenimmerengereFormendes

Internetworkingshinzugenommen•  InRel.13wirdmitfolgendenMethodeneinenochengere

KooperaVondefiniert:–  AggregaVonvonWiFiundLTERadio-Links–  Erweiterte,durchdasNetzwerkkontrollierteMobilitätmieels

erweiterterNetzwerk-ReporVng-Verfahrenz.B.mitMessungendesUserEquipmentsundneuenSteuerungs-MöglichkeitenimNetz

LTEoverUnlicensed,auchLAAoderLTE-U

•  ProjektstudiertÄnderungenderLTE-WellenformuminlizenzfreienBändernarbeitenzukönnen

•  WesentlichePrioritäten:–  5GHz-Band–  GlobaleLösung,dieinunterschiedlichenRegionenmitunterschiedlichenRegularienarbeitenkann

–  LicensedAssistedAccess(LAA)-Betrieb–  FaireKoexistenzzwischenLTE,WiFiundunterschiedlichenLTE-Betreibern(keinWortvonprivatenWiFi-Betreibern)

LTEoverUnlicensed,LAAoderLTE-U?

LTEoverUnlicensed

LAAmit

ListenBeforeTalkDynamicFrequencySelecVon

TransmitPowerControlCarrierSelecVon

UplinkundDownlink

LTE-UOHNELBTDFSTPC

NurDownlink

LösungfürEU LösungfürUS,ASIA-PAC

LAA-BetriebsweiseundFairness

•  AggregaVoneinerprimärenZelle,dieineinemlizensiertenFrequenzbereicharbeitetundhiersensibleInformaVonenundDurchsetzungvonQualityofServicebehandelt,miteinersekundärenZelle,dieineinemlizenzfreienBereicharbeitetundzuropportunisVschenLeistungssteigerunggenutztwird

•  DiesekundäreZellekannsogeschaltetwerden,dasssienurDownloadsempfängt,aberauchso,dasssieDownloadsundUploadsbeherrscht

•  FaireKoexistenz:LAAsolltedieQualitätbenachbarterWiFi-Dienste(Video,DatenundSprache...)indenwesentlichenParametern(Durchsatz,Latenz,Jieer...)nichtmehrbehindernalseinanderesWiFi-NetzwerkaufdemgleichenTräger-Bereich

LAA-Funk-onalitäten

•  ListenBeforeTalk(LBT)•  DiskonVnuierlicheÜbertragungmitbegrenztermaximalerÜbertragungsdaueraufeinemTräger

•  DynamicFrequencySelec8on(DFS)zurVermeidungvonInterferenzenmitRadarinverschiedenenRegionen

•  CarrierSelecVon•  TransmitPowerControl(TPC)

LTE-U-Diskussionsbereiche

•  DieFunkVonenvonLAAsorgenallerVoraussichtnachfüreinefaireKoexistenzvonWiFiundLAA.

•  BeiLTE-Usiehtdasandersaus.DieFCChatMiee2015HerstellerundBetreibernachihrerPosiVonzudiesemPunktgefragt.

•  AT&T:grundsätzlichposiVv,esistabermehrNormungnöVg•  Google:ehernegaVv,möglicheWiFi-DegradaVon•  Ruckus:drücktstarkeBedenkenaus,WiFi-DegradaVon•  Cablevision:„dieBefürwortervonLAA/LTE-Uzerstörendiehistorische

gesundeDynamikderunlizensiertenBänder“verlangtSchutzvonVerbrauchernundWeebewerbern

•  Verizon:„dasisteinewichVgeTechnologieumdenraketenarVgnachobenschießendenBedarfderNutzerbefriedigenzukönnen“

WeitereFunk-onsbereiche

•  ErweiterungendesSignalisierungs-FrameworksfürdieLTECarrierAggregaVon(CA)–  Erlaubtbiszu32Einzel-Träger,waseinererheblichenErweiterungder

MöglichkeitenvorallemimHinblickaufhoheDatenratendarstellt–  AuchnützlichfürdenLAA-BetriebinunlizensiertenBereichenmit

breiterenBlöckenfreierFrequenzen•  VolldimensionalesMIMOundBeamformingmitzweidimensionalen

Antennen-Arraysmitbiszu64MIMO-Kanälen(Projekte)•  DownlinkMulV-User-TransmissionmitSuperposiVons-Codierung

(ganzgrobeinetheoreVschfundierteErweiterungvonMU-MIMO)

AdressierungdesIoT

•  ZusätzlicheLTE-Erweiterungenfürmaschinen-basierteKommunikaVon

•  AuyauendaufdenGrundlageninLTER12•  NeueUserEquipmentCategory(0)•  1,4MHzSchmalband-Betriebsweise•  MulVplexingmitanderenStrömeninbreiterenKanälen•  ErweiterteFunkabdeckung,vereinfachtePHY/MAC•  EntwicklungeinesvölligneuenRadioteilsfürLow-EndIoT-

AnwendungenmitnurbegrenzterMobilitätsunterstützung,rund100bpsauf200kHz-BändernsowiehöhererReichweite(20dBbesseresLink-BudgetverglichenmitGPRS),sehrgeringeKostenundLeistungsbedarf

WeitereArbeitsbereiche

•  IndoorPosiVonierung.DieFCChatgefordert,dieGenauigkeitderIndoor-PosiVonierungzuverbessern,z.B.umbeiNotrufenbesserreagierenzukönnen.

•  SingleCellPoint-to-MulVpoint.EvaluierungmöglicherVorteilederNutzungdesgemulVplextenLTE-Downlink-KanalsfürSC-PtM.

•  LowLatencyLTE.UntersuchungderMöglichkeitenderStraffungvonProtokoll-ElementenundOpVmierungderVerarbeitungzurRealisierungkürzererLatenz-ZeitenfürdieRealisierungeinerbesserenBenutzer-Erfahrung.ErsteErgebnissewerdenallerdingserstfürR14erwartet.

• Leistungsziele• KonstrukVon• StandderPlanung• ErsteTests

MegatrendMobilität

IEEE802.11ad/

LTEaktuell

5G

5GBackground

•  Etwaalle10JahreneueEvoluVonsstufe•  1982NordicMobileTelephone:1G•  1992erstes2G(GSM)ausderStandardisierung•  2001erstes3G(UMTS)ausderStandardisierung•  Standardisierungvon4G(LTE)begann2001•  EswirdZeit!

Große Streuung von Anwendungen

& Anforderungen

Device-to-Device Communications Car-to-Car Comm.

Neue Anforderungen und Charakteristika durch

kommunizierende Maschinen

Lawine des Verkehrs-Volumens

Weitere Expansion von Mobile Broadband

Zusätzlicher Verkehr durch kommunizierende

Maschinen

“1000x in ten years”

Massives Wachstum Verbundener

Geräte “

“50 billion devices in 2020”

GenerelleAnforderungenan5G

Einigesehrunterschiedliche5G-Visionen

•  Super-effizientesMobilnetzmitbessererLeistungbeigeringerenInvesVVonskosten

•  Super-schnellesMobilnetzfürdieClusterungdernächstenGeneraVonvon„SmallCells“wenigstensimStadtbereich

•  KonvergiertesFiber-WirelessNetzunterhe}igerNutzungdesMillimeterwellen-Bereichs

•  Latenz<5msEtE,mehrals100Geräte/qmmöglich

1000x higher mobile data volumes

10-100x higher number of

connected devices

10-100x typical end-user

data rates

5x lower latency

10x longer battery life

for low-power devices

Upto10Gbps 10years50/500Bdevices FewmsE2E

5GTechnischeZiele,z.B.METIS

1000xdatavolume

5GZiele,andersausgedrückt

•  Datenratenvonmehreren10Mbpsfürmehrere10.000Nutzer

•  1GbpssimultanfüralleNutzeraufdemgleichenFlur•  Mehrere100.000simultaneVerbindungenfürSensoren•  SpektraleEffizienzerheblichbesseralsbei4G•  GenerellverbesserteAbdeckung•  VerbesserteSignalisierungs-Effizienz•  LatenzdeutlichgeringeralsbeiLTE

5GEntwicklung/Standardisierung(Auszug)

•  2008Süd-KoreaITR&D-Programm5Gmobile•  2012UK5GInnovaVonCentreatUniv.ofSurrey•  2012USNYUWirelessmulVdisziplinäresForschungs-Zentrum•  2012EUEuropeanCommissionMETISProjekt(MobileandwirelesscommunicaVons

EnablersfürtheTwenty-twentyInformaVonSociety)•  2012EUICTFP7ProgrammfürRANasaService(RANaaS)•  2013EUCROWD(ConnecVvitymanagementforeneRgyOpVmizedWirelessDense

Networks)•  2013USRutgersUnivNJdynamischesProvisioningmitCloudRadioAccessNetwork(C-

RAN)fürNSF•  2015HuaweiinvesVert600MioUSDin5G-Forschung,TestnetzMalta•  2015HuaweiundEricssontesten5GindennördlichenNiederlanden•  20155GNORMAProjektvereinigtwesentlicheHerstellerunterEU-Fahne•  2015EuropeanH20205GPublic-PrivatePartnership5GPPP•  2016Googlewillein5GNetzwerkmieelsstaVonärerDrohnen(SkyBender)entwickeln

METIS5GRequirements

D2DcapabiliVes NSPS, ITS, resilience, …

Devicesperarea 300.000 per access node Baeery ~10 years

Reliability 99.999% within time budget Coverage >20 dB of LTE (e.g. sensors)

LatencyreducVon ~ 1ms (e.g. tactile internet)

Spectrum Higher frequencies & flexibility Capacity 36TB/month/user (resp. 500 GB)

Energy ~10% of today’s consumption

Datarates 1-10Gbps (resp.100s of Mbps)

Ultra-dense networks

Massive Machines

Ultra Reliable Comm.

Wich-geTechnikenfür5G(1)

•  UmfangreicheNutzungvonMillimeterwellensowohlindooralsauchoutdoor,28,38,60und72,73GHz-Bänder,zusätzlich90GHzBänderundmehrfürBackhaul

•  MassivesMIMO•  ProakVvesContentCachingandenNetzkanten(wiez.B.

CiscoFogCompuVng)•  FortschrielichesInterferenz-undMobility-Management•  EffizienteUnterstützungvon„IoT-Teilnehmern“•  MulVple-HopNetworks

Wich-geTechnikenfür5G(2)

•  WirelessNetworkVirtualizaVon•  KogniVveRadioTechnologie(SmartRadio)erlaubt

verschiedenenRadio-TechnolgiendieeffizientegleichzeiVgeNutzungdesgleichenSpektrumsdurchadapVvesSuchennachunbenutztenTeilendesSpektrumsundderenNutzung.

•  DynamischeAdHocWirelessNetworks(DAWN)•  Vandermode-SubspaceFrequencyDivisionMulVplexingfür

SmartRadio•  IPv6•  WorldWideWirelessWebWWWW

300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz Neue Spektralbänder und Zugriffsmethoden

Dichte und bewegliche Netze Multi-hop Wireless Backhaul

Massive Multi-Antennen

Luftschnittstellen für neue Anwendungen und redizierte Signalisierung

Einige5GTechnologie-Komponenten

Parkarea

Mobile Device-to-device

Kontext-bewusstes Interferenz- und Mobility Management

5GTimeline

Documents

Wireless – aber rich-g ! Von echtem Mul-- Gigabit zu …...Wireless – aber rich-g ! Von echtem Mul--Gigabit zu LTE-Erweiterungen auf dem Weg zu 5G Dr. Franz-Joachim Kauﬀels Unabhängiger