Übersicht
• Zellgeometrie
• Frequency‐Reuse
• Übliche Systemfunktionen
• Ausbreitungsmodelle
• Traffic‐Engineering
• Beispiel GSM
• Beispiel UMTS
Übersicht eines zellularen Systems
Systemkomponenten
• Base‐Station (BS)
• Mobile‐Unit
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
Mobile‐Unit‐Initialization
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
Mobile‐Originated‐Call
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
Paging
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
Call‐Accepted
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
Ongoing‐Call Handoff
Weitere Systemfunktionen
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
Handoff (1)
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)
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
• Vorhersagetechniken
Achtung: Handoff ist aufgrund von Sendeleistungskontrolle noch komplizierter
Sendeleistungskontrolle
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.
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• Beispiel UMTS
Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (1)
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)
Der Korrekturfaktor A(h
r) für Städte kleiner bis mittlerer Größe:
A(h
r) = (1.1 log f
c– 0.7) h
r– (1.56 log f
c– 0.8) dB Der Korrekturfaktor A(h
r) für große Städte:
A(h
r) = 8.29 [log (1.54 h
r)]
2– 1.1 dB für f
c<= 300 MHz
A(h
r) = 3.2 [log (11.75 h
r)]
2– 4.97 dB für f
c> 300 MHz
Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (3)
Ist der Pfadverlust für eine Stadt nach obigem Modell L
dB, so ergibt sich als Schätzung des Pfadverlustes L‘
dBfür
entsprechende vorstädtische Gebiete
L‘
dB= L
dB– 2 [log (f
c/ 28)]
2– 5.4
Für offene Gebiete wird der Pfadverlust L‘‘
dBwie folgt geschätzt
L‘‘
dB= L
dB– 4.78 (log f
c)
2– 18.733 (log f
c) – 40.98
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Motivation und Begriffsbildung
Zellkapazität – Anzahl der mobilen 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
Blocking‐Wahrscheinlichkeit
• Wahrscheinlichkeit, dass ein Anruf geblockt wird
• Alternativ: welche Zellkapazität wird für eine gegebene Blocking‐Wahrscheinlichkeit mindestens benötigt
Blocking‐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 Zeiteinheit h – 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)
Beispiel
Mittlere Anzahl Anrufe pro Minute = 20
Mittlere Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf = 3 min Dies 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.
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!
Systemdimensionierung in der Praxis
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.
Verkehrsmodelle
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 Anrufversuch
LCC‐Modell wird häufig für die Analyse von zellularen Netzen angenommen
Verkehrsmodelle
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.]
Beispiel: LCC und Infinite‐Source
Es seien:
A = dem System angebotene Last in Erlang
N = 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
Erlang‐B‐Formel
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• Beispiel UMTS
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)
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
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)
Die Zutaten 1: Handys, PDAs & Co.
Der sichtbarste, aber
kleinste Teil des Netzes!
Die Zutaten 2: Antennen
Auch noch sichtbar – teilweise umstritten…
Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 1
Basisstationen
Leitungen
Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 2
Vermittlungseinrichtungen
Datenbanken Verwaltung
Überwachung
Nicht „sichtbar“, machen jedoch den größten Teil des Netzes aus (auch im Hinblick auf
Investitionen…)
GSM Netzarchitektur
Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)
Zeitbereich GSM-TDMA-Rahmen
GSM-Zeitschlitz
4,615 ms
546,5 µs
577 µs 3
935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHz Abwärtsrichtung
890-915 MHz
Höhere GSM-Rahmenstrukturen 124 Kanäle mit je 200 kHz Aufwärtsrichtung
1 2 3 4 5 6 7 8
Schutz-
zeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail Schutz- zeit
3 bit
57 1 26 1 57
