Femtozellen – Basestation For The Masses

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


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


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


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.


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.


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


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


Integration in bestehende Netze II


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


Integration in bestehende Netze III


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Femtozellen – Basestation For The Masses

Fragen?


Back Up Folien


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


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


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


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

Documents

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