Beispiel: Empirische Bestimmung der Verkehrsgrößen

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1 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

2 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. WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 44

3 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 WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 45

4 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. WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 46

5 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

6 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

7 Erlang B Formel Bildquelle: William Stallings, Wireless Communications & Networks, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005 WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 49

8 Übersicht Zellgeometrie Frequency Reuse Übliche Systemfunktionen Ausbreitungsmodelle Traffic Engineering Beispiel GSM Beispiel UMTS WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 50

9 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

10 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

11 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) WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 53

12 Die Zutaten 1: Handys, PDAs & Co. Der sichtbarste, aber kleinste Teil des Netzes! WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 54

13 Die Zutaten 2: Antennen Auch noch sichtbar teilweise umstritten WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 55

14 Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 1 Basisstationen Leitungen Mikrowellenverbindungen WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 56

15 Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 2 Nicht sichtbar, machen jedoch den größten Teil des Netzes aus (auch im Hinblick auf Investitionen ) Verwaltung Datenbanken Vermittlungseinrichtungen Überwachung WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 57

16 GSM Netzarchitektur Bildquelle: William Stallings, Wireless Communications & Networks, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005 WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 58

17 Zeit-Vielfachzugriff (TDMA) MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Abwärtsrichtung MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen Zeitbereich GSM-TDMA-Rahmen ,615 ms 3 GSM-Zeitschlitz Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail Schutzzeit Schutzzeit 3 bit 546,5 µs 577 µs WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 59

18 GSM Frame Format Bildquelle: William Stallings, Wireless Communications & Networks, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005 WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 60

19 GSM Signalisierungsprotokollarchitektur Bildquelle: William Stallings, Wireless Communications & Networks, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005 WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 61

20 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

21 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

22 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

23 Alternative Ansätze als Teil von IMT 2000 Bildquelle: William Stallings, Wireless Communications & Networks, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005 WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 65

24 Wiedervorlage: Entwicklung der Mobilfunkgenerationen Bildquelle: William Stallings, Wireless Communications & Networks, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005 WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 66

25 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

26 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

27 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

28 CDMA: RAKE Receiver Bildquelle: William Stallings, Wireless Communications & Networks, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005 WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation Zellulare Netze 70

29 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

30 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

31 UMTS Architektur 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 U u I u UE UTRAN CN WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 73

32 UMTS Bereiche und Schnittstellen I Home Network Domain Z u USIM Domain C u Mobile U u Access I u Equipment Network Domain Domain Serving Network Domain Y u Transit Network Domain Core Network Domain User Equipment Domain Infrastructure Domain User Equipment Domain Einem Benutzer zugeordnet, um auf UMTS Dienste zuzugreifen Infrastructure Domain Geteilt für alle Benutzer Bietet den zugelassenen Benutzern UMTS Dienste an WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 74

33 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 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 75

34 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 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 76

35 Zellatmung: Beispiel WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Drahtlose Telekommunikationssysteme 77