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 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 43
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 Anrufversuch
LCC‐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 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 47
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 bedienter Last C:
]
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 48
Erlang‐B‐Formel
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 49
Bildquelle: 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)
53
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 Teil des Netzes aus (auch im Hinblick auf
Investitionen…)
57
GSM Netzarchitektur
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 58
Bildquelle: 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 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
59
GSM‐Frame‐Format
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 60
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
GSM Signalisierungsprotokollarchitektur
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 61
Bildquelle: 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 65
Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005
Wiedervorlage: Entwicklung der Mobilfunkgenerationen
WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 66
Bildquelle: 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 70
Bildquelle: 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 beschriebene 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
UTRAN
UE CN
Iu Uu
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 USIM
Domain
Mobile Equipment
Domain
Access Network
Domain
Serving Network
Domain
Transit Network
Domain Home
Network Domain
Cu Uu Iu
User Equipment Domain
Zu
Yu
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- Verbindungen
Access Network Domain
Zugangsnetzabhängige Funktionen Core Network Domain
Funktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sind
Serving Network Domain
Netz, das 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 Zellgröße
UMTS
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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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme
Zellatmung: Beispiel
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