Analytische Modellierung zur Systemdimensionierung von 4G WiMAX Mobilfunknetzen

Die zunehmende Verbreitung von Smartphones führt zu einem exponentiellen Wachstum des mobilen Datenverkehrs. Dies erfordert einen weiteren Ausbau der Mobilfunknetze der vierten Generation, wie WiMAX und LTE. Gleichzeitig zwingt der harte Wettbewerb die Netzbetreiber, Ausbau- und Betriebskosten deutlich zu reduzieren. Daher ist die mittlere Zellauslastung zu erhöhen und zur Gewährleistung der Dienstqualität QoS-Unterstützung einzuführen. Dies erfordert eine Weiterentwicklung der Planungswerkzeuge unter Einbeziehung von QoS-Einflüssen.

Die vorliegende Arbeit beschreibt analytische Modelle zur Systemdimensionierung des 4G-Mobilfunknetzes WiMAX.

Der zu Grunde liegende IEEE 802.16-2012 Standard spezifiziert das Frameformat, die Nachrichten und das QoS-Konzept mit Verkehrsüberwachung und Scheduling. Konkrete Algorithmen werden allerdings nicht beschrieben.

Kein Ansatz zur Verkehrsüberwachung erfüllt die Forderung des Standards nach einer strikten zeitlichen Begrenzung des Integrationintervalls der Verkehrsmessung. Daher werden mit dem ACC und dem APP zwei eigene Algorithmen vorgestellt. Die Leistungsbewertung zusammen mit einem existierenden Ansatz zeigt, dass nur der ACC die Anforderungen des Standards erfüllt.

Mit dem TRBS wird ein QoS-unterstützender hybrider Scheduler vorgestellt. Nachrangig zu den QoS-Anforderungen erreicht dieser eine Gleichbehandlung der Teilnehmer, bezogen auf Funkressourcen. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen unterscheidet der TRBS nicht zwischen Dienstklassen sondern zwischen garantierten und zulässigen Übertragungsanforderungen. Die Gegenüberstellung mit einem verbreiteten PF-Scheduler zeigt eine signifikante Leistungssteigerung, insbesondere für Echtzeit-Verbindungen.

Zur Entwicklung der analytischen Modelle wird zuerst der Einfluss des Frameformates und des Overheads unter idealen Kanalbedingungen untersucht. Die Modelle für garantierten und zulässigen Verkehr übertreffen mit einer Genauigkeit von 10^-3 bekannte Ansätze um den Faktor 10. Darüber hinaus wird mit Burst-Aggregation eine effizientere Variante des Downlink-Subframes modelliert.

Abschließend werden die analytischen Modelle um die Beschreibung realitätsnaher Kanalbedingungen erweitert. Unter diesen Bedingungen sinkt die Genauigkeit auf 10^-1 ab. Die vorgestellten analytischen Modelle können in kommerziellen Planungswerkzeugen zum Einsatz kommen und damit zu einem kosteneffizienteren Aufbau und Betrieb des 4G-Mobilfunknetzes WiMAX beitragen.