Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz

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1 Advanced LTE und VoLTE im Analytischen Kostenmodell für ein Mobilfunknetz Prof. Klaus Hackbarth Dr. Werner Neu Dr. Juan Sánchez García Bonn, 04. Februar

2 Gliederung Überblick LTE im Radiozugangsnetz Carrier Aggregation Multiple Input Multiple Output (MIMO) VoLTE im Radiozugangsnetz VoLTE im Evolved Packete Core-Netz Anpassungen im Kostenmodul Terminplan 1

3 Überblick Im gegenwärtigen Modell sind folgende Technologien implementiert: - GSM/EDGE - UMTS - LTE Einsatzmöglichkeiten der Technologien: - Räumlich GSM/EDGE und UMTS/HSPA in allen Gebieten LTE nur in dicht besiedelten Ballungsräumen - Bezüglich Dienste GSM/EDGE und UMTS/HSPA für das ganze Portfolio LTE nur für Daten 2

4 Überblick Zusätzlicher Einsatz für LTE im erweiterten Modell - VoLTE via CSFB - VoLTE über IMS-Plattform, inklusive SRVCC - LTE (mit VoLTE) potentiell in allen Gebieten einsetzbar Verbesserungen der Technologie LTE - Carrier Aggregation Verwendung mehrerer Blöcke von Spektrum, auch aus verschiedenen Frequenzbändern - Multiple Input Multiple Output (MIMO) Kapazitätserweiterung durch die Verwendung von mehr als einer Antenne je Radiogerät 3

5 LTE im Radiozugangsnetz Dimensionierung der Zellen entsprechend - Vorgegebener garantierter Bitrate je Nutzer am Zellenrand Berechnung der Zellengröße nach zwei Kriterien - Auf der Basis der Wellenausbreitungseigenschaften des eingesetzten Spektrums Verwendung des Okumura-Hata Modells und der COST231-Erweiterung - Zur Befriedigung der Nachfrage entsprechend der verfügbaren Kapazität Der verfügbaren Modulation and Coding Schemes (MCS) Mögliche Bandbreiten-Blöcke: 1,4 / 3 / 5 / 10 / 15 / 20 MHz Übereinstimmung der Zellengröße entsprechend Kapazität der Zelle und nachgefragter Kapazität Die geringere der beiden Zellengrößen wird zu Grunde gelegt 4

6 LTE im Radiozugangsnetz Schematic view of the modelling process for LTE Input-Parameter Frequenzband Transceiver-Parameter BLER Ausbreitungseigenschaften Kanal Link Budget Antennen-Diversität Kanal-Bandbreite Spektrale Effizienz Berechnung der verfügbaren Kapazität Abzudeckende Fläche Dichte der Teilnehmer Je Dienste-Kategorie: Verbindungsdauer Datenraten Protokoll Overheads Dimensionierung des Netzes (Anzahl der Basisstationen) System-Overhead Erforderliche SINR Interferenz Zellen-Throughput (donwlink) Berechnung des Verkehrs pro Nutzer Zellengröße gemäß Kapazität Maximaler Pathloss Zellenradius Zellenfläche Zellgröße gemäß Wellenausbreitung Berechnung Inputs / Intermediäre Outputs 5

7 Carrier Aggregation Carrier Aggregation (CA) - Unterschiedliche Spektrums-Blöcke (Component Carrier) können zusammen eingesetzt werden - Dadurch wird die verfügbare Bandbreite und Bitrate erhöht Zwei Typen von Component Carrier - Intra-Band CA: Die Component Carrier gehören zum selben Frequenzband - Inter-Band CA: Die Component Carrier gehören zum unterschiedlichen Frequenzbändern 6

8 Carrier Aggregation Größenbestimmung der Zellen bei Intra-cell CA - Entsprechend Wellenausbreitungseigenschaften des Spektrums Wellenausbreitungseigenschaften der Component Carrier sind gleich Größe der Zelle ändert sich nicht gegenüber Situation ohne CA - Entsprechend Kapazität des Spektrums Bandbreiten der beiden Component Carrier können einfach addiert werden Die beiden Component Carrier werden wie ein Block behandelt 7

9 Carrier Aggregation Größenbestimmung der Zellen bei Inter-cell CA - Entsprechend Wellenausbreitungseigenschaften des Spektrums Wellenausbreitungseigenschaften der Component Carrier sind unterschiedlich Größe der Zelle bestimmt sich nach den Eigenschaften des Spektrums aus dem niedrigeren Band - Entsprechend Kapazität des Spektrums CA anwendbar im Abdeckungsgebiet des im höheren Band gelegenen Spektrums Nutzung der Kapazität der beiden CC zur Befriedigung der Nachfrage in diesem Gebiet Verbleibendes Spektrum aus dem niedriger gelegenen Frequenzband verwendbar, um Zelle weiter zu vergrößern. 8

10 Carrier Aggregation Flussdiagramm des Modellierungsprozesses bei Inter-cell CA Garantierte Bit Rate am Zellenrand [kbps] CC1 (Niedrigeres Frequenzband) Anzahl der Resource Blocks (RBs) für CC1 Anzahl der Resource Blocks (RBs) für CC2 CC2 (Höheres Frequenzband) Garantierte Bit Rate am Zellenrand [kbps] Resource Blocks (RBs) je Nutzer Zellengröße gemäß Wellenausbreitung für CC1 [R w1 ] Signal to Inference plus Noise Ratio (SINR) Abdeckungsgebiet ohne CA (Ring) Anzahl der Nutzer im Ring (R w1 -R w2 ) Aggregierte Bandbreite (Gesamtzahl der RBs) Zellengröße gemäß Kapazität (R k ) Resource Blocks (RBs) je Nutzer Zuordnung der Resource Blocks (RBs) Zellengröße gemäß Wellenausbreitung für CC2 [R w2 ] Signal to Inference plus Noise Ratio (SINR) Zellengröße mit CA R CA = R w2 Anzahl der Nutzer in Zelle mit CA- Abdeckung Von Nutzern im Ring benötigte RBs [RB r ] Verbleibende RBs Ja Nein Zellengröße = min {R k, R w2 } Nicht in CC1 eingesetzte RBs [RB cc1 ] Berechnungsschritte Verfügbare Resource Blocks = min {RB r, RB cc1 } Zellengröße Technische Parameter Vom Modellnutzer einzufügender Input 9

11 Multiple Input Multiple Output (MIMO) MIMO bedeutet die Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen je Basisstation und Endgerät Im Modell wird die 2X2-Konfiguration (siehe Abbildung oben) für die Downlink-Verbindung implementiert Auswirkung auf die Dimensionierung der Zellen - Verbesserung des Pfadverlustes im Link Budget je Basisstation durch die Verwendung von 2 Antennen - Erhöhung der Kapazität der Basisstation durch einen Faktor entsprechend eines feststellbaren MIMO-Gewinns - Für die 2X2-Konfiguration wird ein Faktor von 1,54 angesetzt 10

12 VoLTE im Radiozugangsnetz Arten der Einführung von Sprachdienst über LTE - 1. Schritt - Circuit Switched Fall-back (CSFB) Basiert End-to-End auf der Nutzung der etablierten Netze (UMTS, GSM) Sprachverbindungen, die von in LTE eingeloggten Endgeräten ausgehen, werden entweder auf das UTRAN oder GERAN umgelenkt Dies gilt für abgehende wie ankommende Gespräche - 2 Schritt - Führung über ein IP Multimedia Subsystem (IMS) Fall 2a - Sprachdienst wird End-to-End über LTE geführt (echtes VoLTE) Fall 2b - Falls LTE nicht ubiquitär, Teilnehmer können sich aus LTE-Zellen heraus bewegen - Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) wird benötigt - Gespräche werden über UMTS oder GSM weitergeführt 11

13 VoLTE im Radiozugangsnetz Alle Varianten von VoLTE werden im Modell implementiert - CSFB Der Anteil der Sprachverbindungen wird direkt als Teil des UMTS- oder des GSM-Verkehrs betrachtet Entsprechende Dimensionierung der UMTS- bzw. GSM-Zellen - Echtes VoLTE: Der Kapazitätsbedarf für echtes VoLTE (in kbps) wird dem Kapazitätsbedarf für Daten für die Dimensionierung hinzugefügt Zur Bestimmung des Kapazitätsbedarfs, Umrechnung der Erlang-Nachfrage in kbps auf Basis der Anforderungen des entsprechenden Voice-Codec (AMR-NB oder AMR-WB entsprechend Parametrisierung im Modell) Dabei Berücksichtigung der Header für IP (40 bits) und für (RTP, UDP), die mittles Robust Header Compression komprimiert werden (24 bits) Z. B. führt dies bei AMR-WB mit kbps zu einem Bedarf von 15,85 kbps 12

14 VoLTE im Radiozugangsnetz Varianten von VoLTE (Forts.) - SRVCC (ähnlich wie bei CSFB) Der Anteil der Verbindungen, die über SRVCC weitergeführt werden, wird als Teil des UMTS- oder des GSM-Verkehrs betrachtet Entsprechende Dimensionierung der UMTS- bzw. GSM-Zellen 13

15 VoLTE im Core-Netz Das LTE-Radiozugangsnetz und das Evolved Packet Core (EPC) bilden gemeinsam das Evolved Packet System - Es ist eine Architektur, die nur auf Paketvermittlung beruht und keine leitungsvermittelten Dienste mehr unterstützt - Die Funktionen der BSC (GSM) und RNC (UMTS) werden durch die enb und das MME im Core-Netz wahrgenommen - Im Modell bleiben für LTE die Knoten, die bei GSM für BSC und für UMTS für RNC benutzt werden, als Verkehrs- Aggregationspunkte erhalten Übertragung des LTE-Verkehrs - Mit den UMTS- und GSM-Verkehren auf gemeinsamen Übertragungseinrichtungen - Diese sind im Modell bereits implementiert 14

16 VoLTE im Core-Netz Für LTE und insbesondere VoLTE - Erhöhter Bedarf an Signalisierungsverkehr vor allem für CSFB und SRVCC - Dieser Bedarf wird im Festnetzteil wie bisher mittels eines Markup-Faktors auf die Bearer-Kapazitäten berücksichtigt - Im Modell werden die bereits implementierten Markup-Faktoren entsprechend angepasst Für die Dimensionierung des EPC sind zwei Fälle zu unterscheiden - Ausschließliche Anwendung von CSFB Nur das MME wird benötigt, mit einer Sg Schnittstelle zwischen dem MME und dem MSC Call Server zur Signalisierung des CSFB 15

17 VoLTE im Core-Netz Zweiter Fall für die Dimensionierung des EPC - Echtes VoLTE, inklusive SRVCC (nur für On-Net-Verkehr) Sv Schnittstelle zwischen dem MME und dem MSC Call Server zur Signalisierung des SRVCC Implementierung der IMS Plattform (P,I,S-CSCF; TAS; PCRF) Dimensionierung entsprechend der BHCA des VoLTE Verkehrs Implementierung von S-GW und P-GW für den Transport von VoLTE, Daten- und MBB-Verkehr Modellierung der Home Subscriber Server (HSS) für alle Dienste - Ersetzt das bisherige HLR Das Modell implementiert die Einrichtungen für beide Fälle, welche nach Bedarf aktiviert werden 16

18 VoLTE im Core-Netz Schematische Darstellung des EPC, inklusive Sg und Sv Schnittstellen MGW 3G Core GERAN UTRAN MSC Call Server S-CSCF IMS Core HSS I-CSCF TAS Sg Sv E-UTRAN MME PCRF P-CSCF S-GW P-GW EPC Control Plane Traffic User Plane Traffic 17

19 Anpassungen im Kostenmodul Es gibt konzeptionell keine Neuerung im Kostenmodul - Netzelemente werden entsprechend den Anforderungen an die Kapazität durch die Nachfrage dimensioniert - Diensten werden die Kosten der Einrichtungen entsprechend den jeweiligen anteiligen Kapazitätsanforderungen zugeordnet - Dies ist hauptsächlich für die LTE-Einrichtungen im Radiozugangsnetz von Bedeutung, über die jetzt zusätzlich VoLTE geführt wird Durch die Einführung von VoLTE müssen zusätzliche Einrichtungen im Core-Netz berücksichtigt und modelliert werden - Auch für diese Einrichtungen gilt das oben Gesagte in Bezug auf die Zuordnung der Kosten zu den verschiedenen Diensten 18

20 Terminplan Fertigstellung des Modells ist für Mitte März geplant Es sind zwei Runden mit den Betreibern geplant Milestone Termin Fertigstellung des erweiterten Modells Ende KW 12 Erste Runde der Termine mit Betreibern KW13 & 14 Zweite Runde der Termine mit Betreibern KW 15 & 16 19

21 Liste zusätzlicher Parameter Durch die Erweiterung des Modells werden die Werte zusätzlicher Parameter benötigt Anteil VoLTE über CSFB Anteil VoLTE (nur On-Net) über IMS Anteil VoLTE über SRVCC Faktor, mit dem 2 X 2 MIMO die Effizienz der BS verbessert Kbit/s für Codec für VoLTE Mark-up-Faktor für Signalisierung wenn CSFB Mark-up-Faktor für Signalisierung wenn IMS Nachfragemengen für die verschiedenen Dienste (inklusive VoLTE) Investitionswerte für Einrichtungen des Core-Netzes (MME, S-GW, P-GW, HSS, PCRF, CSCF, TAS) 20

22 wik-consult GmbH P.O. Box Bad Honnef Germany Tel Fax www. wik-consult.com

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