Refine
Year of publication
- 2018 (1) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (1)
Language
- German (1)
Has Fulltext
- yes (1)
Keywords
- Plug and Play (1) (remove)
Faculty / Organisational entity
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).