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Übersicht
• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 2
Ideale Zellgeometrie
• Betrachte zunächst drei Sender s1, s2, s3, die das von ihnen eingeschlossene Dreieck D vollständig abdecken sollen.
• Annahme jeder Sender hat dieselbe maximale Reichweite r.• Wie müssen die Sender positioniert werden, damit die
Fläche von Dmaximiert wird?
WS 2012/2013 3Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Ideale Zellgeometrie
• Setze dies nun für die sich anschließenden Regionen unendlich weit fort.
• Wie sieht bei dieser Senderpositionierung die Region R der Punkte um einen Sender s aus, die am nächsten zu s liegen?
WS 2012/2013 4Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Ideale Zellgeometrie
Fazit: hexagonale Zellgeometrie erfüllt• maximiert bei fester Anzahl an Sendern die abgedeckte
Fläche oder• minimiert die Anzahl benötigter Sendern um eine gegebene
Fläche abzudecken
Bemerkung• Jede Basisstation kostet Geld. Somit ist die hexagonale
Zellgeometrie sinnvoll für die Zellplanung.• Achtung idealisierte Zellgeometrie: Gleiche maximale
Sendereichweite für jede Basisstation ist jedoch eine idealisierte Annahme.
WS 2012/2013 5Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Zellradius und Zelldistanz
Zellradius r
Zelldistanz d benachbarter Zellen bei Zellradius r
WS 2012/2013 6Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Übersicht
• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 7
Problemstellung
Ausgangspunkt• Gegeben seien k Trägerfrequenzen f1, … , fk• Die verwendeten Frequenzbereiche um die
Trägerfrequenzen überlappen nicht
• Also: gleichzeitige Kommunikation auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen ist störungsfrei
Problemstellung: teile die Frequenzen derart auf die Zellen auf, sodass störungsfreie Kommunikation ohne weitere Absprache zwischen den Zellen möglich wird.
WS 2012/2013 8Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
f1 f2 f3 fk…
Zuweisung von FrequenzblöckenWir bezeichnen zwei Zellen, die wechselseitig in ihren
Interferenzbereichen liegen, als Interferenz‐NachbarnOffensichtlich• Zwei Zellen, die Interferenznachbarn sind, dürfen nicht dieselbe
Frequenz gleichzeitig verwenden.• Weiter auseinander liegende Zellen dürfen hingegen dieselbe
Frequenz verwenden.Teile die verfügbaren Frequenzen in Frequenzblöcke und weise jeder
Zelle einen Frequenzblock derart zu, dass keine Interferenznachbarn denselben Block verwenden.
Im Folgenden geben wir bei einer Aufteilung in n Frequenzblöcke nur noch die Nummern 1,…,n der Frequenzblöcke an.
WS 2012/2013 9Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
f1f2
f3f4
f5f6
f7f8
Frequenzblock 1 Frequenzblock 2 Frequenzblock 3 Frequenzblock 4
Problemstellung: Frequency‐Reuse‐Patterns
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 10
Im folgenden betrachten wir folgende vereinfachte Modellannahmen:• Zellulares Netz verwendet die ideale Zellgeometrie (Hexagone)• Jedes Hexagon hat in der Mitte eine Basisstation• Jede Basisstation hat denselben Interferenzradius r.
Problemstellung: wie können den Zellen Frequenzbereiche zugewiesen werden, sodass keine Interferenz vorliegt und die Frequenzwiederverwendung optimal ist, d.h. eine minimale Anzahl von Frequenzblöcken benötigt wird.
Reguläre Struktur erlaubt Betrachtung auf Zellebene
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Definition Zelldistanzvektor
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 13
Es seien C und D zwei Zellen. Es sei von den sechs möglichen Sektoren um C der Sektor S der Sektor in dem die Zelle D liegt.
Es seien u und v die Vektoren, die den Sektor S aufspannen.Das Zentrum von D lässt sich von C aus durch eine Linearkombination
von u und v erreichen.Das bedeutet:
Wir bezeichnen (i,j) als Zelldistanzvektor von C nach D.Offensichtlich ist (i,j) auch der Zelldistanzvektor von D nach C.Wir sprechen somit im Folgenden einfach nur noch von dem
Zelldistanzvektor zwischen C und D.
C
D
Zelldistanzvektor am Beispiel
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 14
Der Zelldistanzvektor (i,j)von C und D ist:
Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 15
Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (2)
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Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 17
Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (2)
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Fakten zum Frequency‐Reuse (1)
Anzahl c verfügbarer Frequenzen pro Zelle bei k gegebenen Frequenzen und einem Frequency‐Reuse‐Pattern mit n Zellen:
Die Anzahl n der Zellen in einem Frequency‐Reuse‐Pattern erfüllt immer:
Damit sind Frequency‐Reuse‐Patterns mit folgenden Größen möglich: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, ...
WS 2012/2013 19Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Fakten zum Frequency‐Reuse (2)
Definiere• d = minimale Distanz zwischen Zellzentren von Zellen,
welche dieselbe Frequenz verwenden.• r = Zellenradius• b = Distanz zwischen Zellzentren von unmittelbar
benachbarten Zellen• n = Anzahl Zellen in einem Frequency‐Reuse‐Pattern
Es gelten folgende Zusammenhänge:
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Erhöhen der Netzkapazität
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Netzkapazität: von Interesse sind hier sowohl Bandbreite als auch Latenz.
Hinzufügen neuer Kanäle – erhöht offensichtlich die gesamte Netzkapazität
Frequency‐Borrowing – Ausleihen ungenutzter Frequenzen von Nachbarzellen
Cell‐Splitting – Aufteilen von Zellen mit gewöhnlich hohem Verkehrsaufkommen in kleinere Zellen.
Cell‐Sectoring – Aufteilen einer Zelle in Sektoren mittel Sektorantennen
Macro‐Zellen und Micro‐Zellen
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Zellen mit besonders kleiner Abdeckung bezeichnet man auch als Micro‐Cells. Ansonsten spricht man von Macro‐Zellen.
Typische Parameter 1995 nach Anderson et al. [1]
(Delay‐Spread = Zeit, zwischen erstem und letzem Empfang eines Signals im Fall von Mehrwegeausbreitung)[1] Anderson, Rappaport, Yoshida, „Propagation Measurements and Models for Wireless Communicaiton Channels“, IEEE Communicaitons Magazine, 1995.
Macro‐Zellen Micro‐ZellenZellradius 1 – 20 km 0,1 – 1 kmÜbertragungsleistung 1 – 10 W 0,1 – 1 WMittlerer Delay‐Spread 0.1 – 10 s 10 – 100 nsMaximale Bit‐Rate 0.3 Mbps 1 Mbps
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• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 23
Übersicht eines zellularen Systems
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 24
Systemkomponenten• Base‐Station (BS)• Mobile‐Unit• Mobile Telecommunications Switching Office (MTSO) Kanäle• Control‐Channels: Aufbau und Aufrechterhaltung von Verbindungen• Traffic‐Channels: Übertragung von Sprach‐ und Datenverkehr
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung
• BS senden Broadcast auf unterschiedlichen Setup‐Kanälen
• Eingeschaltete Mobile‐Unit beobachtet die Setup‐Kanäle
• Mobile‐Unit wählt BS mit dem besten Empfang
• Handshake zwischen Mobile‐Unit und BS zur Identifikation und Ortsregistrierung
• Vorgang wird aufgrund von Gerätemobilität periodisch wiederholt.
• Mobile‐Unit bleibt somit immer der besten BS zugeordnet
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Mobile‐Unit‐Initialization
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung
• Mobile‐Unit überprüft Information im BS‐Forward‐Channel
• Wenn bzw. sobald Kanal frei, dann sende Verbindungsanfrage mit Nummer des Zielgerätes an MTSO über Backward‐Channel der BSS
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Mobile‐Originated‐Call
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung
• MTSO sendet Paging‐Nachricht an BS, in denen gerufene Mobile‐Unit erwartet wird
• Beauftragte BS senden Paging‐Nachricht mittels Broadcast über den eigenen Setup‐Channel in ihre Zelle
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 27
Paging
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung
• Broadcast mit eigener Nummer wird von Mobile‐Unit auf dem Setup‐Channel seiner aktuellen BS erkannt
• Zum Broadcast zugehörige BS wird benachrichtigt
• BS leitet Antwort an MTSO weiter• MTSO schaltet eine
Leitungsverbindung zwischen den Kommunikationsendpunkten
• MTSO wählt passende Traffic‐Channel in den beiden BS aus
• MTSO informiert dann die BS• BS informieren dann die Mobile‐
Units
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Call‐Accepted
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung
• Sprach‐ und Datenaustausch über den aufgebauten Mobile‐Unit‐BS‐MTSO‐BS‐Mobile‐Unit‐Pfad
• Mobilität kann zu Zellwechsel führen. Verbindung bleibt mittels Handoff in andere Zelle (BS) ohne Nutzerbenachrichtigung erhalten
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Ongoing‐Call Handoff
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Weitere Systemfunktionen
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Call‐Blocking – Mobile‐Unit unternimmt mehrere Verbindungsaufbauversuche, wenn alle Traffic‐Channels belegt sind. BS signalisiert der Mobile‐Unit nach mehreren Fehlversuchen einen Busy‐Tone.
Call‐Termination – Beendet eine Mobile‐Unit die Verbindung, wird MTSO informiert. MTSO gibt Traffic‐Channels an beiden BS wieder frei.
Call‐Drop – Bei sehr schlechter Verbindungsqualität wird die Verbindung gestoppt und die MTSO informiert.
Call‐to/from fixed and remote mobile subscriber – MTSO stellt auch Verbindungen ins Telefonnetz oder zu Mobile‐Unit mit anderer zugeordneter MTSO her.
Handoff (1)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 31
Handoff – Vorgang ein mobiles Gerät von einer Zelle in eine benachbarte weiter zu reichen• Network‐initiiert – nur basierend auf Messungen der empfangenen Signale
der mobilen Station• Mobile‐Unit‐gestützt – Signalstärkemessungen auf der mobilen Station
werden an Basisstation zurückgeführt
Mögliche berücksichtigte Performancemaße für Handoff‐Entscheidungen• Cell‐Blocking‐Wahrscheinlichkeit• Call‐Dropping‐Wahrscheinlichkeit• Call‐Completion‐Wahrscheinlichkeit• Wahrscheinlichkeit eines nicht erfolgreichen Handoffs• Handoff‐Blocking‐Wahrscheinlichkeit• Handoff‐Wahrscheinlichkeit• Handoff‐Rate• Unterbrechungsdauer• Handoff‐Verzögerung
Handoff (2)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 32
Genereller Parameter für Handoff‐Entscheidungen – Signalstärke (gemittelt)Handoff‐Strategien• Relative Signalstärke• Relative Signalstärke mit Schwellwert• Relative Signalstärke mit Hysteresis• Relative Signalstärke mit Hysteresis und Schwellwert• VorhersagetechnikenAchtung: Handoff ist aufgrund von Sendeleistungskontrolle noch komplizierter
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Sendeleistungskontrolle
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 33
Wozu benötigt man Sendeleistungskontrolle?• Kompensation von Pfadverlust und allen weiteren
Signalstärkedämpfenden Effekte• Vermeiden von Cochannel‐Interferenz mit benachbarten
Mobilfunkzellen• Ausbalancieren der Signalstärken an der Basisstation bei CDMA‐
basierten Systemen
Generelle Techniken• Open‐Loop – Messung eines permanenten „Pilot‐Signals“ der
Basisstation an der Mobilstation; Umgekehrt proportionale Anpassung der Sendeleistung der Mobilstation; Annahme Vorwärts‐ und Rückwärtskanäle sind korreliert.
• Closed‐Loop –Basisstation misst Signal der Mobilstation; Leistungseinstellung an der Mobilstation wird der Mobilstation über einen Kontrollkanal kommuniziert.
Übersicht
• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 34
Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (1)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 35
Original‐Modell nach Okumura und von Hata nochmals überarbeitet. Ausbreitungsmodell für zellulare Netze basierend auf empirischen Daten zu Messungen in Tokyo.
LdB = 69.55 + 26.16 log fc – 13.82 log ht – A(hr) + (44.9 – 6.55 log ht) log d
fc = Carrier‐Frequenz in MHz (150 bis 1500 MHz)ht = Höhe der übertragenden Antenne (Basis‐Station) in m (30 bis 300 m)hr = Höhe der empfangenden Antenne (Mobile‐Unit) in m (1 bis 10 m)d = Distanz zwischen den Antennen in km (1 bis 20 km)A(hr) = Korrekturfaktor für die Höhe der Antenne der Mobile‐Unit
Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (2)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 36
Der Korrekturfaktor A(hr) für Städte kleiner bis mittlerer Größe:A(hr) = (1.1 log fc – 0.7) hr – (1.56 log fc – 0.8) dB
Der Korrekturfaktor A(hr) für große Städte:A(hr) = 8.29 [log (1.54 hr)]2 – 1.1 dB für fc <= 300 MHzA(hr) = 3.2 [log (11.75 hr)]2 – 4.97 dB für fc > 300 MHz
Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (3)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 37
Ist der Pfadverlust für eine Stadt nach obigem Modell LdB, so ergibt sich als Schätzung des Pfadverlustes L‘dB für entsprechende vorstädtische Gebiete
L‘dB = LdB – 2 [log (fc / 28)]2 – 5.4
Für offene Gebiete wird der Pfadverlust L‘‘dB wie folgt geschätztL‘‘dB = LdB – 4.78 (log fc)2 – 18.733 (log fc) – 40.98
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• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 38
Motivation und Begriffsbildung
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 39
Zellkapazität – Anzahl der mobile Geräte, die gleichzeitig bedient werden können.Beispiel FDMA‐System: jedes aktive mobile Gerät benötigt eine Frequenz. Zellkapazität = Anzahl der verfügbaren Frequenzen. Traffic‐Engineering – geeignetes dimensionieren von Zellkapazität für erwartete Verkehrslasten (Konzepte wurden auch schon für drahtgebundene geswitchte Telefonnetze entwickelt)Zwei generelle Systemkonzepte: L potentielle Kunden (mobile Geräte) und Zellkapazität für N Kunden. Das System bezeichnet man als• non‐blocking, wenn L <= N• blocking, wenn L > N
Traffic‐Engineering in Blocking‐Systemen
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 40
Blocking‐Wahrscheinlichkeit• Wahrscheinlichkeit, dass ein Anruf geblockt wird• Alternativ: welche Zellkapazität wird für eine gegebene
Blocking‐Wahrscheinlichkeit mindestens benötigtBlocking‐Delay (falls geblockte Anrufe in einer Warteschlange warten)• Wartezeit eines geblockten Anrufes• Alternativ: welche Zellkapazität wird für einen gegebenen
Blocking‐Delay mindestens benötigt
Relevante Traffic‐Engineering Konzepte
Zwei Parameter bestimmen die einem System zugeführte Last – mittlere Rate von Verbindungsanfragen pro Zeiteinheith – mittlere benötigte Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf
Diese Parameter definieren zusammen die Verkehrsintensität A
Zellkapazität N interpretiert als Anzahl Bediener eines Multi‐Server‐Systems (vgl. Warteschlangentheorie) ergibt
mit = Zeitanteil, die ein Server belegt ist (im FDMA‐Beispiel zu beginn also die Wahrscheinlichkeit, dass eine Frequenz belegt ist)
WS 2012/2013 41Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Beispiel
Mittlere Anzahl Anrufe pro Minute = 20Mittlere Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf = 3 minDies ergibt eine Verkehrsintensität A von:
Für ein System mit einer Kapazität von N = 120 Kanälen ergibt sich eine mittlere Auslastung pro Kanal:
Ein System mit einer Kapazität von 50 Kanälen wäre überlastet. Ein System mit einer Kapazität von 60 Kanälen wäre voll ausgelastet. Zu Zeiten hoher Last jedoch inadäquat dimensioniert.
WS 2012/2013 42Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Beispiel: Empirische Bestimmung der Verkehrsgrößen
Die mittlere Ankunftsrate und mittlere Bedienzeit h pro erfolgreichem Anruf ist in diesem Beispiel:
Achtung: ist so nur im Nonblocking‐Fall korrekt geschätzt!
WS 2012/2013 43Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Systemdimensionierung in der Praxis
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 44
Dimensionierung des Systems, um die mittlere Last zu Spitzenlastzeiten bedienen zu können.
Spitzenlastzeit – 60‐Minutenperiode an einem Tag (gemittelt über viele Tage), an dem die Last am höchsten ist.
Empfehlung der ITU‐T: statistisches Mittel über die Last der Spitzenlastzeiten der 30 Tage im Jahr, in denen die Last am höchsten war.
Praxis in Nordamerika: wie oben nur 10 Tage im Jahr.
Achtung: gemessen wir immer die bediente Last; die tatsächliche angebotene Last lässt sich daraus nur abschätzen.
Verkehrsmodelle
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 45
Verkehrsmodell hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab:• Wie werden geblockte Anrufe behandelt?• Wie viele Verkehr generierende Quellen gibt es?
Behandlung von geblockten Anrufen• Lost‐Calls‐Delayed (LCD) – geblockte Anrufe werden in einer
Warteschlange bis zur Bedienung gepuffert• Ein geblockter Anruf wird einfach verworfen: hier gibt es zwei
Varianten– Lost‐Calls‐Cleared (LCC) – Benutzer hängt auf und versucht es nach
einer zufälligen Zeit wieder– Lost‐Calls‐Held (LCH) – Benutzer macht unmittelbar darauf den
nächsten AnrufversuchLCC‐Modell wird häufig für die Analyse von zellularen Netzen
angenommen
Verkehrsmodelle
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 46
Verkehrsmodell hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab:• Wie werden geblockte Anrufe behandelt?• Wie viele Verkehr generierende Quellen gibt es?
Infinite‐Source‐Model – es wird eine feste Ankunftsrate angenommen
Finite‐Source‐Model – Ankunftsrate hängt davon ab wie viele Nutzer schon aktiv sind.
Verkehrsmodelle
Annahme: System mit L Nutzern. Jeder Nutzer erzeugt mittlere Last der Größenordnung / L.
Was ist die mittlere Ankunftsrate, wenn das System noch leer ist?
Was ist die mittlere Ankunftsrate, wenn schon K Nutzer im System sind?
[Infinite‐Source‐Modell analytisch einfacher handhabbar; keine Abhängigkeit von Nutzer im System; sinnvoll, wenn Anzahl Quellen mindestens 5 bis 10 mal höher als die Systemkapazität ist.]
WS 2012/2013 47Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Beispiel: LCC und Infinite‐Source
Es seien:A = dem System angebotene Last in ErlangN = Anzahl Bediener (d.h. Anzahl verfügbarer Kanäle; ein Kanal pro
Nutzer)Die Blocking‐Wahrscheinlichkeit P (Grade‐of‐Service) ist: (Erlang‐B‐
Formel)
[Bemerkung: Zusammenhang zwischen angebotener Last A und bedienter Last C:
]
WS 2012/2013 48Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze
Erlang‐B‐Formel
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 49Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Übersicht
• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 50
Erinnerung: Mobilfunkgeneration• 1G: Ursprüngliche zellulare Netze auf der Basis von analogen Kanälen (Sprache wird auf Trägerfrequenz aufmoduliert). Mehrfachzugriff über FDMA.
• 2G: Weiterentwicklung von 1G im Bezug auf– bessere Signalqualität, höhere Datenraten für digitale Datenübertragung, höhere Kapazität
– Wesentliche Unterschiede zu 1G• Digitale Kanäle• Verschlüsselung• Fehlerdetektion‐ und korrektur• Kanalzugriff: FDMA plus TDMA (z.B. GSM) bzw. FDMA plus CDMA (z.B. IS‐95)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 51
GSM Entwicklungsgeschichte• Vor GSM wurden in Europa viele inkompatible 1G Mobilfunksysteme verwendet
• GSM war gedacht als Mobilfunkstandard, der europaweite Kommunikation mit mobilen Geräten ermöglicht (Roaming)
• GSM wurde erstmals 1990 in Europa verwendet• Mittlerweile der erfolgreichste Mobilfunkstandard der Welt– Verfügbar in Nord‐ und Südamerika, Asien, Nordafrika, Mittlerer Osten und Australien
– GSM‐Association verkündet 2004 über eine Milliarde Nutzer
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 52
WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
Aufbau des GSM-Systems
Das GSM-System zählt zu den PLMNs (Public Land Mobile Network). Es wird von verschiedenen Betreibern eingerichtet und bereitgestellt. Es besteht aus mehreren Komponenten:
MS (Mobilstation) BS (Basisstation) MSC (Mobilvermittlungseinrichtung) LRs (Aufenthaltsregister)
Man unterscheidet mehrere Subsysteme: RSS (Funk-Subsystem): Funktechnische Aspekte NSS (Netzwerk-Subsystem): Vermittlungstechnische Vorgänge OSS (Betriebs- und Wartungs-Subsystem)
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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
Die Zutaten 1: Handys, PDAs & Co.
Der sichtbarste, aber kleinste Teil des Netzes!
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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
Die Zutaten 2: Antennen
Auch noch sichtbar – teilweise umstritten…
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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 1
Basisstationen
Leitungen
Mikrowellenverbindungen
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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 2
Vermittlungseinrichtungen
Datenbanken
Verwaltung
Überwachung
Nicht „sichtbar“, machen jedoch den größten Teildes Netzes aus (auch im Hinblick auf Investitionen…)
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GSM Netzarchitektur
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 58Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)
Zeitbereich
GSM-TDMA-Rahmen
GSM-Zeitschlitz
4,615 ms
546,5 µs577 µs
3
935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHzAbwärtsrichtung
890-915 MHz
Höhere GSM-Rahmenstrukturen
124 Kanäle mit je 200 kHzAufwärtsrichtung
1 2 3 4 5 6 7 8
Schutz-zeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail Schutz-
zeit3 bit57 1 26 1 57
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GSM‐Frame‐Format
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 60Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
GSM Signalisierungsprotokollarchitektur
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 61Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Übersicht• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
– 3G‐Systeme– Diskussion von CDMA‐Systemen– Übersicht über das UMTS‐System– Power Control– Handover Control
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 62
3G‐System‐Fähigkeiten nach ITU IMT‐2000• Sprachqualität vergleichbar mit drahtgebundener Telefonie• 144 kbps Datenrate für Nutzer in (schnellen) Fahrzeugen
über weite Gebiete• 384 kbps für Fußgänger über kleinere Gebiete• Unterstützung für 2048 Mbps Büroanwendungen• Symmetrische und asymmetrische Übertragungsraten• Unterstützung sowohl für Packet‐Switched‐ als auch Circuit‐
Switched Datendienste• Adaptives Interface für den asymmetrischen Inbound‐ und
Outbound‐Internetverkehr• Effizientere Nutzung des verfügbaren Spektrums• Unterstützung für eine Vielzahl von mobilem Equipment• Flexibilität, welche die Einführung von neuen Diensten und
Technologien unterstützt
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 63
Motivation und Ansätze für 3G‐Systeme
• Treibende Kräfte im Bereich der mobilen drahtlosen Telekommunikation– Universal‐Personal‐Telecommunications – Person ist identifiziert und kann bequem auf unterschiedliche Kommunikationsdienste global zugreifen
– Universal‐Communications‐Access – Fähigkeit eines Gerätes sich in vielen unterschiedlichen Umgebungen mit Informationsdiensten zu verbinden
• Generelle Ansätze– Digitale Technologie– Effiziente Nutzung des verfügbaren Spektrums mittels TDMA oder CDMA
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 64
Alternative Ansätze als Teil von IMT‐2000
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 65Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Wiedervorlage: Entwicklung der Mobilfunkgenerationen
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 66Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
3G und CDMA
• CDMA ist die dominante Technologie für 3G• Die CDMA‐Schemen haben folgendes gemeinsam– Bandbreite: Kanalbandbreite von 5MHz, um Dienste mit 144 kbps und 384 kbps zu unterstützen
– Chipping‐Rate: 3Mcps, um für gegebene Bandbreite und verwendete Fehlerkorrektur die gewünschte Datenrate zu erzeugen
– Multirate: mehrere logische Kanäle mit festen Datenraten für einen Nutzer
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 67
Übersicht• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
– 3G‐Systeme– Diskussion von CDMA‐Systemen– Übersicht über das UMTS‐System– Power Control– Handover Control
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 68
Vor und Nachteile von CDMA
Vorteile• Frequenzdiversität• Mehrwegeresistenz • Privacy • Graceful‐Degradation Nachteile• Self‐Jamming• Nah‐Fern‐Problem • Komplexeres Handoff
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 69
CDMA: RAKE Receiver
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 70Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
CDMA: Hard‐ und Soft‐Handoff• Handoff‐Verfahren in TDMA und FDMA immer dergestalt, dass ein gerät an eine Basisstation angebunden ist.
• Vorig beschreibene Idee zu RAKE‐Reciever, lässt sich im CDMA‐Fall auch auf Handoff übertragen
• Wenn ein Mobilgerät mehrere Basisstationen gut empfangen kann– Von Mobilgerät ausgesendete Signale werden von all diesen Basisstationen empfangen und an die Mobile‐Switching‐Station weiter geleitet; Die Mobile‐Switching‐Station kombiniert die Signale (z.B. Selection‐Combining)
– Dasselbe geht auch in die umgekehrte Richtung. Alle Basisstationen senden mit dem Code der Mobile‐Station. Die Mobile‐Station kann die Signale ebenfalls kombinieren
– (Vergleiche mit RAKE‐Receiver auf voriger Folie)
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 71
Übersicht• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
– 3G‐Systeme– Diskussion von CDMA‐Systemen– Übersicht über das UMTS‐System– Power Control– Handover Control
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 72
WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
UMTS Architektur
UTRANUE CN
IuUu
UTRAN (UTRA Network) Mobilität auf Zellenebene Radio Network Subsystem (RNS) Kapselung der funkspezifischen Abläufe
UE (User Equipment)CN (Core Network)
Handover zwischen Systemen Location Management falls keine dedizierte Verbindung zwischen
UE und UTRAN besteht
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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
USIMDomain
MobileEquipment
Domain
AccessNetworkDomain
ServingNetworkDomain
TransitNetworkDomain
HomeNetworkDomain
Cu Uu Iu
User Equipment Domain
ZuYu
Core Network Domain
Infrastructure Domain
UMTS Bereiche und Schnittstellen I
User Equipment Domain Einem Benutzer zugeordnet, um auf UMTS Dienste zuzugreifen
Infrastructure Domain Geteilt für alle Benutzer Bietet den zugelassenen Benutzern UMTS Dienste an
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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
UMTS Bereiche und Schnittstellen II
Universal Subscriber Identity Module (USIM) Funktionen zur Verschlüsselung und eindeutigen Authentisierung
des Benutzers Auf der SIM untergebracht
Mobile Equipment Domain Funktionen zur Funkübertragung Teilnehmerschnittstelle zur Realisierung von Ende-zu-Ende-
VerbindungenAccess Network Domain
Zugangsnetzabhängige FunktionenCore Network Domain
Funktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sind Serving Network Domain
Netz, das den gegenwärtig den Zugang realisiert Home Network Domain
Funktionen, die unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort des Benutzers dort zur Verfügung stehen
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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
Zellatmung
GSM Endgerät erhält volle Leistung der Basisstation Anzahl eingebuchter Endgeräte hat keinen Einfluss auf die
ZellgrößeUMTS
Zellgröße ist eng korreliert mit der Kapazität der Zelle Kapazität ist bestimmt durch den Signal-Rausch-Abstand Rauschen entsteht durch vorhandene Interferenz
anderer Zellen anderer Teilnehmer
Interferenz erhöht das Rauschen Endgeräte an der Zellgrenze können das Signal (aufgrund der
Sendeleistungsbeschränkung) nicht weiter verstärken keine Kommunikation möglich
Beschränkung der Teilnehmeranzahl notwendig
Zellatmung erschwert die Netzwerkplanung erheblich
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Übersicht• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
– 3G‐Systeme– Diskussion von CDMA‐Systemen– Übersicht über das UMTS‐System– Power Control– Handover Control
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 78
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The near-far problem of CDMA
Large area may become blocked Need to balance emitted power Assume for now a target SIR for each UE Goal: minimum TX power to keep the SIR
NodeB
80
Fast fading spoils our plans
Figure copied from: Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA for UMTS”,3rd Edition, WILEY, 2004, ISBN 0-470-87096-6
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The solution: fast close loop power control
NodeB
execute in NodeB at rate 1.5kHz:foreach UE i assigned to NodeB
estimate SIRest after rake combiningif SIRest > SIRtarget then
generate TPC “DOWN” command for iif SIRest ≤ SIRtarget then
generate TPC “UP” command for i
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Compensates a fading channel
Figure copied from: Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA for UMTS”,3rd Edition, WILEY, 2004, ISBN 0-470-87096-6
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Further remarks
And the downlink? basically the same…
A short reflection: closed loop power control• Tight interaction between sender and receiver• Useful for an interaction period
What if sender and receiver are not connected so far?
Example random access on RACH for• Initial access• Short packages
Open loop power control…
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Open loop power control
Transmit power needs to be known to UE Inaccurate! Fast fading between uplink and
downlink is uncorrelated in WCDMA FDD Does not consider interference at receiver (Use power ramping to avoid excessive
interference)
NodeB
• estimate path loss• adapt power
• estimate path loss• adapt power
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How to choose the right target SIR?
Adjust target SIR to meet the link quality
Consider quality as BER or BLER
SIR for quality depends on• Mobiles speed• Multipath profile
Adjust SIR to the worst case?• Unnecessary high SIR wastes capacity• Desirable: minimal SIR which fulfils the quality requirement
How to find such SIR?
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Finding the target SIR: outer loop power control
Similar method for the downlink Downlink method resides in UE Why is uplink handled in RNC? Soft handover combining! …
NodeB
execute in RNC at rate of max 100Hz:foreach UE i assigned to a NodeB
determine the quality from CRC attachmentif quality better than required then
decrease SIRtarget = SIRtarget – ∆downelse
increase SIRtarget = SIRtarget + ∆up
Radio NetworkController (RNC)
target SIRadjustment
frame reliabilityinformation
Übersicht• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
– 3G‐Systeme– Diskussion von CDMA‐Systemen– Übersicht über das UMTS‐System– Power Control– Handover Control
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WCDMA Handover types
Inter-system (e.g. WCDMA and GSM)
Inter-frequency (needed at different cell layers or at hot spots)
Intra-frequency (what we look at here)• Soft handover• Softer handover
GSM GSM GSM GSM
WCDMA WCDMA WCDMA
GSM GSMcapacity extension coverage extension
Figures inspired from: Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA for UMTS”,3rd Edition, WILEY, 2004, ISBN 0-470-87096-6
F1 F1 F1 F1F2 F2
handover at hot spot
F1 F1 F1 F1F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2
handover to support macro and micro layers
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The idea of soft handover
Exploiting multi path/antenna diversity (Macro diversity)
Uplink• No additional signal is transmitted• In principal, always increases performance
Downlink• Each link causes interference at other users• Trade-off
NodeB1
NodeB2
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Soft handover: the downlink perspective
Maximal ratio combining (MRC) in the rake receiver
Recall: MRC used to exploit multi path diversity
Difference: rake receiver fingers use different codes
NodeB1
NodeB2
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Soft handover: the uplink perspective
Selection combining (SC) in the RNC Target SIR decided after SC
NodeB1
NodeB2
NodeB1
NodeB2
SC
framewith CRC
framewith CRC
RNC
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Softer handover
Sectored antenna Downlink: similar to soft handover Uplink: the more effective MRC
instead of SC is possible and used
NodeB
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Ingredients of the soft handover procedure
cell 1
cell 2
cell 3
CPICH Ec/I0 Measurement quantity, e.g. CPICH Ec/I0
Active set: soft handover connection of UE
Neighbor/monitored set: set of cells that UE can measure
In the following example the active set size is 2
time
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Adding a cell to the active set
cell 1
cell 2
cell 3
Event 1A(add cell2)
add add = reporting_range –hysteresis_event1A
= window_add
Active set is not full
Best pilot
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Replacing a cell in the active set
cell 1
cell 2
cell 3
Event 1A(add cell2)
Event 1C(replace cell1 with cell3)
Worst pilot in full active set
Best candidate pilot
replace
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Removing a cell from the active set
cell 1
cell 2
cell 3
Event 1C(replace cell1 with cell3)
Event 1B(remove cell2)
Event 1A(add cell2)
remove
Best pilot
remove = reporting_range +hysteresis_event1B
= window_drop
Zusammenfassung und Literatur
• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS
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Zusammenfassung• Generelle Idee zellularer Netze: räumlich verteilte Basisstationen wegen
beschränkter Bandbreite und limitierter Übertragungsreichweite• Erfordert: Leistungskontrolle, Handover‐Mechanismen, aufwendige
drahtgebundene Infrastruktur (drahtlos nur „auf der letzten Meile“)• Bemerkung: das Thema schnurlose Telefone (z.B. DECT) wurde hier nicht
betrachtet• Vereinfachte Darstellung von Zellen mittels Hexagonen• Zwei Varianten zur Aufteilung der Bandbreite: Zuweisung von Frequenzen,
CDMA• Alte Mobilefunkgenerationen: der Schwerpunkt ist hier die
Sprachübertragung. (Eine Verbindung pro aktivem Nutzer)• In der Mobiltelefonie spricht man von Evolution von alten Generationen
hin zu neuen Generationen• Neue Generationen: Datendienste werden immer wichtiger
– Evolution von leitungsvermittelnden zu paketorientiertem Netz (näher am Internet‐Modell)
• Beispiele: GSM und UMTS
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Literatur[Schiller2003] Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003
Kapitel 4.1.3: LuftschnittstelleKapitel 4.1.8: Neue DatendiensteKapitel 4.4: UMTS
[Rappaport2002] Theodore Rappaport, „Wireless Communications, Principles andPractice“, Second Edition, Prentice Hall, 200210.1 Principles of Cellular Networks10.3 Second‐Generation TDMA10.4 Second‐Generation CDMA10.5 Third‐Generation Systems
Weiterführende Literatur zum Thema UMTS (nicht unbedingt erforderlich zur Nachbearbeitung dieser Folien)
• H. Holma, A. Toskala (Ed.), “WCDMA for UMTS”, Wiley, 3rd edition, Wiley, 2004.• R. Prasad, W. Mohr, W. Konhäuser (Ed.), “Third Generation Mobile
Communications Systems”, Artech House, March 2000.• J. P. Castro, “The UMTS Network and Radio Access Technology”, Wiley, 2001.• 3GPP standards: TR 25.922: “Radio Resource Management Strategies”, 2007.
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