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Wie kommt das Fernsehen zukünftig aufs Smartphone?5G? TOoL+? TOo5G?

Ilmenau, 16. Mai 2017

Prof. Dr.-Ing. U. Reimers | Fernsehen aufs Smartphone | Ilmenau, 16. Mai 2017 | 2 / 38

Gliederung meines Vortrages1. Einleitung: Fernsehen aufs Smartphone? Ein erster Fakten-Check

2. eMBMS („LTE Broadcast“) – das ist doch schon die Lösung (?)

3. Na, aber wenn erst mal 5G kommt

4. Unsere Alternative: Tower Overlay over LTE-A+ (TOoL+)

5. „feMBMS“: Mobilfunk-“Vendor“ nähern sich unserer TOoL+-Idee

6. Vielleicht die Lösung? Ein Tower Overlay für 5G-Netze

7. Zusammenfassung


Jährlich schafft der CISCO Visual Networking Index den Anlass, sich Gedanken zu machen

75%

1 ExaByte sind 1000 * 1000 * 1000 GByte, also 1018 Byte

Also: Die Mobilfunk-Netze werden zu „Video-Netzen“. Dafür wurden sie aber nicht konzipiert


Zu den genannten Datenmengen kommen solche, die über das vom Festnetz-Internet versorgte WiFi konsumiert werden

VorigesBild

1 ExaByte sind 1000 * 1000 * 1000 GByte, also 1018 Byte


Moderne SmartPhones und Tablet-PCs sind die Verursacher der Video-Datenflut

140 mm

Das hier beispielhaft dargestellte iPhone 6s Plus hat eine Display-Auflösung, die demHDTV-Bildformat mit 1920 * 1080 Bildpunkten entspricht

Quelle: www. apple.com, 5. März 2016


Smartphone Nutzer/innen in Deutschland (von 82,2 Mio.)

(Quelle: www.statista.de, 17. April 2017)


Mobile Endgeräte und ihre Anforderungen an Video-Datenraten Mehr und mehr sind mobile Endgeräte mit hochwertigen Displays und leistungsfähiger

Hard- und Software in Gebrauch. Dazu einige Marktzahlen:

In Übereinstimmung mit Kollegen aus dem Fraunhofer Institut HHI prognostiziere ich: Unter Verwendung des Video-Codierungs-Standard HEVC benötigt man zur adäquaten „Medienversorgung“ eines Tablets oder eines hochwertigen SmartPhones etwa 1,3 Mbit/s, davon 1 Mbit/s für Video

Würde ein Mensch auf seinem Tablet pro Tag 221 Minuten lang Video konsumieren (das ist die Fernseh-Nutzungsdauer der Durchschnitts-Deutschen), wären das 2,2 GByte/Tag. Schon bei nur einer Stunde pro Tag resultieren 0,597 GByte/Tag. Der heutige SmartPhone-Besitzer konsumiert im Schnitt 0,5 GByte/Monat


Insbesondere Netzausrüster möchten eMBMS als Lösung aller Probleme promoten (oder wollten es?)Nokia Networks first to trial LTE for national TV broadcasting

July 29, 2014Espoo, Finland – Nokia Networks is pioneering the technology needed to efficiently use LTE for nationwide TV broadcasting. The company is working with a range of partners* in theworld’s first field trial of wide-area TV broadcasting using a single LTE frequency within UHF spectrum. In a Single Frequency Network (SFN) all base stations use exactly the same frequency to transmit TV content, which maximizes the number of simultaneous TV channelsbroadcast over a large geographical area in a given amount of spectrum.

* The field trial is being run by Nokia Networks together with the Institut für Rundfunktechnik, the research institute of broadcasting companies in Austria, Germany and Switzerland, Bavarian broadcast company, Bayerischer Rundfunk, and further research partners.

(Anmerkung: Das Projekt trug den Titel IMB5)


Gefördert von der Bayerischen Forschungsstiftung erprobten das IRT und Partner wie der BR, Nokia und Rohde&Schwarz die Möglichkeiten der TV-Verbreitung über eMBMSim Gleichwellenbetrieb (eMBMS SFN).

Das Ergebnis war vorhersehbar (aber wenn es Fördergelder gibt)

Quelle der Karte: FKT 10/2015








7. Zusammenfassung


5G: Was ist das?Die Vision eines der Hersteller

Source: http://networks.nokia.com/file/28771/5g-white-paper


5G: Wann?Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) plant so

WRC-15 WRC-19

Bericht: Technologie -

TrendsBericht: IMT-

Machbarkeit über 6 GHz

Empfehlung: Vision der IMT

nach 2020

Anforderung: Technische Leistungs-fähigkeitDefinition:

Auswertungs-kriterien und -methoden

Vorschläge“IMT-2020”

Auswertung der Vorschläge

Konsens-Erarbeitung

Spezifikation“IMT-2020”

2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

IMT: International Mobile TelecommunicationsWRC: World Radiocommunication Conference


Frequenz-Ressourcen für 5G Unterhalb 6 GHz sind nur wenige Frequenz-Ressourcen für 5G verfügbar Wenn 5G unterhalb 6 GHz eingesetzt werden soll, ist „refarming“ erforderlich Selbst wenn eine spektrale Effizienz von 10 bit/s/Hz (zum Beispiel durch eine 1024 QAM)

praktikabel wäre, benötigte eine Roh-Datenrate 10 Gbit/s als Bandbreite 1000 MHz Man darf annehmen, dass 5G hauptsächlich oberhalb 6 GHz eingeführt wird, z. B. bei 60

GHz oder bei 72 GHz Dies wird es erforderlich machen, das Konzept klassischer zellularer Netze zu erweitern Zusätzlich zu Basisstationen mit traditionellen Sektor-Abdeckungen bei relativ niedrigen

Frequenzen ist Massives Beamforming in Planung, um „Data Pipes“ zu schaffen, die den erheblichen Pfadverlust bei hohen Frequenzen kompensieren

Ist Beamforming eine Form vonUnicast auf dem Physical Layer?


Ein Parameter-Vorschlag aus dem Hause Ericsson für 5G OFDM in Ultra-Dichten Netzen (UDN)

Parameter WertBelegte Kanalbandbreite 2000 MHzAbstand der OFDM-Träger 360 kHzTatsächlich genutzte OFDM-Träger 5121 => 1843 MHzSymbol-Dauer ohne Guard-Intervall 2.778 µsDauer des Guard-Intervalls 347.222 nsGesamtdauer eines Symbols 3.125 µsDauer eines Subframes 100 µs (32 Symbole)Roh-Datenrate bei 64 QAM 9832 Mbit/s

Source: Baldemair, R.; Balachandran, K. et al.: Ultra-Dense Networks in Millimeter-Wave Frequencies.IEEE Communications Magazine, January 2015

Das Guard-Intervall erlaubt eine maximale Echopfad-Differenz von etwa 104m.Der Einsatz von Massivem Beamforming reduziert andererseits Echo-Probleme


Ein 5G-Zwischenfazit Mit Blick auf die Frage der Frequenz-Ressourcen gehen viele Autoren davon aus, dass

5G-Netze im Millimeter-Wellenlängen-Bereich angesiedelt sein werden – und dann braucht es mehrere Netzwerk-Layer und unter anderem Ultra-Dense Networks (UDN) Netzwerk-Layer 1 besteht vielleicht aus dem heutigen LTE (in weiteren Releases) Netzwerk-Layer 2 besteht aus Zellen für die Versorgung außerhalb von Gebäuden mit

Zell-Abständen von ungefähr 50m bei 6 GHz Netzwerk-Layer 3 nutzt Zellen im Gebäude mit Abständen von einigen Metern bei 60

GHz Die Verbindung der Zellen durch Backhauling und oder Fronthauling wird eine

Herausforderung

Also: Wenn 5G die Versprechen erfüllt, wird es eine tolle Lösung, aber wer weiß schon, was 5G ist? Bisher scheint nur jeder zu wissen, wofür es gut wäre

Ob die gewaltigen Infrastruktur-Anforderungen bereits in wenigen Jahren erfüllt werden können, bleibt abzuwarten

Vielleicht hilft auch bei 5G ein Brückenschlag zum Broadcast dabei, Infrastruktur- und Kostenentlastungen zu ermöglichen – in jedem Fall hilft er bei LTE


Und die Investition in 5G-Netze wird ja sicherlich kein Problem sein?Aus der FAZ vom 6. Mai 2017:

Telefónica Deutschland enttäuscht

… Obwohl das Unternehmen 355.000 Handykunden, davon die Hälfte mit Vertrag, hinzugewinnen konnte und damit seine Position als kundenstärkster deutscher Anbieter vor

der Deutschen Telekom und Vodafone verteidigt, ist der Gesamtumsatz von Januar bis März um fast 5 Prozent abgerutscht ...

… Die monatliche Einnahmen je Kunde sanken von 10,3 auf 9,6 Euro …


Wenn Sie zu 5G mehr wissen wollen, trauen Sie sich doch mal an dieses Buch heran – ich fand es sehr lesenswert “The advent of 4G effectively provided a capacity enhancement of around 2.5x at very little extra cost. The same will not happen for 5G. Relatively low-cost capacity enhancements will likely provide less than 2x improvements.”

“Chapter 4 has shown that the economics of the mobile industry have changed substantially over the decades. From a time during 2G when the MNOs were some of the most profitable listed companies they have fallen to the point where they are underperforming the “all sector” benchmarks by some 50%.”

“Chapter 5 has shown that it is in the interests of all the key players to be supportive or even strong promoters of 5G. Academics benefit from 5G initiatives as sources of funding. Manufacturers rely on the roll-out of 5G to provide a boost in revenues. Operators fear if they step out of line they will suffer competitive disadvantage. Governments see political benefit in being supportive. It is in nobody’s interest to rock the boat.”


Ein Tower Overlay über LTE-A+ (TOoL+)

LTE eMBMS wird derzeit von einigen Mobilfunknetzbetreibern eingeführt. Innerhalb der Mobilfunk-Netzzellen ermöglicht es Multicast (LPLT). Aber eben nur innerhalb der Zellen

Wir erweitern LTE eMBMS um einen überlagerten weiteren „Carrier“. Der bietet die Video-Daten. Wir nennen das Konzept „Tower Overlay“

Der Overlay ist Teil desLTE-A+ -Netzes, denn ernutzt die in LTE-Abereits vorgesehene CarrierAggregation

Kann man sich sogar vorstellen,dass mehrere Mobilfunknetz-Betreiber für Live-Video undähnliche Angebote einenOverlay gemeinsam nutzen?


Für die Erfindung von „Tower Overlay over LTE-A+ (TOoL+)“ wurden wir „Ausgezeichneter Ort 2015“


Wir haben das Gesamtsystem mit unserer generischen SDR Umgebung realisiert, dem „IfN Generic SDR Toolkit“


Wir haben das System mittels der FutureExtension Frames (FEF) in DVB-T2 realisiert Ein Tower Overlay kann auch ohne DVB-T2 realisiert werden, aber: Unser Ansatz könnte der Migrationspfad vom klassische Broadcast hin zu einem

exklusiven LTE-A+ -Tower Overlay werden Es ist ein attraktives Modell für die Betreiber heutiger Broadcast-Netze In allen Ländern gibt es bereits High Power High Tower-(Broadcast-)Netze. Die können

weiter genutzt werden Die (internationale) Frequenz-Koordinierung ist bereits erledigt Ein Tower Overlay könnte eine gemeinsame Ressource der Mobilfunknetzbetreiber

eines Landes sein. Da mag es eine gute Idee sein, dass ein Dritter, der bisherige Broadcast-Netz-Betreiber, den Overlay betreibt

Eine gute Nachricht:Im Rahmen der Entwicklung von ATSC 3.0 als zukünftiger Standard in den USA, Kanada, Mexiko etc. wurde die Einfügung von FEFs bereits beschlossen. Ein Tower Overlay wird dadurch in zahllosen Ländern möglich


In Italien wird TOoL+ getestet


Über den Feldversuch in Paris ein wenig mehr Detail

WiFi

Tablet

VoD…

TV

Transmitter

LTE-A+ receiver

Line

ar/n

on li

near

con

tent

LTE-A+modulator

DVB-T2 HDTV

DVB-T2modulator

Quelle der Grafik: Pierre Bretillon, TDF

Wie nahezu immer arbeiten wir hier mit internationalen Partnern zusammen – aus Frankreich,Italien und USA


Messungen mit mobilen Empfängern deckten weite Teile des Südostens von Paris ab Die Durchschnitts-Fahrgeschwindigkeit lag bei 30 km/h (mit 80 km/h Spitzengeschwin-

digkeit). Daten aus 18 Stunden Messdauer standen zur Auswertung zur Verfügung

Verteilung der Empfangsleistungen in Paris

Eiffel Tower


Parameter beim Feldversuch in Paris

Parameter DVB-T2LTE-A+

PMCH 1 PMCH 2 PMCH 3 PMCH 4

Trägerfrequenz 738,166 MHz (Kanal 54)

Kanalbandbreite 8 MHz

Sendeleistung lediglich 2,7 kW ERP

Modulation 64-QAM QPSK QPSK 16-QAM 64-QAM

Coderate 0.5 0.28 0.49 0.51 0.43

Datenrate (für 100% Kapazitätsnutzung)

18,4 Mbit/s 2,9 Mbit/s 5,0 Mbit/s 10,3 Mbit/s 130 Mbit/s

Trägerabstand 558 Hz 2,5 kHz; 7,5 kHz; 15 kHz

Guard Interval 266 µs 100 µs; 33,3 µs; 16,7 µs

FFT-Größe 16k (ext.) 6144; 2048; 1024

LTE-A+-Anteil 50%; 100%


Vergleich der Paket-Fehlerraten des DVB-T2- und diverser LTE-A+-modi

Der Clou: Bei vergleichbarer Modulation und Coderate sind beide Systeme ähnlich

Bitte die Absolutwerte auf der Abszisse nicht für das letzte Wort halten. Unser Empfänger-Frontend ist ein Laborgerät


Bei gegebener Modulation und Coderate hat eine Veränderung des OFDM-Trägerabstandes bei LTE-A+ keinen Einfluss


Auf dem Weg zur möglichen Standardisierung in 3GPP Das System wurde in Feldversuchen getestet und die Eignung des Overlay per DVB-T2

konnte verifiziert werden Parallel dazu hat das TOoL+-Team die LTE-A+-Komponenten so weit entwickelt, dass der

Live-Demonstrator sowohl LTE-A Unicast wie auch LTE-A eMBMS umfasst Je nach Popularität von z.B. Videostreams (Live Video, Slashdots etc.) schalten wir mittels

einer Decision Logic dynamisch zwischen den Verbreitungswegen um Unter Verwendung von SiMoNe (Simulator for Mobile Networks, eine Entwicklung der

Abteilung für Mobilfunksysteme des IfN) binden wir realitätsnahe Simulationen von Mobilfunknetzen in unseren Demonstrator ein

Die Simulation basiert auf Mobilfunkdaten in Hannover und nutzt ein zellulares Mobilfunknetz mit 121 Sektoren


Im Rahmen der Next Generation Mobile Networks (NGMN)-Konferenz 2016 konnten wir das Gesamtsystem live zeigen


In unserem Testnetz in Hannover werden im Moment 195 Sektoren für Unicast (rot) bzw. auch für eMBMS (blau) genutzt

Ein Bildschirm-Schnappschuss aus der Live-Demonstration. Viele Zellen sind trotz eMBMSüberlastet, weil einige Personen ein HD-Video betrachten


Und in diesem Moment wurde der Overlay (gelb) dazu geschaltet. eMBMS konnte außer Betrieb genommen werden

Es gibt keine überlastete LTE-Zellen mehr. (Nicht alle Nutzer konnten durch den Overlaybedient werden. Diese werden weiterhin per Unicast bedient)


Ein Ergebnis quantitativ: Nicht bediente Datenanfragen (Mbit/s) als Funktion des Prozentsatzes der HD-Video-Nutzer








7. Zusammenfassung


Und plötzlich gibt es Bewegung in Richtung auf den TooL+-Ansatz

VI. CONCLUSIONSThis paper discussed possible physical layer improvements of LTE eMBMS sub-system to improve the spectrum efficiency and service quality. It is identified that use of wide RF bandwidth, e.g., 30+ MHz, use of Layered Division Multiplexing (LDM), use of large CPduration for large cell radius, and implementation of Single Frequency Network (SFN) will greatly reduce the interference, improve the reception quality and achieve more efficient use of the spectrum. Studies showed that 15 km cell radius and 200 μs CP could be a good combination. Omni-directional receiving antenna can be used for easy reception and installation.

94 km2

Quelle: IEEE BMSB 2016, Paper 111


Tatsächlich wird nun in 3GPP ein Ansatz verfolgt, der den Arbeitsnamen „feMBMS“ trägt

Quelle: Samsung

Und nun nähern wir uns den TOoL+-Parametern bzw. DVB-T2


Der derzeitige Status der „feMBMS“-Entwicklung In 3GPP ist das System „evolved Multimedia Broadcast Multicast Service (eMBMS)“

bereits spezifiziert. „further evolved Multimedia Broadcast Multicast Service (feMBMS) ist das neue Thema,

an dem derzeit gearbeitet wird

feMBMS erweitert die Möglichkeiten eines „gemischten“ Trägers

feMBMS führt einen dedizierten und eigenständigenBroadcast-Träger ein

Nicht alle Subframes unterstützen den neu definierten max. CP von 200 µs!

X #1 #2 #3 #4 X #6 #7 #8 #9

Radioframe (10 ms) = 10 Subframes (je 1 ms)

Potentielle Subframes für eMBMS und feMBMS

Kontrolldaten und Sync. ermöglichen nur UnicastX

Zusätzliche potentielle Subframes für feMBMS

Radioframe

feMBMS Subframe (Cyclic Prefix bis 200 µs möglich)

Neue Anordnung von Kontrolldaten und Sync. innerhalb eines oder mehrerer (bis zu 4) Cell Acquisition Subframes (CP auf max. 16,7 µs beschränkt!)

4 Radioframes (40 ms)

…


Ein Tower Overlay über 5G-Netze (TOo5G)Das Ziel von Tower Overlay über 5G (TOo5G) ist die Einbringung der Entwicklungen und Ideen aus dem TOoL+-System in den 5G-Standard oder eine Erweiterung des Standards. Ein zusätzliches „Netzwerk-Layer 0“ besteht aus Zellen, die von einem

High-Tower/High-Power-Netzwerk mit Zell-Abständen von über 60 km oder von einem Medium-Tower/Medium-Power-Netzwerk ausgesendet werden. Dafür werden weiterhin UHF-Frequenzen genutzt.

Über diese Infrastruktur werden populäre Inhalten ausgesendet. Da ein hoher Anteil der Geräte, die den 5G-Standard unterstützen, diese Übertragung empfangen können, werden die anderen Netzwerk-Layer entlastet.

Die Standardisierung der 5G-Luftschnittstelle ist noch nicht abgeschlossen und bisher ist in 3GPP kein Tower Overlay spezifiziert. Die bisherigen Beschlüsse begünstigen jedoch die Erweiterung durch ein Tower Overlay: Es ist weiterhin ein OFDM-basiertes Modulationsverfahren vorgesehen, wie es bei fast

allen modernen Broadcasting-Standards bereits zur Anwendung kommt. Für die Übertragung von Nutzdaten werden Low-Density-Parity-Check-Codes (LDPC)

eingesetzt. Diese werden z. B. bereits in DVB-T2 eingesetzt. Die für die Übertragung von Signalisierungsdaten neu eingeführten Polar Codes sind

ebenfalls für Broadcasting-Übertragungen geeignet.


Zusammenfassung Die Bereitstellung von (Live-) Videos hoher Qualität auf SmartPhones und Tablets ist eine

Herausforderung für die Mobilfunk-Netze – heute und in der Zukunft

Zu glauben, dass der heutige zellulare Mobilfunk „alles alleine“ kann, ist naiv – und hier sehe ich nicht allein technische, sondern auch wirtschaftliche Gründe (die Flat Rate ist schon heute praktisch tot)

5G ist noch weiter weg, als manche glauben (und vielleicht wird LTE-D ja irgendwann 5G genannt werden?)

Im IfN der Technischen Universität Braunschweig erdenken wir seit Jahren „Brückenlösungen“ – und können sie mit SDR selber umsetzen (ein TRAUM!)

Natürlich entstehen dabei viele Erfindungen und Patentideen

Wir sind mit Partnern aus diversen Ländern auf dem Weg zu der weltweiten Mobilfunk-Standardisierungs-Organisation 3GPP, um unsere Ideen in die geplanten Mobilfunk-Standards LTE-B, LTE-C und 5G einzubringen


Vielen Dank fürIhre Aufmerksamkeit.

Prof. Dr.-Ing. U. [email protected]

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