Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz

Transkript

1 WIK-Consult Referenzdokument Studie für die Bundesnetzagentur (BNetzA) Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Autoren: Prof. Klaus Hackbarth, Universidad de Cantabria Dr. Werner Neu, WIK-Consult Dr. Juan Sánchez WIK-Consult GmbH Rhöndorfer Str Bad Honnef Bad Honnef, Januar 2014

2

3 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz I Inhalt Abbildungen Abkürzungsverzeichnis II III 1 Einleitung 1 2 LTE im ursprünglichen Modell Radiozugangsnetz Eine kurze Beschreibung von LTE Die Bestimmung des Zellenradius für LTE Signalisierung Festnetzteil 7 3 Die Erweiterungen Carrier Aggregation (CA) Einführung Zellenplanung unter Berücksichtigung von Component Carrier aus verschiedenen Frequenzbändern Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO) Einführung Zellenplanung unter Berücksichtigung von MIMO Voice over LTE (VoLTE) Überblick über die VoLTE betreffenden technischen Entwicklungen Vorschau auf die Einführung von VoLTE im Modell Zellenplanung im Radiozugangsnetz bei über IMS realisiertem VoLTE Zellenplanung im Legacy-Radiozugangsnetz bei VoLTE über IMS VoLTE im Core-Netz Signalisierung 20 4 Einordnung der Erweiterungen in das Referenzdokument vom April

4 II Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Abbildungen Abbildung 2-1: Ansatz zur Bestimmung des Zellenradius für LTE 4 Abbildung 2-2: Berechnung des Link Budget 5 Abbildung 2-3: Kapazitäts-Berechnung 5 Abbildung 2-4: Verkehrs-Modell 6 Abbildung 2-5: Die im bisherigen Modell berücksichtigten Hauptkomponenten von den Zellen bis zu Core-Netz-Funktionen 8 Abbildung 3.1: Berechnung der Zellengröße bei Carrier Aggregation 12 Abbildung 3.2: Struktur eines LTE Core-Netzes mit erweitertem IMS Core und Schnittstelle zum UMTS Core für SRVCC 20

5 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz III Abkürzungsverzeichnis 2G 3G 3GPP AMR-NB AMR-WB BH BHCA BSC BTS BW CSCF CSFB CAPEX DL E1 E-DCH EDGE e-node B e-utran EPC GGSN GHz GoS GPRS GSM HLR HSDPA Second Generation Mobile Technology Third Generation Mobile Technology 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Adaptive Multi-Rate Adaptive Multi-Rate Wideband Busy Hour Busy Hour Call Attempt Base Station Controller Base Transceiver Station Bandwidth Call Session Control Function Circuit Switched Fallback Capital Expenditure Downlink Physical layer protocol for leased line transmissions. E1 lines have 32x64 kbit/s channels at Mbps. Enhanced Dedicated Channel Enhanced Data Rates for GSM Evolution Evolved Node B Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network Evolved Packet Core Gateway GPRS Support Node Gigahertz Grade of Service General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications Home Location Register High Speed Downlink Packet Access

6 IV Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz HS-DSCH HSPA HSS HSUPA IETF RFC IMS kbit/s KEL khz LRIC LTE LTE-A MBA Mbps MGW MHz MIMO MME MMS MSC MuF Node B OFDMA OPEX PCRF QoS QPSK RCS High Speed Downlink Shared Channel High Speed Packet Access Home Subscription Server High Speed Uplink Packet Access Internet Engineering Task Force Request for Comments IP Multimedia Subsystem Kilobit pro Sekunde Kosten der effizienten Leistungsbereitstellung Kilohertz Long Run Incremental Cost Long Term Evolution Long Term Evolution Advanced Mobile Broadband Access Megabit pro Sekunde Media Gateway Megahertz Multiple Input/Multiple Output Mobility Management Entity Multimedia Messaging Service Mobile Switching Center Markup-Faktor Basisstation in einem UMTS-Mobilfunknetz Orthogonal Frequency Division Multiple Access Operational Expenditure Policy and Charging Rules Function Quality of Service Quadrature Phase-Shift Keying Rich Communications Suite

7 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz V RB RNC SAEGW SC-FDMA SceGen SDH SGSN SINR SMS SRVCC TAS UMTS UTRAN VLR VoIP VoLGA VoLTE WACC WCDMA Resource Blocks Radio Network Controller System Architecture Evolution Gateway Single Carrier Frequency Division Multiple Access Scenario Generation Modul Synchrone Digitale Hierarchie Serving GPRS Support Node Signal to Interference Noise Ratio Short Message Service Single Radio Voice Call Continuity Telephone Application Server Universal Mobile Telecommunications System UMTS Terrestrial Radio Access Network Visitor Location Register Voice over Internet Protocol Voice over LTE via Generic Access Voice over LTE Weighted Average Cost of Capital Wideband Code Division Multiple Access

8

9 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 1 1 Einleitung Die Bundesnetzagentur (BNetzA) hat von der WIK-Consult ein Analytisches Kostenmodell für Mobilfunknetze entwickeln und konsultieren lassen. Dieses Modell ist in dem auf der Webseite der BNetzA veröffentlichten Referenzdokument Analytisches Kostenmodell für ein Mobilfunknetz vom April 2012 detailliert beschrieben worden. Die zuletzt getroffene Genehmigung über Entgelte für die Terminierung von Verbindungen in Mobilfunknetzen für den Zeitraum Dezember 2012 bis November 2014 wurde maßgeblich auf Grundlage dieses Analytischen Kostenmodells getroffen. Für die in 2014 anstehende Entscheidung soll das Analytische Kostenmodell erneut angewendet werden. Dazu wird es um Funktionalitäten von LTE Advanced (LTE-A), konkret um Carrier Aggregation und Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO), erweitert. Da LTE im bisherigen Modell nur für Datendienste über Breitbandzugang implementiert ist, aber in der Realität in absehbarer Zeit auch für Sprache eingesetzt wird, wird das Modell ferner für Voice over LTE (VoLTE) einsetzbar gemacht. Dieses Dokument beschreibt diese zusätzlichen Funktionalitäten und deren Implementierung als Teil des Modells. Das Modell ist sowohl für eine herkömmliche KEL-Bestimmung der Terminierungskosten wie auch für deren Berechnung entsprechend der Empfehlung der Europäischen Kommission vom 7. Mai 2009 On the Regulatory Treatment of Fixed and Mobile Termination Rates in the EU 1 ausgelegt. Mit der vorliegenden Modell-Erweiterung wird keine Vorabfestlegung hinsichtlich des Entgeltmaßstabes getroffen. Das vorliegende Dokument dient auch der frühzeitigen Information der beteiligten Industrie über die in dem Kostenmodell vorgenommenen Änderungen und der von Seiten der betroffenen Unternehmen einzubringenden Daten zur weiteren Befüllung des Modells. Ferner soll das Dokument den beteiligten Unternehmen ermöglichen, ihre Expertise beizubringen und dazu beizutragen, dass das Modell in Bezug auf die vorgenommene Erweiterung die zugrundeliegenden Mobilfunktechnologien wie auch die damit einhergehenden Nachfrage- und Marktgegebenheiten adäquat abbildet. Im Folgenden werden die im Modell vorzunehmenden Erweiterungen beschrieben. Die Beschreibung wird dabei in den Zusammenhang mit den Ausführungen im Referenzdokument für das ursprüngliche Kostenmodell gestellt. Das Referenzdokument für das ursprüngliche Modell umfasste die folgenden Abschnitte: 1 Ausgangssituation, Voraussetzungen und Festlegungen 2 Modellierung des Netzes 2.1 Radiozugangsnetz 2.2 Aggregationsnetz 1 Siehe EU-Kommission, Recommendation on the Regulatory Treatment of Fixed and Mobile Termination Rates in the EU, 7. Mai 2009.

10 2 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 2.3 Backhaul-Netz 2.4 Core-Netz 3 Ermittlung der Kosten Die nunmehr vorzunehmende und im Folgenden zu beschreibende Erweiterung betrifft hauptsächlich das Radiozugangsnetz, die Signalisierung und Funktionalitäten des Core-Netzes. Das Dokument ist wie folgt aufgebaut. In Abschnitt 2 wiederholen wir zunächst die im Referenzdokument vom April 2012 enthaltene Beschreibung der Realisierung von LTE im bisherigen Modell. In Abschnitt 3 werden die einzelnen Erweiterungen mit ihren Implikationen jeweils für alle Netzteile behandelt. Abschließend wird in Abschnitt 4 erläutert, wie sich diese Erweiterungen in das ursprüngliche Referenzdokument vom April 2012 einbetten. 2 LTE im ursprünglichen Modell Der in den folgenden Abschnitten verwendete Text wurde dem Referenzdokument vom April 2012 entnommen. Konkret stimmen bis auf sprachliche Anpassungen und einige kleine Korrekturen der Abschnitt 2.1 Radiozugangsnetz und der Abschnitt 2.2 Signalisierung mit den Abschnitten und des vorherigen Referenzdokumentes überein. Abschnitt 2.3 ist eine Zusammenfassung der dortigen Darstellung der Führung des LTE-Verkehrs in den Netzsegmenten oberhalb des Radiozugangsnetzes. Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass im bisherigen Modell LTE ausschließlich für mobile Breitband-Datendienste implementiert worden ist. 2.1 Radiozugangsnetz Eine kurze Beschreibung von LTE Long Term Evolution (LTE) ist die Weiterentwicklung der Mobilfunktechnologie UMTS. Es handelt sich um einen 3GPP-Standard, der eine Uplink-Geschwindigkeit von bis zu 75 Mbps und eine Downlink-Geschwindigkeit von bis zu 300 Mps ermöglicht. LTE wurde das erste Mal in 3GPP Release 8 definiert. Im Folgenden werden zunächst die hauptsächlichen Merkmale von LTE, die für eine Zellplanung relevant sind, kurz beschrieben und dann der im Modell implementierte Ansatz dargestellt. LTE basiert auf zwei neuen Technologien im Radio-Zugangsnetz: Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) im Downlink und Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) im Uplink. Mit dem Kapazität bestimmenden Mo-

11 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 3 dulationsverfahren OFDMA werden Daten unter Verwendung mehrerer hundert getrennt modulierter Radiosignale übertragen, wobei die Bandbreite zwischen 1,25 MHz und 20 MHz variieren kann. Die Zahl der Unterträger (Subcarrier) variiert mit der Bandbreite, d.h. von 76 für 1,25 MHz bis für 20 MHz, und der Abstand zwischen ihnen beträgt 15 khz. Jeder Subcarrier kann nur einen Teil des gesamten zu übertragenden Datenvolumens transportieren. In LTE-Systemen erfolgt die Zuordnung von Ressourcen dynamisch durch den Scheduler, dessen Funktion in das e-node B integriert ist. Die physikalische Rahmenstruktur ist für Uplink (UL) und Downlink (DL) identisch. Sie basiert auf einer Struktur eines 10 ms-rahmens in der Form von 10 Unterrahmen. Jeder Unterrahmen besteht aus zwei Slots von 0,5 ms, und jeder Slot setzt sich aus sieben OFDMA-Symbolen zusammen. Die Zuordnung von Kapazität zu einem Nutzer erfolgt auf der Basis von Resource Blocks (RB). Jeder RB besteht aus 12 Subcarriers in der Frequenzdomäne (180 khz) und einem Slot in der Zeitdomäne (0,5 ms). Die Anzahl der RB, die einem Nutzer zugeordnet werden, sowie die für die Verbindung reservierte Qualität bestimmen die maximale Leistung Die Bestimmung des Zellenradius für LTE Die Dimensionierung eines LTE-Anschlussnetzes besteht im Wesentlichen aus den zwei Schritten: Berechnung der Zellengröße auf Basis der Wellenausbreitungseigenschaften und Berechnung der Zellengröße auf Basis der verfügbaren Kapazität. Der Ansatz, mit dem diese Schritte umgesetzt werden, beruht auf den oben beschriebenen Konzepten. Er wird in Abbildung 2-1 skizziert und im Folgenden vorgestellt.

12 4 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Abbildung 2-1: Ansatz zur Bestimmung des Zellenradius für LTE Zur Berechnung des Link Budget wird die Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio (SINR) von der garantierten Bitrate und der verfügbaren Bandbreite abgeleitet, wobei ein sogenannter Link Level Simulator eingesetzt wird. Aus der SINR folgt die Empfangsempfindlichkeit, die den maximal tolerierten Pfadverlust bestimmt. Auf der Basis eines Modells über die Wellenausbreitungseigenschaften wird der Radius einer Zelle bestimmt, der in der Abdeckung entsprechend diesen Eigenschaften gewährleistet ist. Indem die Fläche des abzudeckenden Gebiets durch die Fläche einer einzelnen Zelle, die diesem Radius entspricht, geteilt wird, ergibt sich die Mindestanzahl von benötigten e-nodes B. Abbildung 2-2 zeigt eine grafische Darstellung dieses Prozesses.

13 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 5 Abbildung 2-2: Berechnung des Link Budget Um die Kapazität zu berechnen, wird die durchschnittliche Leistung einer e-node B in dem abzudeckenden Gebiet bestimmt. Da LTE ein durch Interferenz begrenztes System ist, müssen hierfür sowohl der Zellen-Radius auf der Basis der Wellen- Ausbreitungseigenschaften berücksichtigt werden als auch die maximale Zellen-Load und die sich aus der Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO) ergebenden Parameter. Siehe Abbildung 2-3 für eine grafische Darstellung. Abbildung 2-3: Kapazitäts-Berechnung

14 6 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Bei der durch Verkehr getriebenen Dimensionierung wird von der gesamten Nachfrage nach LTE-Diensten aller Nutzer hier ausgedrückt als die Nachfrage nach Breitbandzugang in dem abzudeckenden Gebiet ausgegangen. Diese Nachfrage wird auf Basis der durchschnittlichen Nachfrage eines Nutzers berechnet. Die Dimensionierung erfolgt dann unter Verwendung eines erweiterten Erlang-Verlust-Verkehrsmodells. Da als Ergebnis der Kapazitäts-Berechnung die durchschnittliche Leistung eines e-node B bekannt ist, kann nun die Anzahl der e-node B ermittelt werden, die installiert werden muss, um die Nachfrage in dem betrachteten Gebiet zu erfüllen. Die vom Modell implementierte Anzahl an e-node B ist dann die größere der beiden, die sich aus der Berechnung des Zellen-Radius auf Basis der Ausbreitungseigenschaften der Wellen ergibt und der hier berechneten Anzahl auf der Basis der benötigten Kapazität. Siehe Abbildung 2-4 für eine grafische Darstellung. Abbildung 2-4: Verkehrs-Modell 2.2 Signalisierung In einem LTE-Netz wird der Verkehr für Signalisierung sowie für interne Kontrollfunktionen als System Overhead bezeichnet. Dabei werden, wie für UMTS/HSPA, weder für den Nutzer- noch für den Overhead-Verkehr physikalische Verbindungen reserviert. Vielmehr teilt sich der gesamte aufkommende Verkehr die gesamte Kapazität der Zelle und die entsprechenden Verbindungen werden nur virtuell vorgehalten. Die für den Overhead benötigten Kapazitäten in der Radio-Schnittstelle werden bei der Dimensionierung durch Aufteilung der Sendeleistung für den Nutzer- und den Signalisierungsverkehr entsprechend berücksichtigt. Diese Aufteilung wurde im bisherigen Modell dergestalt vorgenommen, dass der durch neue Dienste erhöhte Signalisierungsverkehr

15 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 7 (z.b. "Always online" bei Smartphones) gewährleistet ist. Die für den System Overhead bereitzuhaltenden Kapazitäten an der Funkschnittstelle hängen sowohl von der Bandbreite dieser Schnittstelle als auch von der Multiple-Input/Multiple-Output-(MIMO)- Konfiguration der Antennen ab. Für eine typische Konfiguration ergibt sich für den System Overhead eine relative Kapazität von ca. 30 % mit Bezug auf die erforderliche Gesamtkapazität der Funkschnittstelle. Für die Verbindungen von der e-node B zum Core- Netz (Evolved Packet Core) wurde ein entsprechender Kapazitätszuschlag für diese Verkehre vorgenommen. 2.3 Festnetzteil Abbildung 2-5 zeigt von den Zellen bis zu den Funktionalitäten des Core-Netzes die Hauptkomponenten des im bisherigen Modell implementierten Netzes. In der Abbildung ist ersichtlich, dass LTE-Technologie an Zellen-Standorten implementiert ist, während an anderen Standorten LTE-dedizierte Funktionalitäten nicht ausgewiesen sind. Es sind an anderer Stelle auch keine weiteren implementiert. Ein Grund hierfür ist, dass in LTE- Zellen die in UMTS und GSM benötigten Kontroller-Funktionen zum Teil in den e-node B und zum anderen Teil in der Mobile Management Entity (MME) des Core-Netzes integriert sind. Daraus folgt, dass die Basisstationen im logischen Layer direkt mit den Core-Netzelementen verbunden werden und damit getrennte Funktionalitäten vergleichbar zu BSC und RNC entbehrlich machen. Ein weiterer Grund war im bisherigen Modell, dass von der Annahme ausgegangen wurde, dass der Sprachverkehr für die LTE-Technologie keine Bedeutung hat. Dieser Annahme lag zugrunde, dass der Zugang zu LTE ausschließlich über Endeinrichtungen für mobilen Breitbandzugang und nicht für Sprache genutzt würde. Daraus folgte, dass die Core-Netzeinrichtungen für den LTE-Verkehr nicht modelliert werden mussten, da sie für die Kosten von Sprache nicht relevant sind. Dies wird sich im erweiterten Modell ändern, da, wie im Folgenden dargestellt, die Erweiterung den Sprachdienst Voice over LTE (VoLTE) abdecken wird, so dass es erforderlich wird, auch diese Einrichtungen im Modell abzubilden.

16 8 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Abbildung 2-5: Die im bisherigen Modell berücksichtigten Hauptkomponenten von den Zellen bis zu Core-Netz-Funktionen MGW SGSN SAEGW Core-Netz- Standort Kontroller- Standort BSC RNS Zu anderen Kontroller- Standorten Zu anderen Zellen-Hub- Standorten Zellen-Hub- Standort Layer 2 Einrichtungen des Aggregationsnetzes Zellen- Standort UMTS GSM UMTS UMTS HSPA GSM UMTS LTE UMTS HSPA LTE GSM UMTS HSPA LTE Das Modell ging und geht weiterhin von einem noch dominanten Legacy-Netz aus, welches die physikalische Topologie bestimmt. In diese physikalische Topologie wurden die für LTE benötigten Kapazitäten integriert. Dies wird entsprechend im Referenzdokument von April 2012 beschrieben. Vorausschauend sollte an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass für den Fall, dass ein reines LTE-Netz zu modellieren ist, die Standorte der im herkömmlichen Netz benötigten Kontroller als zweite Aggregationsebene (nach der ersten in Form der Zellenhubs) für die weitere Bündelung des Verkehrs erhalten bleiben werden.

17 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 9 3 Die Erweiterungen In diesem Abschnitt werden die Erweiterungen in der folgenden Reihenfolge abgehandelt: Carrier Aggregation (CA), Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO), VoLTE. Diese Reihenfolge erscheint angebracht, da sowohl CA wie MIMO kapazitätserhöhende technologische Verbesserungen darstellen, deren Implementierung als vorausgesetzt anzusehen ist, wenn es um die Bereitstellung von Diensten geht, von denen VoLTE einer ist. 3.1 Carrier Aggregation (CA) Einführung Mit Carrier Aggregation (CA) ist es möglich, getrennte Blöcke des Spektrums (auch Component Carrier genannt) zu aggregieren und damit die für die Dienste bereitgestellte Kapazität zu vergrößern. Hierbei ist zwischen Intra-Band CA und Inter-Band CA zu unterscheiden. Bei ersterem handelt es sich um getrennte Blöcke im selben Band, bei zweiterem um solche Blöcke, die verschiedenen Bändern angehören. Bei Intra-Band CA kommen in Bezug auf Gebietsabdeckung dieselben Wellenausbreitungseigenschaften zur Geltung. In Bezug auf Verkehrskapazität kann die Summe der Component Carrier als ein einziger Carrier betrachtet werden. Daraus folgt, dass im Modell nichts geändert werden braucht. Es ist lediglich erforderlich, dass der eingesetzte entsprechend erhöhte Frequenzanteil innerhalb des verwendeten Frequenzspektrums über einen Parameterwert eingegeben wird. Dies ist anders bei Inter-Band CA. Hier werden Component Carrier aus verschiedenen Bändern zusammengefügt, die unterschiedliche Wellen-Ausbreitungseigenschaften aufweisen. Dies ist von Bedeutung, sowohl wenn bei der Bestimmung der Zellengröße diese Ausbreitungseigenschaften bestimmend sind, wie auch wenn die aggregierte Kapazität aus beiden Frequenzbändern für die Zellengröße maßgeblich ist. Wie dieser Fall im Modell behandelt wird, wird im folgenden Abschnitt dargestellt.

18 10 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Zellenplanung unter Berücksichtigung von Component Carrier aus verschiedenen Frequenzbändern Carrier Aggregation aus verschiedenen Frequenzbändern wird vornehmlich eingesetzt, wenn die Kapazität des verfügbaren Spektrums eines einzelnen Bandes nicht ausreicht, um die Nachfrage nach mobilen Breitbanddiensten zu befriedigen. Dies heißt für die Modellierung, dass, wenn eine solche CA eingesetzt wird, die Zellengröße in der Regel auf der Basis der Kapazitätsbeschränkung, die das verfügbare Spektrum vorgibt, vorgenommen wird. Gleichwohl behandeln wir auch den Fall, dass sich dann die Zellengröße entsprechend den Wellenausbreitungseigenschaften bestimmt, so dass für den Fall, dass diese Zellengröße die kleinere sein sollte, diese als maßgeblich angesehen wird. Im Folgenden werden die im Modell vorgenommenen einzelnen Schritte bei der Bestimmung der Zellengröße beschrieben, sowohl für den Fall, dass Kapazität beschränkend ist, wie für den Fall, dass die Wellenausbreitungseigenschaften die Größe der Zelle bestimmen (der besseren Übersicht halber jeden der einzelnen Schritte unter einem eigenen Aufzählungspunkt): (1) Bestimmung der Zellgröße auf der Basis der insgesamt zur Verfügung stehenden Spektrum-Kapazität (unter Anwendung der in Abschnitt dargestellten Methodik): Zu diesem Zweck können die in MHz gemessenen Spektrum-Kapazitäten der verschiedenen Carrier Components addiert werden. (2) Bestimmung der Zellengröße auf der Basis der (schlechteren) Wellenausbreitungseigenschaften des Spektrums aus dem höher gelegenen Band (z.b. aus dem 2,6 GHz-Band, wenn gleichzeitig Spektrum aus dem 1,8 MHz-Band eingesetzt wird): Wenn dieser Zellradius größer als der unter (1) ausfällt, ist der Findungsprozess bereits beendet, da die Nachfrage dann so groß ist, dass die Kapazität aus beiden Bändern gebraucht wird, um Nutzer in einer kleineren Zelle, als die, die durch die Wellenausbreitungseigenschaften des höher gelegenen Bandes bestimmt würde, zu befriedigen. (3) Falls die Zellengröße nach (1) größer ist als die unter (2), wird bestimmt, welcher Teil der Kapazität gebraucht wird, um die Nachfrage in dem Zellenbereich unter (2) zu bedienen, d.h. in dem Zellenbereich, der auf Spektrum aus beiden Bändern zurückgreifen kann. Es wird ein Rest an Kapazität verbleiben, der in der Regel aus dem niedriger gelegenen Band stammt 2 und der in dem Teil der Zelle, in dem 2 Es ist nicht ausgeschlossen, dass die gesamte Kapazität aus dem niedrigeren Band mit einem Rest aus dem anderen Band verbleibt. In diesem Fall würde nur die Kapazität aus dem niedrigeren Band dazu verwendet werden können, in dieser Zelle weitere Nachfrage zu bedienen (da für den Rest aus dem anderen Band die Ausbreitungseigenschaften eine Verwendung hier nicht zuließen). Dieser Fall würde allerdings dem Zweck des CA zuwiderlaufen, da die Kapazität des Spektrums aus dem weiter

19 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 11 CA nicht mehr greift, zum Einsatz kommen kann. Diese Restkapazität bestimmt das Gebiet in einem Ring um den durch Carrier Components aus den beiden Bändern bedienten Zellenteil. Hierzu wird wiederum die in Abschnitt entwickelte Methodik eingesetzt. (4) Wenn die Prüfschritte ergeben, dass der Zellenradius durch die Wellenausbreitungseigenschaften des Spektrums bestimmt wird, stellt sich die Frage, welche Wellenausbreitungseigenschaften zugrunde zu legen sind; die des Spektrums aus dem unteren oder oberen Frequenzband? Es kann gezeigt werden, dass die (besseren) Ausbreitungseigenschaften des weiter unten liegenden Bandes, welche einen weiteren Radius der Zelle ermöglichen die Größe der Zelle bestimmen. Das Modell prüft, ob der entsprechende Fall vorliegt, und bestimmt im gegebenen Fall die Größe der Zelle nach den Wellenausbreitungseigenschaften des weiter unten liegenden Spektrums. 3 Abbildung 3.1 zeigt das Flussdiagramm, das diesen Modellierungsprozess widergibt. Für die Bereitstellung des Spektrums, das für CA eingesetzt wird, bedarf es im Modell keiner Anpassung. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass in den Eingabefeldern die entsprechenden Volumina eingetragen werden. oben liegenden Band ausreicht, um die Nachfrage innerhalb des durch seine Wellenausbreitungseigenschaften definierten Gebiets zu bedienen. 3 Der Fall ist vergleichbar zu dem in der vorangegangenen Fußnote. Bei einer solchen Nachfrage würde der Einsatz von CA nicht sinnvoll erscheinen.

20 12 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Abbildung 3.1: Berechnung der Zellengröße bei Carrier Aggregation

21 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO) Einführung In der Zusammenfassung der LTE-Zellenplanung für Daten in Abschnitt haben wir bereits pauschal auf die Wirkung von MIMO hingewiesen, obwohl diese Technik im Modell noch nicht implementiert war, und ohne auf die Einzelheiten einer solchen Implementierung einzugehen. Das definierende Merkmal von MIMO ist, dass eine Radioeinrichtung mit mehr als einer Antenne ausgestattet ist, die gemeinsam für das Senden und den Empfang desselben Signalstroms sorgen. Obwohl Release 10 von 3GPP die Möglichkeit von bis zu 8 Sende- und 8 Empfangsantennen definiert, können realistisch in absehbarer Zeit nur 2 X 2 Konfigurationen in den Netzen zur Anwendung kommen, wobei 2 X 2 darauf hinweist, dass die Konfiguration auch in den Endgeräten verfügbar sein muss. Es werden zwei Typen von MIMO unterschieden, Single User MIMO (SU- MIMO) oder Multiple User MIMO (MU-MIMO). Im ersteren Fall wird die maximale Datenrate jedes versorgten Nutzers in der Zelle erhöht, im zweiten Fall wird eine größere Anzahl von Nutzern ermöglicht, ohne dass deren Datenrate erhöht würde. Beide Typen laufen auf eine gleiche Erhöhung der insgesamt in der betreffenden Zelle verfügbaren Kapazität hinaus. Die Umsetzung im Modell zielt auf eine solche Erhöhung der Kapazität durch die Möglichkeit der Versorgung einer größeren Anzahl von Nutzern bei einer vorgegeben Datenrate je Nutzer. Da MIMO die Batterie des Endgeräts stark in Anspruch nimmt, werden in absehbarer Zeit lediglich Endgeräte eingesetzt, die zwar mit zwei Antennen ausgerüstet sind, die gleichzeitig empfangen können, von denen aber nur eine Antenne für das Absenden von Signalen eingesetzt wird. Daraus folgt, dass MIMO nur für die Downlink- und nicht für die Uplink-Verbindung zur Verfügung steht. Dies wird auch im Modell so umgesetzt. Aus dem Umstand, dass MIMO nur für die Downlink-Verbindung zum Einsatz kommt, und dass in der Regel die hohen Bitraten für die Downlink-Verbindungen gebraucht werden, folgt, dass diese Technik zur Erhöhung der Kapazität dient und somit für einen größeren Zellen-Radius sorgt, wenn dieser durch die Kapazität begrenzt wird. Sie dient nicht der Erweiterung eines Zellen-Radius, der durch die Wellenausbreitungseigenschaften begrenzt wäre, da dieser durch die Reichweite der Uplink-Verbindung, die am Zellenrand noch ein Mindestmaß an Signalstärke aufweisen muss, bestimmt wird. 4 4 Falls MIMO auch über die Uplink-Verbindung zur Geltung käme, würde der Einsatz von zwei Sendeantennen die Wellenausbreitungseigenschaften des Spektrums verbessern und die zugelassene Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio (SINR) am Rande des abzudeckenden Gebietes erhöhen. Daraus ergäbe sich ein größerer möglicher Zellen-Radius. Der entsprechende Gewinn müsste im Link Budget berücksichtigt werden.

22 14 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Zellenplanung unter Berücksichtigung von MIMO Die Implementierung von MIMO wird im Rahmen des existierenden Algorithmus für LTE vorgenommen. Sie erfolgt, indem die Basisstationen mit Radiogeräten mit jeweils zwei Antennen ausgerüstet werden, unter der Annahme, dass, wie gerade beschrieben, die versorgten Endgeräte für den Empfang ebenfalls mit zwei Antennen versehen sind. Die Bestimmung des Zellen-Radius auf Basis der verfügbaren Kapazität erfolgt dann wie dies in Abschnitt abgehandelt worden ist. Da der LTE-Algorithmus auf der Bereitstellung einer vorgegebenen garantierten Bitrate für einen Nutzer am Rand der Zelle basiert, wird hierbei berücksichtigt, dass sowohl SU-MIMO wie MU-MIMO diese Kapazität erhöht. Diese Kapazitätserhöhung beruht auf der Verbesserung der spektralen Effizienz, die durch den Einsatz von MIMO zum Tragen kommt. Der dadurch erzielte Gewinn wird durch einen Faktor ausgedrückt, der als Parameterwert einzugeben ist. Aus entsprechenden Untersuchungen folgt, dass bei einer 2 X 2 Konfiguration dieser Gewinn sich auf 54 % beläuft, unabhängig von der Entfernung des Nutzers von der Basisstation. 5 Das Modell berücksichtigt diese Erhöhung der Kapazität, indem die Anzahl der verfügbaren Resource Blocks je Frequenz-Block erhöht wird. Zum Beispiel werden durch einen 10 MHz-Block ursprünglich 50 Resource Blocks zur Verfügung gestellt. Durch die Berücksichtigung der Erhöhung der spektralen Effizienz um 54 % wird diese Anzahl auf 77 erhöht. Außer dieser Änderung in der Parametrisierung braucht in der Programmierung des Algorithmus im Netzplanungsmodul nicht weiter angepasst werden. Im Kostenmodul ist darauf zu achten, dass der Investitionswert der Basisstation entsprechend der Ausrüstung - mit oder ohne MIMO - benutzt wird. 3.3 Voice over LTE (VoLTE) Überblick über die VoLTE betreffenden technischen Entwicklungen VoLTE bezeichnet die Abwicklung von Sprachverkehr im LTE-Netz. VoLTE basiert auf VoIP und stellt die vollständige Integration aller Dienste unter dem IP Protokoll dar. Derzeit bieten Mobilfunknetzbetreiber über LTE in der Regel Datendienste an, die die verbesserte LTE Bandbreite verwenden, während Sprachdienste zum überwiegenden Teil noch über UMTS bzw. GSM abgewickelt werden. 5 Siehe B.W.M. Kuipers und L. Correia, Modeling the Relative MIMO Gain, in: IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2008.

23 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 15 Zur schrittweisen Einführung von VoLTE wurden verschiedene Verfahren entwickelt und standardisiert, von denen Circuit Switched Fallback CSFB und VoLTE in Verbindung mit IP Multimedia Subsystem (IMS) die wichtigsten sind. CSFB wird eingesetzt, wenn ein Nutzer mit seinem Endgerät in der LTE-Zelle eingeloggt ist, aber entweder das Endgerät und/oder das Netz VoLTE nicht unterstützen. Wenn das Endgerät eine abgehende oder ankommende Sprachverbindung aufbauen will, wird vom Netz die LTE-Verbindung automatisch auf eine UMTS- oder GSM- Verbindung umgeschaltet. CSFB ist derzeit die von den meisten Netzbetreibern implementierte Version für VoLTE. VoLTE über IMS gestattet VoLTE-fähigen Endgeräten VoLTE Sprachdienste und Dienste aus der Rich Communication Suite (RCS 6 ) in Anspruch zu nehmen. Dies ist die zukünftige Architektur, die von den meisten Netzbetreibern langfristig angestrebt wird. Wie weiter unten dargestellt, wird im erweiterten Modell eine IMS-Teilmenge implementiert, die VoLTE über LTE ermöglicht. Neben CSFB und VoLTE über IMS, ist Voice over LTE via Generic Access (VoLGA) entwickelt worden. VoLGA vermeidet die Nachteile des relativ langsamen Aufbaus von CSFB, erfordert aber umfangreichere Änderungen sowohl in den Endgeräten wie auch im Netz. VoLGA ist derzeit nicht vom 3GPP standarisiert und hat sich am Markt nicht durchgesetzt Vorschau auf die Einführung von VoLTE im Modell Anders als GSM, welches getrennte physikalische Kanäle für den leitungsvermittelten Verkehr schaltet, und UMTS, welches für diesen Verkehr virtuelle Kanäle schaltet, hat LTE im Festnetzteil keine leitungsvermittelte Domäne, so dass der mit der Technologie LTE realisierte Sprachdienst in einer paket-vermittelten Domäne umgesetzt werden muss. Diese Möglichkeit wird durch das oben erwähnte IP Multimedia Subsystem (IMS) geboten, das im Core-Netz Funktionen basierend auf dem IP-Protokoll für Multimedia- Dienste bereitstellt. Wir greifen auf diesen Ansatz zurück, wenn wir VoLTE im Modell implementieren. Die entsprechenden Anpassungen finden dabei zum größten Teil in den Einrichtungen des Core-Netzes statt. 6 RSC ist ein von der GSMA definierter Standard, der den Nutzern erweiterte Kommunikationsdienste anbietet und unter LTE mittels IMS implementiert wird.

24 16 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Wie in Abschnitt 2 dargestellt ist LTE im ursprünglichen Modell für die Bereitstellung von Breitband-Datendiensten bereits implementiert. Wenn nun auch der Sprachdienst über LTE bereitgestellt wird, bedeutet dies zunächst aus vereinfachter Sicht, dass neben den oben erwähnten Anpassungen im Core-Netz im Radiozugangsnetz ein weiterer Dienst mit seinen Kapazitätsanforderungen sowohl für Hardware wie für Spektrum hinzugefügt wird. Insofern würde sich in der Planung und Dimensionierung der LTE-Zellen methodisch wenig ändern, außer dass die zusätzliche Kapazität für Sprache bereitgestellt werden muss. Letztlich ist dies auch zutreffend, allerdings bedarf es vorher einiger Klarstellungen. Dazu gilt es zunächst die im Folgenden beschriebenen zwei Extremsituationen zu identifizieren und einzuordnen. Ein bestimmter Anteil der Nutzer, die ihren Verkehr über ein LTE-fähiges Endgerät abwickeln, fragen Sprachverbindungen über diese Technologie nach, obwohl die technischen Voraussetzungen dafür im Core-Netz noch nicht vorhanden sind. In diesem Fall kommt das Circuit Switched Fall Back (CSFB) zum Einsatz. Als Ergebnis der vom Endgerät ausgehenden Signalisierung wird dann bereits beim Verbindungsaufbau im Radiozugangsnetz eine auf UMTS oder GSM basierende Verbindung bereitgestellt und diese Verbindung dann auch bis zum anderen Ende über eine solche Kapazität geführt. Das heißt, dass im LTE-Netz nur die entsprechende Signalisierung zum Verbindungsaufbau bzw. Verbindungsabbau im UMTS- oder GSM-Netz über Einrichtungen des LTE-Core-Netzes vorgenommen wird und Einrichtungen des IMS nicht benötigt werden. Die Bereitstellung von VoLTE gilt dann für den das Gespräch initiierenden Teilnehmer nur virtuell, da dieser abgesehen von der zusätzlich aufkommenden Zeitverzögerung für den Verbindungsaufbau nicht wahrnimmt, dass das Gespräch tatsächlich nicht mit der LTE-Technologie ausgeführt wird. Für einen Teilnehmer, der im LTE-Netz eingeloggt ist und ein solches Gespräch empfangen soll, wird durch die CSFB-Signalisierung ebenfalls sichergestellt, dass er es über UMTS oder GSM empfängt. Als Voraussetzung dafür muss im Radiozugangsnetz parallel zu LTE auch UMTS und/oder GSM implementiert sein, was in der Praxis wie auch im Modell gewährleistet ist. Ankommende Gespräche werden ebenfalls über UMTS oder GSM herangeführt und das LTE-Gerät des Empfängers über Signalisierung darauf eingestellt. Diese Form von virtuellem VoLTE wird im erweiterten Modell implementiert und weiter unten dargestellt. Sie kann als Extremsituation insofern betrachtet werden, als alle Sprachverbindungen wie bisher über Legacy-Technologien geführt werden, obwohl ein Teil des Sprachverkehrs von LTE-Endgeräten aus initiiert wird. In der anderen Extremsituation würde davon ausgegangen, dass die Netze bereits vollständig auf LTE basieren und alle Teilnehmer über Endgeräte verfügen, die sowohl Daten als auch Sprache über LTE ermöglichen. Das Radiozugangsnetz würde nur auf LTE basieren, und im Core-Netz würden alle für VoLTE erforderlichen IMS- Funktionalitäten implementiert sein. Da die Annahme wäre, dass alle Netze voll-

25 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 17 ständig LTE-basiert sind, würde es eines Interworking mit Netzen oder Netzteilen auf Basis der Vorgänger-Technologien nicht bedürfen. In diesem Fall wäre man wieder in einer Welt mit einer einzigen Technologie und somit einer einfachen Struktur (wie anfangs, als es nur GSM-Technologie gab). Allerdings liegt diese Vision eines ubiquitären Einsatzes von LTE in allen Netzen noch weit in der Zukunft und wird hier nicht implementiert. Die realistischere Version ist ein Netz, in dem VoLTE-ermöglichende LTE-Netzteile mit eigenen Netzteilen und anderen Netzen, die in verschiedenen Kombinationen noch auf Vorgänger-Technologien basieren, zusammen funktionieren müssen. Wenn die LTE- Netzteile noch nicht für VoLTE aufgerüstet sind, werden VoLTE-Verbindungen über CSFB realisiert. Der Endpunkt dieser entsprechenden Entwicklung würde ein vollständig auf LTE basierendes Netz sein, das jedoch in einem Marktumfeld operiert, in dem es mit noch auf Vorgängertechnologien beruhenden Netzen zu interagieren in der Lage sein muss. In diesem Fall müsste an den Zusammenschaltungspunkten dafür Sorge getragen werden, dass Sprache adäquat an Netze mit anderen Technologien übergeben oder von diesen übernommen werden kann. Dies hieße, dass auch in dieser Situation weiter die Funktionalität des CSFB einsetzbar sein muss. Diese Form der Bereitstellung von VoLTE, mit unterschiedlicher Ausprägung des Einsatzes von CSFB, ist Gegenstand der weiteren Betrachtungen. In diesem Zusammenhang sind noch zwei im Folgenden adressierte Aspekte von Bedeutung: Bei über das LTE-Netz geführtem VoLTE wird annahmegemäß das gesamte Gespräch über das LTE-Netz geführt, was voraussetzt, dass es auch von einem entsprechenden Gerät empfangen werden kann. Wir gehen davon aus, dass der Anteil der Nachfrage nach Sprache, der diese Bedingung erfüllt, durch einen Parameter vom Modell-Nutzer vorgegeben wird. 7 Die Dimensionierung des Radiozugangsnetzes auf Basis LTE ist dann um diese Kapazität, zusätzlich zu der für Daten, zu erhöhen. Da nicht davon ausgegangen wird, dass der Betreiber bereits in seinem gesamten Versorgungsgebiet über ein LTE-Netz verfügt, muss dafür Sorge getragen werden, dass Gespräche nicht abbrechen, wenn sich Nutzer in nicht mit LTE versorgte Zellen hineinbewegen. Hierzu wird die Funktionalität Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) implementiert. Sie sorgt dafür, dass in diesen Fällen Gespräche über die dann vorhandenen Legacy-Netze weitergeführt werden können. Diese Funktionalität 7 Diese Annahme unterstellt eine durchschnittliche Nachfrage des durchschnittlichen zusammengesetzten Nachfragers. Dieser Nachfrager setzt sich zusammen aus den Nachfragern mit einem VoL- TE-fähigen Endgerät und solchen ohne ein solches Gerät. Dieser Ansatz ist dadurch gerechtfertigt, dass es letztlich auf die Gesamtnachfrage und deren Zusammensetzung (Daten- und Sprachverbindungen über die verschiedenen Technologien) ankommt, und diese für verschiedene Szenarien über die entsprechende Anzahl der Nutzer und ihre durchschnittliche Nachfrage zu ermitteln ist.

26 18 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz ist wiederum im Core-Netz zu implementieren. In den auf UMTS und GSM beruhenden Zellen des Radiozugangsnetzes sind zusätzlich Kapazitäten vorzusehen, die diesen aus LTE-Zellen übergeleiteten Verkehr bewältigen können Zellenplanung im Radiozugangsnetz bei über IMS realisiertem VoLTE Die Einführung von VoLTE, das tatsächlich über das LTE-Netz geführt wird, hat offensichtlich Auswirkungen auf das LTE-Radiozugangsnetz, aber auch auf die Radiozugangsnetze für UMTS und GSM/EDGE Zellenplanung im LTE-Radiozugangsnetz bei VoLTE über IMS Mit der Einführung von echtem VoLTE gibt es faktisch einen zweiten Sprachdienst im Modell, nämlich einen, der vollständig paket-vermittelt ist. Dieser Dienst wird im Modell als ein separater Dienst behandelt, da bei ihm bei gegebener Nachfrage die Kapazitätsanforderungen je nach eingesetztem Codec unterschiedlich hoch ausfallen können. Der Codec ist der Mechanismus, der das analoge Signal eines Gesprächs in digitale Signale umwandelt und dabei pro gegebenem Intervall je nach Typ eine größere oder kleinere Anzahl von Bits generiert. Beim leitungsvermittelten Sprachdienst kommt der AMR-NB Sprach-Codec zum Einsatz, der 12,2 kbit/s je Sprachsekunde generiert. Es ist beabsichtigt, im erweiterten Modell für VoLTE den AMR-WB Sprach-Codec mit einer Bitrate von 12,65 kbit/s, der eine dem leitungsvermittelten Sprachdienst äquivalente Qualität gewährleistet und von der GSM Association empfohlen wird, einzusetzen. Es wird auch möglich sein, über entsprechende Parametrisierung weitere Varianten des genannten Sprach-Codec zu implementieren, die mit höheren Bitraten (z.b. 23,85 kbit/s) arbeiten. Das Volumen der Nachfrage nach VoLTE wird zunächst, wie dies auch bei dem üblichen leitungsvermittelten Sprachdienst geschieht, in Minuten erfasst, aber dann als ein Erlang-Wert in der Hauptverkehrsstunde eingesetzt. Um die Vergleichbarkeit des VoL- TE-Dienstes mit den LTE-Daten herbeizuführen, wird dieses Volumen in Kilobit umgewandelt. Dazu wird das in Erlang ausgedrückte Sprachvolumen in Sekunden umgewandelt und mit der Kilobitrate des eingesetzten Codec multipliziert: (Volumen in Erlang*3600) * kbit/s = (Volumen in Kilobit). Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, ist bei VoLTE der eingesetzte Codec und die mit diesem Codec einhergehende faktische Bitrate ein wichtiger Aspekt. Im erweiterten Modell wird für VoLTE der AMR-WB Sprach-Codec mit einer nominalen Bitrate von 12,65 kbit/s eingesetzt. Da VoLTE paketvermittelt ist, und jedes Paket mit einem Overhead versehen werden muss, ist der nominalen Bitrate noch die Rate für diesen Overhead hinzuzufügen. Die Berücksichtigung dieses Overhead führt zu einer

27 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 19 faktischen Bitrate von 15,85 kbit/s, die erforderlich ist 8 um die Sprachsignale während einer Sekunde mit entsprechender Qualität zu übertragen. Daraus folgt, dass sich die Kapazitätsanforderungen durch VoLTE auf der Basis des eingesetzten Codec bereits erheblich von denen des leitungsvermittelten Sprachdienstes unterscheiden. Wenn nun das vom Erlang-Volumen abgeleitete Kilobit-Volumen durch die Anzahl der Minuten in einer Stunde, d.h. 60, geteilt wird, erhalten wir die durchschnittliche Bitrate, die die Zelle je Sekunde leisten muss, um die Sprachsignale zu befördern. Allerdings wird diese Bitrate zu der für Daten hinzugefügt, so dass sich eine einzige zu übermittelnde Bitrate ergibt. In anderen Worten, das System muss so dimensioniert werden, dass die Bitrate, die sich aus der Addition der erforderlichen Bitrate für Sprache und der für Daten ergibt, realisiert wird. Hier ergibt sich allerdings ein wichtiger Punkt. Oben ist darauf verwiesen worden, dass es sich um durchschnittlich nachgefragte Volumina während der Hauptverkehrsstunde und daraus abgeleitet um durchschnittliche Übermittlungsraten handelt. Sprache ist jedoch zeitsensitiv, was heißt, dass nicht die durchschnittliche Erfüllung der Bitraten- Anforderung hinreichend ist, sondern eine, die möglichst Echtzeit für Sprache gewährleistet, was wiederum heißt, dass die Pakete für VoLTE prioritär behandelt werden müssen. Zu diesem Zweck wird zu der Kapazität, die auf jeden Fall für VoLTE benötigt würde, mittels eines vom Modell-Nutzer einzugebenden Faktors zusätzliche Kapazität eingeplant, die für diese Priorisierung dann zur Verfügung steht. Wenn auf die oben geschilderte Weise die erforderliche Bitrate, die sowohl den nachgefragten Sprachvolumina wie Datenvolumina entspricht, bestimmt worden ist, erfolgt die Dimensionierung der Zellen des LTE-Radiozugangsnetzes wie oben beschrieben in Abschnitt Zellenplanung im Legacy-Radiozugangsnetz bei VoLTE über IMS Es bleibt abzuhandeln, welche Konsequenzen sich für die Zellenplanung im Radiozugangsnetz daraus ergeben, dass ein Teil von anfangs im LTE-Netz geführten Gesprächen an Legacy-Netze übergeben werden müssen, da sich wenigstens ein Teilnehmer aus einem von LTE abgedeckten Raum heraus bewegt. Im folgenden Abschnitt wird dargestellt, dass die Signalisierung dafür sorgt, dass die Übergabe der Gespräche an die Legacy-Netze entsprechend erfolgt. Die Modellierung wird anhand eines Eingabeparameters vorgenommen, der diesen Anteil bestimmt. Dieser Anteil wird ebenfalls zu- 8 Die Länge eines jeden der Pakete, mit denen VoLTE übertragen wird, beträgt 20 Millisekunden. Daraus folgt, dass jedes Paket 253 Bit transportiert ( bit/s * 20 / 1.000). Der Overhead eines Pakets, bestehend aus den Anforderungen für Header und weitere Kontrollfunktionen, erfordert insgesamt 64 zusätzliche Bit, so dass jedes Paket insgesamt aus 317 Bit besteht. Wenn diese Anzahl von Bit in 20 Millisekunden zu übertragen ist, dann ergibt sich die oben genannte Bitrate von 15,85 kbit/s. Die erwähnten Kontrollfunktionen sind Radio Link Control (RLC) und Medium Access Control (MAC).

28 20 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz grunde gelegt, um die Nachfrage für die Dimensionierung der UMTS- und GSM- Radiozugangsnetze entsprechend zu erhöhen VoLTE im Core-Netz Signalisierung Im Festnetzteil des Modells erfordert die Einführung von VoLTE lediglich Ergänzungen in der Signalisierung, die von Einrichtungen des Core-Netzes durchgeführt wird. Abbildung 3.2 gibt einen Überblick über die Einrichtungen des Core-Netzes, einschließlich derjenigen, die zusätzlich für LTE und insbesondere für VoLTE eingesetzt werden. Abbildung 3.2: Struktur eines LTE Core-Netzes mit erweitertem IMS Core und Schnittstelle zum UMTS Core für SRVCC Neben den Einrichtungen des 3G Core, die im ursprünglichen Referenzdokument behandelt worden sind, weist die Abbildung die Einrichtungen des Evolved Packet Core (EPC) und des IMS Core aus, die für LTE und insbesondere für VoLTE benötigt werden. Im EPC ist die MME die zentrale Einrichtung. Sie übernimmt den gesamten Signalisierungsverkehr sowohl für die LTE-Datendienste wie auch für VoLTE. Bedingt durch den höheren Signalisierungsverkehr ist zu erwarten, dass die MME in jedem Core- Netzknoten installiert wird. Die übrigen Einrichtungen des EPC, d.h. S-GW und P-GW,

29 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz 21 sind für den Transport des LTE-Bearer-Verkehrs verantwortlich. Auch diese Einrichtungen werden in jedem Core-Netzknoten benötigt. Sowohl MME wie S-GW und P-GW werden als Einrichtungen des Core-Netzes im Modell implementiert. Während das EPC das Core-Netz für LTE per se ist, wird die IMS-Plattform für Dienste in LTE-Netzen mit einer garantierten Bitrate benötigt. Die Implementierung von IMS hat sich bislang verzögert, da diese Architektur zahlreiche Funktionen erfordert, die sich aus wirtschaftlicher Sicht erst bei einer erhöhten Nachfrage nach entsprechenden Diensten, z.b. VoLTE, rechtfertigen. Es wird hier davon ausgegangen, dass im zu modellierenden Netz eine Untermenge der gesamten IMS-Funktionen implementiert wird, die die Einführung von VoLTE ermöglichen. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Bestandteilen, dem Telephone Application Server (TAS) und dem Call State Control Function Server (CSCF). Der CSCF wird gemäß der Aufgabe, die er im Netz übernimmt, als Serving Call Session Control Function (S-CSCF), Interrogate Call Session Control Function (I-CSCF ) oder Proxy Call Session Control Function (P-CSCF) bezeichnet. Darüber hinaus sind Erweiterungen in den Funktionen des Home Subscription Server (HSS) und der Policy and Charging Rules Function (P-CRF) in Form von Schnittstellen mit den CSCF zu berücksichtigen. Im Modell wird nur diese Untermenge (reduzierter IMS Core) für die ausschließliche Verwendung für VoLTE betrachtet. Aus den Ausführungen im vorangegangenen Abschnitt folgt, dass für VoLTE zwei Typen von Signalisierung zu behandeln sind. Es handelt sich um die Signalisierung für virtuelles, über CSFB realisiertes VoLTE sowie um die Signalisierung für die tatsächlich über ein LTE-Netz geführte Version. Der erhöhte Signalisierungsaufwand sowohl für CSFB als auch für SRVCC wird durch Anpassung der Werte für die entsprechenden Mark-up-Faktoren im Kostenmodul berücksichtigt Signalisierung im Core-Netz bei VoLTE durch CSFB Für die Implementierung von CSFB ist im Core-Netz eine zusätzliche Schnittstelle zwischen der MME aus dem EPC und dem MSC Call Server im GSM/UMTS-Core-Netz bereitzustellen. Für die Modellierung bedeutet dies, dass im Core-Netz lediglich die entsprechende Schnittstelle zwischen der MME aus dem EPC und dem MSC Call Server im GSM/UMTS-Core-Netz zu dimensionieren ist (SGs-Schnittstelle). Der Treiber für diese Dimensionierung sind die BHCA für Gespräche, die mit CSFB realisiert werden. Das Modell sieht die Bereitstellung der SGs Schnittstelle zwischen allen MSC Call Servern und MME Einrichtungen vor. Die Anzahl der MSC Server ist typischerweise begrenzt, normalerweise auf zwei Einrichtungen an verschiedenen Standorten (das Modell sieht allerdings vor, dass die Anzahl als Eingabeparameter vorgegeben wird). Demgegenüber wird, wie schon oben aufgeführt, vom Modell angenommen, dass MME-Einrichtungen in jedem EPC Standort zu implementieren sind.

30 22 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Der bei der Scenario-Generierung vorgegebene Sprachanteil des VoLTE über CSFB wird, wie bereits beschrieben, bei der Zellen-Dimensionierung als GSM- bzw. UMTS- Verkehr berücksichtigt und gleichzeitig für die Dimensionierung der jeweiligen SGs- Schnittstellen herangezogen Signalisierung im Core-Netz bei im LTE-Netz geführtem VoLTE Dieser Fall erfordert die Bereitstellung eines IMS-Core (S-CSCF und TAS) und Erweiterungen im HSS und PCRF aus dem Evolved Packet Core (EPC), vergl. Abbildung 3.2 und begleitende Erläuterungen im Text. In diesem Falle wird im LTE Netz On-Net- Sprachverkehr zwischen zwei LTE-fähigen Endgeräten, die sich jeweils in einer LTE- Zelle aufhalten, als VoLTE im LTE Netz geführt. (Demgegenüber werden alle Off-Net- Verkehre und alle gemischten Verkehre zwischen GSM/UMTS und LTE Endgeräten mittels CSFB auf das GSM bzw. UMTS Netz umgeschaltet). Für die On-Net-VoLTE Verkehre sind im EPC die entsprechenden Kapazitäten bereitzustellen, um die QoS Anforderungen dieses Verkehrs einzuhalten. Dies wird durch die PCRF sichergestellt, die mit dem IMS-Core durch eine entsprechende Schnittstelle zu verbinden ist. Weiterhin ist sicherzustellen, dass VoLTE Verbindungen nicht unterbrochen werden, wenn sich eines der beiden Endgeräte aus dem LTE-Abdeckungsbereich herausbewegt. Dazu wird das Single Radio Call Continuity (SRVCC) Protokoll neben dem CSCF eingesetzt, wodurch zusätzlicher Signalisierungsaufwand entsteht. Diese Funktion erfordert eine zusätzliche Schnittstelle zwischen der MME im EPC und den MSC-Call Server aus dem 3G Core. Die Berücksichtigung von IMS erfolgt im Modell durch einen IMS-Core, der die notwendigen Funktionen und Schnittstellen in einer aggregierten Einrichtung wahrnimmt. IMS ist eine zentrale Einrichtung im LTE Core-Netz, die an einem zentralen, bzw. aus Sicherheitsgründen an zwei EPC-Knoten zu installieren ist und sich von dort aus mit den anderen zentralen Einrichtungen (HSS und P-CSCF) verbindet. Die Kostentreiber sind die BHCA des echten VoLTE-Verkehrs. Dazu ist mittels eines entsprechenden Faktors der Anteil des echten VoLTE-Verkehrs vom Modell-Nutzer einzugeben. Der Anteil dieses Verkehrs, der während der VoLTE-Verbindung mittels SRVCC auf das UMTS- bzw. GSM-Netz umgeschaltet werden muss, hängt von der Flächendeckung, dem Umfang des VoLTE-Verkehrs und von dem Mobilitätsradius der VoLTE-Endgeräte ab. Er wird im Modell durch einen vom Modell-Nutzer einzugebenden Faktor bestimmt.