VoIP Performance of LTE Networks (Paperback)

Das von der 3GPP standardisierte 4G Mobilfunksystem Long Term Evolution (LTE) arbeitet vollständig paketvermittelt und hat keine leitungsvermittelte Domäne mehr wie die älteren Systeme HSPA, UMTS und GSM. Um als IMT-Advanced System von der ITU Anerkannt zu werden muss es trotzdem nachweisen, dass es eine Mindestzahl von Sprachtelefonaten unterstützt. Die ITU hat hierzu die IMT-Advanced Evaluation Guidelines veröffentlicht, in denen Bewertungsszenarien und Mindestdienstgüteanforderungen für Sprachtelefonie beschrieben sind, die mittels Systemsimulation zu bestimmen sind. Demnach müssen VoIP Pakete innerhalb von 50 ms über die Funkschnittstelle übertragen werden und der Paketverlust darf 2 % nicht überschreiten. Die 3GPP ist zum Schluss gekommen, dass Voice-over-LTE (VoLTE) unter Ausnutzung von semipersistenter Funkressourcenzuteilung die Mindestanforderungen der ITU erfüllt, was auch von unabhängigen Gutachtergruppen bestätigt wurde. Bei der semipersistenten Funkressourcenzuteilung werden Funkbetriebsmittel für VoIP Pakete für die Dauer eines Talk-Spurts reserviert während anderen Pakete, beispielsweise wiederholten Übertragungen fehlerhaft empfangener Pakete, einzeln Ressourcen zugewiesen werden. Der Vorteil ist ein deutlich reduzierter Signalisierungsaufwand, doch das Verfahren ist komplexer als der klassische Ansatz jedem Paket einzeln Funkbetriebsmittel zuzuweisen. Letzteres wird auch für den Datenverkehr von so genannten Over-the-Top (OTT) VoIP Anwendungen eingesetzt. Diese Arbeit vergleicht die VoIP Kapazität von VoLTE mit der von OTT, wobei der Schwerpunkt auf dem Einfluss der Funkschnittstelle liegt. Für einen fairen Vergleich wird angenommen, dass die Funkressourcenzuweisung für OTT für verzögerungskritische Anwendungen wie VoIP optimiert ist. Dafür wird zunächst ein von mir entwickeltes Konzept für den Entwurf komplexer VoIP Scheduler auf Basis atomarer Ressourcenzuweisungsalgorithmen beschrieben der sowohl für VoLTE als auch für OTT eingesetzt wird. Basierend hierauf wurde der bei der RWTH Aachen ComNets Forschergruppe Entwickelte und dem Lehstuhl für Kommunikationsnetze der TU München weiterentwickelte Simulator openWNS/ IMTAPhy für die VoIP Evaluation erweitert. Methoden zur Erhöhung der VoIP Kapazität werden getrennt nach Aufwärtsund Abwärtsstrecke betrachtet. Für jede Richtung werden unterschiedliche Strategien zur Prädiktion der Kanalqualität angewendet und darauf basierender Anpassung der Datenrate. Die Ergebnisse zeigen, dass Kapazitätssteigerungen insbesondere durch aggressive Ratenanpassung und Ressourcenzuweisung möglich sind. Dabei werden höhere Datenraten und somit ein geringerer Ressourcenbedarf erreicht, wobei sich gleichzeitig die Paketfehlerrate erhöht. Zu aggressive Einstellungen führen zur erheblichen Minderung der VoIP Kapazität während eine moderate Anpassung Kapazitätssteigerungen von ungefähr 15 % in der Abwärts- und 10 % in der Aufwärtsstrecke für VoLTE ermöglicht. OTT kann diese Steigerung mit begrenzter Anzahl Signalisierungskanäle nicht erreichen, die einen Engpass darstellen. Auch mit mehr Signalisierungskanälen als heute im Standard vorgesehen könnte OTT lediglich in der Abwärtsstrecke die VoIP Kapazität steigern. Die grosse Varianz der Interferenz bei OTT und die dadurch erschwerte Prädiktion der Kanalqualität verhindert Steigerungen auf der Aufwärtsstrecke, wie sie mit VoLTE möglich sind. Neben Simulationsergebnissen wurde auch ein analytisches zeitdiskretes Engset Wartemodell beschrieben und die Verteilung der Wartezeitverzögerung von diesem bestimmt, um die VoIP Kapazität im interferenzfreien Fall und bei Gleichkanalinterferenz durch Nachbarzellen zu bestimmen. Im Urban Macrocell Szenario ergibt sich die geringste VoIP Kapazität. Diese beträgt 43 Benutzer / Zelle / MHz für OTT, wenn man von einer unbeschränkten Anzahl Signalisierungskanäle ausgeht, und 41 Benutzer / Zelle / MHz für VoLTE in der Abwärtsstrecke, die den Engpass darstellt und somit die Gesamtkapazität bestimmt. Lässt man Benutzer mit schlechter Kanalqualität mit höheren Datenraten übertragen als vom Ratenanpassungsalgorithmus bestimmt, so dass der Ressourcenverbrauch sinkt, dafür aber die Paketfehlerrate steigt, so erhöht sich die Kapazität auf 48 und 47 Benutzer / Zelle / MHz für OTT und VoLTE. Die Schlussfolgerung ist, dass dynamische Ressourcenzuweisung, wie sie von Over the Top (OTT) verwendet wird, eine ausreichende Voice over IP (VoIP) Kapazität sicherstellt unter der realistischen Vorrausetzung, dass genügend Signalisierungskanäle verfügbar sind.