Überlegungen zur Kapazität und zum zukünftigen Spektrumsbedarf von Mobilfunknetzen

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1 Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse Überlegungen zur Kapazität und zum zukünftigen Spektrumsbedarf von Mobilfunknetzen Prof. Dr. Christian Lüders FH Südwestfalen, Standort Meschede FB Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften Breitbandkompetenzzentrum NRW in Kooperation mit Dr. Bernd Sörries Forschungsstelle für Mobiles Breitband am ITM der Westfälischen-Wilhelms-Universität Münster

2 Inhalt Ausgangslage und wichtige Systemparameter für LTE Vorgehensweise und Prognosen zum Datenvolumen Statistiken zu BS-Standorten Messungen zur potenziellen Versorgung einer ländlichen Region Simulationen zur Spektralen Kapazität Szenarien zum Spektrumsbedarf Zusammenfassung und Fazit

3 Die Fachhochschule Südwestfalen Do SOEST gegründet: 22 insgesamt > 1 Studierende ca. 18 Professoren Lüdenscheid HAGEN ISERLOHN MESCHEDE Maschinenbau Elektrotechnik Informatik Naturwissenschaft Betriebswirtschaft Agrartechnik

4 Meschede und der Hochsauerlandkreis Kreisstadt Meschede 3 TEW, 22 km 2 Hochsauerlandkreis HSK 12 Kommunen, 265 TEW, 2 km 2 2 km Meschede Verwaltung Mittelst. Industrie Metallverarbeitung Holzwirtschaft Automobilzulieferer Brauereien Tourismus Eslohe Schmallenberg Winterberg

5 FH Südwestfalen Standort Meschede Modernes Hochschulgebäude mit hervorragender Laborausstattung

6 Hochschulstandort Meschede Moderne Ausstattung, großzügige Labore Professoren mit langjähriger praktischer Berufserfahrung Kontakte zu Unternehmen Kleine Lerngruppen intensive Betreuung / persönliche Atmosphäre

7 Kennzahlen des Standorts Meschede Studierende in Präsenzstudiengängen: 13 Studierende in Franchise-Studiengängen: 2 mit externen Partnern (ausbildungs-/berufsbegleitend) Professoren/Professorinnen 32 Lehrbeauftragte 4 Mitarbeiter in Forschung und Lehre 4 Mitarbeiter Verwaltung, Technik, Bibliothek 2 Auszubildende 3

8 Lehrangebot in Meschede BWL-Inhalt Bachelor-Studiengänge 3 Jahre Wirtschaft (B.A.) Master-Studiengänge 2 Jahre Wirtschaft International Management with Engineering-IT/MT Wirtschaftsingenieur- Maschinenbau Technische Betriebswirtschaft (MBA) Wirtschaftsingenieur- Elektrotechnik IT- & Kommunikationssysteme und deren Management Technik-Inhalt Elektrotechnik / IKT Maschinenbau Integrierte Produktentwicklung (Maschinenbau)

9 Hochschuleigener UKW-Sender Musik und Beiträge aus der FH rund um die Uhr produziert von Studenten und Mitarbeitern der FH Frequenz: 94,7 MHz (und als Internet-Radio) Standort: Rathaus Meschede Versorgungsgebiet: fast ganz Meschede und Teile der Umgebung Jeden Abend Uhr: The Best of British mit Neil Davie

10 Breitbandkompetenzzentrum des Landes NRW Breitbandkompetenzzentrum des Landes NRW (BBCC.NRW) von NRW-Staatskanzlei und Hochsauerlandkreis (HSK) initiiertes und gefördertes In-Institut der Fachhochschule Südwestfalen (gegründet 29) Entwicklung von Konzepten zur Breitband-Versorgung ländlicher Regionen (technisch, betriebs- und volkswirtschaftlich, juristisch) Bewertung bestehender und neuer Technologien auf ihre Eignung hin Beratung von Kommunen und Kreise bei ihren Ausbauplanungen Begleitung des Aufbaus eines Funknetzes im HSK/ in Südwestfalen Begleitung von Pilotprojekten zum Glasfaserausbau kurz-/mittelfristige Verbesserung der Versorgung durch LTE-Netze? in bisher unzureichend versorgten kleineren Orten und Gemeinden unter Verwendung bestehender GSM-Standort und der Digitalen Dividende

11 Inhalt Die FH Südwestfalen und das BBCC.NRW Ausgangslage und wichtige Systemparameter für LTE Vorgehensweise und Prognosen zum Datenvolumen Statistiken zu BS-Standorten Messungen zur potenziellen Versorgung einer ländlichen Region Simulationen zur Spektralen Kapazität Szenarien zum Spektrumsbedarf Zusammenfassung und Fazit

12 Frequenzversteigerung im Mai/Juni 21 Digitale Dividende 26 MHz Bereich Sonstige Bereiche Telekom 2 x 1 MHz 2 x 2 MHz 35 MHz Vodafone 2 x 1 MHz 2 x 2 MHz 35 MHz O2 2 x 1 MHz 2 x 2 MHz 4 MHz Eplus x 1 MHz 5 MHz Preis 6 /Hz 2 /Hz 4 /Hz bessere Funkausbreitungsbedingungen zunächst: Versorgung dünn besiedelter Gebiete Prioritätsstufe 1: benannte Städte und Gemeinden bis 5 EW Prioritätsstufe 2: benannte Städte und Gemeinden bis 2 EW, Ausbau in Stufe N, wenn 9% der Bevölkerung in Stufe N 1 versorgt

13 Dämpfung / db Messungen Frequenzbereiche und Ausbreitungsdämpfung Digitale Dividende GSM (P&E) DigDiv2 DL UL UL DL DVB-T GSM18- und UMTS-Bereich 26-MHz-Bereich UL TDD DL Urban Frequenznachteil db Suburban Frequenz f / MHz Funkausbreitungsdämpfung bei r = 1 km nach Okumura-Hata-/Cost231-Hata-Modell

14 Spitzendatenraten und Endgerätekategorien bei LTE für verschiedene Konstellationen Kategorie Max. Datenrate / Mbit/s DL UL Modulation DL QPSK, 16QAM, 64QAM UL QPSK, 16 QAM +64QAM MIMO DL optional 2x2 4x4

15 Dämpfung [db] Versorgung dünn besiedelter Regionen - Ein Beispiel Standort in Westerstede (WST) Bockhorn Varel 3 Sektorantennen bei 45 m Höhe Uplen gen WST Wiefelstede 18 1 km Apen ca. 5 Einwohner

16 Was heißt versorgt? Eine aktive Verbindung pro Funkzelle 1 Outdoor 8 MHz 1 5 Y [km] Y [km] X [km] Indoor 8 MHz -5 X [km] 5 1 Indoor 26 MHz 5 Y [km] 5 Y [km] Mbit/s Outdoor 26 MHz X [km] X [km] , 4, 2, 1,,5

17 Was heißt versorgt? Verschiedene Konstellationen Indoor 8 MHz 3 m Indoor 8 MHz 45 m 1 5 Y [km] Y [km] 5-5 Mbit/s X [km] Verbindungen pro Zelle -5 X [km] Verbindungen pro Zelle 1 5 Y [km] Y [km] 5-5 Externe EndgeräteAntennen X [km] , 4, 2, 1,, X [km] 5 1

18 Mittlere Datenrate pro Zelle Spektrale Kapazität: Ein einfaches Beispiel Beispiel: 5 aktive Teilnehmer teilen sich Bandbreite einer Funkzelle 2 x 1 MHz Spektrum bei 8 MHz (suburban) 1 km Datenrate / Mbit/s DL UL 2,1 5, Mittlere Datenrate pro Zelle im DL: ( ) Mbit/s = 19 Mbit/s Spektrale Kapazität im DL: 1,9 Mbit/s / (MHz u. Zelle) Spektrale Kapazität im DL: 5,7 Mbit/s / (MHz u. Standort)

19 Inhalt Die FH Südwestfalen und das BBCC.NRW Ausgangslage und wichtige Systemparameter für LTE Vorgehensweise und Prognosen zum Datenvolumen Statistiken zu BS-Standorten Messungen zur potenziellen Versorgung einer ländlichen Region Simulationen zur Spektralen Kapazität Szenarien zum Spektrumsbedarf Zusammenfassung und Fazit

20 Generelle Abhängigkeiten beim Spektrumsbedarf Benötigte Frequenzbandbreite B in MHz hängt ab von: mittleres Datenvolumen D pro Teilnehmer und Monat (in GB pro Monat) Anzahl der Teilnehmer T pro Basisstationsstandort Verhältnis v zwischen Spitzen- und mittlerer Datenrate pro Standort spektraler Kapazität der Übertragungstechnik ( in Mbit/s / (MHz Sto) ) Umrechnungsfaktor von GB pro Monat auf Mbit/s: g =,3 B g v D T

21 Datenmenge / PByte/Monat Prognosen zum weltweiten mobilen Datenverkehr 7 6 Quellen: Cisco UMTS Forum NSN Analysis Mason REPORT ITU-R M.2243: Assessment of the global mobile broadband deployments and forecasts for International Mobile Telecommunications, 211 Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, , Feb. 213 Wachstum : Analysis Mason Cisco WW: 45% gesamt, 4% pro Jahr / 116% gesamt, 66% pro Jahr EU: 25% gesamt, 28% pro Jahr / 66% gesamt, 5% pro Jahr

22 Datenmenge pro Jahr / PByte Fatenmenge pro Jahr / PByte Entwicklung der Datenmengen in Deutschland Datenmengen in Mobilfunknetzen 14 1 Vergleich Mobilfunk - Festnetz 12 1 Daten Jahre 4 2 Sprache : 1 PB pro Jahr,1 GB pro Monat und EW 216: 2 PB pro Jahr 2, GB pro Monat und EW Quellen: Bundesnetzagentur, Jahresbericht 211 Dialog Consult / VATM: 14. TK-Marktanalyse Deutschland 212

23 Bestandsanalysen und Prognosen zum mobilen Datenverkehr in Deutschland (in GB pro EW u. Monat) BNetzA/VATM UMTS Forum (11) Cisco (Feb. 13) (*) Cisco (Feb. 12) Analysis Mason,1,14 1, 2, 2,5 4,1,2 3,1 7,7,16,22 2,2,23 4,9,14 28% pro Jahr (s.o.),5 9-Jahres- Vorsprung typisches Europ. Land Modell-Annahmen 212/ GByte / Monat u. EW,2 1 5 Mbit/s / 1 EW (Mittel), (*) VNI Mobile Forecast Highlights, vni_mobile_forecast_highlight/index.html#~country

24 Mittlerer Durchsatz und Spitzendurchsatz Datendurchsatz (prinzipieller Verlauf über größeren Netzbereich) Spitzenwert Mo Di Mi Do Fr Sa Mittelwert DL UL Zeit Statistiken aus skandinavischen Netz (*) (*) H. Holma, A. Toskala: LTE for UMTS, Wiley 29 etwa 8% des Datenaufkommens über nur etwa 2% der Funkzellen in diesen Funkzellen: Spitzenwert bei etwa dem 3- bis 4-fachen des Mittelwerts Spitzendatenrate zu Mittelwert in diesen Zellen: v = 1 15

25 Zu erwartende Spitzendatenrate pro Standort ( Hauptverkehrsstunde ) Modell-Annahmen (Lü) GByte / Monat u. EW,2 1 5 Mbit/s / 1 EW (Mittel), Mbit/s / 1 EW (Spitze) v = 1 Alternatives Modell: Breitbandstrategie der Bundesregierung: 5 Mbit/s für mehr als 75% ab 214 Digitale Agenda für Europa: 3 Mbit/s für jeden ab gleichzeitig aktive Verbindungen pro Sto. mit 3 Mbit/s: 45 Mbit/s (v = 3) 3 gleichzeitig aktive Verbindungen pro Sto. mit 3 Mbit/s: 9 Mbit/s (v = 6) scheint sehr ambitioniert (s.u.)!!! Sto: BS-Standort

26 Inhalt Die FH Südwestfalen und das BBCC.NRW Ausgangslage und wichtige Systemparameter für LTE Vorgehensweise und Prognosen zum Datenvolumen Statistiken zu BS-Standorten Messungen zur potenziellen Versorgung einer ländlichen Region Simulationen zur Spektralen Kapazität Szenarien zum Spektrumbedarf Zusammenfassung und Fazit

27 Statistik zu Basisstationsstandorten 7 BS-Standorte in Deutschland 2 3 pro Betreiber Datenbank der BNetzA TEW / km 2 TEW / Sto A sto / km 2 Berlin 3,7 3,9 1, Bremen 1,37 5,1 3,2 Mecklenb.-Vor.,11 2,7 38,1 Niedersachsen,16 4,3 25,8 NRW,46 4,3 8,2 Deutschland,23 3,9 17,1 EW: Einwohner gesamt davon 25 3% Kunden eines Betreibers Auswertung von Internet-Seiten mit BS-Sammlungen 1 EW / Sto A Sto / D1 D2 E+ O2 km 2 Oberberg. Kreis 3,3 3,9 3,4 3,8 11,9 Rhein. Berg. Kreis 3,7 4, 3,6 4,1 6, Remscheid 3,3 4,8 4,6 3,3 2,7 Kreis Olpe 3, 4,1 4,4 3,6 19,2 Aurich 3,7 5,4 4,9 5,1 32,7 Ostfriesland 3,7 5,2 4,6 4,5 3,2 München 2,7 3, 4,4 3,5,8 Leverkusen 4,1 3,8 5,2 4,8 2,2 Meschede 3,2 4,8 4,8 4,8 k. A

28 Wahrscheinlichkeit [..1] Abstand / km Statistiken zu BS-Abständen und Versorgungsgebieten von Standorten gleich-verteilt A sto = 2 km 2 Standorte in Südwestfalen %-Wert bei Gleichverteilung Sto-Abstand < 8 km in nahezu 1% der Fälle Abstand / km nächster Standort 2-nächster Standort 3-nächster Standort 2 Mittelwert bei Gleichverteilung A sto / km 2

29 Inhalt Die FH Südwestfalen und das BBCC.NRW Ausgangslage und wichtige Systemparameter für LTE Vorgehensweise und Prognosen zum Datenvolumen Statistiken zu BS-Standorten Messungen zur potenziellen Versorgung einer ländlichen Region Simulationen zur Spektralen Kapazität Szenarien zum Spektrumbedarf Zusammenfassung und Fazit

30 Beispielhafte Messungen zur Funkversorgung in ländlicher Region (Hochsauerlandkreis) Hochsauerlandkreis HSK 2 km Meschede Grundannahmen: Verwendung bestehender BS-Standorte ähnliche Sendeleistungen (EIRP) ähnliche Funkausbreitung GSM9 Digitale Dividende benachbarte Zellen: gleiche Frequenzen Ergebnisse zunächst ohne MIMO bei 2x2-MIMO: 2-fache Datenrate Eslohe Messungen in 1 Ortsteilen 5 2 EW Schmallenberg

31 Beispiel für eine Messfahrt Zellzuordnung RXLEV / dbm m m

32 Empfangspegel / dbm Datenrate / Mbit/s SIR / db Datenrate / Mbit/s Empfangspegel, Nutz-zu-Störleistungsverhältnis und Datenrate bei einer Messfahrt modifizierte Shannon-Formel für den Datendurchsatz T: T = min(t max, B eff ld( 1 + SNR / M) ) Fahrtstrecke / km effektive Bandbreite Implementierungszuschlag M max. Nutzdatenrate kein MIMO B eff = 6 MHz = 2 db T max = 37,5 Mbit/s Signal-to-Noise-Ratio SNR / db

33 Wahrscheinlichkeit [..1] Wahrscheinlichkeitsfunktion für den Empfangspegel für mehrere Messfahrten getrennt nach Betreibern DL-Empfängerempfindlichkeit db Pegel [dbm] Indoor-Dämpfung: 5 2 db Empfängerempfindlichkeit der Mobilstation laut Standard besser als 94 dbm bei Bandbreite 1 MHz im 8-MHz-Bereich 3GPP Technical Specification 36.11: User Equipment (UE) Radio Transmission and Receiption Version 1.9., 212

34 Versorgungswahrscheinl. [%] Datenrate / Mbit/s Versorgung auf Basis der Empfangspegel Downlink (Mittelung über alle Messfahrten, Gleichkanalstörungen vernachl.) Versorgung: RXLEV > RXLEV min = 95 dbm Datenrate > 4 Mbit/s Indoor-Dämpfung [db] mittlere Datenrate Störungen: nur Empfängerrauschen N = 98 dbm Indoor-Dämpfung [db]

35 Vergleich mit Uplink und 26-MHz-Band (keine Gleichkanalstörungen) Uplink-Versorgung: Korrekturen an einigen Termen des Link-Budgets: Sendeleistung: 23 db antennennaher Vorverstärker + 3 db bessere Empfängerempfindlichkeit: +5 db etwas schlechtere Funkausbreitung:,5 db gesamter Link-Budget-Verlust von 15,5 db (gegenüber DL) bei 26 MHz: Funkausbreitungsnachteil 15 db deutlichen Einbußen bei der Datenrate bei besten drei Betreibern und Indoor-Dämpfung von 1 db mittlere Datenrate pro Funkzelle 1 15 Mbit/s, in 1 2 % der Fälle unter 1 Mbit/s

36 Wahrscheinlichkeit [..1] Berücksichtigung von Gleichkanalstörungen DL-Datenrate Wahrscheinlichkeitsfunktionen Wahrscheinlichkeit: DL-Datenrate < 2 Mbit/s 1. > 2 Mbit/s für > 89% für alle Betreiber mittlerer Zelldurchsatz: 8 2 Mbit/s bei 2x2-MIMO: 16 4 Mbit/s pro Zelle.1 Simulation: homogene, hexagonale Netze aus Sektorzellen in städtischer Umgebung ca. 17 Mbit/s pro Zelle bei 2x2-MIMO 1,2) mittlere DL-Datenrate pro Funkzelle Durchsatz / Mbit/s ca. 4 Mbit/s pro Zelle bei 2x2-MIMO 3) 1) H. Holma, A. Toskala: LTE for UMTS, Wiley 29 2) Motorola:Realistic LTE Performance. White Paper 3) H. Lüders, P. Vary: Digital Dividend: Potentials and Limitations... (sehr oprimistisch)

37 Spektrumsbedarf in MHz für das Lü-Modell 216 für die verschiedenen Orte und Betreiber J I H G mittlere Durchsatz pro Zelle: T Z = 3 3 Mbit/s Anzahl der Zellen (pro Betreiber): n Z = 1 3 pro Ort Einwohnerzahl: E = 5 2 kein MIMO F E D C B A Kapazität und Reichweite bei gemessenen Orten bis 216 unproblematisch, 5, 1, 15, 2,

38 Inhalt Die FH Südwestfalen und das BBCC.NRW Ausgangslage und wichtige Systemparameter für LTE Vorgehensweise und Prognosen zum Datenvolumen Statistiken zu BS-Standorten Messungen zur potenziellen Versorgung einer ländlichen Region Simulationen zur Leistungsfähigkeit und zur Spektralen Kapazität Szenarien zum Spektrumsbedarf Zusammenfassung und Fazit

39 Datenrate / Mbit/s Simulationsannahmen Monte-Carlo- Simulationen Homogenes Hexagonales Netz max. Rate 37,5 Mbit/s SIR [db] BS TXPWR: Störpegel I Spektrum: 2 x 1 MHz alle Zellen gleiche Frequenzen voll ausgelastet Rauschpegel: N = 98 dbm Datenrate modifizierte Shannon-Formel DL: 2x2 MIMO DL 46 dbm Antennengewinn: 15/18 dbi Okumura-Hata/ Cost231-Hata Wanddämpfung : 15/2 db Verdopplung (75 Mbit/s)

40 Wahrscheinlichkeit [..1] Vergleich: Simulationen UMTS-Messungen UMTS-Messfahrt in Meschede Pegel / dbm Kartenquelle: GoogleEarth X [km] SIM MES1 MES2 OS SIR / db Simulationen: Urban Environment 2 db Indoor Loss 2,6 GHz, 1 km BS-Abstand

41 Unterschreitungswahrscheinlichkeiten die Nutzerdatenraten Wahrscheinlichkeit Mittelwerte gleichz. Verbindungen pro Funkzelle.1 5 % schlechteste Verbindungen Spektrale Effizienz am Zellrand Datenrate pro Teilnehmer / Mbit/s Suburban BS-Abstand 4 km 1 MHz Spektrum bei 8 MHz 2x2-MIMO 15 db Indoor-Däm.

42 Spektrale Kapazität als Funktion des BS-Abstandes für verschiedene Konstellationen (mit 2x2-MIMO) Spektrale Kapazität in Mbit/s /(MHz Sto) Spektrale Effizienz am Zellrand r in Mbit/s /(MHz Sto) 1 1,1,1 5% schlechteste Verbindungen bei 1 aktiven Verbindungen pro Zelle Urban Suburban Standortabstand / km 8 MHz 26 MHz 35 MHz

43 Methoden zur Verbesserung der Kapazität 6 statt 3 Sektoren: höherer Antennengewinn, verbesserte Reichweite 6 1 % Kapazitätsgewinn Kombination von Frequenzträgern bei 8 MHz bei 26 MHz Verwendung externer Endgeräte-Antennen Verbesserungen der Spektralen Kapazität durch 4x4-MIMO-Techniken, Multi-User-MIMO, LTE-Advanced Verbesserungen der spektralen Effizienz am Zellrand: Cooperative MIMO und Relaying

44 Einfluss gemischter Frequenzvergabe: jeweils 1 MHz bei 8 MHz und bei 26 MHz Suburban Environment mit 8 km BS-Abstand Spektrale Kapazität in Mbit/s /(MHz Sto) Spektrale Effizienz am Zellrand r in Mbit/s / MHz 1 1,1,1 8 MHz 26 MHz im Mittel SIR 26 - Schwellwert / db 8 MHz allein 26 MHz allein 8 MHz allein 26 MHz allein

45 Externe Endgeräte-Antennen 8 MHz 26 MHz Antennengewinn +9 dbi +15 dbi Antennenfläche ca. 2 cm x 2 cm HWB: 7 // 3 Kabelverlust 3 db 5 db exponierte Montage +9 db +11 db verm. Wanddämpfung +15 db +15 db Gesamtgewinn 3 db 36 db BS-Antennengewinn 15 dbi 18 dbi 8 MHz 26 MHz h = 5 8 m

46 Wahrscheinlichkeit [..1] Statistik zum Downlink-Empfangspegel Pegel-Unterschreitungswahrscheinlichkeit Indoor ohne ext. Antennen 26 MHz Pegel [dbm] Indoor mit ext. Antennen 8 MHz Modell Kleiner Ort (2 km) Wanddämpfung : 1 db Ausbreitungsmodelle Okumura-Hata Cost231-Hata 2 km Antennencharakteristiken BS TXPWR: 46 dbm UL: 15 db schwächer

47 Standortkapazität / Mbit/s Standortkapazität / Mbit/s Gewinn abhängig vom Anteil Q der Endgeräte mit externen Antennen Downlink-Standortkapazität Anteil mit externen Antennen [%] Uplink-Standortkapazität Anteil mit externen Antennen [%] 8 MHz 26 MHz kleiner Ort kleine Großstadt DL-Kap 3 x UL-Kap Gewinn Anteil Q ( 8 MHz) Gewinn 2Q (26 MHz)

48 Verbindungsdatenrate / Mbit/s Verbindungsdatenrate bei gleichmäßiger Ressourcenzuteilung Szenario: Kleine Großstadt (8 MHz) 2% der Endgeräte mit externen Antennen %-Bereich Datenrate bei 5% der Verbindungen besser als dieser Wert Mittelwert: mit externen Antennen Mittelwert: ohne externe Antennen Datenrate bei 5% der Verbindungen schlechter als dieser Wert aktive Verbindungen pro Standort

49 Erweiterungen durch LTE Advanced 8x8-MIMO (DL) Bündelung von Frequenzen bis 1 MHz Bandbreite Repeater Cooperative MIMO 4x4-MIMO (UL) 8x8-MIMO im DL, 4x4-MIMO im UL Bündelung von Frequenzträgern bis zu 1 MHz, auch aus verschiedenen Bändern Spitzendatenraten: 1 Mbit/s (DL), 5 Mbit/s (UL) Repeater (Relay Stations) für verbesserte Versorgung kooperierende Basisstationen zur verbesserten Versorgung am Zellrand

50 Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von IMT-Advanced gemäß ITU Umgebung Spektrale Kapazität Mbit/s / (MHz Zelle) Effizienz am Zellrand Mbit/s / MHz DL UL DL UL Indoor 3 2,2,1,7 Mikrozelle 2,6 1,8,75,5 Städt. Grundversorgung 2,2 1,4,6,3 Ländlich (High Speed) 1,1,7,4,15 6,6 Mbit/s / (MHz Sto) Simulationsergebnisse höher Nachweis durch Simulationen unter detailliert festgelegten Randbedingungen. Quelle: REPORT ITU-R M.2134: Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s)

51 Inhalt Die FH Südwestfalen und das BBCC.NRW Ausgangslage und wichtige Systemparameter für LTE Vorgehensweise und Prognosen zum Datenvolumen Statistiken zu BS-Standorten Messungen zur potenziellen Versorgung einer ländlichen Region Simulationen zur Spektralen Kapazität Szenarien zum Spektrumsbedarf Zusammenfassung und Fazit

52 Frequenzspektrum / MHz Frequenzbereiche für verschiedene Systeme Frequenzbereiche / MHz GSM UMTS FDD UMTS TDD UMTS / LTE FDD UMTS / LTE TDD Gesamt x 35 2 x 3 2 x x 45 2 x 25 2 x x x x x x Gesamt 2 x 8 2 x x x UMTS / LTE TDD UMTS / LTE FDD UMTS TDD UMTS FDD GSM

53 Spektrumsbedarf / MHz DL-Spektrumsbedarf für verschiedene Szenarien (jeweils Spektrum pro Betreiber) UMTS/LTE-Spektrum Sz1: städtische Zellen, mittlere Auslastung Sz2: städtische Zellen, hohe Auslastung Sz3: große ländliche Zellen, hohe Auslastung, ohne Digitale Dividende (Extremfall) Sz4: Sz3 mit 5% LTE-Advanced-Gewinn 4 2 v T Tln/Sto in Mbit/s / (MHz Sto) Datenvolumen / GB pro Tln. u. Monat Sz Sz Sz ,5 Sz ,8

54 Zusammenfassung und Fazit (1) Abschätzung DL-Spektrumsbedarf für Mobilfunknetze in Deutschland für die nächsten 8-1 Jahre wichtiger Parameter: Spitzen- / mittlerer Durchsatz v für v = 1 15 (mit Unsicherheiten behaftet) bestehendes Spektrum in kommenden 3 4 Jahren ausreichend danach: eventueller zusätzlicher Bedarf von bis zu etwa 5 MHz pro Betreiber bei extrem ungünstigem Szenario Spektrum < 1 GHz zwar bei Funkreichweite prinzipiell vorteilhaft Realisierung von MIMO in Endgeräten bei f < 8 MHz problematischer in vielen typischen Szenarien kein bis nur mäßiger Bedarf falls mehrere Verbindungen pro Zelle mit > 3 Mbit/s gefordert erheblich höherer Frequenzbedarf auch < 1 GHz ( v = 3 6 )

55 Zusammenfassung und Fazit (2) einige Maßnahmen können Spektrumsbedarf signifikant lindern LTE-Advanced (Multiuser MIMO, höhere MIMO-Stufen, Relaying) externe Endgeräte-Antennen, Verwendung gemischter Frequenzbereiche gewisse Varianz bzw. Unsicherheit der Werte mancher Parameter kein endgültiges, eindeutiges Ergebnis zum zukünftigen Spektrumsbedarf vorliegende Ergebnisse &Methoden: Größenordnung u. Bereich abstecken Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen und Diskussionen Mobilfunk globaler Markt: Internationale Harmonisierungen erforderlich Trend von Broadcast-Diensten zu Individualdiensten bremsen