Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 15

Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (2)

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Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 17

Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (2)

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 18

Fakten zum Frequency‐Reuse (1)

Anzahl c verfügbarer Frequenzen pro Zelle bei k gegebenen Frequenzen und einem Frequency‐Reuse‐Pattern mit n Zellen:

Die Anzahl n der Zellen in einem Frequency‐Reuse‐Pattern erfüllt immer:

Damit sind Frequency‐Reuse‐Patterns mit folgenden Größen möglich: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, ...

WS 2012/2013 19Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze

Fakten zum Frequency‐Reuse (2)

Definiere• d = minimale Distanz zwischen Zellzentren von Zellen, 

welche dieselbe Frequenz verwenden.• r = Zellenradius• b = Distanz zwischen Zellzentren von unmittelbar 

benachbarten Zellen• n = Anzahl Zellen in einem Frequency‐Reuse‐Pattern

Es gelten folgende Zusammenhänge:

WS 2012/2013 20Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze

Erhöhen der Netzkapazität

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Netzkapazität: von Interesse sind hier sowohl Bandbreite als auch Latenz.

Hinzufügen neuer Kanäle – erhöht offensichtlich die gesamte Netzkapazität

Frequency‐Borrowing – Ausleihen ungenutzter Frequenzen von Nachbarzellen

Cell‐Splitting – Aufteilen von Zellen mit gewöhnlich hohem Verkehrsaufkommen in kleinere Zellen.

Cell‐Sectoring – Aufteilen einer Zelle in Sektoren mittels Sektorantennen

Macro‐Zellen und Micro‐Zellen

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Zellen mit besonders kleiner Abdeckung bezeichnet man auch als Micro‐Cells. Ansonsten spricht man von Macro‐Zellen.

Typische Parameter 1995 nach Anderson et al. [1]

(Delay‐Spread = Zeit, zwischen erstem und letzem Empfang eines Signals im Fall von Mehrwegeausbreitung)[1] Anderson, Rappaport, Yoshida, „Propagation Measurements and Models for Wireless Communicaiton Channels“, IEEE Communicaitons Magazine, 1995.

Macro‐Zellen Micro‐ZellenZellradius 1 – 20 km 0,1 – 1 kmÜbertragungsleistung 1 – 10 W 0,1 – 1 WMittlerer Delay‐Spread 0.1 – 10 s 10 – 100 nsMaximale Bit‐Rate 0.3 Mbps 1 Mbps

Übersicht

• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS

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Übersicht eines zellularen Systems

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Systemkomponenten• Base‐Station (BS)• Mobile‐Unit• Mobile Telecommunications Switching Office (MTSO) Kanäle• Control‐Channels: Aufbau und Aufrechterhaltung von Verbindungen• Traffic‐Channels: Übertragung von Sprach‐ und Datenverkehr

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• BS senden Broadcast auf unterschiedlichen Setup‐Kanälen

• Eingeschaltete Mobile‐Unit beobachtet die Setup‐Kanäle

• Mobile‐Unit wählt BS mit dem besten Empfang

• Handshake zwischen Mobile‐Unit und BS zur Identifikation und Ortsregistrierung

• Vorgang wird aufgrund von Gerätemobilität periodisch wiederholt.

• Mobile‐Unit bleibt somit immer der besten BS zugeordnet

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Mobile‐Unit‐Initialization

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• Mobile‐Unit überprüft Information im BS‐Forward‐Channel

• Wenn bzw. sobald Kanal frei, dann sende Verbindungsanfrage mit Nummer des Zielgerätes an MTSO über Backward‐Channel der BSS

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Mobile‐Originated‐Call

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• MTSO sendet Paging‐Nachricht an BS, in denen gerufene Mobile‐Unit erwartet wird

• Beauftragte BS senden Paging‐Nachricht mittels Broadcast über den eigenen Setup‐Channel in ihre Zelle

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Paging

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• Broadcast mit eigener Nummer wird von Mobile‐Unit auf dem Setup‐Channel seiner aktuellen BS erkannt

• Zum Broadcast zugehörige BS wird benachrichtigt

• BS leitet Antwort an MTSO weiter• MTSO schaltet eine 

Leitungsverbindung zwischen den Kommunikationsendpunkten

• MTSO wählt passende Traffic‐Channel in den beiden BS aus

• MTSO informiert dann die BS• BS informieren dann die Mobile‐

Units

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Call‐Accepted

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung 

• Sprach‐ und Datenaustausch über den aufgebauten Mobile‐Unit‐BS‐MTSO‐BS‐Mobile‐Unit‐Pfad

• Mobilität kann zu Zellwechsel führen. Verbindung bleibt mittels Handoff in andere Zelle (BS) ohne Nutzerbenachrichtigung erhalten

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Ongoing‐Call Handoff

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

Weitere Systemfunktionen

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Call‐Blocking – Mobile‐Unit unternimmt mehrere Verbindungsaufbauversuche, wenn alle Traffic‐Channels belegt sind. BS signalisiert der Mobile‐Unit nach mehreren Fehlversuchen einen Busy‐Tone.

Call‐Termination – Beendet eine Mobile‐Unit die Verbindung, wird MTSO informiert. MTSO gibt Traffic‐Channels an beiden BS wieder frei.

Call‐Drop – Bei sehr schlechter Verbindungsqualität wird die Verbindung gestoppt und die MTSO informiert.

Call‐to/from fixed and remote mobile subscriber – MTSO stellt auch Verbindungen ins Telefonnetz oder zu Mobile‐Unit mit anderer zugeordneter MTSO her.

Handoff (1)

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Handoff – Vorgang ein mobiles Gerät von einer Zelle in eine benachbarte weiter zu reichen• Network‐initiiert – nur basierend auf Messungen der empfangenen Signale 

der mobilen Station• Mobile‐Unit‐gestützt – Signalstärkemessungen auf der mobilen Station 

werden an Basisstation zurückgeführt

Mögliche berücksichtigte Performancemaße für Handoff‐Entscheidungen• Cell‐Blocking‐Wahrscheinlichkeit• Call‐Dropping‐Wahrscheinlichkeit• Call‐Completion‐Wahrscheinlichkeit• Wahrscheinlichkeit eines nicht erfolgreichen Handoffs• Handoff‐Blocking‐Wahrscheinlichkeit• Handoff‐Wahrscheinlichkeit• Handoff‐Rate• Unterbrechungsdauer• Handoff‐Verzögerung

Handoff (2)

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Genereller Parameter für Handoff‐Entscheidungen – Signalstärke (gemittelt)Handoff‐Strategien• Relative Signalstärke• Relative Signalstärke mit Schwellwert• Relative Signalstärke mit Hysteresis• Relative Signalstärke mit Hysteresis und Schwellwert• VorhersagetechnikenAchtung: Handoff ist aufgrund von Sendeleistungskontrolle noch komplizierter

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

Sendeleistungskontrolle

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Wozu benötigt man Sendeleistungskontrolle?• Kompensation von Pfadverlust und allen weiteren 

Signalstärkedämpfenden Effekte• Vermeiden von Cochannel‐Interferenz mit benachbarten 

Mobilfunkzellen• Ausbalancieren der Signalstärken an der Basisstation bei CDMA‐

basierten Systemen

Generelle Techniken• Open‐Loop – Messung eines permanenten „Pilot‐Signals“ der 

Basisstation an der Mobilstation; Umgekehrt proportionale Anpassung der Sendeleistung der Mobilstation; Annahme Vorwärts‐ und Rückwärtskanäle sind korreliert.

• Closed‐Loop –Basisstation misst Signal der Mobilstation; Leistungseinstellung an der Mobilstation wird der Mobilstation über einen Kontrollkanal kommuniziert.

Übersicht

• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS

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Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (1)

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 35

Original‐Modell nach Okumura und von Hata nochmals überarbeitet. Ausbreitungsmodell für zellulare Netze basierend auf empirischen Daten zu Messungen in Tokyo.

LdB = 69.55 + 26.16 log fc – 13.82 log ht – A(hr) + (44.9 – 6.55 log ht) log d

fc = Carrier‐Frequenz in MHz (150 bis 1500 MHz)ht = Höhe der übertragenden Antenne (Basis‐Station) in m (30 bis 300 m)hr = Höhe der empfangenden Antenne (Mobile‐Unit) in m (1 bis 10 m)d = Distanz zwischen den Antennen in km (1 bis 20 km)A(hr) = Korrekturfaktor für die Höhe der Antenne der Mobile‐Unit

Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (2)

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 36

Der Korrekturfaktor A(hr) für Städte kleiner bis mittlerer Größe:A(hr) = (1.1 log fc – 0.7) hr – (1.56 log fc – 0.8) dB

Der Korrekturfaktor A(hr) für große Städte:A(hr) = 8.29 [log (1.54 hr)]2 – 1.1 dB        für fc <= 300 MHzA(hr) = 3.2 [log (11.75 hr)]2 – 4.97 dB        für fc > 300 MHz

Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (3)

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 37

Ist der Pfadverlust für eine Stadt nach obigem Modell LdB, so ergibt sich als Schätzung des Pfadverlustes L‘dB für entsprechende vorstädtische Gebiete

L‘dB = LdB – 2 [log (fc / 28)]2 – 5.4

Für offene Gebiete wird der Pfadverlust L‘‘dB wie folgt geschätztL‘‘dB = LdB – 4.78 (log fc)2 – 18.733 (log fc) – 40.98

Übersicht

• Zellgeometrie• Frequency‐Reuse• Übliche Systemfunktionen• Ausbreitungsmodelle• Traffic‐Engineering• Beispiel GSM• Beispiel UMTS

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 38

Motivation und Begriffsbildung

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 39

Zellkapazität – Anzahl der mobilen Geräte, die gleichzeitig bedient werden können.Beispiel FDMA‐System: jedes aktive mobile Gerät benötigt eine Frequenz. Zellkapazität = Anzahl der verfügbaren Frequenzen. Traffic‐Engineering – geeignetes dimensionieren von Zellkapazität für erwartete Verkehrslasten (Konzepte wurden auch schon für drahtgebundene geswitchte Telefonnetze entwickelt)Zwei generelle Systemkonzepte: L potentielle Kunden (mobile Geräte) und Zellkapazität für N Kunden. Das System bezeichnet man als• non‐blocking, wenn L <= N• blocking, wenn L > N

Traffic‐Engineering in Blocking‐Systemen

WS 2012/2013 Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze 40

Blocking‐Wahrscheinlichkeit• Wahrscheinlichkeit, dass ein Anruf geblockt wird• Alternativ: welche Zellkapazität wird für eine gegebene 

Blocking‐Wahrscheinlichkeit mindestens benötigtBlocking‐Delay (falls geblockte Anrufe in einer Warteschlange warten)• Wartezeit eines geblockten Anrufes• Alternativ: welche Zellkapazität wird für einen gegebenen 

Blocking‐Delay mindestens benötigt

Relevante Traffic‐Engineering Konzepte

Zwei Parameter bestimmen die einem System zugeführte Last  – mittlere Rate von Verbindungsanfragen pro Zeiteinheith – mittlere benötigte Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf

Diese Parameter definieren zusammen die Verkehrsintensität A

Zellkapazität N interpretiert als Anzahl Bediener eines Multi‐Server‐Systems (vgl. Warteschlangentheorie) ergibt

mit  = Zeitanteil, die ein Server belegt ist (im FDMA‐Beispiel zu beginn also die Wahrscheinlichkeit, dass eine Frequenz belegt ist)

WS 2012/2013 41Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze

Beispiel

Mittlere Anzahl Anrufe pro Minute = 20Mittlere Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf = 3 minDies ergibt eine Verkehrsintensität A von:

Für ein System mit einer Kapazität von N = 120 Kanälen ergibt sich eine mittlere Auslastung  pro Kanal:

Ein System mit einer Kapazität von 50 Kanälen wäre überlastet. Ein System mit einer Kapazität von 60 Kanälen wäre voll ausgelastet. Zu Zeiten hoher Last jedoch inadäquat dimensioniert.

WS 2012/2013 42Drahtlose Kommunikation ‐ Zellulare Netze