Wireless – aber rich+g ! Von echtem Mul+

Wireless–aberrich-g!VonechtemMul-GigabitzuLTE-Erweiterungenaufdem
Wegzu5G
Dr.Franz-JoachimKauffels
UnabhängigerTechnologie-undIndustrie-Analyst
ComConsultAkademieNetzwerkForumKönigswinter2016,V.03,7.3.16
•  Wachstumallgemein
•  Wachstumgerätespez.
•  Offload
•  Leistungsziele
•  KonstrukVon
•  StandderPlanung
•  ErsteTests
•  MulVgigabitim60
GHz-Band
•  NeueFeatures
•  Produkte
Megatrend
Mobilität
IEEE
802.11ad/
WiGig
reloaded
5G
LTE
aktuell
•  LTERel.13–15
•  LTEAdvanced
•  LTEinlizenzfreien
Bändern,LAA,LTE-U
• Wachstumallgemein
• Wachstum
gerätespez.
• Offload
Megatrend
Mobilität
Mobilität=Cellular(4G,5G)+WiFiOffloading
WachstumdesglobalenMobilfunkverkehrsnachGerätetyp
4
Mobilität=Cellular(4G,5G)+WiFiOffloading
IP-VerkehrnachZugangstechnologie
5
AnwendungsbereichefürMul--Gigabit-WLANs
6
MobileVideo,AugmentedundVirtualReality
MobilesVideowird2020dreiVierteldes
Mobilverkehrsausmachen....
...undmieelfrisVgnichtbei„normalen“
Video-Inhaltenstoppen.
•  Unterstützungvon3DHD-Video
•  UnterstützungallerBewegungen
•  Indoorwenigstens3-5m
7
HighSpeedDownloadServices
•  SehrkleineDistanzenzwischenSenderundEmpfänger,typischunter10cm
•  SehrhoheLadegeschwindigkeit,z.B.CD(700MB)0,2sbei30Gbpsoder
HD-VideozweiStunden(3,6GB)0,6sbei50Gbps
Train Station
Digital KIOSK Front
Ad video, Drama,
Movie etc.
Book, Magazine, Newspaper
Music, Video etc.
8
CableReplacement,Docking
Interface
Version
Approx. max. data
rate(Gbps)
DisplayPort
1.0-1.1
1.2
1.0-1.2a
1.3-1.4a
8.6
17.3
5
10.2
2.0
18
2.0
3.0
3.1
1.0
2.0
0.48
5
10
10
20
HDMI
USB
Thunderbolt
MobileDisplay
3D,HD
Uncompressedvideo
9
InFlight-,Train-,Ship-,Bus-,Car-Entertainment
TFT
touchscreen
TFT
touchscreen
TFT
touchscreen
TFT
touchscreen
10
• MulVgigabitim60
GHz-Band
• NeueFeatures
• Produkte
Megatrend
Mobilität
IEEE
802.11ad/
WiGig
reloaded
LTE
aktuell
5G
AllgemeineEigenscha[enIEEE802.11ad/WiGig
•  Übertragungsgeschwindigkeitbisnahezu7Gbpsbrueo
•  NurunwesentlicherVerwaltungs-Overhead,BrueoLeistungbiszu90%nutzbar
•  Arbeitsbereich50–100qm,LeistungzumRandhinstark
abfallend
•  Peer-to-PeerModusundAccessPoint/StaVonen-Modus
•  KeineInterferenzenmitanderenFunkdiensten,lizenzfrei
•  KostenmodellfürConsumer-Bereich,nichtteurerals11ac
12
IEEE802.11admmWaveSpektralmaske
-20dBr
-25dBr
-30dBr
-2.2
-1.6
-1.2 -0.94
0.94 1.2
1.6
2.2
(f-fc) GHz
Dämpfungdurchmenschl.Körper
Au[reffwinkel
Mul-pathEffekte
Left Hand
Si = -82 dBm
s
Time = 49 n
Outside
antenna’s
beam
coverage
nd
Right Hand ight Ha Bm
R
d
-87
s
Si = = 90 n
e
Tim
PT = 10 dBm
GT = 10 dBi
GR = 10 dBi
Left
and
H
t
h
g
i
R
30 feet
Han
d
30 feet
Technologie-Komponentenfür60GHz-Band-WLANs
Technologie*Komponenten/
MAC
MAC%Processor%
EncrypLon%
DecrypLon%
Modem
%RFIC%
Front
End
%%%56+%GHz%MMICs%
Transmit
Antenna
Receive
Antenna
MIMO%Antennen%
Verfügbare%Technologien%
Sub%μ%CMOS%
SiGe%
BiCMOS%
CMOS%
GaAs%4%PHEMPT%
%%%%%%%%%%4%NHEMPT%
DHBT%
InP%
GaN%
SiGe%
Horn%
Printed%Circuit%
Phase%Array%
16
Verfügbarkeitdes60GHz-Spektrumsweltweit
Quelle:WiFiAlliance
17
OFDMModula-ons-undCodierungsschemata
Quelle:IEEE802.11ad
18
DynamischeperiodischeZuordnungvonServices
Grant Period
(GP)
Polling Period
(PP)
Data Transfer in SP
Time
SBIFS SBIFS
SIFS
SBIFS SBIFS
PCP/
AP:
Poll1
...
PollN
SPR1
...
SPRN
Grant1
Grant2
STA:
Poll1
...
PollN
SPR1
...
SPRN
Grant1
Grant2
SBIFS
Quelle:IEEE802.11ad
19
TX
Se
ct
or
#
1
LOSMIMOHybridBeamforming
#2
tor
Sec
Sector#3
SSeec ctor
tor #4
#N
Se
ct
Sec or#
tor 1 RX
#2
Sector#3
r#4N
Secctotor#
Se
RED–bestrayandbestpairofTX-RXsectors
Green–secondbestpairofsectors
Blue–thirdbestpairofsectors
3DMIMOMatrixnachgrobem
Beamforming,ergibtvrtuelleMIMO-
Kanal-MatrixfürFeinabsVmmung
Quelle:IEEE802.11ad
MIMOmitinnovaVver
Antennen-Architekturfür
HybridBeamforming
802.11ad/WiGig-
Antennemit
16-ElementArray
für3D-Beamforming
20
SpezielleEigenscha[envonWiGig
•  UnterstützungvonDatenratenvonbiszu7Gbps.
•  SpeziellesDesignzurUnterstützungunterschiedlicherEndgeräte-Typen
vonkompaktenmobilenGerätenwieSmartphonesüberTabletsund
NotebooksbishinzuhöchstleistungsfähigenstaVonärenodermobilen
Computern.
•  AngepasstesLeistungs-Management.
•  UnterstützungvonWiFi-arVgenNetzwerk-ImplemenVerungenmitder
MöglichkeitdestransparentenUmschaltenszwischen802.11-Netzenauf
jedemFrequenzbandeinschließlich2,4GHz,5GHzund60GHz.
•  UnterstützungvonBeamformingzurMaximierungderSignalstärkeund
einerrobustenKommunikaVonauchjenseitsder10m-Distanz
•  SicherheitunterNutzungdesGalois/CounterModesderAESVerschlüsselung
•  UnterstützungvondrahtlosenHochleistungs-ImplemenVerungenvon
HDMI,DisplayPort,USBundPCIe
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WiGig-Architektur
Quelle:WiFiAlliance
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WiGigProtocolAdap-onLayers
Quelle:WiFiAlliance
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Produkte
ACERTravelMateP648,QuelleACER
TP-LinkAD7200WiGigRouter,QuelleTP-Link
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QualcommTriBand-Transceiver
LTEAdvanced
•  Cat.12(biszu600Mbps)imDownlink
•  Cat.13(biszu150Mbps)imUplink
•  Biszu4X4MIMOproDL-LTE-Träger
Konnek-vitätinlizenzfreienBereichen
•  2X2MU-MIMO(802.11ac)
•  MulV-Gigabit802.11ad
•  LTE-U
•  LTE+WiFiLinkAggregaVon(LWA)
UnterbrechungsfreieDiensteüberverschiedene
Verbindungsarten
•  NextGenHDVoice&VideoCallingüberLTEundWiFi
(VoLTE,ViLTE)
•  VerbindungskonVnuitätüberWiFi,LTE,3Gund2G
RFFrontEndInnova-onen
•  AdvancedClosedLoopAntennenTuner
•  Qualcomm360GradFrontEndSoluVon
•  WiFi/LTEAntennen-Sharing
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Megatrend
Mobilität
IEEE
802.11ad/
5G
LTE
aktuell
• LTERel.13–15
• LTEAdvanced
• LTEinlizenzfreien
Bändern,LAA,LTE-U
LTEAdvanced:AujruchzuneuenUfern
Basisgrafik:Qualcomm
VerbesserungenmitLTEAdvanced
Basisgrafik:Qualcomm
CarrierAggrega-on
Basisgrafik:Qualcomm
CarrierAggrega-onverbessertLeistungbeitypischenLasten
TypischeSmartphone
AnwendungenmitBurst
Charakter
Basisgrafik:Qualcomm
Kapazitätsgewinndurch
CarrierAggregaVon
MehrAntennen–GewinndurchEmpfänger-Diversity
Basisgrafik:Qualcomm
NotwendigkeitvonFiberBackhaul
Basisgrafik:Qualcomm
KapazitätskaliertdankumfangreichemInterferenzManagementmitderAnzahlderSmallCells
Basisgrafik:Qualcomm
EntwicklungderCarrierAggrega-onbeiLTEAdvanced
Basisgrafik:Qualcomm
Mul--Flow:dualeZellen-Konnek-vitätüberkleineZellen
sowieMakrosundkleineZellen
•  VerbesserterOffloadindieSmallCells
•  HöhereDatenratenanZellen-Kanten
•  RobusteMobilität
Basisgrafik:Qualcomm
VerbesserungderLeistung„Heterogener“Netze(HetNets)
Basisgrafik:Qualcomm
AngereicherteReceiver-Schaltkreisezur
LeistungsverbesserunginHetNets
Basisgrafik:Qualcomm
Sonderfunk-on:LTEBroadcast(MOOD:Mul-castOpera-on
OnDemandinRel12+)
Basisgrafik:Qualcomm
LTERel.13undderWegzu5G
•  3GPPPerweitertdieLTE-PlaworminRichtung
neuerServicesundhöhererLeistung,umdie
zunehmendenBedarfederMobil-KommunikaVon
abdeckenzukönnen
•  GleichzeiVgarbeitet3GPPPaberauchander
nächstenGeneraVonMobilfunk(5G),dieca.ab
2020kommenwird
•  Quelle:LTERelease13androadto5G,DinoFlore,Chairmanof3GPPP
RAN,ATIS5GSymposium,Juni15
OffloadinslizenzfreieSpektrum
•  DaslizensierteSpektrumbleibtdieersteWahlfüreinen3GPPPBetreiber,umdenKundenneueDienstleistungenundein
verbessertesBenutzererlebniszuliefern
•  DiezusätzlicheNutzunglizenzfreierBereichewirdaberein
zunehmendwichVgesElementumaufdenwachsenden
Leistungshungerreagierenzukönnen
•  3GPP-BetreiberhabenletztlichzweiMöglichkeiten,lizenzfreie
Bereichezunutzen:
–  WiFivermögeWiFi/LTE-Internetworking
–  LTEimlizenzfreienSpektrum
•  DieAuswahlhängtvonvielenverschiedenenFaktorenab
LTE/WiFi-Internetworking
•  FrameworkwurdeseitdemerstenLTE-Releaseentwickelt
•  ImLaufederZeitwurdenimmerengereFormendes
Internetworkingshinzugenommen
•  InRel.13wirdmitfolgendenMethodeneinenochengere
KooperaVondefiniert:
–  AggregaVonvonWiFiundLTERadio-Links
–  Erweiterte,durchdasNetzwerkkontrollierteMobilitätmieels
erweiterterNetzwerk-ReporVng-Verfahrenz.B.mitMessungen
desUserEquipmentsundneuenSteuerungs-Möglichkeitenim
Netz
LTEoverUnlicensed,auchLAAoderLTE-U
•  ProjektstudiertÄnderungenderLTE-Wellenformum
inlizenzfreienBändernarbeitenzukönnen
•  WesentlichePrioritäten:
–  5GHz-Band
–  GlobaleLösung,dieinunterschiedlichenRegionenmit
unterschiedlichenRegularienarbeitenkann
–  LicensedAssistedAccess(LAA)-Betrieb
–  FaireKoexistenzzwischenLTE,WiFiundunterschiedlichen
LTE-Betreibern(keinWortvonprivatenWiFi-Betreibern)
LTEoverUnlicensed,LAAoderLTE-U?
LTEoverUnlicensed
LAAmit
ListenBeforeTalk
DynamicFrequencySelecVon
TransmitPowerControl
CarrierSelecVon
UplinkundDownlink
LTE-UOHNE
LBT
DFS
TPC
NurDownlink
LösungfürEU
LösungfürUS,ASIA-PAC
LAA-BetriebsweiseundFairness
•  AggregaVoneinerprimärenZelle,dieineinemlizensierten
FrequenzbereicharbeitetundhiersensibleInformaVonenund
DurchsetzungvonQualityofServicebehandelt,miteiner
sekundärenZelle,dieineinemlizenzfreienBereicharbeitetund
zuropportunisVschenLeistungssteigerunggenutztwird
•  DiesekundäreZellekannsogeschaltetwerden,dasssienur
Downloadsempfängt,aberauchso,dasssieDownloadsund
Uploadsbeherrscht
•  FaireKoexistenz:LAAsolltedieQualitätbenachbarterWiFiDienste(Video,DatenundSprache...)indenwesentlichen
Parametern(Durchsatz,Latenz,Jieer...)nichtmehrbehindern
alseinanderesWiFi-NetzwerkaufdemgleichenTräger-Bereich
LAA-Funk-onalitäten
•  ListenBeforeTalk(LBT)
•  DiskonVnuierlicheÜbertragungmitbegrenzter
maximalerÜbertragungsdaueraufeinemTräger
•  DynamicFrequencySelec8on(DFS)zur
VermeidungvonInterferenzenmitRadarin
verschiedenenRegionen
•  CarrierSelecVon
•  TransmitPowerControl(TPC)
LTE-U-Diskussionsbereiche
•  DieFunkVonenvonLAAsorgenallerVoraussichtnachfüreinefaire
KoexistenzvonWiFiundLAA.
•  BeiLTE-Usiehtdasandersaus.DieFCChatMiee2015Herstellerund
BetreibernachihrerPosiVonzudiesemPunktgefragt.
•  AT&T:grundsätzlichposiVv,esistabermehrNormungnöVg
•  Google:ehernegaVv,möglicheWiFi-DegradaVon
•  Ruckus:drücktstarkeBedenkenaus,WiFi-DegradaVon
•  Cablevision:„dieBefürwortervonLAA/LTE-Uzerstörendiehistorische
gesundeDynamikderunlizensiertenBänder“verlangtSchutzvon
VerbrauchernundWeebewerbern
•  Verizon:„dasisteinewichVgeTechnologieumdenraketenarVgnach
obenschießendenBedarfderNutzerbefriedigenzukönnen“
WeitereFunk-onsbereiche
•  ErweiterungendesSignalisierungs-FrameworksfürdieLTECarrier
AggregaVon(CA)
–  Erlaubtbiszu32Einzel-Träger,waseinererheblichenErweiterungder
MöglichkeitenvorallemimHinblickaufhoheDatenratendarstellt
–  AuchnützlichfürdenLAA-BetriebinunlizensiertenBereichenmit
breiterenBlöckenfreierFrequenzen
•  VolldimensionalesMIMOundBeamformingmitzweidimensionalen
Antennen-Arraysmitbiszu64MIMO-Kanälen(Projekte)
•  DownlinkMulV-User-TransmissionmitSuperposiVons-Codierung
(ganzgrobeinetheoreVschfundierteErweiterungvonMU-MIMO)
AdressierungdesIoT
•  ZusätzlicheLTE-Erweiterungenfürmaschinen-basierte
KommunikaVon
•  AuyauendaufdenGrundlageninLTER12
•  NeueUserEquipmentCategory(0)
•  1,4MHzSchmalband-Betriebsweise
•  MulVplexingmitanderenStrömeninbreiterenKanälen
•  ErweiterteFunkabdeckung,vereinfachtePHY/MAC
•  EntwicklungeinesvölligneuenRadioteilsfürLow-EndIoT-
AnwendungenmitnurbegrenzterMobilitätsunterstützung,rund
100bpsauf200kHz-BändernsowiehöhererReichweite(20dB
besseresLink-BudgetverglichenmitGPRS),sehrgeringeKosten
undLeistungsbedarf
WeitereArbeitsbereiche
•  IndoorPosiVonierung.DieFCChatgefordert,die
GenauigkeitderIndoor-PosiVonierungzuverbessern,z.B.
umbeiNotrufenbesserreagierenzukönnen.
•  SingleCellPoint-to-MulVpoint.Evaluierungmöglicher
VorteilederNutzungdesgemulVplextenLTE-DownlinkKanalsfürSC-PtM.
•  LowLatencyLTE.UntersuchungderMöglichkeitender
StraffungvonProtokoll-ElementenundOpVmierungder
VerarbeitungzurRealisierungkürzererLatenz-Zeitenfür
dieRealisierungeinerbesserenBenutzer-Erfahrung.Erste
ErgebnissewerdenallerdingserstfürR14erwartet.
•  Leistungsziele
•  KonstrukVon
•  StandderPlanung
•  ErsteTests
Megatrend
Mobilität
IEEE
802.11ad/
5G
LTE
aktuell
5GBackground
• 
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• 
• 
• 
• 
Etwaalle10JahreneueEvoluVonsstufe
1982NordicMobileTelephone:1G
1992erstes2G(GSM)ausderStandardisierung
2001erstes3G(UMTS)ausderStandardisierung
Standardisierungvon4G(LTE)begann2001
EswirdZeit!
GenerelleAnforderungenan5G
Lawine des
Massives Wachstum
VerkehrsVolumens
Verbundener
Geräte
Weitere Expansion von
Mobile Broadband
Zusätzlicher Verkehr durch
kommunizierende
Maschinen
“
“1000x in ten years”
Große Streuung von
Anwendungen
&
Anforderungen
Device-to-Device
Communications
Car-to-Car Comm.
“50 billion devices in 2020”
Neue Anforderungen und
Charakteristika durch
kommunizierende
Maschinen
Einigesehrunterschiedliche5G-Visionen
•  Super-effizientesMobilnetzmitbessererLeistungbei
geringerenInvesVVonskosten
•  Super-schnellesMobilnetzfürdieClusterungder
nächstenGeneraVonvon„SmallCells“wenigstensim
Stadtbereich
•  KonvergiertesFiber-WirelessNetzunterhe}iger
NutzungdesMillimeterwellen-Bereichs
•  Latenz<5msEtE,mehrals100Geräte/qmmöglich
5GTechnischeZiele,z.B.METIS
1000xdata
volume
1000x
50/500Bdevices
10-100x
Upto10Gbps
10-100x
higher mobile higher number of typical end-user
data volumes connected devices
data rates
FewmsE2E
10years
5x
10x
lower latency
longer battery life
for low-power devices
5GZiele,andersausgedrückt
•  Datenratenvonmehreren10Mbpsfürmehrere10.000
Nutzer
•  1GbpssimultanfüralleNutzeraufdemgleichenFlur
•  Mehrere100.000simultaneVerbindungenfürSensoren
•  SpektraleEffizienzerheblichbesseralsbei4G
•  GenerellverbesserteAbdeckung
•  VerbesserteSignalisierungs-Effizienz
•  LatenzdeutlichgeringeralsbeiLTE
5GEntwicklung/Standardisierung(Auszug)
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
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• 
• 
• 
• 
2008Süd-KoreaITR&D-Programm5Gmobile
2012UK5GInnovaVonCentreatUniv.ofSurrey
2012USNYUWirelessmulVdisziplinäresForschungs-Zentrum
2012EUEuropeanCommissionMETISProjekt(MobileandwirelesscommunicaVons
EnablersfürtheTwenty-twentyInformaVonSociety)
2012EUICTFP7ProgrammfürRANasaService(RANaaS)
2013EUCROWD(ConnecVvitymanagementforeneRgyOpVmizedWirelessDense
Networks)
2013USRutgersUnivNJdynamischesProvisioningmitCloudRadioAccessNetwork(CRAN)fürNSF
2015HuaweiinvesVert600MioUSDin5G-Forschung,TestnetzMalta
2015HuaweiundEricssontesten5GindennördlichenNiederlanden
20155GNORMAProjektvereinigtwesentlicheHerstellerunterEU-Fahne
2015EuropeanH20205GPublic-PrivatePartnership5GPPP
2016Googlewillein5GNetzwerkmieelsstaVonärerDrohnen(SkyBender)entwickeln
METIS5GRequirements
Datarates
1-10Gbps (resp.100s of Mbps)
Capacity
36TB/month/user (resp. 500 GB)
Spectrum
Higher frequencies & flexibility
Energy
~10% of today’s consumption
LatencyreducVon
D2DcapabiliVes
~ 1ms (e.g. tactile internet)
NSPS, ITS, resilience, …
Reliability
99.999% within time budget
Coverage
>20 dB of LTE (e.g. sensors)
Baeery
Devicesperarea
~10 years
300.000 per access node
Ultra-dense
networks
Ultra Reliable
Comm.
Massive
Machines
Wich-geTechnikenfür5G(1)
•  UmfangreicheNutzungvonMillimeterwellensowohl
indooralsauchoutdoor,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-Technolgiendieeffiziente
gleichzeiVgeNutzungdesgleichenSpektrumsdurch
adapVvesSuchennachunbenutztenTeilendesSpektrums
undderenNutzung.
•  DynamischeAdHocWirelessNetworks(DAWN)
•  Vandermode-SubspaceFrequencyDivisionMulVplexingfür
SmartRadio
•  IPv6
•  WorldWideWirelessWebWWWW
Einige5GTechnologie-Komponenten
300 MHz
3 GHz
Neue Spektralbänder und Zugriffsmethoden
Park
area
Dichte und bewegliche Netze
Multi-hop Wireless Backhaul
Kontext-bewusstes
Interferenz- und Mobility
Management
30 GHz
300 GHz
Massive Multi-Antennen
Luftschnittstellen für
neue Anwendungen und
redizierte Signalisierung
Mobile
Device-to-device
5GTimeline