Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel Fachgebiet Integrierte Kommunikationssysteme www.tu-ilmenau.de/iks Mobilkommunikationsnetze - LTE & weiter? - Vorlesung Andreas Mitschele-Thiel
MobilkommunikationsnetzeVorlesung
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Mobilkommunikationsnetze- LTE & weiter? -
Vorlesung
Andreas Mitschele-Thiel
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LTE• Long-Term Evolution• Entwicklungspfad für Mobilfunknetze nach UMTS
– Fokus auf Datenübertragung nur Paketvermittlung, gesamtes Netz IP-basiert
– Hohe Übertragungsraten (300 MBit/s Down-, 75 MBit/s Uplink)
– Geringe Latenz (< 5 ms im Funknetz)– flexible Skalierung der Kanalbandbreite (1,4 - 20 MHz pro
Kanal)
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LTE – Funkschnittstelle• Downlink: OFDM
– robust gegenüber frequenzabhängigem Fading & Inter-Symbol-Interferenz
– einfache Skalierung der Kanalbandbreite• Uplink: SC-FDMA
– weniger leistungsfähig, als OFDM– Energie- und kosteneffiziente Sende-Endstufen wichtig
für Endgeräte• Modulation bis 64-QAM• bis 4x4 MIMO zur Kapazitätssteigerung
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LTE – Netzwerkstruktur• 2 Teile:
– eNodeB: evolved Node B Basisstation– EPC: Evolved Packet Core Kernnetz
X2
X2
X2
EPC
eNodeB
eNodeB
eNodeB
S1 S1
Nach: http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/98-lte
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LTE – Netzwerkinfrastruktur• Entwicklung der Netzkomponenten
UMTS LTE
GGSN
Node B
SGSN
RNC
SGWMME
ENodeB Control Plane
User Plane
PGW
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LTE – Handover• netzgetriebener Handover
– Endgerät misst Signalstärken & meldet benachbarte Zellen an eNodeB keine vordefinierte Nachbarschaftsliste notwendig
– eNodeB trifft Handoverentscheidung• HO ohne Beteiligung des Kernnetzes (wenn möglich)
– Abstimmung beteiligter eNodeB via X2-Schnittstelle
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LTE – Handover• Handover ohne Wechsel des MME (vereinfacht)
UE AltereNodeB MME SGWNeuer
eNodeB
HO Entscheidung
Admission Control
Measurement Report
HO Request
HO Request ACKInformationen d.Target eNodeB
Abmelden am alten eNodeB,
Synchronisation mit neuem eNodeB
Weiterleitungvon Paketen für
UE via X2
Datenverbindung
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LTE – Handover• Ziel: Seamless Mobility
– Vorbereitung des Handovers durch alten eNodeB• Anforderung von Ressourcen am neuen eNodeB• Weiterleitung von Konfigurationsdaten an UE
– Pufferung & Weiterleitung von Paketen in altem & neuem eNodeB während Handover
Unterbrechung nur etwa 35 ms
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LTE-Advanced (Release 10-12)• Weiterentwicklung von LTE in Richtung 4G• Nutzdatenraten bis 1 GBit/s symmetrisch
(100 MBit/s bei höheren Geschwindigkeiten)• Kanalbandbreiten bis 100 MHz (Carrier Aggregation)• Coordinated Multi-Point Operation• 8x8 MIMO im Downlink• Update für bestehende LTE-Zellen in Software
LTE-Advanced Pro (Release 13 & 14)• Machine-Type Communication, Vehicle-to-x-Service• Device-to-Device Communication und Relaying• Energy Efficiency• Mission-Critical Data and Video• ...
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Zukunft?
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5G (Release 15)• Release 15 wurde 2018 verabschiedet, Inbetriebnahme
ab 2020 geplant• Ziele
– Hohe Systemkapazität (x 1000)– Hohe Datenraten und hohe Dienstgüte
• 1 GBit/s pro Nutzer für dutzende Nutzer (Beispiel: Büro-Umgebung)
• min. 50 MBit/s „überall“– Hohe Nutzerzahlen
• >10 MBit/s pro Nutzer für >10.000 Nutzer (Beispiel: Stadion)• >> 100.000 Endgeräte/km² (Beispiel: Sensornetze)
– Geringe Latenz ~1 ms für spezielle Anwendungsfälle– Geringe Kosten – Geringer Energieverbrauch
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Forschungen im Fachgebiet zu 5Gund
Themen für MKN Projektseminare
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Cognitive Radio NetworkingMotivation:• Lücken in der Nutzung des
Spektrums (white space)• Überlastetes ISM-Band (Wifi) sowie
zelluläre Netze (GSM, UMTS, ..)• Statische Zuweisung bzw. Technik
verhindert Nutzung freier Ressourcen
Idee:• Nutzung des „besten“ verfügbaren
Kanals• Automatische Anpassung des Netze
bzw. der Parameter an aktuelle Situation
• Intelligentes, flexibles und rekonfigurierbares Radio (Software Defined Radio)
Zeit
Sende-leistung
Ressourcen
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Cognitive Radio Networking• Fokus im Fachgebiet
– Device-to-Device Kommunikation in LTE– Mission-critical Push to Talk over LTE (infrastrukturlos)– Prototypische Implementierung mittels Software Defined
Radio (USRP bzw. GNU Radio/Iris)
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Device-to-Device Kommunikation im UnderlayWiederverwendung von Ressourcen zellularer Nutzer für D2D-Kommunikaton unter minimaler Beeinträchtigung des zellularen Nutzers
Untersuchte Verfahren• UIP – Uniform Interference Power• BAC – Blind Admission Control
Anzahl der D2D Nutzer füreinen Ressourcenblock
Spek
tral
eEf
fizie
nz(b
ps/H
z)
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Weitergabe vorreservierter Ressourcen
D2D-UETx2 D2D-UERx2
C-UE
D2D-UERx1D2D-UETx1
D2D-UETx3D2D-UERx3
C-UE
SMin
Non-active
Active, not full buffer Active, full buffer
Time
Freq
. (R
B)
Time
Freq
. (R
B)
Time
Freq
. (R
B)
Time
Freq
. (R
B)
Active, full buffer
D2D-UE traffic in symbolsD2D-UE free symbolsC-UE traffic in symbols
Sub-granting from D2D-TX1
Sub-granting from D2D-TX2
Sub-
gran
t
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Selbstorganisation (SON)• Selbstorganisierte Konfiguration, Betrieb und Reparatur
von Mobilfunknetzen– Lernen und Optimierung von Betriebsparametern
• Antennenneigung• Handover-Einstellungen• Sendeleistung• Reuse Schemata, etc.
– Ziele• Zellkapazität (Systemkapazität) und Zellabdeckung• Lastverteilung, auch über verschiedene Technologien• Dienstgüte für Nutzer (Fehlerrate, Verbindungsabbrüche,
Latenz für Verbindungsaufbau, etc.)• Energieverbrauch, etc.
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Selbstorganisation (SON)• Selbstorganisation:
– Realisierung gewünschten Verhaltens als Resultat der Interaktion beteiligter Systeme
– keine zentrale Kontrolle– typisch: einfache Regeln für das Einzelsystem, komplexes
Verhalten entsteht aus der Kombination vieler Teilnehmer• Fokus im Fachgebiet:
– Selbstorganisierte Optimierung des Gesamtsystems mittels Big Data und Machine Learning
– Selbstorganisierte Optimierung für URLLC (Ultra ReliableLow Latency Communication)
– Energieeinsparungen durch Ab-/Anschalten von Zellen
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SON – Verteiltes Koordinationsproblem
System & Environment
SON Network Management
TrafficSy
stem
co
nfig
urat
ion
KPIs
ANR/PCI ICIC
Coverage Hole Mgmt.
eNB Insertion/Removal CCO
Energy Saving MLB MRO
Net
wor
k Pa
ram
eter
s
SON
Fu
nctio
ns Relay/
RepeaterMgmt
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UAV-basierte Kommunikation & Lokalisierung• Delay Tolerant Networking ( „Elektronische
Brieftaube“)• Selbstorganisierte Platzierung von UAV-basierten LTE-
Basisstationen• Selbstorganisierte Kollisionsvermeidung zwischen
UAVs• Lokalisierung von GSM-Mobilen in Gebäuden