Deutsches Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.v.

Transkript

1 Mobile Breitbandkommunikation Quo Vadis? Hans-Peter Petry

2 Kernfragen für die zukünftige Entwicklung Was treibt die Datenraten und wo wird das enden (wenn überhaupt)? Wieviel Datenrate braucht der Mensch wirklich? Versuch einer halbwegs realistischen Vorhersage Hat die Technik Grenzen? Konsequenzen für Telekommunikationsinfrastruktur und Betreiber Die Rolle der Satellitentechnik Zusammenfassung

3 Treiber für Datenraten (5 Dimensionen) Dimension 1: Multimedia Hochauflösende Displays Video mit Tendenz zu HD (3D HD fraglich) Audio und Hi Res Audio Dimension 2: Netzbetreiber Flatrates Volumentarife Volumenbegrenzung nicht zielführend Dimension 3: Dimension 4: Endgeräte Nutzer Apple Jede Menge Nachfolger Kontinuierlicher Wettbewerb Emotionales Nutzerverhalten Höhere Aktivität Mehrfachnutzung Korreliert Dimension 5: Innovation M2M ( Internet of Things, z.b. C2C, Smart Home,@) (zukünftiges) Cloud Computing (natürlich mobil)

4 Ein einfaches abstraktes Top Down Modell Relatives Datenratenwachstum 5 Wachstum in Dimension 5 kann noch wesentlich grösser sein Wachstums- Dimensionen Einfache Annahme: Zeitachse (z.b. Jahre) Jede Dimension wächst linear mit der Zeit, also z.b. um den Faktor 10 in 10 Jahren Beispiel: UMTS 2002: ca 300 kbit/s UMTS 2012: ca 3000 kbit/s

5 Vergleich des Modells mit Marktanalysen Relatives Datenratenwachstum Das Modell trifft aktuelle Marktanalysen sehr gut Zeitachse (z.b. Jahre)

6 Bottom up: wieviel Datenrate braucht der Mensch? Beispiel 1: Sprache (1 - dimensional) Zeitlich abgetastet Amplitude quantisiert: 3 Bit (000, 001, 111) 2 3 = 2*2*2 = 8 verschiedene Amplitudenwerte Fazit:: Sprache ist kein Problem Beispiel 2: Bild (2 dimensional) Räumlich abgetastet Jeder Abtastwert mit 8 Bit quantisiert Bildqualität (Farbe, HD, erfordert hohe Pixelzahl) Source:TU Berlin 8x8 Samples 512 Bit 16x16 Samples 2048 Bit 32x32 Samples 8192 Bit 128x128 Samples Bit Stand der Technik: - aktuelles ipad, 4x besser als Vorgänger - Retina Display: x Pixel -Prozessor: Dual Core 1,3 GHz

7 Eine Bottom up Vorhersage (ohne Cloud Computing) Mittlere Nutzerdatenrate in kbit/s Total Video und PDA Eigenschaften bestimmen das Wachstum Video (& Audio) Jahr (Beispiel ) Hintergrundverkehr WebBrowsing & File Download Voice & Messaging (incl. social media) Frage: können die Netze da mithalten?

8 [m] Was kann aktueller und zukünftiger Mobilfunk? Zell Effizienz [Bit/s/Hz]: Maximale Effizienz Beispiel: LTE 20 MHz: Peak Rate 100 Mbit/s Marketing Mittlere Effizienz Beispiel: LTE 20 MHz: Mittlere Rate: 40 Mbit/s Realität Peak Rate >> Mittlere Rate Shared Medium: Die Nutzer müssen sich die Kapazität teilen zu@ ) Source: Comnets [m]

9 Wo sind die Grenzen der Technik? Spektrumseffizienz [Bit/s/Hz] Was kann man noch tun? S eff C Seff = = log 2 (1+ S/ N) B C: Zellkapazität [Bit/s] B: Funkbandbreite [Hz] S/N: Signal-Störabstand Shannon (1948) In realen und grossen Mobilfunkzellen werden so hohe Signal-Störabstände selten erreicht, Spezialproblem: Indoor S/N [db] Mehr Bandbreite Kontingente beschränkt Spektrum historisch stark fragmentiert In der Regel sehr teuer Prozesse extrem langsam Bessere Signalqualität Minimierung Störungen (sehr komplex) Spezielle Funktricks (MIMO, AAS,@) Kleinere Zellen (zunächst einfach)

10 Kleinzellen - der Weg aus dem Dilemma Rechenbeispiel: Rhein Ruhr km Mio Einwohner Ein Betreiber 20% Marktanteil Mobilfunknetz Dichte folgt Kapazität Kosten Rollout 10 Jahre Investition, Betrieb mal mehr Zellen Klassische Architektur (so macht man es aktuell) Total Cost [Mio ] Total Capacity [Gbit/s] Total Cost [Mio ] Total Capacity [Gbit/s] Kleinzellen Architektur (so muss es in Zukunft gemacht werden)

11 Den Vorteilen stehen eine Reihe Herausforderungen gegenüber Vorteile Kapazität beliebig skalierbar (an Marktforderungen anpassbar) Kosten der Infrastrukturkomponenten sinken (Beispiel WLAN) Stetiger Investitionsverlauf Kleinzelle hat höhere Effizienz als Grosszelle Energieeffizient Herausforderungen Infrastruktur wird Massenmarkt Planbarkeit eingeschränkt, mehr ad-hoc Charakter Selbstorganisation des Netzes erforderlich ( Schwarm - Intelligenz ) Backhaul Netz kritisch Site Akquisition und Akzeptanz kritisch Umdenken bei Infrastruktur Produktionsprozessen (Betreiber)

12 Spezialproblem Backhaul Glasfaser Sicht eines typischen Betreibers Kapazität, Reichweite Verfügbarkeit und Kosten xdsl (Kupfer) Verfügbarkeit und Kosten Kapazität, Reichweite Glasfaser Kernnetz Koaxialkabel Richtfunk LOS Kleinzellen Netz (Verfügbarkeit), Kapazität, Reichweite Spez. Betreiber, Partnerschaften (Verfügbarkeit), Kapazität, Reichweite Spezielle Technik Richtfunk NLOS Verfügbarkeit, Kapazität, Reichweite Spezielle Technik Bündel von Lösungen erforderlich Self Backhaul Satellit Verfügbarkeit, (Kapazität), Reichweite Frequenzverbrauch Verfügbarkeit, (Kapazität), Reichweite Latenz, spez. Betreiber, Partnerschaften

13 Satellitentechnik und mobile Breitbandkommunikation Terrestar - 1 Quelle: Harris Corp. Vorteile Exzellente großflächige (Multibeam-) Abdeckung Hohe Flexibilität der Coverage durch Hochleistungsantennen Downlink Datenraten kompatibel mit modernen Anforderungen Ausreichende Kapazität durch neue Frequenzen (Ka Band) Einschränkungen Leistungsbegrenzung bei Endgeräten (RF - Power, Antennen) Uplink Bandbreite beschränkt für mobilen Betrieb Signalverzögerung (insbesondere bei geostationärem Betrieb) Fazit Perfekt für stationäre Broadcast Dienste (Hybrid Systeme) Gut geeignet für stationäre Two - Way Kommunikation (VSAT, rural) Gute Chancen als Backhaul für terrestrische Mobilfunksysteme Mobiler Betrieb nur für Schmalbanddienste

14 Zusammenfassung Mobile Breitbandkommunikation hat in den letzten 10 Jahren eine rasante Entwicklung erlebt, insbesondere getrieben vom Fortschritt bei den Endgeräten Die Netze hinken bezüglich Abdeckung und Leistungsfähigkeit oft noch hinter den Marketing Versprechungen hinterher, rurale Gebiete sind benachteiligt Um den Nachholbedarf bei Abdeckung und Kapazität zu befriedigen, sind enorme Investitionen erforderlich Da die technische Leistungsfähigkeit an Grenzen anstößt, sind besondere zusätzliche Maßnahmen erforderlich Sog. Small Cell Networks sind eine vielversprechende Möglichkeit Eine erfolgreiche Implementation erfordert allerdings einige Paradigmenwechsel bei Betreibern und Konsumenten Die Satellitentechnik kann in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle als Ergänzung in umfassenden Systemkonzepten spielen.