Mobilkommunikationsnetze - LTE & weiter? · – Device-to-Device Kommunikation in LTE –...

MobilkommunikationsnetzeVorlesung

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Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-ThielFachgebiet Integrierte Kommunikationssystemewww.tu-ilmenau.de/iks

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

Date post:	16-Sep-2019
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