User Facilitated Real-Time Inter-Operator Resource Sharing [Elektronische Ressource] / Ahmet Cihat Toker. Betreuer: Sahin Albayrak

Ahmet Cihat Toker

Sujets

• Informatik

Informations

• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 12
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

User Facilitated Real-Time Inter-Operator
Resource Sharing
vorgelegt von
Ahmet Cihat Toker, M.Sc.
aus Ankara
Von der Fakult¨at IV - Elektrotechnik und Informatik
der Techischen Universit¨at Berlin
zur Erlangung der akademischen Grades:
Doktor der Ingenieurwissenschaften
Dr.-Ing.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Peter Pepper
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Sahin Albayrak
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Dr. h. c. Alexander Schill
Tag der wissenschaftlichen Aussprache:17.3.2011
Berlin, 2011
D 83Erkl¨arung der Urheberschaft
Ich erkl¨are hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit ohne Hilfe Dritter
und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe; die aus
fremdenQuellen direkt oderindirekt u¨bernommenenGedanken sind als solche kenntlich
gemacht. Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder a¨hnlicher Form in keiner anderen
Pru¨fungsbeho¨rde vorgelegt.
Berlin, den 18.03.2011 Ahmet Cihat Toker
iAbstract
Ein Historiker der Technologie im Jahr2100 k¨onnte das AppleIphonemit dem T-Model
Henry Ford’s vergleichen. Wie das T-Model vom letzten Jahrhundert, stellte dasIphone
demEndbenutzer,eineVielfalt vonschonexistierendenTechnologien ineinembenutzer-
freundlichenPaket zurVerfu¨gung. Dadurch ermo¨glichte Apple, dassdieMassen auf ihre
beliebten Internet-Diensten unabh¨angig von ihrer Mobilit¨at und ihrem Aufenthaltsort
zugreifen k¨onnten. Das war ein wichtiger Wendepunkt fu¨r die Telekom Operatoren, die
seit Anfang der 2000er Jahren in Kommunikationinfrastruktur investierten, die solche
Datendienste fu¨r ein großes Publikum anbieten sollten. Diese Investitionen wurden be-
gleitet durch Werbekampagnen, die ein großes Versprechen verku¨ndeten: ”Always Best
Connected” - immer die beste Verbindung- oder ”Anytime, anywhere”- jederzeit und
u¨berall- lauteten die Devisen. Jetzt wollen die Benutzer dieses Versprechen mit den
Nachbebenwellen der Iphone-Revolution, den sogenannten ”Smart Phones”, ausleben.
Fu¨r die Telekom Operatoren stellt diese Entwicklung sowohl Herausforderungen als
auch Gescha¨ftschancen dar. Um Kapital aus der rasch zunehmenden Datenverkehrlast
schlagenzuk¨onnen,mu¨ssendieOperatorendafu¨rsorgen,dassdieserAnstiegdieQualita¨t
derDienstenichtsto¨rt,diedieBenutzerempfinden. EinneuerBegriffnamens”Qualityof
Experience (QoE) ” -Qualita¨t des Diensterlebnis- bezeichnet die subjektive Beurteilung
der Benutzer, wie befriedigend die Ablieferung eines Datendienstes u¨ber ein bestimmtes
Operator-Netzwerk ist. Je mehr Benutzer es in einem Netzwerk gibt, desto schwieriger
wird es, die Bedu¨rfnisse der Benutzer zu erfu¨llen. Der Grund dafu¨r ist die Tatsache,
dass die Kapazita¨t der verschiedenen Knoten der Operator-Netzwerke begrenzt ist. Fu¨r
¨die Ubertragungder Datendienste braucht ein Operator eine drahtlose Funkschnitstelle,
verschiedeneRouterundHochgeschwindigkeitsverbindungenzwischendiesenElementen.
Alle diese Komponenten haben limitierte Ressourcen. Wenn die Anzahl der Benutzer,
die diese Elemente teilen, steigt, sink die Leistungsf¨ahigkeit dieser Elementen. Dies
fu¨hrt dazu, dass die Benutzer schlechtere Qualittsmerkmale empfinden, sowie gro¨ßere
Verzo¨gerungenodereinAnstiegderPaketverluste. Letztendlichbedeutendieseniedrigen
Performanzmerkmale auch niedrige QoE Werte fu¨r alle Benutzer.
DieOperatorenhabendreistrategischeM¨oglichkeiten, diesesProblemanzugehen. Die
traditionelle Maßnahme gegen Kapazita¨tsengp¨asse ist mehr Investition in Infrastruktur.
DieseOptionhatzwei Hindernisse: dasersteistdieLage derWeltwirtschaft. Sieerlaubt
es momentan kaum, Kapital in einer Industrie anzulegen, die vor ein paar Jahren eine
große Menge von Investitionen erhielt. Zweitens wird es immer schwieriger fu¨r Opera-
toren, neue Grundstu¨cke fu¨r die Basisstationen zu finden. Lokale Beho¨rden folgen den
Gesundheitsbedenken der Bevo¨lkerung, undreduzieren den genehmigten Leistungspegel
der Basisstationen und limitieren die minimale Entfernung zwischen Basisstationen.
Die zweite Option strebt an, das Radiospektrum effizienter zu nutzen. Es gibt zwei
iiAns¨atze, um dieses Ziel zu erreichen. Der erste Ansatz bewahrt die jetzige Frequenz-
zuweisung unter den Operatoren, und setzt neue Methoden aus der Kommunikation-
stheorie um, um mehr Bits pro Spektrumeinheit tragen zu k¨onnen. Die Reihenfolge
von Akronymen wie 2.5G, 3G, 3.5G, LTE (Long Term Evolution) sind nicht mehr
als Marketingnamen von Industriestandards, die neue Kommunikationsmethoden von
zunehmenden Komplexita¨t beinhalten. Diese Option hat den Nachteil, dass es Jahren
dauert, bis die innovativen Kommunikationsmethoden standardisiert und serienm¨aßig
implementiert werden k¨onnen.
Eine andere M¨oglichkeit, die Benutzung des Radiospektrums zu verbessern ist eine
Verfeinerung oder Erneuerung des jetzigen Frequenzzuweisungsschemas. Das aktuelle
Schema kontingentiert Bl¨ocke des Radiospektrums zu den verschiedenen Operatoren.
Studien der Nutzung der unterschiedlichen Spektrumblo¨cken belegen, dass ein großer
Teil des Spektrum nicht ausgenutzt bleibt. Ansa¨tze wie der dynamische Spektrumzu-
gangoderkognitivesRadiolockernoderschaffendieheutigestatischeFrequenzzuweisung
ab. Sie schlagen Methoden und Protokolle vor, mit denen ein dynamischer Zugang zur
Spektrumeinheitengewa¨hrleistet werdenkann. Diese Ansa¨tze brauchenetwas mehrZeit
als konsekutive Erweiterungen der Standards. Der Grund dafu¨r ist, dass sowohl regu-
¨latorische als auch technologische Anderungen in Basisstationen und Kundenterminals
gebraucht werden.
Die dritte und die letzte Option ist die Kombination der verschiedenen Radiozugang-
stechnologien. Ein sehr bekanntes Beispiel dafu¨r ist die Integration von WirelessLAN
Hotspots, die Operatoren in dicht bev¨olkerten Orten einsetzen, mit den gewo¨hnlichen
Mobilfunknetzwerken. Wenn eins von dieser Netzwerke zu u¨berlastet ist, kann ein Teil
des Datenverkehrs auf das andere Netzwerk umgeleitet werden. Daru¨ber hinaus, erho¨ht
das Zusammenbringen von zwei heterogenen Netzwerken gleichzeitig die Kapazita¨t und
gleicht die Lastvariationen in beiden Netzwerken aus. ”Common Radio Resource Man-
agement(CRRM)” -gemeinsames Management der Radioressourcen- ist das Konzept, in
dem ein Operator das Verwalten heterogener Netzwerke, die dem Operator geho¨ren,
synchronisiert, um von den erwa¨hnten Kapazita¨tsverbesserungen zu profitieren. Dieses
Thema erregte in den letzten fu¨nf Jahren große Aufmerksamkeit in der Forschungsge-
meinde. Diese Interesse fu¨hrte zu vielen wichtigen Forschungsergebnissen und ersten
kommerziellen Anwendungen.
Unsere elementare Beobachtung war, dass die Einschra¨nkung des gemeinsamen Man-
agements der Radioressourcen auf Netzwerken, die alle zu einem einzigen Operator
geho¨ren, nicht technisch oder theoretisch ist. Die in der Literatur zu findenden Algo-
rithmen machen es no¨tig, dass die zwei Netzwerke, die Ressourcen austauschen wollen,
auch Operationsdaten wie die aktuelle Last oder Benutzeranzahl austauschen. Diese
Anforderung stellt keine Hindernisse dar, wenn diese zwei Netzwerke einem Operator
geho¨ren. Aber ein Operator wa¨re, vermutlich aus kompetetiven Gru¨nden nicht bereit,
solche Daten einem anderen Operator zu u¨bergeben. Aber, wenn es mo¨glich wa¨re,
diese Informationen durch einen anderen neutralen Weg indirekt zu erfahren, wa¨re es
auch mo¨glich, die Gewinne der CRRM zu den Szenarien zu erweitern, in denen die
kooperierenden Netzwerke verschiedenen Operatoren geho¨ren.
Diese alternative Methode, durch die ein Operator die Datenverkehrlast in einem
iiianderen Operator abscha¨tzen kann, involviert das Zusammenspiel der Benutzer. Wir
postulieren, dass die Benutzer bereit sind, ihre Performanzmerkmale und Subjektive
QoE-Auswertungen in einer verteilten Datenbank zu speichern. Dieses Postulat setzt
voraus, dass das Speichern dieser Daten anonym und sicher durchgefu¨hrt werden kann.
Daru¨ber hinaus, wir begru¨nden spa¨ter warum, dass es zugunsten von Operatoren und
Benutzer ist, dass die Operatoren Zugriff auf diese Datenbank haben. Wenn diese An-
nahmen erfu¨llt sind, k¨onnen zwei oder mehrere Netzwerken diese Datenbank nutzen,
um abzuscha¨tzen, wie belastet andere Netzwerke in der Gegend sind. Mit dieser Ab-
scha¨tzung, k¨onnensiesich entscheiden, obes sinnvoll ist, einTeil ihresDatenverkehr auf
andere Netzwerke, die anderen Operatoren geho¨ren, umzuleiten. Unser Vorschlag heißt
”User Facilitated Real-Time Inter-Operator Resource Sharing” -Benutzer ermo¨glichte
Echtzeit Inter-Operator Ressource Mitbenutzung. Der Ablauf von Interaktionen ist wie
folgt.
Jeder Operator hat einen Software Agent, der sich im zentralen Netzwerk Opera-
tion Zentrum (NOC) befindet. Dieser NOC-Agent hat eine Dauerverbindung zu allen
Radiozugansnetze (RAN) des Operators. Ein Radiozugangsnetz besteht von einem Ba-
sisstation oder einem drahtlosen Zugangspunkt und dem angeschlossenen Router, die
die