Trafikutmaningen KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY Jan Markendahl Docent Kommunikationssystem Associate Professor Wireless Infrastructure Deployment and Economics Tele-ekonomi Utmaningar och inriktning för 5G Extreme Mobile BroadBand (xmbb) umtc - Ultra-reliable Machine-Type Communications mmtc - Massive Machine-Type Communications 2 1
Agenda Om machine type communication Visioner och big picture Exempel på utmaningar Mobilt bredband 1000 gånger mer kapacitet till samma pris? Om användning och antal bitar Vad kan man göra? Bättre teknik Mer spektrum Bygg på annat sätt 3 NGMN - Next generation mobile networks Olika användingsfall; connectivity och annat 2015-10-21 4 2
Vad vill man förbättra? 5 Vad vill man förbättra? 6 3
One Challenge for MTC How to optimize LTE MTC to the level of having as low power consumption and complexity as BLE while supporting critical performance and coverage? MTC challenges already addressed do not focus on applications with high levels of mobility AND energy constrains. 7 Scenario: personal sphere. Test case: marathon. Use Cases: Tracking, mhealth, Music Streaming Includes a mix of devices, traffic types and some level of mobility 8 4
Beyond the Marathon case We identified clearer sectors that are worth exploring in future research and the mapping to the technical challenges. 9 Agenda Om machine type communication Visioner och big picture Exempel på utmaningar Mobilt bredband 1000 gånger mer kapacitet till samma pris? Om användning och antal bitar Vad kan man göra? Bättre teknik Mer spektrum Bygg på annat sätt 10 5
Den här bilden gjorde Östen Mäkitalo 2004 Ett exempel - användning och pris per person ÅR 2004 Mängd data för rösttrafik 10-50 MB per månad Man betalade 100-500 kr per månad => 10 kr per MB Vad innebär detta pris för mobildata? Mängd data för mobilt bredband 1 5 GB per månad => 10 000 50 000 kr per månad Hur blev det? Hur är det? Samma pris men 100 1000 gånger mer data => PRIS PER BIT: 100 1000 gånger lägre 11 Revenues One motivation for our research New services require new solutions New services Mobile Broadband Voice services Years 2015-10-21 12 6
Revenues One motivation for our research New services require new solutions New services Mobile Broadband Voice services Years 2015-10-21 13 Revenues for mobile voice services in Sweden 2000-2008 40 35 30 25 EUR 20 15 10 5 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 TeliaSonera (EUR) ARPU Sweden (EUR) From Mölleryd, Markendahl, Werding and Mäkitalo conference paper presented at CTTE 2010, May 2010 2015-10-21 14 7
Traffic, prices and revenues SMS + MMS 11% Mobile data 8% Voice 25% Voice 81% Mobile data 75% Revenues Traffic Traffic and revenue for different services at the Swedish market Q4 2008 EUR per MB Voice SMS Mobile data (laptop) 2007 2008 1,46 1,36 439,5 351,6 0,014 0,011 Estimated price per MByte for voice, SMS and data for one Swedish operator 2015-10-21 15 SNRV 2015 - MARKENDAHL KTH - TRAFIKUTMANINGEN 2015-10-21 16 8
Mobile packages with voice, messages and data -Sweden Telia 2015-10-21 17 Mobile packages with voice, messages and data -Sweden Tele 2 Sweden Tele2 2015-10-21 18 9
Mobile packages with voice, messages and data - Turkiet 2015-10-21 19 Mobile packages with voice, messages and data - Turkiet 2015-10-21 20 10
Agenda Om machine type communication Visioner och big picture Exempel på utmaningar Mobilt bredband 1000 gånger mer kapacitet till samma pris? Om användning och antal bitar Vad kan man göra? Bättre teknik Mer spektrum Bygg på annat sätt 21 Kostnad för mobilnät och radiospektrum Mängd radio spektrum (MHz) antal radiofrekvenser, kanaler Antal Radio basstationer 2015-10-21 22 11
Cost structure, bandwidth and capacity Radio Capacity of radio base station site ~ 10 Mbps Site and Trans ~ 20 k Capacity of radio base station site ~ 100 Mbps Total cost for new site ~ 110k Radio Site ~100k And Trans Assuming 3 sector site 20 MHz of bandwidth and cell average spectral efficiency 0,7 bps per Hz (HSPA) 1,7 bps per Hz (LTE) Capacity of radio base station site ~ 100 Mbps Cost for upgrading an existing site ~ 30k Radio Trans HSPA year 2008 LTE year 2010 LTE year 2010 5 MHz 2015-10-21 23 Cost structure, bandwidth and capacity Total cost for new site Radio ~ 200k Total cost for new site ~ 110k Assuming 3 sector site 20 MHz of bandwidth and cell average spectral efficiency 0,7 bps per Hz (HSPA) 1,7 bps per Hz (LTE) Capacity of radio base station site ~ 40 Mbps Site and Trans Capacity of radio base station site ~ 100 Mbps Radio Site And Trans Capacity of radio base station site ~ 100 Mbps Cost for upgrading an existing site ~ 30k Radio Trans HSPA year 2008 LTE year 2010 LTE year 2010 20 MHz 2015-10-21 20 MHz 20 MHz 24 12
Base station site location in urban areas from PTS Transmitter map web page, December 2009 Downtown Stockholm Kista Industry Area 2015-10-21 25 SNRV 2015 - MARKENDAHL KTH - TRAFIKUTMANINGEN Cost of radio equipment is decreasing rapidly 512 MSEK (50 MEuro) ~6 KEuro per base station ~ 750 MSEK 2015-10-21 26 13
Vad kan man göra?? 1. Förbättra radiotekniken 2. Fördela om radiospektrum så att mobiloperatörerna får fler kanaler (tex från TV, militär till mobilnäten) 3. Bygg näten på nytt sätt Ökad Kapacitet = bättre teknik * mer spektrum * tätare nät Om 1000 gånger mer kapacitet är det 10*10*10? Eller nåt annat 100*5*2 eller 4 * 10 * 25 27 Att bygga nät på nytt sätt delade nät för telekom små basstationer inomhus I Sverige delar operatörer 3G och 4G mobilnät Jämför andra områden En smartphone Small cells Foto: CC-by David Hall (moonhouse @ Flickr) 28 14
Spectral effiency and cylinder model 2015-10-21 29 From Ericsson: Capital markets day, May 2008 2015-10-21 30 SNRV 2015 - MARKENDAHL KTH - TRAFIKUTMANINGEN 15
Zander formula För given teknologi och given mängd spektrum styrs nätkostnaden av antal accesspunkter/ basstationer C system c AP N AP c N user B user A service f (Q) 2015-10-21 31 Numner of base station sites Number of sites 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 Used spectrum (MHz) Spectral eff = 1,70 (LTE type) Spectral eff = 0,70 (HSPA type) Cases for different Swedish operators using 2.6 GHz band 2015-10-21 32 SNRV 2015 - MARKENDAHL KTH - TRAFIKUTMANINGEN 16
Två olika världar There are different solutions for wide area and short range access A coverage world Mobile operators Any-time, anywhere Power/Site/Backhaul Exclusive spectrum X for GB per month A capacity world Local operators, users Local access No site costs locally used spectrum No GB buckets 33 No shortage of spectrum for indoor access Cellular frequencies can be re-used a lot Sharing of spectrum between applications There is lot of WiFi capacity (> 500 MHz ) Infrastructure and spectrum need to be shared for indoor =>Another thinking 34 17
Inomhus kan man inte flera parallella nät - eller nät för en enda operatör => man måste dela ETT gemensamt nät => Konkurrenter måste samarbeta Dela nät och spektrum 35 2015-10-21 Cooper s law the number of conversations that can theoretically be conducted over a given area in all of the useful spectrum is doubled every two-and-a-half years (www.arraycomm.com/technology/coo law) The improvement in spectrum utilization has been over a trillion times in the last 90 years and a million times in the last 45 years. Of the million times improvement in the last 45 years, 25 times were the result of being able to use more spectrum 5 times can be attributed to the ability to divide the radio spectrum into narrower slices Modulation techniques like FM, SSB, time division multiplexing, another 5 times or so The remaining sixteen hundred times improvement was the result of confining the area used for individual conversations to smaller areas, what we call spectrum re-use. 2015-10-21 36 SNRV 2015 - MARKENDAHL KTH - TRAFIKUTMANINGEN 18
Sammanfattning av utmaningar Extreme Mobile BroadBand (xmbb) Att bygga nät på nya sätt Tänk inomhus Lokala spektrum licenser signalering umtc - Ultra-reliable Machine-Type Communications mmtc - Massive Machine-Type Communications 37 Tack igen 2015-10-21 38 19