Relevante Traffic‐Engineering Konzepte

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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)

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐Zellulare Netze 41

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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.

Ein System mit einer Kapazität von 60 Kanälen wäre voll ausgelastet. Zu Zeiten hoher Last jedoch inadäquat

dimensioniert.

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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!

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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.

Achtung: gemessen wir immer die bediente Last; die tatsächliche angebotene Last lässt sich daraus nur abschätzen.

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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

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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.

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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.]

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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:

]

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Erlang‐B‐Formel

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

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Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

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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)

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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

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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

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Die Zutaten 1: Handys, PDAs & Co.

Der sichtbarste, aber kleinste Teil des Netzes!

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Die Zutaten 2: Antennen

Auch noch sichtbar – teilweise umstritten…

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Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 1

Basisstationen

Leitungen

Mikrowellenverbindungen

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Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 2

Vermittlungseinrichtungen

Datenbanken Verwaltung

Überwachung

Nicht „sichtbar“, machen jedoch den größten Teil des Netzes aus (auch im Hinblick auf

Investitionen…)

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GSM Netzarchitektur

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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

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GSM‐Frame‐Format

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GSM Signalisierungsprotokollarchitektur

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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

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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

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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

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Alternative Ansätze als Teil von IMT‐2000

(26)

Wiedervorlage: Entwicklung der Mobilfunkgenerationen

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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

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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

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Vor und Nachteile von CDMA

Vorteile

• Frequenzdiversität

• Mehrwegeresistenz

• Privacy

• Graceful‐Degradation Nachteile

• Self‐Jamming

• Nah‐Fern‐Problem

• Komplexeres Handoff

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CDMA: RAKE Receiver



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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)

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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

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UMTS Architektur

UTRAN

UE CN

I_u U_u

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

C_u U_u I_u

User Equipment Domain

Z_u

Y_u

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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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 den gegenwärtig den Zugang realisiert

 Home Network Domain

 Funktionen, die unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort des Benutzers dort zur Verfügung stehen

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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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Zellatmung: Beispiel

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(38)

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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79 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

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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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81 The solution: fast close loop power control

NodeB

execute in NodeB at rate 1.5kHz:

foreach UE i assigned to NodeB

estimate SIR_est after rake combining if SIR_est > SIR_target then

generate TPC “DOWN” command for i if SIR_est ≤ SIR_target then

generate TPC “UP” command for i

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82 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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83 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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84 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