Von der Smart City zu Smart Urban Spaces - Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G

Von der Smart City zu Smart Urban Spaces

Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G

Prof. Dr. Christoph Sommer
3. März 2021
AuLoRa-Innovationsforum

Die Vision der “Smart City”

n   Sensor and video streams of emissions, noise, vibration, power, fill level, …
n   Cars, trucks, sensing and delivery drones, … (mobile, computer controllable)
n   Scooters, bicycles, pedestrians, … (mobile, definitely not computer controllable)
⇨ communication as path towards cooperation and intelligence

               C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G              2

…doch wo wollen die Menschen leben?

Bild: https://kommunal.de/massenflucht-aufs-dorf, data as of 2020

                                  C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G   3

Stand 2020/2021: fehlender Ausbau. Funkloch.

"Wir starten in den kommenden Monaten in den fünf größten deutschen Städten. Bis
2022 werden wir [..] in 30 Großstädten versorgen“ [Deutschland hat 2054 Städte]

Bild: Tagesschau (06/2020)

                             C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G   4

3GPP R14+
“4G/LTE”, “5G”, …

n   New: Sidelink communication
    n   Mode 3 (in-coverage)
    n   Mode 4 (semi-persistent scheduling)
n   5G New Radio (NR)
    n   Better modulation and coding schemes
    n   Phase 1: LTE on mmWave                   Very good

    n   Later: NR-V2X
n   Current challenges:                This will take time

    n   Viable schedulers for sidelink
        (many open questions in early 2021)
    n   Quality of service vs. liability
    n   Privacy
    n   Deployment (need 4x base stations)

                  C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G   5

WLAN for Direct Communication
“pWLAN”

n      Step 1: DSRC / p-WLAN
       OFDM PHY (802.11a) + OCB @ 5.8 GHz (802.11p)
n      …
n      Step 4: ETSI ITS-G5
       is a completely different technology [1]
n      …
n      Today: Modern bd-WLAN (802.11bd)
         n       Successor to DSRC
                                                                                                        bd-WLAN beats 5G!
         n       mmWave and VHT PHY
         n       “considering the same modulation and code rate,
                 IEEE 802.11bd performs better than NR-V2X” [2]

[1] Klingler, Dressler, Sommer: The Impact of Head of Line Blocking in Highly Dynamic WLANs, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018
[2] W. Anwar, N. Franchi and G. Fettweis, "Physical Layer Evaluation of V2X Communications Technologies: 5G NR-V2X, LTE-V2X, IEEE 802.11bd, and IEEE 802.11p," 2019 IEEE 90th Vehicular Technology Conference
(VTC2019-Fall), Honolulu, HI, USA, 2019

                                  C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G                                                                                                        6

Visible Light Communication (VLC)
Directed Short Range Wireless

n      Encode information by toggling light source on/off
         n      Ex: pulse position modulation with 500-ns pulses and 0.007% duty cycle [1]
         n      Exploit persistence of vision ⇨ no flickering, light appears to be always-off (or -on)
         n      Does not affect primary application                                                      high throughput!
n      GByte/s with specialized equipment
n      Low-cost transmitter:
         n      e.g., existing automotive LED lights
                + aftermarket driver circuit
n      Low-cost receiver:
         n      Simple computer vision system
                + aftermarket software
n      Unique properties
         n      Matrix of separately-controlled LEDs

[1] Z. Tian, K. Wright, and X. Zhou, “The DarkLight Rises: Visible Light Communication in the Dark,” in Proceedings of the 22nd Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom), New
York, NY, USA, 2016, pp. 2–15.
Image credit: Agon Memedi

                                  C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G                                                                                                      7

LoRa / LoRaWAN for sensing

                                                                                    Ideal for status updates!

                                                                                                                                           “A distance of 702.676km was reached by using
                                                                                                                                           only 25mW (14dBm) of transmitting power,
                                                                                                                                           roughly 40 times smaller than a mobile phone
                                                                                                                                           can use.”

Image source: Bundesnetzagentur / https://www.thethingsnetwork.org/article/ground-breaking-world-record-lorawan-packet-received-at-702-km-436-miles-distance

                                 C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G                                                                                    8

Zusammenfassung

n   Die typische deutsche Stadt ist (sehr) klein und hat keine mobile Netzabdeckung
n   …und das wird auf absehbare Zeit so bleiben

n   Es gibt Licht am Ende des Tunnels
    n   5G Sidelink (bald)
    n   G5-WLAN, bdWLAN (füllt Funklöcher)
    n   Visible Light Communication (extrem hohe Datenrate)
    n   LoRa / LoRaWAN (überbrückt riesige Distanzen)

                C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G         9

Let‘s get in touch!

                                                                cms-labs.org/people/sommer/

           C. Sommer – Hochleistungsfunknetze mit und ohne 5G                 10