Präsentation WIK-Consult - Infoveranstaltung Februar 2014
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Advanced LTE und VoLTE im<br />
Analytischen Kostenmodell<br />
für ein Mobilfunknetz<br />
Prof. Klaus Hackbarth<br />
Dr. Werner Neu<br />
Dr. Juan Sánchez García<br />
Bonn, 04. <strong>Februar</strong> <strong>2014</strong><br />
0
Gliederung<br />
• Überblick<br />
• LTE im Radiozugangsnetz<br />
• Carrier Aggregation<br />
• Multiple Input Multiple Output (MIMO)<br />
• VoLTE im Radiozugangsnetz<br />
• VoLTE im Evolved Packete Core-Netz<br />
• Anpassungen im Kostenmodul<br />
• Terminplan<br />
1
Überblick<br />
• Im gegenwärtigen Modell sind folgende Technologien<br />
implementiert:<br />
- GSM/EDGE<br />
- UMTS<br />
- LTE<br />
• Einsatzmöglichkeiten der Technologien:<br />
- Räumlich<br />
• GSM/EDGE und UMTS/HSPA in allen Gebieten<br />
• LTE nur in dicht besiedelten Ballungsräumen<br />
- Bezüglich Dienste<br />
• GSM/EDGE und UMTS/HSPA für das ganze Portfolio<br />
• LTE nur für Daten<br />
2
Überblick<br />
• Zusätzlicher Einsatz für LTE im erweiterten Modell<br />
- VoLTE via CSFB<br />
- VoLTE über IMS-Plattform, inklusive SRVCC<br />
- LTE (mit VoLTE) potentiell in allen Gebieten einsetzbar<br />
• Verbesserungen der Technologie LTE<br />
- Carrier Aggregation<br />
• Verwendung mehrerer Blöcke von Spektrum, auch aus<br />
verschiedenen Frequenzbändern<br />
- Multiple Input Multiple Output (MIMO)<br />
• Kapazitätserweiterung durch die Verwendung von mehr als einer<br />
Antenne je Radiogerät<br />
3
LTE im Radiozugangsnetz<br />
• Dimensionierung der Zellen entsprechend<br />
- Vorgegebener garantierter Bitrate je Nutzer am Zellenrand<br />
• Berechnung der Zellengröße nach zwei Kriterien<br />
- Auf der Basis der Wellenausbreitungseigenschaften des eingesetzten<br />
Spektrums<br />
• Verwendung des Okumura-Hata Modells und der COST231-Erweiterung<br />
- Zur Befriedigung der Nachfrage entsprechend der verfügbaren<br />
Kapazität<br />
• Der verfügbaren Modulation and Coding Schemes (MCS)<br />
• Mögliche Bandbreiten-Blöcke: 1,4 / 3 / 5 / 10 / 15 / 20 MHz<br />
• Übereinstimmung der Zellengröße entsprechend Kapazität der Zelle und<br />
nachgefragter Kapazität<br />
• Die geringere der beiden Zellengrößen wird zu Grunde gelegt<br />
4
LTE im Radiozugangsnetz<br />
• Schematic view of the modelling process for LTE<br />
Input-Parameter<br />
• Frequenzband<br />
Transceiver-Parameter<br />
BLER<br />
Ausbreitungseigenschaften<br />
• Kanal<br />
Link Budget<br />
• Antennen-Diversität<br />
• Kanal-Bandbreite<br />
•Spektrale Effizienz<br />
Berechnung der<br />
verfügbaren<br />
Kapazität<br />
Abzudeckende<br />
Fläche<br />
Dichte der Teilnehmer<br />
Je Dienste-Kategorie:<br />
Verbindungsdauer<br />
Datenraten<br />
Protokoll<br />
Overheads<br />
Dimensionierung<br />
des Netzes<br />
(Anzahl der<br />
Basisstationen)<br />
•System-Overhead<br />
•Erforderliche SINR<br />
•Interferenz<br />
Zellen-Throughput<br />
(donwlink)<br />
Berechnung des<br />
Verkehrs pro<br />
Nutzer<br />
Zellengröße<br />
gemäß Kapazität<br />
• Maximaler Pathloss<br />
• Zellenradius<br />
• Zellenfläche<br />
Zellgröße gemäß<br />
Wellenausbreitung<br />
Berechnung<br />
Inputs / Intermediäre Outputs<br />
5
Carrier Aggregation<br />
• Carrier Aggregation (CA)<br />
- Unterschiedliche Spektrums-Blöcke (Component Carrier) können<br />
zusammen eingesetzt werden<br />
- Dadurch wird die verfügbare Bandbreite und Bitrate erhöht<br />
• Zwei Typen von Component Carrier<br />
- Intra-Band CA: Die Component Carrier gehören zum selben<br />
Frequenzband<br />
- Inter-Band CA: Die Component Carrier gehören zum<br />
unterschiedlichen Frequenzbändern<br />
6
Carrier Aggregation<br />
• Größenbestimmung der Zellen bei Intra-cell CA<br />
- Entsprechend Wellenausbreitungseigenschaften des Spektrums<br />
• Wellenausbreitungseigenschaften der Component Carrier sind gleich<br />
• Größe der Zelle ändert sich nicht gegenüber Situation ohne CA<br />
- Entsprechend Kapazität des Spektrums<br />
• Bandbreiten der beiden Component Carrier können einfach addiert werden<br />
• Die beiden Component Carrier werden wie ein Block behandelt<br />
7
Carrier Aggregation<br />
• Größenbestimmung der Zellen bei Inter-cell CA<br />
- Entsprechend Wellenausbreitungseigenschaften des Spektrums<br />
• Wellenausbreitungseigenschaften der Component Carrier sind<br />
unterschiedlich<br />
• Größe der Zelle bestimmt sich nach den Eigenschaften des Spektrums aus<br />
dem niedrigeren Band<br />
- Entsprechend Kapazität des Spektrums<br />
• CA anwendbar im Abdeckungsgebiet des im höheren Band gelegenen<br />
Spektrums<br />
• Nutzung der Kapazität der beiden CC zur Befriedigung der Nachfrage in<br />
diesem Gebiet<br />
• Verbleibendes Spektrum aus dem niedriger gelegenen Frequenzband<br />
verwendbar, um Zelle weiter zu vergrößern.<br />
8
Carrier Aggregation<br />
• Flussdiagramm des Modellierungsprozesses bei Inter-cell CA<br />
Garantierte<br />
Bit Rate am<br />
Zellenrand<br />
[kbps]<br />
CC1<br />
(Niedrigeres<br />
Frequenzband)<br />
Anzahl der<br />
Resource<br />
Blocks (RBs)<br />
für CC1<br />
Anzahl der<br />
Resource<br />
Blocks (RBs)<br />
für CC2<br />
CC2<br />
(Höheres<br />
Frequenzband)<br />
Garantierte<br />
Bit Rate am<br />
Zellenrand<br />
[kbps]<br />
Resource<br />
Blocks (RBs) je<br />
Nutzer<br />
Zellengröße<br />
gemäß<br />
Wellenausbreitung<br />
für<br />
CC1 [R w1 ]<br />
Signal to<br />
Inference plus<br />
Noise Ratio<br />
(SINR)<br />
Abdeckungsgebiet<br />
ohne<br />
CA (Ring)<br />
Anzahl der<br />
Nutzer im Ring<br />
(R w1 -R w2 )<br />
Aggregierte<br />
Bandbreite<br />
(Gesamtzahl<br />
der RBs)<br />
Zellengröße<br />
gemäß<br />
Kapazität<br />
(R k )<br />
Resource<br />
Blocks (RBs) je<br />
Nutzer<br />
Zuordnung der<br />
Resource<br />
Blocks (RBs)<br />
Zellengröße<br />
gemäß<br />
Wellenausbreitung<br />
für<br />
CC2 [R w2 ]<br />
Signal to<br />
Inference plus<br />
Noise Ratio<br />
(SINR)<br />
Zellengröße<br />
mit CA<br />
R CA = R w2<br />
Anzahl der<br />
Nutzer in Zelle<br />
mit CA-<br />
Abdeckung<br />
Von Nutzern<br />
im Ring<br />
benötigte RBs<br />
[RB r ]<br />
Verbleibende<br />
RBs<br />
Ja<br />
Nein<br />
Zellengröße = min {R k , R w2 }<br />
Nicht in CC1<br />
eingesetzte<br />
RBs [RB cc1 ]<br />
Berechnungsschritte<br />
Verfügbare Resource<br />
Blocks<br />
= min {RB r , RB cc1 }<br />
Zellengröße<br />
Technische Parameter<br />
Vom Modellnutzer<br />
einzufügender Input<br />
9
Multiple Input Multiple Output (MIMO)<br />
• MIMO bedeutet die Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen je<br />
Basisstation und Endgerät<br />
• Im Modell wird die 2X2-Konfiguration (siehe Abbildung oben) für die<br />
Downlink-Verbindung implementiert<br />
• Auswirkung auf die Dimensionierung der Zellen<br />
- Verbesserung des Pfadverlustes im Link Budget je Basisstation durch<br />
die Verwendung von 2 Antennen<br />
- Erhöhung der Kapazität der Basisstation durch einen Faktor<br />
entsprechend eines feststellbaren MIMO-Gewinns<br />
- Für die 2X2-Konfiguration wird ein Faktor von 1,54 angesetzt<br />
10
VoLTE im Radiozugangsnetz<br />
• Arten der Einführung von Sprachdienst über LTE<br />
- 1. Schritt - Circuit Switched Fall-back (CSFB)<br />
• Basiert End-to-End auf der Nutzung der etablierten Netze (UMTS, GSM)<br />
• Sprachverbindungen, die von in LTE eingeloggten Endgeräten ausgehen,<br />
werden entweder auf das UTRAN oder GERAN umgelenkt<br />
• Dies gilt für abgehende wie ankommende Gespräche<br />
- 2 Schritt - Führung über ein IP Multimedia Subsystem (IMS)<br />
• Fall 2a - Sprachdienst wird End-to-End über LTE geführt (echtes VoLTE)<br />
• Fall 2b - Falls LTE nicht ubiquitär, Teilnehmer können sich aus LTE-Zellen<br />
heraus bewegen<br />
- Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) wird benötigt<br />
- Gespräche werden über UMTS oder GSM weitergeführt<br />
11
VoLTE im Radiozugangsnetz<br />
• Alle Varianten von VoLTE werden im Modell implementiert<br />
- CSFB<br />
• Der Anteil der Sprachverbindungen wird direkt als Teil des UMTS- oder des<br />
GSM-Verkehrs betrachtet<br />
• Entsprechende Dimensionierung der UMTS- bzw. GSM-Zellen<br />
- Echtes VoLTE:<br />
• Der Kapazitätsbedarf für echtes VoLTE (in kbps) wird dem Kapazitätsbedarf<br />
für Daten für die Dimensionierung hinzugefügt<br />
• Zur Bestimmung des Kapazitätsbedarfs, Umrechnung der Erlang-Nachfrage<br />
in kbps auf Basis der Anforderungen des entsprechenden Voice-Codec<br />
(AMR-NB oder AMR-WB entsprechend Parametrisierung im Modell)<br />
• Dabei Berücksichtigung der Header für IP (40 bits) und für (RTP, UDP), die<br />
mittles Robust Header Compression komprimiert werden (24 bits)<br />
• Z. B. führt dies bei AMR-WB mit 12.65 kbps zu einem Bedarf von 15,85 kbps<br />
12
VoLTE im Radiozugangsnetz<br />
• Varianten von VoLTE (Forts.)<br />
- SRVCC (ähnlich wie bei CSFB)<br />
• Der Anteil der Verbindungen, die über SRVCC weitergeführt werden, wird<br />
als Teil des UMTS- oder des GSM-Verkehrs betrachtet<br />
• Entsprechende Dimensionierung der UMTS- bzw. GSM-Zellen<br />
13
VoLTE im Core-Netz<br />
• Das LTE-Radiozugangsnetz und das Evolved Packet Core (EPC)<br />
bilden gemeinsam das Evolved Packet System<br />
- Es ist eine Architektur, die nur auf Paketvermittlung beruht und<br />
keine leitungsvermittelten Dienste mehr unterstützt<br />
- Die Funktionen der BSC (GSM) und RNC (UMTS) werden<br />
durch die eNB und das MME im Core-Netz wahrgenommen<br />
- Im Modell bleiben für LTE die Knoten, die bei GSM für BSC<br />
und für UMTS für RNC benutzt werden, als Verkehrs-<br />
Aggregationspunkte erhalten<br />
• Übertragung des LTE-Verkehrs<br />
- Mit den UMTS- und GSM-Verkehren auf gemeinsamen<br />
Übertragungseinrichtungen<br />
- Diese sind im Modell bereits implementiert<br />
14
VoLTE im Core-Netz<br />
• Für LTE und insbesondere VoLTE<br />
- Erhöhter Bedarf an Signalisierungsverkehr vor allem für CSFB<br />
und SRVCC<br />
- Dieser Bedarf wird im Festnetzteil – wie bisher – mittels eines<br />
Markup-Faktors auf die Bearer-Kapazitäten berücksichtigt<br />
- Im Modell werden die bereits implementierten Markup-Faktoren<br />
entsprechend angepasst<br />
• Für die Dimensionierung des EPC sind zwei Fälle zu unterscheiden<br />
- Ausschließliche Anwendung von CSFB<br />
• Nur das MME wird benötigt, mit einer<br />
• Sg Schnittstelle zwischen dem MME und dem MSC Call Server zur<br />
Signalisierung des CSFB<br />
15
VoLTE im Core-Netz<br />
• Zweiter Fall für die Dimensionierung des EPC<br />
- Echtes VoLTE, inklusive SRVCC (nur für On-Net-Verkehr)<br />
• Sv Schnittstelle zwischen dem MME und dem MSC Call Server zur<br />
Signalisierung des SRVCC<br />
• Implementierung der IMS Plattform (P,I,S-CSCF; TAS; PCRF)<br />
• Dimensionierung entsprechend der BHCA des VoLTE Verkehrs<br />
• Implementierung von S-GW und P-GW für den Transport von VoLTE,<br />
Daten- und MBB-Verkehr<br />
• Modellierung der Home Subscriber Server (HSS) für alle Dienste<br />
- Ersetzt das bisherige HLR<br />
• Das Modell implementiert die Einrichtungen für beide Fälle, welche nach<br />
Bedarf aktiviert werden<br />
16
VoLTE im Core-Netz<br />
• Schematische Darstellung des EPC, inklusive Sg und Sv Schnittstellen<br />
MGW<br />
3G<br />
Core<br />
GERAN<br />
UTRAN<br />
MSC<br />
Call Server<br />
S-CSCF<br />
IMS<br />
Core<br />
HSS<br />
I-CSCF<br />
TAS<br />
Sg<br />
Sv<br />
E-UTRAN<br />
MME<br />
PCRF<br />
P-CSCF<br />
S-GW<br />
P-GW<br />
EPC<br />
Control Plane Traffic<br />
User Plane Traffic<br />
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Anpassungen im Kostenmodul<br />
• Es gibt konzeptionell keine Neuerung im Kostenmodul<br />
- Netzelemente werden entsprechend den Anforderungen an die<br />
Kapazität durch die Nachfrage dimensioniert<br />
- Diensten werden die Kosten der Einrichtungen entsprechend<br />
den jeweiligen anteiligen Kapazitätsanforderungen zugeordnet<br />
- Dies ist hauptsächlich für die LTE-Einrichtungen im<br />
Radiozugangsnetz von Bedeutung, über die jetzt zusätzlich<br />
VoLTE geführt wird<br />
• Durch die Einführung von VoLTE müssen zusätzliche Einrichtungen<br />
im Core-Netz berücksichtigt und modelliert werden<br />
- Auch für diese Einrichtungen gilt das oben Gesagte in Bezug<br />
auf die Zuordnung der Kosten zu den verschiedenen Diensten<br />
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Terminplan<br />
• Fertigstellung des Modells ist für Mitte März geplant<br />
• Es sind zwei Runden mit den Betreibern geplant<br />
Milestone<br />
Termin<br />
Fertigstellung des erweiterten Modells Ende KW 12<br />
Erste Runde der Termine mit Betreibern KW13 & 14<br />
Zweite Runde der Termine mit Betreibern KW 15 & 16<br />
19
Liste zusätzlicher Parameter<br />
<br />
Durch die Erweiterung des Modells werden die Werte zusätzlicher<br />
Parameter benötigt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Anteil VoLTE über CSFB<br />
Anteil VoLTE (nur On-Net) über IMS<br />
Anteil VoLTE über SRVCC<br />
Faktor, mit dem 2 X 2 MIMO die Effizienz der BS verbessert<br />
Kbit/s für Codec für VoLTE<br />
Mark-up-Faktor für Signalisierung wenn CSFB<br />
Mark-up-Faktor für Signalisierung wenn IMS<br />
Nachfragemengen für die verschiedenen Dienste (inklusive<br />
VoLTE)<br />
Investitionswerte für Einrichtungen des Core-Netzes (MME,<br />
S-GW, P-GW, HSS, PCRF, CSCF, TAS)<br />
20
wik-<strong>Consult</strong> GmbH<br />
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