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Lehrstuhl Netzarchitekturen und NetzdiensteInstitut für InformatikTechnische Universität München
Femtozellen – Basestation For The Masses
Technische Universität MünchenFakultät für Informatik
Sören Ruttkowski
27.11.2008
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 2
Inhalt
Gliederung: Definition Femtozelle Abgrenzung Femtozelle Motivation Enabler UMTS Netzstruktur 7 Problemstellungen Technologien Aktuelle Anwendungen Zusammenfassung
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 3
Definition Femtozelle
Femtozelle Heimischer Zugangsknoten mit geringer Sendeleistung (< 0.1 Watt)
H
Nutzt aktuelle Mobilfunkstandards (GSM, UMTS, LTE, WiMax, 3GPP)
N
Arbeitet in lizenziertem Spektrum Generiert Kapazität und Abdeckung für den Netzbetreiber Rücktransport der Nachrichten zu Betreiber über Internet Zu günstigen Preisen, die mit VoIP konkurrieren können Werden vom Netzbetreiber verwaltet
Quelle: Femto Forum
Quelle: Femto Forum
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Abgrenzung Femtozelle
Makrozellen Radius: 350 m 20 km Werden typischerweise in schwach besiedelten, ländlichen Gebieten eingesetzt Übertragungsrate: bis 144 kBit/s Bewegungsgeschwindigkeit: bis 500 km/h
Microzellen Radius: 50 300 m Sorgen in Stadtteilen mit starker Mobilfunknachfrage für ausreichend Kapazität Übertragungsrate: bis 384 kBit/s Bewegungsgeschwindigkeit: bis 120 km/h
Picozellen Radius: mehrere 10 m Für gezielte Kapazitätsspitzen etwa in Gebäuden Übertragungsrate: bis 2 MBit/s Bewegungsgeschwindigkeit: bis 10 km/h Verbindung: Direkt zu einem RNC und somit zum Kernnetz
Femtozellen Radius: mehrere 10 m Für eine Verbesserung der häuslichen Abdeckung Übertragungsrate: bis 2MBit/s Verbindung: Über Internet und Gateway zum Mobilfunknetz
Quelle:http://de.wikipedia.org/wiki/Base_Transceiver_Station | http://de.wikipedia.org/wiki/Mikrozelle | www.netgear.com/Products/RoutersandGateways/3GFemtocells.aspx
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Motivation
Günstigere Geräte durch weniger Technologien
Bessere Netzabdeckung (besonders im Haus)
Höhere Datenraten für Multimediaanwendungen
Längere Akkudauer durch geringere Sendeleistung durch einheitliche Funktechnologien
Eine Rechnung Eine Nummer
Weniger Abwanderung der Kunden Direkte Kokurrenz zu TriplePlay
Angeboten Weniger Bedarf neue Makrozellen zu
Errichten Keine weiteren Standorte anzumieten Geringere Betriebskosten aufgrund von
weniger Makrozellen Kapazität und Netzabdeckung verbessern
Verbraucher Netzbetreiber
WinWinSituation
ShannonGrenze als Limit an Kapazität die über einen Kanal transportiert werden kann.Einfachster Weg Kapazität zu vergrößern ist die Zellen zu verkleinern.
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Warum gerade jetzt? Enablers
Technologische Voraussetzungen Breitbandverbindungen sind weit verbreitet Flache Architekturen und All IP
IP statt hierarchische telekommunikationsspezifische Übertragungsprotokolle Software statt spezifische Chips – Femtocell on a chip
Kostengünstige Implementierung Günstige Prozessoren – 97% Preisfall zwischen ´98 und ´07
Field programmable gate arrays (FPGAs) Digital signal processors (DSPs) Applicationspecific interated circuits (ASICS)
Markt Hohe Datenraten locken Benutzer Neue Herausforderungen an Netzbetreiber aufgrund von VoIP
Erst seit kurzem sind alle Voraussetzungen gegeben um Femtozellen wirtschaftlich sinnvoll einzuführen und die Nachfrage bei den Kunden aufgetreten
Durch geringere Kosten, werden die Femtozellen interessant für Betreiber, die wiederum die Weiterentwicklung der Technologie fördern.
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 7
UMTS Netzarchitektur
Begriffe: UMTS: Universal Mobile
Telecommunications System Hierarchisch aufgebaut
UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network realisiert die Verbindungsübergabe bei
einem Zellenwechsel
MSC: Mobile Switching Center Kanalbasiert (Channel Switched (CS))
SGSN: Serving GPRS Support Node organisiert das Einbuchen von
Teilnehmern für GPRSDienste
GGSN: Gateway GPRS Support Node Routing ins Internet
RNC: Radio Network Controller Verbindung zwischen einer Node B und
dem übergeordneten RNC wird als Iub Link bezeichnet
Node B: Basisstation Versorgt 3 bis 6 Mobilfunkzellen
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Integration in bestehende Netze I
Ziele: Integration von sehr vielen Femtozellen in das Mobilfunknetz Verbindung aller Femtozellen zu Kernnetz des Betreibers
Lösung I:
Iub over IP Ist kostengünstig und schnell
umsetzbar Nutzt bereits existente Infrastruktur Verbindung von Femtozelle zu Radio
Network Controllers über Iub Nachteile:
Iub stellt hohe Anforderungen an die Verbindung (Jitter, Delay, Packet Loss)
RNC nur für hunderte und nicht für Zehntausende Basisstationen ausgelegt
Iub Protokoll ist herstellerspezifisch
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Integration in bestehende Netze II
Ziele: Integration von sehr vielen Femtozellen in das Mobilfunknetz Verbindung aller Femtozellen zu Kernnetz des Betreibers
Lösung II:
Radio Access Network Gateway Verbindung von IP Netzwerk und
Kernnetz über einen Gateway (UNC) zwischen Kernnetz und Internet
Die Femtozellen verbinden sich überIPSec Tunnel durch den Gateway mit dem Kernnetz des Netzbetreibers
Diese Technologie wird momentan bereits für UMA (Unlicensed Mobile Access) Lösungen eingesetzt
Collapsed Stack in der Femtozelle Nachteil:
Interface zu Kernnetz des UNC noch nicht standardisiert
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 10
Integration in bestehende Netze III
Ziele: Integration von sehr vielen Femtozellen in das Mobilfunknetz Verbindung aller Femtozellen zu Kernnetz des Betreibers
Lösung III:
Internet Media SubSystem/Session Initiated Protocol (IMS/SIP) Collapsed Stack in Femtozelle Standardisierte Protokolle Aufbau eines zukunftsträchtigen
Kernnetzes auf basierend auf IP (AllIP) Ein Makronetz über Iub und ein
eigenes Femtozellennetz über IP bis das bisherige Kernnetz auf IP umgestellt ist
Nachteil: Dieser Ansatz ist am teuersten, ist aber
auch eine strategische Investition
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Interferenzen
Problem: Interferenzen durch Femtozellen und Makrozellen
Femtozelle sehr nah an Makrozelle Femtozelle am Rand der Makrozelle Femtozellen mit überlappenden Bereichen
Femtozellen senden alle auf einer Frequenz
Lösung: Adaptive Algorithmen zur Steuerung der Sendeleistung Sendeleistung stark reduzieren bei hohem Einfluss auf
Makronutzer besonders am Rand einer Makrozelle der Fall Hauswände schirmen Femtozellen gegeneinander ab Nutzung von
Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA)
Quelle: Femto Forum Intropräsentation
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Einfache Installation
Problem: Einfache Installation durch Verbraucher
Automatisches Wählen der Sendestärke Wählen der zugelassenen Nutzer Verbindung zu Kernnetz des Providers
Kontrolle der Geräte durch Netzbetreiber Bezüglich Frequenzen und Standort der Femtozelle (lizenziertes Spektrum) Konfigurationsanpassung um Zusammenarbeit mit Makrozellen zu verbessern
Lösung: Einsatz von GPS um Position zu erkennen (Sichtkontakt zu Satellit benötigt) Einsatz von TR069 des DSL Forum angepasst an Femtozellen
– Remote Management Standard für DSL Gateways Einsatz von SIMKarten in den Geräten um diese eindeutig zu identifizieren
(Initialisierung) Automatische Identifizierung der Umgebung und Anpassung der Sendestärke
Quelle: http://www.broadbandforum.org/technical/download/TR069Amendment2.pdf
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 13
Einfache Installation
Beispiel: Installationsprozess Femtozelle wird mit Standardsoftware und SIM Karte ausgeliefert
Beim ersten Start baut die Femtozelle eine Verbindung zum Netzbetreiber auf und authentifiziert sich mit der SIM Karte
Vom AutoconfigurationServer werden die Firmware, Updates und weitere betreiberspezifische Radioparameter (Frequenz, ID, Sendeleistung, …) heruntergeladen
Hierbei wird auch eine Liste aller berechtigten Endgeräte geladen
Die Femtozelle ist somit im Betreibernetz registriert und mit dem Kernnetz über das Internet verbunden
Das Endgerät meldet sich bei der Femtozelle an
Der Kunde kann Dienste über die Femtozelle nutzen
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 14
Lokalisierung und Notrufe
Gründe: Femtozelle sendet in lizenziertem Spektrum Bereitstellung von Notrufen für Nutzer
mit schlechter Verbindung §108 Notrufe:
…Notrufe einschließlich … der Daten, die zur Ermittlung des Standortes erforderlich sind, von dem die Notrufverbindung ausgeht, unverzüglich an die örtlich zuständige Notrufabfragestelle übermittelt werden.
Lösung: Hyperbelortung durch umliegende Makrozellen
Zeitabstände der Signale von umliegenden (3+) Makrozellen Einsatz von GPS um Umgebung zu erkennen (Sichtkontakt zu Satellit benötigt) Master Street Access Guide (MSAG)
Femtozelle ist mit Adresse verbunden (hilfreicher als Koordinaten) Verbot die Femtozelle an anderen als der angegeben Adresse zu verwenden (Adresse
wird auf Femtozelle aufgedruckt)
Quelle: Nextpoint Femtocell White Paper E911
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 15
Synchronisierung
Gründe für die Synchronisierung Gesendete Mobilfunksignale müssen sehr präzise sein
(bei Makrozellen 50 partsperbillion (ppb))(bei Femtozellen 100 ppb momentan (Release 5) bald (Release 8) 250 ppb)
Problem: Günstige Synchronisierung der Geräte für Sendefrequenzen (+ 100 ppb)
Lösung: Normalerweise Einsatz von teuren
und großen OCXO Kristallen(über 1224 Monate genau)
GPS (Sichtkontakt zu Satellit vorausgesetzt)
Innovative hochstabile kostengünstige TCXO Kristalle (über 618 Monate genau)
IEEE 1588 Synchronisationsprotokoll – leistet 100 nano s Genauigkeit
Quelle: www.isit.fr/busdeterrain/images/ieee_1588.jpg
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Sicherheit
Problem: Sicherheit des Kernnetzes und aller enthaltenen Komponenten muss sichergestellt werden Daten und Sprache müssen geschützt über das öffentliche Internet übertragen werden
Lösung: Sicherheit in Femtozellen
Schlüssel auf SIMKarte Verschlüsselte FLASH Images ARM11 Trustzone Prozessoren
Sicherheit für Kunde und Kernnetz IPSec Tunnel sichern die Daten auf dem Weg zum Netzbetreiber Denial of ServiceAttacken auf Betreibernetz durch Gateways unterbinden Sichere Authentifizierung durch bestehende Konzepte (SIM Karten) Abrechnungsprozesse verbleiben im geschützten Kernnetz Abschalten schadhafter oder manipulierter Femtozellen über Fernwartung
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 17
Technologien
Architektur Allgemein Femtocell on a chip
– Funktionen als Software werden auf Prozessor ausgeführt
Femtozelle als StandAlone Femtozelle integriert in Router
Quelle: picoChip Femtocell White Paper 1.1
Softwarearchitektur Unterschiedliche Struktur und
Elemente je nach Integrationstechnologie
Schichtenarchitektur Normierung der Architektur
erst Ende diesen Jahres Quelle: www.embedded.com/design/206905482
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Aktuelle Anwendungen
TMobile Hotspot @ Home Kosten: 50 $ Router, 19.99 $ monatlich Netzzugang: Unlicensed Mobile Access (UMA)
Sprint Airave Kosten: 100$ Femtozelle + 12 x 5$ monatlich
15 $ monatlich ein Kunde,30 $ monatlich Familie
Netzzugang: Femtozelle von Airave Besonderheit: Femtozelle nutzt GPS
Vergleich: Aktuelle UMA sind schneller am Markt Zusatznutzen durch Femtozellen rechnet sich
im Auge der Nutzer kaum Nutzer verstehen Unterschiede von
Femtozellen und UMA nicht• „Telefonie über Kasten und Internet“
Quelle: www.netgear.com/Products/RoutersandGateways/3GFemtocells.aspx
Quelle: www.motorola.com – Series 8000
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 19
Zusammenfassung
Femtozellen sind kleine heimische Zugangspunkte die Mobilfunktechnologien nutzen über die eigene Breitbandverbindung mit dem Netzbetreiber kommunizieren
Hoher Nutzen für Betreiber und Nutzer (Abdeckung, Kosten, …)
Vorraussetzungen sind geschaffen aber technische Probleme bestehen noch Integration Interferenzen Einfache Installation Synchronisierung Sicherheit
Ausblick In Zukunft werden Femtozellen zu kaufen sein (wie momentan in den USA) Wenn ein Betreiber anfängt, wird der restliche Markt mitziehen Technische Probleme werden aufgrund des hohen Interesses überwunden
Lehrstuhl Netzarchitekturen und NetzdiensteInstitut für InformatikTechnische Universität München
Femtozellen – Basestation For The Masses
Fragen?
Lehrstuhl Netzarchitekturen und NetzdiensteInstitut für InformatikTechnische Universität München
Back Up Folien
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 22
Wirtschaftlichkeit
40%40%
20%
zu hause Arbeit Draussen
33%33%
34%
zu hause Arbeit Draussen
102 mio. Benutzer auf 32 mio. HomeBaseStations bis 2011 – ABI Research
22,5 Milliarden Dollar (ca. 14,5 mrd. €) Marktvolumen bis 2013 Wichtig: günstige Hardware für Massendeployment, Selfdeployment Einsparungen:
45$/Kunde/Jahr bei 60% Deployment bis 2012 20$/Kunde/Jahr bei 20% Deployment bis 2012 massiver Einsatz von Makrozellen könnte bei geringem Deployment nicht
vermieden werden > kaum Kostenvorteile 1,5 Jahre bis zum Return of Investment (ROI)
Das Nutzerverhalten ändert sich.
Heute Zukunft
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 23
Masse an Femtozellen
Bei vielen Femtozellen auf engem Raum … ... muss sichergestellt sein, dass alle Käufer einer Femtozelle diese auch sinnvoll
nutzen können … muss die Vergabe der Radioparameter zB. WCDMA Codes so geregelt sein,
dass alle Nutzer noch eine hohe Datenrate haben, trotz der Nutzung einer Frequenz, weil sie hierfür die Femtozelle gekauft haben
… müssen die Sendestärken der Femtozellen zueinander angepasst werden … müssen die Algorithmen zur Selbstkonfiguration der Femtozellen immer eine
stabile Konfiguration finden und es darf nicht zu Oszillationen kommen … bei sehr vielen Femtos, wäre das deaktivieren einiger Zellen eine sinnvolle
Alternative, dies führt aber zu Problemen, da Kunden die Leistung dann nicht in Anspruch nehmen können
Bei vielen Femtozellen im Bereich einer Makrozelle … … muss sichergestellt sein, dass die Makrozelle noch erreichbar ist … muss die Übergabe (Handover) beim Verlassen des Bereiches der Femtozelle
funktionieren … können Mikrozellen teilweise sogar abgeschaltet werden, da Anrufe nur noch
über Femtozellen, was die Makrozelle überflüssig macht
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 24
Probleme: Günstige Implementierung + QoS
Problem: Quality of Service bei Breitbandnutzung des Kunden
Lösung: Priorisierung des Sprachpakete Priorisierung der Zeitsynchronisationspakete Beachtung anderer Verbindungen wie VPN
Problem: Kostengünstige Implementierung
Lösung: Günstigere Bauteile Implementierung in Software (Femtocellonachip) – weniger Bauteile Softwareupdates für zukünftige Funktechnologien Drastischer Preisverfall in Prozessoren Nutzung der Router als Plattform um Bill of Materials zu verkürzen Mitfinanzierung durch Netzbetreiber
Femtozellen – Base Station For The Masses Sören Ruttkowski 25
Weitere Problemstellungen
Problem: Offene oder geschlossene Femtozellen
Lösung: Konfiguration durch Benutzer Filtern der Benutzer durch Beachtung der gesetzlichen Vorschriften bezüglich Notrufen Lokalisierung der Stationen muss gegeben sein (Notrufe)
�
Offene Femtozellen könnten Breitbandverbindung überfordern
Problem: Handovers zwischen Makronetz und Femtozelle
Lösung: Momentan wird nur der Ursprungsort eines Anrufs gespeichert Übergang zwischen Makronetz und Femtozelle muss auch während eines
Gespräches funktionieren Billing muss an Ort des Gespräches gekoppelt sein Synchronisation nötig