wireless – aber rich-g ! von echtem mul-- gigabit zu …...wireless – aber rich-g ! von echtem...
Post on 27-Apr-2020
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Wireless–aberrich-g!VonechtemMul--GigabitzuLTE-Erweiterungenaufdem
Wegzu5G
Dr.Franz-JoachimKauffelsUnabhängigerTechnologie-undIndustrie-Analyst
ComConsultAkademieNetzwerkForumKönigswinter2016,V.03,7.3.16
• LTERel.13–15• LTEAdvanced• LTEinlizenzfreienBändern,LAA,LTE-U
• Leistungsziele• KonstrukVon• StandderPlanung• ErsteTests
• MulVgigabitim60GHz-Band
• NeueFeatures• Produkte
• Wachstumallgemein• Wachstumgerätespez.• Offload
MegatrendMobilität
IEEE802.11ad/WiGig
reloaded
LTEaktuell
5G
• Wachstumallgemein• Wachstumgerätespez.
• Offload
MegatrendMobilität
Mobilität=Cellular(4G,5G)+WiFiOffloading
4
WachstumdesglobalenMobilfunkverkehrsnachGerätetyp
Mobilität=Cellular(4G,5G)+WiFiOffloading
5
IP-VerkehrnachZugangstechnologie
AnwendungsbereichefürMul--Gigabit-WLANs
6
MobileVideo,AugmentedundVirtualReality
7
• Unterstützungvon3DHD-Video• UnterstützungallerBewegungen• Indoorwenigstens3-5m
MobilesVideowird2020dreiVierteldesMobilverkehrsausmachen....
...undmieelfrisVgnichtbei„normalen“Video-Inhaltenstoppen.
HighSpeedDownloadServices
8Book, Magazine, Newspaper Music, Video etc.
Train Station Digital KIOSK Front
Ad video, Drama, Movie etc.
• SehrkleineDistanzenzwischenSenderundEmpfänger,typischunter10cm• SehrhoheLadegeschwindigkeit,z.B.CD(700MB)0,2sbei30Gbpsoder
HD-VideozweiStunden(3,6GB)0,6sbei50Gbps
CableReplacement,Docking
9
Interface Version Approx. max. datarate(Gbps)
DisplayPort 1.0-1.1 8.6 1.2 17.3
HDMI 1.0-1.2a 5 1.3-1.4a 10.2 2.0 18
USB 2.0 0.48 3.0 5 3.1 10
Thunderbolt 1.0 102.0 20
MobileDisplay
3D,HDUncompressedvideo
InFlight-,Train-,Ship-,Bus-,Car-Entertainment
10
TFT touchscreen
TFT touchscreen
TFT touchscreen
TFT touchscreen
• MulVgigabitim60GHz-Band
• NeueFeatures• Produkte
MegatrendMobilität
IEEE802.11ad/WiGig
reloaded
5GLTE
aktuell
• Übertragungsgeschwindigkeitbisnahezu7Gbpsbrueo• NurunwesentlicherVerwaltungs-Overhead,Brueo-
Leistungbiszu90%nutzbar• Arbeitsbereich50–100qm,LeistungzumRandhinstark
abfallend• Peer-to-PeerModusundAccessPoint/StaVonen-Modus• KeineInterferenzenmitanderenFunkdiensten,lizenzfrei• KostenmodellfürConsumer-Bereich,nichtteurerals11ac
12
AllgemeineEigenscha[enIEEE802.11ad/WiGig
IEEE802.11admmWaveSpektralmaske
0.94 1.2 1.6 2.2-0.94-1.2-1.6-2.2 (f-fc) GHz
-30dBr
-25dBr
-20dBr
Dämpfungdurchmenschl.Körper
Au[reffwinkel
Mul-pathEffekte
30 feet
30 feet
PT = 10 dBm GT = 10 dBi GR = 10 dBi
Left Hand Si = -82 dBm
Time = 49 ns
Right Hand
Right Hand
Left Hand
Right Hand
Si = -87 dBm
Time = 90 ns
Outside antenna’s
beam coverage
Technologie*Komponenten/
MAC Modem Front End
Transmit Antenna Receive Antenna
Horn%Printed%Circuit%Phase%Array%
GaAs%4%PHEMPT%%%%%%%%%%%4%NHEMPT%DHBT%InP%GaN%SiGe%
SiGe%BiCMOS%CMOS%
Sub%μ%CMOS%
Verfügbare%Technologien%
MIMO%Antennen%%%%56+%GHz%MMICs%%RFIC%MAC%Processor%EncrypLon%DecrypLon%
16
Technologie-Komponentenfür60GHz-Band-WLANs
17
Verfügbarkeitdes60GHz-Spektrumsweltweit
Quelle:WiFiAlliance
18
OFDMModula-ons-undCodierungsschemata
Quelle:IEEE802.11ad
19
DynamischeperiodischeZuordnungvonServices
Quelle:IEEE802.11ad
Polling Period (PP) Data Transfer in SP
Poll1
SPR1
PCP/AP:
STA:
SPR1
Poll1
Grant Period (GP)
PollN. . .
PollN. . .
. . .
. . . SPRN
SPRN Grant1 Grant2
Grant1 Grant2
Time
SBIFS
SBIFS SBIFS SIFS SBIFS SBIFS
20
LOSMIMOHybridBeamforming
Quelle:IEEE802.11ad
3DMIMOMatrixnachgrobemBeamforming,ergibtvrtuelleMIMO-Kanal-MatrixfürFeinabsVmmung
MIMOmitinnovaVverAntennen-ArchitekturfürHybridBeamforming
802.11ad/WiGig-Antennemit16-ElementArrayfür3D-Beamforming
Sector#1
Sector#2
Sector#3Sector#4Sector#N
Sector#1Sector#2
Sector#3Sector
#4
Sector#
N
RED–bestrayandbestpairofTX-RXsectorsGreen–secondbestpairofsectorsBlue–thirdbestpairofsectors
TX RX
• UnterstützungvonDatenratenvonbiszu7Gbps.• SpeziellesDesignzurUnterstützungunterschiedlicherEndgeräte-Typen
vonkompaktenmobilenGerätenwieSmartphonesüberTabletsundNotebooksbishinzuhöchstleistungsfähigenstaVonärenodermobilenComputern.
• AngepasstesLeistungs-Management.• UnterstützungvonWiFi-arVgenNetzwerk-ImplemenVerungenmitder
MöglichkeitdestransparentenUmschaltenszwischen802.11-NetzenaufjedemFrequenzbandeinschließlich2,4GHz,5GHzund60GHz.
• UnterstützungvonBeamformingzurMaximierungderSignalstärkeundeinerrobustenKommunikaVonauchjenseitsder10m-Distanz
• SicherheitunterNutzungdesGalois/CounterModesderAES-Verschlüsselung
• UnterstützungvondrahtlosenHochleistungs-ImplemenVerungenvonHDMI,DisplayPort,USBundPCIe
21
SpezielleEigenscha[envonWiGig
22
WiGig-Architektur
Quelle:WiFiAlliance
23
WiGigProtocolAdap-onLayers
Quelle:WiFiAlliance
24
Produkte
ACERTravelMateP648,QuelleACER
TP-LinkAD7200WiGigRouter,QuelleTP-Link
LTEAdvanced• Cat.12(biszu600Mbps)imDownlink• Cat.13(biszu150Mbps)imUplink• Biszu4X4MIMOproDL-LTE-TrägerKonnek-vitätinlizenzfreienBereichen• 2X2MU-MIMO(802.11ac)• MulV-Gigabit802.11ad• LTE-U• LTE+WiFiLinkAggregaVon(LWA)UnterbrechungsfreieDiensteüberverschiedeneVerbindungsarten• NextGenHDVoice&VideoCallingüberLTEundWiFi
(VoLTE,ViLTE)• VerbindungskonVnuitätüberWiFi,LTE,3Gund2GRFFrontEndInnova-onen• AdvancedClosedLoopAntennenTuner• Qualcomm360GradFrontEndSoluVon• WiFi/LTEAntennen-Sharing 25
QualcommTriBand-Transceiver
• LTERel.13–15• LTEAdvanced• LTEinlizenzfreienBändern,LAA,LTE-U
MegatrendMobilität
IEEE802.11ad/
LTEaktuell
5G
LTEAdvanced:AujruchzuneuenUfern
Basisgrafik:Qualcomm
VerbesserungenmitLTEAdvanced
Basisgrafik:Qualcomm
CarrierAggrega-on
Basisgrafik:Qualcomm
CarrierAggrega-onverbessertLeistungbeitypischenLasten
TypischeSmartphoneAnwendungenmitBurst
Charakter
KapazitätsgewinndurchCarrierAggregaVon
Basisgrafik:Qualcomm
MehrAntennen–GewinndurchEmpfänger-Diversity
Basisgrafik:Qualcomm
NotwendigkeitvonFiberBackhaul
Basisgrafik:Qualcomm
KapazitätskaliertdankumfangreichemInterferenz-ManagementmitderAnzahlderSmallCells
Basisgrafik:Qualcomm
EntwicklungderCarrierAggrega-onbeiLTEAdvanced
Basisgrafik:Qualcomm
Mul--Flow:dualeZellen-Konnek-vitätüberkleineZellensowieMakrosundkleineZellen
• VerbesserterOffloadindieSmallCells• HöhereDatenratenanZellen-Kanten• RobusteMobilität
Basisgrafik:Qualcomm
VerbesserungderLeistung„Heterogener“Netze(HetNets)
Basisgrafik:Qualcomm
AngereicherteReceiver-SchaltkreisezurLeistungsverbesserunginHetNets
Basisgrafik:Qualcomm
Sonderfunk-on:LTEBroadcast(MOOD:Mul-castOpera-onOnDemandinRel12+)
Basisgrafik:Qualcomm
LTERel.13undderWegzu5G
• 3GPPPerweitertdieLTE-PlaworminRichtungneuerServicesundhöhererLeistung,umdiezunehmendenBedarfederMobil-KommunikaVonabdeckenzukönnen
• GleichzeiVgarbeitet3GPPPaberauchandernächstenGeneraVonMobilfunk(5G),dieca.ab2020kommenwird
• Quelle:LTERelease13androadto5G,DinoFlore,Chairmanof3GPPPRAN,ATIS5GSymposium,Juni15
OffloadinslizenzfreieSpektrum
• DaslizensierteSpektrumbleibtdieersteWahlfüreinen3GPPP-Betreiber,umdenKundenneueDienstleistungenundeinverbessertesBenutzererlebniszuliefern
• DiezusätzlicheNutzunglizenzfreierBereichewirdabereinzunehmendwichVgesElementumaufdenwachsendenLeistungshungerreagierenzukönnen
• 3GPP-BetreiberhabenletztlichzweiMöglichkeiten,lizenzfreieBereichezunutzen:– WiFivermögeWiFi/LTE-Internetworking– LTEimlizenzfreienSpektrum
• DieAuswahlhängtvonvielenverschiedenenFaktorenab
LTE/WiFi-Internetworking
• FrameworkwurdeseitdemerstenLTE-Releaseentwickelt• ImLaufederZeitwurdenimmerengereFormendes
Internetworkingshinzugenommen• InRel.13wirdmitfolgendenMethodeneinenochengere
KooperaVondefiniert:– AggregaVonvonWiFiundLTERadio-Links– Erweiterte,durchdasNetzwerkkontrollierteMobilitätmieels
erweiterterNetzwerk-ReporVng-Verfahrenz.B.mitMessungendesUserEquipmentsundneuenSteuerungs-MöglichkeitenimNetz
LTEoverUnlicensed,auchLAAoderLTE-U
• ProjektstudiertÄnderungenderLTE-WellenformuminlizenzfreienBändernarbeitenzukönnen
• WesentlichePrioritäten:– 5GHz-Band– GlobaleLösung,dieinunterschiedlichenRegionenmitunterschiedlichenRegularienarbeitenkann
– LicensedAssistedAccess(LAA)-Betrieb– FaireKoexistenzzwischenLTE,WiFiundunterschiedlichenLTE-Betreibern(keinWortvonprivatenWiFi-Betreibern)
LTEoverUnlicensed,LAAoderLTE-U?
LTEoverUnlicensed
LAAmit
ListenBeforeTalkDynamicFrequencySelecVon
TransmitPowerControlCarrierSelecVon
UplinkundDownlink
LTE-UOHNELBTDFSTPC
NurDownlink
LösungfürEU LösungfürUS,ASIA-PAC
LAA-BetriebsweiseundFairness
• AggregaVoneinerprimärenZelle,dieineinemlizensiertenFrequenzbereicharbeitetundhiersensibleInformaVonenundDurchsetzungvonQualityofServicebehandelt,miteinersekundärenZelle,dieineinemlizenzfreienBereicharbeitetundzuropportunisVschenLeistungssteigerunggenutztwird
• DiesekundäreZellekannsogeschaltetwerden,dasssienurDownloadsempfängt,aberauchso,dasssieDownloadsundUploadsbeherrscht
• FaireKoexistenz:LAAsolltedieQualitätbenachbarterWiFi-Dienste(Video,DatenundSprache...)indenwesentlichenParametern(Durchsatz,Latenz,Jieer...)nichtmehrbehindernalseinanderesWiFi-NetzwerkaufdemgleichenTräger-Bereich
LAA-Funk-onalitäten
• ListenBeforeTalk(LBT)• DiskonVnuierlicheÜbertragungmitbegrenztermaximalerÜbertragungsdaueraufeinemTräger
• DynamicFrequencySelec8on(DFS)zurVermeidungvonInterferenzenmitRadarinverschiedenenRegionen
• CarrierSelecVon• TransmitPowerControl(TPC)
LTE-U-Diskussionsbereiche
• DieFunkVonenvonLAAsorgenallerVoraussichtnachfüreinefaireKoexistenzvonWiFiundLAA.
• BeiLTE-Usiehtdasandersaus.DieFCChatMiee2015HerstellerundBetreibernachihrerPosiVonzudiesemPunktgefragt.
• AT&T:grundsätzlichposiVv,esistabermehrNormungnöVg• Google:ehernegaVv,möglicheWiFi-DegradaVon• Ruckus:drücktstarkeBedenkenaus,WiFi-DegradaVon• Cablevision:„dieBefürwortervonLAA/LTE-Uzerstörendiehistorische
gesundeDynamikderunlizensiertenBänder“verlangtSchutzvonVerbrauchernundWeebewerbern
• Verizon:„dasisteinewichVgeTechnologieumdenraketenarVgnachobenschießendenBedarfderNutzerbefriedigenzukönnen“
WeitereFunk-onsbereiche
• ErweiterungendesSignalisierungs-FrameworksfürdieLTECarrierAggregaVon(CA)– Erlaubtbiszu32Einzel-Träger,waseinererheblichenErweiterungder
MöglichkeitenvorallemimHinblickaufhoheDatenratendarstellt– AuchnützlichfürdenLAA-BetriebinunlizensiertenBereichenmit
breiterenBlöckenfreierFrequenzen• VolldimensionalesMIMOundBeamformingmitzweidimensionalen
Antennen-Arraysmitbiszu64MIMO-Kanälen(Projekte)• DownlinkMulV-User-TransmissionmitSuperposiVons-Codierung
(ganzgrobeinetheoreVschfundierteErweiterungvonMU-MIMO)
AdressierungdesIoT
• ZusätzlicheLTE-Erweiterungenfürmaschinen-basierteKommunikaVon
• AuyauendaufdenGrundlageninLTER12• NeueUserEquipmentCategory(0)• 1,4MHzSchmalband-Betriebsweise• MulVplexingmitanderenStrömeninbreiterenKanälen• ErweiterteFunkabdeckung,vereinfachtePHY/MAC• EntwicklungeinesvölligneuenRadioteilsfürLow-EndIoT-
AnwendungenmitnurbegrenzterMobilitätsunterstützung,rund100bpsauf200kHz-BändernsowiehöhererReichweite(20dBbesseresLink-BudgetverglichenmitGPRS),sehrgeringeKostenundLeistungsbedarf
WeitereArbeitsbereiche
• IndoorPosiVonierung.DieFCChatgefordert,dieGenauigkeitderIndoor-PosiVonierungzuverbessern,z.B.umbeiNotrufenbesserreagierenzukönnen.
• SingleCellPoint-to-MulVpoint.EvaluierungmöglicherVorteilederNutzungdesgemulVplextenLTE-Downlink-KanalsfürSC-PtM.
• LowLatencyLTE.UntersuchungderMöglichkeitenderStraffungvonProtokoll-ElementenundOpVmierungderVerarbeitungzurRealisierungkürzererLatenz-ZeitenfürdieRealisierungeinerbesserenBenutzer-Erfahrung.ErsteErgebnissewerdenallerdingserstfürR14erwartet.
• Leistungsziele• KonstrukVon• StandderPlanung• ErsteTests
MegatrendMobilität
IEEE802.11ad/
LTEaktuell
5G
5GBackground
• Etwaalle10JahreneueEvoluVonsstufe• 1982NordicMobileTelephone:1G• 1992erstes2G(GSM)ausderStandardisierung• 2001erstes3G(UMTS)ausderStandardisierung• Standardisierungvon4G(LTE)begann2001• EswirdZeit!
Große Streuung von Anwendungen
& Anforderungen
Device-to-Device Communications Car-to-Car Comm.
Neue Anforderungen und Charakteristika durch
kommunizierende Maschinen
Lawine des Verkehrs-Volumens
Weitere Expansion von Mobile Broadband
Zusätzlicher Verkehr durch kommunizierende
Maschinen
“1000x in ten years”
Massives Wachstum Verbundener
Geräte “
“50 billion devices in 2020”
GenerelleAnforderungenan5G
Einigesehrunterschiedliche5G-Visionen
• Super-effizientesMobilnetzmitbessererLeistungbeigeringerenInvesVVonskosten
• Super-schnellesMobilnetzfürdieClusterungdernächstenGeneraVonvon„SmallCells“wenigstensimStadtbereich
• KonvergiertesFiber-WirelessNetzunterhe}igerNutzungdesMillimeterwellen-Bereichs
• Latenz<5msEtE,mehrals100Geräte/qmmöglich
1000x higher mobile data volumes
10-100x higher number of
connected devices
10-100x typical end-user
data rates
5x lower latency
10x longer battery life
for low-power devices
Upto10Gbps 10years50/500Bdevices FewmsE2E
5GTechnischeZiele,z.B.METIS
1000xdatavolume
5GZiele,andersausgedrückt
• Datenratenvonmehreren10Mbpsfürmehrere10.000Nutzer
• 1GbpssimultanfüralleNutzeraufdemgleichenFlur• Mehrere100.000simultaneVerbindungenfürSensoren• SpektraleEffizienzerheblichbesseralsbei4G• GenerellverbesserteAbdeckung• VerbesserteSignalisierungs-Effizienz• LatenzdeutlichgeringeralsbeiLTE
5GEntwicklung/Standardisierung(Auszug)
• 2008Süd-KoreaITR&D-Programm5Gmobile• 2012UK5GInnovaVonCentreatUniv.ofSurrey• 2012USNYUWirelessmulVdisziplinäresForschungs-Zentrum• 2012EUEuropeanCommissionMETISProjekt(MobileandwirelesscommunicaVons
EnablersfürtheTwenty-twentyInformaVonSociety)• 2012EUICTFP7ProgrammfürRANasaService(RANaaS)• 2013EUCROWD(ConnecVvitymanagementforeneRgyOpVmizedWirelessDense
Networks)• 2013USRutgersUnivNJdynamischesProvisioningmitCloudRadioAccessNetwork(C-
RAN)fürNSF• 2015HuaweiinvesVert600MioUSDin5G-Forschung,TestnetzMalta• 2015HuaweiundEricssontesten5GindennördlichenNiederlanden• 20155GNORMAProjektvereinigtwesentlicheHerstellerunterEU-Fahne• 2015EuropeanH20205GPublic-PrivatePartnership5GPPP• 2016Googlewillein5GNetzwerkmieelsstaVonärerDrohnen(SkyBender)entwickeln
METIS5GRequirements
D2DcapabiliVes NSPS, ITS, resilience, …
Devicesperarea 300.000 per access node Baeery ~10 years
Reliability 99.999% within time budget Coverage >20 dB of LTE (e.g. sensors)
LatencyreducVon ~ 1ms (e.g. tactile internet)
Spectrum Higher frequencies & flexibility Capacity 36TB/month/user (resp. 500 GB)
Energy ~10% of today’s consumption
Datarates 1-10Gbps (resp.100s of Mbps)
Ultra-dense networks
Massive Machines
Ultra Reliable Comm.
Wich-geTechnikenfür5G(1)
• UmfangreicheNutzungvonMillimeterwellensowohlindooralsauchoutdoor,28,38,60und72,73GHz-Bänder,zusätzlich90GHzBänderundmehrfürBackhaul
• MassivesMIMO• ProakVvesContentCachingandenNetzkanten(wiez.B.
CiscoFogCompuVng)• FortschrielichesInterferenz-undMobility-Management• EffizienteUnterstützungvon„IoT-Teilnehmern“• MulVple-HopNetworks
Wich-geTechnikenfür5G(2)
• WirelessNetworkVirtualizaVon• KogniVveRadioTechnologie(SmartRadio)erlaubt
verschiedenenRadio-TechnolgiendieeffizientegleichzeiVgeNutzungdesgleichenSpektrumsdurchadapVvesSuchennachunbenutztenTeilendesSpektrumsundderenNutzung.
• DynamischeAdHocWirelessNetworks(DAWN)• Vandermode-SubspaceFrequencyDivisionMulVplexingfür
SmartRadio• IPv6• WorldWideWirelessWebWWWW
300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz Neue Spektralbänder und Zugriffsmethoden
Dichte und bewegliche Netze Multi-hop Wireless Backhaul
Massive Multi-Antennen
Luftschnittstellen für neue Anwendungen und redizierte Signalisierung
Einige5GTechnologie-Komponenten
Parkarea
Mobile Device-to-device
Kontext-bewusstes Interferenz- und Mobility Management
5GTimeline
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