Μακροπρόθεσµη Εξέλιξη Κινητής Τηλεφωνίας : Γεφυρώνοντας τον Κόσµο. Αντώνης Χοντζέας

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Μακροπρόθεσµη Εξέλιξη Κινητής Τηλεφωνίας : Γεφυρώνοντας τον Κόσµο. Αντώνης Χοντζέας"

Transcript

1 Μακροπρόθεσµη Εξέλιξη Κινητής Τηλεφωνίας : Γεφυρώνοντας τον Κόσµο Αντώνης Χοντζέας 1

2 Μερικά λόγια για τις πηγές του κειµένου : Αρκετοί συντάκτες και εκδότες υποθέτουν στις ηµέρες µας ότι η συχνή χρήση των υποσηµειώσεων προσβάλει τους αναγνώστες. Θα ήθελα να επισηµάνω ότι δεν επιθυµώ να προσβάλω ή να αποθαρρύνω µε κανένα τρόπο οποιονδήποτε «εύπορο» πελάτη θεωρώντας ταυτόχρονα λίγο παράξενο να ενοχλούνται µορφωµένοι άνθρωποι από µερικά «γραµµατάκια» στο «κατώτατο» σηµείο µιας σελίδας.. Ο κάθε αναγνώστης, είτε επαγγελµατίας ή ερασιτέχνης, απαιτεί κάποιο τρόπο ή κάποια µέθοδο πιστοποίησης των πληροφοριών και των γεγονότων. Κατά τη γνώµη µου (και πολλών άλλων), οι υποσηµειώσεις παρέχουν ένα ικανοποιητικό µέτρο της αξιοπιστίας και της προσοχής των οποίων το κάθε σχετικό θέµα έχει ερευνηθεί. Εντούτοις, πρέπει πάντα να καθιερώνεται κάποιο µέτρο, κάποια διαχωριστική «κόκκινη γραµµή» 1 µεταξύ της επάρκειας και της σχολαστικότητας. Αφ ενός, το κείµενο υποσηµειώνει λεπτοµερώς την κάθε χρήση πληροφορίας που πηγάζει σε δηµόσια έγγραφα, περιοδικά και εφηµερίδες, τεχνικά κείµενα, προδιαγραφές κλπ. Αφ ετέρου, η εικοσαετή προϋπηρεσία στην πρώτη γραµµή βιοµηχανίας κινητών τηλεπικοινωνιών, µου προσφέρει την ευχαρίστηση και το προνόµιο συχνά ως κινητήρια δύναµη και τακτικά ως παραπεφθείσα αναφορά της δυνατότητας της επίκλησης των σηµειώσεων µου, των αρχείων µου, και των πρακτικών άπειρων συναντήσεων και «κλειστών» συνεδρίων. Η συστηµατική παραποµπή τέτοιων πηγών θα περιελάµβανε ατελείωτες «οδυνηρές» -για το συγγραφέα - αναφορές σε αδηµοσίευτα προσωπικά αρχεία., χωρίς καµία προστιθέµενη αξία για των αναγνώστη. 1 Ο αναγνώστης θα µας συµπαθήσει, η έκφραση είναι της µόδας στις µέρες µας. 2

3 Μερικά λόγια για τον Συγγραφέα : Ο Αντώνης Χοντζέας (linkedin antonis hontzeas) γεννήθηκε στην Αθήνα, µεγάλωσε στον Καναδά, έζησε στο Μεξικό, και ξανα επέστρεψε στην Ελλάδα οπού εργάζεται ως σύµβουλος προηγµένων τεχνολογιών και καινοτόµων επιχειρησιακών µοντέλων. Ο κ. Χοντζέας είναι µέλος του τεχνικού επιµελητιρήου του Κεµπέκ (OIQ), µέλος των Σ των εταιριών MMT Seventh Temple και Blue Room, και Local Ambassador του Edinburgh Business School (EBS) στην Ελλάδα. Ο κ. Χοντζέας κατοικεί µε την οικογένεια του στην Αθήνα το χειµώνα, και βρίσκεται συνήθως κάπου µεταξύ Στούπα Μάνης και Γραβιά Φωκίδος τα καλοκαίρια. 3

4 Ευχαριστίες Κατ αρχάς ένα τέτοιο έργο, όνειρο δεκαετιών, δεν πραγµατοποιείται χωρίς ισχυρό ακαδηµαϊκό υπόβαθρο. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τους διάφορους συναδέλφους-ερευνητές του Πανεπιστηµίου McGill για την πολύτιµη προσφορά τους στα τεχνικά κείµενα όπως και τους συναδέλφους της 3GPP και ιδιαίτερα τον κ. Kevin Flynn, για το πολύτιµο συντονιστικό του ρόλο, και την ταχύτατη ανταπόκριση στην πληθώρα των ερωτήσεων που του υπέβαλα. Ο αναγνώστης θα παρατηρήσει παρόλη την τεχνική φύση του βιβλίου, αρκετές αναφορές στα οικονοµικά, στην στρατηγική και σε γενικά εµπορικά θέµατα. Είχα, κατά την παραµονή µου στο M.I.T. (Sloan) την τύχη να παρακολουθήσω αρκετά σεµινάρια θα ήµουν από τους τελευταίους - του ήρωα µου Καθηγητή John Kenneth Galbraith 2. Στον χώρο των πρακτικών επαγγελµάτων π.χ. στη µηχανική- η οποιαδήποτε κίνηση (είτε αποκαλείται ύλη πολυτεχνείου ή τεχνική προδιαγραφή) απαιτεί το αντικατοπτρισµό των αναγκών, των τάσεων, και των πραγµατικοτήτων των αγορών αλλιώς αποτελεί άγονη άνευ ουσίας άσκηση επί χάρτου. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τους συναδέλφους µου στην Ericsson, ιδίως τις διηπειρωτικές οµάδες του Καναδά, των ΗΠΑ, του Μεξικού και της Ελλάδας τις οποίες µου δόθηκε η τιµή να διοικήσω - που στον χρόνο και τόπο και µε αντίστοιχους τρόπους και ρυθµούς τους, συνέβαλλαν στην υλοποίηση των ασύρµατων κινητών τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών, και συστηµάτων ευρείας ζώνης. Τέλος, αφιερώνω το έργο αυτό, σ όλη την οικογένεια µου, που είναι η βάση, και η πηγή της δύναµής µου. Στην γυναίκα µου Μαρία, στον γιό µου Νίκο, και φυσικά στην κόρη µου Βάλια. Ευχαριστώ όλους Αντώνης Χοντζέας, Αθήνα Καθηγητής Paul M.Warburg οικονοµικών του Harvard όπου παρέδιδε και σεµινάρια στο Sloan. 4

5 Πίνακας Περιεχοµένων Ευρετήριο Σχηµάτων Ευρετήριο Πινάκων Ευρετήριο Φωτογραφιών Λίστα Ακρωνυµίων Πρόλογος 1. Εισαγωγή Στη Μακροπρόθεσµη Εξέλειξη (LTE) 2. System Architecture Evolution Evolved Packet Core 3. ίκτυο Ασύρµατης Πρόσβασης (UTRA) 4. Συστήµατα Πολλαπλών Κεραιών MIMO 5. 4G ή LTE Advanced 6. Θέµατα Ασφάλειας 7. Cloud Computing σε περιβάλλον LTE 8. Περί Στρατηγικής 9. Εξέλιξη ικτύων 10. Θέµατα Υγείας 11. Το Μέλλον Επίλογος : Το Ασύρµατο Εργασιακό Περιβάλλον Προτεινόµενη Βιβλιογραφία Άλλες Πηγές 5

6 Ευρετήριο Σχηµάτων Σ 1.1 LTE Logo Σ 1.2 : Σύγκριση Συνόλων Συνδροµητών Σταθερής και Κινητής Τηλεφωνίας Σ 1.3 : Evolved Packet System (EPS) Σ 1.4 : LTE σε επίπεδο λογικών κόµβων Σ 1.5 : Συνολικό κόστος κινητής ευρυζωνικότητας Σ 1.6 : Χρονοδιάγραµµα των διάφορων ασύρµατων κινητών τεχνολογιών ευρείας ζώνης. Σ:1.7 : Οι προτάσεις του World Radio Conference (WRC) 07 Σ 2.1 : επίπεδη αρχιτεκτονική Σ 2.2 : Enhanced Packet Core Σ 2.3 : SAE Protocol Stacks Σ 2.4 : Signalling Stacks Σ 2.5 : Evolved Packet Core Σ 2.6 : Inter LTE Handover Σ 3.1 : Ορθογωνική Πολλαπλή ιαίρεση Συχνοτήτων OFDMA Σ 3.2 : OFDMA/SC-FDMA Σ 3.3 : IFFT/FFT Σ 3.4 : Τοπολογία Ν επί Μ ΜΙΜΟ Σ 3.5: SAE Bearers Σ 3.6 : Τα διάφορα στρώµατα πρόσβασης Σ 3.7 : Variable PDU Σ 3.8 : Συσχετισµοί του MAC Σ 3.9 : UE States Σ 3.10 : Reference Symbols Σ 3.11 : Transmission Blocks Σ 3.12 : Παράδειγµα Χαρτογράφησης Κεραιών Σ 3.13 : ιασυνδετικότητα Φυσικού Στρώµατος Σ 3.14 : ιαδικασίες Πρόσβασης Τερµατικού Σ 3.15 : LTE σε επίπεδο πρωτοκόλλων Σ 3.16 : Οι διεπαφές που αφορούν τις µεταποµπές Σ 3.17 : Μεταποµπή Intra-LTE µέσω διεπαφής Χ2 Σ 3.18 : Μεταποµπή Intra-LTE µέσω διεπαφής S1 Σ 3.19 : S1 Inter MME Handover µέσω κοινού SGW Σ 3.20 : S1 inter MME- inter SGW Handover Σ 3.21 : LTE-UMTS InterRAT Handover Σ 3.22 : UMTS-LTE InterRAT Handover Σ 4.1 Single Input Single Output and Multiple Input Multiple Output Antenna Systems Σ 4.2 Χωρική Πολυπλεξία Σ 4.3 : Ο Πίνακας Η Σ 4.4 : Precoding Principle Σ 4.5 :ΜΙΜΟ transmit diversity mode Σ 5.1 LTE Advanced Logo Σ 5.2 : Ο δρόµος προς την τέταρτη γενεά Σ 5.3 : 3GPP Organization Σ 5.4 : ίκτυο LTE Advanced µε κόµβους διαβιβάσεων (relay nodes) Σ 5.5 : Χρονοδιάγραµµα προόδου 6

7 Σ 6.1 : Τα χαρακτηριστικά ασφάλειας του δικτύου Σ 6.2 : Ιεραρχία κλειδιών ασφάλειας Σ 6.3 : Αρχιτεκτονική NDS για IP πρωτόκολλα Σ 6.4 : ΙΜS Security Architecture Σ 6.5 : ιαδικασία IMS AKA Σ 7.1 : Συνδροµητές υπηρεσιών ροών µουσικής Σ 8.1 : Οι πέντε δυνάµεις του Porter Σ 8.2 : Μοντέλο Γνώσης Ανταγωνισµού Σ 8.3 : Ανάλυση PEST (Political, Economic, Social, Technological) Σ 8.4 : ίκτιο 3G Σ 8.5 : Στρατηγική Τοποθέτηση Προϊόντων Σ 8.6 : Περιορισµός του ανταγωνισµού µέσω στρατηγικής τοποθέτησης προϊόντων Σ 9.1 Τυπικό οργανόγραµµα Στρατηγικών Επιχειρησιακών Μονάδων Σ 9.2 : Η αύξηση κίνησης και ο περιθωριοποίηση των εσόδων Σ 9.3 : Η πίτα της σφαιρικής αγοράς κινητής τηλεφωνίας Σ 9.4 : Ποσοστό διάδοσης των διαφορετικών τεχνολογιών Σ 9.5 : Οι συνδροµές ανά τεχνολογία πρόσβασης Σ 9.6 : Χρονοδιάγραµµα των ασύρµατων ευρυζωνικών τεχνολογιών Σ 9.7 : Ταχύτητες ανά τεχνολογία πρόσβασης Σ 9.8 : Ταχύτητες LTE ανά εύρος ζώνης και τοπολογία κεραιών Σ 9.9 : Το δίκτυο προς αναβάθµιση σε LTE Σ9.10: Σύνδεση των nodebs µε τους κόµβους δεδοµένων Σ 9.11 : Αναβάθµιση σε EPC Σ 9.12: 3GPP Release 8 δίκτυο Σ 11.1 : Η πίτα του υλικού Σ 11.2 Σύστηµα Strowger (1891,Patent # 447,918) Σ 11.3 :Regional Bell Operating Companies after Breakup of AT&T Σ 11.4 : AMPS based mobile system (Cellular Concept) 7

8 Ευρετήριο Πινάκων Π 1.1 Σύγκριση υπηρεσιών GSM και LTE Π 4.1 : 2 Χ 2 transmit codebook Π 5.1 Συγκριτικοί πίνακες LTE-LTE Advanced Π 8.1 : Swot Analysis Π 8.2 : Ανταγωνιστικότητα προϊόντων µε βάση το µοντέλο της εταιρείας Boston Consulting Group Π 9.1 : Η εξέλιξης στην αγορά πολυµέσων 8

9 Ευρετήριο Φωτογραφιών Φ1 Η παγκόσµια κυριαρχία του GSM («Κοπέλα µε Κινητό» παραχωρίθηκε µε άδεια του Laurent). Φ2- Σύµπλεγµα κεραιών LTE Advanced Φ3 - Θέµατα Στρατιγηκής Σηµασίας («Really Charming» παραχωρήθηκε µε άδεια του Laurent) Φ4 Startups (Constellation Engine Startup Wikipedia Commons) Φ5 Πράσινη Στρατηγική («Αρκαδία»} Φ6 Θέµατα Υγείας («Κοριτσάκι µε κινητό» - Παραχωρήθηκε µε άδεια της εταιρείας LifeScience) Φ7 - Γεφυρώνοντας Κόσµους («Girl with Mobile» Παραχωρήθηκε µε την άδεια του Tolchok) Φ8 - Γεφυρώνοντας Λαούς Φ9 - Γεφυρώνοντας Πολιτισµούς («Gabriela Garcia» Παραχωρήθηκε µε άδεια της ίδιας ) 9

10 Λίστα Ακρωνυµίων 3GPP Third Generation Partnership Project ARPU Average Revenue per User CDMA Code Division Multiple Access CN Core Network CPC Continuous Packet Connectivity DSL Digital Subscriber Line EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution enodeb Evolved Node B EPC Evolved Packet Core EPS Evolved Packet System E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network EV-DO Evolution, Data Optimised FDD Frequency Division Duplex FMC Fixed Mobile Convergence FTTH Fibre to the Home GERAN GSM EDGE Radio Access Network GPON Gigabit Passive Optical Network GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile communication HD High Definition HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSPA High Speed Packet Access HSPA+ HSPA Evolution HSUPA High Speed Uplink Packet Access IMS IP Multimedia Subsystem IMT International Mobile Telecommunications IP Internet Protocol ITU International Telecommunication Union LSTI LTE SAE Trial Initiative LTE Long Term Evolution MBSFN Multicast Broadcast Single Frequency Network MIMO Multiple Input, Multiple Output MPLS Multi-Protocol Label Switching NGMN Next Generation Mobile Networks NGN Next Generation Network OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access P2P Peer-to-Peer PDA Personal Digital Assistant PLMN Public Land Mobile Network QoS Quality of Service RAN Radio Access Network RIT Radio Interface Technology RNC Radio Network Controller SAE System Architecture Evolution SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access 10

11 SD Standard Definition SGSN Serving GPRS Support Node SIP Session Initiation Protocol SON Self-Organising Network TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TDD Time Division Duplex UE User Equipment UMTS Universal Mobile Telecommunications System UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network VoIP Voice over IP WCDMA Wideband CDMA WiFi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WRC 07 World Radiocommunication Conference

12 Πρόλογος Στο κοντινό παρελθόν, ένας αρκετά σοφός και δηµοφιλείς κύριος 3 (και εξαιρετικά καλός µάνατζερ) επισήµανε σε µάνατζµεντ meeting στο εξωτικό Saltillo 4 τη σηµασία των κινητών τηλεπικοινωνιών, αλλά και τον ρόλο του ολικού τηλεπικοινωνιακού δικτύου ως µεγαλύτερη µηχανή του κόσµου. Σηκώνοντας το ακουστικό, ο ενδιαφερόµενος έχει την δυνατότητα να συνδεθεί µε ικανοποιητικό κόστος και αρκετά αποδοτικό τρόπο- µε οποιοδήποτε σηµείο του πλανήτη. Είχα την τύχη να ξεκινήσω την καριέρα µου στις τηλεπικοινωνίες όταν βρισκόταν ακόµα η κινητή τηλεφωνία στα εµβρυικά στάδια της εξέλιξης της ως παγκόσµιο φαινόµενο. Η σταδιοδροµία µου ή καριέρα µου µου προσέφερε ποίκιλες εµπειρίες όπως τον «πόλεµο» των TDMA/FDMA προδιαγραφών, τις µάχες των πλατφόρµων, τα προβλήµατα των απροσδιόριστων κυψελών και φυσικά την τακτική συµµετοχή στις συνεδριάσεις των προδιαγραφών του LTE, πχ. το 2004 στο Τορόντο του Καναδά. Μέσω της εργασίας µου γνώρισα τον πλανήτη και τον κόσµο ταξίδεψα πάνω από 65,000 µίλια δηλαδή περίπου δυόµιση φορές την περιφέρεια της γης, και απόκτησα ανεκτίµητες φιλίες κερδίζοντας συγχρόνως σπάνιες εµπειρίες, και πολύτιµες γνώσεις. Η σωστή χρήση της τεχνολογίας δηλαδή η εφαρµογή της γνώσης - αυξάνει το βιοτικό επίπεδο, και θεµελιώνει ισχυρές βάσεις για θετική εξέλιξη προς ένα καλύτερο κόσµο, προς ένα αξιόλογο µέλλον. Η εσφαλµένη, εγωιστική, ανεύθυνη ή αλαζονική χρήση της γνώσης επανδρώνει το µίσος, την αρνητικότητα και λειτουργεί ως καταλύτης της καταστροφής. Skype, facebook, Twitter, MSN: εργαλεία που διευκολύνουν την αλληλεπίδραση προσθέτοντας πολλαπλές διαστάσεις στην έκφραση και στην κοινωνικοποίηση. Η διαθεσιµότητα πολυάριθµων εργαλείων πολυµέσων ενισχύουν σήµερα την εµπειρία επικοινωνίας, η οποία στο παρελθόν ήταν αποκλειστικά περιοχή της βιοµηχανίας των τηλεπικοινωνιών. Οι τηλεπικοινωνίες δεν πληρούν πια ρόλο πρωταρχικής εφαρµογής της εξ αποστάσεως επικοινωνίας, αλλά µία από τις υπάρχουσες κινητήριες δυνάµεις. 3 Rolf Hansen, Πρόεδρος Ericsson Mexico και εκπρόσωπος της Ericsson στις εµπορικές σχέσεις Ericsson Intracom. 4 Πρωτεύουσα της πολιτείας της Coahuila, στο Βόριο Μεξικό. Αποκαλούµενη από τους ντόπιος ως «Αθήνα» του Μεξικού λόγω της εντυπωσιακής αποικιοκρατικής αρχιτεκτονικής και κουλτούρας της. 12

13 Υπό αυτήν τη µορφή, το µέλλον των τηλεπικοινωνιών θα καθοριστεί ως µέρος µιας ορχήστρας κατάλληλα µισθωµένων επικοινωνιακών «οργάνων», οπού καθήκοντα Μαέστρου θα εκπληρώνει ο καταναλωτής. 13

14 1. Εισαγωγή Σ 1.1 LTE Logo Η µακροπρόθεσµη εξέλιξη της Κινητής Τηλεφωνίας LTE (Long Term Evolution) εκπροσωπεί το επόµενο σηµαντικό βήµα των ασύρµατων κινητών επικοινωνιών, και περιγράφεται στην έκδοση 8 (Release 8) της 3GPP (3 rd Generation Partnership Project). Ο στόχος της 3GPP είναι η καθολική βελτίωση των κινητών τηλεπικοινωνιών UMTS και η ενίσχυση της εµπειρίας των χρηστών µέσω εκδόσεων απλουστευµένης τεχνολογίας που αφορούν την ευρυζωνική κινητή τηλεφωνία επόµενης γενεάς. Στο πλαίσιο µόνο µιας δεκαετίας η βιοµηχανία κινητών τηλεπικοινωνιών επανεξέτασε αναγκαστικά την αρχιτεκτονική του δικτύου πρόσβασης και των γενικών υποδοµών των δικτύων 3G λόγω των αλλαγών των χαρακτηριστικών της αγοράς, όπου οι προσδοκίες των χρηστών αυξάνονται συνεχώς κυρίως λόγω διαφόρων προκλήσεων όπως οι σταθερές ευρυζωνικές υπηρεσίες (dsl, fibre κλπ.) και η εισαγωγή υπηρεσιών χαµηλής ή µηδενικής χρέωσης όπως skype video, web tv, voip κλπ. Η κινητή ευρυζωνικότητα έχει καθιερωθεί πια ως µέρος της καθηµερινότητας όπως υποδεικνύει ή µετατόπιση των χρηστών/συνδροµητών και η αύξηση της χρήσης των δικτύων WCDMA. Στο 2010 η υποστήριξη των τεχνολογιών HSPA+ εξαπλώθηκε µε εντυπωσιακούς ρυθµούς δηλαδή 81 εµπορικές λειτουργίες σε 48 χώρες, µε 63 δίκτυα να προσφέρουν ταχύτητες άνω των 21 Μbps peak και 9 δίκτυα να υποστηρίζουν ταχύτητες άνω των 42 Mbps 5. Στο 2011 θα λειτουργούν πάνω από 100 δίκτυα HSPA+ και οι συνδροµητές των κινητών υπηρεσιών ευρείας ζώνης, οι οποίοι το 2010 υπολογίζονταν στο 1 δις (µε 5 δις οι συνολικές σφαιρικές συνδροµές κινητής τηλεφωνίας 6 ), αναµένονται να ξεπεράσουν τα 3 δις το Στο 2010 χρόνος αναφοράς για την κινητή τηλεφωνία - οι συνδροµές των υπηρεσιών κινητής 5 GSMA στοιχεία του Νοέµβρη Ericsson Press Release, July ITU Regional Workshop on IMT, 8 Ιουνίου 2010, 14

15 τηλεφωνίες ξεπέρασαν, σε απόλυτους αριθµούς, τις συνδροµές των αντίστοιχων σταθερών υπηρεσιών (Σχήµα Σ 1.2). Σ 1.2 : Σύγκριση Συνόλων Συνδροµητών Σταθερής και Κινητής Τηλεφωνίας. 3.7 εκατοµµύρια συνδέσεις προστέθηκαν σε υπηρεσίας BWA/WiMax το τέταρτο τρίµηνο του 2010, µε άλλες 5.5 εκατοµµύρια να αναµένονται εντός του 2011 µε την συνδροµητική βάση του WiMax να φτάνει τους συνδροµητές (ετήσια αύξηση 32.7%), και του LTE τους 320,000 συνδροµητές έως το τέλος του καλοκαιριού του Η συνδέσεις σε δίκτυα LTE υπολογίζονται στα 305 εκατοµµύρια έως το 2016 οπού το 14% θα αξιοποιείται µέσω TD-LTE και το υπόλοιπο µέσω FDD-LTE 8. Η αρχές του 2011 είδαν περίπου 17 δίκτυα LTE σε εµπορική λειτουργία, συµπεριλαµβάνοντας τα δίκτυα της TeliaSonera στην Σουηδία, Νορβηγία, και Φινλανδία, της Elisa στην Φινλανδία, της Vodafone στη Γερµανία, των Verizon και MetroPCS στις ΗΠΑ, της ΕΜΤ στην Εστονία και της DoCoMo στην Ιαπωνία.. Περίπου 180 operators σε 70 χώρες λειτουργούν δίκτυα LTE σε δοκιµαστική φάση µε προς το παρόν 128 commitments για εµπορική λειτουργία σε 52 χώρες, και άλλες 18 χώρες να έχουν προγραµµατίσει την έναρξη 51 πιλοτικών δικτύων. Υπολογίζονται από τη GSA (GSM Association) ότι περίπου 62 δίκτυα LTE θα τεθούν σε εµπορική λειτουργία έως το τέλος του 2011, 59 FDD-LTE και 3 TDD-LTE. Άλλες ώριµες wireless broadband τεχνολογίες ( δεδοµένου ότι το UMTS ήταν η πρώτη commercialized τεχνολογία) συµπεριλαµβάνουν mobile WiMAX η οποία έγινε αποδεκτή από την ITU ως η έκτη µέθοδος ασύρµατης πρόσβασης για IMT , κάτω από την ορολογία «IMT OFDMA TDD WMAN» και υλοποιείτε από περιορισµένο αριθµό operators, κυρίως σε Ασία και Αµερική. 8 Maravedis 4G Digest, April ,Volume 6 Issue 16 15

16 Επίσης, αρκετοί ευρωπαϊκοί carriers εκφράζουν την επιθυµία ανάπτυξης δικτύων WIMAX ως συµπλήρωµα στις τρέχουσες 3G/UMTS διαδικασίες τους. Η αποδοχή του κινητού WiMAX ως µέρος του ΙΜΤ-2000 προσφέρει στους operators γκάµα διαφόρων τεχνολογιών ( και επιτρέπει την εισαγωγή του WIMAX στα πλαίσια των αδειών 3G που ήδη κατέχουν) και την παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών προς την πελατειακή βάση. Το αποτέλεσµα είναι η εφικτή προσφορά υπηρεσιών σε περιοχές όπου δεν υπάρχει σταθερή υποδοµή και όπου δεν θα ήταν πρακτικό, από οικονοµική πλευρά, να επεκταθεί σε βάθος χρόνου το σταθερό δίκτυο (µε τις αντίστοιχες οικονοµικές επιβαρύνσεις στην καθολική υπηρεσία και στον ήδη επιβαρυµένο φορολογούµενο). H προσαρµογή στα δίκτυα LTE θα οδηγήσει τους operators σε ανανεωµένες πηγές εσόδων, και σηµαντικές οικονοµίες κλίµακας που πηγάζουν από την συµµετοχή τους στο κύκλο της µεγαλύτερης και επιτυχέστερης οικογένειας εξελισσόµενων κυψελοειδών συστηµάτων κινητής τηλεφωνίας, όπως διευκρινίζει ή 3GPP. Η παγκόσµια κοινοπραξία 3GPP αποτελείται από οµάδες µηχανικών και ερευνητών που εκπροσωπούν πάνω από 60 operators, προµηθευτές και κέντρα έρευνας µε στόχο την τυποποίηση αυτής της καινούργιας αρχιτεκτονικής. Μεγάλο µέρος των προτύπων 3GPP Release 8 προσανατολίζονται γύρω από την αναβάθµιση του UMTS στο 4G και την µεταµόρφωση της αρχιτεκτονικής δικτύου από ιεραρχική σε επίπεδη, βασισµένη πάντα στο πρωτόκολλο IP. Το LTE στοχεύει στην εκπλήρωση των απαιτήσεων των δικτύων επόµενης γενεάς και συµπεριλαµβάνει µέγιστες downlink ταχύτητες (peak rates) των 100Mbps, 50 Mbps στο uplink και roundtrip χρόνου - στο δίκτυο πρόσβασης- λιγότερο των 10ms (RAN). Υποστηρίζονται επίσης φέρουσες µε εύκαµπτο εύρος ζώνης (flexible carrier bandwidths) µεταξύ 1.4MHz έως και 20MHz καθώς επίσης και η αµφίδροµη διαίρεση συχνότητας FDD όπως και η αµφίδροµη διαίρεση χρόνου TDD. Οι στόχοι της αρχιτεκτονικής LTE περιλαµβάνουν τη βελτίωση της αποδοτικότητας του φάσµατος, καθώς χαµηλώνει τις δαπάνες και βελτιώνει τις υπηρεσίες που χρησιµοποιούν το νέο ή refarmed φάσµα, και διευκολύνει την ενσωµάτωση µε άλλα ανοικτά πρότυπα. Η επακόλουθη αρχιτεκτονική παρουσιάζεται ως EPS (Evolved Packet System) και περιλαµβάνει το e- Utran (evolved UTRAN) από την πλευρά πρόσβασης και to EPC (Evolved Packet Core) από την πλευρά δικτύου. Το EPC είναι επίσης γνωστό ως SAE (System Architecture Evolution) και το e- Utran συχνά αναφέρεται ως LTE (Σχήµατα Σ1.3 και Σ1.4). 16

17 Σ 1.3 : Evolved Packet System (EPS) Σ 1.4 : LTE σε επίπεδο λογικών κόµβων. Τα κύρια πλεονεκτήµατα του LTE είναι υψηλή διέλευση, χαµηλή λανθάνουσα καθυστέρηση, plug and play (αυτορυθµιζόµενοι πυρήνες και αυτορυθµιζόµενες άκρες δικτύου), FDD/TDD στην ίδια πλατφόρµα, εξαιρετική εµπειρία για τον χρήστη και απλή αρχιτεκτονική µε αποτέλεσµα τις χαµηλές λειτουργικές δαπάνες (OPEX) (Σχήµα Σ 1.5). 17

18 Σ 1.5 : Συνολικό κόστος κινητής ευρυζωνικότητας. Οι προδιαγραφές τονίζουν την «διασύνδετηκότητα» (backward compatibility) µε δίκτυα προηγούµενων γενεών όπως το GSM, CDMA και WCDMA. Εντούτοις η δοµή του LTE αποτελείτε από καινούργιες αρχιτεκτονικές/τεχνολογίες RAN και core δικτύου µη συµβατές µε τις προηγούµενες τεχνολογίες και εκδόσεις των συστηµάτων UMTS. Τα πρότυπα περιλαµβάνουν: Peak download rates των 326,4 Mbps για 4x4 MIMO, 172,8 Mbps για 2x2 MIMO για κάθε 20 MHz φάσµατος. Peak upload rates των 86,4 Mbps για κάθε 20 MHz φάσµατος. 5 διαφορετικές κατηγορίες τερµατικών οι οποίες έχουν καθοριστεί αφ ενός ως voice centric µε επίκεντρο τη φωνή, και αφ ετέρου ως data centric µε την δυνατότητα να χειρίζονται µεγάλες ποσότητες δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες. Όλα τα τερµατικά θα είναι σε θέση να επεξεργαστούν το εύρος ζώνης των 20 MHz. Τουλάχιστον 200 ενεργοί χρήστες σε κάθε κυψέλη των 5 MHz (δηλ., 200 ενεργοί data χρήστες) Latency λιγότερο των 5ms για πακέτα µικρού µεγέθους. Αυξανόµενη ευελιξία φάσµατος, µε φέτες φάσµατος πχ. των 1,5 MHz (έως και 20 MHz). Οι αναγνώστες θα σηµειώσουν ότι η περίπτωση του WCDMA απαιτεί φέτες των 5 MHz, που οδηγούν σε προβλήµατα µε roll outs σε χώρες 18

19 όπου τα 5 MHz χρησιµοποιούνται από τα υπάρχοντα 2G δίκτυα δηλαδή το GSM και το cdmaone. Ο περιορισµός των µεγεθών σε 5 MHz περιορίζει επίσης το εύρος ζώνης ανά κινητό. Βέλτιστο µέγεθος κυψελών των 5 χλµ έως και 30 χλµ µε καλή απόδοση, και µέχρι 100 χλµ µε ικανοποιητική απόδοση. Συνλειτουργία µε παραδοσιακά (legacy) δίκτυα GSM /GPRS ή WCDMA. Υποστήριξη MBSFN (Multicast Broadcast Single Frequency Network) δηλαδή υποστήριξη κινητής τηλεόρασης και υπηρεσίες παρόµοιες του DVB-h. Η αρχιτεκτονική θέτει ως κύριο στόχο την απλοποίηση του δικτύου καθώς µεταµορφώνει το σηµερινό υβριδικό circuit switched/packet switched 3G δίκτυο, σε ένα οµογενές IP επίπεδο σύστηµα αρχιτεκτονικής. Όσον αφορά τους operators, η αρχιτεκτονική επιτρέπει την προσφορά συνδυασµένων εφαρµογών (πχ. φωνή, βίντεο και data µέσω IMS) µε γρήγορο χρόνο παράδοσης, καλύτερα ελεγχόµενες και µειωµένες δαπάνες, συν απλουστευµένη αλληλεπίδραση µε σταθερά (συν περιβαλλοντικά) και ασύρµατα δίκτυα. Με τη δηµιουργία των νέων υπηρεσιών προστιθεµένης αξίας, το LTE υπόσχετε µακροπρόθεσµο εισόδηµα, σταθερότητα και ανάπτυξη για τους operators κινητής τηλεφωνίας οι οποίοι είναι ήδη µέλη της οικογένειας UMTS/HSPA. Εξίσου σηµαντικό, παρέχει ισχυρό εργαλείο για την προσέλκυση πελατών προσφέροντας µια ακόµα επιλογή για ασύρµατη κινητή επικοινωνία ευρείας ζώνης. Με βάση των προτύπων της οικογένειας UMTS/HSPA, το LTE θα ενισχύσει τα χαρακτηριστικά των cellular δικτύων ικανοποιώντας τις ανάγκες των ιδιαιτέρως απαιτητικών πελατών που είναι ήδη εξοικειωµένοι µε τις σταθερές υπηρεσίες ευρείας ζώνης. Υπό αυτήν τη µορφή, ενοποιεί 9 το voice centic περιβάλλον των σηµερινών κινητών δικτύων µε τον data centric environment του σταθερού διαδικτύου. Ένας άλλος βασικός στόχος του προγράµµατος είναι η αρµονική συνύπαρξη των συστηµάτων LTE παράλληλα µε τα legacy circuit switched κλασσικά δίκτυα φωνής. 9 Βλέπε VoLGa και VoLTE 19

20 Αυτό θα επιτρέψει στους operators να διατηρήσουν την παρούσα κερδοφορία που τους προσφέρουν οι υπηρεσίας φωνής, και να επωφεληθούν από την αυξηµένη απόδοση της αρχιτεκτονικής LTE. H 3GPP είχε προτείνει την µετάβαση του δικτύου σε IP από την έκδοση 4 γνωρίζοντας από τότε ότι αυτό θα γινόταν το προεξέχον χαρακτηριστικό των επερχόµενων 3G δικτύων και τελικά του Long Term Evolution. Η έννοια του LTE σε σχέση µε τα σηµερινά 3G πρότυπα συζητήθηκε λεπτοµερώς το 2004 στο Τορόντο 10 όταν εξετάστηκε η µελλοντική εξέλιξη του3g/ran δικτύου και όπου κατατεθήκανε προτάσεις και συνεισφορές από περισσότερους από 40 operators, κατασκευαστές και ερευνητικά ιδρύµατα (και της 3GPP ως µη µέλος). Οι συνεισφέροντες εκφράσανε µια σειρά απόψεων µε θέµα την εξέλιξη του UTRAN. Το εκέµβριο του 2004 η 3GPP προώθησε µελέτη σκοπιµότητας µε σκοπό την ανάπτυξη πλαισίου για την εξέλιξη της τεχνολογίας ασύρµατης πρόσβασης 3GPP προς βελτιστοποιηµένο δίκτυο υψηλών ταχυτήτων. Με άλλα λόγια, η µελέτη θα χάραζε τις προδιαγραφές για ένα ασύρµατο δίκτυο πρόσβασης (RAN) ικανό να υποστηρίξει την διαδικτυακή εµπειρία χρηστών (που απολαµβάνουνε ήδη στα σηµερινά σταθερά δίκτυα) ασύρµατης ευρείας ζώνης, µε την προσθήκη της πλήρης κινητικότητας επιτρέποντας έτσι νέες δυνατότητες συναρπαστικών υπηρεσιών. Οι προδιαγραφές των δικτύων αναρτήθηκαν στη 3GPP έκδοση 8, οι οποίες προδιαγραφές καθορίζουν την τεχνική εξέλιξη των κινητών δικτύων ευρείας ζώνης. Η έκδοση 8 υιοθετεί αρκετές προδιαγραφές από την έκδοση 7, όπως τις προδιαγραφές για HSPA +, και την ελλείπουσα σύνδεση µεταξύ HSPA και LTE. Το δε HSPA + (µε βάση τις εκδόσεις 7 8) επιτρέπει την εισαγωγή ενός απλούστερου, επίπεδου IP δικτύου παρακάµπτοντας πολλές legacy απαιτήσεις του εξοπλισµού UMTS/HSPA. Τα σηµεία πρόσβασης HSPA + υποστηρίζουν peak data rates των 28 Mbps downlink και 11,5 Mbps uplink µε 2x2 MIMO και 16QAM. Επίσης, το peak data rate µπορεί να αυξηθεί έως και 42 Mbps downlink και 23 Μbps uplink χρησιµοποιώντας 2x2MIMO και 64QAM, ένας συνδυασµός που είναι µέρος της έκδοσης 8. Υπό αυτήν τη µορφή, η πρόσβαση µέσω HSPA + αποτελεί σηµαντικό κρίκο της αλυσίδας µεταξύ της ήδη εντυπωσιακής απόδοσης του HSPA (περίπου 14,4 Mbps downlink) και των σηµείων πρόσβασης LTE που υπόσχονται ανταπόκριση των 300 Μbps downlink και 75 Mbps uplink (peak rates) για κάθε 20 MHz του ταξινοµηµένου ζεύγους φάσµατος. 10 Minutes of Meeting, RAN Workshop Toronto 2004, TR feasibility study on system level December 2004 to June 2006 TR 25: 913,813,814,912 20

21 Το σχήµα Σ 1.6 συνοψίζει τους διάφορους χρόνους παράδοσης των κύριων τεχνολογιών ασύρµατης ευρυζωνικής κινητής τηλεφωνίας. Σ 1.6 : Χρονοδιάγραµµα των διάφορων ασύρµατων κινητών τεχνολογιών ευρείας ζώνης. 21

22 ΦΑΣΜΑ Advanced Wireless Services (AWS) Το Σεπτέµβριο του 2006 η FCC 11 ολοκλήρωσε τη δηµοπρασία αδειών AWS ("δηµοπρασία αριθ. 66") στην οποία οι πλειοδότες κέρδισαν συνολικά άδειες. Στο πνεύµα του tech neutrality, η FCC δεν εξουσιοδότησε συγκεκριµένες τεχνολογίες για συγκεκριµένες ζώνες (tech neutrality). Εποµένως, οι καινούργιοι ιδιοκτήτες του φάσµατος AWS ήταν (είναι) ελεύθεροι να το χρησιµοποιήσουν για οποιαδήποτε τεχνολογία, είτε είναι 2G, 3G ή 4G. Το φάσµα είναι χωρισµένο σε GHz για uplink και GHz για την downlink σύνδεση. Τα 90 MHz του φάσµατος διαιρούνται σε blocks των έξι συχνοτήτων Α έως F. Τα blocks A, B, και το F τρέχουν στα 20 MHz ανά block και τα blocks C, D, και E, 10 MHz ανά block. Η FCC αποσκοπεί στην εναρµόνιση του "νέου" φάσµατος AWS όσο το δυνατόν περισσότερο µε τις αντίστοιχες UMTS 2100 ζώνες. Εντούτοις, οι χαµηλότερες συχνότητες της UMTS 2100 σχεδόν επικαλύπτουν τη ζώνη PCS των ΗΠΑ, έτσι αποκλείοντας την πλήρη εναρµόνιση. Λαµβάνοντας υπόψη αυτόν τον περιορισµό, η FCC εναρµόνισε τις συχνότητες AWS όσο το δυνατόν περισσότερο µε τον υπόλοιπο κόσµο. Η ανώτερη ζώνη συχνοτήτων (AWS) ευθυγραµµίζεται µε το UMTS 2100 base transmit band, και η χαµηλότερη ζώνη (AWS) ευθυγραµµίζεται µε το Ευρωπαϊκό GSM1800 mobile transmit band. 11 Η κανονιστική αρχή των ΗΠΑ 22

23 700 MHz Το 2005, ο Πρόεδρος των ΗΠΑ υπέγραψε την ψηφιακή τηλεοπτική µετάβαση και το δηµόσιο νόµο ασφάλειας οι οποίοι νόµοι υποδεικνύουν τη 17 Φεβρουαρίου 2009 ως την ηµεροµηνία της ολοκλήρωσης της µετάβασης των αναλογικών τηλεοπτικών εκποµπών προς τις ψηφιακές ασύρµατες µεταδόσεις. Αυτό βασικά σηµαίνει ότι το φάσµα των 700 MHz, τίθεται στην διάθεση των νέων υπηρεσιών κινητής τηλεφωνίας. Στις ΗΠΑ αυτό το τεµάχιο εµπορικού φάσµατος δηµοπρατήθηκε το 2008 και περιλαµβάνει 62 MHz του φάσµατος που διαιρούνται σε 4 blocks δηλαδή Lower Α (12 MHz), Lower B (12 MHz), Lower E (6 MHz unpaired), Lower C (22MHz), Lower D (10 MHz). Τα αναφερόµενα τεµάχια φάσµατος αποτελούν ένα ιδιαίτερα πολύτιµο πόρο µια και πχ. οι χαµηλές συχνότητες είναι λίαν αποδοτικές και επιτρέπουν σε δίκτυο (sparse buildout) την παροχή καλύτερης κτιριακής κάλυψης από τις ζώνες υψηλότερης συχνότητας. Το upper block C θα λειτουργεί µε κανόνες ανοικτής πρόσβασης (open access). Αυτό σηµαίνει ότι δεν θα επιτραπεί κανένας περιορισµός από τον operator δικτύων σε οποιαδήποτε συσκευή θελήσει να συνδεθεί µε το δίκτυο εφ' όσον η συσκευή είναι συµβατή µε, και δεν βλάπτει το δίκτυο (δηλαδή δεν θα κλειδωθεί το δίκτυο, ή το port, για την λεγόµενη συσκευή). Ο κάτοχος άδειας 12 δεν µπορεί να επιβάλει τους περιορισµούς ενάντια στο περιεχόµενο, τις εφαρµογές, ή τις υπηρεσίες που µπορούν να προσεγγιστούν πέρα από το δίκτυο. Το upper block D θα καταχωριστεί υποχρεωτικά για δηµόσια/ιδιωτική συνεργασία τύπου Public/Private Partnership obligation. Ως µέρος της απόφασης της FCC, ο κάτοχος της εµπορικής άδειας θα συνδυάσει αυτό το προτέρηµα µε ένα πρόσθετο 10 MHz του παρακείµενου φάσµατος σε εθνικό δηµόσιο ευρυζωνικό κάτοχο άδειας ασφάλειας (PSBL), δηµιουργώντας µια δηµόσια - ιδιωτική συνεργασία. Σε αντάλλαγµα της κατασκευής και ενεργοποίησης του shared δικτύου (µε βάση τις προδιαγραφές που τηρούν της ανάγκες της δηµόσιας ασφάλειας), ο κάτοχος της άδειας block D θα αποκτήσει δευτεροβάθµια πρόσβαση σε φάσµα που κατέχει το PSBL για την περαιτέρω παροχή χαµηλής προτεραιότητας τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών στους εµπορικούς συνδροµητές. Όλα τα ρεύµατα στην Ευρώπη και στον υπόλοιπο κόσµου οδηγούν µέσω του αποκαλούµενου ψηφιακού µερίσµατος (digital divide) προς την απελευθέρωση του φάσµατος που επέρχεται από τη µεταβίβαση της αναλογικής τηλεόρασης προς την ψηφιακή. Ένα σηµαντικό ποσοστό της ζώνης UHF θα χαραχτεί για τα ασύρµατα ευρυζωνικά δίκτυα. 12 Μεγάλοι νικητές αναδείχτηκαν το 2008 οι Verizon και AT&T. Η Verizon κατηγορήθηκε στα τέλη του 2010 µε κατάχρηση δεσπόζουσας θέσεις στη απόπειρα περιορισµού των τερµατικών στα 700 MHz. 23

24 Τα φάσµατα του ψηφιακού µερίσµατος βρίσκονται στα 200 ΜΗz και 1 GHz (περιοχή συχνοτήτων UHF) και θεωρούνται ιδανικά για τις µεταδόσεις σε περιοχές χαµηλής πληθυσµιακής πυκνότητας όπως στην επαρχία και ορισµένα προάστια. Το φάσµα προσφέρει καλή ισορροπία µεταξύ χωρητικότητα και κάλυψή, και επιδεικνύει σταθερή ανεκτικότητα σε εναλλασσόµενες καιρικές συνθήκες. Το ψηφιακό µέρισµα µοιράζεται σε περιοχές (Regions) µε την περιοχή 1 των ΜΗz να αντιστοιχεί στην Ευρώπη, τη Μέση Ανατολή και την Αφρική, την περιοχή 2 των MHz να αντιστοιχεί στις Αµερικάνικές Ηπείρους, και την περιοχή 3 των ΜΗz και ΜΗz σε χώρες της Ασίας. Refarming GSM 900 MHz Η ζώνη των 900 MHz είναι η πανταχού πιο γνωστή και εναρµονισµένη παγκόσµια ασύρµατη ζώνη φάσµατος τηλεπικοινωνιών που είναι διαθέσιµη σήµερα. Έχει επίσης το όφελος της αυξανόµενης κάλυψης και της µείωσης δαπανών επέκτασης δικτύων έναντι των επεκτάσεων στις υψηλότερες συχνότητες, που σηµαίνει ως αποτέλεσµα ότι είναι µια ιδιαίτερα στρατηγική ζώνη φάσµατος. Επιπλέον, τα 900MHz προσφέρουν βελτιωµένη διείσδυση οικοδόµησης και προσφέρονται ιδιαίτερα για την υποστήριξη περιοχών της επαρχίας. Η τρέχουσα µετατόπιση συνδροµητών από το GSM στο UMTS που πραγµατοποιείται σε πάνω από 150 χώρες παγκοσµίως ανακουφίζει σε γενικές γραµµές τα δίκτυα GSM900 (δηλαδή όσον αφορά τη φόρτωση δικτύου) και απελευθερώνει τα 900 MHz 13. Συνεπώς, πολλοί operators αξιολογούν τη δυνατότητα για την ανάπτυξη/επέκταση του UMTS (HSPA/HSPA+) στην ζώνη των 900 MHz. Σε γενικές γραµµές πάντως, οι επεκτάσεις των ασύρµατων δικτύων UMTS απαιτούν την απελευθέρωση ενός πλήρες 5 MHz του φάσµατος προτού µπορεί να χρησιµοποιηθεί το φάσµα. Επιπλέον, η διαθεσιµότητα των κινητών συσκευών 3G ικανών να υποστηρίξουν 900 MHz δεν προγραµµατίζεται νωρίτερα από τα τέλει του Αντιθέτως, τα δίκτυα θα είναι σε θέση να επεκταθούν σε ζώνες φάσµατος των 1.25MHz, όπως επίσης θα κατέχουν την δυνατότητα σταδιακής συµπίεσης εντός φάσµατος καθώς απελευθερώνονται τµήµατα του 900 MHz, µε τη σταδιακή επέκταση ανάλογα µε τις ανάγκες. Αυτοί οι παράγοντες µειώνουν το στρατηγικό πλεονέκτηµα του UMTS (HSPA/HSPA+) στη ζώνη 900 MHz. Επιπλέον, η βελτιωµένη αποδοτικότητα φάσµατος θα ωφελήσει τη ζώνη των 900 MHz µέσω αυξηµένης χωρητικότητας, και θα παρείχε επίσης στους operators τη δυνατότητα επέκτασης δικτύου LTE µε ευρύτερη κάλυψη και µειωµένο κόστος σε σύγκριση µε τα αντίστοιχα φάσµατα υψηλότερων συχνοτήτων. Άρα, θα ευνοηθεί σηµαντικά η επιτάχυνση του πανεθνικού ευρυζωνικού κινητού δικτύου. Τέλος, η επέκταση του LTE στα 900MHz µπορεί να αυξάνει το cost/benefit σε σύγκριση µε τα δίκτυα GSM, µια και το κόστος της κάλυψης θα είναι παρόµοιο, αλλά οι προτεινόµενες υπηρεσίες θα έχουν αυξηθεί (δηλαδή θα είναι ευρυζωνικές). Φυσικά 13 Στην Ελλάδα, η ΕΕΤΤ προχώρησε πρόσφατα σε δηµόσια διαβούλευση γι αυτό το θέµα. 24

25 τα δίκτυα GSM θα συνεχίσουν να λειτουργούν σε βάθος χρόνου δεδοµένου ότι η υπηρεσίες GSM αποτελούν τη ραχοκοκαλιά της µετάδοσης φωνής και του global roaming. Το πλέον πιθανό σενάριο είναι ότι το δίκτυο LTE στα 900 MHz θα µπορούσε να τρέξει παράλληλα µε το αντίστοιχο GSM900 για µια περίοδο 5-10 ετών οπού κατόπιν µπορεί να εξεταστεί το decommissioning του GSM. Στο µεταξύ η Ευρωπαϊκή Επιτροπή το 2011 επικύρωσε τις διατάξεις των τεχνικών κανόνων µε των οποίων οι τεχνολογίες επόµενης γενιάς κινητών τηλεπικοινωνιών θα λειτουργήσουν στις ζώνες ραδιοσυχνοτήτων 900 και 1800 MHz. Υπενθυµίζεται ότι µε βάση την οδηγία διασύνδεσης δικτύων του 1987, η αποκλειστική χρήση του φάσµατος των 900 ΜΗz προσδιοριζόταν αποκλειστικά για τα δίκτυα GSM (non tech neutral). Η οδηγία του 1987 τροποποιήθηκε τον Σεπτέµβριο του 2009 από την οδηγία 2009/114/ΕΚ, απελευθερώνοντας τα 900 MHz για ασύρµατες τεχνολογίες επόµενης γενιάς, αρχίζοντας µε την κινητή ευρυζωνική τεχνολογία 3G. Ταυτόχρονα, µε την απόφασή της 2009/766/ΕΚ, η Επιτροπή διευκρίνισε τις τεχνικές προϋποθέσεις που απαιτούνται για την εφαρµογή της οδηγίας. Με την απόφαση αυτή όχι µόνον προστατεύεται το GSM, αλλά και υποχρεούνται τα κράτη µέλη να παρέχουν κατάλληλη προστασία στα συστήµατα που λειτουργούν σε παρακείµενες ζώνες συχνοτήτων. Η απόφαση της Επιτροπής, η οποία πρέπει να εφαρµοστεί από τα κράτη µέλη έως το τέλος του 2011, θα συµβάλει στην επίτευξη των στόχων της Ευρωπαϊκής Ένωσης όπου κάθε πολίτης θα κατέχει τη δυνατότητα πρόσβασης σε βασικές ευρυζωνικές υπηρεσίες έως το 2013 και ταχεία και υπερταχεία ευρυζωνική πρόσβαση έως το Οι εθνικές κανονιστικές αρχές 15 έχουν προθεσµία µέχρι τις 31 εκεµβρίου 2011 για να τροποποιήσουν τις τοπικές διατάξεις, ώστε οι ζώνες των 900 ΜΗz και 1800 MHz να διατίθενται αποτελεσµατικά για τα συστήµατα LTE και WiMAX. 14 IP/10/581, MEMO/10/199 και MEMO/10/ Το ΥΠΕΘΑ στις αρχές του 2011 υπαναχώρησε στην εκχώρηση του µεριδίου του των 900 ΜHz (2 Χ 5 ΜΗz) δηµιουργώντας πιέσεις στις τοπικές εταιρείες κινητής, στο κράτος (δηµοπρασία των 2Χ25 MHz το καλοκαίρι του 2011 το οποίο αντιστοιχεί σε έσοδα των 270 εκατ. ευρώ) και στις κανονιστικές αρχές. Η Vodafone και η Wind, των οποίων οι άδειες λήγουν το Σεπτέµβρη του 2012 διεκδικούν µπλοκ των 2Χ10 MHz η κάθε µία, δηλαδή αυτό που ήδη κατέχουν, και η Cosmote διεκδικεί το τµήµα των 2Χ5 MHz του στρατού. Σηµειώνεται ότι η Vodafone έχει επιπρόσθετο φάσµα (2Χ5 ΜΗz) που λήγει το 2016 µε το αντίστοιχο των 2Χ5 MHz της Cosmote να λήγει το

26 IMT Extension Band Το WRC-2000 προσδιόρισε τρεις πρόσθετες ζώνες για το επίγειο ΙΜΤ-2000 συµπεριλαµβάνοντας τις ζώνες των MHz. Κατά συνέπεια, ξεκινώντας το 2008, τουλάχιστον 140 MHz του φάσµατος επέκτασης IMT2000 FDD διατέθηκαν στην Ευρώπη δηλαδή MHz για uplink και MHz για downlink. Επιπλέον µέχρι 50 MHz (2570 MHz-2620 MHz) διατέθηκαν ως unpaired TDD ( το Ηνωµένο Βασίλειο επέκτεινε το unpaired φάσµα ). Στα πλαίσια µιας παγκόσµιας εναρµονιστικής στρατηγικής, αυτή η ζώνη φάσµατος θα επιτρέψει επίσης οικονοµίες κλίµακας και τη σφαιρική περιαγωγή. Η Αυστρία, η Νορβηγία, η Σουηδία, και το ΗΒ ήταν µεταξύ των πρώτων ευρωπαϊκών αγορών που προώθησαν το φάσµα των 2500 MHz προς την κινητή ευρυζωνικότητα. Η πρωτοβουλία των χωρών αυτών ευνόησε την υλοποίηση του FDD segment αυτής της ζώνης βάση των πλεονεκτηµάτων σε σύγκριση µε HSPA /HSPA +. Επιπλέον, η ζώνη των 2500 MHz προσφέρει µοναδικές ευκαιρίες για deployment στο µέγιστο του ευρύτερου φάσµατος µε την παροχή καναλιών µέχρι 20 MHz. Τα 2.6 GHz αποτελούν µπάντα κλειδί στις Ευρώπη (Σκανδιναβικές χώρες, Αυστρία, ανία, Γερµανία, Κάτω Χώρες), Λατινική Αµερική (Βραζιλία, Κολοµβία, Χιλή, Μεξικό), Ασία (Αυστραλία, Φιλιππίνες, Ινδονησία, Κίνα, Μαλαισία, Σιγκαπούρη, Ταϊβάν) και Μέση Ανατολή (Ιορδανία, Σαουδική Αραβία, Εµιράτα, Νότιο Αφρική, µε αξιοποιήσεις πχ. στην Νορβηγία, Φινλανδία και Σουηδία από τις TeleSonera,DNA, Elisa,Tele2, και Telenor στα 2Χ20ΜHz και στο Χόνγκ Κόνγκ από China Mobile, Genius και CSL (2 X 15 MHz). Other Candidate Bands GSM 1800: Το φάσµα στα 1800 (ITU band 3) έχει αποκτήσει αρκετή προσοχή τον τελευταίο καιρό µια και είναι αρκετά πιο ευέλικτο σε θέµατα refarming από την περιοχή του 900 MHz.Τα 1800 επιτρέπου κάλυψη σε περιοχές διπλάσιου εµβαδών από το 2.6 GHz, προσφέρεται άνετα για επαναχρησιµοποίηση των υπαρχόντων γραµµών των κεραιών που λειτουργούν στα 2.1 GHz και την εφαρµογή πολλαπλών RAN µε σκοπό την ταυτόχρονη υποστήριξη LTE και GSM. Η µπάντα είναι διαθέσιµη για κινητές εφαρµογές όπως και technology neutral στην Ευρώπη και στην Asia. UMTS core band 2.1 GHz: Εκπροσωπεί τον πυρήνα 3-3.5G για ΕΜΕΑ, AsiaPac & τη LAC µε commissioned δίκτυα σε πάνω από 150 χώρες. Οι περισσότεροι operators απονεµήθηκαν 2, 3 και σε µερικές περιπτώσεις 4 X 5 MHz σε αυτήν την ζώνη φάσµατος. Η αναµενόµενη αύξηση του mobile data και η µετάταξη των συνδροµητών στο UMTS/HSPA, θέτει σε ασάφεια το ποσοστό των διαθέσιµων carriers στην συγκεκριµένη ζώνη για τις υπηρεσίες LTE στο πλαίσιο του

27 PCS 1900: Εναλλακτική core band λύση η οποία δεν είναι διαθέσιµη στην EMEA (Europe, Middle East, Africa). Πιθανό refarming του φάσµατος (ΗΠΑ) αφότου καταναλώνεται το νέο φάσµα 700 MHz και AWS. Cellular 800: Εύκαµπτη µπάντα όπως και των 900 MHz η οποία τώρα φανερώνει την αξία της. Αξιοσηµείωτος ο πλειστηριασµός της Σουηδίας στο πρώτο τρίµηνο του 2011 µε νικητές τις TeliaSonera, Net4Mobility και Hutchinson 3G, οπού η κάθε εταιρεία κέρδισε 2Χ10ΜΗz φάσµατος για εφαρµογές 4G. Αναµένονται πλειστηριασµοί και σε άλλες χώρες πχ. Αγγλία. Μελλοντικές απαιτήσεις φάσµατος Η ITU (M.2078) προγραµµατίζει τις επόµενες κινήσεις (ITU-R) για τη µελλοντική ανάπτυξη του ΙΜΤ-2000 και ΙΜΤ Advanced. Τα αποτελέσµατα διαβεβαιώνουν την κύµανση των περαιτέρω αναγκών µεταξύ των 500 MHz και 1 GHz από το 2020 και µετά. Γενικά, προβλέπεται στην Ευρώπη (ασχέτως της παρούσας οικονοµικής κρίσης) ραγδαία ανάπτυξη στη ζήτηση των υπηρεσιών κινητής τηλεφωνίας στο σηµείο της αναγκαστικής ένταξης πρόσθετων ζωνών φάσµατος µετά από το Ένας από τους βασικούς στόχους του WRC- 07 ήταν η διευκόλυνση της σφαιρικής περιαγωγής µέσω εναρµόνισης των παγκόσµιων πόρων φάσµατος, επιτρέποντας οικονοµίες κλίµακας. Το WRC - 07 προσδιόρισε τα MHz, MHz και κοµµάτια των MHz και MHz για IMT (που περιλαµβάνει και ΙΜΤ-2000 και ΙΜΤ-Advanced) σε σφαιρική βάση. Ο προσδιορισµός και η χρήση αυτών των ζωνών διαφέρουν από χώρα σε χώρα, και από περιοχή σε περιοχή. Το αποτέλεσµα του WRC 07 (Σχήµα Σ 1.7) ήταν σε γενικές γραµµές θετικό και πάρθηκαν σηµαντικά βήµατα προς να καταστήσουν το φάσµα διαθέσιµο για τις µελλοντικές επεκτάσεις LTE. Ειδικότερα, µε το WRC - 07 ξεκινάει η διαδικασία µετάβασης της ζώνης ΜΗz προς τις κινητές εφαρµογές. Τα επόµενα βήµατα θα παρθούν από τις µεµονωµένες χώρες για να εξασφαλίσουν ότι το φάσµα ανακτάται και χορηγείτε για τα κινητά συστήµατα σε εθνικό ή περιφερειακό επίπεδο σε όλο τον κόσµο. Επιπλέον, η επίτευξη ενός διεθνούς εναρµονισµένου σχεδίου ζωνών για τη χρήση του φάσµατος είναι επίσης σηµαντική. 27

28 Σ:1.7 : Οι προτάσεις του World Radio Conference (WRC) 07 28

29 ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Φ1-Η παγκόσµια κυριαρχία του GSM Οι διαθεσιµότητα εφαρµογών και συµβατικών συσκευών θα αποτελέσουν την κινητήρια δύναµη της καθιέρωσης των ευρυζωνικών δικτύων ως τα κύρια δίκτυα διαχείρισης κινητών επικοινωνιών του µέλλοντος. Το κινητό βίντεο σήµερα, σε σφαιρικό επίπεδο, αντιστοιχεί µε περίπου 40% του ολικού traffic των δικτύων κινητής τηλεφωνίας µε περίπου 450 εκατοµµύρια χρήστες υπηρεσιών κλασσικού βίντεο και βίντεο τριών διαστάσεων έως τα τέλη του Συνδυάζοντας υψηλές ταχύτητες µετάδοσης (downlink και uplink), πιο εύκαµπτη, αποδοτική χρήση του φάσµατος και µειωµένη packet latency, το LTE υπόσχετε να επιταχύνει την πρόσβαση στις κινητές υπηρεσίες ευρείας ζώνης µέσω νέων υπηρεσιών προστιθεµένης αξίας. Τα τελευταία χρόνια οδήγησαν τις εταιρείες κινητής τηλεφωνίας σε αρκετές δοκιµασίες µε κύριο λόγο την τυποποίηση των προσφερόµενων υπηρεσιών (commoditization). Κύριος στόχος του LTE είναι η σταθεροποίηση του ARPU (το µέσο εισόδηµα ανά χρήστη) το οποίο ARPU τα τελευταία χρόνια είναι σε ελεύθερη πτώση, ένα χαρακτηριστικό πολλών αγορών κινητών υπηρεσιών. Σε µελέτη του UMTS Forum το 2007, συγκρίθηκαν οι υπάρχουσες υπηρεσίες 3G µε τις δυνατότητες προσφερόµενων υπηρεσιών λόγω των αναπτυγµένων downlink/uplink ταχυτήτων και µειωµένου packet latency του LTE. Για τους καταναλωτές, αυτή η εµπλουτισµένη εµπειρία χρηστών θα απεικονιστεί σε ροές 29

30 µεγάλης κλίµακας λόγω της µεταφόρτωσης και διανοµής του βίντεο, της µουσικής και του πλούσιου περιεχοµένου των πολυµέσων. Όλες αυτές οι εφαρµογές απαιτούν αυξανόµενη διέλευση για την επαρκή παροχή ποιοτικών υπηρεσιών (QoS), και καλούνται να ανταποκριθούν στις εξελισσόµενες προσδοκίες των χρηστών, οι οποίοι επηρεάζονται συνεχώς από την δηµοτικότητα άλλων high bandwidth πλατφορµών πχ HDTV. Η επιχειρησιακοί πελάτες θα επωφεληθούν από ασφαλέστερες µεταφορές ογκώδη αρχείων, βίντεο συνεδριάσεων υψηλής ποιότητας και ασφαλή νοµαδική πρόσβαση στα εταιρικά δίκτυα. Ταυτόχρονα, το «concept» του LTE εκµεταλλεύεται τα χαρακτηριστικά του σηµερινού «Ιστού 2,0» στο κινητό περιβάλλον όπου µαζί µε το ασφαλές ηλεκτρονικό εµπόριο, θα εκταθούν σε πραγµατικό χρόνο peer to peer εφαρµογές όπως multiplayer gaming και file sharing. Επιπλέον, πιθανές εφαρµογές περιλαµβάνουν machine to machine (Μ2Μ) communication και µεγάλου µεγέθους συναλλαγές κοινοτικών έργων. 30

31 Κατηγορία Υπηρεσίας Περιβάλλον GSM Περιβάλλον LTE Φωνή Μετάδοση ήχου σε πραγµατικό χρόνο VoIP και τηλεδιάσκεψη υψηλής ποιότητας Συναλλαγές Peer to Peer SMS,MMS και ηλεκτρονικό ταχυδροµείο χαµηλής προτεραιότητας Συναλλαγές πολυµέσων υψηλής ευκρίνειας και αξιοπιστίας Browsing Πληρωτέες υπηρεσίες Περιεχοµένου Προσωπικοποίηση Παιχνίδια TV/Video on Demand Μουσική M commerce Συναλλαγές περιεχοµένου και cross media Πρόσβαση σε online πληροφορίες µέσω GPRS και 3G WAP Κανονικό περιεχόµενο µε πάνω από κανονικές χρεώσεις Ringtones, Screesavers,Ringbacks Μεταφορτωµένα και online Μετάδοση µέσω εικονοροών ή µεταφορτωµένο περιεχόµενο Μεταφορτωµένα tracks και αναλογική ραδιοφωνική εκποµπή Ποσοστό σε εµπορικές συναλλαγές και τζόγο, µέσω µηχανισµών που λειτουργού πάνω από το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας Πρόσβαση σε intranets και βάσεις δεδοµένων, χρήση εφαρµογών τύπου CRM Ταχύτατο browsing µε υπερταχείες µεταφορτώσεις σε και από ιστούς κοινωνικών δικτύων. E-περιοδικά, audio streaming υψηλής ποιότητας Πρωσοπικοποιηµένες ιστοσελίδες και βίντεο Συνεχόµενη online εµπειρία µεταξύ σταθερών και κινητών δικτύων Εικονοροές υψηλής ευκρίνειας και ποιότητας, κινητή on demand τηλεόραση, Υψηλής ποιότητας downloading και αποθήκευση Τα τερµατικά λειτουργούν ως µηχανισµοί πληρωµής, και οι συναλλαγές εκτελούνται µε αξιοπιστία και εντυπωσιακή ταχύτητα P2P file transfer, χρήση επιχειρησιακών εφαρµογών µε sharing, M2M επικοινωνίες, δυνατότητα κινητού intra/extranet Π 1.1 Σύγκριση υπηρεσιών GSM και LTE 31

32 2. System Architecture Evolution Evolved Packet Core Η κάθε επισκόπηση της Αρχιτεκτονικής των Εξελίξεων των Συστηµάτων, Service Architecture Evolution ή SAE της 3GPP, απαιτεί γνώση του κεντρικού ευρυζωνικού δικτύου WCDMA/HSPA, τον τρόπο διασύνδεσης µε το δίκτυο της Μακρόχρονης Εξέλιξης την Κινητής Τηλεφωνίας (LTE), των διεπαφών, των οµοιοτήτων και των χαρακτηριστικών διαφορών. 16 Η αρχιτεκτονική SAE αντικατοπτρίζει την κατανοµή των απαραιτήτων λειτουργιών στους λογικούς κόµβους και τις απαραίτητες διεπαφές µεταξύ των κόµβων. Ο τρόπος λειτουργίας και διαλειτουργικότητας των δικτύων LTE/SAE και WCDMA/HSPA περιγράφεται από το δίκτυο ασύρµατης πρόσβασης ή radio access network. Εντούτοις, το κάθε δίκτυο κινητής τηλεφωνίας επικαλείται επιπλέον σηµαντικές πρόσθετες λειτουργίες ώστε να αντιµετωπίσει ικανοποιητικά τις απαιτήσεις των διαφόρων υπηρεσιών : πχ. διάφοροι µηχανισµοί χρέωσης (charging), πιστοποίησης (user authentication), παροχή υπηρεσιών (end to end service setup) κλπ. Οι πρόσθετες λειτουργίες µπορεί να µην έχουν άµεση σχέση µε την τεχνολογία ασύρµατης πρόσβασης, άλλα συντελούν επιτακτικό ρόλο για την σωστή λειτουργία και διαλειτουργικότητα των υπηρεσιών, σαν υπηρεσίες του κεντρικού δικτύου. Τα χαρακτηριστικά των διαφόρων υπηρεσιών οδήγησαν την 3GPP στην διαίρεση του δικτύου LTE σε ξεχωριστές και ανεξάρτητες οντότητες του δικτύου ασύρµατης πρόσβασης (radio access network ή RAN) και του κεντρικού δικτύου (core network ή CN). 16 3gpp TS ,23.060,23.203,23.221,23.236,23.401,

33 Σ 2.1 : επίπεδη αρχιτεκτονική Το πρωτόκολλο TCP/IP αποτελεί πια κοινό παρανοµαστή των δικτύων επόµενης γενεάς µια και παρέχει στους χρήστες πλουσιότερη εµπειρία επικοινωνιών συµπεριλαµβανοµένης της ενισχυµένης φωνής, το βίντεο, τις υπηρεσίες µηνυµάτων και τις προηγµένες λύσεις πολυµέσων. Το 2004, η 3GPP πρότεινε το TCP/IP ως το βασικό πρωτόκολλο διασύνδεσης για τα δίκτυα επόµενης γενεάς και άρχισε µελέτες σκοπιµότητας (feasibility studies) σε αρχιτεκτονικές IP (AIPN) (Σχήµα Σ 2.1). 17 Οι προτάσεις που αναπτύχθηκαν περιέλαβαν επίσης τις συστάσεις του 3GPP Release 7 (2005), οι οποίες θα λειτουργήσουν ως βάσεις πρωτοκόλλων πιο υψηλού επιπέδου όπως το LTE. Οι συγκεκριµένες συστάσεις αποτελούν τον κορµό της 3GPP System Architecture Evolution (SAE). Μερικές πτυχές των all IP δικτύων, εντούτοις, έχουν καθοριστεί ήδη από την 3GPP Release 4. Η 3GPP καθορίζει την επίπεδη δικτυακή αρχιτεκτονική ως τµήµα της SAE. Η αρχιτεκτονική και οι έννοιες LTE και SAE έχουν σχεδιαστεί για την αποδοτική υποστήριξη mass-market της χρήσης οποιασδήποτε βασισµένης σε IP υπηρεσίας. Η αρχιτεκτονική εκπορεύεται από τις προτεινόµενες εξελίξεις (υπήρχανε αρκετές τέτοιες προτάσεις) των υπαρχόντων δικτύων GSM/WCDMA µε απλουστευµένες διαδικασίες και την οµαλή, οικονοµικά αποδοτική επέκταση. 17 3gpp TR

34 Το κύριο συστατικό της αρχιτεκτονικής SAE 18 είναι ο εξελιγµένος πυρήνας πακέτων (Enhanced Packet Core or EPC), επίσης γνωστός ως πυρήνας SAE (Σχήµα Σ 2.2). Σ 2.2 : Enhanced Packet Core 18 TSGS#39(08)0132, Puerto Vallarta, March

35 Οι υποοντόντητες (subcomponents) του EPC αποτελούνται από 19 : MME (Mobility Management Entity) : Ο βασικός κόµβος ελέγχου για πρόσβαση στο δίκτυο LTE. Είναι αρµόδιος για την παρακολούθηση της κατάστασης του UE (τερµατικά χρηστών), tracking χρηστών και διαδικασία paging (τηλεειδοποίησης) συµπεριλαµβάνοντας και τις αναµεταδώσεις. Εµπλέκεται επίσης στη διαδικασία ενεργοποίησης/απενεργοποίησης φερουσών όπως και στην επιλογή του SGW ανά UE, και στην διαδικασία του Inter-LTE handover (µεταποµπών µεταξύ περιοχών LTE) που περιλαµβάνει τον επανεντοπισµό κόµβων κεντρικών δικτύων (CN). Είναι αρµόδιο για την επικύρωση του χρήστη (αλληλεπίδραση µε το HSS). Η σηµατοδότηση στρωµάτων µη-πρόσβασης (Non Access Stratum ή NAS) τερµατίζει στο MME και είναι επίσης αρµόδιο για την παραγωγή και κατανοµή προσωρινών ταυτοτήτων στα UEs. Ελέγχει την έγκριση της δικτυακής σύνδεσης του UE στο PLMN και επιβάλλει τους περιορισµούς περιαγωγής. Το ΜΜΕ είναι το σηµείο τερµατισµού του δικτύου για την προστασία ciphering/integrity για σηµατοδότηση NAS και απευθύνετε στη βασική διαχείριση ασφάλειας όπως επίσης και τη νόµιµη συνακρόαση (Lawful Interception). S-GW (Serving Gateway): ροµολογεί και προωθεί data πακέτα χρηστών, επίσης ενεργώντας ως mobility anchor για τα τερµατικά κατά τα inter-enb handovers όπως και για την κινητικότητα µεταξύ LTE και άλλων 3GPP τεχνολογιών/δικτύων. Για τερµατικά σε status IDLE, το SGW ολοκληρώνει την διαδικασία συσσώρευσης στοιχείων UE (π.χ. πληροφορίες DL, UE contexts, IP bearer service, network internal routing information,νόµιµη συνακρόαση) και ενεργοποιεί τη διαδικασία τηλεειδοποίησης. P-GW (PDN gateway 20 ): παρέχει UE συνδετικότητα προς τα εξωτερικά δίκτυα και λειτουργεί ως σηµείο αναφοράς για την διακίνηση δεδοµένων προς/από το UE. Το κάθε UE µπορεί να αξιοποιήσει την ταυτόχρονη συνδετικότητα µε περισσότερα από ένα PDN GW για την πρόσβαση πολλαπλών PDNs. Το PDN GW εκτελεί policy enforcement, το φιλτράρισµα πακέτων για κάθε χρήστη, την υποστήριξη χρέωσης, νόµιµη συνακρόαση, και επιλογή πακέτων. Λειτουργεί ως anchor για την κινητικότητα µεταξύ 3GPP και µη- 3GPP τεχνολογίες όπως WiMAX και 3GPP2 (CDMA 1X και EvDO). 19 3GPP Plenary Meeting # 42, Paris France 2009 (updated) 20 3GPP TSG Meeting #42, Interworking between packet network and external networks, Athens

36 Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των συστηµάτων WCDMA και LTE στα αρχικά στάδια σχεδιασµού των προδιαγραφών - προσδιορίστηκαν, διαχωρίστηκαν και τοποθετήθηκαν στις αντίστοιχες οντότητες του RAN και CN. Ο γενική αρχιτεκτονική και φιλοσοφία σχεδιασµού των ευρυζωνικών συστηµάτων WCDMA 21 εξασφαλίζουν την ανεξάρτητη λειτουργία του RAN από το CN. Η λογική και πραγµατική διαχείριση του «setup» των παραµέτρων του ασύρµατου περιβάλλοντος διαφυλάγονται υπό την αιγίδα του RAN, σε πλήρη άγνοια του κεντρικού δικτύου. Κατά συνέπεια, το CN µπορεί να χρησιµοποιηθεί για οποιαδήποτε ασύρµατη τεχνολογία πρόσβασης που υιοθετεί παρόµοια φιλοσοφία σχεδιασµού διεπαφών. Το GSM από τα αρχικά στάδια σχεδιασµού πρόβλεπε την πλήρη διαφάνεια διαχείρισης των κυψελών στο κεντρικό δίκτυο CN. Η πρόσθεση - αφαίρεση κυψελών οδηγούσε στην ενηµέρωση των σχετικών παραµέτρων του CN. Το WCDMA «ανυψώνει» των συσχετισµό σε επίπεδο περιοχής υπηρεσιών ή «service area» οπού το RAN διαχειρίζεται τις κυψέλες ενώ το CN διατηρεί κατάλογο των Service Areas αγνοώντας τελείως αλλαγές στο επίπεδο κυψελών το οποίο επίπεδο παραµένει στις αρµοδιότητες του RAN. Η δεύτερη σηµαντική διαφορά έναντι του GSM είναι ο τρόπος αναµετάδοσης πρωτοκόλλων και data buffers του κεντρικού δικτύου. Οι τεχνικές που χρησιµοποιήθηκαν για την αναµετάδοση πρωτοκόλλων βελτιστοποιήθηκαν εξ ολοκλήρου για το σύστηµα ασύρµατης πρόσβασης των δικτύων GSM, µε συγκεκριµένο τρόπο σχεδιασµού και συγκεκριµένες προδιαγραφές χρήσιµες για τα ιεραρχικά κυψελοειδή δίκτυα, αλλά ακατάλληλες για τις ανάγκες του δικτύου πρόσβασης WCDMA/HSPA. Αυτή η αδυναµία του κεντρικού δικτύου του GSM οδήγησε στην µετάταξη των «buffers» και πρωτοκόλλων αναµετάδοσης στο RAN του WCDMA και εγγυήθηκε την ευελιξία διασύνδεσης του CN µε οποιοδήποτε ασύρµατο δίκτυο, µέσω της διεπαφής lu ή lu interface αρκεί φυσικά τα διάφορα δίκτυα πρόσβασης να τηρούν τις προδιαγραφές της διεπαφής. Απ την άλλη µεριά, οι παροχές ασφάλειας του δικτύου GSM ενεργοποιούνται όσον αφορά τις υπηρεσίες µεταγωγής κυκλωµάτων ή Circuit Switched CS από το GSM RAN ενώ οι παροχές ασφάλειας των υπηρεσιών δεδοµένων (packet data) εντός τα πλαίσια του CN GSM. 21 3gpp TS V

37 Για λόγους απλότητας, οι υπηρεσίες ασφάλειας του δικτύου WCDMA παρέχονται εντός το RAN WCDMA λόγω της αναγκαίας εξασφάλισης της διαχείρισης σηµατοδοσίας και έλεγχου των πόρων ασύρµατης πρόσβασης. Οι διάφορες λειτουργίες του RAN WCDMA/HSPA περιλαµβάνουν: Κωδικοποίηση, διαστρωµάτωση (interleaving), µετατροπή, και άλλες τυπικές λειτουργίες του φυσικού στρώµατος ARQ, συµπίεση επικεφαλίδας, και άλλες τυπικές λειτουργίες του στρώµατος σύνδεσης δεδοµένων (link layer) διαχείριση πόρων ασύρµατης πρόσβασης και handover λειτουργίες ασφάλειας (ciphering and integrity protection). Οι υπόλοιπες απαραίτητες λειτουργίες για την σωστή προωθήσει και λειτουργικότητα των κινητών υπηρεσιών παραβρίσκονται εντός του CN : διαχείριση χρεώσεων διαχείριση συνδροµητών διαχείριση κινητικότητας (mobility management) διαχείριση φορέων (bearers) και QoS; διαχείριση πολιτικής συνδετικότητα µε άλλα δίκτυα Ο λειτουργικός διαχωρισµός µεταξύ του LTE RAN και LTE CN οµοιάζει σε αυτό του WCDMA/HSPA αν παρθεί υπ όψιν η ισοπέδωση του δικτύου δηλαδή την µεταφορά των λειτουργιών του RNC-WCDMA στον κόµβο e-νode B, και την πολιτική της ανεξαρτητοποίησης του κεντρικού δικτύου CN, από τις λειτουργίες του δικτύου πρόσβασης. Με βάση την φιλοσοφία αυτή, η λειτουργίες που ορίζονταν σαν λειτουργίες RAN στο 3G παραµένουν λειτουργίες RAN και στα δίκτυα LTE (Σχήµα Σ 2.3). Σ 2.3 : SAE Protocol Stacks 37

38 Οι λειτουργίες RAN LTE: Κωδικοποίηση, διαστρωµάτωση (interleaving), µετατροπή, και άλλες τυπικές λειτουργίες του φυσικού στρώµατος ARQ, συµπίεση επικεφαλίδας, και άλλες τυπικές λειτουργίες του στρώµατος σύνδεσης δεδοµένων (link layer) λειτουργίες ασφάλειας (ciphering and integrity protection). διαχείριση πόρων ασύρµατης πρόσβασης και handover Συνεπώς οι λειτουργίες CN: διαχείριση χρεώσεων διαχείριση συνδροµητών διαχείριση κινητικότητας (mobility management) διαχείριση φορέων (bearers) και QoS; διαχείριση πολιτικής συνδετικότητα µε άλλα δίκτυα Ανεξαρτήτως του λειτουργικού διαχωρισµού µεταξύ του RAN και του CN, ο σχεδιασµός του RAN της κάθε τεχνολογίας ασύρµατης πρόσβασης απαιτεί για την σύνδεση κεραίας - κυψέλης την µεσολαβήσει τουλάχιστον ενός κόµβου διάφορες τεχνολογίες ασύρµατης πρόσβασης προσφέρουν εναλλακτικές προσεγγίσεις στον συσχετισµό και συνδετικότητας κόµβων, και διεπαφών της RAN. Οι εναλλακτικές προσεγγίσεις στις αρχιτεκτονικές των RAN WCDMA και RAN LTE, εκτός από τον διαχωρισµό λειτουργικότητας µεταξύ του δικτύου ασύρµατης πρόσβασης και του κεντρικού δικτύου, περιλαµβάνουν διαφοροποίηση και στις τεχνολογίες ασύρµατης πρόσβασης, αλλά και στις χαρακτηριστικές λειτουργίες και εσωτερικό σχεδιασµό του RAN. 38

39 Σ 2.4 : Signalling Stacks Η λειτουργία των συστηµάτων macro diversity τα οποία λειτουργούν µε σηµείο αναφοράς το διαχωρισµό και συνδυασµό των δεδοµένων από και προς τα τερµατικά µέσω των αντιστοίχων κυψελών- στα οποία βασίζονται τα κανάλια µεταφορών DCH- αποτελούν ουσιώδης κίνητρο στο σχεδιασµό του συστήµατος WCDMA/HSPA. Για λόγους τοπολογίας δηλαδή ο λογικός και πραγµατικός συσχετισµός µεταξύ των κυψελών και των κεραιών- αλλά και επειδή συνήθως το δίκτυο µεταφορών περιορίζει την διακίνηση δεδοµένων στο τελευταίο χιλιόµετρο, δηλαδή µεταξύ του τελικού κόµβου του δικτύου µεταφορών, και τον χώρο του συµπλέγµατος κεραιών, αποφασίστηκε ο τερµατισµός του στρώµατος σύνδεσης δεδοµένων και του συστήµατος macro diversity στον ίδιο κόµβο, ή σε κάποιο ιεραρχικά (όσον αφορά την τοπολογία των κόµβων του RAN) ανώτερο. Επίσης, ο κόµβος άγκυρα (anchor) διευκρινίστηκε ως ξεχωριστός από τον κόµβο που συνδέετε µε τις κεραίες. Αφ ετέρου, η µόνη σηµαντική αιτία τερµατισµού του στρώµατος σύνδεσης σε κόµβο διαφορετικό του κόµβου macro diversity είναι πάλι οι περιορισµοί του δικτύου µεταφοράς, και µια και τέτοιος διαχωρισµός θα αύξηση σηµαντικά την πολυπλοκότητα, είναι λογικό να συγκεντρωθούν οι λειτουργίες στον ίδιο κόµβο. Με την ίδια λογική, η σηµατοδοσία του επίπεδου έλεγχου του RAN προστέθηκε στον κόµβο macro diversity και ο κόµβος ονοµάστηκε Radio Network Controller ή RNC. 39

40 Η αρχιτεκτονική ισχύει για τα συστήµατα WCDMA ξεκινώντας από την έκδοση 99, συµπεριλαµβάνοντας τις εκδόσεις 7 και 8 µε ελάχιστες τροποποιήσεις ασχέτως αν το macro diversity χρησιµοποιείται από το σύστηµα πρόσβαση HSPA µόνο στο uplink. Το σύστηµα RAN αποτελείται από δύο βασικούς κόµβους, το RNC και το Node B. Το RNC λειτουργεί σαν κεντρικός κόµβος διασύνδεσης του δικτύου ασύρµατης πρόσβασης µέσω της Iu διεπαφής στο κεντρικό δίκτυο CN. Το κεντρικό δίκτυο CN µέσω της διπαφής Iu µπορεί να συνδεθεί και µε άλλες τεχνολογίες πρόσβασης, όχι αποκλειστικά WCDMA. Κάθε RNC συνδέεται µε κάθε άλλο RNC στο ίδιο δίκτυο µέσω της διεπαφής Iur όπου η διεπαφή Iur λειτουργεί στην πληρότητα του δικτύου διευκολύνοντας την χρήση του RNC ως σηµείο αναφοράς (anchor RNC) για το κάθε τερµατικό, έτσι αποσκεπάζοντας την κινητικότητα από το κεντρικό δίκτυο. Επιπλέον, η διεπαφή Iur είναι απαραίτητη για την εκτέλεση της «µακρο-diversity» µεταξύ των κυψελών που ανήκουν σε διαφορετικά RNCs. Σ 2.5 : Evolved Packet Core Μέσω της διπαφής Iub, κάθε RNC συνδέεται µε ένα ή περισσότερα NodeBs Εντούτοις, σε αντίθεση µε τη δυνατότητα αλληλοσύνδεσης των RNC, το κάθε Node B συνδέεται µε ένα και µόνο ένα RNC δηλαδή το κάθε Node B ελέγχεται από συγκεκριµένο RNC το οποίο RNC είναι και ο κύριος διαχειριστής των πόρων των Node B που του αντιστοιχούν. Σε περίπτωση macro-diversity διασύνδεσης µεταξύ RNCs, τα RNC συντονίζουν την διαχείριση των σχετικών πόρων των Node Bs. Το NodeB σαν λογικός κόµβος χειρίζεται τη µετάδοση και υποδοχή ενός συνόλου 40

41 κυψελών. Φυσικά το NodeB µπορεί να τοποθετηθεί σε γεωγραφικά ξεχωριστό χώρο από τις κυψέλες και κεραίες που ελέγχει πχ. οι κεραίες στην ταράτσα και ο κόµβος στο υπόγειο. Η ιδιοµορφία εξυπηρέτησης διαβιβαζοµένων κυψελών από διαφορετικά συµπλέγµατα κεραιών διαφοροποιεί τον κόµβο NodeB από τους GSM προκατόχους του δηλαδή τους Base Transceiver Station (BTS), Base Station (BS), και Radio Base Station (RBS). Ο κόµβος µπορεί να απορρίψει διασυνδέσεις λόγω περιορισµών στο hardware, αλλά όχι λόγω έλλειψης πόρων διαχείρισης. Βασικά, το Node B είναι περιορισµένο να λειτουργεί σε επίπεδο φυσικού στρώµατος µε την εξαίρεση της macro-diversity. Ο σχεδιασµός των διαφόρων συστηµάτων και διεπαφών της τεχνολογίας WCDMA προσδιόρισε την ανάγκη κεντρικού κόµβου επεξεργασίας λειτουργιών όπως macro diversity (και τους αναγκαίους συνδυασµούς και διαχωρισµούς συχνοτήτων) όπως και επίσης διαχείριση ασύρµατων πόρων κυψελών. Στην επικαλούµενη ιεραρχία, τα Node B ελέγχουν κυψέλες και το σχετικό RNC ελέγχει και συντονίζει µέσω της διεπαφής Iur- τα Node B της ευρύτερης περιοχής Υπογραµµίζεται ότι η κάθε οµάδα Node B αναφέρεται σε ένα και µόνο ένα RNC (Controlling RNC) το οποίο ελέγχει µέσω των Node Bs και την περιοχή. Το συγκεκριµένο Controlling RNC προσδιορίζει τις αντίστοιχες συχνότητες (δηλαδή στις κυψέλες), ισχύ διαύλου, scheduling και προτεραιότητα καναλιών, διαµόρφωση κωδικών (βλέπε HS-DSCH) και κατανοµή των πόρων µε βάσει τις ανάγκες των χρηστών (δηλαδή όσων αφορά διαµόρφωση/διαστασιοποιήση των κυψελών). Η κάθε πρόσβαση στο δίκτυο WCDMA αξιοποιείται µέσω κάποιας κυψέλης/nodeb του RAN, η οποία λειτουργεί υπό την καθοδήγηση του Controlling RNC το οποίο καθορίζεται ως σηµείο τερµατισµού των επιπέδων ελέγχου και χρηστών για την συγκεκριµένη πρόσβαση, δηλαδή το συγκεκριµένο τερµατικό- άρα για τον συγκεκριµένο χρήστη το Controlling RNC µετατρέπεται σε Serving RNC. Το Serving RNC θα αξιολογήσει τις διάφορες µετρήσεις από το τερµατικό, και θα καταλήξει σε κατάλογο υποψηφίων κυψελών που θα είναι σε θέση να εξυπηρετήσουν τις ανάγκες του τερµατικού µε βάση διαφόρων προκαθορισµένων (και δυναµικών) παραµέτρων που χαρακτηρίζουν τις διάφορες πολιτικές (policies) και επίπεδα ποιότητας όσον αφορά την σύνδεση µε το κεντρικό δίκτυο CN. Τέλος, θα διαµορφωθούν οι διάφοροι φορείς που θα επιτρέψουν την εφαρµογή των επιθυµητών υπηρεσιών ώστε να εξασφαλιστεί η µέγιστη ικανοποίηση του χρήστη. Σε περίπτωση που η σύνδεση απαιτεί µεταφορά σε κυψέλη που ελέγχεται από διαφορετικό RNC, το Controlling RNC εντοπίζει το σχετικό RNC, και έπειτα από τις σχετικές συνόδους διαπραγµάτευσης, και εφ όσον επιτραπεί, ενηµερώνει το τερµατικό να προσθέσει στον κατάλογο κυψελών την συγκεκριµένη κυψέλη και το Controlling RNC λειτουργεί για το συγκεκριµένο τερµατικό ως Drift RNC. Φυσικά, αν ο κατάλογος ενεργών κυψέλων του τερµατικού ανήκουν σε διαφορετικό (από το αρχικό) RNC, τότε θα επικαλεστεί αλλαγή Controlling RNC µέσω του SRNS relocation procedure. 41

42 To RNC επίσης αποφασίζει την χρήση των broadcast ή unicast καναλιών unicast σε περίπτωση µικρού αριθµού χρηστών ανά κυψέλη και broadcast σε αυξηµένη πυκνότητα χρηστών ανά κυψέλη - στην εφαρµογή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) οπού στην περίπτωση unicast λειτουργεί ως point to point ενώ σε broadcast mode παρέχει την δυνατότητα µεταβίβασης των ίδιων στοιχείων σε όλες τις κυψέλες του συγκεκριµένου RNC. Ο αναγνώστης ας ενηµερωθεί ότι συζήτιουνται στα πλαίσια της 3GPP διάφορα πλάνα για της εξέλιξη της έκδοσης 99, ένα από αυτά µια πιο επίπεδη αρχιτεκτονική (του RAN WCDMA) δηλαδή µεταφορά λειτουργιών από το RNC στο NodeB. Στην φάση των µελετών προέκυψαν ορισµένα θέµατα όπως : Το όριο των RNC (4096) Η τοπολογία των λειτουργιών ασφάλειας ή η µετατόπιση των στα ανασφαλή λόγω αποστάσεως- NodeB. Η λειτουργία των NodeB στο τελευταίο χιλιόµετρο υπονοεί συχνά αποµακρυσµένη µη ελεγχόµενη περιοχή στην οποία µπορεί να υποστεί απόπειρα υποκλοπής κρυπτογραφηµένων στοιχείων καθώς µεταφέρονται στο, και από τον κόµβο. και φυσικά το θέµα του macro diversity του HSPA uplink για να εγγυηθεί η υπηρεσία αρκετή χωρητικότητα και καλή ποιότητα. Το συγκεκριµένο θέµα αντιµετωπίζεται παίζοντας µε την λογική ιεραρχία των κόµβων, ένας από τους κύριους λόγους ύπαρξης του RNC σαν οντότητα. Ασχέτως, η αρχιτεκτονική του RAN προσδιορίζει την εξέλιξη των φορέων επιτάχυνσης όπως το HSPA ώστε να υποστηρίζουν υπάρχουσες υπηρεσίες και υπάρχουσες αρχιτεκτονικές. (δηλαδή τα RNC και τα NodeB). Άρα, η προδιαγραφές της έκδοσης 99 του WCDMA ισχύουν και για την εξέλιξη του HSPA, και της επίπεδης αρχιτεκτονικής. Επίσης, για πρακτικούς λόγους η τεχνολογία LTE δεν υποστηρίζει macro diversity µεταξύ των enodeb για τον απλό λόγο ότι θα αυξανόταν η πολυπλοκότητα χωρίς αντίστοιχο κέρδος στους βασικούς παραµέτρους του δικτύου. Η «ισοπεδωτική» φιλοσοφία του LTE και η µη εφαρµογή macro diversity στο uplink και downlink - οδηγεί σε µόνο ένα τύπου κόµβου στο δίκτυο πρόσβασης, το enodeb. Το enodeb, όπως και ο «προκάτοχος» του, το NodeB, διαχειρίζεται κυψέλες µε τις αντίστοιχες γεωγραφικές ευελιξίες. Αφ ετέρου, ο σχεδιασµός του enodeb είναι αρκετά περίπλοκος λόγω της µεταφοράς σηµαντικού µέρους λειτουργιών του RNC, πχ radio resource management, handover, scheduling χρηστών κλπ. 42

43 Η διασύνδεση του enodeb στο CN γίνεται µέσω του S1 το οποίο έχει αρκετά κοινά χαρακτηριστικά µε το Iu, όπως και η διεπαφή Χ2 η οποία διασυνδέει τους κόµβους enodeb- κατέχει κοινά χαρακτηριστικά µε την διεπαφή Iur (WCDMA) (Σχήµα Σ 2.4- Σ 2.5). Η διεπαφή X2 χρησιµοποιείται δια µέσω του επιπέδου έλεγχου- για την υποστήριξη της ενεργής κινητικότητας (active mode), διαχείριση πόρων πολλαπλών κυψελών, υποστήριξη επανεντοπισµού (παρόµοια µε το drift RNC) και lossless κινητικότητα µέσω προώθησης δεδοµένων. Τα enodeb, εκτός από τις βασικές λειτουργίες των NodeB, υποστηρίζουν το βασικό σύνολο των λειτουργιών των RNC, πχ διαχείριση πόρων, handover, uplink downlink scheduling, εφαρµογές του φυσικού στρώµατος όπως κωδικοποίηση, αποκωδικοποίηση, µετατροπή, διαστρωµάτωση και την υποστήριξη ARQ και υβριδικού ARQ. Ο τρόπος εφαρµογής του handover στα δίκτυα LTE διαφέρει αρκετά από τον κλασσικό τρόπο του GSM και τον τρόπο εφαρµογής του στα δίκτυα 3G τα διάφορα handover εκτελούνται µέσω επανεντοπισµό των enodeb όπου το serving enodeb εξυπηρετεί τον χρήστη και οι προσδιορισµοί controlling και drift δεν υπάρχουν (Σχήµα Σ 2.6). Σε γενικές γραµµές το δίκτυο LTE διαχειρίζεται τις συνόδους MBMS δηλαδή τα κανάλια unicast/broadcast- µε τρόπους αντίστοιχους των δικτύων 3G. Στην περίπτωση των καναλιών broadcast δηλαδή την ταυτόχρονη αποστολή ροών δεδοµένων - τα enodebs επικαλούνται τη χρήση MBMS Coordination Entity (MCE) η οποία συντονίζει µέσω µηχανισµού συγχρονισµού πχ. GPS τις µεταδόσεις και τις ροές στοιχείων. Το κεντρικό δίκτυο των συστηµάτων µακροπρόθεσµης εξέλιξης, γνωστό ως Evolved Packet Core (EPC) 22, αντιπροσωπεύει την φυσική εξέλιξη του κεντρικού δικτύου GSM/GPRS µέσω του 3G, αλλά µε αρκετές ριζοσπαστικές διαφοροποιήσεις. Το 3G χρησιµοποιεί τους ίδιους κόµβους µε το GSM/GPRS µε τον λειτουργικό διαχωρισµό του 3G να επιβάλει διαφορετικές διεπαφές µεταξύ του 3G (CN,RAN) πχ το Ιu- και του GSM/GPRS (core radio network) δηλαδή A και Gb. Το κεντρικό δίκτυο αποτελείται από δύο ευδιάκριτες περιοχές: 1. την περιοχή µεταγωγής κυκλωµάτων µε βάση το κέντρο µεταγωγών (MSC); 2. την περιοχή µεταγωγής δεδοµένων µε κεντρικούς κόµβους το SGSN και το GGSN. Κοινός κόµβος λειτουργικότητας των δύο περιοχών είναι η βάση δεδοµένων HLR, η οποία τηρεί τις αναγκαίες πληροφορίες των συνδροµητών του δικτύου. Η διεπαφή Iu_cs συνδέει το WCDMA/HSPA RAN στο MSC και µεσω Iu_ps στο SGSN via the Iu_ps interface, ενώ η διεπαφή A συνδέει το MSC στο GSM RAN, και η διεπαφή Gb το SGSN στο GSM RAN. 22 TSGS#39(08)0132, Puerto Vallarta Mexico,

44 Το SGSN συνδέεται στο GGSN µέσω της διεπαφής Gn/Gp και το GGSN µέσω της διεπαφής Gi συνδέεται µε άλλα δίκτυα δεδοµένων όπως το δίκτυο IMS και το διαδίκτυο. Η βάση δεδοµένων συνδροµητών το HLR συνδέεται στο MSC µέσω των διεπαφών C και D, και στο SGSN µέσω της διεπαφής Gr. Η διεπαφή Iu Iu flex- επιτρέπει στο RNC να επικοινωνεί µε πολλαπλά SGSN ή MSC και αυξάνει την αξιοπιστία του δικτύου, όπως και διανέµει την κατάσταση του τερµατικού σε αρκετά SGSN και MSC. Ο αντικατοπτρισµός πληροφορίας σε διάφορα σηµεία του δικτύου, οδηγεί στην άµεση εγκατάσταση δυσλειτουργικού κόµβου, ή λογικής οντότητας, µε πιο αξιόπιστο κόµβο χωρίς απώλεια πληροφοριών. Στην περίπτωση υπηρεσιών MBMS, το CN αποφασίζει το τύπο του φορέα (multcast/broadcast) πάντα µέσω του δικτύου µεταβιβάσεων δεδοµένων και την διεπαφή Iu-ps. Για τις περιπτώσεις multicast/broadcast, το RAN αποφασίζει ρωτώντας τους χρήστες - το τύπο καναλιού (unicast/broadcast) διαχείρισης της υπηρεσίας µε βάση την πυκνότητα ενδιαφερόµενων χρηστών ανά κυψέλη. Όσον αφορά την περιαγωγή, η οποία υποστηρίζεται και από την περιοχή CS, και από την περιοχή PS, οι συνδέσεις δεδοµένων δροµολογούνται µέσω του SGSN του visited δικτύου στο GGSN του home δικτύου µέσω της διεπαφής Gp, ενώ οι συνδέσεις κυκλωµάτων πραγµατοποιούνται µε την σηµατοδοσία ISDN µέσω των κέντρων (MSC) πάντα µε την αναγκαία υποστήριξη, σε όλες τις περιπτώσεις, της σηµατοδοσίας και µεταφοράς δεδοµένων στα κέντρα, από τα home/visited HLRs. Η χρέωση κλήσεων ή µεταφοράς δεδοµένων όπως και η πολιτική ή policy (χρεώσεων κλπ., οπου το policy management αξιοποιείται µόνο στο χώρο δεδοµένων) που αποτελούν σηµαντικότατη λειτουργία για την εταιρία παροχής υπηρεσιών, ενεργοποιούνται στο κεντρικό δίκτυο, δηλαδή ή στο MSC, ή στα SGSN/GGSN και µε βάση την πολιτική της εταιρίας υποστηρίζουν διάφορες ευέλικτες µεθόδους πχ. flat rate, minute based rating, content ή event based charging στην περίπτωση χρεώσεων κλπ. Η Αρχιτεκτονική των Εξελίξεων των Συστηµάτων, Service Architecture Evolution ή SAE της 3GPP αποτελεί ριζοσπαστική εξέλιξη του κεντρικού δικτύου GSM/GPRS και ως αποτέλεσµα µετονοµάστηκε σε Evolved Packet Core ή EPC. H SAE διαχειρίζεται αποκλειστικά των χώρο µεταγωγής δεδοµένων packet switched domain µε την φιλοσοφία της επίπεδης αρχιτεκτονικής, αποδοτικότητας, ανθεκτικότητας, και αυξηµένης ανταπόκρισης. Κατά συνέπεια, το Evolved Packet Core ξεκίνησε ως δίκτυο ενός κόµβου µε την εξαίρεση της βάσης δεδοµένων HSS που αποτελεί ξεχωριστό κόµβο και παρέχει παρόµοιες λειτουργίες του HLR/3G. To EPC συνδέεται µε το LTE RAN µέσω της S1 διεπαφής και µε το παγκόσµιο ιστό µέσω της SGi διεπαφής, µε τα enodebs µέσω της S1 διεπαφής ή οποία διεπαφή αποτελεί content agnostic tunnel (µέθοδο σήραγγας) µεταφορά και µε το HSS µέσω της S6 διεπαφής (εξέλιξη της διεπαφής Gr/WCDMA) (Σχήµα Σ 2.5). 44

45 Στο επίπεδο ελέγχου, η πολιτική QoS εφαρµόζεται στο 3G µέσω των RABs (radio access bearers) ενώ στο LTE µέσω των τµηµάτων προτεραιότητας ή priority classes. Όσον αφορά την διαχείριση κινητικότητας, το EPC εφαρµόζει το ρόλο του δικτύου αναφοράς (ή άγκυρας) ή anchor network συµπεραίνοντας ότι το EPC παραµένει στο επίπεδο χρήστη κατά την διάρκεια της σύνδεσης δηλαδή εφαρµόζει τον ρόλο του GGSN/3G. Η επίπεδη αρχιτεκτονική επιτρέπει στο συγκεκριµένο SAE κόµβο την σύνδεση µε κάθε enodeb άρα ένα σηµείο διαφοροποίησης από τα δίκτυα 3G το EPC ενηµερώνεται τακτικά για τις αλλαγές, τις συναλλαγές και την κινητικότητα του χρήστη στα πλαίσια του RAN/LTE. To S1 flex, oπως το αντίστοιχο Iu flex ενδυναµώνει την αξιοπιστία του EPC. Ο τρόπος διαχείρισης της περιαγωγής περιλαµβάνει των συντονισµό δύο δικτύων EPC, στο visited και home network, και µε βάση την πολιτική του χειριστή, οι σχετικές διευθύνσεις IP παράγονται από το home, ή το visited EPC. Το handover αξιοποιείται µε τις διασυνδέσεις των δικτύων SGSN/WCDMA και EPC/LTE όπου το EPC αναλαµβάνει ρόλο αντίστοιχο µε αυτό του GGSN µέσω της διεπαφής S4, και επαναφέρεται στην κανονική λειτουργία που απαιτεί η διαχείριση εφαρµογών του LTE/RAN. Το επίπεδο χρηστών τερµατίζει στο EPC διατηρώντας την IP διεύθυνση του τερµατικού µε την παράλληλη απενεργοποίηση του επίπεδου έλεγχου διατηρώντας την αναγκαία ευελιξία µε ελάχιστες απαιτούµενες αλλαγές στο δίκτυο δεδοµένων WCDMA/HSPA παρέχοντας συγχρόνως γρήγορο, αποτελεσµατικό και seamless handover µεταξύ των δύο ευρυζωνικών δικτύων. Το handover στο LTE (από το δίκτυο WCDMA/HSPA) µεταφέρει την σύνδεση στο EPC (από το SGSN) µέσω της βασισµένης στην διεπαφή Gn των SGSN - διεπαφής S3 υπονοώντας συσχετισµό µεταξύ τον επανεντοπισµό των SGSN στο επίπεδο χρήστη του EPC, αντί του GGSN (Σχήµα Σ 2.6). 45

46 Σ 2.6 : LTE Handover 46

47 3. ίκτυο Ασύρµατης Πρόσβασης (UTRA) Το ακρώνυµο E-UTRA,δηλαδή εξελιγµένο UTRA οπού το E - πρόθεµα χρησιµοποιείται εκ κοινού στα εξελιγµένα σηµεία πρόσβασης των παλαιότερων υποσυστηµάτων UMTS, αναφέρεται στο σύστηµα ασύρµατων διεπαφών (air interface) της Release 8 των δικτύων LTE. H Release 8 προορίζεται για τη χρήση οποιωνδήποτε δικτύων IP όπως WiMAX, WiFi, και τα σταθερά (καλωδιακά) δίκτυα. Το προτεινόµενο σύστηµα E-UTRA χρησιµοποιεί την ορθογωνική πολλαπλή διαίρεση συχνοτήτων OFDMA (Σχήµα Σ 3.1) για την downlink σύνδεση ( σταθµός βάσεως προς κινητό) και FDMA (SC- FDMA) για το uplink και υιοθετεί το πολλαπλό σύστηµα κεραιών MIMO εως τέσσερις κεραίες (δηλ. 4x4) ανά σταθµό. Το σχέδιο κωδικοποίησης καναλιών των transport blocks (turbo code) γίνεται µέσω εσωτερικής διαστρωµάτωσης contention free quadratic permutation polynomial (QPP) turbo code. Σ 3.1 : Ορθογωνική Πολλαπλή ιαίρεση Συχνοτήτων OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiple Access OFDMA αναφέρεται στη multiuser έκδοση του δηµοφιλούς OFDM 23 ψηφιακού modulation. Η πολλαπλάσια πρόσβαση επιτυγχάνεται από την ανάθεση υποσυνόλων των υποφερόντων στους µεµονωµένους χρήστες. Αυτό επιτρέπει την ταυτόχρονη χαµηλή µετάδοση ποσοστού στοιχείων από διάφορους χρήστες. Το OFDMA διαθέτει τα ακόλουθα πλεονεκτήµατα: 23 Για λεπτοµερή περιγραφή του OFDM βλ. τη διπλωµατική εργασία του Κρυπωτού : IEEE a Λειτουργικά χαρακτηριστικά και προσοµοίωση, ΕΜΠ 2007 και πτυχιακή εργασία Καρακατσάνη µε τίτλο ίκτυα Επικοινωνιών 4 ης Γενιάς, ΤΕΙ Κρήτης 2006 διαθέσιµα στο διαδίκτυο. 47

48 Ευελιξία επεκτάσεως σε διάφορες ζώνες συχνότητας µε ελάχιστη τροποποίηση στο πρωτόκολλο πρόσβασης. Υπολογισµός µέσου όρου των παρεµβολών από της γειτονικές κυψέλες, χρησιµοποιώντας διαφορετικά βασικά permutations φερόντων µεταξύ των χρηστών των αντίστοιχων κυψέλων. Οι παρεµβολές στις κυψέλες υπολογίζονται κατά µέσο όρο µε τη την κατανοµή των κυκλικών permutations. Επιτρέπει orthogonality στο uplink µέσω συγχρονισµού χρηστών και συχνότητας. Επιτρέπει την ενιαία κάλυψη δικτύων συχνότητας (Single Frequency Network coverage), όπου µπορούν να βελτιωθούν περιοχές µε προβληµατική κάλυψη. Επιτρέπει την προσαρµοστική κατανοµή φερόντων στον πολλαπλασιασµό 23 φερόντων δηλαδή ο αριθµός των φερόντων επί 23 µέχρι 1587 φέρουσες ( µόνο για τις φέρουσες δεδοµένων). Προσφέρει diversity συχνότητας µε τη διανοµή των φερόντων (carriers) σε όλο το χρήσιµο φάσµα. Προσφέρει time diversity µε την προαιρετική παρεµβολή σε χρόνο των φερόντων. Τα µειονεκτήµατα : Υψηλότερη ευαισθησία στα όφσετ συχνότητας και το phase noise. Οι ασύγχρονες υπηρεσίες µεταδόσεων στοιχείων όπως η πρόσβαση Ιστού χαρακτηρίζονται από τις σύντοµες ριπές υψηλού ποσοστού δεδοµένων. Ελάχιστοι χρήστες σε κυψέλη σταθµού βάσεως εκτελούν ταυτόχρονη διακίνηση δεδοµένων σε χαµηλό ρυθµό δεδοµένων. Η πολυπλοκότητα των στοιχείων, συµπεριλαµβανοµένων των αλγορίθµων FFT και Forward Error Correction που είναι συνεχώς ενεργά ασχέτως του ποσοστού µεταφοράς δεδοµένων, οδηγεί σε µη αποδοτική κατανάλωση ενέργειας. Το diversity gain και αντίσταση σε frequency selective διαλείψεις (fading), µπορεί εν µέρει να χαθεί εάν ελάχιστοι subcarriers ορίζονται ανά χρήστη, και εάν ο ίδιος carrier χρησιµοποιείται ανά σύµβολο OFDM. Άρα η προσαρµοστική ανάθεση υποφερόντων βασισµένη στις πληροφορίες γρήγορης ανάδρασης σε σχέση µε το δίαυλο, ή frequency hopping των υποφερόντων, είναι εποµένως επιθυµητή. Ο τρόπος επεξεργασίας των παρεµβολών από γειτονικές κυψέλες είναι αρκετά πιο σύνθετος από ότι είναι στο κλασσικό CDMA. 48

49 Χαρακτηριστικά και Τρόπος λειτουργίας Η προσαρµοστική ανάθεση καναλιών ανά χρήστη εκτελείται µε βάση τις πληροφορίες ανάδρασης της κατάστασης των ασύρµατων διαύλων. Η επιταχυµένη ανάθεση οδηγεί στην βελτιωµένη ευρωστία της µετάδοσης OFDM όσον αφορά το fast fading και co-channel interference, µε αρκετές καλές πιθανότητες να αυξηθεί δραµατικά η αποδοτικότητα του φάσµατος. Ο συσχετισµός της διαφοροποίησης του QoS µε τον αριθµό των υποφερόντων ανά χρήστη δίνει την δυνατότητα διαφόρων επιπέδων υπηρεσιών, την ταχύτητα των δεδοµένων και τα επίπεδα πιθανοτήτων λανθασµένων συµβόλων. Σε γενικές γραµµές το OFDMA πλησιάζει το CDMA, όπου οι χρήστες µπορούν να επιτύχουν διαφορετικές ταχύτητες επικοινωνίας αναθέτοντας διαφορετικά spreading factors σε κάθε χρήστη. Αφ ετέρου το OFDMA µπορεί να θεωρηθεί ως εναλλακτική λύση του συνδυασµού OFDM-TDMA. Η µετάδοση χαµηλών ρυθµών δεδοµένων µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε χαµηλή ισχύς αντί ενός pulsed carrier υψηλής ισχύς. Το OFDMA µπορεί επίσης να περιγραφθεί ως συνδυασµός πολλαπλής πρόσβασης στο χώρο της συχνότητας και του χρόνου, όπου οι πόροι µοιράζονται σε πλαίσιο συχνοτήτων χρόνου, και οι χρονοθυρίδες ορίζονται κατά µήκος του δείκτη συµβόλων OFDM καθώς επίσης και του δείκτη υποφερόντων OFDM. Το OFDMA θεωρείται ως ιδιαίτερα κατάλληλο για τα ευρυζωνικά ασύρµατα δίκτυα, λόγω σειράς πλεονεκτηµάτων οπως scalablity, ευελιξία στην υποστήριξη της τοπολογίας των κεραιών MIMO, και τη δυνατότητα επιλεκτικής εκµετάλλευσης των συχνοτήτων των καναλιών. Single-carrier FDMA (SC-FDMA) αναφέρετε σε frequency division πολλαπλής πρόσβασης (δηλ. η έκδοση του Single-carrier frequency-domain equalization (SC- FDE)) και υποστηρίζει πολλαπλούς χρήστες. Το SC-FDE µπορεί να θεωρηθεί ως γραµµικά προ κωδικοποιηµένο σχέδιο OFDM, ενώ το SC-FDMA ως γραµµικά προ κωδικοποιηµένο σχέδιο OFDMA, ή LP-OFDMA. Ή, µπορεί να αντιµετωπισθεί ως single carrier multiple access scheme (Σχήµα Σ 3.2). 49

50 Σ 3.2 : OFDMA/SC-FDMA Τα συστήµατα SC -FDE και LP- OFDMA/SC-FDMA µεταδίδουν µε χαµηλότερο peak-to-average power ratio (PAPR) λόγω της έµφυτης ενιαίας δοµής των φερόντων οπού τα guard intervals µε κυκλική επανάληψη εισάγονται µεταξύ των blocks συµβόλων και ευνοούν την αποτελεσµατικότητα του time spreading (που προκαλείται από multipath factors) µεταξύ των blocks. Το δε FFT (Fast Fourrier Transform) στο OFDM, εφαρµόζεται από την πλευρά δεκτών σε κάθε block συµβόλων, και το αντίστροφο FFT (IFFT) από την πλευρά της µετάδοσης. Στο SC FDE, το FFT και IFFT ενεργοποιούνται από την πλευρά δεκτών, αλλά όχι από την πλευρά των συσκευών αποστολής σηµάτων (Σχήµα Σ 3.3). Σ 3.3 : IFFT/FFT 50

51 Στο SC-FDMA, το FFT και IFFT εφαρµόζονται από την πλευρά συσκευών αποστολής σηµάτων, και επίσης από την πλευρά δεκτών. Στο OFDM καθώς επίσης και το SC-FDE και SC- FDMA, το equalization επιτυγχάνεται από την πλευρά δεκτών µετά από τον υπολογισµό FFT, πολλαπλασιάζοντας κάθε συντελεστή Fourier µε µιγαδικό διάνυσµα στον χώρο (complex vector space). Κατά συνέπεια, µειώνονται η περιπτώσεις frequency selective fading και η διαστρεβλώσεις των φάσεων. Η χρήση του FFT και frequency domain equalization έχει το πλεονέκτηµα της µείωσης των απαιτήσεων υπολογιστικής ισχύς, δηλαδή λιγότερη φόρτωση στη µονάδα τροφοδότησης (πχ. µπαταρία) και γρηγορότερη ανταπόκριση, από το time domain equalization. Στο SC-FDMA, η πολλαπλάσια πρόσβαση πραγµατοποιείται µε την παρεµβολή των silent Fourier-coefficients από την πλευρά συσκευών αποστολής σηµάτων πριν από το IFFT, αφαιρώντας τους από την πλευρά του δέκτη πριν από το IFFT. Οι διάφοροι χρήστες αναθέτονται στους διάφορους Fourier-coefficients (υποφέρουσες). Η χρήση της τεχνολογίας OFDM, ένα σύστηµα όπου το διαθέσιµο φάσµα διαιρείται σε φέρουσες διαφορετικής συχνότητας, όπου ή κάθε φέρουσα αντιστοιχεί σε σύµβολο, επιτρέπει στο E- UTRA να είναι αρκετά πιο εύκαµπτο στη χρήση φάσµατός από τα παλαιότερα συστήµατα πρόσβασης. Τα δίκτυα CDMA απαιτούν αρκετά blocks φάσµατος τα οποία διαθέτονται σε κάθε φέροντα, ώστε να διατηρήσουν τα υψηλά chip rates, και µεγιστοποιούν έτσι την αποδοτικότητα. Ο σχεδιασµός ασύρµατων ποµπών ικανών να διαχειριστούν αυτά τα chip rates (και την αναγκαία ευρυζωνικότητα φάσµατος) είναι αρκετά πιο σύνθετος από κλασσικά radio units που εκπέµπουν και λαµβάνουν πληροφορίες σε φέρουσες ιδίου µεγέθους. Κάθε mode έχει το αντίστοιχο frame structure στα πλαίσια της δοµής του LTE µε σχετική ευθυγράµµιση που σηµαίνει ότι παρόµοιο hardware µπορεί να χρησιµοποιηθεί στους σταθµούς βάσεως και τα τερµατικά ώστε να επιτραπούν οικονοµίες κλίµατος. Αυτή η λογική καθιστά εφικτή τη δυνατότητα συνύπαρξης διαφόρων αµφιδροµήσεων στον ίδιο κόµβο(πχ. LTE/TDD µε TD- SCDMA). H Ericsson υπέδειξε στο MWC (Mobile World Congress) το στη Βαρκελώνη για πρώτη φορά την συνύπαρξη FDD και TDD (LTE )στην ίδια πλατφόρµα σταθµών βάσεων. 24 Ericsson Research-10 years of shaping change,ericsson Review volume 1,

52 Downlink Το LTE χρησιµοποιεί την ορθογωνική πολλαπλή διαίρεση συχνότητας για την downlink σύνδεση δηλαδή από το σταθµό βάσεως έως το τερµατικό. Το OFDM καλύπτει την απαίτηση του LTE για την ευελιξία φάσµατος και επιτρέπει τις οικονοµικά αποδοτικές λύσεις για τις ευρυζωνικές φέρουσες µε high peak rates. Είναι µια καθιερωµένη τεχνολογία, πχ στα standards όπως ieee a/b/g, , HIPERLAN-2, DVB και DAB. Το time domain περιέχει radio frames διάρκειαs 10 ms και αποτελείται από 10 υποπλαίσια (subframes) διαρκείας 1ms το κάθε ένα.. Κάθε υποπλαίσιο αποτελείται από 2 χρονοθυρίδες (time slots) τών 0,5 ms. Το διαχωριστικό εύρος µεταξύ των φερόντων είναι 15 khz. ώδεκα φέρουσες αποτελούν οµάδα η οποία ονοµάζετε resource block, άρα κάθε resource block καταναλώνει 180 khz. 6 resource blocks ανά φέρων (carrier) των 1,4 MHz και 100 resource blocks ανά φέρων των 20 MHz. Το downlink υποστηρίζει διάφορους τρόπους διαµορφώσεων όπως QPSK, 16QAM and 64QAM. Για τη λειτουργία του MIMO (Σχήµα Σ 3.4), µια διάκριση γίνεται µεταξύ µεµονωµένης χρήσης MIMO, για την ενίσχυση data throughput του χρήστη, και πολλαπλής χρήσης MIMO για την ενίσχυση του cell throughput. Στα συστήµατα MIMO, ο transmitter σηµάτων µεταδίδει πολλαπλά streams από τοπολογία πολλαπλών transmit κεραίων. Σ 3.4 : Τοπολογία Ν επί Μ ΜΙΜΟ Τα transmit streams περνούν από ένα matrix κανάλι που αποτελείται από πολλαπλές transmit antennas στον transmitter και πολλαπλές receive antennas στον δέκτη. Κατόπιν, ο δέκτης λαµβάνει τα διανύσµατα σηµάτων από τις multiple receive 52

53 antennas και αποκωδικοποιεί τα λαµβανόµενα vectors σηµάτων µε βάσει τις αρχικές πληροφορίες. Τεχνικές Spatial Multiplexing καθιστούν τους δέκτες αρκετά σύνθετους, και εποµένως συνδυάζονται µε OFDM ή OFDMA, όπου τα προβλήµατα που δηµιουργούνται από τις πολλαπλές διαδροµές (multipath effects) αντιµετωπίζονται πιο αποτελεσµατικά. Uplink Στο Uplink, το LTE χρησιµοποιεί µια προ κωδικοποιηµένη OFDM έκδοση δηλαδή Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SCFDMA). Το SC-FDMA προσφέρει αντισταθµίσεις σε βασικό µειονέκτηµα του OFDM, δηλαδή το αυξηµένο Peak to Average Power Ratio (PAPR). Υψηλό PAPR απαιτεί ακριβούς και ανεπαρκείς ενισχυτές µε υψηλές απαιτήσεις στη γραµµικότητα (linearity), η οποία αυξάνει το κόστος του τερµατικού και επιταχύνει την αποδυνάµωση της µπαταρίας. Το SC-FDMA αντιµετωπίζει το πρόβληµα συγκεντρώνοντας τα resource blocks κατά τέτοιο τρόπο ώστε να µειώνει την ανάγκη της γραµµικότητας την απαιτούµενη κατανάλωση ισχύος- του power amplifier. Ένα χαµηλό PAPR βελτιώνει επίσης την κάλυψη και την απόδοση στα άκρα του ασύρµατου δικτύου (cell edge). Modulation (διαµόρφωση) στο uplink συµπεριλαµβάνει QPSK, 16QAM and 64QAM. Εάν χρησιµοποιηθεί εικονικό MIMO/Spatial Division Multiplex Access (SDMA) το data rate στο uplink µπορεί να αυξηθεί ανάλογα µε τον αριθµό κεραιών στο σταθµό βάσεως. Με αυτό το τρόπο περισσότερα κινητά έχουν την δυνατότητα να επαναχρησιµοποιήσουν τους ίδιους πόρους. 53

54 ιαχείριση Φάσµατος Οι τεχνολογίες LTE και WIMAX κατέχουν χαρακτηριστικά που µπορούν να ωφελήσουν διάφορους στοχευόµενους τοµείς της αγοράς. Ο βασικός differentiator είναι ότι το WiMAX χρησιµοποιεί TDD (Time-Division-Duplex) και θα απευθυνθεί στους operators που έχουν unpaired φάσµα ενώ το LTE υποστηρίζει κυρίως FDD (Frequency-Division-Duplex) και θα απευθυνθεί στους operators που κατέχουν paired φάσµα. Με το TDD η uplink και downlink σύνδεση µοιράζεται το ίδιο φάσµα, ενώ το FDD υποστηρίζει τις uplink/downlink συνδέσεις µέσω διαφορετικών συχνοτήτων. 54

55 LTE Radio Interface Architecture Η αρχιτεκτονική των ασύρµατων διεπαφών, όπως συνηθίζεται στα συστήµατα ηλεκτρονικών επικοινωνιών, βασίζεται σε διαφορετικά ανεξάρτητα στρώµατα πρωτοκόλλων. Η αρχιτεκτονική του δικτύου πρόσβασης της τεχνολογίας LTE επικεντρώνεται σε ένα και µοναδικό τύπο κόµβου, το enodeb σε αντίθεση µε το GSM (BS-BSC) και το 3G (nodeb, RNC). Οι αρχιτεκτονικές των ζεύξεων (ανόδου-καθόδου) ταιριάζουν σε γενικές γραµµές µε κύριες διαφορές στην µετάδοση µέσω πολλαπλών κεραιών και transport format selection. Επίσης, η ζεύξη καθόδου αποκλείει την δυνατότητα εκποµπής δικτυακών πληροφοριών (system information) µέσω MAC scheduling ή υβριδικού ARQ µε soft combining. Η µετάδοση δεδοµένων (IP packets) από το κανάλι downlink πραγµατοποιείται µέσω φορείς που αποκαλούνται SAE bearers (Σχήµατα Σ 3.5 και Σ 3.6) οπού τα πακέτα των δεδοµένων διαµορφώνονται από συγκεκριµένες οντότητες πρωτοκόλλων : Σ 3.5: SAE Bearers Packet Data Convergence Protocol (PDCP) συµπίεση χρησιµοποιώντας τον ίδιο µηχανισµό ROHC µε τα συστήµατα WCDMA - του IP header δηλαδή µείωση µεγέθους για µετάδοση µέσω ασύρµατης ζεύξης. Ciphering και integrity protection των δεδοµένων (κωδικοποίηση/ποµπού αποκωδικοποίηση/δέκτη) όπως και decompression στη µεριά του δέκτη. Το σύστηµα διαθέτει µία PDCP entity (οντότητα) ανά ράδιο φορέα για το τερµατικό. Radio Link Control (RLC) τοποθετηµένο εντός του node B, υπεύθυνο για segmentation/concatenation, 55

56 αναµεταδώσεις, και in-sequence delivery στα άνω στρώµατα. Το σύνολο των υπηρεσιών του RLC προσφέρονται µέσω radio bearers οπού διαµορφώνεται µία οντότητα RLC ανά ραδιοφορέα (radio bearer) για το κινητό τερµατικό. Medium Access Control (MAC) το οποίο διαχειρίζεται τις αναµεταδόσεις υβριδικού ARQ (hybrid-arq retransmissions) το οποίο βρίσκεται στην αρχικές και τελικές συνόδους του πρωτοκόλλου, και το χρονοπρογραµµατισµό (scheduling) των ζεύξεων ανόδου καθόδου (uplink and downlink channels). Ο µηχανισµός του χρονοπρογραµµατισµού τοποθετείται στο enodeb οπού προσδιορίζεται συνήθως µία οντότητα MAC ανά κυψέλη για το uplink και downlink. Οι υπηρεσίες του MAC διαµορφώνονται µέσω λογικών καναλιών ή logical channels. Physical Layer (PHY), διαχειρίζεται την κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση, διαµόρφωση/αποδιαµόρφωση, mapping (τοπογράφηση) πολλαπλών κεραιών (multi-antenna mapping), και άλλες τυπικές εφαρµογές του φυσικού στρώµατος. Η διεπαφές του φυσικού στρώµατος µε το ανώτερο MAC layer εκτελούνται µέσω transport channels. Σ 3.6 : Τα διάφορα στρώµατα πρόσβασης 56

57 RLC : Radio Link Control Ο έλεγχος ασύρµατων συνδέσεων, ή RLC, στην περίπτωση του LTE (όπως και στην περίπτωση του 3G/WCDMA) ευθύνεται για τον διαχωρισµό των συµπυκνωµένων πακέτων IP ( RLC SDUs ) από το PDCP στα µικρότερα RLC PDUs µε την ταυτόχρονη διαχείριση της αναµετάδοσης των λανθασµένων PDUs όπως και την σωστή in sequence παράδοση των RLC SDUs στα άνω στρώµατα.. Γενικά, η οντότητα στοιχείων από/προς ένα υψηλότερο στρώµα πρωτοκόλλου είναι γνωστή ως Service Data Unit (SDU) και η αντίστοιχη οντότητα σε / από µια χαµηλότερη οντότητα στρώµατος πρωτοκόλλου αποκαλείται Protocol Data Unit (PDU) (Σχήµα Σ 3.7). Σ 3.7 : Variable PDU Η error free µετάταξη των πακέτων στα άνω στρώµατα απαιτεί την συνεργασία των οντοτήτων RLC στη µεριά του δέκτη και του ποµπού. Η εφαρµογή RLC στη µεριά του δέκτη παρακολουθεί τις διάφορες εισερχόµενες ακολουθίες (δηλαδή τον αριθµό της κάθε ακολουθίας) οπού προσδιορίζει οποιαδήποτε έλλειψη και ενηµερώνει την πηγή της µετάδοσης δηλαδή την εφαρµογή RLC στον ποµπό. Ο µεταδότης προχωρεί σε αναµετάδοση των χαµένων κατά σειρά PDUs. Ο τρόπος λειτουργίας του RLC οπού επιτρέπεται η αναµετάδοση των λανθασµένων ή χαµένων PDUs κατόπιν ενηµερώσεως αποκαλείται Acknowledged Mode (AM). 57

58 Φυσικά υπάρχουν και άλλοι τρόποι λειτουργίας του RLC όπως το Unacknowledged Mode (UM) και Transparent Mode (TM). Το UM υποστηρίζει in-sequence delivery στα άνω στρώµατα χωρίς την δυνατότητα αναµεταδόσεων χαµένων πακέτων και υποστηρίζει κυρίως υπηρεσίες όπου ο σύντοµος χρόνος ανταπόκρισης είναι πιο κρίσιµος από την αλάνθαστη παράδοση (πχ. VoIP ). Ο τρόπος λειτουργίας ΤΜ υποστηρίζεται κυρίως για συγκεκριµένες εφαρµογές όπως οι αιτήσεις πρόσβασης τύπου random access. Η εφαρµογή του RLC επιτρέπει επίσης την διαχείριση των λανθασµένων µεταδόσεων λόγου θορύβου ιδίως στις περιπτώσεις των απρόβλεπτων παραλλαγών του καναλιού ασχέτως αν η πλειοψηφία των αναφερόµενων περιπτώσεων διαχειρίζονται µέσω του βασισµένου σε MAC υβριδικού ARQ. Οι αρµοδιότητες του RLC συµπεριλαµβάνουν επίσης το segmentation και concatenation των δεδοµένων µε βάση το χρονοπρογραµµατισµό των διαφόρων SDUs. Τα SDUs µέσω του σχετικού buffer και του scheduler τροποποιούνται (segmented/concatenated) δυναµικά διαµορφώνοντας τα RLC PDUs. Τα µεγάλα µεγέθη των PDUs σε µεγάλες ταχύτητες δεδοµένων οδηγούν σε µικρότερα σχετικά overheads ενώ οι χαµηλές ταχύτητες δεδοµένων (low data rates) απαιτούν µικρότερα µεγέθη PDU ώστε να αποφευχθούν τα ογκώδη payloads. Η τοποθέτηση των µηχανισµών RLC (scheduler και rate adaptation) στον κόµβο enodeb έχει ως αποτέλεσµα την δυνατότητα των δικτύων LTE να διαχειρίζονται ταχύτητες µερικών kbit/s έως και εκατοντάδων Mbit/s µέσω της δυναµικής διαστασιοποίησης των PDU. 58

59 MAC: medium access control Το MAC (Σχήµα Σ 3.8) συντονίσει την πολυπλεξία των λογικών καναλιών, τις αναµεταδόσεις hybrid-arq και το scheduling (χρονοπρογραµµατισµό) των ζεύξεων ανόδου και καθόδου. Τα δίκτυα LTE αποκλείουν τις περιπτώσεις macro diversity οδηγώντας στον προσδιορισµό µόνο της κυψέλης που χειρίζεται την παρούσα κλήση, δηλαδή serving cell, η οποία είναι υπεύθυνη για τον χρονοπρογραµµατισµό και την λειτουργία του hybrid-arq. Το MAC προσφέρει υπηρεσίες προς το RLC υπό την µορφή των λογικών καναλιών (logical channels ) οπού η δόµηση του λογικού καναλιού εξαρτάται από το είδος της πληροφορίας και ταξινοµείται είτε ως δίαυλος έλεγχου (control channels ) για την µετάδοση σηµάτων ελέγχου και διαµόρφωσης συστήµατος (configuration) traffic channels, για user data. Σ 3.8 : Συσχετισµοί του MAC 59

60 Τα διευρυνόµενα είδη λογικών καναλιών περιλαµβάνουν : Broadcast Control Channel (BCCH), για την µετάδοση πληροφοριών έλεγχου συστήµατος ( system control information ) από το δίκτυο προς όλα το τερµατικά στη συγκεκριµένη κυψέλη. Το τερµατικό, πριν κάθε απόπειρα πρόσβασης στο σύστηµα, θα ενηµερωθεί (µέσω του BCCH) για την παραµετροποίηση του συστήµατος πχ. το εύρος ζώνης κλπ. Paging Control Channel (PCCH), για paging (τηλεειδοποίηση ) των απροσδιόριστων σε επίπεδο κυψέλης τερµατικών η ειδοποίηση θα µεταδοθεί µε βάση την παραµετροποίηση του λογικού δικτύου σε πολλαπλές κυψέλες. Dedicated Control Channel (DCCH), για την µετάδοση σηµάτων έλεγχου από/προς το κινητό. Το κανάλι χρησιµοποιείται για µεµονωµένες περιπτώσεις συντονισµού όπως handover. Multicast Traffic Channel (MTCH), για την καθοδική µετάδοση υπηρεσιών MBMS Services Multicast Control Channel (MCCH), για την µετάδοση σηµάτων έλεγχου σχετικά µε το MTCH. Dedicated Traffic Channel (DTCH), για την µετάδοση των user data προς/από κινητό τερµατικό δηλαδή την µετάδοση του συνόλου των uplink data και του συνόλου των non-mbms downlink user data. Το MAC χρησιµοποιεί τις υπηρεσίες του φυσικού στρώµατος ( physical layer ) στην µορφή των Transport Channels (του οποίου τα χαρακτηριστικά εξαρτώνται από το είδος της πληροφορίας που περιέχει) τα οποία διαιρούνται σε transport blocks. Η απουσία πολυπλεξίας χώρου (spatial multiplexing) εντός της διάρκειας κάθε Transmission Time Interval (TTI) οδηγεί σε µόνο ένα µπλοκ µετάδοσης συγκεκριµένου µεγέθους µέσω το radio interface ενώ o συνυπολογισµός spatial multiplexing στις περιπτώσεις MIMO οδηγεί σε δύο transport blocks ανά TTI. Ο κάθε τρόπος µετάδοσης του µπλοκ µεταδόσεως (transport block) περιγράφεται στο Transport Format (TF), που συµπεριλαµβάνει πληροφορίες σχετικές µε το µέγεθος του µπλοκ µετάδοσης, τον τρόπο διαµόρφωσης (modulation scheme) και διευκρινήσεις για το είδος του antenna mapping (χαρτογράφηση κεραιών). Οι σχετικές πληροφορίες µαζί µε την ανάθεση των πόρων οδηγούν στο code rate και διαφορετικά code rates πραγµατοποιούνται µέσω δυναµικών αλλαγών της µορφής της µετάδοσης (transport format variations). To LTE υποστηρίζει τα ακόλουθα είδη καναλιών µετάδοσης (transport channel types): Broadcast Channel (BCH) για την µετάδοση πληροφοριών µέσω των λογικών καναλιών BCCH µε συγκεκριµένο προσδιορισµένο από τις προδιαγραφές format. 60

61 Paging Channel (PCH) για την µετάδοση πληροφοριών τηλεειδοποίησης µέσω του λογικού καναλιού PCCH µε την υποστήριξη DRX και µείωση κατανάλωση µπαταρίας από τα τερµατικά. Downlink Shared Channel (DL-SCH) για την µετάδοση των downlink data υποστηρίζοντας dynamic rate adaptation και channel-dependent scheduling στον χώρο συχνότητας και χρόνου, hybrid ARQ, και spatial multiplexing. Η υποστήριξη του DRX είναι δεδοµένη µε DL-SCH TTI ανά 1 ms. Multicast Channel (MCH) για την υποστήριξη MBMS µε semi-static transport format και semi-static scheduling. Στις περιπτώσεις µεταδόσεως MBSFN σε πολλαπλές καταστάσεις, ο συντονισµός του χρονοπρογραµµατισµού και η διαµόρφωση transport format αναλαµβάνεται από τις κυψέλες που περιπλέκονται στις µεταδόσεις των MBSFN. Uplink Shared Channel (UL-SCH) το αντίστοιχο του DL-SCH αλλά στην ζεύξη ανόδου. Ο σχεδιασµός των δικτύων πρόσβασης στα συστήµατα LTE, υιοθετεί ως βασική αρχή την κοινή χρήση των πόρων µετάδοσης µεταξύ DL-SCH και UL-SCH µέσω της δυναµικής κατανοµής των κοινών πόρων (χρόνου και συχνότητας) στο uplink και downlink. Ο χρονοπρογραµµατιστής (scheduler), ως κοµµάτι του MAC, ελέγχει την κατανοµή των σχετικών πόρων (downlink/uplink) µε τον ανεξάρτητο χρονοπρογραµµατισµό (και λήψη σχετικών αποφάσεων) των διαδικασιών των δύο ζεύξεων. Ο downlink scheduler καθορίζει δυναµικά, ανά 1 ms, το τερµατικό και τους πόρους που θα αναµειχθούν στις µεταδόσεις DL-SCH µε την δυνατότητα ταυτόχρονου προγραµµατισµού πολλαπλών τερµατικών µε ένα DL-SCH ανά scheduled κινητό τερµατικό. Η βασική µονάδα του χρονοπρογραµµατιστή στο χώρο του χρόνου και της συχνότητας (180 khz ανά 1 ms) αποκαλείται µπλοκ (resource block). Η κατανοµή των resource blocks στα τερµατικά για την λήψη των σηµάτων DL- SCH εκτελούνται από τον χρονοπρογραµµατιστή, όπως και η αποφάσεις για τα µεγέθη των µπλοκ µετάδοσης, τον τρόπο διαµόρφωσης (modulation), και antenna mapping σε περιπτώσεις spatial multiplexed µεταδόσεις µέσω πολλαπλών κεραιών. Ο συσχετισµός της ταχύτητας των δεδοµένων µε τον χρονοπρογραµµατισµό έχουν ως συνέπεια την εξάρτηση των RLC segmentation και MAC multiplexing µε τις διαδικασίες και αποφάσεις του χρονοπρογραµµατισµού. Σε αρκετές περιπτώσεις, οι αλγόριθµοι (η οποίοι δεν προσδιορίζονται από την 3GPP, δηλαδή είναι implementation specific) που χαρακτηρίζουν τον χρονοπρογραµµατισµό επωφελούνται από τις παραλλαγές των καναλιών και προγραµµατίζουν τις µεταδόσεις προς τα τερµατικά σε ευνοϊκές συνθήκες (κάτι αντίστοιχο συµβαίνει και µε την µετάδοση 3G/HSPA). Εντούτοις, η χρήση του OFDM στο downlink ευνοεί την µετάδοση µέσω παραλλαγών καναλιού, στον χώρο της συχνότητας και του χρόνου (frequency and time domains) ιδίως στις περιπτώσεις φαρδιού εύρους φάσµατος οπού υφίσταται αξιοπρόσεχτο frequency-selective fading και όπου η 61

62 ευέλικτή αξιοποίηση των παραλλαγών στον χώρο χρόνου-συχνότητας οδηγεί σε σηµαντική βελτίωση της µετάδοσης (ιδίως σε χαµηλούς ρυθµούς δεδοµένων). Το κινητό µεταδίδει πληροφορίες σχετικά µε την ποιότητα µετάδοσης της ζεύξης καθόδου στο enodeb µέσω του Channel- Quality Indicator (CQI) µέσω των σηµάτων αναφοράς της ζεύξης καθόδου-, το οποίο περιέχει την στιγµιαία ποιότητα καναλιού και άλλες σχετικές πληροφορίες χρήσιµες για spatial multiplexing. Η µετάδοση των σχετικών πληροφοριών περιέχουν επίσης την κατάσταση των buffers και προτεραιότητες προγραµµατισµού, διαφοροποιήσεις σε επίπεδο υπηρεσιών, πληροφορίες και προτεραιότητες σχετικά µε το τύπο της συνδροµής (πχ. expensive high cost vs cheap low cost), και τον συντονισµό των παρεµβολών οι οποίες εξαρτώνται από τον συγκεκριµένο προµηθευτή υλικού/δικτύου και κυµαίνεται από απλές επεκτάσεις επαναχρησιµοποίησης, έως και πιο προηγµένες λειτουργίες. Οι βασικές λειτουργίες των δύο scheduler, δηλαδή του uplink και του downlink, ταιριάζουν αρκετά µια και ο βασικός λόγος ύπαρξης είναι η ο δυναµικός προσδιορισµός, ανά 1 ms, των κινητών που θα µεταδώσουν δεδοµένα χρησιµοποιώντας το µεµονωµένο UL-SCH και τους συγκεκριµένους πόρους της ζεύξης ανόδου. Το uplink ως ορθογωνικό shared resource και ελεγχόµενο από τον κόµβο πρόσβασης enodeb, χρησιµοποιείται πλήρως από το κάθε τερµατικό ο ορισµένος πόρος που δεν χρησιµοποιείται πλήρως από ένα κινητό τερµατικό δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί µερικώς από ένα άλλο κινητό τερµατικό. Άρα, η φύση της ορθογωνικής ζεύξης ανόδου οδηγεί σε µη ευνοϊκές συνθήκες όσον αφορά την ανεξάρτητη επιλογή του transport format από το κινητό µεταφέροντας έτσι την απόφαση στο enodeb scheduler και εξαλείφοντας την ανάγκη µετάδοσης σηµάτων ελέγχου εκτός µπάντας από το τερµατικό προς το enodeb. Αυτό είναι ευνοϊκό από την προοπτική κάλυψης λαµβάνοντας υπόψη ότι το κόστος ανά bit µετάδοσης εκτός µπάντας µπορεί να φτάσει αρκετά υψηλότερο σε σύγκριση µε το κόστος µετάδοσης δεδοµένων µια και η µετάδοση σηµάτων ελέγχου απαιτεί υψηλότερη αξιοπιστία. Παρά το γεγονός ότι ο χρονοπρογραµµατιστής enodeb καθορίζει το σχήµα των µεταδόσεων του κινητού τερµατικού, οι αποφάσεις που αφορούν τον προγραµµατισµό των uplink µεταδόσεων εξαρτιούνται αποκλειστικά ανά κινητό τερµατικό και όχι ανά ασύρµατο φορέα. Αρά, ο χρονοπρογραµµατιστής (enodeb) ελέγχει το payload του προγραµµατισµένου κινητού, και το τερµατικό αποφασίζει τον ασύρµατο φορέα οπού θα απευθυνθεί για την λήψη δεδοµένων. Με άλλα λόγια το τερµατικό εφαρµόζει ένα τρόπο αυτόνοµης πολυπλεξίας λογικών καναλιών. Η παραµετροποίηση των ασύρµατων φορέων στο κινητό τερµατικό εκτελείται µέσω enodeb RRC signalling µε βάση κανόνων οπού ορίζεται στο κάθε ραδιοφορέα µε προτεραιότητα στο επίπεδο υπηρεσιών και στο επίπεδο ταχύτητας δεδοµένων (prioritized bit rate ). Το κινητό προχωρεί σε πολυπλεξία ασύρµατων φορέων µε την 62

63 προτεραιότητα να αποφασίζεται µε βάση το prioritized bit rate ενώ οι υπόλοιποι πόροι που πληρούν τις αποφασισµένες προτεραιότητες ταχυτήτων δεδοµένων αναθέτονται σε ραδιο φορείς µε σειρά προτεραιότητας. Τα τερµατικά συνηθίζουν να µεταβιβάζουν µηνύµατα MAC µε παραµέτρους χρονοπρογραµµατισµού στο enodeb διευκολύνοντας τις διαδικασίες του uplink scheduler, αρκεί το τερµατικό να κατέχει έγκυρο scheduling grant δηλαδή να µπορεί (ή να του έχει επιτραπεί από το δίκτυο) να συµµετέχει στην διαδικασία. Στις αντίστροφες περιπτώσεις, σηµειώνεται η ανάγκη uplink πόρων στις µεταδόσεις έλεγχου L1/L2. Οι ζεύξεις downlink-uplink συνήθως εφαρµόζουν channel-dependent scheduling µε την διαφορά του προσδιορισµού ποιότητας στο uplink µέσω προσδιορισµένου σήµατος αναφοράς ανά τερµατικό, µε το enodeb να αντικατατοπίζει το επίπεδο ποιότητας. Στις µετρήσεις ποιότητας του downlink συνεισφέρουν επίσης τα τερµατικά εντός της κυψέλης παρατηρώντας τα σήµατα αναφοράς και προσδιορίζοντας την ποιότητα καναλιού. Η χρήση hybrid ARQ µέρος του στρώµατος MAC - µε soft combining µέρος του φυσικού στρώµατος - υπηρετεί τον σκοπό της ευρωστίας ενάντια σε λάθη µετάδοσης µια και οι γρήγορες αναµεταδόσεις επιτρέπουν την εφαρµογή µηχανισµών ratecontrol κλειστού κύκλου. Φυσικά το hybrid ARQ το οποίο υποστηρίζει τις µεταδόσεις DL-SCH και UL-SCH - δεν εφαρµόζεται σε όλους τους τύπους µεταδόσεων πχ. εκποµπές πού η ίδια πληροφορία διανέµεται σε πολλαπλούς χρήστες. Με βάση των ίδιων διαδικασιών stop-and-wait των συστηµάτων HSPA, οι εφαρµογές LTE hybrid-arq αποκωδικοποιούν τα λαµβανόµενα transport blocks και ενηµερώνουν την πηγή (ACK/NAK bit για µείωση επιβάρυνσης - overhead) µε το αποτέλεσµα της αποκωδικοποίησης δηλαδή αν η λήψη εξετελέσθη ή την ανάγκη αναµετάδοσης των δεδοµένων. Η γνωστοποίηση στη µεριά του λήπτη της συγκεκριµένης εφαρµογής ACK/NAK/ hybrid-arq ολοκληρώνεται µέσω συσχετισµού χρονοµέτρησης της διαδικασίας ACK/NAK και της συγκεκριµένης hybrid-arq process 25 Η λειτουργία του hybrid ARQ βασίζεται (της κατερχόµενης ζεύξης) σε asynchronous protocol αρά οι αναµεταδώσεις πραγµατοποιούνται σε οποιαδήποτε χρονική στιγµή µετά την αρχική µετάδοση µε ρητή αρίθµηση των διαδικασιών. Η µεταδόσεις της ανερχόµενης ζεύξης βασίζονται σε synchronous protocol και η αναµεταδόσεις πραγµατοποιούνται συντονισµένα σε προκαθορισµένη χρονική στιγµή ακολουθώντας την αρχική µετάδοση και τον αριθµό διαδικασίας. Η επίκληση πολλαπλών διαδικασιών hybrid-arq ανά χρήστη οδηγεί συχνά στην λήψη δεδοµένων εκτός συνόδου υπονοώντας κάποιες διαδικασίες αναρίθµησης των δεδοµένων µετά από την επιτυχηµένη αποκωδικοποίηση. Ο µηχανισµός του υβριδικού ARQ έχει σχεδιαστεί µε βάση την αυτόµατη διόρθωση λαθών θορύβου, ή απρόβλεπτες παραλλαγές καναλιών. 25 Στην περίπτωση TDD, ο συσχετισµός χρόνου και λήψη δεδοµένων επηρεάζεται επίσης από τις διαδικασίας προσδιορισµού uplink/downlink (uplink/downlink allocation). 63

64 Το σύστηµα ελέγχου ασύρµατης σύνδεσης ή RLC παρέχει επίσης τις υπηρεσίες αναµετάδοσης δεδοµένων, αναγκαίες σε περιπτώσεις αποτυχίας της µεταφοράς δεδοµένων του µηχανισµού MAC hybrid ARQ στις περιπτώσεις πχ σηµατοδότησης λανθασµένης αναδρασης οπού το υβριδικό ARQ αποτυχαίνει περιστασιακά να παραδώσει error free δεδοµένα στο RLC προκαλώντας χάσµα στην σειρά των µπλοκ δεδοµένων. Η πιθανότητες τέτοιων συµβάντων πλησιάζουν το 1%, αρκετά διακινδυνευµένο για υπηρεσίες TCP οι οποίες ουσιαστικά απαιτούν error free παραδόσεις πακέτων. Πιο συγκεκριµένα, τα βιώσιµα ποσοστά στοιχείων που υπερβαίνουν 100 Mbps απαιτούν packet loss πιθανότητες κάτω των 10**5. Σε γενικές γραµµές, το πρωτόκολλο TCP αντιµετωπίζει τα λανθασµένα πακέτα ως αποτέλεσµα συµφόρεσης δικτύου ενεργοποιώντας τον µηχανισµό διαχείρισης συµφόρεσης δικτύου (congestion avoidance mechanism). Η διατήρηση εύπιστης ανταπόκρισης σε υψηλές ταχύτητες δεδοµένων µέσω του RLC-AM εξασφαλίζει error free παράδοση δεδοµένων στις υπηρεσίες TCP. Ως αποτέλεσµα, οι δύο ανεξάρτητοι µηχανισµοί αναµετάδοσης δηλαδή hybrid- ARQ και RLC εξασφαλίζουν καλό συνδυασµό µε µειωµένο «µετ'επιστροφής» χρόνο µε µέτριο feedback overhead όπου οι δύο µηχανισµοί αλληλοσυµπληρώνονται. Οι µηχανισµοί RLC και hybrid ARQ τοποθετούνται εντός του enodeb εξασφαλίζοντας ταχύτατη αλληλεπίδραση όπως στις περιπτώσεις ανίχνευσης αδιόρθωτου λάθους, µε την άµεση παρέµβαση του RLC (RLC status report) και την αναµετάδοση των σχετικών PDUs. Από την άλλη οπτική γωνία, ο συνδυασµός hybrid ARQ and RLC µπορεί να αντιµετωπισθεί ως ενιαίος µηχανισµός αναµετάδοσης µε διπλό µηχανισµό ανάδρασης καταστάσεων. Σε γενικές γραµµές, η ίδια επιχειρηµατολογία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την αντίστοιχη περίπτωση του HSPA. Εντούτοις, η τοπολογία των RLC και υβριδικό ARQ στο 3G (βρίσκονται σε διαφορετικούς κόµβους) καθιστούν αδύνατη την αποδοτική αλληλεπίδραση. 64

65 PHY: physical layer To φυσικό στρώµα κωδικοποιεί, επεξεργάζεται τα υβριδικά ARQ, διαµορφώνει, επεξεργάζεται περιπτώσεις πολλαπλών κεραιών και κατανέµει τα σήµατα στους κατάλληλους πόρους χρόνου-συχνότητας. Ο προγραµµατισµός του τερµατικού εντός στα πλαίσια του TTI στο DL-SCH ενεργοποιεί µηχανισµούς οπού το φυσικό στρώµα λαµβάνει ένα µπλοκ µετάδοσης, ή δύο στην περίπτωση της πολυπλεξίας χώρου, δεδοµένων για µετάδοση. Στο κάθε µπλοκ προσθέτεται CRC µε διαφορετική κωδικοποίηση ανά µπλοκ µετάδοσης. Η κωδικοποίηση του καναλιού και το αντίστοιχο rate matching προσδιορίζονται µέσω του downlink scheduler, από το µέγεθος του transport block, τον τρόπο διαµόρφωσης και το ποσό των διαθέσιµων πόρων. Το πρωτόκολλο hybrid-arq ελέγχει την έκδοση redundancy και ασκεί επιρροή στην επεξεργασία του rate matching αλγόριθµου και στην παραγωγή της σωστής οµάδας κωδικοποιηµένων bits. Η περίπτωση του antenna mapping (δηλαδή spatial multiplexing) ελέγχεται από τον downlink scheduler. Το scheduled τερµατικό λαµβάνει το σήµα και εκτελεί αντίστροφη επεξεργασία φυσικού στρώµατος. Το φυσικό στρώµα στη µεριά του τερµατικού ενηµερώνει το hybrid-arq protocol για την επιτυχία της αποκωδικοποίησης και το στρώµα MAC αποφασίζει το αν είναι αναγκαία η αναµετάδοση των δεδοµένων. Η επεξεργασία του UL-SCH από το φυσικό στρώµα αντιστοιχεί µε την επεξεργασία του DL-SCH. Εντούτοις, το MAC scheduler του enodeb έχει την αποκλειστική ευθύνη επιλογής της µορφής ή του σχεδίου µετάδοσης του κινητού και των πόρων της ζεύξης ανόδου. Τα υπόλοιπα downlink κανάλια βασίζονται στις γενικές γραµµές επεξεργασίας φυσικού στρώµατος όπως και το DL-SCH µε µερικούς περιορισµούς στα χαρακτηριστικά των προσφερόµενων υπηρεσιών. Η εκποµπή πληροφοριών µέσω του BCH υπονοεί την ικανότητα (του κινητού) λήψης του συγκεκριµένου καναλιού. Κατά συνέπεια, το transmission format γνωστοποιείται εκ των προτέρων στο τερµατικό χωρίς δυναµικό έλεγχο των παραµέτρων µετάδοσης του στρώµατος MAC. Η αντίστοιχη µετάδοση των µηνυµάτων τηλεειδοποίησης στο PCH υλοποιείται µέσω δυναµικής προσαρµογής των παραµέτρων µετάδοσης όπως στις περιπτώσεις DL- SCH οπού το στρώµα MAC ελέγχει την διαµόρφωση, τους πόρους και την χαρτογράφηση κεραιών (antenna mapping). Εντούτοις, η χρήση του hybrid ARQ αποκλείεται µια και το τερµατικό αδυνατεί στην µετάδοση ACK/NAK και το uplink δεν έχει προλάβει να καθιερώσει την στιγµή της τηλεειδοποίησης του τερµατικού. Ο προγραµατισµός των MCH transmissions (στις περιπτώσεις µεταδόσεων MBMS ) συντονίζεται µεταξύ των ενδιαφερόµενων κυψέλων ο σχεδιασµός του MAC 65

66 καθιστά αδύνατη τη δυναµική επιλογή παραµέτρων- τυπικά σε δίκτυο µοναχικών συχνοτήτων από ταυτόχρονες µεταδόσεις πολλαπλών κυψελών µε κοινούς πόρους και κοινό format, 66

67 LTE states Όταν ενεργοποιείται το κινητό (Σχήµα Σ 3.9), ξεκινάει στην LTE_DETACHED state. Σε αυτή τη κατάσταση το κινητό δεν κατέχει καµία πληροφορία για την κατάσταση του δικτύου, και το δίκτυο για την ύπαρξη του κινητού. Το κινητό θα προχωρήσει µε την εγγραφή του στο δίκτυο µέσω διαδικασίες αιτήσεων πρόσβασης (random access procedures) και θα προχωρήσει στην κατάσταση LTE_ACTIVE or LTE_IDLE. Η κατάσταση LTE_ACTIVE αντικατοπτρίζει την ικανότητα µετάδοσης ή λήψης δεδοµένων και σύνδεσης µε συγκεκριµένη κυψέλη. Στην περίπτωση LTE_ACTIVE το δίκτυο εκχωρεί στο κινητό διεύθυνση IP και ταυτότητα Cell Radio-Network Temporary Identifier (C-RNTI), η οποία χρησιµοποιείται στην επικοινωνία δικτύουτερµατικού. Οι υποκαταστάσεις IN_SYNC and OUT_OF_SYNC (LTE_ACTIVE) σχετίζονται µε την κατάσταση συγχρονισµού του uplink µε το δίκτυο. Η χρήση του orthogonal FDMA απαιτεί τον συγχρονισµό των uplink transmissions των διαφόρων τερµατικών ώστε οι διάφορές µεταδόσεις να φθάνουν περίπου ταυτόχρονα στο enodeb. To enodeb χρονοµετρεί τις µεταδόσεις του κάθε τερµατικού στέλνοντας διορθωτικά σήµατα στη ζεύξη καθόδου. Όσο το uplink βρίσκεται σε IN_SYNC, οι µεταδόσεις των user data και L1/L2 control signalling είναι εφικτές. Στις περιπτώσεις που σε βάθος χρόνου δεν έχει µεταδοθεί ανοδικό σήµα, η ευθυγράµµιση συγχρονισµού δεν είναι προφανώς δυνατή, και η κατάσταση του uplink αναπροσδιορίζεται σε OUT_OF_SYNC. Σε αυτή τη περίπτωση το τερµατικό αναγκάζεται να επαναενεργοποήσει την διαδικασία random πρόσβασης για να επανατοποθετηθεί στο δίκτυο. LTE_IDLE είναι κατάσταση χαµήλης δραστηριότητας το οποίο κινητό κοιµάται στο µεγαλύτερο µέρος του χρονικού πλαισίου, προκειµένου να µειωθεί η κατανάλωση µπαταριών. εν διατηρείται κανένας συντονισµός καναλιού εκτός από πιθανή απόπειρα δικτυακής πρόσβασης και αλλαγή καταστάσεως σε LTE_ACTIVE. Το τερµατικό «ξυπνάει» σε ορισµένα διαστήµατα εξετάζοντας την ζεύξη καθόδου για πιθανές τηλεειδοποιήσεις, και το τερµατικό συντηρεί τις διευθύνσεις IP όπως και άλλες σχετικές εσωτερικές πληροφορίες για πιθανότητα γρήγορης µετάβασης στην κατάσταση LTE_ACTIVE. Η θέση του κινητού τερµατικού είναι µερικώς γνωστή στο δίκτυο δηλαδή γνωρίζει την περιοχή υπηρεσίας (service area) και την οµάδα των κυψελών οπού θα διαβιβαστεί η τηλεειδοποίηση. 67

68 Σ 3.9 : UE States 68

69 LTE: Το Φυσικό Στρώµα Η κάθε µετάδοση, προς την ζεύξη ανόδου ή ζεύξη καθόδου, πραγµατοποιείται από διαφορετικά υποπλαίσια εντός της φέρουσας. Σε περίπτωση FDD (paired spectrum), τα υποπλαίσια µεταδίδουν σε οποιαδήποτε κατεύθυνση (downlink/uplink) ενώ σε unpaired TDD, το πρώτο και έκτο υποπλαίσιο µεταδίδει προς το τερµατικό (downlink), και τα υπόλοιπα διατίθενται µε ευελιξία, δηλαδή προς downlink ή uplink. Η προκαθορισµένη ανάθεση, στην περίπτωση του FDD, του πρώτου και έκτου υποπλαισίου στην ζεύξη καθόδου επιτρέπει πολλαπλές υπηρεσίες µια και τα συγκεκριµένα υποπλαίσια περιλαµβάνουν τα σήµατα συντονισµού,αναγκαία στην εύρεση κυρίων και γειτονικών κυψελών. Η περίπτωση του TDD µε την ευέλικτη ανάθεση υποπλαισίων διευκολύνει διάφορες ασυµµετρίες στην ποσότητα των πόρων που διατίθενται να υποστηρίξουν τις ζεύξεις ανόδου/καθόδου µια και η επιτακτική µείωση των παρεµβολών στα uplink/downlink κανάλια των κυψελών επιβάλει την χρήση των ίδιων υποπλαισίων αποκλείοντας την δυναµική διαφοροποίηση της συµµετρίας σε επίπεδο πλαισίων. Η συγκεκριµένη δόµηση αποκαλείται Type 1 ενώ ή αντίστοιχη δόµηση του 3GPP TD-SCDMA αποκαλείται Type2. Η επακόλουθες συζητήσεις αναφέρονται στο τύπο δόµησης Type 1. Στο φυσικό στρώµα (Σχήµα Σ 3.13), κάθε στοιχείο πόρων (resource element) αντιστοιχεί σε µία υποφέρουσα ορθογωνικής πολυπλεξίας στη συχνότητα (OFDM) κατά την διάρκεια ενός συµβόλου. Με βάση ότι οι υποφέρουσες απέχουν µεταξύ τους 15 khz και µε την προϋπόθεση εφαρµογής µετάδοσης/λήψης FFT, 10 ms περιθώριο ανά πλαίσιο Tframe =10 ms (1ms ανά υποπλαίσιο οπού το κάθε πλαίσιο αποτελείται από 10 υποπλαίσια) και για λόγους συνέπειας αν θεωρήσουµε ότι Ts =1/ , που οδηγεί στο Tframe = Ts και στο Tsubframe =30720 Ts, τότε µε συχνότητα δειγµατοληψίας fs =15000 NFFT (NFFT = FFT size) ακολουθεί ότι το NFFT=2048. Ο χρόνος αναφοράς Ts δεν επιβάλει κανένα περιορισµό στην εφαρµογή των συστηµάτων µετάδοσης ή λήψης, και στην πράξη, η εφαρµογή βασισµένη σε NFFT = 2048 (fs =30.72MHz) αρκεί για µεταδόσεις σε εύροι ζώνης πχ. άνω των 15 MHz. Εντούτοις, µείωση του εύρου ζώνης οδηγεί σε µείωση του περιθωρίου του FFT και αντίστοιχη µείωση της δειγµατοληπτικής συχνότητας όπως πχ. για εύροι ζώνης κάτω του 5 MHz που οδηγούν σε FFT «παράθυρο» (NFFT)=512 και συχνότητα δειγµατοληψίας fs =7.68MHz. Η επιλογή των 15 khz ως εύρος ζώνης µεταξύ των υποφερουσών απλοποιεί την εφαρµογή των τερµατικών πολλαπλής πρόσβασης (WCDMA/HSPA/LTE) µια και το sampling rate fs =_f NFFT αποτελεί πολλαπλάσιο 69

70 ή υποπολλαπλάσιο του WCDMA/HSPA chip rate fcr =3.84 MHz οδηγώντας στην εφαρµογή των τερµατικών Multi-mode WCDMA/HSPA/LTE µε ενιαίο στοιχείο κυκλώµατος συγχρονισµού (ρολογιού). Οι υποφέρουσες ( subcarriers) της ζεύξης καθόδου (downlink) οµαδοποιούνται, στο χώρο των συχνοτήτων, σε resource blocks όπου το κάθε resource block αποτελείται από 12 διαδοχικές υποφέρουσες αντιστοιχώντας σε συνολικό εύρους ζώνης των 180 khz. Η ζεύξη καθόδου περιέχει Nsc =12 NRB +1 υποφέρουσες όπου NRB=ο αριθµός των resource blocks συν 1 DC subcarrier στο κέντρο της ζώνης η οποία παραµένει αχρησιµοποίητη για να αποφευχθούν πιθανές παρεµβολές µε τους τοπικούς ταλαντωτές (oscillators) του σταθµού βάσεως και/ή του τερµατικού. Η ζεύξη καθόδου, όπως επισηµάνουν η προδιαγραφές του φυσικού στρώµατος, µπορεί να αποτελεστεί από 6 έως και 100+ resource blocks υπονοώντας εύροι ζώνης από 1 έως και 20 MHz µε αρκετά ικανοποιητική granularity και ευελιξία στην διαχείριση του ευρυζωνικού φάσµατος. Το κάθε υποπλαίσιο του 1 ms, αποτελείται από δύο χρονοθυρίδες Tslot =0.5 ms (15360 Ts) οπού η κάθε χρονοθυρίδα περιέχει OFDM σύµβολα τα οποία συµπεριλαµβάνουνε και το κυκλικό πρόθεµα. Το περιθώριο των υποφερόντων, f =15 khz, αντιστοιχεί σε σύµβολο διαρκείας Tu =1/_f 66.7µs (2048 Ts) µε συνολική διάρκεια το άθροισµα της διαρκείας του συµβόλου δια του µήκους του κυκλικού προθέµατος TCP. Με βάση της προδιαγραφές, το κανονικό κυκλικό πρόθεµα µαζί µε το επεκταµένο κυκλικό πρόθεµα -µε τα αντίστοιχα µήκη Ts - αντιστοιχούν σε επτά και έξι σύµβολα OFDM ανά χρονοθυρίκδα και οπού το µήκος του κανονικού κυκλικού προθέµατος του OFDM συµβόλου ξεπερνά το µήκος των υπόλοιπων ώστε να συµπληρωθεί ικανοποιητικά η 0.5 ms χρονοθυρίδα µια και το σύνολο των Ts ανά χρονοθυρίδα (15360) δεν είναι διαιρέσιµο του εφτά. Οι προδιαγραφές επισηµάνουν δύο µήκη κυκλικού-προθέµατος για τους ακόλουθους λόγους : 1. Το «µακρύτερο» κυκλικό πρόθεµα, αν και οδηγεί σε µειωµένη αποδοτικότητα λόγω φορτίου (overhead), ευεργετεί εφαρµογές σε περιβάλλοντες χώρους µε επεκταµένες καθυστερήσεις διασποράς (delay spreads) πχ. κυψέλες µεγάλης ακτίνας. Οι περιπτώσεις των µεγάλων κυψελών όπου η απόδοση της σύνδεσης περιορίζεται από θορύβους (residual time dispersion) ή πρόσθετη ευρωστία του διαύλου λόγω χρήσης µακρύτερου κυκλικού προθέµατος- και πτώση λαµβανόµενης ενέργειας σηµάτων, δεν δικαιολογούν την χρήση µακρύτερου κυκλικού προθέµατος. 2. Στις περιπτώσεις εκποµπής MBSFN (multicast/broadcast) το κυκλικό πρόθεµα το οποίο είναι αναγκαίο σε αυτές τις περιπτώσεις - θα καλύπτει τα κύρια σηµεία της χρονικής διασποράς καναλιών όπως και τη διαφορά συντονισµού µεταξύ των κυψελών που συµµετέχουν στην µετάδοση των σηµάτων MBSFN. Το κάθε υποπλαίσιο δύναται την χρήση κυκλικών προθεµάτων διαφορετικών µήκων, οπού τα υποπλαίσια που υιοθετούν επεκταµένα κυκλικά προθέµατα µε το πρόσθετο φορτίο ή overhead- περιορίζονται ως φορείς αποκλειστικής µετάδοσης MBSFN multicast/broadcast. Αρά µε 12 υποφέρουσες σε περιθώριο 0.5 ms, κάθε resource 70

71 block αποτελείται από 84 στοιχεία στην περίπτωση κανονικού µήκους (κυκλικού προθέµατος) και 12 6=72 στην περίπτωση επεκταµένου µήκους. Το τερµατικό πρέπει πάντα να προσδιορίζει (Σχήµα Σ 3.10) στη περίπτωση του OFDM µέσω συµβόλων αναφοράς ή LTE downlink reference symbols-το κανάλι καθόδου ώστε να πετυχαίνει την συνεπή αποδιαφόρφωση. Τα downlink reference signals τα οποία τοποθετούνται µεταξύ των πρώτων και τρίτων προτελευταίων συµβόλων κάθε χρονοθυρίδας µε διάστηµα έξι υποφερόντων στο χώρο συχνότητας. Αρά ή 12 υποφέρουσες δηλαδή το resource block- στα περιθώρια της χρονοθυρίδας περιέχουν τέσσερα σύµβολα αναφοράς (reference symbols) που ισχύουν για το σύνολο των υποπλαισίων µε εξαίρεση MBSFN-based transmission. Σ 3.10 : Reference Symbols Για τον προσδιορισµό του καναλιού εντός κάποιου resource block, το τερµατικό ακολουθεί διαδικασία interpolation/averaging η βαθµίδα επιτυχίας του οποίου πάντα σχετίζεται µε τα χαρακτηριστικά του καναλιού- πολλαπλών συµβόλων αναφοράς (reference signals) στο συγκεκριµένο και σε γειτονικά resource blocksώστε να επετεύχθη ο προσδιορισµός του καναλιού στο πλέγµα χρόνου-συχνότητας. Στην περίπτωση επιλεκτικότητας καναλιών υψηλής συχνότητας, η πιθανότητες averaging στο time domain µέσω συµβόλων αναφοράς από ληφθέντες χρονοθυρίδες/υποπλαίσια, περιορίζονται λόγω παραλλαγών των καναλιών σε περιπτώσεις επιτάχυνσης του τερµατικού κλπ. Η πιθανότητες time averaging στην περίπτωση του TDD µειώνονται επίσης λόγω το µη ορισµό υποπλαισίων καθοδικών µεταδόσεων. 71

72 Οι µιγαδικές τιµές των συµβόλων αναφοράς σε γενικές γραµµές εξαρτώνται από τα σύµβολα αναφοράς και τις τοποθεσίες των στις κυψέλες. Το σήµα αναφοράς κάθε κυψέλης (cell reference signals) χαρακτηρίζεται από δισδιάστατη ακολουθία ( twodimensional reference-signal sequence) η οποία επιδεικνύει την φυσικού στρώµατος ταυτότητα κυψέλης ( physical-layer cell identity). Οι προδιαγραφές LTE προσδιορίζουν 510 σήµατα αναφοράς τα οποία αντιστοιχούν µε 510 διαφορετικές ταυτότητες κυψελών. Το κάθε σήµα αναφοράς, προϊόν δισδιάστατης pseudo-random και ορθογωνικής ακολουθίας οπού οι 170 ακολουθίες των προδιαγραφών LTE αντιστοιχούν σε 170 οµαδικές ταυτότητες κυψελών, µε τρείς ορθογωνικές ακολουθίες ανά κυψέλη ανά οµάδα οι ακολουθίες σηµάτων αναφοράς και σχετική δοµή το προϊόν της pseudorandom και orthogonal sequence που υποστηρίζει την εύρεση κυψέλης στην διαδικασία πρόσβασης δικτύου LTE. Οι σχετικές ακολουθίες σηµάτων αναφοράς τοποθετούνται στις κυψέλες µε τέτοιο τρόπο ώστε η κυψέλες συγκεκριµένου enodeb ορίζονται ως ταυτότητες φυσικού στρώµατος που ανήκουν στην ίδια οµάδα δηλαδή βασισµένες στις ίδιες pseudorandom ακολουθίες αλλά διαφορετικές ορθογωνικές ακολουθίες µε αποτέλεσµα την µείωση ενδεχοµένων παρεµβολών µεταξύ σήµατα αναφοράς διαφορετικών κυψελών εντός του ίδιου enodeb. Οι θέσεις των συµβόλων αναφοράς στον χώρο των συχνοτήτων- συµπίπτουν µε τις θέσεις των διαδοχικών υποπλαισίων όσον αφορά την δοµή των σηµάτων αναφοράς. Εντούτοις, η περίπτωση των αλµάτων συχνοτήτων των συµβόλων αναφοράς reference symbol frequency hopping -προκύπτει όταν οι θέσεις των συµβόλων αναφοράς µετατάσσονται δυναµικά µεταξύ των διαδοχικών υποπλαισίων. Με άλλα λόγια προσθέτουµε στο βασικό σχέδιο των συχνοτήτων αναφοράς σειρά offsets ιδίου µήκους ανά συµβόλου αναφοράς, και διαφορετικού µήκους εντός διαδοχικών υποπλαισίων. Άρα οι θέσεις p εντός υποπλαισίου k των συµβόλων αναφοράς p(k) = (p0 + 6 i + offset(k)) mod 6 οπού το ι αντιπροσωπεύει ακέραιο αριθµό η ακολουθία του συγκεκριµένου σχεδίου αλµάτων συχνότητας µε περίοδο µήκους 10 και 170 διαφορετικά σχέδια άλµατος (frequency hopping) όπου το κάθε σχέδιο αντιστοιχεί σε µοναδική οµάδα κυψελών. H διαδοχική εφαρµογή διαφόρων σχεδίων αλµάτων συχνότητας σε γειτονικές κυψέλες µειώνει δραµατικά την πιθανότητα συγκρούσεων των ακολουθιών αναφοράς των γειτονικών κυψελών ιδίως στις περιπτώσεις των µεταδόσεων υψηλής ισχύς όπου η ισχύς των συµβόλων είναι συγκριτικά υψηλότερη µε αυτή των υπόλοιπων πόρων (reference signal energy boosting). 72

73 Στις περιπτώσεις του downlink multi-antenna transmission το τερµατικό θα προσδιορίσει τη ζεύξη καθόδου της αντίστοιχης κεραίας (LTE specifications : antenna port ή λογική κεραία ή οποία µπορεί να µην αντιστοιχεί σε «φυσική» κεραία) µέσω του καθοδικού σήµατος αναφοράς- όπου τα σύµβολα αναφοράς πολλαπλών κεραιών τοποθετούνται µε πολυπλεξία στον χώρο των συχνοτήτων. Η ταυτοποίηση της κάθε λογικής κεραίας αντιστοιχεί µε συγκεκριµένο σήµα αναφοράς (reference signal) και πανόµοια σήµατα πολλαπλών φυσικών κεραιών τα οποία αδυνατεί να αποκωδικοποιήσει το τερµατικό αντιστοιχούν στην ίδια λογική κεραία (ή antenna port). Στην περίπτωση µετάδοσης από δύο φυσικών κεραιών ενεργοποιείται πολυπλεξία -στον χώρο των συχνοτήτων- των σηµάτων αναφοράς της δεύτερης κεραίας µε τα σήµατα αναφοράς της πρώτης κεραίας µε offset τριών υποφερόντων ενώ στην περίπτωση των τεσσάρων κεραιών τα σύµβολα αναφοράς της τρίτης και τέταρτης κεραίας εντός του δεύτερου συµβόλου OFDM της κάθε χρονοθυρίδας. Ο αναγνώστης θα σηµειώσει την µείωση της πυκνότητας συµβόλων αναφοράς στον χώρο του χρόνου (time domain), της τρίτης και τέταρτης κεραίας συγκριτικά µε τις πρώτες δύο κεραίες µε κύριο λόγω τον περιορισµό του φορτίου του σήµατος αναφοράς (reference signal overhead). Η επιπτώσεις του σχεδιασµού συµπεριλαµβάνουν και τις αρνητικές επιδράσεις στις δυνατότητες ανταπόκρισης σε επιταχυµένες παραλλαγές καναλιών αν και στη πλειοψηφία των καταστάσεων, η χρήση τετραπλών κεραιών εφαρµόζεται σε σενάρια χαµηλής ταχύτητας. Ο λόγος επιµονής στην διατήρηση της υψηλής πυκνότητας συµβόλων των πρώτων δύο κεραιών σχετίζεται µε την χρήση των συµβόλων αναφοράς στην διαδικασία αρχικής πρόσβασης «initial cell search» οπού το τερµατικό δεν κατέχει πλήρη πληροφορία ως προς την διαστασιοποίηση των κεραιών της κυψέλης υπονοώντας παρόµοιες διαµορφώσεις των σηµάτων αναφοράς των πρώτων δύο κεραιών, ανεξαρτήτως του συνόλου των κεραιών. Το φυσικό στρώµα διασυνδέεται µε τα ανώτερα στρώµατα, σαν το MAC, µέσω των Transport Channels οπού τα δεδοµένα διανέµονται στο φυσικό στρώµα στην µορφή των Transport Blocks (Σχήµα Σ3.11) συγκεκριµένου µεγέθους. Η µετάδοση από µία κεραία οδηγεί σε ενιαίο Transport Block δυναµικού µεγέθους για κάθε TTI ενώ η µετάδοση πολλαπλών κεραιών οδηγεί σε δύο transport blocks δυναµικού µεγέθους ανά TTI, οπού το κάθε transport block αντιστοιχεί σε µία codeword στην περίπτωση downlink spatial multiplexing. ηλαδή ασχέτως των αριθµό των στοιχείων (antenna cardinality > 1) ο αριθµός των codewords περιορίζεται στο 2. 73

74 Σ 3.11 : Transmission Blocks Η συγκεκριµένη δοµή των transport blocks οδηγεί σε δύο διαφορετικές αλυσίδες επεξεργασίας (DL-SCH) από τις οποίες η κάθε µία αντιστοιχεί σε µοναδικό transport block. Η δεύτερη αλυσίδα, η οποία αντιστοιχεί στο δεύτερο transport block εµφανίζεται στην περίπτωση του downlink spatial multiplexing οπού δύο transport blocks διαφορετικών µεγεθών συνδυάζονται εφαρµόζοντας Antenna Mapping. Στην πρώτη φάση κωδικοποίησης του καναλιού µετάδοσης περιλαµβάνεται ο κυκλικός έλεγχος πλεονασµού που υπολογίζεται και επισυνάπτεται σε κάθε transport block ώστε να διευκολύνεται η ανίχνευση λαθών στο αποκωδικοποιηµένο transport block του λήπτη ανίχνευση λαθών στην καθοδική υβριδική ARQ. Η µετάδοση DL-SCH κωδικοποιείται όπως και στα προκάτοχα δίκτυα WCDMA/HSPA- µέσω turbo code rate µε QPP βασισµένη εσωτερική διαστρωµάτωση 26 - = ½ (eight state constituent encoding) εφαρµόζοντας συνολικούς ρυθµούς κωδικοποίησης R=1/3 και διευκολύνοντας παράλληλη αποκωδικοποίηση χωρίς τον κίνδυνο συγκρούσεων στη χώρο αποθήκευσης δεδοµένων του διαστρωµατιστή (interleaver). Η διαστρωµάτωση βασισµένη σε QPP µειώνει σηµαντικά την πολυπλοκότητα των κωδικοποιητών/αποκωδικοποιητών Turbo ιδίως για τις αυξηµένες ταχύτητες δεδοµένων που καλούνται τα δίκτυα LTE να υποστηρίξουν. Η εφαρµογή του υβριδικού ARQ στο καθοδικό φυσικό στρώµα εξάγει από το σειριακό στρώµα των bits του κωδικοποιητή, το ακριβές σύνολο των bits που θα µεταδοθούν εντός υπάρχουσας TTI η οποία προσδιορίζεται από το σύνολο των 26 Για µέγιστη αποφυγή συγκρούσεων (contention free) 74

75 resource blocks, το προτεινόµενο τρόπο µορφοποίησης κλπ. Επίσης, η δοµή των resource blocks, ή οι προσφερόµενοι πόροι θα είναι καταλυµένοι από σύµβολα αναφοράς (reference symbols) και σήµατα ελέγχου τύπου L1/L2. Το υβριδικό ARQ θα προχωρήσει στην εξαγωγή υποσυνόλου των code bits, οδηγώντας σε ρυθµούς κωδικού Reff >1/3 και στη περίπτωση που το σύνολο των code bits < το σύνολο των bits µετάδοσης, τότε η εφαρµογή hybrid ARQ functionality θα επαναλάβει όλα ή ένα υποσύνολο των code bits, οδηγώντας σε effective code ρυθµούς Reff <1/3. Σε περίπτωση αναµετάδοσης, η εφαρµογή υβριδικού ARQ θα επιλέξει διαφορετική οµάδα code bits για µετάδοση, ή την εφαρµογή του Incremental Redundancy. LTE downlink scrambling (scrambling ευνοεί στην αποκατάσταση του downlink µειώνοντας τις πιθανότητες παρεµβολών στον λήπτη) υπονοεί ότι το σύνολο των παραδοθέντων από την διαδικασία hybrid ARQ- bits πολλαπλασιάζεται (bit level exclusive or) από επιλεγµένη scrambling sequence. Η εφαρµογή των διαφορετικών scrambling sequences στις γειτονικές κυψέλες διασφαλίζει τη µέγιστη εκµετάλλευση του processing gain το οποίο παρέχεται από το κώδικα καναλιών. Τα δίκτυα LTE εφαρµόζουν downlink scrambling στα code bits του κάθε καναλιού µετάδοσης (transport channel) όπως και στα κανάλια ελέγχου L1/L2. Στις περιπτώσεις των downlink transport channels µε την εξαίρεση του MCH διαφορετικά scrambling sequences ανά γειτονική κυψέλη ή cell specific scrambling διαβεβαιώνουν randomization παρεµβολών. Η µετάδοση MBSFN µέσω MCH επιδιώκει την ίδια διαδικασία scrambling ανά κυψέλη για το σύνολο των κυψελών που συµµετέχουν στην συγκεκριµένη µετάδοση MBSFN (cell common scrambling). Η διαδικασία διαµόρφωσης τµήµατος scrambled bits στον δίαυλο καθόδου µεταφέρει/µεταµορφώνει το τµήµα των scrambled bits σε αντίστοιχο σύνολο µιγαδικών συµβόλων διαµόρφωσης (complex modulation symbols). Οι προδιαγραφές LTE υποστηρίζουν τους τρόπους διαµορφώσεων QPSK, 16QAM, και 64QAM, αντιστοιχώντας σε δυο, τέσσαρα, και έξι bits ανά σύµβολο διαµόρφωσης όλα στις περιπτώσεις µεταδόσεων της ζεύξης καθόδου. Στις περιπτώσεις των άλλων καναλιών ισχύουν διάφοροι περιορισµοί όπως πχ. η διαµόρφωση QPSK ανά κανάλι BCH κλπ. Η διαδικασία Antenna Mapping (Σχήµα Σ 3.12) επεξεργάζεται από κοινού την αντιστοιχία συµβόλων διαµόρφωσης των µπλοκ µετάδοσης, και χαρτογραφεί το αποτέλεσµα στις διάφορες κεραίες. Η χαρτογράφηση κεραιών (ή Antenna Mapping) έως και 4 κεραίες transmit - διαµορφώνεται ώστε να παρέχει διαφορετικές παραλλαγές πολλαπλών κεραιών όπως transmit diversity, beam-forming, and spatial multiplexing. 75

76 Σ 3.12 : Παράδειγµα Χαρτογράφησης Κεραιών Η χαρτογράφηση των µπλοκ πόρων (resource block mapping) διανέµει τα σύµβολα ανά κεραία µετάδοσης στα στοιχεία πόρων (resource elements) των συνόλων των µπλοκ πόρων (resource blocks) τα οποία ορισθήκανε από το MAC scheduler για την µετάδοση των transport blocks. Η επιλογή των resource blocks βασίζεται έως ένα σηµείο στον προσδιορισµό ποιότητας καναλιού των διαφόρων resource blocks µε βάση τις µετρήσεις του προσδιορισµένου τερµατικού. Επίσης, το downlink scheduling πραγµατοποιείται ανά 1 ms (ανά υποπλαίσιο) οπού το µπλοκ πόρων της ζεύξης καθόδου αποτελείται από το σύνολο των υποφερόντων ανά 0.5 ms slot, και η κατανοµή των πόρων διατίθεται πάντα σε ζεύγη των resource blocks στον χώρο του χρόνου (time domain) εντός του υποπλαισίου. Το κάθε resource µπλοκ περιέχει 84 στοιχεία πόρων (resource elements 12 subcarriers during seven OFDM symbols) εντούτοις, ορισµένοι πόροι καθηλώνονται σαν downlink reference symbols, downlink L1/L2 control signaling και δεν είναι διαθέσιµοι για την διαδικασία χαρτογράφησης του καναλιού µεταδόσεως. Ο σταθµός βάσεως όπως έχει πλήρη γνώση των διανεµηµένων πόρων της ζεύξης καθόδου, διαµοιράζει κατευθείαν το κανάλι καθόδου στα διαθέσιµα resource elements αντιστοίχως, το τερµατικό κατέχει πλήρεις πληροφορίες στην στιγµή της λήψης - των πόρων των resource elements και L1/L2 ελέγχου, έτσι αποκτώντας κατευθείαν τα δεδοµένα του καναλιού µετάδοσης από τα σχετικά resource elements. 76

77 Οι προδιαγραφές LTE ορίζουν τους φυσικούς πόρους που αντιστοιχούν στο DL-SCH ως Physical Downlink Shared Channel (PDSCH). Η υποστήριξη των καναλιών DL-SCH και UL-SCH γίνεται µέσω associated downlink control signalling όπου η σηµατοδότηση ελέγχου ή L1/L2 control signalling προέρχεται από το φυσικό στρώµα και εκ µέρος από το MAC (στρώµα 2 ή layer 2). Συγκεκριµένα, η σχετικά µε την µετάδοση DL-SCH και UL-SCH σηµατοδότηση ελέγχου καθόδου L1/L2 περιλαµβάνει : DL-SCH- scheduling messages αναγκαία για το χρονοπρογραµµατισµένο κινητό να λάβη, επιµορφώσει και αποκωδικοποιήσει το µήνυµα DL-SCH. Περιλαµβάνουν σχετικές πληροφορίες του DL-SCH, κατανοµή των πόρων και σύνολο των resource blocks, transport format, και πληροφορίες σχετικά µε το DL-SCH hybrid ARQ. UL-SCH-related scheduling messages, συγκεκριµένα για scheduling grants, πληροφορίες για χρονοπρογραµµατισµένου κινητού, uplink resources και transport format σχετικά µε UL-SCH transmission. Ο ταυτόχρονος χρονοπρογραµµατισµός πολλαπλών κινητών τερµατικών απαιτεί τη δυνατότητα εκποµπής πολλαπλών χρονοπρογραµµατισµένων µηνυµάτων µέσω downlink L1/L2 control channel- για κάθε TTI. Η διεργασία του καναλιού ελέγχου, συµπεριλαµβάνει εισαγωγή CRC, κωδικοποίηση, bit-level scrambling, και QPSK modulation. Τα διαµορφωµένα σύµβολα αναθέτονται στο καθοδικό φυσικό στρώµα δηλαδή στο OFDM time-frequency grid. Οι φυσικοί πόροι στους οποίους ανατίθεται το επίπεδο ελεγχοµένων σηµάτων L1/L2 ονοµάζεται µε βάση τις προδιαγραφές LTE Physical Downlink Control Channel (PDCCH) οπού οι δίαυλοι ελέγχου L1/L2 αναθέτονται στα πρώτα ανά υποπλαίσιο σύµβολα OFDM επιτρέποντας την άµεση εξαγωγή των δεδοµένων συµπεριλαµβανοµένης της κατανοµής των πόρων και σχήµα µετάδοσης DL-SCH, τα οποία ανακτούνται πριν το τέλος του υποπλαισίου. Η αποκωδικοποίηση του DL-SCH ξεκινά άµεσα ανεξάρτητα από την αποκωδικοποίηση των πληροφοριών ελέγχου L1/L2 - στο τέλος του υποπλαισίου µειώνοντας σηµαντικά τις καθυστερήσεις της downlink µετάδοσης (transmission). Η µετάδοση των καναλιών ελέγχου L1/L2 στην αρχή του subframe (επιτρέποντας άµεση αποκωδικοποίηση των L1/L2) επιτρέπει στα κινητά τερµατικά τα οποία δεν έχουν χρονοπρογραµµατισθεί (scheduled) να κλείσουν τα κυκλώµατα λήψης για µεγάλο ποσοστό διάρκειας του subframe µειώνοντας δραµατικά την κατανάλωση ενέργειας. Ο φυσικός πόρος στον οποίον χαρτογραφούνται τα σήµατα L1/L2 αποτελείται από οµάδα στοιχείων διαύλου ελέγχου (control-channel elements) οπού το κάθε στοιχείο κατέχει προσδιορισµένο νούµερο resource elements. Τα διαµορφωµένα σύµβολα του κάθε L1/L2 control channel ανατίθενται σε ένα ή αρκετά στοιχεία διαύλου ελέγχου 77

78 (control-channel elements) µε βάση το σύνολο των διαµορφωµένων συµβόλων του κάθε διαύλου ελέγχου L1/L2. Το µέγεθος/σύνολο διαφέρει ανά διαφορετικό L1/L2 control channel. Το δίκτυο επισηµαίνει ρητά τον αριθµό control channel στοιχείων εντός κάθε subframe. εδοµένου ότι τα control channel elements είναι προκαθορισµένου µεγέθους και τοποθετηµένα στην αρχή του subframe, το τερµατικό είναι scheduled θα γνωρίζει τα resource elements που έχουν παραχωρηθεί στα L1/L2 control channels και τα resource elements στα οποία έχει ανατεθεί το DL-SCH Τα κινητά στα οποία λείπει λεπτοµερή ενηµέρωση της δοµής L1/L2 και κατά συνέπεια έλλειψη γνώσης του συνόλου των διαύλων ελέγχου και των στοιχείων ανάθεσης των L1/L2 control channel οδηγούν στην τυφλή προσπάθεια του τερµατικού αποκωδικοποίησης πολλαπλών control-channel candidates µε τον σκοπό αποκάλυψης του L1/L2 control channel µε πληροφορίες χρονοπρογραµµατισµού που αφορούν το συγκεκριµένο τερµατικό. Το τερµατικό θα αποκωδικοποίηση το σύνολο των control-channel candidates και θα ελέγξει το CRC για ένα έγκυρο κανάλι ελέγχου. Η ανάθεση, ή χαρτογράφηση κεραιών αποτελείται από δύο φάσεις δηλαδή Layer mapping and Pre-coding. Η πρώτη φάση (layer mapping) παρέχει de-multiplexing των διαµορφωµένων συµβόλων ανά codeword σε ένα ή πολλαπλά layers. Το σύνολο των layers αντιστοιχεί στο σύνολο το µεταδοτών transport blocks. Η διεργασία του pre-coding αποκτά ακριβώς ένα διαµορφωµένο σύµβολο ανά στρώµα, επεξεργάζεται τα σύµβολα και χαρτογραφεί το αποτέλεσµα στον χώρο της συχνότητας και των κεραιών. Ο διαχωρισµός των προδιαγραφών σε δύο φάσεις επιτρέπει τον προσδιορισµό διαφορετικών multi-antenna transmission schemes όπως open-loop transmit diversity, beam-forming, και spatial multiplexing, εντός single ή multi-antenna framework. Two-antenna Space Frequency Block Coding (SFBC) Η συγκεκριµένη περίπτωση προϋποθέτει single codeword (χωρίς spatial multiplexing) και δύο στρώµατα. Το layer mapping αποπλέκει τα διαµορφωµένα σύµβολα της codeword σε δύο layers. Το pre-coding εφαρµόζεται στο space frequency code του κάθε διανύσµατος στρώµατος. Beam-forming Single codeword (χωρίς spatial multiplexing) σε µοναδικό στρώµα, οπού το mapping στρώµατος είναι διαφανές. Spatial multiplexing Η εφαρµογή του Spatial multiplexing στα δίκτυα LTE βασίζεται σε codebook-based pre-coding οπού κάθε συνδυασµός κεραιών NA και στρωµάτων NL αντιστοιχεί σε οµάδα προκαθορισµένων από τις προδιαγραφές LTE πινάκων. 78

79 Εφαρµόζεται µε δύο codewords NL layers, και NA κεραίες, οπού NL 2 και NA NL. Το layer mapping αποπλέκει τα διαµορφωµένα σύµβολα των 2 κωδικών σε NL στρώµατα.. Οι µετρήσεις των σηµάτων ποικίλων κεραιών οδηγούν το τερµατικό σε ταξινόµηση των στρωµάτων και την υλοποίηση του αντίστοιχου pre coder πίνακα. Το αποτέλεσµα γνωστοποιείται στο δίκτυο και καθώς µια µοναδική ταξινόµηση ισχύει για το συνολικό εύρος ζώνης του δικτύου, πολλαπλή ανακτηµένοι πίνακες ανά διαφορετικό εύρος ζώνης, γνωστοποιούνται ανεξαρτήτως. Το δίκτυο συγκεντρώνει τις πληροφορίες, αποφασίζει και επικοινωνεί στα τερµατικά τους πίνακες που θα υιοθετηθούν για την συγκεκριµένη φάση της downlink L1/L2 control σηµατοδότησης. Μια παρόµοια προσέγγιση χρησιµοποιείται για την σύνδεση καθόδου multi-antenna beam-forming, δηλαδή βασισµένη σε µετρήσεις των downlink reference signals διαφόρων κεραιών. Το κινητό επιλέγει το κατάλληλο pre-coder (beam-forming) διάνυσµα και ενηµερώνει το δίκτυο. Το δίκτυο συγκεντρώνει τις ενηµερώσεις και αποφασίζει το διάνυσµα των καθοδικών µεταδόσεων. Κατά συνέπεια, η χρήση του pre coding χρησιµοποιείται αποκλειστικά για DL-SCH transmission αποκλείοντας το ως εργαλείο για L1/L2 control signalling. Multicast/broadcast using MBSFN Οι µεταδόσεις OFDM transmission προσφέρουν συγκεκριµένα οφέλη στην παροχή των υπηρεσιών multi-cell multicast/broadcast services, µε την δυνατότητα των µεταδόσεων synchronous multi-cell multicast/broadcast να φέρονται ως ενιαίες µεταδόσεις µέσω multi-path channel (Multicast/Broadcast over Single Frequency Network (MBSFN)). Τα δίκτυα LTE υποστηρίζουν µεταδόσεις multicast/broadcast βασισµένες σε MBSFN µέσω του καναλιού MCH (Multicast Channel) του οποίου η επεξεργασία ταιριάζει µε αυτή του DL-SCH µε τις ακόλουθες εξαιρέσεις : Σε κάθε περίπτωση µετάδοσης MBSFN, τα ίδια δεδοµένα µεταδίδονται µε την ίδια δοµή µέσω του ίδιου φυσικού πόρου πολλαπλών κυψελών που ανήκουν σε διαφορετικό enodeb. Αρά τα enodeb δεν επιλέγουν δυναµικά την δοµή MCH και την κατανοµή των πόρων. Το hybrid ARQ δεν εφαρµόζεται στην περίπτωση του MCH µια και η µετάδοση MCH στοχεύει ταυτόχρονα πολλαπλά κινητά τερµατικά. Επίσης, η περιπλοκή MCH (MCH scrambling) θα είναι ολόιδια σε όλες της κυψέλες που περιλαµβάνονται στην συγκεκριµένη µετάδοση MBSFN (cell-common scrambling) Η εκτίµηση καναλιών για συνεπή αποδιαµόρφωση µετάδοσης MBSFN επικαλείται πρόσθετα σύµβολα αναφοράς τα οποία τοποθετούνται εντός των υποπλαισίων MBSFN και µεταφέρονται µέσω MBSFN από το σύνολο των συµµετεχόντων κυψελών. Το αντίστοιχο λαµβανόµενο σήµα αναφοράς µπορεί έτσι άµεσα να 79

80 χρησιµοποιηθεί για την εκτίµηση του αθροισµένου MBSFN καναλιού, διευκολύνοντας την συνεπή αποδιαµόρφωση της µετάδοσης MBSFN. Η πολυπλεξία άλλων καναλιών διασύνδεσης (πχ. DL-SCH) µε την µετάδοση MCH µέσω MBSFN απαγορεύεται εντός του ίδιου υποπλαισίου υπονοώντας κανένα αλληλοσυσχετισµό µεταξύ την µετάδοση του L1/L2 control signalling και του DL- SCH transmission (transport-format, resource indication, και hybrid-arq related information) στα MBSFN subframes. Εντούτοις, η πιθανότητα ύπαρξης άλλων downlink L1/L2 control signalling τα οποία µεταδίδονται µέσω MBSFN subframes απαιτούν την ταυτόχρονη µετάδοση πρόσθετων σηµάτων αναφοράς συγκεκριµένων κυψέλων, παράλληλα µε την µετάδοση σηµάτων αναφοράς MBSFN. Εντούτοις, µια και τα σήµατα ελέγχου L1/L2 περιορίζονται στην πρώτη σειρά του υποπλαισίου, τα σήµατα αναφοράς κυψελών (στο πρώτο σύµβολο OFDM του υποπλαισίου ή και το δεύτερο σε περίπτωση τεσσάρων κεραιών) µεταδίδονται µέσω των υποπλαισίων MBSFN. Οι ανοδική µετάδοση, στα δίκτυα LTE βασίζεται σε low PAR single carrier µε εύκαµπτη ανάθεση εύρους ζώνης και ορθογωνική πολυπλεξία στη συχνότητα και στον χρόνο (DFTS-OFDM transmission) δηλαδή Single-Carrier FDMA (SC- FDMA). Αν υποθέσουµε µετάδοση DFTS-OFDM στα πλαίσια DFT µεγέθους M εφαρµοσµένη σε µπλοκ των M µεταµορφωµένων (modulated) συµβόλων, το αποτέλεσµα του DFT θα χαρτογραφηθεί (mapped) σε επιλεκτικά inputs IFFT µεγέθους Ν. Το µέγεθος του DFT καθορίζει το στιγµιαίο εύρος ζώνης του transmitted signal ενώ οι χαρτογράφηση των συχνοτήτων καθορίζει την θέση του transmitted signal εντός του διαθέσιµου φάσµατος της ζεύξης ανόδου. Τέλος, ένα κυκλικό πρόθεµα παρεµβάλλεται σε κάθε επεξεργασµένο µπλοκ. Στις περιπτώσεις της single carrier µετάδοσης, η χρήση του κυκλικού προθέµατος επιτρέπει cyclic χαµηλής πολυπλοκότητας µε υψηλής απόδοσης equalization στον χώρο της συχνότητας στην µεριά του δέκτη. Αν και υφίσταται σε γενικές γραµµές localized και distributed µεταδόσεις DFTS OFDM, τα δίκτυα LTE περιορίζουν τις άνω ζεύξεις σε µεταδόσεις τύπου localized DFTS OFDM. 80

81 Σ 3.13 : ιασυνδετικότητα Φυσικού Στρώµατος 81

82 LTE : ιαδικασίες Πρόσβασης Το κάθε τερµατικό, πριν προχωρήσει σε οποιαδήποτε διαβίβαση στοιχείων, εκτελεί ορισµένες διαδικασίες για να συνδεθεί µε το δίκτυο (Σχήµα Σ 3.14). Μέσω της διαδικασίας Cell Search, το κινητό αναγνωρίζει τις κυψέλες -µέσω των ταυτοτήτων των κυψελών- και υπολογίζει το αναγκαίο συγχρονισµό πλαισίων της προσδιορισµένης κυψέλης. Η διαδικασία Cell Search παρέχει επίσης εκτιµήσεις των ουσιαστικών παραµέτρων για την υποδοχή πληροφοριών δικτύου µέσω του broadcast δίαυλου όπως και περεταίρω αναγκαίων πληροφοριών για οµαλή πρόσβαση στον δίκτυο. Ο κατάλογος ταυτότητες κυψελών φυσικού στρώµατος - των προσφερόµενων κυψελών είναι συνήθως ικανοποιητικός το σύστηµα υποστηρίζει έως και 510 διαφορετικές ταυτότητες/κωδικούς οργανωµένες σε 170 οµάδες, η κάθε οµάδα µε 3 διαφορετικές ταυτότητες - ώστε να αποφευχθούν περίπλοκες διαδικασίες cell planning, Σ 3.14 : ιαδικασίες Πρόσβασης Τερµατικού Το δίκτυο συµµετέχει στην διαδικασία παρέχοντας σε συγκεκριµένη σειρά- κύρια και δευτερεύοντα σήµατα συγχρονισµού στο downlink, τοποθετώντας τα στα τελευταία δύο σύµβολα του OFDM, στην πρώτη χρονοθυρίδα του υποπλαισίου µηδέν. Εκτός από τα σήµατα συγχρονισµού, ή διαδικασία cell search επικαλείται και ορισµένα σήµατα αναφοράς (reference signals) ως µέρος της γενικής λειτουργίας της. Στην πρώτη φάση cell search procedure το τερµατικό χρησιµοποιεί κύριο σήµα συντονισµού το οποίο µεταδίδεται διπλά σε κάθε πλαίσιο για λόγους συντονισµού (ανά 5 ms) πχ στην περίπτωση handover µεταξύ ξένων δικτύων όπως το GSM. Η εφαρµογή του αλγορίθµου εκτίµησης εξαρτάται από τον προµηθευτή, µε τη δυνατότητα του matched filtering µεταξύ του λαµβανόµενου σήµατος και τις συγκεκριµένες ακολουθίες του κυρίου σήµατος. Το τερµατικό κατά πάσα πιθανότητα έχει συγχρονιστεί ανά 5 ms όταν το output του matched φίλτρου φτάσει στα µέγιστα επίπεδα. Η πρώτη φάση της διαδικασίας επίσης παρέχει την δυνατότητα να κλειδώσει την 82

83 βασική συχνότητα του τερµατικού στη carrier συχνότητα του σταθµού βάσεως ώστε να χαλαρώσουν οι απαιτήσεις ακρίβειας του ταλαντωτή (oscillator) του τερµατικού προσφέροντας ως αποτέλεσµα µειωµένα κόστη. Σε γενικές γραµµές, τρείς διαφορετικές ορθογωνικές ακολουθίες υφίστανται ως κύριο σήµα συντονισµού και αναφοράς (reference synchronization signal) µε one to one σχέση µεταξύ τις ακολουθίες και την ταυτότητα της κυψέλης στην συγκεκριµένη οµάδα. Η οµάδα ταυτότητας κυψελών, εντούτοις, παραµένει άγνωστη στο τερµατικό µετά από αυτό το βήµα. Στο επόµενο βήµα, το τερµατικό ανιχνεύει την οµάδα κυψελών και καθορίζει το συγχρονισµό πλαισίων µε βάση την παρατήρησή ζευγών χρονοθυρίδων οπού µεταδίδεται το δευτερεύον σήµα συντονισµού. Αν θεωρήσουµε ότι το ζεύγος ακολουθιών (σ1,σ2) εκπροσωπεί το δευτερεύον σήµα συντονισµού στο υποπλαίσιο µηδέν και πέντε, τότε το αντίστροφο ζεύγος (σ2,σ1) απορρίπτεται ως έγκυρη ακολουθία βοηθώντας το τερµατικό στην επίλυση πιθανόν ασαφειών (5 ms) από την πρώτη φάση της διαδικασίας cell search και στον σωστό συγχρονισµό πλαισίου. Η κάθε ακολουθία (σ1,σ2) εκπροσωπεί επίσης µια οµάδα κυψέλων ή οποία οµάδα καθορίζεται από την δεύτερη φάση της διαδικασίας cell search και η οποία οµάδα µεταφέρει στο τερµατικό της ακολουθίας pseudo-random που παράγει το σήµα αναφοράς της κυψέλης. Στο τέλος, το τερµατικό ενηµερώνεται µε τις σχετικές παραµέτρους του συστήµατος πχ. το εύρος ζώνης µετάδοσης της κυψέλης κλπ. Τα κύρια και δευτερεύοντα σήµατα µεταδίδονται σε δύο, κατά σειρά, σύµβολα OFDM. Η συγκεκριµένη δοµή αναρτήθηκε µε σκοπό την διευκόλυνση της συνεπής επεξεργασίας των δευτερεύον σηµάτων συντονισµού από το τερµατικό. Η πρώτη φάση της διαδικασίας εντοπίζει το κύριο σήµα συντονισµό το οποίο βοηθάει στην εκτίµηση του καναλιού, και µπορεί να συνεισφέρει στη συνέχεια στη συνεπή επεξεργασία λαµβανόµενου σήµατος προκειµένου να βελτιωθεί η απόδοση. Εντούτοις, η τοποθέτηση κατά σειρά των κυρίων και δευτερευόντων σηµάτων συγχρονισµού υπονοούν ότι το τερµατικό πρέπει να υπολογίσει στα τυφλά το κυκλικό µήκος προθέµατος το οποίο αποτελεί διαδικασία χαµηλής πολυπλοκότητας. Συχνά, ο συγχρονισµός πολλαπλών κυψελών εφαρµόζεται ώστε τα (αρχικά) πλαίσια των γειτονικών κυψελών συµπίπτουν χρονικά (ένας λόγος ύπαρξης της διαδικασίας MBSFN)- η συγκεκριµένη συντονισµένη διαδικασία υπονοεί, εντούτοις, ότι ή µεταφορά του κύριου σήµατος συντονισµού σε διαφορετικές κυψέλες επίσης συµπίπτει. Ο προσδιορισµός του καναλιού, ο οποίος βασίζεται στο κύριο σήµα συντονισµού, απεικονίζει ένα σύνθετο κανάλι (όλων των κυψελών) εφ όσον φυσικά το ίδιο κύριο σήµα συντονισµού χρησιµοποιείται από τις κυψέλες. Η συνεπή µετατροπή του δευτερεύοντα σήµατος συντονισµού το οποίο διαφέρει ανά κυψέλη - απαιτεί προσδιορισµό καναλιού από την συγκεκριµένη κυψέλη και όχι προσδιορισµό σύνθετου καναλιού του συνόλου των κυψελών. 83

84 Το κύριο σήµα συντονισµού το οποίο παρέχει και την ταυτότητα της κυψέληςυποστηρίζεται από τα δίκτυα LTE µέσω πολλαπλών ακολουθιών όπου οι κάθετες κυψέλες επεξεργάζονται διαφορετικά σήµατα συντονισµού προς επίλυση θεµάτων προσδιορισµού καναλιού. Ο εντοπισµός του σήµατος συντονισµού στο τέλος της πρώτης χρονοθυρίδας του υποπλαισίου λειτουργεί ευεργετικά µε βάσει το TDD- µια και υπονοεί λιγότερους περιορισµούς στις περιόδους φύλαξης για τις ζεύξεις ανόδου και καθόδου. Ο προσδιορισµός της χωρητικότητας µετάδοσης δεν αποτελεί µέρος των διαδικασιών cell search -λόγω πολυπλοκότητας- και σαν αποτέλεσµα το τερµατικό να µην γνωρίζει απαραιτήτως,στα αρχικά στάδια, την χωρητικότητα της συγκεκριµένης κυψέλης. Το τερµατικό έτσι και αλλιώς, θα ενηµερωθεί για τις σχετικές παραµέτρους του συστήµατος µέσω του καναλιού εκποµπής. Εποµένως, για να διατηρήσει την ίδια δοµή πεδίου συχνότητας των σηµάτων συντονισµού, ανεξάρτητα από το εύρος ζώνης της κυψέλης,, τα σήµατα συντονισµού εκπέµπονται πάντοτε µέσω 72 κεντρικές υποφέρουσες, µε εύρος 1 MHz. Η ενεργοποίηση του τερµατικού οδηγεί αναγκαστικά στην εύρεση κυψέλης αλλά και απόκτησης καταλόγου γειτονικών κυψελών για την υποστήριξη της κινητικότητας και σχετικών υπηρεσιών. Η διαδικασία αναζήτησης της αρχικής κυψέλης ορίζεται ως initial cell search ενώ η διαδικασία εύρεσης γειτονικών κυψελών neighbour-cell search. Στην αρχική φάση της αναζήτησης, δηλαδή της διαδικασίας cell search, είναι φυσικό το κινητό να µην γνωρίζει τις συχνότητες της κυψέλης που τελικά θα συνδεθεί το κινητό. Το κινητό, όπως στις περιπτώσεις GSM, βασικά χρησιµοποιεί ένα hard coded κατάλογο που έχει προσδιοριστεί από την εταιρίεα παροχής υπηρεσιών, και επαναλαµβάνει την πολλές φορές χρονοβόρα διαδικασία αναζήτησης συχνότητας (διαύλου). Το συγκεκριµένο setup αναζήτησης µπορεί να περιλαµβάνει και καινοτόµες εφαρµογές που µειώνουν το χρόνο εντόπισης κυψέλης και διαύλου πχ. χρησιµοποιώντας τη προηγούµενη συχνότητα κλπ. Η αναζήτηση γειτονικών κυψέλων, αφ ετέρου απαιτεί επιτακτικές διαδικασίες όπου η πολυτέλεια χρόνου δεν υπάρχει, µια και ο συντονισµός και συγχρονισµός του οµαλού handover µεταξύ του τερµατικού και του δικτύου απαιτεί συντοµία και ακρίβεια ώστε να εγγυηθεί η διαδικασία βελτιωµένη ποιότητα ασύρµατης επικοινωνίας. Το τερµατικό λαµβάνει επίσης µετρήσεις για πιθανά handover από το δίκτυο µέσω αποσταλµένων δεδοµένων της ζεύξης καθόδου, τα οποία χρησιµοποιεί στην αναζήτηση γειτονικών κυψελών. Το τερµατικό λόγω των κοινών συχνοτήτων -στην περίπτωση του εντός συχνότητας handover λαµβάνει αυτοµάτως τις µετρήσεις µια και η επικοινωνία αξιοποιείται µέσω των ίδιων συχνοτήτων οπού η υποδοχή δεδοµένων και εύρεση γειτονικών κυψελών αποτελούν ξεχωριστές απλές baseband λειτουργίες µέσω του λαµβανόµενου σήµατος. 84

85 Κανάλι αιτήσεων πρόσβασης Σε κάποια φάση, το κάθε τερµατικό θα απαιτήσει σε συγκεκριµένη στιγµή να συνδεθεί µε το κινητό δίκτυο. Η αίτηση πρόσβασης, ή random access, αποσκοπεί (τουλάχιστον στα δίκτυα LTE) σε συντονισµό του uplink, αλλά και στην καθιέρωση της αποκλειστικής ταυτότητας C-RNTI του τερµατικού, γνωστή και στο κινητό αλλά και στο δίκτυο. Η διαδικασία του random access επικαλείται στην αρχική πρόσβαση random access LTE_DETACHED ή LTE_IDLE προς LTE_ACTIVE όπως και σε περιόδους αδράνειας µε τον αποσυντονισµό της ζεύξης ανόδου. Η διαδικασία αίτησης πρόσβασης περιλαµβάνει τέσσερις φάσεις : 1.Μετάδοση του random-access preamble, επιτρέποντας στο enodeb να συντονιστεί µε το τερµατικό 2. Τα τερµατικό συντονίζεται µε το uplink (οπού το δίκτυο έχει ορίσει τους πόρους) και ακολουθεί ο βασικός συγχρονισµός µετάδοσης και λήψης µεταξύ του τερµατικού και του δικτύου (timing advance κλπ) 3. Ακολουθεί η ταυτοποίηση του τερµατικού στο δίκτυο το περιεχόµενο του UL-SCH θα εξαρτηθεί µε το αν το τερµατικό είχε γνωστοποιηθεί σε κάποια προηγούµενη φάση 4. ιαδικασίες contention resolution µέσω DL-SCH επιλύνοντας θέµατα ταυτόχρονων αιτήσεων πρόσβασης. Η πρώτη φάση αίτησης πρόσβασης απαιτεί την µετάδοση του προοιµίου της αίτησης. Ο ρόλος του random access προοιµίου είναι να επισηµάνει στο δίκτυο την αίτηση πρόσβασης και την ανάγκη µεταβίβασης στοιχεία συγχρονισµού που αφορούν την ζεύξη ανόδου. Σε γενικές γραµµές, οι µεταδόσεις των προοιµίων εκτελούνται σε µορφή ορθογωνική των δεδοµένων του χρήστη. Στην περίπτωση του WCDMA, οι µορφές των µεταδόσεων είναι µη ορθογωνικές (στο uplink) απεγκλωβίζοντας το σύστηµα από την ηµιστατική δέσµευση πόρων για κάθε random access. Επίσης, η ισχύς του µεταδότη ελέγχεται σε αυστηρό βαθµό µέσω διαδικασίες power ramping οπού το τερµατικό αυξάνει σταδιακά την ισχύ του προοιµίου ώσπου να εντοπιστεί από τον σταθµό βάσεως έτσι βελτιώνοντας το σήµα πρόσβασης από πιθανές παρεµβολές. Αν και ικανοποιητική λύση στο θέµα των παρεµβολών, το ramping procedure εισάγει καθυστέρηση στη γενική διαδικασία αίτησης πρόσβασης. Εποµένως, από την προοπτική καθυστέρησης, µια διαφορετική διαδικασία random access (δίχως του power ramping) θα ήταν αρκετά πιο αποδοτική. 85

86 Η µετάδοση- στα δίκτυα LTE- του ορθογωνικού προοιµίου σε σχέση µε τα user data- µέσω της ζεύξης ανόδου έχει ως επίπτωση την απεµπλοκή από τις µεθόδους power ramping. Orthogonality µεταξύ στοιχεία χρηστών που διαβιβάζονται από άλλα τερµατικά και αιτήσεις πρόσβασης πραγµατοποιούνται στο χώρο του χρόνου και της συχνότητας (time and frequency domains). Το δίκτυο µεταδίδει πληροφορίας στα τερµατικά που ενεργοποιούν πόρους στον χώρο του χρόνου και της συχνότητας. Το δίκτυο απορρίπτει πιθανές uplink µεταδόσεις την συγκεκριµένη στιγµή προφυλάσσοντας τις time frequency random access preamble διαδικασίες από πιθανές παρεµβολές. Το random access preamble στον χώρο των συχνοτήτων (frequency domain) σχετίζεται µε το εύρος φάσµατος των 6 resource blocks (1.08 MHz) το οποίο συµβαδίζει µε την granularity συχνοτήτων του LTE. Άρα, η δοµή του προοιµίου είναι ανεξάρτητη του εύρους ζώνης της κυψέλης και για εφαρµογές ευρύτερου φάσµατος, πολλαπλοί πόροι random access ενεργοποιούνται στο frequency domain αυξάνοντας σηµαντικά την δραστηριότητα πρόσβασης. Στην φάση της διαδικασίας πρόσβασης προς το δίκτυο και πριν την αποποµπή του preamble- το τερµατικό συντονίζεται µε το downlink channel πριν καθοριστεί ο συντονισµός µε το uplink. Η καθυστέρηση µετάδοσης µεταξύ το σταθµό βάσεως και το τερµατικό οδηγεί σε ασυµµετρία µεταδόσεων η εκποµπή του uplink frame από το τερµατικό υλοποιείται σε σχέση µε την αρχή του downlink frame- όπου θα παρατηρηθεί καθυστέρηση µεταδόσεων της ζεύξης ανόδου, µε βάση τον συντονισµό και timing της ζεύξης καθόδου- αρά η απόσταση µεταξύ το κινητό και το σταθµό παραµένει άγνωστη. Η αβεβαιότητα στο uplink timing ισοµερή µε τη διπλάσια απόσταση µεταξύ σταθµό και τερµατικό (περίπου 6.7 µs/km). Η συγκεκριµένη αβεβαιότητα και ανάγκη µείωσης παρεµβολών µε µη συµµετέχοντα (στη διαδικασία random access) υπόπλαίσια οδηγεί στην εφαρµογή περιόδου φύλαξης (guard time) πχ των 0.1 ms µε preamble των 0.9 ms σε κυψέλες έως και 15 χλµ. Σε µεγαλύτερες κυψέλες όπου η αβεβαιότητα αυξάνετε και προσπερνά την περίοδο φύλαξηςπρόσθετες guard times χρησιµοποιούνται. Ο σχεδιασµός του προοιµίου βασίζεται στις ακολουθίες Zadoff-Chu οι οποίες χρησιµοποιούνται και για τα σήµατα αναφοράς του uplink όπου κάθε ακολουθία ZC X(u) ZC(k) οδηγεί σε m-1 κυκλικά µετατοπισµένες ακολουθίες µέσω MZC/m κυκλικών µετατοπίσεων όπου ο παράγοντας MZC εκπροσωπεί το µήκος της ZC ακολουθίας. Οι κυκλικά µετατοπισµένες ακολουθίες ZC κατέχουν διάφορες ελκυστικές ιδιότητες όπως σταθερό amplitude που εξασφαλίζει καλύτερη απόδοση ενισχυτών διατηρώντας χαµηλό PAR σε single carrier uplink. Οι συγκεκριµένες ακολουθίες διατηρούν ιδανικό κυκλικό αυτόσυσχετισµό, σηµαντικό για ακριβή συντονισµό µε το enodeb. Τέλος, το cross-correlation µεταξύ των διαφορετικών preambles βασισµένα στις ίδιες ZC ακολουθίες είναι µηδενικό στον δέκτη αρκεί ο παράγοντας κυκλικής µετατόπισης χρόνου N/m που χρησιµοποιήθηκε στην παραγωγή των preambles να προσπερνά το µέγιστο round-trip propagation time συν το µέγιστο delay spread του καναλιού. Αυτό επίσης σηµαίνει την σηµαντική απώλεια εντός κυψέλης παρεµβολών από πολλαπλές αιτήσεις πρόσβασης. 86

87 Η διαφορές εφαρµογές επιτρέπουν την παραγωγή στους χώρους της συχνότητας και του χρόνου η επεξεργασία στον χώρο της συχνότητας στον σταθµό βάσεως συνδυάζει κυκλικό πρόθεµα στις σειρές του προοιµίου η οποίες µοιράζονται σε οµάδες των 64. Επίσης, η διαµόρφωση και παραµετροποίηση του συστήµατος (δηλαδή του δικτύου LTE) απαιτεί την τοποθέτηση οµάδας σε κάθε κυψέλη µέσω µίας η αρκετών ακολουθιών ZC και των συγκεκριµένων κυκλικών µετατοπίσεων που χρειάζονται στην παραγωγή των preambles. Σε κάθε random access attempt, το τερµατικό επιλέγει τυχαία την ακολουθία από την οµάδα της κυψέλης που επιδιώκεται η πρόσβαση και εφ όσον είναι η µοναδική πρόσβαση µε την συγκεκριµένη ακολουθία, η πιθανότητα σύγκρουσης µε άλλα τερµατικά είναι µικρή και κατά πάσα πιθανότητα θα εντοπιστεί από το δίκτυο. Η επεξεργασία στο σταθµό βάσεως εξαρτάται ανά σταθµό, αλλά συνήθως βασίζεται σε χαµηλές πολυπλοκότητες λόγου του κυκλικού προθέµατος εντός της δοµής του προοιµίου. Συνήθως, συλλέγονται δείγµατα εντός παραθύρου πχ. 0.8 ms το µήκος της ακολουθίας ZC χωρίς το κυκλικό πρόθεµα- τα οποία δείγµατα µετατρέπονται στο χώρου της συχνότητας µέσω Fast Fourier Transform FFT. Το συγκεκριµένο παράθυρο παίρνει υπ όψιν αβεβαιότητες του µεγέθους των.1 ms και ταιριάζει µε το προαναφερόµενο περιθώριο φύλαξης. Το αποτέλεσµα του FFT αντιπροσωπεύει το λαµβανόµενο σήµα στο χώρο συχνοτήτων (frequency domain) πολλαπλασιάζεται µε σύνθετο παράγοντα εκπροσώπησης του χώρου συχνοτήτων (frequency domain complex conjugate) της ακολουθίας ZC και τα αποτελέσµατα εισάγονται στο Inverse FFT (IFFT). Παρατηρώντας το αποτέλεσµα του IFFT οδηγεί στον προσδιορισµό των µετατοπισµένων ακολουθιών ZC και σχετικών delay. Βασικά, κάθε peak σε διάστηµα ι αντιστοιχεί µε την ι κυκλικά µετατοπισµένη ακολουθία η καθυστέρηση εκπροσωπείται από την θέση του peak στο επιλεγµένο διάστηµα.. Η συγκεκριµένη εφαρµογή στο χώρο των συχνοτήτων (frequency domain) είναι υπολογιστικά αποδοτική και επιτρέπει τον εντοπισµό πολλαπλών αιτήσεων πρόσβασης χρησιµοποιώντας διαφορετικές κυκλικά µετατοπισµένες ακολουθίες παραγµένες της συγκεκριµένης ακολουθίας ZC η περίπτωση των πολλαπλών προσπαθειών θα οδηγήσει σε peak σε κάθε ένα από τα αντίστοιχα διαστήµατα.. Το δίκτυο θα ανταποκριθεί στην προσπάθεια πρόσβασης (random access attempt) µεταβιβάζοντας στο τερµατικό µήνυµα - µέσω του DL-SCH- µε το αντίστοιχο περιεχόµενο : Το κωδικό της συγκεκριµένης αίτησης Η σχετική διόρθωση συγχρονισµού όπως υπολογίστηκε από το random-accesspreamble receiver. Γενικές πληροφορίες που αφορούν τους πόρους που θα τεθούν υπό την χρήση του 87

88 Έκδοση προσωρινής ταυτότητας για περεταίρω επικοινωνίες µε το δίκτυο. Σε περίπτωση εντοπισµού από το δίκτυο πολλαπλών αιτήσεων πρόσβασης από ξεχωριστά τερµατικά, τα αντίστοιχα µηνύµατα συνδυάζονται σε ενιαία µετάδοση η οποία απευθύνεται στα σχετικά τερµατικά. Άρα η ανταπόκριση του random access µεταφέρεται µέσω του DL-SCH στο κανάλι έλεγχου L1/L2 µε τον κωδικό του random-access response. Τα τερµατικά που µετάδωσαν προοίµιο παρακολουθούν το κανάλι L1/L2 για την συγκεκριµένη ανταπόκριση/απάντηση. Ο συγχρονισµός των response µηνυµάτων δεν είναι προκαθορισµένος από τις προδιαγραφές επιτρέποντας ευελιξία στην διαχείρισή πολλαπλών προσβάσεων και φυσικά τοπικών (σταθµό βάσεως) εφαρµογών. Συγκρούσεις στην απόπειρα πρόσβασης στο δίκτυο µεταξύ τερµατικών θα αποφευχθούν εφ όσον οι αιτήσεις πρόσβασης µέσω των ίδιων πόρων χρησιµοποίησαν διαφορετικά preambles. Απ την άλλη µεριά, µια και πάντα υπάρχει η πιθανότητα χρήσης του ιδίου preamble (µια και παράγεται ανεξάρτητα µέσω random number generator) και η οποία πιθανότητα εξηγεί το λόγω της µη χρήσης υβριδικού ARQ για την µετάδοση της απάντησης- υπάρχουν περαιτέρω διαδικασίες που διαχειρίζονται τέτοιες καταστάσεις.. Η χρήση του υβριδικού ARQ θα είχε ως αποτέλεσµα τον αποσυντονισµό του τερµατικού µε τις διαδικασίες ACK/NAK προκαλώντας παρεµβολές στις διαδικασίες των άλλων χρηστών. Λαµβάνοντας την ανταπόκριση/απάντηση της αίτησης πρόσβασης, το τερµατικό θα ρυθµίσει το συγχρονισµό µετάδοσης/ uplink και θα συνεχίσει στην τρίτη φάση. Στη τρίτη φάση, το τερµατικό θα µεταβιβάσει στο δίκτυο τις απαραίτητες πληροφορίες µέσω των προσδιορισµένων πόρων της δεύτερης φάσης.. Η µεταβίβαση των µηνυµάτων σε αυτή την φάση σε αντίθεση µε την µεταβίβαση µέσω του preamble στην πρώτη φάση- βελτιώνει την απόδοση λόγω συγχρονισµού/uplink και µη ανάγκη των large guard times, και επιτρέπει την δυναµική προσαρµογή χώρου και διαµόρφωσης/µετατροπής µε βάση τις δυναµικές αλλαγές του ασύρµατου περιβάλλοντος.. Επίσης, η παρούσα φάση επιτρέπει την χρήση hybrid ARQ µε soft combining στο uplink, σηµαντική πτυχή µια και προσφέρει την δυνατότητα εφαρµογής αναµεταδόσεων ώστε να συλλεχθεί αρκετή ενέργεια που πιθανόν να χρειασθεί για να αυξήσει την πιθανότητα επιτυχούς µετάδοσης στο uplink. Ένα σηµαντικό κοµµάτι των uplink messages περιλαµβάνει την εισαγωγή της ταυτότητας του τερµατικού η οποία αξιοποιείται από τους µηχανισµούς επίλυσης συµφόρεσης τερµατικών ή content resolution. Σε κάθε περίπτωση που το τερµατικό βρίσκεται σε κατάσταση LTE_ACTIVE, το τερµατικό είναι συνδεδεµένο µε την κυψέλη και επικοινωνεί µέσω της ταυτότητας C- RNTI στην uplink επικοινωνία. 88

89 Η τελευταία φάση της πρόσβασης σχετίζεται µε τις downlink διαδικασίες και αντίστοιχα µηνύµατα για την επίλυση πιθανής συµφόρεσης κινητών ή content resolution procedures. Τα διάφορα τερµατικά που προσπαθούν να προβούν στο σύστηµα, και που χρησιµοποιούν το ίδιο preamble, παρακολουθούν το ίδιο µήνυµα ανταπόκρισης και κατά συνέπεια υιοθετούν την ίδια προσωρινή ταυτότητα. Κατά συνέπεια, στη παρούσα φάση το κάθε τερµατικό που λαµβάνει µήνυµα µέσω της ζεύξης καθόδου συγκρίνει την λαµβανόµενη ταυτότητα µε την δικιά του (δηλαδή την ταυτότητα που µεταδόθηκε στην προηγούµενη φάση) και σε περίπτωση αντιστοιχίας θα θεωρήσει επιτυχούσα την αίτηση πρόσβασης. Το µήνυµα αποσυµφόρησης τερµατικών µεταδίδεται στο DL-SCH χρησιµοποιώντας την προσωρινή ταυτότητα της δεύτερης φάσης πάνω από το κανάλι ελέγχου L1/L2. Μια και ο συντονισµός του uplink έχει επιβεβαιωθεί, η εφαρµογή του υβριδικού ARQ στο downlink είναι δεδοµένη και θα χρησιµοποιηθεί επίσης σαν acknowledgment και στο uplink. Τα τερµατικά στα οποία δεν ταιριάζει η µεταβιβαζόµενη ταυτότητα της τέταρτης φάσης µε την ταυτότητα της τρίτης φάσης- θεωρούν την απόπειρα πρόσβασης ως αποτυχηµένη και αναγκάζονται να ξανά προχωρήσουν στην πρώτη φάση της διαδικασίας πρόσβασης. Φυσικά τα συγκεκριµένα τερµατικά δεν µεταβιβάζουν στο uplink µηνύµατα υβριδικού ARQ. Η τηλεειδοποίηση (paging) χρησιµοποιείται από το δίκτυο ως µηχανισµός έναρξης επικοινωνίας µε τα τερµατικά. Κάθε αποδοτική διαδικασία τηλεειδοποίησης επιτρέπει στα τερµατικά χρόνο µη επεξεργασίας µε στιγµές ελέγχου καναλιών έτσι απεγκλωβίζοντας τους κοινούς πόρους και παρατείνοντας τη ζωή των µπαταριών του τερµατικού. Το WCDMA χρησιµοποίει ξεχωριστό paging indicator κανάλι, το οποίο παρατηρείτε από τα τερµατικά σε προκαθορισµένα χρονικά διαστήµατα, µειώνοντας το χρόνο παρακολούθησης από το κινητό. Το δίκτυο LTE δεν παρέχει τέτοια δυνατότητα ξεχωριστού καναλιού λόγω της σύντοµής διαρκείας των L1/L2 καναλιών. Αντ' αυτού, το LTE προσδιορίζει τον ίδιο µηχανισµό του κανονικού downlink data transmission DL-SCH και τα τερµατικά παρακολουθούν τα κανάλια ελέγχου L1/L2 για πιθανά scheduling assignments. Αν το τερµατικό εντοπίσει τον οµαδικό κωδικό της τηλεειδοποίησης, θα επεξεργαστεί το αντίστοιχο µεταδοµένο µήνυµα του downlink το οποίο συµπεριλαµβάνει την ταυτότητα του τερµατικού αν δεν ταιριάζουν η ταυτότητες το µήνυµα θα απορριφτεί. Σε περίπτωση που κατά την διάρκεια DRX- δεν έχει επιβεβαιωθεί το timing του uplink τότε δεν υφίσταται δυνατή η σηµαδότηση ACK/NAK ακυρώνοντας τη δυνατότητα υβριδικού ARQ µε soft combining στα πλαίσια των µηνυµάτων τηλεειδοποίησης. 89

90 Σχήµατα ιαλειτουργηκών Μεταποµπών Οι διαδικασίες µεταποµπών των δικτύων LTE εκτελούνται µε απώτερο σκοπό την ποιότητα της σύνδεσης, την συντήρηση της ισχύς της µπαταρίας του τερµατικού (UE), και την οµαλή διασυνδετικότητα µεταποµπών µεταξύ διαφόρων δικτύων 2G/3G και CDMA 27. Η µεταποµπές (των κινητών) µεταξύ διαύλων θεωρούνται από τις ποιο ευαίσθητες και χρονικά κρίσιµες διαδικασίες µια και συµπεριλαµβάνουν τη στιγµιαία αποσύνδεση και ταχύτατη επανασύνδεση του UE µε το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας καθοριστικός παράγοντας επιτυχίας και αξιοπιστίας ο συντονισµός αλλαγής διαύλου του κινητού µε την αλλαγή κυκλωµάτων/δροµολόγηση δεδοµένων του δικτύου 28. Η απόφαση έναρξης της διαδικασίας λαµβάνεται από το ίδιο το δίκτυο ή το τερµατικό, µε το δίκτυο να διατηρεί πάντα το προνόµιο της τελικής απόφασης. Στα ασύρµατα ευρυζωνικά δίκτυα τύπου 3G και LTE, η υβριδική λήψη αποφάσεων (όσον αφορά την έναρξη µεταποµπών) µεταξύ του τερµατικού UE και το δίκτυο, προϋποθέτει την µετάδοση παραµέτρων σχετικά µε την κατάσταση των γειτονικών κυψελών από το UE προς το δίκτυο, και η σχέση των παραµέτρων µε τα αντίστοιχα thresholds (όρια) του δικτύου το υποσύστηµα Radio Resource Management 29 (RRM) πάντα λαµβάνει την τελική απόφαση όσον αφοράν την έναρξη (ή µη) των συγκεκριµένων µεταποµπών. Η προδιαγραφές προϋποθέτουν τριών τύπων µεταποµπών (Σχήµατα Σ 3.15-Σ 3.16) : Intra-LTE : Μεταποµπές εντός του ίδιου MME/SGW Inter LTE : Μεταποµπές µε διαφορετικά MME/SGW Inter RAT : Μεταποµπές µεταξύ ετερογενών δικτύων πχ. LTE/GSM ή LTE/UMTS 27 3GPP TS : Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC);Protocol Specification. 28 The World of Cellular, Tony Hontzeas, IEEE Canadian Review number 9,September 1990, pg GPP TS : UMTS Radio Resource Control (RRC) Protocol specification 90

91 Σ 3.15 : LTE σε επίπεδο πρωτοκόλλων 91

92 Μεταποµπή Intra-LTE µέσω διεπαφής Χ2 30 (Σχήµα Σ 3.17) : Η διαδικασία handover του UE εκτελείται από το source enodeb στο target enodeb µέσω της διεπαφής X2 εντός το επιλεγµένου MME και SGW. H µεταποµπή υφίσταται µόνο στις περιπτώσεις διασύνδεσης µεταξύ των source και target enodebs µέσω της διεπαφής Χ2. Οι διαδικασίες εκτελούνται ανεξάρτητα του EPC. 30 3GPP TS : Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 Application Protocol (X2AP). 92

93 Σ 3.16 : Οι διεπαφές που αφορούν τις µεταποµπές κλπ. 93

94 1. Πραγµατοποιείται σύνδεση µεταξύ UE και serving enodeb (και το δίκτυο) και αποστέλλονται δεδοµένα. 2. Το δίκτυο µεταδίδει MEASUREMENT CONTROL REQ στο UE µε τα υπάρχοντα thresholds και µε την εντολή ενηµέρωσης του δικτύου κατά το εντοπισµό των ορίων (thresholds). 3. Το UE απαντάει στο serving enodeb µε MEASUREMENT REPORT και το serving enodeb προχωράει την διαδικασία µεταποµπής προς το target enodeb. Ο αλγόριθµός µεταποµπής ανήκει αποκλειστικά στον προµηθευτή του υλικού. 4. Το serving enodeb αποστέλλει σε ορισµένες περιπτώσεις RESOURCE STATUS REQUEST στο target enodeb και λαµβάνει RESOURCE STATUS RESPONSE οπού θα παρθεί η απόφαση, µε βάση το φόρτο του target enodeb, αν θα προχωρήσει η µεταποµπή µέσω Χ2. 5. Το serving NodeB µεταδίδει HANDOVER REQUEST στο target enodeb µε Security Context και Τarget Cell information. 6. To target enodeb εφόσον διαπιστώσει την ύπαρξη πόρων, θα απαντήσει µε HANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGE. 7. To serving enodeb θα παράγει τις RRC εντολές RRCCONNECTION/RECONFIGURATION οπού τις µεταδίδει µε ciphering και integrity protection στο UE. 8. To serving enodeb ενηµερώνει το target enodeb όσον αφορά την κατάσταση E-RABs µε STATUS TRANSFER. 9. To serving enodeb µεταφέρει downlink πακέτα δεδοµένων που αφορούν τους φορείς των δεδοµένων στο target enodeb. 10. Ταυτόχρονα, το UE συνδέεται µε το target enodeb µέσω της διαδικασίας non contention based Random Access και στην ολοκλήρωση της σύνδεσης µε την κυψέλη, αποστέλλει στο target enodeb RRC CONNECTION RECONFIGURATION COMPLETE. 11. To target enodeb αποστέλλει στο MME µαζί µε τις παραµέτρους TAI- ECGI, PATH SWITCH REQUEST. 12. Το ΜΜΕ αποστέλλει (µετά τις σχετικές διαβεβαιώσεις της διαθεσιµότητας του SGW) στο SGW, MODIFY BEARER REQUEST. 13. To SGW µεταφέρει τα σχετικά downlink πακέτα στο target enodeb ενηµερώνοντας το µε τις σχετικές διευθύνσεις και TEIDs απαντώντας ταυτοχρόνως στο ΜΜΕ µε MODIFY BEARER RESPONSE. 14. To SGW αποδεσµεύει του πόρους του serving enodeb µέσω πακέτων «end marker». 15. To ΜΜΕ απαντάει στο target enodeb µε PATH SWITCH REQ ACK επιβεβαιώνοντας την ολοκλήρωση της διαδικασίας µεταποµπής. 16. Το target enodeb απελευθερώνει τους πόρους του serving enodeb µέσω X2 UE CONTEXT RELEASE. 94

95 Σ 3.17 : Μεταποµπή Intra-LTE µέσω διεπαφής Χ2 95

96 Μεταποµπή Intra-LTE µέσω διεπαφής S1 31 (Σχήµα Σ 3.18): Στις περιπτώσεις ανέφικτης απευθείας διασύνδεσης µεταξύ target και source enodeb, πχ. µη διαθεσιµότητα της διεπαφής Χ2 ή αποτυχία στην προσπάθεια του Χ2 handover, ή σήµανση προβληµάτων από το target enodeb, το source enodeb 32 θα προχωρήσει στην έναρξη του handover µέσω το S1-MME σηµείο αναφοράς, ανεξάρτητα του EPC. To source MME επιλέγει µέσω συγκεκριµένων ενδείξεων του source enodeb την άµεση ή έµµεση δροµολόγηση (direct or indirect forwarding paths). Η υπόλοιπη διαδικασία µεταποµπής παροµοιάζει την διαδικασία Χ2 µε το MME να λειτουργεί ως διαβιβαστικός κόµβος και να απελευθερώνει την S1 λογική σύνδεση µέσω της διαδικασίας UE CONTEXT RELEASE, το SGW να προωθεί DL data forwarding στις περιπτώσεις έµµεσης δροµολόγησης, και την περιθωριοποίηση της διαδικασίας PATH SWITCH στις περιπτώσεις που το ΜΜΕ είναι ενηµερωµένο για την µεταποµπή. 31 3GPP TS : Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP) 32 Με βάση το MEASUREMENT REPORT του UE 96

97 Σ 3.18 : Μεταποµπή Intra-LTE µέσω διεπαφής S1 97

98 S1 Inter MME Handover µέσω κοινού SGW (Σχήµα Σ 3.19): Η ακόλουθη διαδικασία εφαρµόζεται µεταξύ source και target ΜΜΕ µε τα αντίστοιχα source/target enodeb, και κοινό SGW : 1. Με βάση το µήνυµα MEASUREMENT REPORT (UE), το source enodeb προχωράει σε µεταποµπή προς επιλεγµένο target enodeb. 2. To source MME βασιζόµενο σε σηµατοδότηση GTP (GTP-C FORWARD RELOCATION) επικοινωνεί µε το target MME. 3. Στην λήψη του S1 HANDOVER REQUIRED το source MME επιβεβαιώνει µέσω της προτεινόµενης κυψέλης το target MME, και προχωρεί µε GTP FORWARD RELOCATION REQUEST. 4. Το target MME µεταφέρει στο target enodeb τα στοιχεία της λογικής σύνδεσης S1 (HANDOFF REQ) 5. Το target enodeb επιβεβαιώνει την ετοιµότητα διαχείρισης της µεταποµπής µέσω HANDOFF REQ ACK, προς το target MME. 6. To target MME ενηµερώνει το source MME µέσω GTP FORWARD RELOCATION RESP. 7. Το κοινό SGW χρησιµεύει ως σηµείο αναφοράς όπου µεταφέρονται η συγκεκριµένες πληροφορίες διασύνδεσης (data link ή DL packets) από το source στο target enodeb µέσω του SGW. 8. O εντοπισµός του UE στην περιοχή του target enodeb οδηγεί στην αποστολή του S1 HANDOVER NOTIFY προς το target MME. 9. To target MME ενηµερώνει το source MME για την επιτυχηµένη µεταποµπή µε GTP FORWARD RELOCATION COMPLETE NOTIFY. 10. To source MME επιβεβαιώνει τον τερµατισµό της διαδικασίας απαντώντας µε GTP FORWARD RELOCATION COMPLETE NOTIFY ACK απελευθερώνοντας ταυτόχρονα τους σχετικούς πόρους φορέων και την λογική σύνδεση. 98

99 99

100 Σ 3.19 : S1 Inter MME Handover µέσω κοινού SGW 100

101 S1 inter MME- inter SGW Handover (Σχήµα Σ 3.20): Η παρούσα εναλλακτική διαδικασία προϋποθέτει την επίκληση διαφορετικών ΜΜΕ/SGW και πυροδοτείται µε την ενηµέρωση του δικτύου από το UE µέσω MEASUREMENT REPORT. Η λήψη του GTP: FORWARD RELOCATION REQ ενηµερώνει την αλλαγή SGW και δροµολογεί την διασύνδεση του target ΜΜΕ/SGW µέσω GTP: CREATE SESSION REQ/ GTP: CREATE SESSION RESPONSE Η υπόλοιπη διαδικασία παροµοιάζει την προηγούµενη διαδικασία µεταποµής S1 inter MME. 101

102 Σ 3.20 : S1 inter MME- inter SGW Handover 102

103 LTE-UMTS InterRAT Handover (Σχήµα Σ 3.21): 1. To serving enodeb επικαλείται την ανάγκη µεταποµπής 33 σε UMTS δίκτυο και µεταφέρει HANDOFF REQUIRED στο serving MME. 2. To serving MME αποστέλλει στο target SGSN GTP-C: FORWARD RELOCATION REQUEST. 3. To target SGSN δεσµεύει πόρους από το target SGW µέσω GTP: CREATE SESSION. 4. Το target SGW, δεσµεύοντας τους αναγκαίους φορείς, απαντάει στο target SGSN µε GTP: CREATE SESSION RESPONSE. 5. Το target SGSN δεσµεύει πόρους στο target RNC µέσω RANAP: RELOCATION REQUEST. 6. H επιτυχηµένη δέσµευση των ραδιοπόρων οδηγεί στην µετάδοση µηνύµατος RANAP: RELOCATION REQUEST ACK από το target RNC στο target SGSN. 7. To target SGSN δηµιουργεί τις προϋποθέσεις για την έµµεση δροµολόγηση πακέτων µεταξύ τα serving και target SGW και ενηµερώνει το serving MME αποστέλλοντας GTP: FORWARD RELOCATION RESPONSE. 8. To serving MME αποστέλλει HANDOVER COMMAND στο serving enodeb. 9. To serving MME αποστέλλει MOBILITY FROM EUTRA COMMAND στο UE προετοιµάζοντας το για την δια-δικτυακή (LTE-UMTS) µεταποµπή. 10. To UE επιβεβαιώνει την επιτυχής πρόσβαση στην κυψέλη UMTS αποστέλλοντας HO TO UTRAN COMPLETE στο target RNC. 11. To target RNC ενηµερώνει το target SGSN µε το µήνυµα RANAP: RELOCATION COMPLETE. 12. Με την ολοκλήρωση του inter system inter RAT handover το target SGSN ενηµερώνει το serving MME µε GTP: FORWARD RELOCATION COMPLETE NOTIFICATION ACK και το serving MME αποδεσµεύει τους σχετικούς πόρους των serving SGW/eNodeB. 13. To target SGSN τροποποιεί τους ERAB πόρους του target SGW/PGW (διαδικασία GTP MODIFY BEARER). 33 Κατά πάσα πιθανότητα το MEASUREMENT REPORT αποκάλυψε βελτιστοποιηµένο σήµα σε µη LTE κυψέλη. 103

104 Σ 3.21 : LTE-UMTS InterRAT Handover 104

105 UMTS-LTE InterRAT Handover 34 (Σχήµα Σ 3.22): 1. To serving RNC µε βάση την επιλογή κυψέλης του MEASUREMENT REPORT (UE) µεταδίδει RANAP RELOCATION REQUIRED στο serving SGSN. 2. To serving SGSN εντοπίζει την ανάγκη δια-δικτυακής µεταποµπής και αποστέλλει GTP-C: FORWARD RELOCATION REQUEST στο target MME Εντοπίζοντας την αλλαγή του SGW το target MME δηµιουργεί πόρους φορέων στο target SGW µέσω της διαδικασίας GTP: CREATE SESSION. Η διαβεβαίωση ύπαρξης πόρων µεταφέρεται στο target MME µε το αντίστοιχο RESPONSE µήνυµα. 4. Το target MME δεσµεύει τους αναγκαίους πόρους στο target enodeb (µε την αντίστοιχη διαβεβαίωση επιτυχίας από το enodeb) µέσω των µηνυµάτων S1AP: HANDOVER REQUEST/ S1AP: HANDOVER REQUEST ACK. 5. Το target MME δηµιουργεί έµµεση δροµολόγηση δεδοµένων µεταξύ target/serving SGW και επιβεβαιώνει την διαδικασία στο serving SGSN µε GTP: FORWARD RELOCATION RESPONSE. 6. Με την δέσµευση των πόρων, το serving SGSN αποστέλλει RANAP RELOCATION COMMAND στο serving RNC. 7. To serving RNC µεταδίδει HO FROM UTRAN COMMAND στο UE µε εντολή προετοιµασίας µεταποµπής στο δίκτυο LTE (από το δίκτυο UMTS). 8. Με την επανασύνδεση του UE στο δίκτυο µέσω του target enodeb το UE απαντάει µε RRC CONNECTION RECONFIGURATION COMPLETE επιβεβαιώνοντας την επιτυχία του interrat (Intersystem) handover. 9. To target MME ενηµερώνει το serving SGSN µε GTP: FORWARD RELOCATION COMPLETE NOTIFICATION ACK. 10. Το transit MME τροποποιεί τα Ε-RABs στο target SGW/PGW µέσω διαδικασίας GTP MODIFY BEARER. 34 3GPP TS UMTS: UTRAN Iu Interface RANAP Signaling, 3GPP TS : 3G PP Evolved Packet System (EPS); Evolved General Packet Radio Service (GPRS) Tunneling Protocol for Control Plane (GTPv2-C), 3GPP TS : General Packet Radio Service (GPRS); GPRS Tunneling Protocol (GTP) Across the Gn and Gp Interface 35 H τοποθεσία/διεύθυνση του transit MME ανακτάται από την βάση δεδοµένων. 105

106 Σ 3.22 : UMTS-LTE InterRAT Handover 106

107 4. Συστήµατα Πολλαπλών Κεραιών MIMO 36 Τα συστήµατα MIMO αποτελούν ουσιαστικό κοµµάτι των δικτύων LTE, και στρατηγικό πλεονέκτηµα στη διέλευση υψηλών ταχυτήτων και στην αποδοτικότητα φάσµατος ή spectral efficiency. Η τεχνολογίες MIMO αναφέρονται στην χρήση των πολλαπλών κεραιών από τα σηµεία του µεταδότη/ποµπού και παραλήπτη/δέκτη. Οι πολλαπλές κεραίες µπορούν να αυξήσουν το ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων µέσω της πολυπλεξίας ή να βελτιώσουν την απόδοση µέσω του διαφορισµού. Στην ζεύξη καθόδου, η βασική τοπογραφία των 2Χ2 κεραιών δηλαδή δύο κεραίες στη µεριά του ποµπού και δύο κεραίες στη µεριά του δέκτη - σε κάθε µεριά της σύνδεσης θεωρείται δεδοµένη, µε την αναβάθµιση σε σύµπλεγµα κεραιών των 4Χ4 για υψηλότερες ταχύτητες (Σχήµα Σ 4.1). Σ 4.1 Single Input Single Output and Multiple Input Multiple Output Antenna Systems Η χωρική πολυπλεξία (Spatial Multiplexing) (Σχήµα Σ 4.2) η οποία υφίσταται µόνο µε την υποστήριξη της ασύρµατης σύνδεσης - επιτρέπει την ταυτόχρονη µετάδοση διαφορετικών ρευµάτων δεδοµένων σε κοινό µπλοκ πόρων, µέσω εκµετάλλευσης της διάστασης του χώρου της ασύρµατης σύνδεσης.. Η πολυπλεξία επιτυγχάνεται µε την επεξεργασία του πίνακα των διαλείψεων ώστε να στείλουµε τα δεδοµένα από ανεξάρτητα κανάλια. Τα ρεύµατα δεδοµένων ανήκουν σε µοναδικό χρήστη (SU- MIMO) ή σε πολλαπλούς χρήστες ( MU-MIMO). Η περιπτώσεις SU-MIMO διευκολύνουν την ανάπτυξη υψηλών ρυθµών δεδοµένων του χρήστη ενώ η περιπτώσεις MU-MIMO βελτιώνουν σε ουσιαστικό βαθµό την συνολική χωρητικότητα του συγκεκριµένου δικτύου. 36 Βλ. επίσης Παραφόρου, Μελέτη Βέλτιστης Κατανοµής ισχύος σε συστήµατα πολλαπλων κεραιών εκποµπής και λήψης µε ηµιορθογώνια κωδικοποίηση χώρου-χρόνου, ιπλωµατική Εργασία, ΑΠΘ,2009 και Σκραπαρλή, Τεχνικές Πολλαπλών Κεραιών (MIMO) και συνεργατικής διαφορικότητας σε ασύρµατε επικοινωνίες, ιδακτορική ιατριβή,εμπ,

108 Σ 4.2 Χωρική Πολυπλεξία Η κάθε κεραία στην πλευρά του δέκτη δέχεται ρεύµατα δεδοµένων από το σύνολο των κεραιών του ποµπού (transmit antennae) οδηγώντας στην µοντελοποίηση του ασύρµατου καναλιού (ανά συγκεκριµένου delay) από τον πίνακα H (Σχήµα 4.3). Στον πίνακα H ο µεταβλητής Nt εκπροσωπεί τον αριθµό των transit antennae, και ο µεταβλητής Nr τον αριθµό των receive antennae. Οι συντελεστές καναλιού hij ή channel coefficients περιγράφουν το σύνολο των πιθανών πορειών σήµατος µεταξύ του ποµπού και του δέκτη. Σ 4.3 : Ο Πίνακας Η 108

109 Το σύνολο των ρευµάτων δεδοµένων που µεταδίδονται ταυτόχρονα µέσω του καναλιού MIMO περιέχονται στο min {Nt, Nr} και περιορίζονται από την βαθµίδα του πίνακα H. Η ποιότητα µετάδοσης περιορίζεται σηµαντικά στις περιπτώσεις χαµηλού ισχύος των µοναδικών τιµών του πίνακα H, πχ. σε περιπτώσεις αδύνατου συσχετισµού µεταξύ δύο κεραιών 37. Άρα η βαθµίδα (rank) του πίνακα H αποτελεί σηµαντικό κριτήριο του επιτρεπόµενου επιπέδου της χωρικής πολυπλεξίας στο συγκεκριµένο κανάλι. Η τοπολογίες MIMO, εκτός από την αύξηση ταχυτήτων, βελτιώνουν σηµαντικά την αξιοπιστία των ρευµάτων δεδοµένων λειτουργώντας ως συστήµατα διαφορισµού κεραιών. Η κάθε κεραία µεταδίδει το αντίστοιχο ρεύµα δεδοµένων ώστε ή κάθε κεραία δέκτη να λαµβάνει αντίτυπα των µεταδοθέντων δεδοµένων µειώνοντας την πιθανότητα λανθασµένων στοιχείων και βελτιώνοντας σηµαντικά 38 την ολική αξιοπιστία του συστήµατος (όπως στις ανάλογες περιπτώσεις του WCDMA 99). Τυπικά, η διαδικασία περιλαµβάνει antenna specific space time coding πριν την µετάδοση έτσι βελτιώνοντας την επίδραση του διαφορισµού 39. Τα δίκτυα LTE υποστηρίζουν τα ακόλουθα σενάρια µετάδοσης : Μετάδοση µέσω µοναδικής κεραίας, χωρίς MIMO ιαφορισµό στην µεριά του ποµπού Χωρική πολυπλεξία τύπου ανοιχτού και κλειστού βρόχου Precoding πρώτης βαθµίδας τύπου κλειστού βρόχου Beamforming (δηµιουργία δέσµης) Η χωρική πολυπλεξία οδηγεί στην χαρτογράφηση των έως και δύο code words σε διαφορετικά στρώµατα χώρου, oπού ή µία code work εκπροσωπεί το output του κωδικοποιητή και οπού ο αριθµός των διαθέσιµων transmission στρωµάτων ισοδυναµεί µε τη βαθµίδα (rank) του πίνακα H 40. Η υποστήριξη του spatial multiplexing πραγµατοποιείται από τη πλευρά του ποµπού µέσω precoding (Σχήµα Σ 4.4), πολλαπλασιάζοντας το στρώµα µε το precoding matrix W οπού ο βελτιστοποιηµένος πίνακας W ο πίνακας που µεγιστοποιεί την χωρητικότηταπροαποφασίζεται µέσω codebook στις πλευρές enodeb και UE. 37 Πχ. σε περιβάλλοντα χώρο µε µεµονωµένες περιπτώσεις scattering ή σε περιπτώσεις ελάχιστης αποστάσεις των δύο κεραιών. 38 Πχ. αυξάνει το SNR σε περιπτώσεις fading και διευκολύνει την αποκωδικοποίηση σε προβλήµατα time alignment κλπ. 39 S.M. Alamouti (October 1998). "A simple transmit diversity technique for wireless communications", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 16., No GPP TS ; Physical Channels and Modulation (Release 8) 109

110 Σ 4.4 : Precoding Principle Το βιβλίο κωδικών (codebook) περιέχει πληροφορίες που αφορούν τα διάφορα στρώµατα µετάδοσης (Σχήµα 4.2). Η πολυπλεξία χώρου απουσιάζει από την ειδική περίπτωση του ενός στρώµατος, και για τα συστήµατα πολυπλεξίας χώρου κλειστού βρόχου το codebook index περιέχει το 0. Τα συστήµατα 4Χ4 περιέχουν εµπλουτισµένο codebook µεγαλύτερων διαστάσεων. Π 4.1 : 2 Χ 2 transmit codebook Το UE προσδιορίζει την κατάσταση της ασύρµατης σύνδεσης και επιλέγει µε την καθοδηγήσει του enodeb- το βελτιστοποιηµένο precoding matrix. Η πληροφορία µεταφέρεται ανάλογα µε το διαθέσιµο εύρος ζώνης- ανά µοναδικού µπλοκ πόρων ή οµάδες µπλοκ πόρων 41. Το δίκτυο θα διαµορφώσει το υποσύνολο των codebooks που θα επιλεχθούν από το UE. Η πολυπλεξία χώρου ανοιχτού βρόχου επιλέγεται στις περιπτώσεις τερµατικών αυξηµένης ταχύτητας µε τον κίνδυνο επιδείνωσης το σήµατος στην περίπτωση 4Χ4 οι διάφοροι precoders διανέµονται κυκλικά στους διαθέσιµους πόρους. Το enodeb θα επιλέξει το βελτιστοποιηµένο MIMO mode και configuration προκωδικοποίησης και θα µεταφέρει την πληροφορία στο UE ως τµήµα του downlink 41 Το βελτιστοποιηµένο precoding matrix µπορεί να διαφέρει µεταξύ των resource blocks. 110

111 control information (DCI) στο PDCCH µε το format 2 να επιδιώκει την ανάθεση των 2 code words συµπεριλαµβάνοντας πληροφορίες σχετικές µε τη προκωδικοποίηση πχ. 2a στην περίπτωση πολυπλεξίας ανοιχτού βρόχου, 1b στην περίπτωση 1 code word συµπεριλαµβάνοντας πληροφορίες σχετικές µε τη προκωδικοποίηση και 1d για spatial multiplexing πολλαπλών χρηστών συµπεριλαµβάνοντας πληροφορίες σχετικές µε τη προκωδικοποίηση και power offset information. Η µετάδοση σε transmit diversity mode (Σχήµα Σ 4.5) περιπλέκει µοναδικό code word µε την κάθε κεραία να µεταδίδει πανόµοια ρεύµατα δεδοµένων υποστηρίζοντας το διαφορισµό µεταδόσεως µε διαφορετική κωδικοποίηση µέσω Space Frequency Block Coding (SFBC) 42, και µέσω ειδικού προκωδικοποιήµένου πίνακα που εφαρµόζεται στην πλευρά του ποµπού στην φάση της προκωδικοποίησης. Στην συγκεκριµένη φάση, οι κεραίες προχωρούν στην µετάδοση πανόµοιων σύµβολων δεδοµένων, αλλά µε διαφορετική κωδικοποίηση και σε διαφορετικά υποφέροντα. Σ 4.5 :ΜΙΜΟ transmit diversity mode Ο διαφορισµός κυκλικής καθυστέρησης Cyclic Delay Diversity (CDD), ένας πρόσθετος τρόπος διαφορισµού (diversity) εφαρµόζεται σε συνδυασµό µε την πολυπλεξία χώρου. Αυτός ο τύπος του antenna-specific delay εφαρµόζεται στα σήµατα της µεριάς του ποµπού εισάγοντας αποτελεσµατικά τεχνητό multipath στο σήµα όπως αντιλαµβάνεται από τον δέκτη. Το αποτέλεσµα βελτιώνει τον διαφορισµό συχνότητας του καναλιού 43. Οι αρχιτεκτονικές MIMO απαιτούν από το UE προς το σταθµό βάσεως, την συνεχή ενηµέρωση σχετικά µε την κατάσταση και ποιότητα της ασύρµατης σύνδεσης. Οι απαιτούµενες πληροφορίες και παράµετροι ενηµέρωσης προσαρµόζονται στον τύπο και συγκεκριµένη κατάσταση του δικτύου και ενσωµατώνουν περιοδικές ενηµερώσεις πχ. µέσω του PUCCH και απρογραµµάτιστες ενηµερώσεις πχ. µέσω του PUSCH. 42 S.M. Alamouti (October 1998). "A simple transmit diversity technique for wireless communications", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 16., No Η τεχνική CDD, ως ειδική εφαρµογή delay diversity, εφαρµόζει cyclic shift στα σήµατα της κάθε transmit antenna. 111

112 Οι µεταβλητές που αποκτούν κύριο ρόλο στην ενηµέρωση προς το σταθµό βάσεως συµπεριλαµβάνουν τη µεταβλητή CQI (channel quality indicator), τη PMI (precoding matrix indicator), και τη RI (rank indication). Η λειτουργία του MIMO οσον αφορά την ζεύξη ανόδου (uplink) πάντα λαµβάνει υπόψη τις παραµέτρους πολυπλοκότητας του τερµατικού. Η χρήση του MU-MIMO στην ζεύξη ανόδου είναι χαρακτηριστική, και πολλαπλά τερµατικά µεταδίδουν ταυτόχρονα µέσω κοινού resource block 44. Η τεχνική κατέχει ως σηµαντικό πλεονέκτηµα τη ανάγκη µίας και µοναδικής κεραίας µετάδοσης (single transmit antenna) και τα τερµατικά (UE) που µοιράζονται τον ίδιο µπλοκ πόρων εφαρµόζουν αµοιβαίες ορθογωνικές πιλοτικές διατάξεις (mutually orthogonal pilot patterns). Η δυναµική επιλογή των κεραιών µετάδοσης επωφελή το UE στα θέµατα διαφορισµού και στη βελτιστοποίηση του κόστους κρατώντας τα κόστη σε προσιτά επίπεδα προς το καταναλωτικό κοινό. Το UE, στη συγκεκριµένη περίπτωση χρησιµοποιεί δύο κεραίες transmit συνδεµένες µε µία αλυσίδα µετάδοσης και µοναδικό ενισχυτή, οπού µέσω switch εκτελείται η επιλογή κεραίας που παρέχει την βέλτιστη σύνδεση µε το σταθµό βάσεως enodeb. Η απόφαση εκτελείται µε γνώµονα τις λαµβανόµενες πληροφορίες από το σταθµό βάσεως enodeb, οπου τα CRC parity bits (DCI format ) επεξεργάζονται µε επιλεγµένη από το UE selection mask µε αποτέλεσµα το 0 ή το 1, δηλαδή την επιλεγµένη κεραία. Η διαδικασία επιλογής κεραίας είναι µέρος των χαρακτηριστικών των κινητών τερµατικών UE. 44 ηλαδή η εφαρµογή του spatial division multiple access(sdma) 112

113 5. LTE ADVANCED Σ 5.1 LTE Advanced Logo Οι προδιαγραφές των δικτύων LTE εναρµονίζουν τις επερχόµενες ανάγκες της αγοράς, δηλαδή την αύξηση της κίνησης, τις απαιτήσεις των χρηστών και την εξελισσόµενη φύση των υπηρεσιών (λόγω σύγκλισης των επικοινωνιών µε το διαδίκτυο και τα ΜΜΕ) µε ικανοποιητικό τρόπο για τουλάχιστον µια δεκαετία. Οι προδιαγραφές LTE έχουν υποβληθεί ήδη από τη 3GPP στην ITU και έχουν ενσωµατωθεί µε την τελευταία αναπροσαρµογή εγκεκριµένη από την ITU- των IMT-2000 specs, µε αποτέλεσµα τα δίκτυα LTE να θεωρούνται πια µέλη της οικογένειας 3G, ή 3.9G.. Οι συνεχόµενη αύξηση της ζήτησης για ταχύτερα κινητά πολυµέσα, η εναρµόνιση του παγκόσµιου φάσµατος και οι αυξανόµενες απαιτήσεις και ωρίµανση των χρηστών προς την κινητή ευρυζωνικότητα οδήγησε (και συνεχίζονται να τίθονται πρός πειρασµό) τα διάφορα study groups της ΙΤU 45 προς καινούργιες προδιαγραφές για το µέλλον της κινητής ευρυζωνικότητας εντός (προς το παρόν) των πλαισίων του IMT-Advanced (Σχήµα Σ 5.2). 45 Συγκεκριµένα την ITU-R WP5D 113

114 Σ 5.2 : Ο δρόµος προς την τέταρτη γενεά Με βάσει την διαδικασία του Delphi Group και της λαµβανόµενες προτάσεις στο ITU Circular letter η ITU καλεί την επόµενη γενιά των IMT Advanced κινητών υπηρεσιών να υποστηρίζει αποδοτικά εφαρµογές χαµηλής και υψηλής κινητικότητας σε διάφορες ταχύτητες δεδοµένων σε πολλαπλούς περιβαλλοντικούς χώρους. Το εξελιγµένο σύστηµα ασύρµατης πρόσβασης «New Radio Interface Technologies (RITs)» θα υποστηρίζει peak data rates των 100 Mbit/s για περιπτώσεις υψηλής κινητικότητας και 1 Gbit/s για σενάρια low mobility. Οι προδιαγραφές 46 επίσης τονίζουν την ανάγκη υποστήριξης της σφαιρικής περιαγωγής, την οµαλή διαλειτουργικότητα µε άλλα δίκτυα πρόσβασης (όπως LTE, WiMAX και φυσικά 3G) και τη συνύπαρξη - συµβατότητα µε τις υπηρεσίες σταθερών δικτύων. 46 TSG RAN Meeting # 45 RP090736,LTE Release 10 and Beyond (LTE Advanced) 114

115 Σ 5.3 : 3GPP Organization Τα ΙΜΤ δίκτυα, πλήρως βασισµένα σε IP, θα λειτουργούν σε εύρος ζώνης των 100 MHz 47 µε αρκετά µεγαλύτερο ποσοστό του παγκόσµιου φάσµατος από την παρούσα προσφορά. Οι µελλοντικές ανάγκες φάσµατος - πέρα του θα αντιµετωπιστούν µεταξύ τα 3,8 4,2 GHz της C band, το οποίο φάσµα αναµένεται να απελευθερωθεί έπειτα από τις σχετικές, εισηγήσεις, συστάσεις και µελέτες. Η τελικές συστάσεις θα ολοκληρωθούν το 2011 όπου θα επικυρωθούν επισήµως στο WRC Απ τη µεριά της, η 3GPP (Σχήµα Σ 5.3) θα υλοποιήσει τις καινούργιες προδιαγραφές µέσω αναβαθµίσεις λογισµικών (LTE-Advanced) τα οποία θα υποστηρίζουν τις απαιτούµενες ταχύτητες δεδοµένων (peak data rates), επιταχυµένες εναλλαγές µεταξύ power states, και βελτιωµένη απόδοση στα σύνορα των κυψελών. 47 Το WRC07 προσδιόρεισε 400 ΜΗz φάσµατος οπού τα 200 ΜΗz βρίσκονται µεταξύ GHz παγκοσµίως, και GHz στην ΕΕ. 115

116 Απόδοση Συστήµατος LTE Advanced LTE Μέγιστοι Ρυθµοί Ζεύξης Ανόδου Μέγιστοι Ρυθµοί Ζεύξης Καθόδου Καθυστερήσεις του πλάνου ελέγχου Idle to Connected Καθυστερήσεις του πλάνου ελέγχου Dormant to Active Καθυστερήσεις στο πλάνο χρήστη Μέγιστη Αποδοτικότητα φάσµατος Μέσος όρος αποδοτικότητας φάσµατος Αποδοτικότητα φάσµατος στα άκρα της κυψέλης 1000Μbps στα 100 MHz 100 Mbps στα 20 MHz 500 Mbps στα 100 MHz 50 Mbps στα 20 ΜΗz < 50 ms < 100 ms < 10 ms < 50 ms <<<< 5 ms < 5ms Κάθοδος : 30 bps/hz στα <= 8Χ8, Άνοδος :15 bps/hz στα <= 4Χ4 Κάθοδος : 3.7 bps/hz/κυψέλη στα 4Χ4, Άνοδος :2 bps/hz/κυψέλη στα 2Χ4 Κάθοδος : 0.12 bps/hz/κυψέλη/χρήστη στα 4Χ4, Άνοδος :0.7 bps/hz/κυψέλη/χρήστη στα 2Χ4 Κινητικότητα <= 350 χλµ/ώρα, <= 500 χλµ/ώρα στη συγκεκριµένη µπάντα φάσµατος Ευκαµψία χρήσης φάσµατος Συνεχές φάσµα > 20 MHz µε δυνατότητες σύγκλισης φάσµατος (spectral convergence) Κάθοδος : 5 bps/hz στα 2Χ2, Άνοδος: 2.5 bps/hz στα 1Χ2 Κάθοδος : 3 µε 4 φορές του HSPA R6 στα 2Χ2 Άνοδος : 2 µε 3 φορές του HSPA R6 στα 1Χ2 εν προβλέπεται <= 350 χλµ/ώρα 1.4,3,5,10,15,20 MHz Π 5.1 Συγκριτικοί πίνακες LTE-LTE Advanced Το LTE, παρόλες της βελτιώσεις, θεωρείτε τεχνολογία 3G και ως έχει δεν εκφράζει τις προδιαγραφές των 4G ή IMT advanced δικτύων όπως καθορίζονται από τη διεθνή ένωση τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union ή ITU) πχ. peak data rates µέχρι 1 Gbit/s. Η ITU µε τη σειρά της έχει προσκαλέσει την υποβολή των ραδιο τεχνολογιών διεπαφών υποψηφίων (RITs) µετά από τις απαιτήσεις τους όπως αναφέρονται στη σχετική εγκύκλιο (Πίνακας Π 5.1). Η βιοµηχανία κινητής επικοινωνίας και οι οργανώσεις τυποποίησης εποµένως έχουν αρχίσει να εργάζονται σε 4G τεχνολογίες πρόσβασης όπως πχ. LTE advanced. Στο 116

117 3GPP workshop τον Απρίλιο του 2008 στην Κίνα αποφασίστηκε και συµφωνήθηκε το γενικό πλάνο µε το πώς θα συνεχίσουν οι εργασίες για την εξέλιξη του LTE και το πώς θα οδεύσει η κινητή τηλεφωνία προς LTE advanced. Με βάση αυτό, τα πρώτα requirements εγκρίθηκαν τον Ιούνη του 2008 και συµπεριλαµβάνουν peak data rates των 1Gbps, γρηγορότερη µετάβαση µεταξύ power states και βελτιωµένη απόδοση στα σύνορα κυψελών. Οι λεπτοµερείς προτάσεις µελετώνται από τις διάφορες οµάδες εργασίας. Οι τρέχουσες συµφωνηµένες προδιαγραφές για LTE Advanced 48 : Μέγιστη ταχύτητα δεδοµένων: DL:1 Gbps, UL: 500 Mbps Εύρος ζώνης µετάδοσης περίπου 70 MHz σε DL και 40 MHz σε UL Latency : C plane IDLE (µε διευθετηµένη την διεύθυνση IP) σε CONNECTED < 50 ms και U plane latency < 5 ms ερχόµενη ή απερχόµενη κατεύθυνση από το RAN µε ποσοστό αναµεταδόσεων 30% (FFS) ιεκπεραιωτικότητα 2 φορές υψηλότερη από LTE (cell edge) Μέση διεκπεραιωτικότητα 3 φορές υψηλότερη από LTE Χωρητικότητα (αποδοτικότητα φάσµατος) 3 φορές υψηλότερη από το LTE Μέγιστη αποδοτικότητα φάσµατος: DL : 30 bps/hz, UL: 15 bps/hz Ευελιξία φάσµατος µέσω υποστήριξης εξελικτικού συναθροίσου εύρους ζώνης και φάσµατος Κινητικότητα (Mobility): Όπως στο LTE Συµβατότητα σε λειτουργικότητα και αλληλεπίδραση µε LTE και 3GPP Legacy δίκτυα Technology proposals (Κυρίως στο Physical Layer) Οι προτάσεις θα µπορούσαν κατά προσέγγιση να ταξινοµηθούν σε: UE dual λύσεις κεραιών TX για το SU- MIMO και diversity MIMO; Scalable εύρος ζώνης συστηµάτων που υπερβαίνει τα 20 MHz και ενδεχοµένως φτάνει τα 100MHz Τοπική βελτιστοποίηση περιοχής του συστήµατος πρόσβασης Λύσεις δικτύων νοµαδικής/τοπικής περιοχής και κινητικότητας 48 LTE Advanced Release 10 and Beyond, 3GPP TSG RAN WG4, Dec

118 Εύκαµπτη χρήση φάσµατος Γνωστικό (Cognitive) ραδιόφωνο Αυτόµατες και αυτόνοµες διαµορφώσεις και λειτουργία δικτύων Ενισχυµένη προ κωδικοποίηση και forward correction mechanisms Ασυµµετρική ανάθεση εύρους ζώνης για FDD Υβριδικά OFDMA και Sc- FDMA στο uplink UL/DL inter enb τύπου MIMO Είναι προφανές ότι οι προτάσεις επικεντρώνονται στην βελτίωση του φυσικού στρώµατος (Σχήµα Σ 5.4). Σ 5.4 : ίκτυο LTE Advanced µε κόµβους διαβιβάσεων (relay nodes) Support of larger bandwidth in LTE Advanced Το εύρος ζώνης µέχρι και τα 100MHz προβλέπει peak data rates µέχρι τα 1 Gbps. Σε γενικές γραµµές, το OFDM παρέχει ένα απλό τρόπο στην αύξηση του εύρους ζώνης δηλαδή προσθέτοντας υποφέρουσες. εδοµένου ότι στην έκδοση 8 το UE υποστηρίζει bandwidths των 20MHz, ο scheduler πρέπει να συνεργαστεί µε µίγµα τερµατικών. Η εξασφάλιση του backward compatibility προς LTE σηµαίνει ότι οι 118

119 δίαυλοι ελέγχου (control channels) όπως synchronisation, broadcast ή PDCCH/PUCCH θα ενεργοποιούνται ανά 20MHz. Μερικές από τις κύριες προκλήσεις των τερµατικών των 100 MHz σχετίζονται µε τη διαθεσιµότητα φίλτρων RF για ένα τέτοιο µεγάλο εύρος ζώνης και τη διαθεσιµότητα του αναλογικού ψηφιακού µετατροπέα µε αρκετά υψηλό sampling rate και quantization resolution, όπως και την αυξανόµενη πολυπλοκότητα αποκωδικοποίησης π.χ. για την αποκωδικοποίηση καναλιών και των απαιτήσεων του soft buffer size. Επίσης θα αναθεωρηθούν τα διάφορα multi carrier operations µε ελάχιστες αλλαγές στις προδιαγραφές εάν τα Resource Allocation, MIMO, Link Adaptation, Hybrid ARQ κλπ υλοποιηθούν ανά 20MHz. Ο λειτουργία του scheduler θα εκτελεστεί µε τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτεται το αναγκαίο φάσµα, και θα υπάρξει µεγαλύτερος αριθµός transport blocks ανά χρονικό διάστηµα µετάδοσης. Προς το παρών τα FDD schemes όπως καθορίζονται στην LTE release 8 είναι περιορισµένα να λειτουργούν σε πλήρη συµµετρική κατανοµή από το ταξινοµηµένο κατά ζεύγος φάσµα. Αυτό καθιστά δύσκολο να βρεθούν, οι κατάλληλες κατανοµές φάσµατος FDD όπως και δεν µπορεί να αντιµετωπισθεί αποτελεσµατικά η ασυµµετρική κυκλοφορία. Το LTE advanced εξετάζει πιο εύκαµπτους τρόπους bandwidth allocation.. Το LTE advanced θα τυποποιηθεί στη 3GPP release 10 και έχει ως σκοπό την εκπλήρωση των προδιαγραφών 4G όπως καθορίζονται από την ITU (Σχήµα Σ 5.5). Σ 5.5 : Χρονοδιάγραµµα προόδου 119

120 Οι τεχνολογίες που προσδιορίζονται ως 4G θα υποστηρίζουν bandwidth allocations µέχρι 100MHz και peak data rates µέχρι και 1 Gbps για τα stationary τερµατικά. To LTE advance θεωρείται ως η πρώτη αληθινή 4G τεχνολογία, και θα διατελέσει οµαλή εξέλιξη των προτύπων LTE βασιζόµενο στην ίδια φιλοσοφία. Η σχετικές εργασίες για τα requirements προχωρούν σταθερά εντός τα πλαίσια της 3GPP όπως και οι εργασίες για τις προτάσεις τεχνολογίας εντός των διαφόρων εργασιακών οµάδων. Ένα σηµαντικό αποτέλεσµα που αναµένεται είναι οι διάφορες αλλαγές στο physical radio layer οι οποίες θα υποστηρίξουν µεγαλύτερα bandwidths µε πιο εύκαµπτες κατανοµές ώστε να χρησιµοποιήσουν τις περαιτέρω ενισχυµένες τεχνολογίες κεραιών. Οι συντονισµένοι σταθµοί βάσεως µε το συντονισµένο scheduling, συντονισµένες κεραίες MIMO και η διαχείριση παρεµβολών θα απαιτήσουν επίσης εντυπωσιακές αλλαγές στη αρχιτεκτονική του κεντρικού δικτύου. 120

121 Φ2- Σύµπλεγµα κεραιών LTE Advanced 121

122 6. Θέµατα Ασφάλειας Το κείµενο βασίζεται στα πρότυπα της έκδοσης 8 της 3GPP και δεν συµπεριλαµβάνει τις τροποποιήσεις των εναρµονισµένων προτύπων της διαδικασίας ανάπτυξης 2 και 3 (stage 2 and stage 3) 49 όπως και των µη 3GPP σηµείων πρόσβασης 50. Η πρόσβαση στις υπηρεσίες του χώρου των δεδοµένων, Packet-Switched domain ή PS, απαιτεί την καθιέρωση σχέσεων επικοινωνίας µεταξύ των τερµατικών του χρήστη (UE) και το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας (PLMN) (Σχήµα Σ 6.1). Η κάθε πρόσβαση στις υπηρεσίες των πολυµέσων του κεντρικού δικτύου, ελεγχόµενη πάντα από το υποσύστηµα IMS (δηλαδή IMS CN SS) οδηγεί επίσης σε ξεχωριστή σχέση ασφάλειας προτού οποιαδήποτε πρόσβαση/χορήγηση στις υπηρεσίες των πολυµέσων. Σ 6.1 : Τα χαρακτηριστικά ασφάλειας του δικτύου Οι πέντε οµάδες χαρακτηριστικών ασφάλειας προτείνονται ως εξής 51 : (I) (II) (III) (IV) (V) Network access παρέχει στους χρήστες ασφαλή πρόσβαση σε υπηρεσίες προστατεύοντας εναντίον τυχόν επιθέσεων στις διεπαφές πρόσβασης (access interfaces). Network domain επιτρέπει στους κόµβους την ασφαλή ανταλλαγή δεδοµένων (exchange signalling data and user data), και προστατεύει το σταθερό δίκτυο από πιθανές επιθέσεις. User domain παρέχει ασφαλή πρόσβαση στα τερµατικά. Application domain security επιτρέπει την ασφαλή ανταλλαγή πληροφοριών µεταξύ των χώρων του χρήστη και του operator. Visibility and configurability of security ενηµερώνει τον χρήστη για το χαρτοφυλάκιο των security features και τον συσχετισµό των εφαρµογών ασφάλειας µε τις διάφορες υπηρεσίες του δικτύου. 49 3GPP TS V8.2.1 ( ) 3GPP System Architecture Evolution (SAE); Security architecture 50 3GPP TS V8.2.1 ( ) 3GPP System Architecture Evolution (SAE); Security aspects of non-3gpp accesses 51 Το κείµενο αναλύει τις οµάδες Ι και ΙΙ. Ο αναγνώστης αναφέρεται στο 3GPP TS V8.1.0 ( ) 3G security; Security architecture για περαιτέρω αναλύσεις. 122

123 Το ΜΜΕ, στην διαδικασία πρόσβασης στο δίκτυο, διαθέτει στο UE την προσωρινή ταυτότητα Globally Unique Temporary Identity (GUTI) 52 ή οποία χρησιµοποιείται από το EPS, αντί του IMSI, για τις συναλλαγές µε το σηµείο πρόσβασης radio access link. Το GUMMEI αποτελείται από: το PLMN Id: MCC, MNC το MME Identifier (MMEI): δηλαδή MME Group Id (MMEGI) και MME Code (MMEC) οπού το MMEC προσδιορίζει συγκεκριµένο MME από το pool των διαθέσιµων MME, ενώ το MMEGI προσδιορίζει τις διάφορες οµάδες (pools) των MME. Το SAE TMSI (S-TMSI), συµπυκνωµένη µορφή του GUTI, χρησιµοποιείται για την αναγνώριση του UE µέσω της ασύρµατης σύνδεσης, και συµπεριλαµβάνεται στις προσπάθειες σύνδεσης RRC και στα µηνύµατα τηλεειδοποίησης (paging). Το S- TMSI περιέχει το MMEC και M-TMSI, µέρη του MMEI 53. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται στην διανοµή των MMECs -λόγω της πιθανότητας επικάλυψης των περιοχών MME pool- ώστε να εξασφαλιστεί ότι τα MMEs που εξυπηρετούν τις επικαλύπτοντες περιοχές δεν διατίθενται το ίδιο MMEC 54. Η ανανέωση της προσωρινής ταυτότητας του UE εκπληρώνεται µέσω διαδικασιών αναδιανοµής του GUTI 55 και ακολουθή πάντα την έναρξη των διαδικασιών NAS (Non Access Stratum) ciphering. Επίσης, το The International Mobile Equipment Identity (IMEI) µεταφέρεται µε χαρακτηριστική εµπιστευτικότητα-ασφάλεια κατόπιν αιτήσεως από το δίκτυο χρησιµοποιώντας τις διαδικασίες του NAS Οι διαδικασίες Authentication and Key Agreement (AKA) επικαλούνται από το EPS για την παροχή αµοιβαίας πιστοποίησης χρήστη-δικτύου όπως και την επίτευξη συµφωνίας για τη βασική διοικητική οντότητα ασφαλούς πρόσβασης (KASME). Το KASME διαµορφώνει την βάση των κλειδιών Access Stratum (AS) and NAS ciphering που χρησιµεύουν στην προστασία του AS Radio Resource Control (RRC), του user plane, όπως και της σηµατοδότησης NAS signalling protection. Η οντότητα ASME του δικτύου πρόσβασης λαµβάνει τα κλειδιά υψηλού επιπέδου (top level keys) από το HSS και στην περίπτωση του E-UTRAN το MME αναλαµβάνει το ρόλο του Access Security Management Entity (ASME). 52 To GUTI αποτελείται από δύο µέρη : το Globally Unique MME Identity (GUMMEI) δηλαδή η ταυτότητα του συγκεκριµένου MME και το M-TMSI δηλαδή η ταυτότητα του συγκεκριµένου UE. 53 Υπ όψιν ότι S-TMSI δεν συµπεριλαµβάνει MMEGI, συστατικό των pool MME. 54 3GPP TS V8.3.0 ( ) Technical Specification Group Core Network andterminals; Numbering, addressing and identification 55 3GPP TS V8.4.0 ( ) General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access και 3GPP TS V8.0.0 ( ) Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3 123

124 Το EPS δηµιουργεί το πλαίσιο ασφάλειας (Security Context) ως αποτέλεσµα του EPS AKA και προσδιορίζεται αποκλειστικά από το evolved Key Set Identifier (eksi) τύπου KSIASME, και διατίθεται από το MME ως τµήµα της διαδικασίας EPS AKA. Το συγκεκριµένο πλαίσιο ασφάλειας αποτελείται από οντότητες του AS και NAS. Τα UE και MME διατηρούν ταυτόχρονα έως και δύο πλαίσια ασφάλειας EPS όπου πχ. κατά τη διαδικασία επαναπιστοποίησης του τρέχοντος και του παραγµένου security context συνυπάρχουν κατά την περίοδο µετάβασης. Το πλαίσιο ασφάλειας το οποίο αποθηκεύεται για µέλλουσες προσβάσεις αποκαλείται "cached security context." Το UE που µεταβιβάζεται από EMM-DEREGISTERED σε EMM- REGISTERED χωρίς πλαίσιο ασφάλειας επικαλείται την διαδικασία Extended Pedestrian A (EPA) AKA, η οποία είναι προαιρετική στις περιπτώσεις χρήσης του cached security context. Με την ίδια λογική, η µεταβίβαση του UE από EMM-IDLE σε EMM-CONNECTED (EMMREGISTERED state) θα περιλαµβάνει πάντα το εναποθηκευµένο πλαίσιο ασφάλειας (EPS cached security context) καθιστώντας άλλη µια φορά προαιρετικό το EPS AKA. Το EPS mapped security context δηµιουργείται από την µετατροπή των πλαισίων ασφάλειας που διαβιβάζονται από το SGSN µέσω των S3 διεπαφών, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας 3GPP Inter-RAT handover από το UTRAN/GERAN στο E- UTRAN. Οι πληροφορίες πιστοποίησης ανακτώνται από το HSS µέσω της διεπαφής S6α κατόπιν αιτήσεως του ΜΜΕ. Οι πληροφορίες περιλαµβάνουν το IMSI, το serving network identity (κώδικες χώρας και κινητού δικτύου), τον τύπο του δικτύου (E- UTRAN), τον αριθµό των ζητούµενων διανυσµάτων πιστοποίησης (AV) που το ΜΜΕ είναι προετοιµασµένο να λάβει. Κατά την λήψη (MME) των δεδοµένων (authentication data request), η βάση δεδοµένων (HSS) προκαλεί µέσω του κέντρου πιστοποίησης (Authentication Center) την παραγωγή των αντίστοιχων AV εφ όσον δεν είναι διαθέσιµα στην βάση δεδοµένων. Η βάση δεδοµένων HSS παράγει το KASME το οποίο επιστρέφεται στο MME µέρος των EPS AV της authentication data response. Τα επιστρεφόµενα EPS AVs, τα οποία είναι ισάριθµα ή λιγότερα των αιτούµενων του MME AVs, περιλαµβάνουν τους µεταβλητές Random Number RAND, expected user response (XRES), authentication (AUTN), and KASME 56. Η πιστοποίηση του UE ενεργοποιείται από το serving MME µέσω των διαδικασιών EPS NAS. Η λήψη του EMM authentication request περιλαµβάνει τις παραµέτρους RAND AUTN, όπως και eksi ή KSIASME 57. Η πληροφορίες, συµπεριλαµβάνοντας και το GUTI- αν είναι διαθέσιµο- αποθηκεύονται στο UE και στο ΜΜΕ επιτρέποντας το «cashing» και την επαναχρησιµοποίηση του KASME (χωρίς επαναπιστοποίηση) σε επακόλουθες συνδέσεις. Η κάθε διαδικασία πιστοποίησης περιλαµβάνει διαφορετικό KSIASME και το UE µεταφέρει στο MME την 56 3GPP TS V8.1.1 ( ) Evolved Packet System (EPS); Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol 57 Το οποίο διατίθεται από το MME και προσδιορίζει αποκλειστικά το KASME. 124

125 authentication response και user response (RES) µετά από την επιτυχηµένη επεξεργασία των στοιχείων επικύρωσης (authentication challenge data). Το ΜΜΕ επικυρώνει την συµβατικότητα και ορθότητα του RES, και προσδιορίζει το «ενδιάµεσο» KASME µετά από την ολοκλήρωση του τρέχοντος EPS AKA, µε βάση το προσύµφωνο µεταξύ του UE και του MME 58. Η ταυτοποίηση του UE πραγµατοποιείται µέσω UE identification request το οποίο αποστέλλεται από το serving MME µέσω των διαδικασιών EPS NAS. Στην περίπτωση απουσίας συγκεκριµένου GUTI, το ΜΜΕ θα προχωρήσει στην αποστολή του EPS Mobility Management (EMM) identity request προς το UE, αιτώντας την µόνιµη ταυτότητα του UE, δηλαδή το IMSI. Σηµειώνεται ότι το EMM identity request χρησιµοποιείται στην λήψη του International Mobile Equipment Identity (IMEI) ως µέρος της διαδικασίας the Mobile Equipment (ME) identity check όπου το επιστρεφόµενο IMEI µεταφέρεται για πιστοποίηση στο σύστηµα EIR (Equipment Identity Check) µέσω της διεπαφής S13. Η προστασία εµπιστευτικότητας και ακεραιότητας της σηµατοδότηση επιβεβαιώνεται από δύο συσχετιζόµενα επίπεδα ασφάλειας: το επίπεδο του Access Stratum (AS) και του Non Access Stratum (NAS). Το σύστηµα επίσης επιτρέπει την δυνατότητα χρήσης των µηχανισµών Ciphering για την παροχή της σηµατοδότησης και της εµπιστευτικότητας στοιχείων µεταξύ του UE και EPS, καθώς και µηχανισµούς integrity και replay για την εξασφάλιση της ακεραιότητας της σηµατοδότησης και των δεδοµένων του χρήστη. Η προστασία δεδοµένων είναι περιττή στις περιπτώσεις tunneling του user plane µεταξύ των enb και S-GW καθώς οι υπηρεσίες NDS (Network Domain Security) θα επικαλεστούν για την προστασία του Transport Layer, όπως και οι εφαρµογές integrity and replay protection είναι περιττές στην µεταφορά δεδοµένων του επιπέδου χρήστη µεταξύ το UE και enb. Αναλυτικά, οι αλγόριθµοι του EPS (Encryption Algorithms ή EEA) σχηµατίζονται µε 4µπιτο identifier και 128µπιτο input key : "00002" 128-EEA0 Null ciphering algorithm "00012" 128-EEA1 SNOW 3G "00102" 128-EEA2 AES Οι αλγόριθµοι ακεραιότητας EPS (EPS Integrity Algorithms ή EIA) σχηµατίζονται µε 4µπιτο identifier και 128µπιτο input key : "00012" 128-EIA1 SNOW 3G 58 3GPP TS V8.0.0 ( ) Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3 125

126 "00102" 128-EIA2 AES Σηµειώνουµε: EEA0 προσδιορίζει το null ciphering algorithm, το οποίο υπονοεί τη µη ενεργοποίηση του ciphering, ως εκ τούτου καµία προστασία εµπιστευτικότητας δεν προσφέρεται. Η απουσία του EIA0 απεικονίζει την ανάγκη του για integrity protection των σηµατοδοτήσεων RRC (AS) και µε τις σχετικές επιφυλάξεις 59 EEA1/EIA1 βασίζεται στο SNOW3G δηλαδή το UMTS Encryption Algorithm, UEA2, µέρος της 3GPP Release 7 για UMTS confidentiality protection. EEA2/EIA2 βασίζεται στο Advanced Encryption Standard (AES). Η επιλογή του AS και NAS EEA/EIA µπορεί να διαφέρει. Η επιλογή του EIA εκτελείται ανεξάρτητα από την επιλογή του EEA. Οι περιπτώσεις Ciphering οδηγούν την επιλογή του ίδιου EEA/AS για το RRC και User Plane Οι σηµατοδοτήσεις RRC, user plane, και NAS θα χρησιµοποιούν διαφορετικά κλειδιά τα οποία παράγονται από το KASME µέσω της διαδικασίας EPS AKA. Το MME ενεργοποιεί το EPS AS πλαίσιο ασφάλειας στο enodeb (enb) στις περιπτώσεις ECMCONNECTED του UE δηλαδή στην προετοιµασία του intra LTE handover. Στην επίκαιρη στιγµή, τα δεδοµένα που αφορούν τις δυνατότητες, το πλαίσιο ασφάλειας και µεταβατικά στοιχεία όπως τα σχετικά κλειδιά µεταφέρονται από το serving enb στο target enb. Το πλαίσιο ασφάλειας (EPS AS) διαγράφεται στο enb την στιγµή που το UE αποκτά την κατάσταση (STATE) ECMIDLE ή στην ολοκλήρωση του intra-lte handover. Η διαδικασία εντολής ασφάλειας του RRC θα επικαλεσθεί από το enb προς το UE στην αρχική φάση της καθιέρωσης του πλαισίου ασφάλειας AS/SRB1, δηλαδή πριν την ενεργοποίηση των Signalling Radio Bearer 2 (SRB2) και Data Radio Bearers (DRBs). Η ενεργοποίηση του καινούργιου πλαισίου ασφάλειας - η non ciphered αποστολή της σχετικής integrity-protected AS security mode εντολής εκτελείται µε γνώµονες τα EEA, EIA και eksi (εντός του ίδιου σήµατος) τα οποία βασίζονται στα χαρακτηριστικά και τις δυνατότητες ασφάλειας του UE, και περιγράφουν τα υποστηριζόµενα EEA και EIA όπως και τις τοπικές παραµέτρους και λίστες προτεραιότητας του σχετικού enb. Το δίκτυο πάντα επιλέγει τα EEA και EIA µε τις υποστηριζόµενες υψηλότερες προτεραιότητες από το enb και το UE οπού οι δυνατότητες ασφάλειας του UE µεταφέρονται από το MME µέσω των διαδικασιών S1-AP κατά την αρχική καθιέρωση του πλαισίου, ή κατά την διανοµή πόρων της διαδικασίας S1 intra LTE handover. Οι σχετικοί κατάλογοι παρέχονται επίσης από το source enb κατά την διάρκεια της προετοιµασίας του X2 initiated handover. Ανάλογα µε το δίκτυο, η ενηµέρωση των ΕΕΑ/ΕΙΑ (AS) πραγµατοποιείται ως µέρος του intra LTE handover, µια και τα διάφορα enbs περιέχουν ποικίλα επίπεδα υποστήριξης για τους αλγορίθµους ασφάλειας. Οι διαδικασίες ciphering και deciphering του AS στο downlink ακολουθούν την αποσταλµένη από το enb προς το UE εντολή ασφάλειας (security mode command) όπου δεν απαιτείται η ολοκλήρωση της διαδικασίας µέσω του security mode complete message. Στο uplink, η διαδικασία 59 3GPP TS V8.4.0 ( ) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Radio Resource Control (RRC); Protocol specification 126

127 ολοκληρώνεται µε την αποστολή του µηνύµατος security mode complete από το UE στο enb οπού ακολουθούν η σχετικές διαδικασίες ciphering και deciphering του AS. Το µήνυµα AS security mode complete αποστέλλεται µε το αναγκαίο ciphering και integrity protection και το πλαίσιο ασφάλειας το οποίο ορίζεται για ενεργοποίηση, χωρίς ρητό ορισµό του χρόνου έναρξης (user plane ciphering) µια και η καθιέρωση των DRBs ακολουθεί πάντα τις διαδικασίες ασφάλειας, και µια και τα DRBs µοιράζονται το EEA µε τα SRBs. Τα σχετικά κλειδιά ανανεώνονται µέσω των handovers RRC connection reestablishments καθώς οι «αναζωογονήσεις» των κλειδιών εκτελούνται µέσω των διαδικασιών των intra cell handovers 60. Η κωδικοποίηση του επιπέδου έλεγχου δεδοµένων (Packet Data Units ή PDUs και Packet Data Control Plane ή PDCP) εκτελείται µε µετασυµπίεση του header, ενώ η αποκωδικοποίηση πραγµατοποιείται µέσω προαποσυµπίεσης της επικεφαλίδας (τα SRBs εξαιρούνται από τις διαδικασίες συµπίεσης). Οι διαδικασίες ciphering/deciphering εκτελούνται στα bytes δεδοµένων των SRB/DRB και στο Message Authentication Code (MAC-I) του SRB. Εξαιρούνται από κωδικοποίηση τα PDCP control PDUs. Όσον αφορά τα SRBs, η κωδικοποίηση των data πάντα ακολουθεί την διαδικασία προστασία ακεραιότητας και πιστοποίησης (Integrity protection and validation) η οποία εφαρµόζεται στην επικεφαλίδα του PDCP PDU 61 To EPS επιτρέπει το προσδιορισµό ή επαναπροσδιορισµό του πλαισίου ασφάλειας NAS. Ο προσδιορισµός εκτελείται µέσω διαδικασίας security mode control (από το MME στο UE) η διαδικασία χρησιµεύει επίσης στην αρχική διάταξη του πλαισίου ασφάλειας, σε επαναπιστοποίηση, ή τροποποιήσεις πλαισίου (πχ. αλλαγή αλγορίθµων κλπ.). Η ενεργοποίηση της διαδικασίες αποτελείται από την αποστολή µηνύµατος (NAS security mode command message) συµπεριλαµβάνοντας το EIA και σχετικό non ciphered security context key οπού τα του καινούργιου πλαισίου επιλεγµένα EEA, EIA και eksi περιλαµβάνονται στην αποστολή, και αντικατοπτρίζουν τις δυνατότητες (όσον αφορά την ασφάλεια) του UE, τις τοπικές ρυθµίσεις και τους καταλόγους προτεραιότητας του MME. Το δίκτυο επιλέγει τα EEA και ΕΙΑ µε τις υψηλότερες προτεραιότητες που υποστηρίζονται από το MME και UE. Τα NAS EEA/EIA ενηµερώνονται κατά τον αναπροσδιορισµό του MME, µια και το MME άγκυρα και target κατέχουν εναλλακτικά επίπεδα υποστήριξης των αλγορίθµων ασφάλειας. Το NAS security mode complete message µεταδίδεται κωδικοποιηµένο και ακέραιο και συµπεριλαµβάνει το πλαίσιο ασφάλειας προς ενεργοποίηση το σύνολο των µηνυµάτων NAS κωδικοποιούνται εξαιρώντας το ΕΜΜ attach request, tracking, update request και security mode command, τα οποία ακολουθούν την ανταλλαγή των διαδικασιών ασφάλειας, και τα οποία επιβάλλονται έως και ώσπου διακοπή η σύνδεση σηµατοδότησης NAS, και το MME επανέρθει σε κατάσταση αναµονής ECM-IDLE. Το δίκτυο µεταφέρει αποκωδικοποιηµένα integrity protected NAS µηνύµατα στο πλαίσιο του EPS cached security σε κάθε µεταβίβαση µεταξύ ECM-IDLE σε ECM- CONNECTED. Στην περίπτωση απώλειας του EPS cached security context, το δίκτυο επικαλείται και αποστέλλει τις διαδικασίες EPS AKA, NAS και AS Security 60 3GPP TS V8.4.0 ( ) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Radio Resource Control (RRC); Protocol specification 61 3GPP TS

128 Mode Control για τον αναπροσδιορισµό του πλαισίου ασφάλειας EPS όσον αφορά το NAS και AS. Στην περίπτωση διαθέσιµου EPS cached security context, το UE αποστέλλει το eksi που αντιστοιχεί στο εναποθηκευµένο πλαίσιο, θέτοντας προαιρετικό το EPS AKA. Στην περίπτωση ενεργοποίησης του εναποθηκευµένου πλαισίου ασφάλειας, η παρούσα σύνδεση NAS ανανεώνει το enb key (KeNB) και το µεταφέρει µέσω της διεπαφής S1-AP των ΜΜΕ και e-node B. H ενηµέρωση του UE για το eksi γίνεται µέσω των διαδικασιών ασφάλειας ελέγχου (security mode control procedures) που ενδείχνουν το έγκυρο KASME. Τα σχετικά κλειδιά αποκτούνται ταυτόχρονα στο enb και στο UE χωρίς την ανάγκη ενεργοποίησης των διαδικασιών ασφάλειας NAS. Η ανταπόκριση του ΜΜΕ στο UE - µέσω µηνύµατος κωδικοποιηµένου (ciphered) και πιστοποιηµένου (integrity protected) µε το αντίστοιχο ενεργοποιηµένο εναποθηκευµένο πλαίσιο ασφάλειας - µε την αποστολή της αντίστοιχης διαδικασίας τερµατίζει το βρόχο πλαισίου ασφάλειας NAS πχ. η περίπτωση του Tracking Area Update (TAU) accept και attach accept 62. Τα κωδικοποιηµένα (ciphered) µηνύµατα NAS µεταφέρονται σε συγκεκριµένο τεµάχιο των προστατευµένων µηνυµάτων NAS. Η διαδικασίες προστασίας ακεραιότητας (integrity protection) ακολουθούν την κωδικοποίηση (ciphering) του µηνύµατος και συµπεριλαµβάνουν το µήνυµα και αριθµό ακολουθίας (sequence number) όπου έπειτα υπολογίζεται και συµπληρώνεται εντός του µηνύµατος το σχετικό MAC. Η επικύρωση ακεραιότητας (integrity validation) εκτελείται πριν από την αποκρυπτογράφηση του ενσωµατωµένου µηνύµατος NAS. Το κάθε µήνυµα EMM συµπεριλαµβάνει και επικεφαλίδα ασφάλειας (security header) που περιέχει σχετικές πληροφορίες για το NAS PDU 63. Ιεραρχικά, τα κλειδιά ασφάλειας EPS αποτελούνται από 256 bits, όπου χρησιµοποιούνται από τους αλγόριθµους AS και NAS τα 128 LSB Τα ciphering και integrity keys εξαρτώνται από τους αλγόριθµους άρα κάθε αλλαγή των αλγόριθµων αναµένει αναπαραγωγή των κλειδιών. Το eksi προσδιορίζει το αποκλειστικό KASME και τα σχετικά κλειδιά που προέρχονται από το συγκεκριµένο KASME. Τα µεταβατικά κλειδιά KeNB και Next Hop (NH) παράγονται κατά την διάρκεια των Intra-LTE handovers οπού χρησιµοποιούνται για την παραγωγή του ανανεωµένου KeNB. Το αρχικό KeNB, µε Next Hop Chaining Counter (NCC) στο «0», παράγεται από το MME και αποστέλλεται στο serving eνβ καθώς το UE µεταβιβάζεται από ECM- IDLE σε ECM-CONNECTED 64 σε καινούργιο (EPS AKA) ή τρέχον (cached) πλαίσιο ασφάλειας EPS. Σηµειώνεται ότι το NH παράγεται αποκλειστικά στο MME και UE αρά η ενηµερώσεις των {NCC, NH} µεταφέρονται από το MME στο serving enb κατά την διαδικασία του inter-enb handover οπού το source enb πάντα παράγει 62 Εξαιρείται στη διαδικασία TAU οπού active flag is not set όπου η σύνδεση NAS δεν περιλαµβάνει την ενεργοποίηση των DRBs και ελευθερώνει τους πόρους στον τερµατισµό της διαδικασίας 63 3GPP TS V8.0.0 ( ) Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage GPP TS V8.1.1 ( ) Evolved Packet System (EPS); Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol 128

129 (σε περιπτώσεις S1 ή Χ2 initiated intra ή inter enb handover) το KeNB*. Το KeNB* αποστέλλεται στο target enb και χρησιµεύει στην παραγωγή του KeNB βασικού κλειδιού του EUTRAN για την παραγωγή των περαιτέρω AS ciphering και integrity κλειδιών. Η παραγωγή του KeNB* ενσωµατώνει το Physical Cell Id (PCI) της target κυψέλης, και τον τρέχοντα µεταβλητή KeNB ή NH. Ακλουθώντας συγκεκριµένο µοντέλο (Σχήµα Σ 6.2), η οριζόντια παραγωγή των keys χρησιµοποιεί KeNB καθώς η κάθετη παραγωγή πραγµατοποιείται µε τον µεταβλητή NH. Τα «κάθετα» keys χρησιµεύουν στις περιπτώσεις που το source enb αποκτά ζεύγος {NCC, NH} όπου το (NCC > του τρέχοντος KeNB) και η οριζόντια παραγωγή στις άλλες. Στην περίπτωση του intra-enb handovers, το source enb επιλέγει τον τρόπο παραγωγής. Σ 6.2 : Ιεραρχία κλειδιών ασφάλειας Η δυναµική τροποποίηση των keys εκτελείται άµεσα από διαδικασίες re-keying ή έµµεσα από διαδικασίες key-refresh. Re-keying του access stratum Re-keying του access stratum εκτελείται στην περίπτωση που η ενεργοποίηση του πλαισίου ασφάλειας the AS EPS διαφέρει από το τρέχον πλαίσιο ασφάλειας κατα AS re-keying, το MME µεταδίδει το ενηµερωµένο KeNB στο εξυπηρετώντας enb, το οποίο παράγει τα security keys για τα SRBs και DRBs µε τις διαδικασίες του AS intra-cell handover να ενεργοποιούν το καινούργιο AS EPS security context. Οµοίως, re-keying του non-access stratum προκύπτει σε διαφορά µεταξύ NAS EPS security context ( to be activated ) µε το τρέχον active security context. Κατά τη διάρκεια του NAS re-keying, το MME παράγει τα NAS security keys, και το NAS security mode control θεµελιώνει το καινούργιο NAS EPS security context. Σε περίπτωση αλλαγής KASME, η διαδικασία AS re-key ακολουθεί τη διαδικασία NAS re-key. Η διαδικασία Key refresh προκύπτει µε την εντόπιση (από το enb όπου η διαδικασία πυροδοτείται µέσω των διαδικασιών AS intra-cell handover ) wrap around της αξίας της µεταβλητής PDCP COUNT. Με τον ίδιο τρόπο, key refresh για το NAS προκύπτει µε την εντόπιση του wraparound NAS COUNT από το MME το οποίο πυροδοτεί καινούργια διαδικασία EPS AKA µε την «επανακλειδωποίηση» της συνολικής ιεραρχίας. 129

130 Η προστασία των διεπαφών IP του EPS εφαρµόζεται σύµφωνα µε τις συστάσεις της αρχιτεκτονικής ασφάλειας για τις Network Domain IP (NDS/IP) διεπαφές (Σχήµα Σ 6.3) 65. Η ασφάλεια παρέχεται µέσω του στρώµατος δικτύου χρησιµοποιώντας το πρωτόκολλα IPSec 66. Σ 6.3 : Αρχιτεκτονική NDS για IP πρωτόκολλα ίκτυα βασισµένα σε NDS/IP διαπραγµατεύονται συσχετισµούς ασφάλειας µεταξύ των Security Gateways (SEG) µέσω των πρωτοκόλλων IKEv1 και IKEv2 όπου οι συστάσεις επισηµάνουν την αναγκαία υποστήριξη και των δύο εκδόσεων IKE από τα SEGs µε την έκδοση v2 να ενεργοποιείται µέσω peers. Οι αλγόριθµοι απόκρυψης και πιστοποίησης (IPSec) για λόγους εµπιστευτικότητας και ακεραιότητας πληροφοριών διαµορφώνου σηµεία κλειδιά των γενικών συστάσεων των IKE. 67 Στην περίπτωση του tunnel mode το ESP προστατεύει το σύνολο του πακέτου IP, συµπεριλαµβανοµένης και της εσωτερικής επικεφαλίδας. Καινούργια επικεφαλίδα διαµορφώνεται µε τις διευθύνσεις του σχετικού IPSec security association peers (δηλαδή των SEGs) µε την ταυτότητα πρωτοκόλλου σεταρισµένη στο 59 (ESP). Η λειτουργία του ESP επαρκεί µε ή χωρίς τη προστασία εµπιστευτικότητας (confidentiality protection) οπού µηδενική κρυπτογράφηση εφαρµόζεται στην περίπτωση που η προστασία εµπιστευτικότητας είναι µη ενεργοποιηµένη. Στην περίπτωση αυτή, σε tunnel mode, το αρχικό πλαίσιο IP (IP frame) συµπεριλαµβάνοντας την επικεφαλίδα και το ωφέλιµο φορτίο ενθυλακώνεται στο tunneled ESP frame, µε το φορτίο να παραµένει αποκρυπτογραφηµένο. Η ενεργοποίηση της εµπιστευτικότητας (κρυπτογράφησης) και προστασίας ακεραιότητας (integrity protection) οδηγεί στην κρυπτογράφηση του φορτίου δεδοµένων (IP payload). 65 3GPP TS V8.2.0 ( ) 3G security; Network Domain Security (NDS); IP network layer security 66 IETF RFC IETF RFC 2407,IETF RFC 2408,IETF RFC 2409,IKEv2 RFC

131 Η επικεφαλίδα ESP πάντα ακολουθεί την επικεφαλίδα IP και αποτελείται από 32-bit Security Parameter Index (SPI) και 32µπιτο αριθµό ακολουθίας ή Sequence Number (SN). Ακολουθεί επισυναπτόµενο ESP trailer στο δεδοµενόγραµµα διέλευσης IP (tunnelled IP datagram) το οποίο περιλαµβάνει : Traffic Flow Confidentiality (TFC) padding Padding (παραγέµισµα) Pad length Next header (επόµενη επικεφαλίδα) Extended Sequence Number (Εκτεταµένος αριθµός ακολουθίας (MSB, 32-bit)) Οι συσχετισµοί ασφάλειας προσδιορίζονται µεµονωµένα από τις ακόλουθες παραµέτρους στο παραλήπτη: Security Parameter Index (SPI) ή δείκτης παραµέτρων ασφάλειας Destination IP address (SA end point) ή διεύθυνση προορισµού Security protocol (ESP in NDS/IP) ή πρωτόκολλο ασφάλειας. Ο 32µπιτος δείκτης παραµέτρων ασφάλειας διατίθεται στην δηµιουργία του SA ενώ ο 32µπιτος αριθµός ακολουθίας (SN µε 0 αρχική τιµή στη καθιέρωση του συσχετισµού ασφάλειας ή Security Association SA) διατίθεται ανά πακέτο SA και αυξάνεται µε κάθε εξερχόµενο πακέτο οπού το πρώτο απεσταλµένο πακέτο περιέχει τον αριθµό 1. Η ανακύκλωση του SN µεταδόσεως δεν επιτρέπεται µε ενεργοποιηµένο anti-replay οδηγώντας σε αντικατάσταση του υπάρχοντος SA µε καινούργιο SA προτού την αποστολή του τελευταίο outbound πακέτου. Σε περιβάλλον υψηλής ταχύτητας η χρήση του µηχανισµού εκτεταµένου αριθµού ακολουθίας (ESN - RFC 4303) διαπραγµατεύεται µέσω SA management protocol αν και το IKEv2 υποθέτει 64µπιτο ESN. Στην συγκεκριµένη περίπτωση η χρήση του 32µπιτου SN απαιτεί διαπραγµάτευση και στη περίπτωση χρήσης ESN, κάθε απεσταλµένο SN στο συγκεκριµένο πεδίο του ESP header κατέχει τα κατώτερα 32 µπιτς. Στις περιπτώσεις διαφορετικών αλγόριθµων encryption και integrity, τα άνω 32 µπιτς δεν µεταδίδονται ως µέρος του πακέτου IPSec ESP, εντούτοις συµπεριλαµβάνονται στον υπολογισµό του Integrity Check Value (ICV). Στην περίπτωση του Cipher Block Chaining (CBC) ο διανυσµατικός έναρξης (IV) πχ. στις περιπτώσεις 3DES- CBC ή AES-CBC οπού προτάσσεται πριν τα payload data ή στην περίπτωση του tunnel mode πριν το IP header and payload στις περιπτώσεις 3DES-CBC (64 bits) and AES-CBC (128 bits) χωρίς απόκρυψη. Το µέγεθος του πεδίου IV ισοδυναµεί µε τον χρησιµοποιούµενο encryption αλγόριθµο. Η λειτουργία σε tunnel mode όσον αφορά τα δεδοµένα φορτίου - οδηγεί στην χρήση του συνολικού δεδοµενόγραµµου, συν την επικεφαλίδα IP και πληροφορίες φορτίου (payload information). Η προαιρετική χρήση του TFC παραγεµίσµατος αποκρύπτει τα κυκλοφοριακά χαρακτηριστικά σε σχέση µε τις κυκλοφοριακές συστάσεις εµπιστευτικότητας και προσθέτεται στις περιπτώσεις που τα δεδοµένα φορτίου περιέχουν το αρχικό µέγεθος του IP datagram (δεδοµενογράµµατος), που πάντα ισχύει στις περιπτώσεις tunnel mode. 131

132 Το παραγέµισµα των δεδοµένων προς κρυπτογράφηση θα ευθυγραµµίζεται µε το µέγεθος του µπλοκ του αλγόριθµου CBC και µε το 4 byte όριο. Το µέγεθος των CBC αυτοµάτως ικανοποιεί τα απαιτούµενα όρια δεδοµένου ότι οι αλγόριθµοι 3DES-CBC και AES-CBC κατέχουν µεγέθη µπλοκ διαιρούµενα των 4 µπάϊτς. Τα δεδοµένα προς κρυπτογράφηση συµπεριλαµβάνουν τα δεδοµένα φορτίου (payload data), παραγεµίσµατα TFC (Transport Format Combination), παραγεµίσµατα, µήκος παραγεµισµάτων (pad length), και το επόµενο πεδίο επικεφαλίδας (next header field). εν περιλαµβάνει τα µη κρυπτογραφηµένα IV. Το µήκος του παραγεµίσµατος δείχνει τον αριθµό των µπάϊτς παραγεµίσµατος (padding bytes) εξαιρώντας τα TFC padding bytes. Ο δείκτης επόµενης επικεφαλίδας (next header) δείχνει τον τύπο των δεδοµένων στο πεδίο φορτίου δεδοµένων πχ. δεδοµενόγραµµα τύπου IPv4 ή IPv6 ή επικεφαλίδα και δεδοµένα επόµενου στρώµατος. Η τιµή του πεδίου επόµενης επικεφαλίδας (next header field) επιλέγεται µε βάση τους αριθµούς πρωτοκόλλων της ΙΑΝΑ 68 πχ. 4 για το IPv4, 41 για το IPv6 κλπ. Ο υπολογισµός του ICV εκτελείται µέσω της επικεφαλίδας ESP, του φορτίου (σύν IV), ESP trailer, και εφ όσον υπάρχει, το παραγέµισµα ακεραιότητας (integrity padding) και τα 32µπιτα πεδία του ESN 69 µε τον HMAC-SHA-1-96 να παράγει 160µπιτη αξία αυθεντικότητας οπού ο ICV θα αποθηκεύσει τα πρώτα 96 µπιτς και οπού ο παραλήπτης θα υπολογίσει 160µπιτη αξία αυθεντικότητας οπού θα χρησιµοποιηθούν τα πρώτα 96 µπιτς τα οποία θα συγκριθούν µε τα αποθηκευµένα του ICV. Το ICV υπολογίζεται µέσω κρυπτογραφηµένου φορτίου δεδοµένων το παραγέµισµα του ICV χρησιµοποιείται για τον υπολογισµό ανεξαρτήτως αν δεν αποστέλλεται. Ο HMAC-SHA-1-96 λειτουργεί σε µπλοκ δεδοµένων των 64 µπάϊτς, υπονοώντας ότι το παραγέµισµα ICV λειτουργεί ως καταλύτης στο παραγέµισµα του ορίου των 64 bytes. Ο θρυµµατισµός των πακέτων έχει την δυνατότητα να εκτελεσθεί πριν ή µετά την επεξεργασία του ESP οπού κατά την λειτουργία tunnel (tunnel mode) ο ESP εφαρµόζεται στο θρυµµατισµένο δεδοµένο 70, ή σε ολόκληρο το δεδοµενόγραµµα στην περίπτωση του transport mode. Η ανασυγκρότηση των δεδοµένων θα γίνει πριν την επεξεργασία του ESP, ή έπειτα στις περιπτώσεις λειτουργίας tunnel mode. Τέτοιου τύπου επεξεργασίες περιπλέκουν αρκετά της εφαρµογές δεσµών SA (SA bundle). H εφαρµογές δεσµών SA αναφέρονται σε ακολουθίες SA µέσω των οποίων επεξεργάζονται δεδοµένα που τηρούν της προδιαγραφές συγκεκριµένων οµάδων πολιτικής ασφάλειας (security policies). Τα SAs δεσµών µπορούν να τερµατίζουν σε διαφορετικά end points πχ. η ESP tunnelling εντός ESP tunnel. Αυτά τα χαρακτηρίστηκα δεν απαιτούνται για του σκοπούς NDS/IP, µια και µία και µόνο ESP SA αρκεί για την εξασφάλιση της σύνδεσης µεταξύ των end nodes Ασχέτως την χρήση τους στον υπολογισµό του ICV, το παραγέµισµα integrity και τα higher-order ESN δεν αποστέλλονται ως µέρος του ESP packet µε ανεξάρτητα εφαρµοσµένους αλγόριθµους κρυπτογράφησης και integrity. 70 Ο θρυµµατισµός µπορεί να πραγµατοποιηθεί µέσω IPSec ή µέσω δροµολογητών. 132

133 Η λειτουργία anti-replay, αναφέρεται συχνά ως µερική ακολουθία της υπηρεσίας προστασίας ακεραιότητας του IPSec, µε κύρια χρήση την ανίχνευση της άφιξης διπλότυπων δεδοµενογράµµων συντηρώντας στον παραλήπτη χρονοθυρίδα antireplay που πιστοποιεί των µαρκαρισµένων από τον αποστολέα, αριθµών ακολουθιών των πακέτων IPSec 71. Η προστασία του υποσυστήµατος IMS (Σχήµα Σ 6.4) επιδιώκεται µε 5 συσχετισµούς ασφάλειας των οποίων η αρχιτεκτονική εφαρµόζεται στο κεντρικό υποσύστηµα IM CN SS 72 : 1. Η αµοιβαία αυθεντικότητα ( Mutual authentication) παρέχει υπηρεσίες αυθεντικότητας της IM Services Identity Module (ISIM) των συνδροµητών, µε το HSS µέσω το Serving Call Session Control Function (S-CSCF). 2. Η δικτυακή πρόσβαση (Network access Gm) καθιερώνει ασφαλή σύνδεση και συσχετισµό ασφάλειας µεταξύ UE και Proxy Call Session Control Function (P- CSCF) για την προστασία του σηµείου αναφοράς Gm. 3. Ο συσχετισµός Network domain Cx παρέχει ασφάλεια εντός του δικτυακού χώρου, µεταξύ του HSS και Interrogating Call Session Control Function (I-CSCF) και µεταξύ του HSS και του SCSCF για την προστασία της διεπαφής Cx. 4. Ο συσχετισµός Network domain (Mw) παρέχει ασφάλεια µεταξύ διαφόρων δικτύων εις όφελος των κόµβων Session Internet Protocol (SIP). Ο συγκεκριµένος συσχετισµός εφαρµόζεται εφ όσον το P-CSCF λειτουργεί ως µέρος του Visited Network (VN). 5. Ο συσχετισµός Network domain (Mw) παρέχοντας ασφάλεια εντός του δικτύου µεταξύ SIP capable nodes. Ο συσχετισµός ισχύει επίσης όταν το P-CSCF εφαρµόζεται εντός του Home Network (HN). 71 IETF RFC GPP TS V8.5.0 ( ) 3G security; Access security for IP-based services 133

134 Σ 6.4 : ΙΜS Security Architecture Η διαδικασία IMS Authentication and Key Agreement (AKA) (Σχήµα Σ6.5) παρέχει αµοιβαία αυθεντικότητα µεταξύ τον χρήστη και το home network. Η IMS AKA χρησιµοποιεί την ίδιες έννοιες και αρχές µε την διαδικασία UMTS/EPS AKA. Ενεργοποιείται σε κάθε περίπτωση UE registration µε το IMS CN, προτού χορηγηθεί η πρόσβαση στο δίκτυο. Η διαδικασία IMS AKA procedure δηµιουργεί πλαίσιο ασφάλειας IMS. Σ 6.5 : ιαδικασία IMS AKA Η σχετικές πληροφορίες πιστοποίησης περιλαµβάνοντα από το HSS του home δικτύου, κατόπιν αιτήσεως - µέσω της διεπαφής Cx - του S-CSCF. Το µήνυµα authentication request (CM1: Cx-AV-Req) συµπεριλαµβάνει και το IP Multimedia Private Identity (IMPI), IP Multimedia Public Identity (IMPU), S CSCF Id, και τον αριθµό των Authentication Vectors (AV) που το S-CSCF είναι έτοιµο να λάβει. Στην λήψη του authentication request από το S-CSCF, το HSS απαντάει µε τα IMS AVs προς το S-CSCF µέσω του µηνύµατος authentication request response (CM2: Cx-AV-Req-Resp) το οποίο περιέχει πίνακα µε τα RAND, XRES, AUTN, CK και IK. Καθε AV ισχύει για µόνο µία µετάδοση IMS AKA µεταξύ S-CSCF και UE 73. Το authentication του UE ξεκινάει µε το S-CSCF. Αν το S-CSCF δεν κατέχει αξιόπιστα IMS AV, αίτηµα υποβάλλεται στο HSS πριν από την επικύρωση UE. Το S-CSCF επιλέγει AV από την λίστα του HSS, και µεταφέρει authentication challenge στο P-CSCF µε τις ακόλουθες παραµέτρους: RAND, AUTN, IK, και CK. Το P-CSCF αποθηκεύει τα AV του S-CSCF και προωθεί authentication challenge στο UE αφαιρώντας τις παραµέτρους IK και CK. Το UE απαντάει µε authentication response (συν XRES) και υπολογίζει τα session κλειδιά CK και IK. 73 3GPP TS V8.4.0 ( ) IP Multimedia (IM) Subsystem Cx and Dx Interfaces, Signalling flows and message contents, 3GPP TS V8.4.0 ( ) Cx and Dx interfaces based on the Diameter protocol; Protocol details 134

135 Ο λογικός κόµβος P-CSCF προωθεί το λαµβανόµενο authentication response στο S-CSCF και το S-CSCF επικυρώνει το XRES, ολοκληρώνοντας την διαδικασία IMS AKA και την συνδροµή του UE στο IMS CN. Το σηµείο αναφοράς Gm µέσω IPSec- επιτρέπει τη χρήση µηχανισµού ciphering για εµπιστευτικότητα στη σηµατοδότηση του SIP, όπως και µηχανισµού προστασίας integrity και replay, µεταξύ UE και P-CSCF. Στην διάρκεια της διαδικασίας SIP registration, τα ESP SAs καθιερώνονται ως µέρος της διαδικασίας authenticated registration και δύο ζεύγη οµοιοκατευθυνόµενων SAs ενεργοποιούνται µεταξύ UE και PCSCF ως αποτέλεσµα της επιτυχηµένης συνδροµής. Συµφωνείται η επιλογή των αλγορίθµων (encryption and integrity) ως παράµετροι των SA και επικαλούνται τα κλειδιά CKESP και IKESP για τα ταυτόχρονα καθιερωµένα ζεύγη των SAs. Τα κλειδιά παράγουν τους αντίστοιχους CKIM and IKIM, µέσω τής βασικής λειτουργίας επέκτασης κλειδιών. Μια διαδικασία τρόπου λειτουργίας επικαλείται να διαπραγµατευτεί τις παραµέτρους SA που θα χρησιµοποιηθούν στην διαµόρφωση προστασίας της εµπιστευτικότητας και ακεραιότητας των υπηρεσιών IMS. Οι προδιαγραφές συστήνουν την εξ ολοκλήρου προστασία των διεπαφών IMS CN στο στρώµα µετάδοσης δικτύου 74, η οποία βασίζεται στο πλαίσιο ασφάλειας NDS/IP 75 και όπου οι υποστηριζόµενες υπηρεσίας ασφάλειας συµπεριλαµβάνουν integrity, confidentiality και anti-replay, και µε τις ακόλουθες συστάσεις να εφαρµόζονται στο σταθµό βάσεως (enb): Πρωτόκολλο ασφάλειας: ESP (RFC 4303) Security mode: tunnel (mandatory) µε transport (optional) Έκδοση ΙΚΕ : IKEv2 Το πλαίσιο ασφάλειας NDS/IP θεωρείται προαιρετικό στην περίπτωση των προστατευµένων φυσικών διεπαφών (trusted environments). 74 3GPP TS V8.5.0 ( ) 3G security; Access security for IP-based services 75 3GPP TS V8.2.0 ( ) 3G security; Network Domain Security (NDS); IP network layer security 135

136 7. Cloud computing σε περιβάλλον LTE Η έννοια του Cloud Computing έχει να κάνει µε την προσφορά on demand υπηρεσιών, εξ αποστάσεως και µέσω διαδικτύου, από δίκτυο shared υπολογιστών («το σύννεφο») σε υπολογιστές ή άλλα τερµατικά.. Το σύννεφο υπολογιστών θεωρείται από αρκετούς ως η φυσική εξέλιξη της διαδεδοµένης υιοθέτησης του virtualization, τον προσανατολισµό προς αρχιτεκτονικές υπηρεσιών, και προς utility computing 76. Ανεξάρτητα από το «µαρκετινγίστικο» ντόρο, αρκετές επιχειρήσεις προχωρούν στη υιοθέτηση των επιχειρησιακών µοντέλων του «σύννεφου» αναπτύσσοντας εφαρµογές, περιεχόµενο, κοινωνικά δίκτυα και εµπορικές συναλλαγές µε κύριους λόγους τη σφαιρική προσιτότητα του διαδικτύου, την ανεξαρτησία των συσκευών, τις οικονοµίες κλίµακας, το µειωµένο κόστος και µειωµένα entry barriers. Η σηµερινές εφαρµογές σύννεφων είναι προσανατολισµένες κυρίως σε συναλλαγές µη πραγµατικού χρόνου, όπου η ταχύτερη ανταπόκριση και υψηλή απόδοση, αν και θεµιτή, δεν απαιτεί ακριβείς χρόνους ανταπόκρισης πχ. browser based applications ή dedicated smartphone applications. Τα συστήµατα και οι εφαρµογές πραγµατικού χρόνου όπως η επικοινωνία µέσω φωνής ή βίντεο, κατέχουν ακριβείς προθεσµίες ανταπόκρισης σχετικά µε τους χρόνους απόκρισης των. Καλούνται να λειτουργήσουν αξιόπιστα µέσα σε αυτούς τους σφιχτούς περιορισµούς ανεξάρτητα από τη διαθεσιµότητα ή την φόρτωση των συστηµάτων. Για να ανταποκριθεί αποτελεσµατικά στις ανάγκες των ευρυζωνικών κινητών υπηρεσιών τύπου LTE, το «σύννεφο» καλείται να προσφέρει πλούσιες υπηρεσίες όπως video sharing και instant messaging εµπλουτισµένες µε τα χαρακτηριστικά της κινητής επικοινωνίας όπως το presence του χρήστη, την άµεση παροχή καινούργιων υπηρεσιών και επέκταση αποθηκευτικού χώρου, συστήµατα πληρωµής κατά χρήση χωρίς πάγια, και απλουστευµένη παροχή υπηρεσιών µέσω πυλών που διευκολύνουν την πρόσβαση σε µηχανισµούς προ-συσκευασµένης αυτοµατοποίησης, ενιαίας παράδοσης και εγκατάστασης, και φυσικά την δυνατότητα καθολικής πρόσβασης. Αρκετοί εκφέρουν την άποψη ότι τα επιχειρησιακά µοντέλα του «σύννεφου» µπορούν να αποτρέψουν την µετατροπή των εταιριών κινητής τηλεφωνίας σε dumb bit pipes 77, όπου η υπηρεσίες προσθεµένης αξίας µονοπωλούνται από την άκρη του δικτύου (πχ. από τα τερµατικά µε µοντέλο peer to peer) - ασχέτως από την ύπαρξη του συστήµατος IMS- και το δίκτυο εξυπηρετεί το κύριο ρόλο του διανοµέα δεδοµένων. Οι εταιρίες κινητής τηλεφωνίας µπορούν να προσφέρουν υπηρεσίες που εκµεταλλεύονται τα business µοντέλα των σύννεφων υπολογιστών και να παρέχουν πλούσια επικοινωνιακή εµπειρία χρησιµοποιώντας τα πρωτόκολλα τελευταίας γενιάς και τις έξυπνες συσκευές. 76 ηλαδή κάτι αντίστοιχο µε επιχειρησιακό µοντέλο παροχής ηλεκτρικού ρεύµατος. 77 DoCoMo plans LTE cloud to avoid dumb pipe, άρθρο του Robert Clark, Telecom Asia, 19 Νοέµβρη

137 Οι εταιρίες κινητής τηλεφωνίας, µε γνώµονα τις ανοικτές αρχιτεκτονικές και το άνοιγµα των APIs 78 προς τους developers, µπορούν να υλοποιήσουν αυτές τις καινούργιες δυνατότητες µέσω καινοτόµων εφαρµογών και εµπλουτισµένη εµπειρία χρηστών. Ταυτόχρονα, κλασσικές πια υπηρεσίες όπως SMS κλπ. µεταφέρονται σε περιβάλλων σύννεφων, εγκαταλείποντας τα υπάρχοντα κουτιά δηλαδή τα SMSC, MMSC και πιθανότατα σε µεσοπρόθεσµο χρονικό διάστηµα, το IMS - και το κόστος συντήρησης των- όπου το µοντέλο των shared πόρων επιτρέπει καλύτερη διαχείριση κόστους στις παλιές υπηρεσίες οπού ή πίεση τιµών στριµώχνει τα περιθώρια κέρδους δηλαδή ένα outsourcing των υπηρεσιών του δικτύου οπού τα κόστη των πόρων µοιράζονται από τους πολλαπλούς χρήστες όπως στο διαδίκτυο. Σε γενικές γραµµές, οι σωστά εφαρµοσµένες και διαστασιοποιήµενες κεντρικές «shared» υπηρεσίες εκτελούνται µε χαµηλότερο κόστος και προσφέρουν χαµηλότερου κόστους πορεία εξέλιξης όσον αφορά την αντικατάσταση των παραδοσιακών υπηρεσιών φωνής µε καινούργιες ευρυζωνικές εφαρµογές, ανάλογες µε αυτές που θα διαθέσουν τα δίκτυα LTE. Αρκετοί προµηθευτές έξυπνων συσκευών προχωρούν σε εφαρµογές και τακτικές «σύννεφων» όπως πχ της Apple το ios ITunes digital locker, το igroups 79 και εξελιγµένες υπηρεσίες και ιστοσελίδες που αυτοµάτως επικεντρώνουν στοιχεία από τα διάφορα iphones και ipads. Μάλιστα το ios 5 κατά πάσα πιθανότητα θα συµπεριλαµβάνει τεχνολογίες τεχνητής νοηµοσύνης, φωνητικών ελέγχων, προηγµένη µηχανή αναζήτησης και τοπογράφησης, και τη πιθανή ενσωµάτωση του χαµηλού ισχύος συστήµατος πρόσβασης LTE της Qualcomm µε το iphone 5. H Google επίσης εξετάζει το ενδεχόµενο προώθησης υπηρεσιών περιεχοµένου µουσικής µέσω σύννεφου, όπως και η Amazon µέσω του Amazon Cloud Drive Service. Μια πρόσφατη έρευνα της ABI Research 80 αναδεικνύει την αύξηση της µαζικής κατανάλωσης της καταγραµµένης µουσικής µε σηµαντική µείωση στη σηµασία ιδιοκτησίας. Η τάσεις οδηγούν στο σηµείο οπού οι υπηρεσίες «νεφελών» το 2016 θα διεκδικούν πρωταρχική θέση κυρίως λόγω χρήσης των κινητών τερµατικών και Smartphones σαν συσκευές αναπαραγωγής- σε πρόσβαση µουσικής ξεπερνώντας τα σκληρά µέσα όπως πχ. τα CD (Σχήµα Σ 7.1). Η συνδροµητές των cloud based music streaming υπηρεσιών υπολογίζονται στα 6 εκατοµµύρια έως το τέλος του 2011 και αναµένονται να ξεπεράσουν τα 161 εκατοµµύρια έως το 2016, µε σταδιακή µείωση των τιµών λιανικής ανά µονάδα δεδοµένου. 78 ηλαδή χρησιµοποιώντας στρατηγικές ανάλογες του Facebook Application Platform, Google Android και Apple ios. 79 location check-in system 80 Mobile Cloud Music Services On demand internet radio, Discovery and Digital Locker Services, ABI Research,Allied Business Intelligence,

138 Σ 7.1 : Συνδροµητές υπηρεσιών ροών µουσικής Απ τη µεριά των δικτύων, ή AT&T (όπως και η Verizon) ακολούθησε τα µονοπάτι του Cloud Computing µέσω της υπηρεσίας Compute as a Service (CaaS) ή οποία ξεκίνησε άδοξα το 2009 µε αρκετά προβλήµατα αξιοπιστίας 81, και η οποία βασίζεται σε VMware VSphere virtualization platform µε διαστάσεις των servers ξεκινώντας από Small (1 CPU and 4 GB of memory), Medium (2 CPUs and 8 GB of memory) έως και Large (4 CPUs and 16 GB of memory). Πρόσβαση στο σύννεφο θα αξιοποιείται µέσω του δικτύου της ΑΤ&Τ και του διαδικτύου. Η Telefonica επίσης αποφάσισε να µπει δυναµικά στον χώρο των Telephony Cloud Services µε την έναρξη της υπηρεσίας εικονικού κινητού τηλεφώνου ή Virtual Mobile Number Service. Η υπηρεσία θα επιτρέπει την κατοχή δεύτερου τηλεφωνικού αριθµού στην υπάρχουσα συσκευή και κάρτα SIM, µε πρόσβαση σε over the top υπηρεσίες σύννεφων όπως Voic και προηγµένο φιλτράρισµα εισερχόµενων κλήσεων. Η κίνηση της Telefonica είναι απάντηση στρατηγικού χαρακτήρα σε ανταγωνιστές σαν το Skype, το οποίο το 2010 είδε το µερίδιο αγοράς του σε διεθνείς κλήσεις να διπλασιάζεται στο 25% όπως επίσης αυξήθηκαν εντυπωσιακά οι υπηρεσίες στις άκρες του δικτύου µέσω Smartphones αλλά χρησιµοποιώντας WiFi σηµεία πρόσβασης και όχι το ευρυζωνικό δίκτυο της εταιρείας. 81 ηλαδή τα ίδια προβλήµατα που παρουσίασε το TaxisNet στις αρχές του 2011, προς αγανάκτηση των φορολογουµένων. 138

139 Αναµφισβήτητα, οι αρχιτεκτονικές cloud computing προσφέρουν ενδιαφέρουσες αν όχι εντυπωσιακές προτάσεις για την εξέλιξη των δικτύων, ιδίως στον τοµέα των πελατοκεντρικών υπηρεσιών χαµηλού κόστους. Εντούτοις, η µεταφορά εφαρµογών και δεδοµένων από τα ασφαλή κεντρικά δίκτυα προς το σύννεφο, δηλαδή το outsourcing των απόρρητων και προσωπικών δεδοµένων, όπως και τα θέµατα αξιοπιστίας σε πραγµατικό χρόνο, αποτελούν ιδιαίτερα ευαίσθητα σηµεία τα οποία θα υποστούν περεταίρω µελέτη και επεξεργασία.. 8.Περί Στρατηγικής Φ3 - Θέµατα Στρατηγικής Σηµασίας Η οποιαδήποτε επιτυχία προϋποθέτει γνώση εαυτού και όραµα. Η ενδιάµεση διαδικασία ονοµάζετε Στρατηγική και αποτελείται από ανάλυση χάσµατος (gap analysis), δηλαδή πόσο απέχει η παρούσα κατάσταση από το όραµα, και διάφορες τακτικές, σενάρια και προϋποθέσεις σε σχέση µε το πώς και πότε θα εκπληρωθεί το όραµα ή ο στόχος. Αυτό ισχύει για άτοµα, επιχειρήσεις και χώρες και η ιστορία και εµπειρία έχει αποδείξει ότι οι σχέσεις των τριών είναι αλληλένδετες. Θέµατα Γενικής Στρατηγικής Μια χώρα πρέπει να έχει κατανόηση των ικανοτήτων της (Πίνακας 8.1), και πρέπει να έχει όραµα ύπαρξης και εξέλιξης. Η χώρα που δεν έχει κανένα τέτοιο όραµα χαρακτηρίζεται από τα βραχυπρόθεσµα µέτρα στην εσωτερική και εξωτερική πολιτική της, και αφήνει εντύπωση γενικής αναξιοπιστίας. εν είναι σε θέση να 139

140 απαιτήσει από τους εταίρους, εχθρούς και γείτονες γιατί δεν ξέρει τι να απαιτήσει και ενδίδει συνήθως µακροπρόθεσµα στα ξένα συµφέροντα. Π 8.1 : Swot Analysis Το ίδιο ισχύει για τις εταιρείες και το µάνατζµεντ το οποίο, στην έλλειψη πρωτοβουλιών, συνηθίζει να «εισπράττει» εντολές δίχως να εκφέρει γνώµες και προτάσεις στην κεντρική διοίκηση υποβαθµίζοντας τον ρόλο του και λειτουργώντας µόνο ως φορέας µετάδοσης πληροφοριών. Οι επιχειρήσεις που είναι και θέλουν να παραµείνουν επιτυχηµένες επίσης πρέπει να έχουν µια ισχυρή κατανόηση των δεξιοτήτων (core skills) τους, και συγκεκριµένο σχέδιο πτήσης (vision). Η επιτυχία και απόδοση οποιασδήποτε επιχείρησης στην τοπική και παγκόσµια αγορά εξαρτάται σε µεγάλο ποσοστό από την χώρα προέλευσης. Η αδύναµη παρουσία µιας χώρας σε κάποιον τοµέα µπορεί να αµαυρώσει την εικόνα της επιχείρησης στον λεγόµενο τοµέα 82. Εάν µια επιχείρηση υπερέχει στα προϊόντα τηλεπικοινωνιών, αλλά η χώρα που εδρεύει η επιχείρηση δεν θεωρείται ανταγωνιστική στις τηλεπικοινωνίες, η επιχείρηση 83 κατά πάσα πιθανότητα θα αναγκασθεί να µεταφερθεί προς χώρα που περιλαµβάνει τις τηλεπικοινωνίες στο χαρτοφυλάκιο ανταγωνιστικού πλεονεκτήµατός της. 82 Michael E. Porter, Competitive Advantage of Nations, New York (Free Press),1998,pp Αναφερόµαστε σε καινοτόµες επιχειρήσεις που παράγουν πλούτο, όχι σε µεσάζοντες υλικού ή εισαγωγείς «κουτιών» οι οποίοι πουλάνε ο ένας στον άλλον στην ντόπια αγορά. Οι µεγάλες επιχειρήσεις πιθανόν να µη στήνονται µε το σταυρό στο χέρι αλλά στο τέλος της ηµέρας ο πραγµατικός µεγαλοαστός αφήνει κάποιο πλούτο ή κάποια βελτίωση στο τρόπο ζωής µας, και όχι συντρίµµια. Η αποτελεσµατικότητα και το επίπεδο της αστικής τάξης σε κάθε χώρα µετριέται συνήθως από το επίπεδο των καινοτόµων εξαγωγών βιοµηχανικού (συµπεριλαµβάνουµε εδώ και την εξαγωγή γνώσης) τύπου και φυσικά το επίπεδο «πραγµατικής» έρευνας στα πανεπιστήµια. 140

141 Το 2000 η Deutsche Telekom (DT) προχώρησε σε προσφορά αγοράς «Λευκού Ιππότη» της Telecom Italia. Η προσπάθεια απέτυχε τελικά µε επιχείρηµα, σύµφωνα µε µερικούς, την δυσκολία συµβίωσης των διαµετρικά διαφορετικών κουλτούρων 84. Μια πιο πρόσφατη απόκτηση της DT απέδειξε πράγµατι ότι οι δύο κουλτούρες (Νοτίων και Βορίων Ευρωπαίων) µπορούν να συνυπάρχουν σε εταιρεία τηλεπικοινωνιών, και ότι ίσως υπήρξαν άλλοι µη επιχειρησιακοί λόγοι στο θέµα DT Telecom Italia. Κατόπιν η Pirelli αγόρασε την Telecom Italia και όταν προσπάθησε να την πωλήσει σε µη Ιταλικά συµφέροντα, η κυβέρνηση Pronti κινήθηκε άµεσα και σταµάτησε τις διαπραγµατεύσεις. Μερικοί µπορούν να θεωρήσουν τις ενέργειες Pronti όπως παρεµποδίζοντας τις διαδικασίες αγοράς. Μερικοί µπορούν να δηλώσουν ότι η αγορά πρέπει να αυτορυθµίζεται. Η αγορά µπορεί πράγµατι να αυτορυθµιστεί όπως στη δεκαετία του '30 όπου οδηγήθηκε σε νέα ισορροπία, ευνοϊκή για ορισµένους αλλά µε µεγάλο ποσοστό ανεργίας (δηλαδή, Η Μεγάλη Ύφεση) 85. Εάν η απασχόληση δεν είναι ένα βασικό συστατικό στις ποιοτικές παραµέτρους ενός έθνους, τότε τέτοια αυτό-διόρθωση µπορεί να επιτραπεί (φυσικά αυτό δεν εξελίχθηκε και τόσο ευνοϊκά για τους Romanov, µε ή χωρίς τον Rasputin). Εάν η απασχόληση θεωρείτε σηµαντικός παράγοντας, η κυβερνητική επέµβαση και τα σωστά ρυθµιστικά µέτρα είναι επιτακτικά. Οι Ιταλοί οι οποίοι (όπως οι Ρωµαίοι προκάτοχοι τους) είναι ειδικοί στη στρατηγική και στους ελιγµούς τακτικής, και οι οποίοι θεωρούσαν ότι οι τηλεπικοινωνίες αποτελούσαν σηµαντικό συστατικό στη στρατηγική εξέλιξη της Ιταλίας 86, ενέργησαν να αποτρέψουν οποιαδήποτε «ξένη» εξαγορά του ισχυρού παίκτη των Ιταλικών τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. Σε γενικές γραµµές, οι προτεραιότητες µιας χώρας φαίνονται µε τις αποφάσεις που παίρνει όσον αφορά τη διαφύλαξη των θέσεων εργασίας. Πχ. αν µια χώρα προχωρεί σε επιτακτικά µέτρα ώστε να διασφαλίσει τις θέσεις εργασίας της λιανικής αγοράς των εισαγοµένων αυτοκινήτων, και δεν διατίθεται να πάρει κανένα ουσιώδεις µέτρο να εξασφαλίσει τις θέσεις στον τοµέα των τηλεπικοινωνιών ο οποίος θεωρείται σηµαντικός καταλύτης για την οικονοµική ανάπτυξη και υγιή κοινωνική εξέλιξη 87 - τότε οι προτεραιότητες της χώρας είναι ξεκάθαρες, όπως και η ενδεχοµένη οικονοµική εξέλιξη της 88. Η έλλειψη διορατικότητας και στρατηγικής σηµαίνει έλλειψη µακροπρόθεσµης πίστης και ενθαρρύνει κουλτούρα γρήγορων κερδών και µέτρων «αρπακόλλα» που οδηγούν τελικά ένα έθνος, µια επιχείρηση, ή ένα άτοµο προς το αδιέξοδο. 84 Φυσικά το πράγµατα δεν είναι ποτέ τόσο απλά. Για λεπτοµερή ανάλυση των τότε καταστάσεων ο αναγνώστης θα απευθυνθεί στην εξαιρετική µελέτη του Massimo Florio : Telecom Italia : A Case Study in Privatization Failures, Universita Degli Studi de Milano, Μάιος John Kenneth Galbraith, The Great Crash 1929,(London) Penguin Books,1975, pp Ο «άνθρωπος-σωσίβιο» της Telecom Italia,άρθρο του Σπύρου Φράγκου, ΤΟ ΒΗΜΑ, Κυριακή 24 Σεπτεµβρίου John Naisbitt & Patricia Aburdene, Megatrends 2000,(New York) Avon,1990,p Όλες οι θέσεις εργασίας είναι αναµφισβήτητα σηµαντικές. Απλώς ορισµένες ενισχύουν τη µελλοντική ανάπτυξη, και αύξηση των θέσεων εργασίας, ενώ άλλες προσφέρουν στην εξαγωγή χρηµάτων, τα συµφέροντα των ξένων και στον καταναλωτισµό. 141

142 Μια χώρα (και εποµένως µια επιχείρηση) πρέπει πρώτα να κατανοήσει και να αποδεχτεί την ταυτότητά της, να διαµορφώσει όραµα, και να καταβάλει σχέδιο πτήσης το πώς θα εφαρµόσει αυτή τη στρατηγική επιβίωσης. Με βάση αυτά τα συστατικά θα µπορέσει να προχωρήσει στην τακτοποίηση διαφόρων θεµάτων ζωτικής σηµασίας όπως τη κατάλληλη εκπαίδευση, τις κατάλληλες βιοµηχανίες, και τα κατάλληλα οικονοµικά µοντέλα.. Το κύριο µέρος της προστιθέµενης αξίας των επιχειρήσεων που παράγουν είτε προϊόντα είτε υπηρεσίες προέρχεται από τις βασισµένες σε γνώση δραστηριότητες όπως την έρευνα, την ανάπτυξη, το µάρκετινγκ και marketing research, το σχεδιασµό των προϊόντων, την εξυπηρέτηση πελατών, τη διαφήµιση, τη διανοµή και το σχεδιασµό ευέλικτων και πρωτοπόρων οργανώσεων και διαδικασιών (βλέπε την λογική και γεωγραφική αποκέντρωση του µάνατζµεντ general motors circa ). Οι επιτυχηµένες εταιρίες είναι αυτές που καταφέρνουν επιτυχέστερα να κυριαρχούν στα επιχειρησιακά ζητήµατα που είναι κρίσιµα για την απόδοσή τους, και αναπτύσσουν σαφώς µια ακριβέστερη κατανόηση των ορισµών της αξίας και το πώς εκπορεύεται, δηµιουργείται και εµπορεύεται αυτή η αξία. Το ανταγωνιστικό πλεονέκτηµα έχει άµεση σχέση µε τον τρόπο που µια εταιρεία Α εκµεταλλεύεται τα πλεονεκτήµατα της, και το βάθος της γνώσης που έχει ή ίδια η εταιρεία Α µε το πώς θα συµπεριφερθούν οι ανταγωνιστές της δηλαδή πως θα εκµεταλλευτούν τα δικά τους προτερήµατα, και τις δικές της (της «Α») αδυναµίες (δηλαδή τι γνώση έχουν η ανταγωνιστές για την εταιρεία Α). Στρατηγική Λήψη Αποφάσεων Ο καρυκευµένος διευθυντής συνειδητοποιεί ότι ο καθορισµός ενός προβλήµατος και η διευκρίνιση των σχετικών και άσχετων πληροφοριών αποτελούν κρίσιµα µέρη επίλυσης του προβλήµατος. Η παραπλήσια λύση σε σωστά καθορισµένο πρόβληµα θα φανεί πιο χρήσιµη από µια καλά καθορισµένη λύση σε οποιαδήποτε ασαφή περιγραφή του ίδιου προβλήµατος. Η καλή λήψη αποφάσεων περιλαµβάνει την ανάπτυξη των στρατηγικών, των κανόνων δράσης, που θα οδηγήσουν σε γενικά ευνοϊκές εκβάσεις κατά τη διάρκεια µιας εύλογα µακριάς χρονικής περιόδου. Παραδείγµατος χάριν, δύο διαφορετικές στρατηγικές που ακολουθούνται συχνά από τις επιχειρήσεις είναι η στρατηγική παραγωγή χαµηλότερου κόστους, στην οποία η επιχείρηση προσπαθεί να παράγει το στοιχείο ή την υπηρεσία µε χαµηλότερο κόστος από τον ανταγωνισµό, και η στενή στρατηγική τεµαχιοποίηση αγοράς όπου η επιχείρηση προσπαθεί να παράγει το προϊόν (ή την υπηρεσία) προσαρµοσµένο στις ιδιαιτερότητες των συγκεκριµένων αγοραστών. Αυτές οι δύο ανεξάρτητες στρατηγικές υιοθετούν διαφορετικές τακτικές, ακόµη και υπό τους ίδιους όρους, και προσφέρουν την δυνατότητα της µακροπρόθεσµης επιτυχίας. Η ανάπτυξη των κανόνων για σωστές αποφάσεις απαιτεί την ανάλυση των διαθέσιµων επιλογών και την επιλογή της οδού µε το ευνοϊκότερο αποτέλεσµα. 89 Alfred P. Sloan, My Years With General Motors, New York (Doubleday),

143 Ακόµη και ο προσδιορισµός του ευνοϊκότερου αποτελέσµατος απαιτεί προσοχή, µια και η απόφαση προς το µέγιστο µακροπρόθεσµο κέρδος µπορεί να αποδυναµωθεί από το επίπεδο βραχυπρόθεσµης ή µεσοπρόθεσµης έκθεσης σε κίνδυνο ρίσκο. Η άγνοια της βραχυπρόθεσµης επιβίωσης, προτεραιότητα για τις εµβρυικές επιχειρήσεις, θα επηρεάσει κατά πάσα πιθανότητα αρνητικά τα µακροπρόθεσµα αποτελέσµατα και τις πιθανότητες µεγιστοποίησης 90 του κέρδους. Η πολυπλοκότητα του επιχειρησιακού περιβάλλοντος καθιστά αδύνατη την επινόηση κάποιας στρατηγικής που θα ικανοποιήσει κάθε πιθανό συνδυασµό όλων των σχετικών µεταβλητών µια και η σούµα των συνδυασµών µπορεί να φτάσει σε αστρονοµικά µεγέθη. Εντούτοις, η διερεύνηση των κυρίαρχων µεταβλητών µειώνει τον αριθµό των πιθανών συνδυασµών σε εύχρηστες αναλογίες και επίσης εξασφαλίζει τους συνδυασµούς µε το µέγιστο πιθανό αντίκτυπο στην απόδοση του σχετικού θέµατος. Ο καθορισµός των κυρίαρχων µεταβλητών απαιτεί τη γνώση των κύριων δυνάµεων µιας επιχείρησης, του ανταγωνιστικού περιβάλλοντός και κατανόηση της αγοράς οπού δρα η επιχείρηση. Η ευηµερούσα επιχείρηση διατηρεί σαφή όραµα συνοδευόµενο από ρεαλιστική και προσγειωµένη εικόνα του επιχειρησιακού περιβάλλοντος και του ανταγωνισµού, αξιολογώντας πάντα τις πιθανές κινήσεις-ενέργειες των ανταγωνιστών, των προµηθευτών και των πελατών, καθώς επίσης και των συνοδευόµενων συνεπειών της κάθε επιχειρησιακής κίνησης. Θέµατα Ανταγωνισµού Αν το µόνο σίγουρο στη ζωή είναι ο θάνατος κ