Drahtlose Kommunikation

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Drahtlose Kommunikation

Zellulare Netze

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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

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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 D maximiert wird?

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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?

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Ideale Zellgeometrie

Fazit: hexagonale Zellgeometrie erfüllt

• maximiert bei fester Anzahl an Sendern die abgedeckte Fläche oder

• minimiert die Anzahl benötigter Sender, 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.

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Zellradius und Zelldistanz

Zellradius r

Zelldistanz d benachbarter Zellen bei Zellradius r

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Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

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Problemstellung

Ausgangspunkt

• Gegeben seien k Trägerfrequenzen f₁, … , f_k

• 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.

f₁ f₂ f₃

…

f_k

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Zuweisung von Frequenzblöcken

Wir bezeichnen zwei Zellen, die wechselseitig in ihren Interferenzbereichen liegen, als Interferenz‐Nachbarn Offensichtlich

• 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.

f₁ f₂

f₃ f₄

f₅ f₆

f₇ f₈

Frequenzblock 1 Frequenzblock 2 Frequenzblock 3 Frequenzblock 4

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Problemstellung: Frequency‐Reuse‐Patterns

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.

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Reguläre Struktur erlaubt Betrachtung auf Zellebene

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D

C

Beobachtung

u v

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Definition Zelldistanzvektor

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.

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C

D

Zelldistanzvektor am Beispiel

Der Zelldistanzvektor (i,j) von C und D ist:

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Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)

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Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (2)

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Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)

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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, ...

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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

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 mittels Sektorantennen

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Macro‐Zellen und Micro‐Zellen

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‐Zellen

Zellradius 1 – 20 km 0,1 – 1 km

Übertragungsleistung 1 – 10 W 0,1 – 1 W Mittlerer Delay‐Spread 0.1 – 10 s 10 – 100 ns Maximale Bit‐Rate 0.3 Mbps 1 Mbps

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• Beispiel UMTS

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Übersicht eines zellularen Systems

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

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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

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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

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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

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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

Call‐Accepted

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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

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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 Verbindungen ins Telefonnetz oder zu Mobile‐Unit mit anderer

zugeordneter MTSO her.

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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