Οι Γενιές των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και Παρουσίαση των Συστημάτων 4ης Γενιάς LTE και LTE-Advanced

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Οι Γενιές των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και Παρουσίαση των Συστημάτων 4ης Γενιάς LTE και LTE-Advanced ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Λύκου Άννα Αικατερίνη (ΑΜ: Τ02470) Επιβλέπων: Χαϊκάλης Κωνσταντίνος, Δρ., Καθηγητής Εφαρμογών ΛΑΡΙΣΑ 2014

2 -ii-

3 «Εγώ η Λύκου Άννα-Αικατερίνη, δηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα Πτυχιακή Εργασία με τίτλο Οι Γενιές των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και Παρουσίαση των Συστημάτων 4ης Γενιάς LTE και LTE - Advanced είναι δική μου και βεβαιώνω ότι: Σε όσες περιπτώσεις έχω συμβουλευτεί δημοσιευμένη εργασία τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Σε όσες περιπτώσεις μεταφέρω λόγια τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Με εξαίρεση τέτοιες περιπτώσεις, το υπόλοιπο κείμενο της πτυχιακής αποτελεί δική μου δουλειά. Αναφέρω ρητά όλες τις πηγές βοήθειας που χρησιμοποίησα. Σε περιπτώσεις που τμήματα της παρούσας πτυχιακής έγιναν από κοινού με τρίτους, α- ναφέρω ρητά ποια είναι η δική μου συνεισφορά και ποια των τρίτων. Γνωρίζω πως η λογοκλοπή αποτελεί σοβαρότατο παράπτωμα και είμαι ενήμερος(-η) για την επέλευση των νομίμων συνεπειών» Λύκου Άννα Αικατερίνη

4 Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή Τόπος: Ημερομηνία: ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

5 Περίληψη Η επικοινωνία και η ενημέρωση αποτελούν αναπόσπαστα στοιχεία της ανθρώπινης φύσης καθώς και δομικό στοιχείο στη συνοχή της κοινωνίας. Στα πλαίσια της αυξημένης ανάγκης για επικοινωνία και της δεδομένης τεχνολογικής εξέλιξης, η κινητή τηλεφωνία εισήλθε δυναμικά στην καθημερινότητα σε παγκόσμιο επίπεδο. Η ενημέρωση προστέθηκε σε μετέπειτα γενιές των κινητών τηλεφώνων μέσω της πρόσβασης στο διαδίκτυο, γεγονός που χαίρει μεγάλης αναγνώρισης και φυσικά εξέλιξης. Υπό το πρίσμα αυτό, η παρούσα πτυχιακή εργασία έχει ως σκοπό την καταγραφή και μελέτη των έως τώρα συστημάτων δικτύων κινητής τηλεφωνίας (γενιές κινητής). Τα συστήματα αυτά θα περιγραφούν και θα τεθούν υπό σύγκριση περιληπτικά. Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στα state-of-the-art δίκτυα επικοινωνίας, επονομαζόμενα LTE και LTE advanced. Η ενδελεχής και αναλυτική μελέτη αυτών όχι μόνο θα οδηγήσει σε πολύτιμα συμπεράσματα για τη μέχρι τώρα πορεία των δικτύων, άλλα θα προσδώσει σημαντικές παρατηρήσεις για την εξέλιξη αυτής όπως αναμένεται με τα δίκτυα πέμπτης γενιάς. -i-

6

7 Ευχαριστίες Οφείλω να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Κωνσταντίνο Χαϊκάλη ο οποίος μου έδωσε την ευκαιρία, μέσα από την ανάθεση του συγκεκριμένου θέματος πτυχιακής εργασίας, να αποκομίσω στενές σχέσεις με τον τομέα της κινητής τηλεφωνίας και να εντείνω το ενδιαφέρον μου σε συναφή επιστημονικά πεδία. Μέσα στα πλαίσια της εργασίας μου κατάφερε επίσης να μου μεταδώσει τις αξίες της συνεργασίας και της προσωπική βελτίωσης με απώτερο σκοπό την επίτευξη ενός κοινού στόχου. Επίσης οφείλω να εκφράσω τις ιδιαίτερες ευχαριστίες μου στον υποψήφιο διδάκτορα κ. Κωνσταντίνο Χαραλάμπους για τις πολύτιμες συμβουλές που μου παρείχε. Η συμβολή του κρίθηκε καταλυτική για την πραγματοποίηση της παρούσας εργασίας. Λύκου Άννα Αικατερίνη ημερομηνία -iii-

8

9 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... I ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... III ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... V 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ Η ΓΕΝΙΑ (1G) Η ΓΕΝΙΑ (2G) GSM (Global System for Mobile) IS-136 (Interim Standard 136) PDC (Pacific Digital Cellular) IS-95 (Interim Standard 95) ΤΡΙΤΗ ΓΕΝΙΑ (3G) GPP GPP Η ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΤΟ LTE LTE ΚΑΙ LTE-ADVANCED ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ LTE Οι προδιαγραφές του 3GPP για το LTE Η εξέλιξη στο 4G ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ LTE-ADVANCED Οι απαιτήσεις του LTE-Advanced Συστήματα 4ης Γενιάς (4G) Η έννοια του 4G Τεχνολογικά εξαρτήματα ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Δομή φυσικών πόρων v-

10 2.3.2 Σήματα αναφοράς Σήματα συγχρονισμού Φυσικά κανάλια Παραγωγή σήματος OFDM/SC-FDMA Τεχνικές προσαρμογής ζεύξης Προσαρμοστική διαμόρφωση και κωδικοποίηση Κωδικοποίηση καναλιού Τεχνικές κωδικοποίησης στο LTE HARQ Πολλαπλές κεραίες Συγχρονισμός Εκτίμηση καναλιού Τυχαία προσπέλαση ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ & ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΥΨΗΛΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ User Equipment Εξελιγμένο σύστημα επίγειας ασύρματης πρόσβασης UMTS EPC (Evolved Packet Core) Αρχιτεκτονική περιαγωγής Πρωτόκολλα επικοινωνίας Κατανομή του φάσματος ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ Η ΓΕΝΙΑ (5G)- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η ΓΕΝΙΑ (5G) ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ vi-

11 1 Εισαγωγή Η βιομηχανία κυψελωτής ασύρματης επικοινωνίας έχει γνωρίσει τεράστια ανάπτυξη κατά την τελευταία δεκαετία με πάνω από τέσσερα δισεκατομμύρια συνδρομητές α- σύρματων δικτύων σε όλο τον κόσμο. Η πρώτη γενιά ασύρματης επικοινωνίας (1G), τα αναλογικά κυψελωτά συστήματα, υποστηρίζουν φωνητική επικοινωνία με περιορισμένη περιαγωγή. Τα δεύτερης γενιάς (2G) δίκτυα ψηφιακών συστημάτων υποσχέθηκαν μεγαλύτερη χωρητικότητα και καλύτερη ποιότητα φωνής από ότι τα αναλογικά αντίστοιχά τους. Επιπλέον, η περιαγωγή έγινε πιο διαδεδομένη χάρη σε λιγότερα πρότυπα και σε συνήθεις κατανομές φάσματος μεταξύ των χωρών ιδιαίτερα στην Ευρώπη. Τα δύο ευρέως διαδεδομένα δεύτερης γενιάς (2G) κυψελωτά συστήματα είναι το GSM (παγκόσμιο σύστημα κινητών επικοινωνιών) και CDMA (πολυπλεξία κώδικα). Αντίθετα με τα αναλογικά συστήματα 1G, τα 2G συστήματα είχαν σχεδιαστεί αρχικά για να υποστηρίξουν την επικοινωνία φωνής. Σε νεότερες εκδόσεις αυτών των προτύπων, εισήχθησαν δυνατότητες για την υποστήριξη μετάδοσης δεδομένων. Ωστόσο, τα ποσοστά των δεδομένων ήταν γενικά χαμηλότερα σε σχέση με αυτά που υποστήριζαν οι dial-up συνδέσεις. Η πρωτοβουλία της ITU-R (Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών) για το IMT (διεθνείς κινητές τηλεπικοινωνίες 2000) άνοιξε το δρόμο στην εξέλιξη του 3G. Και οι δύο πλευρές ερευνητών των GSM και CDMA διαμόρφωσαν δικά τους ξεχωριστά έργα 3G με εταιρίες (3GPP και 3GPP2, αντίστοιχα) για την ανάπτυξη IMT-2000 συμβατών προτύπων βάσει της τεχνολογίας CDMA. Το πρότυπο 3G στην 3GPP αναφέρεται ως ευρείας ζώνης CDMA (WCDMA), επειδή χρησιμοποιεί μεγαλύτερο εύρος ζώνης 5MHz, σε σχέση με το εύρος ζώνης 1.25MHz που χρησιμοποιείται στο σύστημα CDMA2000 του 3GPP2. Η 3GPP2 ανέπτυξε επίσης μια έκδοση 5MHz για την υποστήριξη τριών φερόντων σημάτων στα 1.25MHz το οποίο αναφέρεται ως CDMA2000-3x. Προκειμένου να διαφοροποιηθούν από το πρότυπο 5MHz CDMA2000-3x, το σύστημα 1.25MHz αναφέρεται ως CDMA2000 1x ή απλά 3G-x. Η πρώτη έκδοση των προτύπων 3G δεν τήρησε την υπόσχεσή για την μετάδοση δεδομένων με υψηλή ταχύτητα, καθώς οι ρυθμοί δεδομένων που υποστηρίζονται στην πράξη ήταν πολύ χαμηλότεροι από αυτό που ισχυρίστηκαν στα πρότυπα. Πραγματοποιήθηκε στη συνέχεια μια σοβαρή προσπάθεια για την ενίσχυση των συστημάτων 3G -1-

12 έτσι ώστε να υπάρχει αποτελεσματική υποστήριξη των δεδομένων. Η 3GPP2 εισήγαγε για πρώτη φορά το HRPD (High Rate Packet Data) σύστημα όπου χρησιμοποιήθηκαν διάφορες προηγμένες τεχνικές βελτιστοποιημένες για μετάδοση δεδομένων, όπως χρονοπρογραμματισμός ως προς τα κανάλια, προσαρμογή γρήγορης σύνδεσης, υβριδική ARQ, κλπ. Το σύστημα HRPD απαιτούσε φέρον σήμα στα 1.25MHz και δεν παρείχε υπηρεσίες ομιλίας. Αυτός ήταν ο λόγος που το HRPD αρχικά αναφέρεται ως CDMA2000-1xEVDO (evolution data only) σύστημα. Η 3GPP ακολούθησε παρόμοια πορεία και εισήγαγε το HSPA (High Speed Packet Access), για την ενίσχυση του συστήματος WCDMA. Το σύστημα HSPA επαναχρησιμοποίησε πολλές από τις ίδιες τεχνικές βελτιστοποιημένων δεδομένων όπως το σύστημα HRPD. Μία διαφορά σε σχέση με HRPD, είναι ότι τόσο η φωνή όσο και τα δεδομένα μπορούν να μεταφέρονται στο ίδιο φέρον σήμα στα 5MHz σε HSPA. Η φωνή και η κίνηση δεδομένων κωδικοποιούνται και πολυπλέκονται στην καθοδική ζεύξη. Παράλληλα με το HRPD, η 3GPP2 ανέπτυξε επίσης ένα κοινό πρότυπο δεδομένων φωνής το οποίο αναφέρεται ως CDMA2000-1xEVDV (Evolution Data Voice). Όπως και το HSPA, το σύστημα CDMA xEVDV υποστήριζε φωνή και δεδομένα στο ίδιο φέρον σήμα, αλλά ποτέ δεν εντάχθηκε στο εμπόριο. Στη νεότερη έκδοση του HRPD, VoIP ( Voice over Internet Protocol) εισήχθησαν δυνατότητες ώστε να παρέχουν τόσο υπηρεσία φωνής όσο και δεδομένων στο ίδιο φέρον σήμα. Τα δύο πρότυπα 3G HSPA και HRPD ήταν τελικά σε θέση να εκπληρώσουν την υπόσχεση του 3G και πλέον έχουν αναπτυχθεί ευρέως σε μεγάλες κυψελωτές αγορές για την παροχή ασύρματης πρόσβασης δεδομένων. Ενώ τα συστήματα HSPA και HRPD είχαν αναπτυχθεί και αναπτύσσονται, το IEEE 802 LMSC (LAN/MAN Standard Committee) εισήγαγε το πρότυπο IEEE e για την κινητή ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση. Αυτό το πρότυπο εισήχθη ως ενίσχυση σε ένα προηγούμενο πρότυπο το IEEE που χρησιμοποιούνταν για σταθερή ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση. Το πρότυπο e υιοθετήθηκε σε διαφορετική τεχνολογία πρόσβασης η οποία ονομάζεται OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) και ισχυριζόταν πως θα έχει καλύτερους ρυθμούς δεδομένων και φασματική απόδοση από αυτή που έχουν τα συστήματα HSPA και HRPD. Αν και η οικογένεια IEEE προτύπων ονομάζεται επίσημα WirelessMAN στην IEEE, έχουν ονομαστεί WiMAX (World Wide Interoperability for Microwave Access) από μια ομάδα της βιομηχανίας που ονομάζεται WiMAX Forum. Η αποστολή του φόρουμ WiMAX είναι να προωθήσει και να πιστοποιήσει τη συμβατότητα και τη διαλειτουργικότητα των ευρυζωνικών προϊόντων ασύρματης πρόσβασης. Το σύστημα WiMAX υποστηρίζει την -2-

13 κινητικότητα, καθώς το πρότυπο IEEE e αναφέρεται ως Mobile WiMAX. Πέραν του πλεονεκτήματος της ραδιοτεχνολογίας, το Mobile WiMAX χρησιμοποιεί επίσης μια απλούστερη αρχιτεκτονική δικτύων που βασίζεται σε πρωτόκολλα IP. Η εισαγωγή του Mobile WiMAX οδήγησε τόσο η 3GPP όσο και η 3GPP2 να αναπτύξουν τη δική τους έκδοση νεότερων 3G συστημάτων που βασίζονται στην τεχνολογία OFDMA και σε αρχιτεκτονική δικτύων παρόμοια με εκείνη του Mobile WiMAX. Το νεότερο σύστημα 3G στην 3GPP ονομάζεται εξελιγμένη καθολική επίγεια ασύρματη πρόσβαση (evolved UTRA) επίσης αναφέρεται ευρέως ως LTE ( Long - Term Evolution), ενώ η έκδοση 3GPP2 ονομάζεται UMB ( Ultra Mobile Broadband), όπως απεικονίζεται στην Εικόνα 1. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι και τα τρία νεότερα 3G συστήματα: το Mobile WiMAX, το LTE και το UMB πληρούν τις απαιτήσεις του IMT-2000 και ως εκ τούτου είναι επίσης μέρος της οικογένειας προτύπων IMT [1, 4] Εικόνα 1: Εξέλιξη των κυψελωτών συστημάτων. -3-

14 1.1 Γενιές Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας Τα ασύρματα συστήματα κινητής τηλεφωνίας παγκοσμίως κινούνται βαθμιαία προς την κατεύθυνση για πολύ υψηλότερες ταχύτητες και χωρητικότητες. Η μετάβαση αυτή περιλαμβάνει πάνω από 200 δισεκατομμύρια δολάρια σε παγκόσμιες επενδύσεις σε ότι αφορά δίκτυα 3G (κυψελωτά δίκτυα τρίτης γενιάς). Η πρώτη γενιά (1G) κυψελωτά δίκτυα που προέρχονται από τις αρχές του 1980 είχαν αναλογική βάση. Υποστήριζαν φωνητική επικοινωνία και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά δεδομένων με μόντεμ. Τα Δεύτερης γενιάς (2G) κυψελωτά δίκτυα εμφανίστηκαν περίπου 10 χρόνια αργότερα με τη χρήση ψηφιακών δικτύων. Τα 2G συστήματα παρέχουν καλύτερη ποιότητα φωνής και τη δυνατότητα για παγκόσμια περιαγωγή, επίσης μπορούν να υποστηρίξουν απλές υπηρεσίες δεδομένων, όπως τα μηνύματα. Παρά το γεγονός ότι τα συστήματα 2G που χρησιμοποιούνται κυρίως για τη φωνή, μπορούν να υποστηρίξουν τη μετάδοση δεδομένων σε ποσοστά που κυμαίνονται 9,6 έως 14,4 Kbps. Αυτή η ταχύτητα μετάδοσης είναι πολύ αργή για την άνετη πρόσβαση στο Internet. Τα τρίτης γενιάς (3G) κυψελωτά δίκτυα βασίζονται τεχνολογία μεταγωγής πακέτων η οποία επιτυγχάνει μεγαλύτερη αποδοτικότητα και υψηλότερες ταχύτητες μετάδοσης. Τα 3G δίκτυα έχουν ταχύτητες που κυμαίνονται από 144Kbps για τους χρήστες κινητών, για παράδειγμα ένα αυτοκίνητο, και σε πάνω από 2Mbps για ακίνητους χρήστες. Αυτό είναι επαρκής χωρητικότητα για μεταφορά βίντεο, γραφικών και άλλα πλούσια μέσα ενημέρωσης, επιπρόσθετα με τη φωνή. Αυτό καθιστά κατάλληλα τα δίκτυα 3G για την ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση στο Διαδίκτυο και τη μετάδοση των δεδομένων. Εάν τα δίκτυα 3G ανταποκριθούν στις υποσχέσεις τους, θα είναι σε θέση να χειριστούν , άμεσα μηνύματα και περιήγηση στο διαδίκτυο τόσο αβίαστα όσο τρέχουσες ενσύρματες τεχνολογίες. Παρόλο που οι πάροχοι κινητής τηλεφωνίας έχουν επενδύσει στην τεχνολογία 3G, δεν είναι ακόμα σε ευρεία χρήση. Εν τω μεταξύ, όσοι ενδιαφέρονται για υψηλής ταχύτητας πρόσβαση στο διαδίκτυο και μεταφορά δεδομένων στρέφονται προς μια ενδιάμεση λύση που ονομάζεται δίκτυα 2.5G. Τα δίκτυα αυτά χρησιμοποιούν τεχνολογία μεταγωγής δεδομένων, χρησιμοποιούν πολλά υπάρχοντα στοιχεία υποδομής και έχουν ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων που κυμαίνονται 50 έως 144 Kbps. Μια υπηρεσία 2.5G ονομάζεται GPRS (General Packet Radio Service), μεταφέρει δεδομένα μέσω ασύρμα- -4-

15 των δικτύων GSM και βελτιώνει την ασύρματη πρόσβαση στο Internet. Τα 2.5G βελτιώνουν επίσης τα ποσοστά μετάδοσης δεδομένων για CDMA. Ο Πίνακας 1ωσυνοψίζει αυτές τις γενιές δικτύων κινητής τηλεφωνίας. [3, 8] Πίνακας 1: Γενιές δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Γενιές Χωρητικότητα Περιγραφή 1G Χαμηλή Αναλογικά κυψελωτά δίκτυα για υπηρεσίες φωνής 2G kbps Ψηφιακά ασύρματα δίκτυα, κυρίως για υ- πηρεσίες φωνής με περιορισμένη δυνατότητα μετάδοσης δεδομένων 2.5G kbps Ενδιάμεσο βήμα για το 3G στις ΗΠΑ 3G 144 kbps - 2+ Mbps Υψηλή ταχύτητα, υποστήριξη video, , περιήγηση στο διαδίκτυο 1.2 1η Γενιά (1G) Τα πρώτης γενιάς συστήματα κινητής τηλεφωνίας βασίζονται στην αναλογική τεχνολογία. Χρησιμοποιείται τεχνολογία FM (διαμόρφωση συχνότητας), FDD (συχνοδιαιρετική αμφίδρομη επικοινωνία) και FDMA (πολυπλεξία στη συχνότητα). Τα κοινά κανάλια σήματος χρησιμοποιήθηκαν σε κυψελωτά συστήματα πρώτης γενιάς. Λόγω της χρήσης της αναλογικής τεχνολογίας τα αναλογικά σήματα ομιλίας παρέχονται από τα ασύρματα συστήματα πρώτης γενιάς. Η μετάδοση δεδομένων μεταξύ σταθμού βάσης και κινητού χρήστη ήταν ανεπαρκής και το χαμηλό ποσοστό των δεδομένων απαιτεί τα κυψελωτά συστήματα της επόμενης γενιάς. Τα συστήματα πρώτης γενιάς είναι βασισμένα σε αναλογικά συστήματα, ως εκ τούτου, η μετάδοση δεν είναι ασφαλής. Ενώ τα συστήματα δεύτερης γενιάς χρησιμοποιούν ψηφιακή διαμόρφωση έτσι, παρέχεται ασφαλής μετάδοση των δεδομένων. Το AMPS (Advanced Mobile Phone System) είναι το πρώτο αμερικάνικο σύστημα κυψελωτής τηλεφωνίας και ονομάζεται προηγμένο σύστημα κινητής τηλεφωνίας. Το σύστημα AMPS χρησιμοποιεί πρότυπο 7 κυψελών με επαναλαμβανόμενο μοτίβο και -5-

16 τις διατάξεις για τη διάτμηση και την διαίρεση των κυψελών έτσι ώστε αυξήσει την χωρητικότητα όπου χρειάζεται. Το AMPS χρησιμοποιεί FM και FDD για τη μετάδοση του σήματος. Χρησιμοποιεί FDMA πολλαπλή πρόσβαση και το εύρος ζώνης του καναλιού είναι στα 30KHz. Στις Ηνωμένες Πολιτείες οι μεταδόσεις από το κινητό για τους σταθμούς βάσης (αντίστροφη ζεύξη) χρησιμοποιεί συχνότητες μεταξύ των MHz, ενώ ο σταθμός βάσης μεταδίδει στο κινητό (εμπρόσθια ζεύξη) χρησιμοποιώντας συχνότητες μεταξύ 869MHz και 894MHz. Η ταχύτητα δεδομένων του AMPS στο κανάλι ε- λέγχου είναι 10kbps. Το ETACS (European Total Access Communication System) αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1980 και είναι σχεδόν πανομοιότυπο με το AMPS, εκτός από το ότι κλιμακώνεται για να χωρέσει σε κανάλια των 25KHz που χρησιμοποιούνται σε όλη την Ευρώπη. Μια άλλη διαφορά μεταξύ AMPS και ΕΤΑCS είναι το πώς έχει διαμορφωθεί ο αριθμός τηλεφώνου του κάθε συνδρομητή (που ονομάζεται ο αριθμός αναγνώρισης κινητού), λόγω της ανάγκης να φιλοξενήσουν διαφορετικούς κωδικούς ανά χώρα σε ολόκληρη την Ευρώπη, σε αντίθεση με τους κωδικούς περιοχής στις ΗΠΑ. [2, 5] 1.3 2η Γενιά (2G) Τα δεύτερης γενιάς συστήματα κινητής τηλεφωνίας είναι ο διάδοχος της πρώτης γενιάς κινητής τεχνολογίας. Λόγω των αναλογικών σημάτων ομιλίας, τον χαμηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και την ανεπαρκή διαβίβαση των δεδομένων, υπάρχει μια αναπτυσσόμενη ζήτηση του ασύρματου συστήματος επόμενης γενιάς που παρέχει επικοινωνία δεδομένων υψηλών ταχυτήτων, καθώς και τη μετάδοση φωνής. Έτσι, η αναλογική τεχνολογία στην πρώτη γενιά αντικαθίσταται από την ψηφιακή τεχνολογία σε ασύρματα συστήματα 2G. Αντί της τεχνικής FM, χρησιμοποιούνται στη δεύτερη γενιά τεχνικές ψηφιακής διαμόρφωσης. Οι τεχνικές πρόσβασης που χρησιμοποιούνται στη δεύτερη γενιά είναι η TDMA (Time Division Multiple Access) και η CDMA (Code Division Multiple Access) μαζί με την FDD. Με τη χρήση των τεχνολογιών δεύτερης γενιάς η χωρητικότητα του συστήματος είναι τρεις φορές μεγαλύτερη από ό, τι τα αναλογικά συστήματα πρώτης γενιάς. Λόγω της αύξησης στη φάσμα η αποδοτικότητα αυτής της γενιάς είναι τρεις φορές μεγαλύτερη σε σύγκριση με τα αναλογικά συστήματα πρώτης -6-

17 γενιάς. Τα πρότυπα στην τεχνολογία 2G χαρακτηρίζονται από τους τύπους: GSM, IS- 136, PDC, IS-95. Τα οποία αναλύονται στις επόμενες υποενότητες GSM (Global System for Mobile) Είναι πολύ δημοφιλής και χρησιμοποιείται ευρέως στη τεχνολογία 2G από τους περισσότερους συνδρομητές. Το GSM υποστηρίζει 8 χρήστες για κάθε κανάλι 200KHz. Τα δημοφιλή χαρακτηριστικά του GSM είναι υπηρεσία σύντομων μηνυμάτων (SMS). Τα SMS επιτρέπουν στους χρήστες να στέλνουν δεδομένα σε αλφαβητική μορφή στον άλλο χρήστη με απλή κλήση του αριθμό κινητού τηλεφώνου του χρήστη. Η συχνότητα ανοδικής ζεύξης (από το σταθμό βάσης στον κινητό σταθμό) είναι MHz και συχνότητα καθοδικής ζεύξης (από το κινητό σταθμό προς το σταθμό βάσης) είναι MHz. Ο διαχωρισμός του φέροντος σήματος για GSM είναι 200KHz και το εύρος ζώνης του GSM είναι 25MHz. Χρησιμοποιεί την TDMA, μαζί με την FDD. Στο GSM η ελάχιστη διαμόρφωση 0,3 GMSK (Gaussian Minimum Shift Key) χρησιμοποιείται στο ρυθμό δεδομένων των kbps. Τα κανάλια φωνής ανά φέρον σήμα είναι 8 και η περίοδος του πλαισίου είναι 4.615ms. Το GSM περιλαμβάνει διάφορα είδη τηλεϋπηρεσιών και υπηρεσίες δεδομένων. Οι τηλεϋπηρεσίες περιλαμβάνουν κλήση έκτακτης ανάγκης, φαξ, videotext και teletext. Οι υπηρεσίες δεδομένων που ονομάζονται επίσης ως υπηρεσίες φορέα περιλαμβάνουν ε- πικοινωνία υπολογιστή σε υπολογιστή και τη μεταγωγή πακέτων. Ένα από τα πιο δημοφιλή χαρακτηριστικά του GSM είναι η κάρτα SIM (Subscriber Identity Module), η οποίο δίνει μια μοναδική ταυτότητα σε κάθε συνδρομητή IS-136 (Interim Standard 136) Το πρότυπο είναι επίσης γνωστό ως NADC, Βορειοαμερικανικά ψηφιακά κυψελωτά αυτόματα. Το IS-136 υποστηρίζει 3 χρήστες για κάθε κανάλι στα 30KHz. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί επίσης την TDMA με την FDD. Η εμπρόσθια συχνότητα του καναλιού είναι MHz και η αντίστροφη είναι MHz. Το εύρος ζώνης καναλιού είναι 60MHz. Χρησιμοποιείται η 45DQPSK (Differential Quadrature Phase -7-

18 Shift Keying) τεχνική διαμόρφωσης και ο ρυθμός δεδομένων του διαύλου είναι 46.6kbps. [1,3] PDC (Pacific Digital Cellular) Το πρότυπο είναι παρόμοιο με εκείνο του IS-136. Ως εκ τούτου, η εμπρόσθιας και α- ντίστροφης συχνότητας σύνδεση είναι παρόμοια με εκείνη του IS-136. Τεχνική πολλαπλής πρόσβασης είναι η TDMA με τη FDD. Ο ρυθμός δεδομένων του διαύλου είναι κάπως διαφορετικός σε σύγκριση με το IS-136 και είναι 42kbps και ο διαχωρισμός του φέροντος σήματος είναι στα 25KHz IS-95 (Interim Standard 95) Αυτό το πρότυπο 2G είναι πολύ δημοφιλές και είναι επίσης γνωστή ως CDMAone. Αυτό το πρότυπο χρησιμοποιεί CDMA με FDD. Υποστηρίζει 64 κανάλια φωνής ανά φέρον σήμα τα οποία είναι ορθογώνια κωδικοποιημένα. Η εμπρόσθια συχνότητα καναλιού για το IS-95 είναι MHz και η αντίστροφη συχνότητα του καναλιού είναι MHz. Τα φέροντα σήματα χωρίζονται από τη συχνότητα των 1.25MHz. Το σήμα διαμορφώνεται BPSK (Binary Phase Shift Keying) και με εξάπλωση τετραγωνικής στο ρυθμό δεδομένων του 1,2288Mchips/sec. Παρά το γεγονός ότι οι τυποποιημένες τεχνολογίες κινητών επικοινωνιών 2G παρέχουν αποτελεσματική μετάδοση δεδομένων φωνής, οι εφαρμογές περιήγησης στο διαδίκτυο είναι σε πολύ χαμηλές ταχύτητες. Έτσι, είναι επίσης ανεπαρκείς για την ταχεία μετάδοση . Επομένως για την παροχή υψηλότερου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων για εφαρμογές περιήγησης στο διαδίκτυο, υπηρεσίες τα πρότυπα 2G τροποποιήθηκαν και ένα νέο πρότυπο που ονομάζεται 2.5G έχει αναπτυχθεί με την προς τα πίσω συμβατότητα με το πρότυπο 2G. Οι τεχνολογίες 2.5G χρησιμοποιούν WAP (Wireless Application Protocols) με τα οποία οι ιστοσελίδες προβάλλονται στους χρήστες σε μια συμπιεσμένη μορφή. Πρόσφατα, ένας αριθμός άλλων πρωτοκόλλων συμπίεσης ιστού αναπτύσσονται ανάμεσα στα οποία ο Ald00. Η τεχνολογία 2.5G έχει εξελιχθεί από τα πρότυπα (GSM, PDC, IS-95 και IS-136) που χρησιμοποιεί η τεχνολογία 2G. Η Εικόνα -8-

19 2 δείχνει διάφορα μονοπάτια αναβάθμισης για τις 2G τεχνολογίες, αλλά και για τη 3G. Το πρότυπο 2.5G IS-95B έχει εξελιχθεί από το CDMAone σε 2G το οποίο χρησιμοποιεί κανάλι εύρους ζώνης στα 1,25MHz. Το HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) έχει εξελιχθεί από το πρότυπο GSM, το οποίο επιτρέπει σε μεμονωμένους χρήστες να χρησιμοποιούν διαδοχικές χρονοθυρίδες (time slots) που επιτρέπουν την πρόσβαση σε υψηλότερες ταχύτητες λήψης δεδομένων στα δίκτυα GSM. Χρησιμοποιεί 200KHz εύρος ζώνης καναλιού και παρέχει ρυθμό μετάδοσης έως και 57,6kbps. Εικόνα 2: Μονοπάτια αναβάθμισης για τεχνολογίες 2G. Το GPRS περιλαμβάνει χαρακτηριστικά από τα GSM, IS-136 και PDC. Παρέχει ένα πακέτο δεδομένων πρόσβασης το οποίο είναι κατάλληλο για τη χρήση σε μηπραγματικό χρόνο (non real time) του διαδικτύου, του φαξ, των καθώς και την περιήγηση, όπου η ταχύτητα λήψης είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα μεταφόρτωσης -9-

20 (uploading). Ο αυξημένος ρυθμός δεδομένων για το GSM Evolution, το οποίο είναι το προηγμένο πρότυπο GSM βασίζεται στα κοινά χαρακτηριστικά του GSM και του IS Επίσης, αναφέρεται ως enhanced GPRS. [8, 9] 1.4 Τρίτη Γενιά (3G) Η τρίτη γενιά ασύρματων συστημάτων 3G παρέχει συμβατότητα με τις παλαιότερες εκδόσεις δικτύων 2G και 2.5G. Η τεχνολογία 3G αρχικά είχε σχεδιαστεί για πρόσβαση στο internet με υψηλότερες ταχύτητες και για τα διάφορα είδη εφαρμογών περιήγησης στο διαδίκτυο. Το πρότυπο 3G προσφέρει διάφορες ελκυστικές υπηρεσίες όπως είναι η τηλεδιάσκεψη, η οποία επιτρέπει πολλαπλούς χρήστες να επικοινωνούν πρόσωπο με πρόσωπο ακόμα κι αν βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση. Η υπηρεσία αυτή είναι πολύ χρήσιμη στην περίπτωση των βιομηχανιών και των επιχειρήσεων όπου οι διάφορες συνδιασκέψεις πραγματοποιούνται με τη χρήση της τηλεδιάσκεψης. Το 3G παρέχει υ- πηρεσίες πολυμέσων, βίντεο κλήσης, υπηρεσίες τυχερών παιγνίων και πρόσβαση στο διαδίκτυο με πολύ υψηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Το πρότυπο 3G κατηγοριοποιείται στους εξής δύο τύπους: 3GPP και 3GPP2, οι οποίοι περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω GPP Το πρότυπο αυτό παρέχει μετόπισθεν συμβατότητα με το GSM και το IS-136/PDC. Το πρότυπο 3GPP περιλαμβάνει το WCDMA, το TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) και το EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution). Το W-CDMA καλείται ονομάζεται επίσης UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Το W-CDMA χρησιμοποιεί τα δύο πρότυπα FDD και TDD. Η τεχνική έχει προς τα πίσω συμβατότητα με το GSM και το εύρος ζώνης του καναλιού είναι στα 5GHz. Ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων μπορεί να φτάσει τα 2 Mbps. Η φασματική του απόδοση είναι έξι φορές μεγαλύτερη από ότι του συστήματος GSM. Το TD-SCDMA είναι ένα δημοφιλές πρότυπο συμβατό με το GSM. Έχει εύρος ζώνης 1.6MHz και χρησιμοποιεί το πρότυπο TDD. Ο ρυθμός μετάδοσης (bitrate) του καναλιού είναι μέχρι τα 2.227Mbps. -10-

21 GPP2 Αυτή η τεχνολογία 3G είναι συμβατή με το πρότυπο 2G CDMA, δηλαδή το IS-95 και το 2.5G IS-95Β. Το πρότυπο CDMA-2000 χρησιμοποιεί τις μεθόδους FDD και TDD. Η συχνότητα καθοδικής ζεύξης μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας είτε άμεση διασπορά ή πολλαπλών φερόντων σημάτων και η συχνότητα ανοδικής ζεύξης υποστηρίζει τον ταυτόχρονο συνδυασμό πολλαπλών φερόντων σημάτων και την άμεση διασπορά αυτών. Το 3G-CDMA2000 1xRTT CDMA υποδηλώνει ένα μοναδικό κανάλι στα 1,25MHz. Ο ρυθμός των δεδομένων είναι έως και 2 Mbps. Ο Πίνακας 2 περιγράφει ε- πιγραμματικά τα χαρακτηριστικά των τριών πρώτων γενιών δικτύων κινητής τηλεφωνίας. [5, 8] Πίνακας 2: Τα χαρακτηρίστηκα των γενιών κινητής τηλεφωνίας. Τεχνολογία 1G 2G 3G Εμφανίστηκε Εφαρμόστηκε Υπηρεσίες Αναλογικές υπη- Ψηφιακές υπηρεσίες φωνής, Μεγαλύτερη χωρητι- ρεσίες φωνής μηνύματα (SMS) κότητα, ρυθμός δεδομένων έως 2Mbps Πρότυπα AMPS, ETACS, TDMA, CDMA, GSM WCDMA, CDMA- NMT κλπ Ρυθμός Δεδομένων NA 14.4kbps 2Mbps Πολυπλεξία FDMA TDMA, CDMA CDMA Δίκτυο PSTN PSTN Πακέτα Δικτύου -11-

22 1.5 Η ανάγκη για το LTE Για πολλά χρόνια, οι φωνητικές κλήσεις κυριάρχησαν την κίνηση στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Η ανάπτυξη των υπηρεσιών δεδομένων στα κινητά ήταν αρχικά αργή, αλλά με την πάροδο του χρόνου και μέχρι το 2010 η χρήση τους άρχισε να αυξάνεται δραματικά. Για να φανεί αυτό, η Εικόνα 3 δείχνει τις μετρήσεις από την Ericsson, της συνολικής κίνησης από τα δίκτυα σε όλο τον κόσμο, σε petabytes ανά μήνα. Ο αριθμός αυτός καλύπτει την περίοδο Ιανουάριος 2007-Ιούλιος 2011, διάστημα κατά το οποίο το ποσό των δεδομένων κίνησης αυξήθηκε κατά ένα συντελεστή πάνω από 100. Αυτή η τάση αναμένεται να συνεχιστεί. Για παράδειγμα, η Εικόνα 4 δείχνει τις προβλέψεις από την Analysys Mason της αύξησης της κίνησης στην κινητή κατά την περίοδο Εικόνα 3: Μετρήσεις κίνησης φωνής και δεδομένων κινητής τηλεφωνίας παγκοσμίως από τον Ιανουάριο του 2007 έως των Ιούλιο του

23 Εικόνα 4: Πρόβλεψη κίνησης φωνής και δεδομένων κινητής τηλεφωνίας παγκοσμίως για το διάστημα 2011 έως Εν μέρει, η αύξηση αυτή προήλθε από την αυξημένη διαθεσιμότητα των επικοινωνιακών τεχνολογιών 3.5G. Πιο σημαντικό όμως, ήταν η εισαγωγή του iphone της Apple το 2007, ακολουθούμενο από συσκευές που βασίζονται στο λειτουργικό σύστημα Android της Google το Αυτά τα έξυπνα κινητά (smartphones) είναι πιο ελκυστικά και φιλικά στον χρήστη απ ότι οι προκάτοχοί τους και έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίξουν τη δημιουργία εφαρμογών από τρίτους προγραμματιστές. Το αποτέλεσμα ήταν μια έ- κρηξη στη χρήση των κινητών εφαρμογών, η οποία αντικατοπτρίζεται στα διαγράμματα. Οι πάροχοι δικτύων κινητής τηλεφωνίας είχαν ήδη προσπαθήσει να ενθαρρύνουν την ανάπτυξη των υπηρεσιών δεδομένων κινητής με την εισαγωγή των συστημάτων χρέωσης στα οποία επιτρέπονται απεριόριστες λήψεις δεδομένων. Αυτό οδήγησε σε μια κατάσταση όπου ούτε οι χρήστες, ούτε οι προγραμματιστές είχαν την ανάγκη να περιορίσουν την κατανάλωση των δεδομένων τους. Ως εκ τούτου, τα δίκτυα 2G και 3G άρχισαν να παρουσιάζουν συμφόρηση από το 2010 και έπειτα, γεγονός το οποίο οδήγησε σε μια απαίτηση για την αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου. [28, 30] -13-

24 2 LTE και LTE-ADVANCED Ο στόχος του LTE είναι η παροχή υψηλού ρυθμού δεδομένων, χαμηλή καθυστέρηση και βελτιστοποιημένη τεχνολογία ασύρματης πρόσβασης πακέτων η οποία στηρίζει την ανάπτυξη ενός ευέλικτου εύρους ζώνης. Παράλληλα, η νέα αρχιτεκτονική του δικτύου έχει σχεδιαστεί με στόχο να υποστηρίζει την εναλλαγή πακέτων δεδομένων κίνησης με αδιάλειπτη κινητικότητα, την αυξημένη ποιότητα των υπηρεσιών και την ελάχιστη λανθάνουσα κατάσταση. 2.1 Εισαγωγή στο LTE Τα χαρακτηριστικά του συστήματος LTE που σχετίζονται με τη εναέρια διεπαφή (air interface) συνοψίζονται στον Πίνακας 3. Το σύστημα αυτό υποστηρίζει ένα ευέλικτο εύρος ζώνης χάρη στο πρότυπο OFDMA και τα συστήματα πρόσβασης SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Εκτός από το FDD και το TDD, το ημι-αμφίδρομο FDD έχει τη δυνατότητα να υποστηρίξει UE (user equipments) χαμηλού κόστους. Στην ημι-αμφίδρομη λειτουργία FDD το UE δεν υποχρεούται να μεταδίδει και να λαμβάνει ταυτόχρονα. Αυτό αποφεύγει την ανάγκη για ένα δαπανηρό διπλέκτη (duplexer) στο UE. Το σύστημα είναι κατά κύριο λόγο βελτιστοποιημένο για χαμηλές ταχύτητες έως 15km/h. Ωστόσο, οι προδιαγραφές του συστήματος επιτρέπουν την υποστήριξη της κινητικότητας σε πάνω από 350 km/h με κάποια υποβάθμιση των επιδόσεων. Η πρόσβαση ανοδικής ζεύξης βασίζεται στον SC-FDMA που υπόσχεται αυξημένη κάλυψη ανοδικής ζεύξης λόγω του χαμηλού PAPR (Peak to Average Power Ratio) σε σχέση με τον OFDMA. -14-

25 Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά συστήματος LTE. Εύρος Ζώνης Πολυπλεξία Κινητικότητα MHz FDD, TDD, ημι-αμφίδρομη FDD 350km/h Πολλαπλή Πρόσβαση Καθοδική ζεύξη OFDMA Ανοδική ζεύξη SC-FDMA MIMO Καθοδική ζεύξη 2x2, 4x2, 4x4 Ανοδική ζεύξη 1x2, 1x4 Μέγιστος Ρυθμός Δεδομένων στα 20MHz 86Mb/s με 1x2 διαμόρφωση κεραίας Κανα- Διαμόρφωση Κωδικοποίηση λιού Άλλες Τεχνικές 173 και 326Mb/s για 2x2 και 4x4 MIMO αντίστοιχα QPSK, 16-QAM και 64-QAM Turbo code Χρονοπρογραμματισμός ως προς το κανάλι, προσαρμογή ζεύξης, έλεγχος ισχύος, ICIC και υβριδική ARQ Το σύστημα υποστηρίζει μέγιστο ρυθμό καθοδικής ζεύξης στα 326 Mb/s με 4 4 MIMO (Multiple Input Multiple Output) και εύρος ζώνης στα 20MHz. Επειδή στην πρώτη έκδοση του προτύπου LTE δεν χρησιμοποιείται MIMO στην ανοδική ζεύξη, οι ταχύτητες ανοδικής ζεύξης περιορίζονται στα 86Mb/s σε εύρος ζώνης των 20MHz. Ε- πιπλέον, με την βελτίωση του μέγιστου ρυθμού δεδομένων, το σύστημα LTE παρέχει δύο έως τέσσερις φορές υψηλότερη κυψελωτή φασματική απόδοση σε σχέση με το σύστημα HSPA 6. Ανάλογες βελτιώσεις που παρατηρήθηκαν είναι στην απόδοση των cell edge διατηρώντας τις ίδιες θέσεις όπως έχουν αναπτυχθεί για HSPA. Σε ότι αφορά την καθυστέρηση, η διεπαφή και το δίκτυο του LTE παρέχουν δυνατότητες για καθυστέρηση λιγότερη των 10ms στη μετάδοση ενός πακέτου από το δίκτυο στο UE. [34, 37] -15-

26 2.1.1 Οι προδιαγραφές της 3GPP για το LTE Η 3GPP παρήγαγε τις προδιαγραφές του LTE με τον ίδιο τρόπο όπως και για το UMTS και το GSM. Είναι οργανωμένα σε εκδόσεις, κάθε μία από τις οποίες περιέχει ένα σταθερό και σαφώς καθορισμένο σύνολο λειτουργιών. Η χρήση των εκδόσεων επιτρέπει στους κατασκευαστές την κατασκευή συσκευών που χρησιμοποιούν ορισμένα ή όλα τα χαρακτηριστικά των προηγούμενων εκδόσεων, ενώ η 3GPP συνεχίζει να προσθέτει νέα χαρακτηριστικά στο σύστημα σε νεότερες εκδόσεις. Σε κάθε έκδοση, οι προδιαγραφές εξελίσσονται μέσα από μια σειρά διαφορετικών εκδόσεων. Νέες λειτουργίες μπορούν να προστεθούν σε νεότερες εκδόσεις, μέχρι την ημερομηνία κατά την οποία η έκδοση θα σταματήσει να εξελίσσεται. Μετέπειτα, οι μόνες αλλαγές που μπορούν να γίνουν αφορούν την τελειοποίηση των τεχνικών λεπτομερειών, δηλαδή διορθώσεις και διευκρινίσεις. Ο Πίνακας 4 παραθέτει τις εκδόσεις που χρησιμοποίησε η 3GPP από την εισαγωγή του UMTS, μαζί με τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της κάθε έκδοσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι το σύστημα αρίθμησης άλλαξε μετά το Release 99, έτσι ώστε οι επόμενες εκδόσεις να αριθμούνται από το 4 έως το 11. Πίνακας 4: Εκδόσεις προδιαγραφών της 3GPP για το UMTS και το LTE. Έκδοση Ημερομηνία διακοπής περεταίρω ανάπτυξης Νέα Χαρακτηριστικά R99 Μάρτιος 2000 WCDMA R4 Μάρτιος 2001 TD-SCDMA R5 Ιούνιος 2002 HSDPA, υποσύστημα πολυμέσων IP R6 Μάρτιος 2005 HSUPA R7 Δεκέμβριος 2007 Βελτιώσεις του HSUPA R8 Δεκέμβριος 2008 LTE, SAE R9 Δεκέμβριος 2009 Βελτιώσεις του LTE και του SAE R10 Μάρτιος 2011 LTE-Advanced R11 Σεπτέμβριος 2012 Βελτιώσεις του LTE- Advanced -16-

27 Το LTE εισήχθη για πρώτη φορά στην 8η έκδοση, η οποία παγιώθηκε τον Δεκέμβριο του Αυτή η έκδοση περιέχει τα περισσότερα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά του LTE. Μολαταύτα, για τον καθορισμό του Release 8 η 3GPP παραλείπει μερικά από τα λιγότερο σημαντικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Τα χαρακτηριστικά αυτά συμπεριλήφθηκαν τελικά στο Release 9. Το Release 10 περιλαμβάνει τις επιπλέον δυνατότητες που απαιτούνται για το LTE-Advanced. Η 3GPP συνέχισε επίσης να προσθέσει νέα χαρακτηριστικά για το UMTS σε όλα τα Releases 8 έως 11. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στους διαχειριστές του δικτύου που συνεχίζουν να χρησιμοποιούν το UMTS να παραμένουν ανταγωνιστικοί, ενώ ακόμη και άλλοι φορείς κινούνται πάνω σε LTE. Οι προδιαγραφές επίσης είναι οργανωμένες σε αρκετές σειρές, κάθε μία από τις οποίες καλύπτει ένα συγκεκριμένο συστατικό του συστήματος. Ο [38, 53] Πίνακας 5 συνοψίζει τα περιεχόμενα των σειρών 21 έως 37, τα οποία περιέχουν όλες τις προδιαγραφές για το LTE και το UMTS, καθώς και τις προδιαγραφές που είναι κοινές σε LTE, UMTS και GSM. Μέσα σε αυτές τις σειρές, η κατανομή μεταξύ των διαφόρων συστημάτων ποικίλλει σε μεγάλο βαθμό. Η σειρά 36 είναι αφιερωμένη στις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση και τη λήψη σε LTE και αποτελεί σημαντική πηγή πληροφοριών. Στην άλλη σειρά, κάποιες προδιαγραφές ισχύουν για τις UMTS και μόνο, άλλες για να LTE μόνο και κάποιες και για τα δύο, έτσι είναι δύσκολο να διαπιστωθεί ποιες προδιαγραφές είναι οι σχετικές. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, θα αναφερθούν όλα τα σημαντικά χαρακτηριστικά που θα χρησιμοποιηθούν. Ένα παράδειγμα αριθμού προδιαγραφών είναι το TS v Το TS ξεχωρίζει για την τεχνική προδιαγραφή (technical support), το 23 είναι ο αριθμός σειράς και το 401 είναι ο αριθμός των προδιαγραφών εντός της εν λόγω σειράς, το 8 είναι ο αριθμός έκδοσης, το 13 είναι ο αριθμός της τεχνικής έκδοσης εντός αυτής της έκδοσης και το τελικό 0 είναι ένας συντακτικός αριθμός έκδοσης που κατά καιρούς αυξάνεται για τις όποιες μη τεχνικές αλλαγές. Η 3GPP παράγει επίσης τεχνικές εκθέσεις, που συμβολίζονται με TR (technical reports), οι οποίες είναι καθαρά ενημερωτικού χαρακτήρα και έχουν τριψήφιους αριθμούς προδιαγραφών αρχίζοντας με ένα 8 ή 9. Τέλος, κάθε προδιαγραφή ανήκει σε μία από τις επόμενες τρείς κατηγορίες. Προδιαγραφές τύπου Stage 1 (Στάδιο 1) ορίζουν την υπηρεσία από την πλευρά του χρήστη και βρίσκονται αποκλειστικά στη σειρά 22. Οι προδιαγραφές τύπου Stage 2 ορίζουν την αρχιτεκτονική υψηλού επιπέδου και τη λειτουργία του συστήματος, και βρίσκονται κυ- -17-

28 ρίως (αλλά όχι αποκλειστικά) στη σειρά 23. Οι προδιαγραφές Stage 3 καθορίζουν όλες τις λειτουργικές λεπτομέρειες. Οι προδιαγραφές Stage 2 είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για την επίτευξη υψηλού επιπέδου κατανόηση του συστήματος. Οι πιο χρήσιμες για το LTE είναι τα TS και τα TS , οι οποίες καλύπτουν αντίστοιχα, τον εξελιγμένο πυρήνα των πακέτων και την εναέρια διεπαφή. Υπάρχει ωστόσο, μια σημαντική διευκρίνηση: οι προδιαγραφές αυτές αντικαταστάθηκαν αργότερα και δεν μπορεί να γίνει επίκληση τους για την πλήρη ακρίβεια. Αντιθέτως, οι λεπτομέρειες θα πρέπει να ελεγχθούν εάν είναι απαραίτητο στις σχετικές προδιαγραφές του Stage 3. Οι επιμέρους προδιαγραφές μπορούν να μεταφορτωθούν από τις προδιαγραφές στην αριθμημένη ιστοσελίδα της 3GPP ή από το FTP διακομιστή του. Ο δικτυακός τόπος 3GPP έχει επίσης περιλήψεις από τα χαρακτηριστικά που καλύπτονται σε κάθε έκδοση. [38, 53] Πίνακας 5: Οι προδιαγραφές του 3GPP για τις σειρές που χρησιμοποιούν το UMTS και το LTE. Σειρά Σκοπός 21 Απαιτήσεις υψηλού επιπέδου 22 Στάδιο 1 των προδιαγραφών της υπηρεσίας 23 Στάδιο 1 των προδιαγραφών και της αρχιτεκτονικής της υπηρεσίας 24 Πρωτόκολλα μη πρόσβασης στρώματος 25 WCDMA και TD-SCDMA εναέριας διεπαφής και δίκτυο ασύρματης πρόσβασης 26 Κωδικοποιητές 27 Εξοπλισμός τερματικού δεδομένων 28 Παράλληλη ελεύθερη λειτουργία των κωδικοποιητών ομιλίας 29 Πρωτόκολλα για τον πυρήνα του δικτύου 30 Διαχείριση του προγράμματος 21 UICC και USIM 32 Λειτουργίες, διαχείριση, συντήρηση, τροφοδότηση και φόρτιση 33 Ασφάλεια 34 Έλεγχος προδιαγραφών του UE 35 Αλγόριθμοι ασφάλειας 36 LTE εναέριας διεπαφής και δίκτυο ασύρματης πρόσβασης 37 Πολλαπλές τεχνολογίες ασύρματης πρόσβασης -18-

29 2.1.2 Η εξέλιξη στο 4G Τα χαρακτηριστικά διεπαφής για το Mobile WiMAX και το UMB είναι πολύ παρόμοια με εκείνα του LTE δίδονται στον Πίνακας 3. Και τα τρία συστήματα υποστηρίζουν ευέλικτο εύρος ζώνης, FDD/TDD, OFDMA στην καθοδική ζεύξη και συστήματα MIMO. Υπάρχουν όμως μερικές διαφορές, για παράδειγμα στην ανοδική ζεύξη το LTE βασίζεται στην SC-FDMA σε σχέση με την OFDMA στο Mobile WiMAX και στο UMB. Η απόδοση των τριών συστημάτων, ως εκ τούτου αναμένεται να είναι εφάμιλλη με μικρές διαφορές. Παρόμοια με την πρωτοβουλία IMT-2000, η ITU-R Working Party 5D έχει δηλώσει τις απαιτήσεις για τα IMT-advanced συστήματα. Μεταξύ άλλων, οι απαιτήσεις αυτές περιλαμβάνουν μέσες ταχύτητες δεδομένων καθοδικής ζεύξης 100 Mbit/s στο ευρείας περιοχής δίκτυο και μέχρι 1 Gbit/s για τοπική πρόσβαση ή για σενάρια χαμηλής κινητικότητας. Επίσης κατά το Παγκόσμιο Συνέδριο Ραδιοεπικοινωνιών 2007 (WRC- 2007), προσδιορίστηκε ένα νέο φάσμα για τα συστήματα IMT στα 428MHz, τα οποία περιλαμβάνουν επίσης ένα φάσμα στα 136MHz το οποίο διατίθεται σε παγκόσμια βάση. Τόσο η 3GPP όσο και η IEEE 802LMSC αναπτύσσουν ενεργά δικά τους πρότυπα προς υποβολή στην IMT-advanced. Ο στόχος τόσο του LTE-Advanced (v8.0.0, 2012) όσο και του IEEE m (ΙΕΕΕ, 2007) είναι να ενισχύσουν περαιτέρω τη φασματική απόδοση και την ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων του συστήματος, ενώ υποστηρίζουν συμβατότητα προς τα πίσω με τις αντίστοιχες προηγούμενες κυκλοφορίες τους. Ως μέρος των εξελίξεων του LTE-Advanced και του IEEE , συζητιούνται αρκετές βελτιώσεις συμπεριλαμβανομένης της υποστήριξης για μεγαλύτερο εύρος ζώνης από 20 MHz και ανώτερης τάξης MIMO έτσι ώστε να πληρούν τις απαιτήσεις του IMTadvanced. [26, 41, 42] -19-

30 2.2 Εισαγωγή στο LTE-Advanced Ο σχεδιασμός του LTE πραγματοποιήθηκε ως μια πρωτοβουλία της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, η ITU βοήθησε να οδηγήσει την ανάπτυξη των τεχνολογιών 3G, δημοσιεύοντας μια σειρά από απαιτήσεις για ένα σύστημα κινητής επικοινωνίας 3G, με το IMT2000. Τα 3G συστήματα που σημειώθηκαν νωρίτερα είναι σήμερα αποδεκτά από την ITU ως ανταποκρινόμενα στις απαιτήσεις για το IMT Η ITU ξεκίνησε μια παρόμοια διαδικασία το 2008, δημοσιεύοντας μια σειρά από προϋποθέσεις για μια τέταρτη γενιά (4G) συστημάτων επικοινωνίας με το όνομα IMTadvanced όπως αναλύθηκε προηγουμένως. Σύμφωνα με τις απαιτήσεις αυτές, ο ρυθμός δεδομένων ενός συμβατού συστήματος θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 600Mbps στην κάτω ζεύξη και 270Mbps στην άνω ζεύξη, σε ένα εύρος ζώνης στα 40MHz. Μπορούμε να δούμε αμέσως ότι τα στοιχεία αυτά υπερβαίνουν τις δυνατότητες του LTE. [39, 40] Οι απαιτήσεις του LTE-Advanced Καθοδηγούμενη από τις απαιτήσεις της ITU για το IMT-advanced, η 3GPP άρχισε να μελετά πώς να ενισχύσει τις δυνατότητες του LTE. Το κύριο συμπέρασμα από τη μελέτη ήταν οι προδιαγραφές για ένα σύστημα που είναι γνωστό ως LTE-Advanced, στην οποία οι κύριες απαιτήσεις είχαν ως εξής. To LTE-Advanced ήταν υποχρεωμένο να παραδώσει ένα μέγιστο ρυθμό δεδομένων στα 1000Mbps στην καθοδική ζεύξη και 500Mbps στην ανοδική ζεύξη. Στην πράξη, το σύστημα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να μπορεί τελικά να παραδώσει μέγιστους ρυθμούς δεδομένων των και 1.500Mbps αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας ένα συνολικό εύρος ζώνης των 100MHz που γίνεται από πέντε ξεχωριστές συνιστώσες των 20MHz έκαστο. Σημειώνεται ότι τα στοιχεία αυτά είναι ανέφικτα σε οποιοδήποτε ρεαλιστικό σενάριο. Οι προδιαγραφές περιλαμβάνουν επίσης στόχους για την αποδοτικότητα του φάσματος σε ορισμένα σενάρια δοκιμών. Σε σύγκριση με τα αντίστοιχα στοιχεία για WCDMA συνεπάγεται μια φασματική απόδοση 4,5 έως 7 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Release 6 WCDMA στην καθοδική ζεύξη και 3,5 έως 6 φορές μεγαλύτερη στην ανοδική ζεύξη. Τέλος, το LTE-Advanced έχει σχεδιαστεί για να είναι συμβατό με το -20-

31 LTE, υπό την έννοια ότι ένα LTE κινητό μπορεί να επικοινωνεί με ένα σταθμό βάσης που λειτουργεί με LTE-Advanced και αντίστροφα. Το LTE-Advanced είναι η εξελικτική πορεία από το LTE Release 8. Τέτοια συστήματα παρέχουν πρόσβαση σε ένα ευρύ φάσμα τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών, συμπεριλαμβανομένων των προηγμένων υπηρεσιών κινητής, που υποστηρίζονται από κινητά και σταθερά δίκτυα, τα οποία βασίζονται όλο και περισσότερο σε πακέτα μεταγωγής. Όπως αναφέρθηκε το LTE Release 8 δεν μπορεί να ικανοποιήσει όλες τις απαιτήσεις του IMT-Advanced και απαιτείται τεχνολογία πέρα του Release 8 ως εκ τούτου, το LTE-Advanced έχει σχεδιαστεί για να ανταποκριθεί και να υπερβεί αυτές τις απαιτήσεις του IMT-Advanced, όπως συνοψίζονται στον Πίνακας 6. Αυτές οι απαιτήσεις ικανοποιούνται χρησιμοποιώντας μια ποικιλία από τεχνικές, συμπεριλαμβανομένων της συνάθροισης των φερόντων σημάτων, της DL χωρικής πολυπλεξίας χρησιμοποιώντας 8-MIMO, τη μετάδοση και λήψη με DL COMP και τη UL χωρική πολυπλεξία χρησιμοποιώντας 4-MIMO. Εκτός από την βελτίωση στην φασματική απόδοση, είναι επίσης στοχευμένη η μείωση της λανθάνουσας κατάστασης. Οι στόχοι είναι να μειωθεί ο χρόνος μετάβασης από την κατάσταση αδράνειας στην συνδεδεμένη κατάσταση από 100ms που είναι στο LTE σε λιγότερο από 50ms στο LTE-Advanced. Ομοίως, η μετάβαση από ανενεργή στην ενεργό κατάσταση θα πρέπει να μειωθεί από τα 50ms που είναι στο LTE σε λιγότερο από 10ms στο LTE-Advanced. Επίσης μπορεί να επιτευχθεί ενίσχυση της κάλυψης και της χωρητικότητας χρησιμοποιώντας ένα ετερογενές δίκτυο, το οποίο είναι μια συλλογή κόμβων χαμηλής ισχύος η οποία διανέμεται σε ένα μακροκυψελλωτό ομοιογενές δίκτυο. Υπάρχουν διάφοροι τύποι κόμβων χαμηλής ισχύος, συμπεριλαμβανομένων τις μικροκυψέλλες, τις pico κυψέλες, τις femto κυψέλες και τους μεταγωγείς. Αυτοί οι κόμβοι χαμηλής χρησιμοποιούνται σε διάφορα περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων των hot spots, τα σπίτια, τις επιχειρήσεις, και τις τοποθεσίες με χαμηλή γεωμετρία έτσι ώστε να βελτιωθεί η συνολική χωρητικότητα και η κάλυψη του συστήματος. [44, 47] -21-

32 Πίνακας 6: Στόχοι LTE-Advanced πλήρως συμφορισμένου buffer. Περιβάλλον Στόχοι καθοδικής ζεύξης του LTE- Advanced Στόχοι ανοδικής ζεύξης του LTE- Advanced Εσωτερικοί χώροι Τομέας (b/s/hz) Όριο κυψέλης (b/s/hz) Τομέας (b/s/hz) Όριο κυψέλης (b/s/hz) Μικροκυψέλλες Βασική αστική κάλυψη Υψηλή Ταχύτητα Μέγιστη φασματική απόδοση Συστήματα 4ης Γενιάς (4G) Μετά την υποβολή και αξιολόγηση των προτάσεων, η ITU ανακοίνωσε τον Οκτώβριο του 2010 ότι τα δύο συστήματα πληρούν τις απαιτήσεις του IMT-advanced. Ένα σύστημα ήταν το LTE-Advanced, ενώ το άλλο ήταν μια βελτιωμένη έκδοση του WiMAX στο πλαίσιο της IEEE m προδιαγραφής, γνωστό ως mobile WiMAX 2.0. Η Qualcomm είχε αρχικά ως στόχο την ανάπτυξη ενός διαδόχου 4G για το CDMA2000 με την ονομασία UMB. Ωστόσο, το σύστημα αυτό δεν διέθετε δύο από τα πλεονεκτήματα που είχε ο προκάτοχός του. Πρώτον, δεν ήταν συμβατό με το CDMA2000, με τον τρόπο που είχε το CDMA2000 με το IS-95. Και δεύτερον, δεν ήταν πλέον το μόνο σύστημα που θα μπορούσε να λειτουργήσει στα στενά εύρη ζώνης που κυριαρχούν στη Βόρεια Αμερική, λόγω της εύκαμπτης υποστήριξης του εύρους ζώνης του LTE. Χωρίς να έχουν κανένα επιτακτικό λόγο για να το πράξουν, κανένας πάροχος δικτύου δεν ανακοίνωσε ποτέ ότι σχεδιάζει να υιοθετήσει την τεχνολογία και το σχέδιο εγκαταλείφθηκε το 2008.Αντ αυτού, οι περισσότεροι πάροχοι που χρησιμοποιούσαν το CDMA2000 αποφάσισαν να στραφούν στο LTE. Αυτό οδήγησε σε μία κατάσταση όπου υπήρχαν δύο εναπομείναντες τεχνολογίες για κινητές επικοινωνίες 4G, το LTE και το WiMAX. Από αυτές, το LTE έχει μακράν την μεγαλύτερη υποστήριξη μεταξύ των παρόχων δικτύων και των κατασκευαστών ε- -22-

33 ξοπλισμού και είναι πιθανό να είναι κυρίαρχη τεχνολογία της κινητής επικοινωνίας στον κόσμο για τα επόμενα χρόνια. [15, 17] Η έννοια του 4G Αρχικά, η ITU προόριζε πως ο όρος 4G θα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο για συστήματα που πληρούν τις απαιτήσεις του IMT-Advanced. Το σύστημα LTE όμως δεν χρησιμοποίησε mobile WiMAX 1.0 (IEEE e). Εξαιτίας αυτού, η επιστημονική κοινότητα ήρθε να περιγράψει αυτά τα συστήματα ως 3.9G. Αυτές οι εκτιμήσεις ωστόσο, δεν σταμάτησαν την κοινότητα του μάρκετινγκ να περιγράφει το LTE και το mobile WiMAX 1.0 σαν τεχνολογίες 4G. Παρά το γεγονός ότι η περιγραφή αυτή δεν ήταν δικαιολογημένη από την άποψη των επιδόσεων, στην πραγματικότητα όμως υπήρξε κάποια λογική σε αυτό καθώς υπάρχει σαφής τεχνική μετάβαση στη μετάβαση από το UMTS στο LTE, η οποία δεν υπάρχει στην κίνηση από το LTE να LTE-Advanced. Μετά από λίγο καιρό αποδέχτηκε η ITU την περιγραφή αυτή. Για την ακρίβεια τον Δεκέμβριο του 2010, η ITU έδωσε την άδεια της για τη χρήση του 4G στο να περιγράψει το LTE και το mobile WiMAX 1.0, αλλά και σε κάθε άλλη τεχνολογία η οποία θα έχει σημαντικά καλύτερη απόδοση από τα προηγούμενα συστήματα 3G. Δεν έχουν καθορίσει τι εννοούν ακριβώς λέγοντας «σημαντικά καλύτερη», αλλά εμείς απλά πρέπει να γνωρίζουμε ότι το LTE είναι ένα 4G σύστημα κινητής επικοινωνίας. [39, 62] Τεχνολογικά εξαρτήματα Η απόδοση της ζεύξης των σημερινών κυψελωτών συστημάτων, όπως το LTE είναι ήδη αρκετά κοντά στο όριο του Shannon. Από μια καθαρή προοπτική σύνδεσης προϋπολογισμού, οι πολύ υψηλοί ρυθμοί δεδομένων που στοχεύονται από το LTE-Advanced α- παιτούν υψηλότερο SNR από ότι είχαν συνήθως τα κυψελωτά δίκτυα ευρείας περιοχής. Παρά το γεγονός ότι κάποιες βελτιώσεις της σύνδεσης είναι δυνατές, π.χ. χρησιμοποιώντας επιπλέον εύρος ζώνης ως μέσο για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της κωδικοποίησης /διαμόρφωσης, είναι απαραίτητο να βρούμε τα εργαλεία για τη βελτίωση του SNR έτσι ώστε να επιτευχθεί μια πυκνότερη υποδομή σε λογικό κόστος. Στις παρακάτω υποενότητες βρίσκονται κάποια παραδείγματα των τεχνολογιών για το LTE- Advanced. -23-

34 Μετάδοση ευρύτερης ζώνης και μερισμός φάσματος Η επέκταση του εύρους ζώνης θα πρέπει να γίνει διατηρώντας παράλληλα τη συμβατότητα του φάσματος. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί στην πράξη με τη συνάθροιση την φερόντων σημάτων, όπου πολλαπλές LTE συγκεντρώνονται στο φυσικό επίπεδο για να παραχθεί το απαιτούμενο εύρος ζώνης. Η συνάθροιση φερόντων σημάτων απεικονίζεται στην Εικόνα 5. Σε έναν ακροδέκτη LTE, κάθε σήμα εμφαν ιζεται ως ένα φέρον σήμα LTE, ενώ ένας ακροδέκτης LTE-Advanced μπορεί να εκμεταλλευτεί τo συνολικό εύρος ζώνης. [25, 48] Εικόνα 5: Παράδειγμα συνάθροισης σημάτων. Λύσεις πολλαπλών κεραιών Η τεχνολογία πολλαπλών κεραιών, συμπεριλαμβανομένων της διαμόρφωσης και της χωρικής πολυπλεξίας, αποτελούν βασικές συνιστώσες της τεχνολογίας που έχει ήδη το LTE και μπορεί με ασφάλεια να αναμένεται ότι θα συνεχίσει να διαδραματίζει ακόμη πιο σημαντικό ρόλο στο πλαίσιο του LTE-Advanced. Η τρέχουσα LTE σχεδίαση πολλαπλών κεραιών υποστηρίζει έως τέσσερις κεραίες με αντίστοιχα σήματα αναφοράς κυψέλης στην καθοδική ζεύξη. Αυτή η δομή υποστηρίζει χωρική πολυπλεξία έως τέσσερα στρώματα, δίνοντας μέγιστο ρυθμό δεδομένων στα 300Mbit/s, καθώς και σχηματισμό δέσμης. Μαζί με συνολικό εύρος ζώνης των 100MHz, το τρέχον σύστημα χωρικής πολυπλεξίας του LTE θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα μέγιστο ποσοστό των 1,5Gbit/s, το οποίο είναι πολύ πιο μεγάλο από την απαίτηση LTE-Advanced. [18, 19] -24-

35 Συντονισμένη μετάδοση πολλαπλών σημείων Οι ρυθμοί δεδομένων που στοχεύει το LTE-Advanced, απαιτεί σημαντική βελτίωση του SINR στον ακροδέκτη. Επιπλέον, ο σχηματισμός δέσμης προσφέρεται ως μία δυνατότητα. Ήδη σε σημερινά δίκτυα, οι πολλαπλές γεωγραφικά διάσπαρτες κεραίες που συνδέονται με μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας ζώνης βάσης μπορεί να είναι αποδοτικό, από πλευράς κόστους για την οικοδόμηση δικτύων. Τέτοιες δομές μπορούν να ανοίξουν νέες στρατηγικές μετάδοσης. Μεταγωγείς και αναμεταδότες Μια άλλη δυνατότητα, από την άποψη του προϋπολογισμού, είναι η παροχή μίας πυκνότερης υποδομής για να αναπτύξει διαφορετικούς τύπους μεταγωγών (relays). Στην ουσία, η πρόθεση είναι να μειωθεί η απόσταση πομπού με δέκτη, επιτρέποντας έτσι υψηλότερες ταχύτητες δεδομένων. Ανάλογα με το σύστημα που εφαρμόζεται, μπορούν να προβλεφθούν διαφορετικοί τύποι μεταγωγών. Οι αναμεταδότες απλά ενισχύουν και διαβιβάζουν τα αναλογικά σήματα που έλαβαν και χρησιμοποιούνται ήδη σήμερα για το χειρισμό τρυπών κάλυψης. Παραδοσιακά, μόλις εγκατασταθεί ο αναμεταδότης, προωθεί συνεχώς το λαμβανόμενο σήμα ανεξάρτητα από το αν υπάρχει ένας ακροδέκτης στην περιοχή κάλυψης του ή όχι. Αυτοί οι α- ναμεταδότες είναι αόρατοι τόσο στον τερματικό σταθμό όσο και στο σταθμό βάσης. Ωστόσο, πιο προηγμένων δομών αναμεταδότες (L1 relays) μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Επιπλέον εκθέσεις μετρήσεων από τους ακροδέκτες μπορούν επίσης να θεωρηθούν ως μέσο για την καθοδήγηση του δικτύου. Ο προγραμματισμός και ο έλεγχος α- ναμετάδοσης πάντα διαμένουν στο σταθμό βάσης και οι αναμεταδότες είναι, διαφανείς από την άποψη της κινητικότητας. [41, 66] -25-

36 2.3 Φυσικό Επίπεδο Το φυσικό επίπεδο του LTE έχει ως στόχο να παρέχει βελτιωμένες δυνατότητες ασύρματης διεπαφής μεταξύ του σταθμού βάσης (enodeb) και του UE σε σύγκριση με τις προηγούμενες τεχνολογίες, όπως το UMTS ή το HSDPA. Σύμφωνα με τις αρχικές απαιτήσεις που ορίστηκαν από το 3GPP, το φυσικό επίπεδο του LTE θα πρέπει να στηρίξει ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων άνω των 100Mb/s στην καθοδική ζεύξη και πάνω από τα 50 Mb/s στην ανοδική ζεύξη. Ένα ευέλικτο εύρος ζώνης μετάδοσης κυμαίνεται στα 1,25-20MHz θα παρέχει υποστήριξη στους χρήστες με διαφορετικές δυνατότητες. Οι απαιτήσεις αυτές θα πρέπει να πληρούνται με τη χρήση νέων τεχνολογιών για κυψελωτά περιβάλλοντα, όπως η OFDM και τα συστήματα πολλαπλών κεραιών Δομή φυσικών πόρων Οι φυσικοί πόροι στη διεπαφή ραδιοσυχνοτήτων οργανώνονται σε πλαίσια. Οι δύο δομές πλαισίου που υποστηρίζονται είναι οι τύπου 1, που εφαρμόζονται για το FDD, και οι τύπου 2, που εφαρμόζονται για το TDD. Η δομή του πλαισίου τύπου 1 έχει μήκος 10ms και αποτελείται από 10 υπό-πλαίσια μήκους Tsubframe=1ms. Ένα υπό-πλαίσιο αποτελείται από δύο διαδοχικές χρονοθυρίδες, όπου η κάθε μία έχει διάρκεια 0,5ms, όπως απεικονίζεται στην Εικόνα 6. Εικόνα 6: Δομή πλαισίου Τύπου

37 Μία θυρίδα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα δίκτυο πόρων χρόνου-συχνότητας, που αποτελείται από ένα υπό-σύνολο OFDM κατά διάφορα χρονικά σύμβολα OFDM. Ο αριθμός των υπό-συνόλων OFDM (που κυμαίνονται από 128 έως 2048) προσδιορίζεται από το εύρος ζώνης μετάδοσης, ενώ ο αριθμός των OFDM συμβόλων ανά θυρίδα (slot) (επτά ή έξι) εξαρτάται από το μήκος του κυκλικού προθέματος (κανονικό ή παρατεταμένο). Στα συστήματα πολλαπλών κεραιών, χρησιμοποιείται ένα διαφορετικό πλέγμα πόρων για κάθε κεραία μετάδοσης. Η ελάχιστη διαθέσιμη μονάδα πόρου που ορίζεται από τον προγραμματιστή για κάθε ένα χρήστη οριοθετείται από ένα PRB (Physical Resource Block). Κάθε PRB αντιστοιχεί σε 12 συνεχόμενα υπό-σύνολα σημάτων για μία θυρίδα (δηλαδή, ένα PRB περιέχει συνολικά 7 12 RE στο πεδίο χρόνου-συχνότητας, όπως φαίνεται στην Εικόνα 7). [21, 24] Εικόνα 7: Δομή υπό- πλαισίου. -27-

38 2.3.2 Σήματα αναφοράς Στην καθοδική ζεύξη στο LTE, τα ειδικά σήματα αναφοράς χρησιμοποιούνται για να διευκολύνουν τις διαδικασίες εκτίμησης καναλιού κάτω ζεύξης. Στο πεδίο του χρόνου, τα σήματα αναφοράς μεταδίδονται κατά την διάρκεια των πρώτων και τρίτων τελευταίων OFDM σύμβολων κάθε θυρίδα. Στο πεδίο της συχνότητας, τα σήματα αναφοράς κατανέμονται σε κάθε 6 υπό-σύνολα σημάτων. Ως εκ τούτου, μια αποτελεσματική διαδικασία εκτίμησης καναλιού μπορεί να εφαρμόσει μια δισδιάστατη παρεμβολή χρόνουσυχνότητας για να παρέχει μια ακριβή εκτίμηση της απόκρισης της συχνότητας του διαύλου εντός του χρονικού διαστήματος της θυρίδας. Όταν εφαρμόζεται ένα σύστημα πολλαπλών κεραιών στην καθοδική ζεύξη, ένα σήμα αναφοράς εκπέμπεται από κάθε κεραία με τέτοιο τρόπο ώστε ο κινητός ακροδέκτης να είναι σε θέση να εκτιμήσει την ποιότητα του καναλιού που αντιστοιχεί σε κάθε διαδρομή. Σε αυτήν την περίπτωση, τα σήματα αναφοράς που αντιστοιχούν σε κάθε κεραία μεταδίδονται σε διαφορετικά υπό-σύνολα σημάτων έτσι ώστε να μην συμπίπτουν με το άλλο. Επιπλέον, τα στοιχεία των πόρων που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση των σημάτων αναφοράς σε μία συγκεκριμένη κεραία δεν επαναχρησιμοποιούνται σε άλλες κεραίες για τη μετάδοση δεδομένων. [29, 35] Σήματα συγχρονισμού Ο σταθμός βάσης στέλνει περιοδικά σήματα συγχρονισμού στην καθοδική ζεύξη, έτσι ώστε οι κινητοί ακροδέκτες να έχουν τη δυνατότητα να είναι πάντα συγχρονισμένοι. Τα σήματα αυτά βοηθούν επίσης τον τερματικό σταθμό κατά τις διαδικασίες αναζήτησης των κυψελών και μεταβίβασης. Τα σήματα συγχρονισμού αποτελούνται από δύο τμήματα: Σήματα πρωτογενούς συγχρονισμού Τα σήματα αυτά χρησιμοποιούνται για το συγχρονισμό και την απόκτηση συχνότητας κατά την αναζήτηση των κυψελών. Η αλληλουχία που χρησιμοποιείται για τα πρωτογενή σήματα συγχρονισμού δημιουργείται από μία αλληλουχία Zadoff-Chu στο πεδίο συχνοτήτων, ενώ μεταφέρονται πάνω από το πρωτεύον κανάλι συγχρονισμού (SCH-Ρ). -28-

39 Σήματα δευτερεύοντος συγχρονισμού Χρησιμοποιούνται για να αποκτήσουν την πλήρη ταυτότητα της κυψέλης. Δημιουργούνται από τη συνένωση των δύο δυαδικών ακολουθιών με μήκος 31. Τα δευτερογενή σήματα συγχρονισμού διατίθενται στο δευτερεύον κανάλι συγχρονισμού (S-SCH). [45, 47] Φυσικά κανάλια Το LTE υποστηρίζει ένα ευρύ σύνολο φυσικών καναλιών που είναι υπεύθυνα για την εκτέλεση πληροφοριών από υψηλότερα στρώματα (τόσο τα δεδομένα των χρηστών όσο και τον έλεγχο των πληροφοριών). Η πλήρης σειρά φυσικών καναλιών ανοδικής και καθοδικής ζεύξης, μαζί με μια σύντομη επεξήγηση του σκοπού τους, παρατίθενται στον Πίνακας

40 Ζεύξη Τύπος Καναλιού Περιγραφή Πίνακας 7: Φυσικά κανάλια LTE. Καθοδική PDSCH Physical downlink shared channel Μεταφέρει δεδομένα χρήστη από τα ανώτερα στρώματα στην καθοδική ζεύξη, καθώς και σήματα σελιδοποίησης. PMCH Physical multicast channel Χρησιμοποιείται για την υποστήριξη της κίνησης MBMS (Multipoint Multimedia broadcast service). PBCH Physical broadcast channel Χρησιμοποιείται για την μετάδοση συγκεκριμένου σετ κυψελών ή για τις πληροφορίες του συστήματος. PCFICH Physical control format indicator channel Καθορίζει τον αριθμό των OFDM συμβόλων που χρησιμοποιούνται για να προσδιορίσουν τα κανάλια ελέγχου (PDCCH) στο πλαίσιο. PDCCH PHICH Physical downlink control channel Physical HARQ indicator channel Μεταφέρει αναθέσεις προγραμματισμού, άδεια για ανοδική ζεύξη και άλλους ελέγχους πληροφοριών. Η PDCCH απεικονίζεται σε άλλα στοιχεία πόρων μέχρι τα τρία πρώτα OFDM. σύμβολα στην πρώτη θυρίδα ενός υπό- πλαισίου. Μεταφέρει την υβριδική HARQ ACK/NAK. Ανοδική PUSCH Physical uplink shared channel Μεταφέρει δεδομένα χρήστη ανοδικής ζεύξης από τα ανώτερα στρώματα, οι πόροι για την PUSCH κατανέμονται σε μια βάση υπό- πλαισίου από τον προγραμματιστή. PUCCH Physical uplink control channel Η PUCCH ασκεί τον έλεγχο των πληροφοριών ανοδικής ζεύξης, συμπεριλαμβανομένων των καναλιών ένδειξης ποιότητας (CQI), ΗΑRQ ACK/NACK και τα αιτήματα προγραμματισμού ανοδικής ζεύξης. PRACH Physical random access channel Χρησιμοποιείται για να ζητάει μία σύνδεση εγκατάστασης στην ανοδική ζεύξη. -30-

41 2.3.5 Παραγωγή σήματος OFDM/SC-FDMA Το σύστημα μετάδοσης καθοδικής ζεύξης του LTE βασίζεται στην OFDMA, η οποία είναι μια εκδοχή πολλών χρηστών του συστήματος της OFDM διαμόρφωσης. Στην α- νοδική ζεύξη, χρησιμοποιείται η SC-FDMA, η οποία μπορεί να θεωρηθεί επίσης ως ένα γραμμικά προ-κωδικοποιημένο σύστημα OFDM που είναι γνωστό ως διακριτός μετασχηματισμός Fourier (DFT- spread OFDM). Ωστόσο, η SC-FDMA έχει επιλεγεί για την ανοδική ζεύξη λόγω της μικρότερης PAPR του μεταδιδόμενου σήματος σε σύγκριση με την OFDM. Οι χαμηλές τιμές PAPR ωφελούν τον σταθμό βάσης από την άποψη της αποτελεσματικότητας της ισχύος εκπομπής, η οποία μεταφράζεται επίσης σε αυξημένη κάλυψη. Η αλληλουχία της επεξεργασίας στη διαδικασία παραγωγής σήματος είναι αρκετά παρόμοια με αυτή της καθοδικής και της ανοδικής ζεύξης, όπως φαίνεται στην Εικόνα 8. Η κύρια διαφορά προέρχεται από την εξάλειψη της διαδικασίας χαρτογράφησης της κεραίας και την προσθήκη ενός DFT-spread μπλοκ, η οποία είναι το κλειδί της διαδικασίας για τη μείωση του PAPR. [46, 47] Εικόνα 8: Αλληλουχία επεξεργασίας στο μόντεμ μετάδοσης (ανοδικής και καθοδικής ζεύξης). Οι ακόλουθες ομάδες επεξεργασίας εμπλέκονται στην αλληλουχία παραγωγής σήματος: Ν-σημείων DFT Αυτό το μπλοκ εκτελεί τη λειτουργία OFDM DFT-spread, το οποίο παρέχει υψηλό βαθμό ομοιότητας με το σύστημα OFDM καθοδικής ζεύξης και τη δυνατότητα να χρησιμοποιούν τις ίδιες παραμέτρους του συστήματος. -31-

42 Χαρτογράφηση στοιχείων πόρων Τα σύμβολα διαμόρφωσης για κάθε κεραία θα πρέπει να αντιστοιχίζονται με συγκεκριμένα στοιχεία των πόρων στο πλέγμα των πόρων της συχνότητας του χρόνου. Μ-σημείων αντίστροφος διακριτός μετασχηματισμός Fourier (IDFT ) Τα OFDM σύμβολα μετατρέπονται στο πεδίο του χρόνου για να μεταδοθεί μέσω της εναέριας διεπαφής. Κυκλικό πρόθεμα (CP) Για κάθε σύμβολο OFDM που πρέπει να μεταδίδεται, τα τελευταία δείγματα Ncp του συμβόλου τοποθετούνται στο σύμβολο ως κυκλικό πρόθεμα με στόχο τη βελτίωση της αντοχής σε πολλαπλό αποτέλεσμα. [48, 50] Πάνω μετατροπή ραδιοσυχνότητας Το μιγαδικής τιμής OFDM σήμα βασικής ζώνης απεικονίζεται σε κάθε κεραία στη φέρουσα συχνότητα όπως φαίνεται στην Εικόνα 9. Εικόνα 9: Διαμόρφωση και πάνω μετατροπή. -32-

43 Σε γενικές γραμμές, η χρήση του OFDM καθοδικής και ανοδικής ζεύξης (σε μορφή OFDM DFT-spread) είναι ένα επαρκές σύστημα μετάδοσης για διάφορους λόγους: Βελτιώνει τη φασματική αποδοτικότητα του συστήματος. Παρέχει υψηλό βαθμό ευστάθεια σε ότι αφορά την επιλεκτικότητα του καναλιού συχνότητας. Επιτρέπει προσαρμογή ζεύξης και προγραμματισμό στο πεδίο των συχνοτήτων. Το LTE μπορεί να υποστηρίξει εύκολα διαφορετικές κατανομές του φάσματος με τη μεταβολή του αριθμού των υπό- φορέων OFDM Τεχνικές προσαρμογής ζεύξης Στο LTE, όπως και σε πολλά άλλα συστήματα κυψελωτής επικοινωνίας, η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος εξαρτάται, μεταξύ άλλων παραγόντων, από την απώλεια διαδρομής, τη παρουσία παρεμβαλλόμενων σημάτων, την ευαισθησία του δέκτη, και του φαινομένου διάδοσης μέσω πολλαπλών διαδρομών. Όλα αυτά τα φαινόμενα (που είναι εγγενή σε ασύρματα περιβάλλοντα) μπορεί να προκαλέσουν ισχυρές διακυμάνσεις στην ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος. Ο κύριος σκοπός των τεχνικών προσαρμογή ζεύξης είναι να αντισταθμίσουν τέτοιες παραλλαγές προκειμένου να εξασφαλίσουν την απαιτούμενη ποιότητα της υπηρεσίας κάθε UE (π.χ. ρυθμός δεδομένων του χρήστη, ρυθμός σφαλμάτων πακέτων, η λανθάνουσα κατάσταση), καθώς και να μεγιστοποιηθεί η απόδοση του συστήματος. Στην ανοδική ζεύξη, τα διαφορετικά UEs μεταδίδουν σε ένα κοινό δέκτη, κόμβο enodeb, ο οποίος είναι σε θέση να μετρήσει την ποιότητα των σημάτων δέκτη. Με βάση αυτές τις μετρήσεις, ο enodeb λαμβάνει αποφάσεις σχετικά με τον προγραμματισμό, την επιλογή της διαμόρφωσης και της κωδικοποίησης του συστήματος ή του ελέγχου της ισχύος μετάδοσης. Στην καθοδική ζεύξη, οι τεχνικές προσαρμογής απαιτούν ορισμένες πληροφορίες ανάδρασης από το δέκτη, προκειμένου να προσαρμόσουν καταλλήλως το εκπεμπόμενο σήμα στις συνθήκες των καναλιών. Υπό αυτή την έννοια, το UE είναι υπεύθυνο για τη μέτρηση και την υποβολή εκθέσεων σε τακτά χρονικά διαστήματα, της στιγμιαία ποιότητας του καναλιού από ένα ή μια ομάδα πεδίων των πόρων στον πομπό, μέσω δεικτών ποιότητας καναλιού (CQIs). Οι δείκτες αυτοί αποσκοπούν στην επίτευξη μίας αποτελε- -33-

44 σματικής συναλλαγής μεταξύ της επίδοσης του συνδέσμου προσαρμογής και γενικά της ανοδικής ζεύξης σηματοδότηση. [21, 43] Τα CQIs από τα UEs δείχνουν την ποιότητα του καναλιού καθοδικής ζεύξης και χρησιμοποιούνται από τον enodeb για τους ακόλουθους σκοπούς: Την επιλογή της διαμόρφωσης και της κωδικοποίησης του συστήματος. Τον επιλεκτικό προγραμματισμό χρόνου/συχνότητας. Τη διαχείριση των παρεμβολών. Τον έλεγχο της μετάδοσης ισχύος των φυσικών καναλιών Προσαρμοστική διαμόρφωση και κωδικοποίηση Διαφορετικής τάξης QAM διαμορφώσεις έχουν επιλεγεί για το LTE, που κυμαίνονται από την BPSK σε 64QAM. Διαμορφώσεις ανώτερης τάξης επιτρέπουν την επίτευξη υψηλότερων ρυθμών δεδομένων σε βάρος της ευστάθειας δηλαδή, είναι κατάλληλα κάτω από καλές συνθήκες καναλιού. Η προσαρμοστική τεχνική διαμόρφωσης έχει ως στόχο να βελτιώσει την απόδοση των δεδομένων, διατηρώντας παράλληλα το ρυθμό σφάλματος bit (BER) κάτω από μία προκαθορισμένη τιμή-στόχο (BERT). Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, το μεταδιδόμενο σήμα έχει τροποποιηθεί σύμφωνα με τη στιγμιαία ποιότητα του καναλιού. Επιπλέον, το σύστημα κωδικοποίησης μπορεί να τροποποιηθεί δυναμικά έτσι ώστε να ταιριάζει με τις στιγμιαίες συνθήκες καναλιού για κάθε χρήστη και υποδηλώνεται ως AMC. Σε αυτή την περίπτωση, τα συστήματα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης αλλάζουν από κοινού από τον πομπό και προσαρμόζουν το μεταδιδόμενο σήμα με τις μεταβαλλόμενες συνθήκες καναλιού τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και της συχνότητας. Το σύστημα κωδικοποίησης καθορίζει την ποσότητα του πλεονασμού που προστίθεται στα μεταδιδόμενα δεδομένα προκειμένου να αυξηθεί η αξιοπιστία μετάδοσης. Η αναλογία μεταξύ του αρχικού μήκους δεδομένων και των κωδικοποιημένων δεδομένων καθορίζει την πραγματική τιμή κωδικοποίησης R. Ως εκ τούτου, οι καλές συνθήκες ποιότητας της σύνδεσης οδηγούν στη χρήση ενός συστήματος διαμόρφωσης υψηλής τάξης (περισσότερα bits ανά σύμβολο), καθώς και ένα χαμηλό ποσοστό κωδικοποίησης. Σε αντίθεση, τα συστήματα χαμηλότερης διαμόρφωσης μαζί με τα υψηλότερα ποσοστά κωδικοποίησης απαιτούνται υπό κακές συνθήκες σύνδεσης έτσι ώστε να διατηρηθεί το απαιτούμε- -34-

45 νο επίπεδο QoS. Στις προδιαγραφές του LTE (3GPP ), ένα προκαθορισμένο σύνολο συστημάτων διαμόρφωσης και κωδικοποίησης (MCSs) αντιστοιχούν σε κάθε επίπεδο CQI. [29, 68] Κωδικοποίηση καναλιού Από τη δημοσιευμένη εργασία ορόσημο του Claude Shannon, η κωδικοποίηση καναλιού έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στις ψηφιακές επικοινωνίες έτσι ώστε να αυξηθεί η αξιοπιστία στη μετάδοση μέσω ενός μη ιδανικού καναλιού. Οι τεχνικές κωδικοποίησης του καναλιού επιτρέπουν την εντόπιση και τη διόρθωση ορισμένων λαθών που εισάγονται από το δίαυλο σε βάρος της προσθήκης περιττών πληροφοριών με τα δεδομένα που διαβιβάζονται. Το πλήρες σύστημα κωδικοποίησης καναλιού μπορεί να θεωρηθεί ως μια σύνθετη διαδικασία στην οποία οι τεχνικές ανίχνευσης/διόρθωσης σφαλμάτων, προσαρμογής ρυθμού, και παρεμβολής καναλιού που εφαρμόζονται με τις μεταδιδόμενες πληροφορίες προτού χαρτογραφούνται επί των φυσικών μέσων όπως στην Εικόνα 10. [24, 35] -35-

46 Εικόνα 10: Απλοποιημένο σύστημα κωδικοποίησης καναλιού στο LTE Τεχνικές κωδικοποίησης στο LTE Δύο διαφορετικές τεχνικές κωδικοποίησης έχουν επιλεγεί για την κωδικοποίηση καναλιού LTE: η tail biting συνελικτική κωδικοποίηση για τα κανάλια ελέγχου και η κωδικοποίηση turbo για τα κανάλια δεδομένων. Η τελική αλληλουχία bit που λαμβάνονται ως αποτέλεσμα των διαδικασιών κωδικοποίησης αναφέρεται ως ένα κωδικοποιημένο μπλοκ. Tail biting κωδικοποίηση Οι συνελικτικοί κώδικες εμφανίστηκαν για πρώτη φορά στην Elias, επιτρέπουν την επίτευξη ενός ρυθμού κωδικοποίησης από 1/m, διότι ένα σύνολο m κωδικοποιημένων bit -36-

47 παράγονται για κάθε bit εισόδου, ck. Προκύπτουν κωδικοποιημένα bit τα οποία εξαρτώνται από το τρέχον bit και από έναν αριθμό προηγούμενων bits τα οποία προσδιορίζονται για το μήκος περιορισμού, k, του κωδικοποιητή. Στο LTE, οι δίαυλοι ελέγχου κωδικοποιούνται με ένα tail biting συνελικτικό κώδικα με ένα ρυθμό κωδικοποίησης 1/3 και μήκος περιορισμού ίσο με 7. Στον ακροδέκτη, μια διαδικασία αποκωδικοποίησης ζητείται να ανακτήσει την αρχική ακολουθία δυαδικών ψηφίων δεδομένων. Αυτή η διαδικασία βασίζεται συνήθως στον αλγόριθμο του Viterbi, ο οποίος έχει το πλεονέκτημα της εκτέλεσης της μέγιστης πιθανότητας αποκωδικοποίησης. Επιπλέον, ο αλγόριθμος Viterbi είναι εξαιρετικά παραλληλήσιμος και επομένως ιδανικός για την υλοποίηση αποκωδικοποιητή υλικού. Κωδικοποίηση turbo Οι κώδικες turbo, προτάθηκαν για πρώτη φορά από τους Berrou, Glavieux και Thitimajshima (1993, 1064), επιτρέπουν αξιόπιστες επικοινωνίες με απόδοση κοντά στο θεωρητικό όριο που προβλέπεται από τον Shannon. Από την εισαγωγή τους, οι κώδικες turbo έχουν προταθεί για συστήματα χαμηλής ισχύος (π.χ. δορυφορικές επικοινωνίες ή σε περιπτώσεις περιορισμένης παρεμβολής, όπως για παράδειγμα η τεχνολογία κυψελωτών δικτύων τρίτης γενιάς). Η LTE turbo κωδικοποίηση βασίζεται σε δύο κωδικοποιητές με οκτώ καταστάσεις και σε ένα εσωτερικό παρεμβολέα που λειτουργεί με κώδικα turbo. Η αλληλουχία των αρχικών ψηφίων εισόδου, ck, κωδικοποιείται από το πρώτο κωδικοποιητή. Η είσοδος στο δεύτερο κωδικοποιητή είναι μια παρεμβεβλημένη εκδοχή της αρχικής αλληλουχίας, c k. Ως εκ τούτου, η προκύπτουσα κωδικοποιημένη ακολουθία είναι το αποτέλεσμα του συνδυασμού της αλληλουχίας των bit πληροφορίας με τις δύο ακολουθίες bit ισοτιμίας (parity bits) (Ρ1 και Ρ2). Συνεπώς, το συνολικό ποσοστό κώδικα είναι 1/3, ακόμη και αν η ταχύτητα του κάθε κωδικοποιητή είναι 1/2, επειδή οι έξοδοι τους συνδυάζονται με τα bits στην είσοδο. [20, 22] -37-

48 Αλληλουχία κωδικοποιημένων block Η διαδικασία αυτή αποτελείται από τη διαδοχική αλληλουχία των εξόδων προσαρμογής ρυθμού για τα διάφορα κωδικοποιημένα block. Το αποτέλεσμα είναι ένας κώδικας λέξη, δηλαδή η κωδικοποιημένη έκδοση του αρχικού μπλοκ των μεταφορών που πρέπει να διαβιβάζονται HARQ Η HARQ είναι ένας συνδυασμός της παραδοσιακής ARQ και του κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων, είναι ένα κοινό στοιχείο στο φυσικό στρώμα των σημερινών συστημάτων κινητής επικοινωνίας, όπως στο HSPA και στο LTE. Σε βάρος της υψηλότερης πολυπλοκότητας στην εφαρμογή της από ό, τι απαιτείται για μια παραδοσιακή ARQ, η HARQ επιτυγχάνει καλύτερη απόδοση από τις συνηθισμένες τεχνικές ARQ. Εκτός από την πληροφορία ανίχνευσης σφαλμάτων που προστίθεται στα δεδομένα, η προς τα ε- μπρός διόρθωση λάθους (FEC) bits επισυνάπτεται πριν από τη μετάδοση. Κάθε φορά που ανιχνεύεται ένα σφάλμα, η HARQ καλείται να εκτελέσει μια αναμετάδοση Πολλαπλές κεραίες Η χρήση πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή στην πλευρά του δέκτη σε συνδυασμό με επεξεργασία σήματος μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Τεχνολογίες πολλαπλών κεραιών είναι αναγκαίες για την επίτευξη των αρχικών απαιτήσεων του LTE όσον αφορά την κάλυψη, την QoS, και των στοχευμένων ρυθμών ροής δεδομένων (3GPP ). Μερικοί από τους βασικούς στόχους του LTE, όπως ο αριθμός των υποστηριζόμενων χρηστών ανά κυψέλη ή ο ρυθμός δεδομένων κορυφή των χρηστών, δεν μπορούν να ικανοποιηθούν χωρίς να λαμβάνονται υπόψη πολλαπλά συστήματα κεραιών. Έτσι, αντί να είναι μεταγενέστερη προσθήκη με το πρότυπο, οι τεχνικές πολλαπλών κεραιών είναι μέρος της τυποποίησης του LTE. Η ράδιο ζεύξη επηρεάζεται τυπικά από το γνωστό φαινόμενο πολλαπλής διαδρομής, το οποίο παράγει εποικοδομητικές και καταστρεπτικές παρεμβολές στο δέκτη. Χρησιμοποιώντας πολλαπλές κεραίες στον πομπό ή στον δέκτη, καθορίζονται πολλαπλά κανάλια (δηλαδή, μια διαδρομή ανάμεσα σε κάθε μετάδοση και λήψη της κεραίας). Δια- -38-

49 φορετικά μονοπάτια σε ιδανική περίπτωση θα έχουν ασυσχέτιστο ξεθώριασμα (uncorrelated fading), εάν η απόσταση μεταξύ των στοιχείων της κεραίας είναι σχετική ή ε- φαρμόζοντας διαφορετικές κατευθύνσεις πόλωσης προς τις κεραίες εκπομπής. Η βασική αρχή των πολλαπλών κεραιών είναι να παρέχουν στο δέκτη πολλαπλά αντίγραφα του μεταδιδόμενου σήματος προκειμένου να καταπολεμηθεί το στιγμιαίο ξεθώριασμα στο κανάλι. Η χωρική ποικιλομορφία μπορεί να επιτευχθεί έχοντας πολλαπλές κεραίες είτε στο πομπό είτε στην πλευρά του δέκτη. Μια μεγάλη ομάδα των λεγόμενων συστημάτων ποικιλομορφίας εκμεταλλεύονται τις πολλαπλές κεραίες λήψης προκειμένου να βελτιωθεί το αποτελεσματικό SNR. [18, 33] Συγχρονισμός Αν και η χρήση του OFDM στα σημερινά και στα μελλοντικά συστήματα επικοινωνίας έχει ευρέως παραταθεί λόγω των ιδιοτήτων του, από πρακτική άποψη υπάρχουν και ο- ρισμένα μειονεκτήματα. Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα σχετίζεται με τις αυστηρές προϋποθέσεις για το συγχρονισμό του χρόνου και της συχνότητας. Υπάρχουν δύο κύρια σημεία που σχετίζονται με το συγχρονισμό σε συστήματα που βασίζονται σε OFDM, όπως απεικονίζεται στην Εικόνα 11. Το πρώτο είναι ο συγχρονισμός συμβόλου ή ο συγχρονισμός χρόνου, το οποίο συνίσταται από το πώς ο δέκτης είναι σε θέση να καθορίσει την ακριβή στιγμή κατά την οποία το σύμβολο OFDM ξεκινά δηλαδή, τη σωστή θέση του παραθύρου DFT. Το δεύτερο είναι η συχνότητα συγχρονισμού, η οποία προσπαθεί να εξαλείψει το CFO (Carrier frequency offset) που προκαλείται από την αναντιστοιχία των τοπικών ταλαντωτών RF (fc) και την μετατόπιση Doppler (fd). Τα περισσότερα τμήματα των αλγορίθμων συγχρονισμoύ χρόνου με βάση τον υπολογισμό των μετρικών συσχέτισης, εκμεταλλεύονται κάποια περιοδικότητα του OFDM σήματος, λόγω του CP ή μιας γνωστής ακολουθίας κατάρτισης. Οι μετρήσεις που λαμβάνονται επιτρέπουν την εκτίμηση του CFO στο πεδίο του χρόνου. Το μοντέλο του συστήματος OFDM ακολουθεί το σχήμα που περιγράφεται στην Εικόνα 11. Το λαμβανόμενο σήμα, r(k), επηρεάζεται από το CFO, ε (δηλαδή, η συχνότητα μετατόπισης σε σχέση με την απόσταση υποφέρουσας, Δf) η αβεβαιότητα σχετικά με την έναρξη των OFDM συμβόλων συμβολίζεται ως θ και η διάδοση πολλαπλών δια- -39-

50 δρομών οφείλεται σε ένα κανάλι κρουστικής απόκρισης h(t), με το μήκος L. Ο χρόνος και η συχνότητα συγχρονισμού αποτελούνται από την εκτίμηση του θ και ε, αντιστοίχως. Τα σφάλματα χρονισμού οδηγούν σε διασυμβολική παρεμβολή (ISI), ενώ ατελείς εκτιμήσεις του CFO οδηγούν σε παρέμβαση του υποφέροντος (ICI), να υποβαθμίζοντας την απόδοση του συστήματος. [45, 47] Εικόνα 11: Μοντέλο συστήματος OFDM Εκτίμηση καναλιού Όπως είναι γνωστό ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του OFDM είναι ανοσία στις επιδράσεις που έχουν οι πολλαπλές διαδρομές. Η υπόθεση αυτή επιτρέπει εύκολα για την εκτέλεση της διαδικασίας εξίσωσης καναλιού στο πεδίο της συχνότητας με τη βοήθεια των πολλαπλασιασμών με σταθερές αξίες. Σε γενική περίπτωση, τα κινητά κανάλια θεωρείται πως έχουν επιλεκτική συχνότητα και εναλλαγή χρόνου (time variant). Το γεγονός αυτό απαιτεί μια δυναμική εκτίμηση της απόκρισης συχνότητας διαύλου στο δέκτη. Η πλέον εκτεταμένη στρατηγική για ε- κτίμηση καναλιού σε OFDMA βασίζεται στη χρήση των πιλοτικών υποφορέων, που -40-

51 κατανέμονται κατά μήκος του εύρους ζώνης μετάδοσης, του οποίου οι μεταδιδόμενες τιμές είναι γνωστές στο δέκτη. Η στρατηγική αυτή επιτρέπει την εύκολη εκτίμηση της συχνότητας απόκρισης του διαύλου για αυτό το σύνολο των συχνοτήτων. [24, 35] Τυχαία προσπέλαση Μόλις το UE συγχρονίσει με τη μετάδοση καθοδικής ζεύξης μετά τη διαδικασία αναζήτησης των κυψελών, είναι σε θέση να ζητήσει από τον enodeb την κατανομή των πόρων για να ξεκινήσει τη μετάδοση ή να ανακτήσει από μια απώλεια συγχρονισμού από την ανοδική ζεύξη. Επιπλέον, ο μηχανισμός αυτός επιτρέπει τον enodeb να εκτιμήσει και να προσαρμόσει το χρονισμό μετάδοσης του UE μέσα σε ένα κλάσμα του κυκλικού προθέματος. Αυτή η διαδικασία βασίζεται στη μετάδοση ενός ειδικού συμβόλου και χαρτογραφείται σε PRACH ανοδικής ζεύξης. Παρότι ο PRACH μπορεί να μεταδοθεί μόνο σε συγκεκριμένους πόρους χρόνου και συχνότητας, ο enodeb δεν απαγορεύει την κατανομή των πόρων αυτών για τη μετάδοση δεδομένων στο ανοδική ζεύξη. Μετά το συγχρονισμό καθοδικής ζεύξης που αποκτάται από το UE, το φυσικό στρώμα πρέπει να λάβει κάποιες παραμέτρους διαμόρφωσης από τα ανώτερα στρώματα πριν από την έναρξη της μη συγχρονισμένης διαδικασίας φυσικής τυχαίας προσπέλασης. Ειδικότερα, οι ακόλουθες παράμετροι πρέπει να αναφέρονται: PRACH διαμόρφωση και κατανομή συχνοτήτων, καθώς και άλλοι παράμετροι για τον καθορισμό των αλληλουχιών και τις κυκλικές μετατοπίσεις τους στην αλληλουχία. Η διαδικασία τυχαίας πρόσβασης απεικονίζεται στην Εικόνα 12. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι από την άποψη του φυσικού επιπέδου, η διαδικασία τυχαίας πρόσβασης περιλαμβάνει μόνο τη μετάδοση τυχαίας πρόσβασης προοιμίου και την αντίδραση τυχαίας προσπέλασης. Τα υπόλοιπα μηνύματα που απαιτούνται για την εγκατάσταση του τερματικού ταυτότητας και άλλων πτυχών προγραμματίζονται από τα ανώτερα στρώματα, για εκπομπή PDSCH. Έτσι, αυτά τα μηνύματα δεν θεωρούνται μέρος της διαδικασίας τυχαίας πρόσβασης στο φυσικό επίπεδο. [28, 33] -41-

52 Εικόνα 12: Διαδικασία τυχαίας προσπέλασης από την άποψη του φυσικού επιπέδου. -42-

53 3 Αρχιτεκτονική & Προσομοιώσεις Το κεφάλαιο αυτό καλύπτει την αρχιτεκτονική υψηλού επιπέδου LTE. Αρχικά περιγράφονται τα συστατικά του υλικού σε ένα δίκτυο LTE και ακολουθεί η αναθεώρηση των πρωτοκόλλων λογισμικού που τα εν λόγω συστατικά χρησιμοποιούν για να επικοινωνούν. Στη συνέχεια του κεφαλαίου θα παρατεθούν προσομοιώσεις που αφορούν τα πρωτόκολλα του LTE-Advanced. 3.1 Υψηλού επιπέδου αρχιτεκτονική Στην Εικόνα 13 φαίνεται η αρχιτεκτονική υψηλού επιπέδου του EPS (Evolved Packet System). Υπάρχουν τρία βασικά συστατικά, ο εξοπλισμός χρήστη (UE), τα εξελιγμένα επίγεια δίκτυα ασύρματης πρόσβασης UMTS (E-UTRAN) και το EPC (evolved packet core). Το EPC επικοινωνεί με δίκτυα πακέτων δεδομένων στον έξω κόσμο, όπως το διαδίκτυο, ιδιωτικά εταιρικά δίκτυα ή με το υποσύστημα πολυμέσων IP. Οι διασυνδέσεις μεταξύ των διαφόρων μερών του συστήματος συμβολίζονται ως Uu, S1 και SGi. Το UE, το E-UTRAN και το EPC έχουν τις δικές τους εσωτερικές αρχιτεκτονικές και αναλυθούν παρακάτω ένα προς ένα. Εικόνα 13: Υψηλού επιπέδου αρχιτεκτονική του LTE. -43-

54 3.1.1 User Equipment Η Εικόνα 14 δείχνει την εσωτερική αρχιτεκτονική του εξοπλισμού χρήστη (UE). Η αρχιτεκτονική είναι ταυτόσημη με εκείνη που χρησιμοποιείται στο UMTS και το GSM. Η πραγματική συσκευή επικοινωνίας είναι γνωστή ως κινητός εξοπλισμός (mobile equipment). Στην περίπτωση ενός απλού κινητού τηλεφώνου ή ενός smartphone, χρησιμοποιείται μία μόνο συσκευή. Ωστόσο, ο κινητός εξοπλισμός μπορεί επίσης να διαιρεθεί σε δύο συνιστώσες, η μία είναι η MT (mobile termination), η οποία χειρίζεται ό- λες τις λειτουργίες επικοινωνίας, και τη ΤΕ (terminal equipment), που τερματίζει τις ροές δεδομένων. Το MT παραδείγματος χάριν μπορεί να είναι μια plug-in κάρτα LTE για ένα φορητό υπολογιστή, όπου το TE θα ήταν ο ίδιος ο φορητός υπολογιστής. Εικόνα 14: Εσωτερική αρχιτεκτονική του UE. Η καθολική ενσωματωμένη κάρτα κυκλώματος (UICC) είναι μια έξυπνη κάρτα, κοινώς γνωστή ως η κάρτα SIM. Τρέχει μια εφαρμογή γνωστή ως USIM, η οποία αποθηκεύει δεδομένα συγκεκριμένου χρήστη, όπως ο αριθμός τηλεφώνου του χρήστη και την ταυτότητα του οικείου δικτύου. Η USIM εκτελεί επίσης διάφορους υπολογισμούς που αφορούν την ασφάλεια, χρησιμοποιώντας ασφαλή κλειδιά που αποθηκεύονται στην έξυπνη κάρτα. Το LTE υποστηρίζει κινητά τηλέφωνα που χρησιμοποιούν μια κάρτα -44-

55 USIM από την Έκδοση, αλλά δεν υποστηρίζει τη μονάδα ταυτότητας συνδρομητή (SIM), που χρησιμοποιήθηκε από προηγούμενες εκδόσεις του GSM. [10, 16] Επιπλέον, το LTE υποστηρίζει κινητά τηλέφωνα που χρησιμοποιούν IPv4. Ένα κινητό λαμβάνει μια διεύθυνση IP για κάθε ένα δίκτυο πακέτων δεδομένων που επικοινωνεί, για παράδειγμα ένα για το internet και ένα για κάθε ιδιωτικό εταιρικό δίκτυο. Εναλλακτικά, το κινητό μπορεί να λάβει διεύθυνση IPv4 καθώς και μια διεύθυνση IPv6, εάν το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας υποστηρίζει και τις δύο εκδόσεις του πρωτοκόλλου. Τα κινητά μπορούν να έχουν μια ευρεία ποικιλία των δυνατοτήτων, οι οποίες καλύπτουν θέματα όπως ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων που μπορεί να χειριστεί, τα διάφορα είδη της τεχνολογία ασύρματης πρόσβασης που υποστηρίζουν και τις συχνότητες φορέα πάνω στον οποίο μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν. Τα κινητά περνούν αυτές τις δυνατότητες στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης μέσω των μηνυμάτων σηματοδοσίας, έτσι ώστε το E-UTRAN να ξέρει πώς να τα ελέγξει σωστά. Οι πιο σημαντικές δυνατότητες ομαδοποιούνται στην κατηγορία UE. Όπως φαίνεται στον Πίνακας 8, η κατηγορία UE καλύπτει κυρίως το μέγιστο ρυθμό δεδομένων με τον οποίο το κινητό μπορεί να μεταδώσει και να λάβει. Καλύπτει επίσης ορισμένα τεχνικά ζητήματα που αναφέρονται στις τρεις τελευταίες στήλες του Πίνακας 8. Πίνακας 8: Κατηγορίες UE Κατηγορία Έκδοση Max dl Max ul Max dl Max ul Υποστήριξη UE (καθοδική (ανοδική επίπεδ επίπεδα 64QAM στην ul ζεύξη) ζεύξη) α bits/ms bits/ms 1 R ΟΧΙ 2 R ΟΧΙ 3 R ΟΧΙ 4 R ΟΧΙ 5 R ΟΧΙ 6 R ΟΧΙ 7 R ΟΧΙ 8 R ΝΑΙ -45-

56 3.1.2 Εξελιγμένο σύστημα επίγειας ασύρματης πρόσβασης UMTS Το εξελιγμένο UMTS (E-UTRAN), απεικονίζεται στην Εικόνα 15. Το E-UTRAN χειρίζεται τις ραδιοεπικοινωνίες μεταξύ του κινητού και EPC και έχει μόνο ένα συστατικό, τον enb. Κάθε ΕΝΒ είναι ένας σταθμός βάσης που ελέγχει τα κινητά σε μία ή περισσότερες κυψέλες. Ένα κινητό επικοινωνεί με ένα μόνο σταθμό βάσης και μια κυψέλη σε έναν χρόνο, οπότε δεν υπάρχει ισοδύναμη κατάσταση μαλακής απόδοσης (soft handover state) από το UMTS. Εικόνα 15: Αρχιτεκτονική E-UTRAN. Ο eνβ έχει δύο κύριες λειτουργίες. Πρώτον, στέλνει μεταδόσεις σε όλα τα κινητά που εξυπηρετεί για την καθοδική ζεύξη και δέχεται μεταδόσεις από αυτά στην ανοδική ζεύξη, με τη χρήση αναλογικών και ψηφιακών λειτουργιών επεξεργασίας σήματος της εναέριας διεπαφής του LTE. Δεύτερον, ο eνβ ελέγχει τη λειτουργία χαμηλού επιπέδου όλων των κινητών τηλεφώνων του, με την αποστολή μηνυμάτων, όπως είναι οι εντολές παράδοσης που σχετίζονται με αυτές τις μεταδόσεις σηματοδότησης. Κατά την εκτέλεση των καθηκόντων του, ο ΕΝΒ συνδυάζει τις προηγούμενες λειτουργίες του Node Β και του ελεγκτή ραδιοδικτύου, για τη μείωση του χρόνου αναμονής που προκύπτει όταν τα κινητά ανταλλάσσουν πληροφορίες με το δίκτυο. -46-

57 Κάθε σταθμός βάσης συνδέεται με το EPC μέσω της διεπαφής S1. Μπορεί επίσης να συνδέεται με τον κοντινό τους σταθμό βάσης από τη διεπαφή Χ2, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως για τη σηματοδότηση και την προώθηση πακέτων κατά τη διάρκεια της μεταβίβασης. Η διεπαφή Χ2 είναι προαιρετική, δεδομένου ότι η διασύνδεση S1 μπορεί επίσης να χειριστεί όλες τις λειτουργίες της X2, έστω και έμμεσα και πιο αργά. Συνήθως, οι S1 και Χ2 διεπαφές δεν αποτελούν άμεσες φυσικές συνδέσεις: αλλά, οι πληροφορίες δρομολογούνται στο IP δίκτυο μεταφορών. Το ίδιο θέμα θα ισχύει για τις διασυνδέσεις του EPC παρακάτω. Ένας ιδιόκτητος enb (HeNB) είναι ένας σταθμός βάσης που έχει αγοραστεί από έναν χρήστη για να παρέχει κάλυψη μέσα στο σπίτι. Ένας HeNB ανήκει σε μια κλειστή ομάδα συνδρομητών (CSG) και μπορεί να προσεγγιστεί μόνο με κινητά τηλέφωνα με USIM που ανήκει επίσης στην κλειστή ομάδα συνδρομητών. Από αρχιτεκτονική άποψη, ένας HeNB μπορεί να συνδεθεί άμεσα με το EPC με τον ίδιο τρόπο όπως και κάθε άλλος σταθμός βάσης, ή μπορεί να συνδεθεί μέσω μίας ενδιάμεσης συσκευής γνωστή ως HeNB πύλη που συλλέγει τις πληροφορίες από αρκετούς HeNBs. Οι HeNBw ελέγχουν μόνο μία κυψέλη, και δεν υποστηρίζουν τη διασύνδεση X2 μέχρι το Release 10. [25, 26] EPC (Evolved Packet Core) Η Εικόνα 16 παρουσιάζει τα κύρια συστατικά του εξελιγμένου EPC. Έχουμε ήδη δει ένα συστατικό, το διακομιστή στο σπίτι του συνδρομητή (HSS), το οποίο είναι μια κεντρική βάση δεδομένων που περιέχει πληροφορίες για όλους τους συνδρομητές του φορέα εκμετάλλευσης του δικτύου. Αυτό είναι ένα από τα λίγα στοιχεία του LTE που έχει μεταφερθεί από το UMTS και το GSM. Το δίκτυο πακέτων δεδομένων (PDN), πύλη (P-GW), είναι το σημείο επαφής του EPC με τον έξω κόσμο. Μέσω της διεπαφής SGi, κάθε PDN πύλη ανταλλάσει δεδομένα με μία ή περισσότερες εξωτερικές συσκευές ή δίκτυα πακέτων δεδομένων, όπως οι διακομιστές του διαχειριστή του δικτύου, το διαδίκτυο ή το υποσύστημα πολυμέσων IP. Κάθε δίκτυο πακέτων δεδομένων προσδιορίζεται από ένα όνομα του σημείου πρόσβασης (APN). Ο διαχειριστής του δικτύου είναι συνήθως χρησιμοποιεί αρκετές διαφορετικές APN, για παράδειγμα, μια για τους δικούς τους διακομιστές και άλλη για το διαδίκτυο. -47-

58 Εικόνα 16: Κύρια συστατικά του EPC. Κάθε κινητό έχει εκχωρείται σε μια προεπιλεγμένη πύλη PDN όταν ενεργοποιείται για πρώτη φορά, έτσι ώστε να είναι πάντα συνδεδεμένο σε ένα προεπιλεγμένο δίκτυο πακέτων δεδομένων, όπως το διαδίκτυο. Αργότερα, ένα κινητό μπορεί να ανατεθεί σε μία ή σε περισσότερες πύλες, αν επιθυμεί να συνδεθεί και σε άλλα δίκτυα πακέτων δεδομένων, όπως για παράδειγμα τα ιδιωτικά εταιρικά δίκτυα. Κάθε πύλη παραμένει η ίδια καθ 'όλη τη διάρκεια της σύνδεσης δεδομένων. Οι S-GW πύλη (Serving gateway) ενεργεί ως δρομολογητής και προωθεί τα δεδομένα μεταξύ του σταθμού βάσης και της πύλης PDN. Ένα τυπικό δίκτυο μπορεί να περιέχει μια αρκετές τέτοιες πύλες, κάθε μία από τις οποίες αναλαμβάνει τα κινητά τηλέφωνα σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Κάθε κινητό έχει εκχωρηθεί σε μια ενιαία πύλη που εξυπηρετεί, αλλά η εν ενεργεία πύλη μπορεί να αλλάξει αν το κινητό κινείται αρκετά μακριά. [18, 59] Ο φορέας διαχείρισης της κινητικότητας (mobility management entity) ελέγχει τη λειτουργία υψηλού επιπέδου του κινητού, με την αποστολή μηνυμάτων σηματοδοσίας για θέματα όπως η ασφάλεια και η διαχείριση των ροών δεδομένων που έχουν σχέση με τις ραδιοεπικοινωνίες. Όπως και με την S-GW, ένα τυπικό δίκτυο μπορεί να περιέχει πολλά MMEs, καθένα από τα οποία φαίνεται μετά από μία ορισμένη γεωγραφική περιοχή. Κάθε κινητό έχει ανατεθεί σε μία μόνο MME, η οποία είναι γνωστή ως serving -48-

59 MME, αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει αν το κινητό κινείται αρκετά μακριά. Το ΜΜΕ ελέγχει επίσης και άλλα στοιχεία του δικτύου, μέσω των μηνυμάτων που είναι στο εσωτερικό του EPC. Η σύγκριση με το UMTS και το GSM δείχνει ότι η πύλη PDN έχει τον ίδιο ρόλο με την πύλη υποστήριξης του GPRS (GGSN), ενώ η S-GW και το MME χειρίζονται την δρομολόγηση των δεδομένων και των λειτουργιών του κόμβου SGSN. Με το διαχωρισμό της σε δύο SGSN ο χειριστής μπορεί να προσθέσει περισσότερες πύλες S-GW για την αύξηση της κίνησης, ενώ η προσθήκη περισσότερων MMES μπορούν να χειριστούν την αύξηση του αριθμού των κινητών τηλεφώνων. Για να υποστηρίξει τη διάσπαση αυτή, η διασύνδεση S1 έχει δύο συνιστώσες: τη διασύνδεση S1-U που μεταφέρει κίνηση για την S-GW, και τη διασύνδεση S1-MME που μεταφέρει μηνύματα σηματοδοσίας για το MME Αρχιτεκτονική περιαγωγής Η περιαγωγή επιτρέπει στους χρήστες να μετακινούνται εκτός της περιοχής κάλυψης του δικτύου τους παρόχου τους, με τη χρήση των πόρων από δύο διαφορετικά δίκτυα. Στηρίζεται στην ύπαρξη συμφωνίας περιαγωγής, το οποίο ορίζει πως οι πάροχοι κινητής τηλεφωνίας θα μοιραστούν τα προκύπτοντα έσοδα. Υπάρχουν δύο πιθανές αρχιτεκτονικές, οι οποίες φαίνονται στην Εικόνα 17. Αν ένας χρήστης είναι σε περιαγωγή, τότε ο εξυπηρετητής του παρόχου του συνδρομητή είναι πάντα στο οικιακό δίκτυο, ενώ το κινητό, το E-UTRAN, το MME και πύλη S-GW είναι πάντα στο επισκεπτόμενο δίκτυo. Η πύλη PDN ωστόσο, μπορεί να είναι σε δύο μέρη. Κατά τη συνήθη κατάσταση της δρομολογημένης κίνησης του παρόχου, η πύλη PDN βρίσκεται στο δίκτυο του παρόχου. Αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει στο χειριστή του δικτύου του παρόχου να βλέπει όλη την κυκλοφορία και να χρεώνει τον χρήστη για αυτό άμεσα. Όμως μπορεί να είναι αναποτελεσματική, σε περίπτωση που ο χρήστης ταξιδέψει στο εξωτερικό και πραγματοποιήσει μια φωνητική κλήση με έναν άλλο χρήστη σε κοντινή απόσταση. Για την αντιμετώπιση αυτής της κατάστασης, οι προδιαγραφές υποστηρίζουν επίσης το τοπικό breakout, στο οποίο η πύλη PDN βρίσκεται στο δίκτυο επίσκεψης. Το HSS δείχνει εάν ή όχι το δίκτυο του θα επιτρέψει το τοπικό breakout, για κάθε συνδυασμό χρηστών και APN. -49-

60 Εικόνα 17: Αρχιτεκτονική του LTE για ένα κινητό σε κατάσταση περιαγωγής. Οι διεπαφές μεταξύ των πυλών PDN είναι γνωστές ως S5/S8. Έχουν δύο ελαφρώς διαφορετικές υλοποιήσεις, η διεπαφή S5 χρησιμοποιείται αν οι δύο συσκευές είναι στο ίδιο δίκτυο, και η S8 αν είναι σε διαφορετικά δίκτυα. Για τα κινητά που δεν χρησιμοποιούν την περιαγωγή, η PDN πύλες μπορούν να ενσωματωθούν σε μια ενιαία συσκευή και με αυτό τον τρόπο οι διεπαφές S5/S8 εξαφανίζονται εντελώς. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο λόγω της μείωσης που σχετίζεται με την λανθάνουσα κατάσταση. [62, 63] -50-

61 3.1.5 Πρωτόκολλα επικοινωνίας Κάθε μία από τις διασυνδέσεις της προηγούμενης ενότητας συνδέεται με μια στοίβα πρωτοκόλλων, τα οποία χρησιμοποιούν τα στοιχεία του δικτύου για την ανταλλαγή δεδομένων και μηνυμάτων σηματοδότησης. Η Εικόνα 18 δείχνει τη δομή υψηλού επιπέδου των εν λόγω πρωτοκόλλων. Εικόνα 18: Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων υψηλού επιπέδου του LTE. Η στοίβα πρωτοκόλλων έχει δύο επίπεδα. Τα πρωτόκολλα στα επίπεδο χρήστη διαχειρίζονται τα δεδομένα που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για το χρήστη, ενώ τα πρωτόκολλα στο επίπεδο ελέγχου διαχειρίζονται τα μηνύματα που ενδιαφέρουν μόνο τα στοιχεία ελέγχου. Η στοίβα πρωτοκόλλων έχει επίσης δύο κύρια στρώματα. Το ανώτερο στρώμα χειρίζεται πληροφορίες με έναν τρόπο που είναι ειδικά σχεδιασμένο για το LTE, ενώ το κάτω στρώμα μεταφέρει πληροφορίες από το ένα σημείο στο άλλο. Στο E- UTRAN, είναι γνωστά ως στρώμα του ασύρματου δικτύου και στρώμα μεταφοράς δικτύου αντίστοιχα. Στην εναέρια διεπαφή, υπάρχει ένα επιπλέον επίπεδο πολυπλοκότητας, η οποία φαίνεται στην Εικόνα 19. Όπως προαναφέρθηκε, το MME ελέγχει τη συμπεριφορά υ- ψηλού επιπέδου του κινητού με την αποστολή μηνυμάτων σηματοδότησης. Ωστόσο, δεν υπάρχει άμεση διαδρομή μεταξύ του ΜΜE και του κινητού, μέσω της οποίας μπορούν να μεταφερθούν αυτά τα μηνύματα. Για να το χειριστεί αυτό, η εναέρια διεπαφή -51-

62 διαιρείται σε δύο επίπεδα, που είναι γνωστά ως το στρώμα πρόσβασης (access stratum) και ως το στρώμα μη πρόσβασης (non access stratum). Τα μηνύματα σηματοδοσίας υψηλού επιπέδου βρίσκονται στο στρώμα μη πρόσβασης και μεταφέρονται χρησιμοποιώντας τα πρωτόκολλα του στρώματος πρόσβασης των διεπαφών S1 και Uu. [55, 65] Εικόνα 19: Σχέση μεταξύ των στρωμάτων μη πρόσβασης και πρόσβασης στην εναέρια διεπαφή Κατανομή του φάσματος Οι προδιαγραφές της 3GPP επιτρέπουν τα κινητά τηλέφωνα και οι σταθμοί βάσης να χρησιμοποιούν ένα μεγάλο αριθμό ζωνών συχνοτήτων. Αυτές ορίζονται ως απάντηση στις αποφάσεις από την ITU και των εθνικών ρυθμιστικών αρχών σχετικά με την κατανομή του ραδιοφάσματος για την κινητή τηλεφωνία. Ο παραθέτει τις ζώνες που υποστηρίζουν τη λειτουργία του FDD, ενώ στον παρατίθενται οι ζώνες που υποστηρίζουν την TDD. Ο Πίνακας 9 και ο Πίνακας 10 δείχνουν επίσης, την πρώτη έκδοση στην οποία εισήχθη κάθε ζώνη. Ωστόσο, οι ζώνες αυτές προορίζονται να είναι ανεξάρτητες από τις εκδόσεις. Ένα κινητό μπορεί να υποστηρίξει ζώνες οι οποίες δεν υποστηρίζονταν μέχρι τα Releases 9 και 10 των προδιαγραφών της 3GPP, ακόμη και αν αυτές ήταν σύμφωνες με άλλο τρόπο με το Release 8. Επιπλέον, οι περισσότερες από τις ζώνες υποστηρίζονται επίσης από άλλα συστήματα, όπως το UMTS και το GSM. [17, 20] -52-

63 Πίνακας 9: Ζώνες συχνοτήτων FDD. Ζώνη Έκδοση Ζώνη ανοδικής Ζώνη καθοδικής Κύριες πε- Παρατηρήσεις ζεύξης (MHz) ζεύξης (MHz) ριοχές 1 R Ευρώπη, Ασία, Αφρική WCDMA 2 R Αμερική 3 R Ευρώπη, Ασία, Αφρική GSM1900, CDMA 4 R Αμερική GSM R Αμερική GSM850, CDMA Δεν χρησιμοποιείται στο LTE 7 R Ευρώπη 8 R Ευρώπη, Ασία, Αφρική GSM900 9 R Ιαπωνία 10 R Αμερική 11 R Ιαπωνία 12 R ΗΠΑ Ψηφιακό μέρισμα 13 R ΗΠΑ Ψηφιακό μέρισμα 14 R ΗΠΑ Ψηφιακό μέρισμα Δεν χρησιμοποιείται από τη 3GPP Δεν χρησιμοποιείται από τη 3GPP 17 R ΗΠΑ Ψηφιακό μέρισμα 18 R Ιαπωνία 19 R Ιαπωνία 20 R Ευρώπη Ψηφιακό μέρισμα 21 R Ιαπωνία 22 R Ευρώπη 23 R Β. Αμερική 24 R Β. Αμερική 25 R Αμερική -53-

64 Πίνακας 10: Ζώνες συχνοτήτων TDD. Ζώνη Έκδοση Ζώνη συχνότητας (MHz) Κύριες περιοχές 33 R Ευρώπη, Ασία 34 R Ευρώπη, Ασία 35 R Αμερική 36 R Αμερική 37 R Αμερική 38 R Ευρώπη 39 R Κίνα 40 R Κίνα 41 R ΗΠΑ 42 R Ευρώπη 43 R Ευρώπη Μερικές από αυτές τις ζώνες συχνοτήτων κυκλοφόρησαν πρόσφατα για να χρησιμοποιηθούν στις κινητές τηλεπικοινωνίες. Το 2008 για παράδειγμα, η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών των ΗΠΑ (FCC) πλειστηρίασαν συχνότητες γύρω από τα 700MHz (FDD ζώνες 12, 13, 14 και 17), οι οποίες στο παρελθόν είχαν χρησιμοποιηθεί για τις αναλογικές τηλεοπτικές μεταδόσεις. Στην Ευρώπη, παρόμοιες δημοπρασίες έχουν πραγματοποιηθεί για τις συχνότητες γύρω στα 800 και τα 2600MHz (FDD ζώνες 7 και 20, και TDD ζώνη 38). Οι φορείς εκμετάλλευσης δικτύων μπορεί επίσης εκ νέου κατανέμουν τις συχνότητες που έχουν χρησιμοποιηθεί προηγουμένως για άλλα συστήματα κινητών επικοινωνιών, καθώς οι χρήστες τους οδεύουν στο LTE. Παρόμοια παραδείγματα περιλαμβάνουν τις FDD ζώνες 1, 3 και 8 στην Ευρώπη (που αρχικά χρησιμοποιήθηκε από το WCDMA, και το GSM (GSM 1800 και 900 αντίστοιχα)) και τις FDD ζώνες 2, 4 και 5 στις ΗΠΑ. Το αποτέλεσμα είναι ότι το LTE είναι πιθανό να εφαρμοστεί σε ένα μεγάλο αριθμό ζωνών συχνοτήτων, όπου η επιλογή της ζώνης θα εξαρτάται από την περιοχή, τη χώρα και τον πάροχο κινητής τηλεφωνίας. -54-

65 3.2 Προσομοιώσεις Όπως φαίνεται στην Εικόνα 20 τα bits στο μπλοκ μεταφοράς που παρέχονται από το επίπεδο mac στο φυσικό επίπεδο θα πρέπει πρώτα να προστατεύονται για τη μεταφορά μέσω της εναέριας διεπαφής. Η προστασία περιλαμβάνει τον κυκλικό πλεονασμό (cyclic redundancy) έτσι ώστε να είναι σε θέση να ανακαλύψει τα λανθασμένα bit και να διοχετεύσει την κωδικοποίηση του καναλιού. Αυτό περιγράφεται στο TS Εικόνα 20: Πρωτόκολλα επιπέδου χρήστη. Αφότου προστατευθεί το φυσικό επίπεδο, θα μετατρέψει τα bit σε ραδιοκύματα. Αυτό περιγράφεται στο TS Περιλαμβάνει διαμόρφωση και στο LTE υπάρχουν τρία διαφορετικά συστήματα διαμόρφωσης στο του επιπέδου του χρήστη. Για να είναι σε θέση να επιλέξει το σχήμα διαμόρφωσης στην καθοδική ζεύξη, το UE θα στείλει σε μια ένδειξη της ποιότητας στον enodeb, ο οποίος θα λάβει μια απόφαση σχετικά με την παράδοση. Η ένδειξη ποιότητας CQI χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση του φυσικού επιπέδου. Διότι, αν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα σχήμα διαμόρφωσης υψηλού επιπέδου η απόδοση του συστήματος θα είναι επίσης υψηλή. Στο LTE χρησιμοποιείται ο OFDMA ως μέθοδος πρόσβασης καθοδικής ζεύξης. Τα bit είναι έτοιμα να αποσταλούν μέσω της ραδιοεπαφής όπως φαίνεται στην Εικόνα

66 Το φυσικό επίπεδο είναι επίσης υπεύθυνο για ορισμένες διαδικασίες, όπως αυτές περιγράφονται στο TS Εικόνα 21: OFDMA. Η Εικόνα 22 δείχνει το συγχρονισμό που είναι μια διαδικασία πολύ σημαντική κατά τη χρήση του OFDM, διότι αν ο αποστολέας και ο παραλήπτης δεν είναι συγχρονισμένοι οι οκταγωνικές συχνότητες δεν είναι οκταγωνικές και καταρρέει το σύστημα. Μία άλλη διαδικασία είναι ο έλεγχος ισχύος, όπου ο enodeb θα συμβουλέψει το UE ποια ισχύ εξόδου να χρησιμοποιήσει. Οι μετρήσεις είναι επίσης μια διαδικασία του φυσικού επιπέδου και περιγράφονται στο TS Εικόνα 22: Συγχρονισμός. -56-

67 Το TS περιγράφει τη δομή του πλαισίου που χρησιμοποιείται για την διασύνδεση και την επεξεργασία σήματος που εμπλέκονται στην χαρτογράφηση των φυσικών καναλιών και των σημάτων σε φυσικούς πόρους. Το TS περιγράφει την επεξεργασία σήματος που εμπλέκεται στα κανάλια χαρτογράφησης των μεταφορών και τον έλεγχο των πληροφοριών σε φυσικά κανάλια. Αυτό περιλαμβάνει την κωδικοποίηση καναλιού, την πολυπλεξία και τη διεμπλοκή. Στο TS περιγράφονται οι διαδικασίες του φυσικό επιπέδου και στο TS οι μετρήσεις φυσικού επιπέδου (Εικόνα 23). [48, 49] Εικόνα 23: TS , TS , TS και TS Η κύρια εστίαση του Release 10, Εικόνα 24, είναι από την πλευρά της πρόσβασης του δικτύου. Το LTE Advanced είναι συμβατό προς τα πίσω με το LTE Release 8 και Release 9. Εικόνα 24: LTE-Advanced. -57-