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Konzeptionierung eines Spektrum-Management-Systems für heterogene Funklandschaften

  • Die Einführung des Internets hat einen stetigen Wandel des täglichen, sowie beruflichen Alltags verursacht. Hierbei ist eine deutliche Verlagerung in den virtuellen Raum (Internet) festzustellen. Zusätzlich hat die Einführung von sozialen Netzwerken, wie beispielsweise Facebook das Verlangen des Nutzers immer „online“ zu sein, deutlich verstärkt. Hinzu kommen die kontinuierlich wachsenden Datenmengen, welche beispielsweise durch Videostreaming (YouTube oder Internet Protocol Television (IPTV)) oder den Austausch von Bildern verursacht werden. Zusätzlich verursachen neue Dienste, welche beispielsweise im Rahmen vom Internet der Dinge und auch Industrie 4.0 eingeführt werden, zusätzliche Datenmengen. Aktuelle Technologien wie Long Term Evolution Advanced (LTE-A) im Funkbereich und Very High Speed Digital Subsciber Line (VDSL) beziehungsweise Glasfaser in kabelgebundenen Netzen, versuchen diesen Anforderungen gerecht zu werden. Angesichts der steigenden Anforderungen an die Mobilität des Nutzers, ist die Verwendung von Funktechnologien unabdingbar. In Verbindung mit dem stetig wachsenden Datenaufkommen und den ansteigenden Datenraten ist ein wachsender Bedarf an Spektrum, also freien, beziehungsweise ungenutzten Frequenzbereichen einhergehend. Für die Identifikation geeigneter Bereiche müssen allerdings eine Vielzahl von Parametern und Einflussfaktoren betrachtet werden. Einer der entscheidenden Parameter ist die entstehende Dämpfung im betrachteten Frequenzbereich, da diese mit steigender Frequenz größer wird und somit die resultierende Abdeckung bei gleichbleibender Sendeleistung sinkt. In aktuellen Funksystemen werden Frequenzen < 6 GHz verwendet, da diese von den Ausbreitungseigenschaften geeignete Eigenschaften aufweisen. Des Weiteren müssen vorhandene Nutzungsrechte, Inhaber des Spektrums, Nutzungsbedingungen und so weiter im Vorfeld abgeklärt werden. In Deutschland wird die Koordination von der Bundesnetzagentur vorgenommen. Aufgrund der Vielfalt der vorhandenen Dienste und Anwendungen ist es leicht ersichtlich, dass der Frequenzbereich < 6 GHz stark ausgelastet ist. Neben den kontinuierlich ausgelasteten Diensten wie zum Beispiel Long Term Evolution (LTE) oder Digital Video Broadcast (DVB), gibt es spektrale Bereiche, die nur eine geringe zeitliche Auslastung aufweisen. Markant hierfür sind Frequenzbereiche, welche beispielsweise ausschließlich für militärische Nutzung reserviert sind. Bei genauerer Betrachtung fällt auf, dass sich dies nicht ausschließlich auf den zeitlichen Bereich beschränkt, vielmehr ergibt sich eine Kombination aus zeitlicher und räumlicher Beschränkung, da die Nutzung meist auf einen räumlichen Bereich eingrenzbar ist. Eine weitere Einschränkung resultiert aus der derzeit starren Vergabe von Frequenzbereichen. Die Zuteilung basiert auf langwierigen Antragsverfahren und macht somit eine kurzfristige variable Zuteilung unmöglich. Um diesem Problem gerecht zu werden, erfolgt im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung eines generischen Spektrum-Management-Systems (SMSs) zur dynamischen Zuteilung vorhandener Ressourcen. Eine Anforderung an das System ist die Unterstützung von bereits bekannten Spektrum Sharing Verfahren, wie beispielsweise Licensed Shared Access (LSA) beziehungsweise Authorized Shared Access (ASA) oder Spectrum Load Smoothing (SLS). Hierfür wird eine Analyse der derzeit bekannten Sharing Verfahren vorgenommen und diese bezüglich ihrer Anwendbarkeit charakterisiert. DesWeiteren werden die Frequenzbereiche unterhalb 6 GHz hinsichtlich ihrer Verwendbarkeiten und regulatorischen Anforderungen betrachtet. Zusätzlich wird ein erweiterter Anforderungskatalog an das Spektrum-Management-System (SMS) entwickelt, welcher als Grundlage für das Systemdesign verwendet wird. Essentiell ist hierbei, dass alle (potentiellen) Nutzer beziehungsweise Inhaber eines spektralen Bereiches die Funktionalität eines derartigen Systems verwenden können. Hieraus ergibt sich bereits die Anforderung der Skalierbarkeit des Systems. Zur Entwicklung einer geeigneten Systemarchitektur werden bereits vorhandene Lösungsansätze zur Verwaltung und Speicherung von Daten hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit verglichen und bewertet. Des Weiteren erfolgt die Einbeziehung der geografischen Position. Um dies adäquat gewährleisten zu können, werden hierarchische Strukturen in Netzwerken untersucht und auf ihre Verwendbarkeit geprüft. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Spektrum-Management- Systems (SMSs) durch Adaption bereits vorhandener Technologien und Verfahren, sowie der Berücksichtigung aller definierten Anforderungen. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer zentralisierten Broker- Lösung nicht geeignet ist, da die Verzögerungszeit einen exponentiellförmigen Verlauf bezüglich der Anzahl der Anfragen aufweist und somit nicht skaliert. Dies kann mittels einer Distributed Hash Table (DHT)- basierten Erweiterung überwunden werden ohne dabei die Funktionalität der Broker-Lösung einzuschränken. Für die Einbringung der Geoinformation hat sich die hierarchische Struktur, vergleichbar zum Domain Naming Service (DNS) als geeignet erwiesen. Als Parameter für die Evaluierung hat sich die resultierende Zugriffszeit, das heißt die Zeit welche das System benötigt um Anfragen zu bearbeiten, sowie die resultierende Anzahl der versorgbaren Nutzer herausgestellt. Für die Simulation wird ein urbanes Areal mit fünf Gebäuden betrachtet. In der Mitte befindet sich ein sechsstöckiges Firmengebäude, welches in jedem Stockwerk mit einem Wireless Local Area Network Access Point (WLAN-AP) ausgestattet ist. Umliegend befinden sich vier Privathäuser, welche jeweils mit einem WLAN-AP ausgestattet sind. Das komplette Areal wird von drei Mobilfunkbetreibern mit je einer Basisstation (BS) versorgt. Als Ausgangspunkt für die Evaluierung erfolgt der Betrieb ohne SMS. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass eine Überlastung der Long Term Evolution Basisstationen (LTE-BSen) vorliegt (im Speziellen bei Betreiber A und B). Im zweiten Durchlauf wird das Szenario mit einem SMS betrachtet. Zusätzlich kommen in diesem Fall noch Mikro Basisstationen (Mikro-BSen) zum Einsatz, welche von der Spezifikation vergleichbar zu einem Wireless Local Area Network (WLAN) sind. Hier zeigt sich ein deutlich ausgewogeneres Systemverhalten. Alle BSen und Access Points (APs) befinden sich deutlich unterhalb der Volllastgrenze. Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit belegen, dass ein heterogenes, zeitweise überlastetes Funksystem, vollständig harmonisiert werden kann. Des Weiteren ermöglicht der Einsatz eines SMSs die effiziente Verwendung von temporär ungenutzten Frequenzbereichen (sogenannte White- und Gray-spaces).

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Metadaten
Author:Jörg Schneider
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-54614
ISBN:978-3-8439-3672-9
Publisher:Dr. Hut
Place of publication:München
Advisor:Hans Dieter Schotten, Karl Jonas
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2019/01/09
Date of first Publication:2018/07/10
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2018/01/26
Date of the Publication (Server):2019/01/11
Tag:Bootstrapping; Datenbankanbindungen und Datenorganisation; Detektionsverfahren; Distributed Hash Tables; Hierarchische verteilte Architekturen; Plug and Play; Self-X; Spectrum Management System; Spectrum Sharing; Spektrumnutzungsregeln; Zeitsynchronisierung
Number of page:XXV, 218
Source:https://www.dr.hut-verlag.de/9783843936729.html
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 621.3 Elektrontechnik, Elektronik
Licence (German):Zweitveröffentlichung