ίκτυα 4 ης γενιάς (4G)

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών ιαπανεπιστηµιακό ιατµηµατικό Πρόγραµµα Μεταπτυχιακών Σπουδών Προηγµένα Συστήµατα Υπολογιστών και Επικοινωνιών 1 η κατεύθυνση: ικτυακή Υπολογιστική Ηλεκτρονικό Εµπόριο Μεταπτυχιακή ιπλωµατική Εργασία ίκτυα 4 ης γενιάς (4G) Κουρτελής Αλέξιος Επιβλέπουσα: Παυλίδου Φωτεινή, Καθηγήτρια Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2009

2 ii

3 Περίληψη Στην παρούσα διπλωµατική εργασία παρουσιάζονται τα δίκτυα 4 ης γενιάς (4G) µε απλό και κατανοητό τρόπο. Η τέταρτη γενιά (4G) είναι η επόµενη γενιά των ασύρµατων δικτύων που θα αντικαταστήσει τα δίκτυα τρίτης γενιάς (3G) και θα προσφέρει στους χρήστες όλα όσα δεν κατάφεραν να δώσουν τα προηγούµενα δίκτυα. Τα δίκτυα 4 ης γενιάς αναµένεται να παρέχουν υπηρεσίες υψηλής ταχύτητας (τουλάχιστον 100Μbps), υψηλής χωρητικότητας (capacity), µε χαµηλότερο κόστος ανά bit, βασισµένες αποκλειστικά στο πρωτόκολλο IP. Θα παρέχουν συµβατότητα µε τα διαφορετικά νέα και παλαιά κινητά και ασύρµατα δίκτυα. Η τέταρτη γενιά ασύρµατων δικτύων πρόκειται να δηµιουργήσει ένα παγκόσµιο ετερογενές δίκτυο το οποίο θα ενσωµατώσει τα δίκτυα 2 ης και 3 ης γενιάς. Λέξεις Κλειδιά δίκτυα 4ηςγενιάς, 4G, OFDM, All IP, υπηρεσίες 4G iii

4 iv

5 Abstract In this thesis, the Fourth Generation networks (4G) are presented in a simple and comprehensible manner. Fourth Generation (4G) is the next generation of wireless networks that will replace the third Generation (3G) networks and will offer the services that the previous networks did not accomplish to offer. 4G intends to provide high speed (at least 100Mbps), high capacity, low cost per bit, exclusively IP based services. 4G will provide compatibility with the different new and old mobile and wireless networks. The 4 th generation of wireless networks is going to create a global heterogeneous network which will incorporate the networks of 2 nd and 3 rd generation. Key Words 4G networks, OFDM, All IP, 4G services v

6 vi

7 Ευχαριστίες Καταρχήν, θα ήθελα να ευχαριστήσω την επιβλέπουσα καθηγήτριά µου, κυρία Παυλίδου Φωτεινή, η οποία µου παρείχε την άρτια επιστηµονική καθοδήγηση για την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωµατικής εργασίας. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τους καθηγητές µου στο µεταπτυχιακό πρόγραµµα του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς µου, Χρήστο και Αλεξάνδρα, και τον αδερφό µου Βίκτωρα, για την κάθε είδους βοήθεια τόσο κατά τη διάρκεια των σπουδών µου όσο και κατά την εκπόνηση της διπλωµατικής µου. vii

8 viii

9 Περιεχόµενα Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή...1 Κεφάλαιο 2 - Σύντοµη ιστορική αναδροµή Εισαγωγή Ασύρµατα δίκτυα 3ης γενιάς Απολογισµός των 3G...9 Κεφάλαιο 3 - Στόχοι και απαιτήσεις των 4G Σχεδιαστικοί στόχοι για τα συστήµατα τέταρτης γενιάς Απαιτήσεις συστηµάτων 4ης γενιάς...13 Κεφάλαιο 4 - Ασύρµατα δίκτυα τέταρτης γενιάς Εισαγωγή Γενικά χαρακτηριστικά δικτύων 4 ης γενιάς Κινήσεις τυποποίησης Ετερογενή δίκτυα...21 Κεφάλαιο 5 - Υπηρεσίες και εφαρµογές τέταρτης γενιάς...27 Κεφάλαιο 6 - Βασικές τεχνολογίες για τα δίκτυα τέταρτης γενεάς OFDM All-IP δίκτυα ιαδικασία σχεδίασης τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων 4G Έξυπνες κεραίες (smart antennas) Επίτευξη διαλειτουργικότητας...50 Κεφάλαιο 7 - Πρόσφατες εξελίξεις...55 ΕΠΙΛΟΓΟΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...61 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...62 ix

10 x

11 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η µεγάλη ανάγκη για υπηρεσίες Internet, ασύρµατα συστήµατα διανοµής καλωδιακής τηλεόρασης (wireless cable television distribution) και για πρόσβαση στην τεχνολογία της πληροφορίας καθιστά επιτακτική την ανάπτυξη ασύρµατων κινητών τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων ευρείας ζώνης. Γενικά, είναι άµεση ανάγκη για µελλοντικά ασύρµατα δίκτυα τα οποία θα είναι ευέλικτα, θα έχουν την δυνατότητα αναβάθµισης για µεγάλο αριθµό χρηστών, θα είναι ικανά να παρέχουν πληροφορία για τη θέση του χρήστη σε παγκόσµια κλίµακα, θα παρέχουν ασφάλεια από υποκλοπές, θα συνεργάζονται µε ενσύρµατα δίκτυα και θα είναι εύκολα προσαρµόσιµα στις κατά καιρούς απαιτήσεις. Στην εποχή µας παρατηρείται µεγάλη ζήτηση για ασύρµατες υπηρεσίες, όπως η τηλεειδοποίηση (paging), αναλογική και ψηφιακή κινητή τηλεφωνία και υπηρεσίες προσωπικών επικοινωνιών (Personal Communication Services-PCS). Οι βασικοί λόγοι χρήσης ολοένα υψηλότερων συχνοτήτων είναι ο κορεσµός των χαµηλότερων ζωνών συχνοτήτων και η ανάγκη για µεγαλύτερο εύρος ζώνης για εφαρµογές πολυµέσων (multimedia), όπως η ασύρµατη µετάδοση εικόνας και η πρόσβαση στο Internet σε πραγµατικό χρόνο. [Τεν01] Η φράση 4G δεν ορίζει απλώς ένα πρότυπο, αλλά περιγράφει ένα περιβάλλον όπου τα δίκτυα θα ενδολειτουργούν ώστε να παρέχουν επικοινωνία που θα µεταφέρεται χωρίς ασυνέχειες ανάµεσά τους. Περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη τεχνολογία, η 4 η γενιά θα έχει µια βαθιά επιρροή σε ολόκληρο το ασύρµατο τοπίο και στη συνολική αλυσίδα της κινητής τηλεφωνίας. Το µέλλον πρόκειται να είναι ευοίωνο, αλλά είναι στα χέρια των πελατών, όχι στους πάροχους υπηρεσιών και σίγουρα όχι στους πάροχους δικτύων. [ΕρΚα05] Αν και δεν υπάρχει καθολικός ορισµός για το τι θα αποτελεί την 4G τεχνολογία και ποιο θα είναι το χαρακτηριστικό σηµείο της, το όραµα της 4G τεχνολογίας αναπτύσσεται, µε τη βοήθεια διαφορετικών απόψεων ανά τον κόσµο. 1

12 Στην Ασία, το 4G προβλέπεται ως µια εναέρια διεπαφή που θα υποστηρίζει µέχρι 100 Mbps ρυθµούς για υψηλή φορητότητα και 1Gbps για χαµηλή. Στις ΗΠΑ, το 4G αναµένεται να είναι ο συνδυασµός του ασύρµατου δικτύου τοπικής πρόσβασης (WLAN) και του ΙΕΕΕ Στην Ευρώπη, το 4G αντιµετωπίζεται ως ένα δίκτυο µέσα σε άλλα δίκτυα που περιλαµβάνει διασύνδεση µεταξύ των δικτύων και των διαφόρων συσκευών. Σε αυτό τον τύπο δικτύου, οι ακόλουθες διαφορετικές τεχνολογίες θα µπορούσαν να συνυπάρξουν µε seamless συνδέσεις: Κυψελωτή κινητή τηλεφωνία (2, 2.5, 3G) Ασύρµατο LAN (IEEE x) ίκτυο προσωπικής περιοχής (Bluetooth) Ψηφιακή ευρεία µετάδοση (βίντεο, ήχος, DVB, DAB) Ασύρµατο δίκτυο οικιακής ψυχαγωγίας Η παρούσα εργασία προσπαθεί να ξεκαθαρίσει το τοπίο. οµή της εργασίας Η δοµή της εργασίας είναι η εξής: Στο κεφάλαιο 2 γίνεται µια σύντοµη ιστορική αναδροµή. Αναφέρονται τα χαρακτηριστικά και οι στόχοι των δικτύων 3 ης γενιάς, οι οποίοι δεν µπόρεσαν να επιτευχθούν και οδήγησαν στη µελέτη και ανάπτυξη των δικτύων της επόµενης γενιάς (4G). Το κεφάλαιο 3 περιγράφει τους στόχους και τις απαιτήσεις που είχαν τεθεί αρχικά για τα δίκτυα 4 ης γενιάς. Το κεφάλαιο 4 παρουσιάζει τα δίκτυα 4 ης γενιάς. Παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά τους και οι διεθνείς κινήσεις για την τυποποίηση τους. Το κεφάλαιο 5 είναι αφιερωµένο στις µελλοντικές εφαρµογές και υπηρεσίες των 4G. 2

13 Το κεφάλαιο 6 παρουσιάζει και περιγράφει τις βασικές τεχνολογίες που θα επιτρέψουν στα δίκτυα 4 ης γενιάς να εκπληρώσουν τους στόχους τους. Συγκεκριµένα παρουσιάζονται η ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας (OFDM), η δοµή των δικτύων All-IP, οι έξυπνες κεραίες και οι τρεις βασικές λύσεις για την επίτευξη της διαλειτουργικότητας. Τέλος, το κεφάλαιο 7 αναφέρεται στις πρόσφατες προσπάθειες και επιτυχίες των εταιριών διεθνώς, οι οποίες µας οδηγούν όλο και πιο κοντά στα δίκτυα 4 ης γενιάς (4G). Ακολουθεί ο επίλογος - συµπεράσµατα και η βιβλιογραφία της εργασίας. Σκοπός της εργασίας Ο σκοπός της εργασίας είναι να περιγράψει µε απλό και κατανοητό τρόπο τα θέµατα που αφορούν τα δίκτυα 4 ης γενιάς (4G). Μεθοδολογία Χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος της βιβλιογραφικής έρευνας (συλλογή δευτερογενών στοιχείων). Μελετήθηκαν βιβλία (από τις βιβλιοθήκες του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου και του Πανεπιστηµίου Μακεδονίας), άρθρα και πηγές από το ιαδίκτυο. Περιορισµοί της εργασίας Απευθύνεται κυρίως σε φοιτητές θετικών επιστηµών. Ωστόσο, έγινε προσπάθεια να είναι κατανοητή και προσιτή σε οποιονδήποτε ενδιαφέρεται για τα δίκτυα 4 ης γενιάς. Τα θέµατα καλύφτηκαν µέχρι ένα ορισµένο βάθος. Υπάρχουν κάποια θέµατα που δεν καλύφτηκαν. 3

14 4

15 Κεφάλαιο 2 Σύντοµη ιστορική αναδροµή 2.1 Εισαγωγή Από την ιστορία των ασύρµατων συστηµάτων συνάγεται το συµπέρασµα ότι η σχετική βιοµηχανία ακολουθεί ένα δεκαετή κύκλο. Τα συστήµατα πρώτης γενιάς εµφανίστηκαν το 1981 ακολουθούµενα από την εγκατάσταση των συστηµάτων δεύτερης γενιάς δέκα χρόνια αργότερα. Η εγκατάσταση και λειτουργία των συστηµάτων τρίτης γενιάς ξεκίνησε το Όσον αφορά τις προσφερόµενες υπηρεσίες, τα συστήµατα πρώτης γενιάς προσφέρουν µόνο υπηρεσίες µεταφοράς φωνής, τα συστήµατα δεύτερης γενιάς υποστηρίζουν και µεταφορά δεδοµένων µε χαµηλές ταχύτητες, ενώ αυτά της τρίτης γενιάς στοχεύουν στην υποστήριξη µιας µεγάλης ποικιλίας ευρυζωνικών εφαρµογών και υπηρεσιών. Φαίνεται, λοιπόν, ότι η τάση είναι προς την υποστήριξη ολοένα και µεγαλύτερων ταχυτήτων µεταφοράς δεδοµένων. [NOPP06] 2.2 Ασύρµατα δίκτυα 3ης γενιάς. Τα ασύρµατα τηλεπικοινωνιακά συστήµατα 3ης γενιάς (3G) είναι η εξέλιξη των συστηµάτων 2ης γενιάς για αυξηµένες ταχύτητες µετάδοσης δεδοµένων και σηµαντικά αυξηµένη ευελιξία παροχής µεγάλου αριθµού υπηρεσιών στον ασύρµατο χρήστη (παραδοσιακές υπηρεσίες τηλεφωνίας και τηλε-ειδοποίησης, διαδραστικά πολυµέσα (interactive multimedia), υψηλής ποιότητας τηλεδιάσκεψη (teleconferrence) και πρόσβαση στο Internet). Παρά τον αρχικό στόχο της ιεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (ΙTU) για ένα ενιαίο παγκόσµιο πρότυπο για τα συστήµατα 3ης γενιάς, έχουν υποβληθεί προτάσεις στηριζόµενες σε πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου (TDMΑ) ή διαίρεσης κώδικα (CDMA). Η πλειοψηφία πάντως στηρίζεται σε τεχνολογία CDMA ευρείας ζώνης (WCDMA). Το Σχήµα 2.1 δείχνει τη σχέση ανάµεσα σε ασύρµατα συστήµατα 2G, 3G και 4G. Στα συστήµατα 2ης γενιάς περιλαµβάνονται το GSM, το σύστηµα CDMA που ορίζεται από τα πρότυπα IS-95 στις Η.Π.Α., το σύστηµα USDC (Η.Π.Α.) και το σύστηµα PDC 5

16 στην Ιαπωνία. Το άνω όριο των περίπου 100 kbits/sec για τα συστήµατα 2G περιλαµβάνει τις βελτιώσεις του GSM στο EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) και στο GPRS (GSM Packet Radio System). Η λειτουργία των συστηµάτων 3ης γενιάς τοποθετείται στα µέσα του 2001 σε περιορισµένες αγορές. Τα συστήµατα 3G θα αυξήσουν το ρυθµό παροχής πληροφορίας σε περίπου 2Mbits/sec σε τοπικές περιοχές µε περιορισµένη κινητικότητα. Προτάσεις για ασύρµατα τοπικά δίκτυα (Wireless Local Loop-WLL) και για σταθερά δίκτυα ασύρµατης πρόσβασης ευρείας ζώνης (Broadband Fixed Wireless Access) περιλαµβάνονται στο σχεδιασµό των συστηµάτων 3G. Η τέταρτη γενιά (4G) θα ακολουθήσει µε ακόµα µεγαλύτερη αύξηση στο ρυθµό παροχής πληροφορίας και µεγαλύτερη κινητικότητα (δυνατότητα µεγαλύτερης ταχύτητας κίνησης του συνδροµητή). Σχήµα 2.1 Κινητικότητα (mobility) και ταχύτητα µετάδοσης πληροφορίας (information transfer rate) για 2G, 3G και 4G ασύρµατα συστήµατα. Πηγή: [Τεν01] Ο βασικός στόχος των συστηµάτων 3G είναι η παροχή ενός µεγάλου αριθµού υπηρεσιών στο χρήστη χρησιµοποιώντας την αρχή του συστήµατος συντεταγµένων (coordinate system). Με βάση αυτή την αρχή, οι υπηρεσίες παρέχονται µε ενσύρµατο, επίγειο ασύρµατο ή δορυφορικό µέσο ανάλογα µε την περίσταση. Ο χρήστης είναι δυνατό να µην γνωρίζει τη συγκεκριµένη τεχνολογία που χρησιµοποιεί. Στην πλειοψηφία τους τα προτεινόµενα 3G συστήµατα δεν θα επιτύχουν αυτή τη µορφή επικοινωνίας αφήνοντάς την για τα συστήµατα 4ης γενιάς. Η κάλυψη σε όλα τα 6

17 σηµεία της γης είναι επιθυµητή, ενώ είναι αποδεκτό ότι οι µεγαλύτερες ταχύτητες µετάδοσης δεδοµένων δεν θα ειναι διαθέσιµες παντού και πιθανόν δεν θα είναι διαθέσιµες στις µεγαλύτερες ταχύτητες κίνησης του συνδροµητή. Σε αυτές τις ταχύτητες ο ρυθµός µετάδοσης της πληροφορίας θα περιορίζεται στα 384 kbits/sec, ενώ για µικρότερες ταχύτητες να είναι 2 Mbits/sec. Παγκόσµια µεταγωγή χωρίς προβλήµατα (seamless roaming) είναι ένας άλλος στόχος των συστηµάτων 3G. Εξ αιτίας του περιορισµένου διαθέσιµου εύρους συχνοτήτων για τα συστήµατα 3G είναι αναγκαία η όσο το δυνατόν αποδοτικότερη χρήση του. Τα κυψελωτά συστήµατα 2ης γενιάς χαρακτηρίζονται από απόδοση εύρους ζώνης (spectrum efficiency) µέχρι 0.5 bps/hz/cell, λαµβάνοντας υπόψη παρεµβολές από άλλους χρήστες και την επαναχρησιµοποίηση συχνότητας (frequency reuse). Αν και αυτή η απόδοση είναι ικανοποιητική για παραδοσιακές υπηρεσίες, σηµαντικές βελτιώσεις είναι αναγκαίες για την παροχή υπηρεσιών υψηλών ρυθµών µετάδοσης πληροφορίας σε µεγάλο αριθµό χρηστών. Τεχνολογίες όπως οι προσαρµοστικές κατευθυντικές κεραίες (adaptive directional antennas), η ακύρωση παρεµβολών (interference cancellation) και η διαδοχική µετάδοση (relay transmission) µπορούν να βοηθήσουν προς αυτή την κατεύθυνση. Με την υπάρχουσα τεχνολογία ο στόχος της παροχής οποιασδήποτε τεχνολογίας σε οποιοδήποτε χρήστη κάθε στιγµή σε οποιοδήποτε σηµείο στη γη µπορεί να πραγµατοποιηθεί µόνο σε µικρό βαθµό, καθώς είναι αναγκαίες σηµαντικές βελτιώσεις στις τεχνολογίες ραδιοσυχνοτήτων και σχεδιασµού δικτύων. [Τεν01] Παρά το γεγονός ότι έχουν το πλεονέκτηµα της υποστήριξης του πρωτοκόλλου IP και της κινητότητας, τα δίκτυα τρίτης γενιάς έχουν το µειονέκτηµα της ύπαρξης διαφορετικών προτύπων. Το µειονέκτηµα αυτό περιορίζει την εύκολη περιαγωγή µεταξύ δικτύων βασισµένων σε διαφορετικά πρότυπα, και αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την κινητότητα των χρηστών. Επιπλέον, τα δίκτυα τρίτης γενιάς παρέχουν (στην καλύτερη περίπτωση) ταχύτητες ως 2 Mbps. Αν και οι ταχύτητες αυτές αρκετές για τις παραδοσιακές εφαρµογές, θα πρέπει να βελτιωθούν προκειµένου να ικανοποιούν τις απαιτήσεις των εφαρµογών κινητής τηλεφωνίας των επόµενων δεκαετιών. Όπως σε όλους τους τοµείς της τεχνολογίας, η αναζήτηση για καλύτερα και αποδοτικότερα συστήµατα δεν σταµατά ποτέ. Mόλις φτάσει η εποχή για την εγκατάσταση ενός συστήµατος, η έρευνα για την επόµενη γενιά του είναι συνήθως ήδη σε εξέλιξη. Συνεπώς, η εγκατάσταση των δικτύων τρίτης γενιάς συνοδεύεται από την έναρξη της έρευνας για την επόµενη γενιά των ασύρµατων συστηµάτων κινητής τηλεφωνίας. Αν ο 7

18 δεκαετής κύκλος που αναφέρθηκε παραπάνω συνεχίσει να ισχύει, είναι λογικό να αναµένεται ότι η επόµενη γενιά ασύρµατων συστηµάτων, γνωστή ως τέταρτη γενιά (4G), θα εµφανιστεί περίπου το Ο στόχος για τα συστήµατα τέταρτης γενιάς και τα µελλοντικά συστήµατα είναι η ενοποίηση των διαφόρων δικτύων κινητής και ασύρµατης τηλεφωνίας. Ωστόσο, υπάρχει µια θεµελιώδης διαφορά µεταξύ των ασύρµατων κυψελικών δικτύων και των ασύρµατων δικτύων δεδοµένων, όπως τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα (WLAN): ότι τα κυψελικά συστήµατα είναι συνήθως βασισµένα σε µεταγωγή κυκλώµατος, κάτι που σηµαίνει ότι η πραγµατοποίηση µιας κλήσης ακολουθεί τη δηµιουργία ενός κυκλώµατος µέσω του οποίου θα µεταφερθούν τα δεδοµένα, ενώ αντίθετα τα ασύρµατα δίκτυα δεδοµένων είναι βασισµένα σε µεταγωγή πακέτων. Αναµένεται ότι η εξέλιξη των δικτύων ασύρµατης τηλεφωνίας προς ένα ενιαίο σύστηµα θα οδηγήσει σε µια κοινή πλατφόρµα µεταγωγής πακέτων (βασισµένη στο πρωτόκολλο IP), οδηγώντας έτσι στο «ασύρµατο ιαδίκτυο». Βέβαια, για την πραγµατοποίηση µιας τέτοιας προσπάθειας απαιτείται έρευνα που θα κάνει δυνατή τη διαλειτουργικότητα µεταξύ των ασύρµατων κυψελικών δικτύων και των ασύρµατων δικτύων δεδοµένων. Η ενοποιηµένη αυτή πλατφόρµα θα παρέχει διαφανή ολοκλήρωση των ενσύρµατων και ασύρµατων δικτύων και θα επιτρέπει στους χρήστες να έχουν, ανεξάρτητα από τις µεθόδους προσπέλασης των διαφόρων ασύρµατων δικτύων, άµεση πρόσβαση σε περιεχόµενα πολυµέσων όπως φωνή, δεδοµένα, και βίντεο. Οι επόµενες γενιές ασύρµατων δικτύων αφορούν την αγορά του 2010 και µετά, και θα προσφέρουν αυξηµένες ταχύτητες µεταφοράς δεδοµένων - οι προβλέψεις τις τοποθετούν από τα 50 έως τα 155 Mbps. Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης αυτών των συστηµάτων θα πρέπει να µελετηθούν και να επιλυθούν διάφορα οικονοµικά και τεχνικά ζητήµατα. Κάποια από αυτά, όπως η ανάπτυξη αποδοτικότερων τεχνικών διαµόρφωσης, η ανεύρεση επιπλέον φάσµατος, και οι εξελίξεις στην τεχνολογία των µπαταριών, έχουν ήδη µελετηθεί κατά τη διάρκεια της έρευνας και ανάπτυξης συστηµάτων δεύτερης και τρίτης γενιάς. Υπάρχουν, όµως, και άλλα ζητήµατα τα οποία δεν έχουν µελετηθεί διεξοδικά, και εξαρτώνται σηµαντικά από την εξέλιξη της αγοράς των τηλεπικοινωνιών και γενικά της κοινωνίας. Τα ζητήµατα αυτά πρέπει να προσδιοριστούν και να επιλυθούν το συντοµότερο, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η επιτυχία των συστηµάτων τέταρτης γενιάς (4G). [NOPP06] 8

19 2.3 Απολογισµός των 3G Η 3 η γενιά δικτύων, παρά τις προβλέψεις, αποδείχτηκε αρκετά απογοητευτική. Αντί της ύπαρξης ενός παγκόσµιου προτύπου, µόνο στην Αµερική αναπτύχθηκαν τρία ασύµβατα συστήµατα. Η φωνή µεταφέρεται µε κυκλώµατα µεταγωγής χαρακτηριστικό που κληρονοµήθηκε από τα δίκτυα 2 ης γενιάς και όχι µε το υποσχόµενο ΙΡ, ενώ οι ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων δεν είναι αυτοί που είχαν προβλεφθεί. Αυτό οφείλεται κυρίως στην τεχνολογική ανωριµότητα των 3G δικτύων. Στην πραγµατικότητα, τα τρέχοντα δίκτυα 3 ης γενιάς δεν προσφέρουν την αληθινή 3G εµπειρία στους χρήστες αλλά αποτελούν µία αρχική-δοκιµαστική εκδοχή τους, µε την αληθινή εκδοχή να αναµένεται στο µέλλον. Ωστόσο, ποτέ δεν θα φανούν αντάξια των υποσχέσεων των κατασκευαστών τους. Αντίθετα, τα 4 ης γενιάς δίκτυα αναµένεται να προσφέρουν στους χρήστες όλα όσα δεν κατάφεραν να δώσουν τα προηγούµενα δίκτυα. Τα 4G θα προσφέρουν αλληλεπιδρούσες υπηρεσίες πολυµέσων, όπως τηλεσυνδιάσκεψη, ασύρµατο Ίντερνετ, υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης (100Μbps), παγκόσµια κινητότητα και φορητότητα υπηρεσιών σε χαµηλό κόστος. Πλέον, όλη η τεχνολογία θα στηρίζεται σε µεταγωγή πακέτων και όχι σε µεταγωγή κυκλωµάτων όπως στα 3G, και όλα τα στοιχεία του δικτύου θα είναι ψηφιακά. [ΕρΚα05] Τα παραπάνω φαίνονται συνοπτικά στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 2.1 Σύγκριση 3G και 4G 3G Συµβατότητα µε 2G ίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος και πακέτου Συνδυασµός του υπάρχοντος και του νέου εξοπλισµού Ρυθµοί µετάδοσης ως 2Μbps 4G Επέκταση χωρητικότητας των 3G κατά µία τάξη µεγέθους ίκτυα µεταγωγής πακέτου µόνο Όλα ψηφιακά Ρυθµοί µετάδοσης 100Mbps και άνω Πηγή: [ΕρΚα05] 9

20 Ένας συµπληρωµατικός πίνακας που συγκρίνει τα 3G µε τα 4G παρατίθεται παρακάτω. Πίνακας 2.2 Comparison of 3G and 4G network technologies Key features 3G networks 4G networks Data rate 384 kbps to 2 Mbps Mbps Frequency band GHz 2-8 GHz Bandwidth 5 MHz About 100 MHz Switching technique Circuit and packet switched Completely digital with packet voice Radio access technology WCDMA,CDMA-2000 etc OFDMA, MC-CDMA etc. IP IPv4.0, IPv5.0, IPv6.0 IPv6.0 Πηγή: [Mis04, σελ.220] Εν ολίγοις, ένα σύστηµα 4G θα πρέπει να παρέχει υψηλές ταχύτητες µε χαµηλό κόστος για τους χρήστες των ασύρµατων δικτύων. 10

21 Κεφάλαιο 3 Στόχοι και απαιτήσεις των 4G 3.1 Σχεδιαστικοί στόχοι και σχετικά ερευνητικά ζητήµατα για τα συστήµατα τέταρτης γενιάς και πέρα 1. ιαλειτουργικότητα Τα συστήµατα που θα ακολουθήσουν την τρίτη γενιά πρέπει να φέρουν κάτι που λείπει από τους προκατόχους τους: ευέλικτη διαλειτουργικότητα µεταξύ των διαφόρων κατηγοριών των υπαρχόντων ασύρµατων δικτύων, όπως τα δορυφορικά δίκτυα, τα κυψελικά δίκτυα, τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα, τα δίκτυα προσωπικής περιοχής, και τα συστήµατα σταθερών ασύρµατων ζεύξεων. Η έννοια της διαλειτουργικότητας θα δίνει στο χρήστη τη δυνατότητα περιαγωγής µεταξύ δικτύων διαφορετικών προτύπων (π.χ. µετακίνηση από ένα κυψελικό δίκτυο προς ένα ασύρµατο τοπικό δίκτυο χωρίς να διακόπτεται η παροχή υπηρεσιών). Αν ο στόχος της διαλειτουργικότητας εκπληρωθεί, η παγκόσµια επικοινωνιακή υποδοµή θα µετατραπεί σε ένα ενιαίο δίκτυο που θα είναι προσβάσιµο από τους χρήστες ανεξάρτητα από συγκεκριµένες µεθόδους προσπέλασης. 2. Υποστηριζόµενο εύρος ζώνης και χρόνος ζωής µπαταριών Τα τερµατικά των δικτύων επόµενης γενιάς θα,υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσµα επιλογών εύρους ζώνης, που θα κυµαίνεται από µερικά kbps έως 100 Mbps ή και παραπάνω. Ο χρόνος ζωής των µπαταριών αυτών των συσκευών αναµένεται να είναι περίπου µία εβδοµάδα. Αυτή η πρόοδος αναµένεται να συνοδευτεί από µείωση βάρους και όγκου των µπαταριών. 3. Σταθερό δίκτυο µεταγωγής πακέτων Σύµφωνα µε τις µελέτες, η αρχιτεκτονική τέταρτης γενιάς αναµένεται να χρησιµοποιεί ένα ασυνδεσµικό (connectionless) σταθερό δίκτυο µεταγωγής πακέτων (βασισµένο στο πρωτόκολλο IP) προκειµένου να διασυνδέει τα διάφορα ασύρµατα δίκτυα. 11

22 4. Μεταβολή εύρους ζώνης για την ασύρµατη πρόσβαση Η διασύνδεση των διαφορετικών δικτύων σε µια κοινή πλατφόρµα θα παρέχει ένα δίκτυο που θα αποτελείται από διαφορετικά επικαλυπτόµενα επίπεδα, τα οποία και θα προσφέρουν διαφορετικές ταχύτητες πρόσβασης στους χρήστες, ανάλογα µε τη γεωγραφική τους θέση. Τα πιθανά επίπεδα είναι: Α) Επίπεδο διανοµής (distribution layer). Θα υποστηρίζει τις υπηρεσίες µεταδόσεων ψηφιακής τηλεόρασης και ραδιοφωνίας, παρέχοντας µέτριες ταχύτητες σε τοπολογίες που θα αποτελούνται από σχετικά µεγάλες κυψέλες. Το επίπεδο αυτό θα υποστηρίζει πλήρη κάλυψη και κινητότητα σε αγροτικές περιοχές µε µικρή πυκνότητα συνδροµητών. Β) Κυψελικό επίπεδο (cellular layer). Θα περιλαµβάνει τα κυψελικά συστήµατα δεύτερης και τρίτης γενιάς. Θα παρέχει υψηλές ταχύτητες (έως 2 Mbps) σε περιοχές µε µεγάλη πυκνότητα συνδροµητών, όπως οι αστικές. Η τοπολογία του θα αποτελείται από κυψέλες µικρότερες από εκείνες του επιπέδου διανοµής. Το επίπεδο αυτό θα υποστηρίζει επίσης πλήρη κάλυψη και κινητικότητα. Γ) Επίπεδο «θερµών σηµείων» (hot-spot layer). Θα υποστηρίζει υπηρεσίες που απαιτούν υψηλές ταχύτητες σε περιοχές µικρής έκτασης, όπως γραφεία ή κτίρια. Θα περιλαµβάνει τα συστήµατα ασύρµατων τοπικών δικτύων, όπως το IEEE και το ασύρµατο τοπικό δίκτυο υψηλής απόδοσης (High Performance Radio LAN 1, HIPERLAN 1). Λόγω των µικρών µη επικαλυπτόµενων περιοχών κάλυψης του, το επίπεδο αυτό δεν αναµένεται να παρέχει πλήρη κάλυψη. Βέβαια, θα µπορεί να υποστηριχτεί η δυνατότητα περιαγωγής προς ένα από τα προηγούµενα επίπεδα. ) Προσωπικό επίπεδο (personal layer). Θα περιλάβει τις συνδέσεις σε πολύ µικρές αποστάσεις, όπως αυτές που παρέχει το πρότυπο Bluetooth. Λόγω των µικρών αποστάσεων, η κινητότητα θα είναι περιορισµένη, αλλά θα µπορεί και εδώ να υποστηριχθεί η δυνατότητα περιαγωγής προς ένα από τα προηγούµενα επίπεδα. Ε) Σταθερό επίπεδο (fixed layer). Θα περιλάβει τα σταθερά συστήµατα πρόσβασης µέσω ασύρµατων ζεύξεων, τα οποία θα αποτελούν επίσης µέρος του δικτύου τέταρτης γενιάς. 5. Προηγµένοι σταθµοί βάσης Οι σταθµοί βάσης των δικτύων µελλοντικών γενιών θα χρησιµοποιούν έξυπνες κεραίες προκειµένου να αυξήσουν τη χωρητικότητα του δικτύου. Επίσης, θα υποστηρίζουν ένα πλήθος διασυνδέσεων ώστε να παρέχουν πρόσβαση σε ένα ευρύ φάσµα τερµατικών. 12

23 6. Υψηλότερες ταχύτητες πρόσβασης Τα συστήµατα τρίτης γενιάς έχουν στην καλύτερη περίπτωση ένα ανώτατο όριο ταχύτητας των 2 Mbps. Τα συστήµατα τέταρτης γενιάς αναµένεται να παρέχουν ταχύτητες µεγαλύτερες από τα 50 Mbps. [NOPP06] 3.2 Απαιτήσεις συστηµάτων 4ης γενιάς 1. Υψηλός ρυθµός µετάδοσης πληροφορίας. Τα συστήµατα 3ης γενιάς προσφέρουν µέχρι 2 Mbits/sec για περιβάλλοντα εσωτερικού χώρου (indoor environments) και τουλάχιστον 144 kbits/sec για κινούµενα (vehicular) περιβάλλοντα. Ασύρµατα LAN και ασύρµατα συστήµατα πρόσβασης ευρείας ζώνης που λειτουργούν στη ζώνη των 5 GHz και έχουν αναπτυχθεί στην Ιαπωνία (MMAC), στην Ευρώπη (Hyperlan 2) και στην Αµερική (ΙΕΕΕ ) έχουν ταχύτητα µετάδοσης Mbits/sec. Η ελάχιστη ταχύτητα που έχει τεθεί ως στόχος για τα 4G συστήµατα θα είναι Mbits/sec για ακίνητα περιβάλλοντα και 2 Mbits/sec για κινούµενα οχήµατα. 2. Μεγαλύτερη χωρητικότητα και µικρότερο κόστος ανά bit. Η χωρητικότητα των συστηµάτων 3G δεν θα είναι αρκετή για να εξυπηρετήσει την εκρηκτικά αυξανόµενη κίνηση των πολυµέσων γύρω στο Η χωρητικότητα για τα 4G συστήµατα πρέπει να είναι τουλάχιστον δέκα φορές υψηλότερη από την αντίστοιχη των 3G, ενώ το κόστος ανά bit πρέπει να µειωθεί δραµατικά ώστε η χρέωση να µην είναι απαγορευτική. 3. Εξαιρετική ποιότητα παροχής υπηρεσιών (Quality of Service-QoS). Τα ασύρµατα συστήµατα χρησιµοποιούν περιορισµένο εύρος συχνοτήτων και µεταδιδόµενης ισχύος και υποφέρουν από συµφόρηση. Εποµένως εξαιρετική ποιότητα υπηρεσιών (QoS) είναι αναγκαία για την υποστήριξη διαφορετικών εφαρµογών, ιδιαίτερα αυτών που απαιτούν επεξεργασία δεδοµένων σε πραγµατικό χρόνο. 13

24 4. Καλή χωρική κάλυψη µε µεταβλητή ταχύτητα µετάδοσης. Καθώς οι ταχύτητες µετάδοσης αυξάνονται, το απαιτούµενο επίπεδο λαµβανοµένου σήµατος θα αυξηθεί ανάλογα. Εξ αιτίας του γεγονότος ότι η επιδιωκόµενη ταχύτητα των συστηµάτων 4G είναι µεγαλύτερη από δύο τάξεις µεγέθους σε σχέση µε τα υπάρχοντα συστήµατα, η ακτίνα της κυψέλης θα µειωθεί και η κάλυψη στο εσωτερικό των κτιρίων θα υποβαθµιστεί αν δεν προστεθεί ένας µεγάλος αριθµός σταθµών βάσης. Η χρήση τέτοιων συστηµάτων µετάδοσης µεταβλητής απόστασης και ταχύτητας (wide-range variable-speed) είναι αναγκαία για ικανοποιητική κάλυψη εσωτερικών χώρων και µετάβαση σε διαφορετική κυψέλη χωρίς προβλήµατα ανεξαρτήτως της τεχνολογίας των συστηµάτων (3G, 4G). 5. Υποστήριξη Internet νέας γενιάς. Η υποστήριξη πρωτοκόλλων Internet νέας γενιάς (IPv6) και πολυεκποµπής (multicasting) είναι σηµαντική ιδιαίτερα για εφαρµογές ηλεκτρονικού εµπορίου. 6. Οµαλή διασύνδεση µε συστήµατα 3G, ασύρµατα δίκτυα υπολογιστών (WLAN) και σταθερά δίκτυα. Με τη χρήση τεχνολογίας βασισµένης σε πρωτόκολλα Internet (ΙP) θα είναι δυνατή οµαλή διασύνδεση διαφορετικών τεχνολογιών. Ως αποτέλεσµα ο κάθε χρήστης θα µπορεί να διαλέγει το καλύτερο δίκτυο ανά περίσταση (ανάλογα µε το χρόνο, χώρο και κόστος). [Τεν01] 14

25 Κεφάλαιο 4 Ασύρµατα δίκτυα τέταρτης γενιάς 4.1 Εισαγωγή Ένας από τους όρους που χρησιµοποιούνται για να περιγράψουν τα δίκτυα 4G είναι MAGIC, δηλαδή Mobile multimedia (κινητά πολυµέσα), Anytime anywhere (οποτεδήποτε οπουδήποτε), Global mobility support (παγκόσµια υποστήριξη κινητικότητας), Integrated wireless solution (ενοποιηµένη ασύρµατη λύση) και Customized personal service (προσωποποιηµένες υπηρεσίες). Τα 4G συστήµατα θα υποστηρίζουν όχι µόνο την επόµενη γενεά των κινητών ασύρµατων δικτύων, αλλά επίσης θα υποστηρίζουν και τα σταθερά ασύρµατα δίκτυα. [Jiv08] Σχήµα 4.1 Τα 4 ης γενιάς δίκτυα. Πηγή: [ΕρΚα05] Χαρακτηριστικό της τρέχουσας κατάστασης, ως προς την τεχνολογία, είναι η ύπαρξη µόνο των ειδικών υπηρεσιών δικτύων, όπως είναι τα σταθερά και ασύρµατα δίκτυα τηλεφωνίας, τα σταθερά και ασύρµατα δίκτυα δεδοµένων και τα καλωδιακά δίκτυα για την εκποµπή των µέσων ενηµέρωσης (media broadcasting). Σε αυτά τα δίκτυα, η 15

26 διάρθρωση και ανταλλαγή πληροφορίας γίνεται στον τοµέα του κάθε δικτύου και όχι ανάµεσα στα δίκτυα. Εποµένως, οι χρήστες δε µπορούν να περιάγονται ανάµεσα στα διαφορετικά υπάρχοντα δίκτυα. Για παράδειγµα, εάν ένας χρήστης πραγµατοποιεί µια κλήση από το κινητό του τηλέφωνο και ενώ η κλήση αυτή είναι σε εξέλιξη ο χρήστης φτάσει σπίτι του, δε θα υπάρξει αυτόµατη µετάβαση της συνόδου στο σταθερό δίκτυο τηλεφωνίας. Από το 2010, ωστόσο, θα γίνουµε µάρτυρες της ανάπτυξης µιας νέας τεχνολογίας δικτύων, των λεγόµενων δικτύων πολλαπλών υπηρεσιών. Οι πάροχοι των δικτύων τρίτης γενιάς διαχειρίζονται έναν αυξανόµενο αριθµό τύπων ραδιοσταθµών βάσης που ποικίλουν ως προς το πρωτόκολλο διεπαφής ραδιοεπικοινωνίας, το µέγεθος κυψέλης και τη ζώνη συχνοτήτων. Στα τέταρτης γενιάς δίκτυα οι τύποι αυτοί επεκτείνονται ώστε να υποστηρίζουν τα παραπάνω δίκτυα δεύτερης και τρίτης γενιάς αλλά και τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα (WLAN), την τεχνολογία εκποµπής ψηφιακού video (DVB), τα δίκτυα ευρείας ζώνης, καθώς και δορυφορικά και ασύρµατα δίκτυα τοπικού βρόχου. Η επόµενη γενιά ασύρµατων δικτύων καθορίζεται µε σχέδια και εκτεταµένες µελέτες από ποικίλους οργανισµούς. Τα δίκτυα 4 ης γενιάς θα αναπτυχθούν σε ένα περιβάλλον όπου η ενσύρµατη και ασύρµατη υποδοµή έχει ήδη εγκατασταθεί, έτσι αυτά δε θα αντικαταστήσουν την τρέχουσα γενιά αλλά θα συµπληρώσουν και θα επαυξήσουν τα υπάρχοντα συστήµατα. Στο ξεκίνηµα της ανάπτυξης των 4G δικτύων υπάρχουν ήδη πολλά τεχνικά θέµατα, όπως είναι η πρόσβαση, η µεταγωγή, η υποστήριξη ποιότητας υπηρεσιών, αλλά και οικονοµικά θέµατα, όπως η τιµολόγηση και χρέωση, που πρέπει να µελετηθούν διεξοδικά και να επιλυθούν. Ένας από τους πρωταρχικούς στόχους θα είναι η παροχή συµβατότητας και ενδολειτουργίας µε τα διαφορετικά κινητά και ασύρµατα δίκτυα (νέα και παλαιά). Ο συνδυασµός διαφορετικών ασύρµατων δικτύων θα παρέχει ένα σύνολο από, πιθανά επικαλυπτόµενα, επίπεδα µε διαφορετικές τεχνολογίες πρόσβασης που θα συµπληρώνει η µία την άλλη. Ανάλογα µε τη γεωγραφική θέση, οι χρήστες θα εξυπηρετούνται από διαφορετικά επίπεδα και θα απολαµβάνουν διαφορετική ποιότητα ασύρµατης πρόσβασης ως προς το εύρος. Τα πιθανά επίπεδα θα είναι : 16

27 Επίπεδο διανοµής : Θα υποστηρίζει ψηφιακό video και εκποµπή υπηρεσιών σε µέτριες ταχύτητες πάνω σε σχετικά µεγάλου µεγέθους κυψέλες. Επίσης, θα υποστηρίζει πλήρη κάλυψη και κινητότητα και θα καλύπτει αραιοκατοικηµένες αγροτικές περιοχές. Επίπεδο κυψέλης : Θα περιλαµβάνει τα δεύτερης και τρίτης γενιάς συστήµατα, παρέχοντας υψηλές χωρητικότητες ως προς τον αριθµό των χρηστών και τους ρυθµούς δεδοµένων σε πυκνοκατοικηµένες περιοχές. Το µέγεθος της κυψέλης θα είναι µικρότερο από αυτό του επιπέδου διανοµής. Θα υποστηρίζει, επίσης, πλήρη κάλυψη και κινητότητα. Επίπεδο hot spot : Θα υποστηρίζει υψηλών ρυθµών υπηρεσίες πάνω από µικρές κλίµακες, όπως σε γραφεία και κτίρια. Θα περιλαµβάνει συστήµατα WLAN, όπως το και το ΗΙPERLAN. Το επίπεδο αυτό δεν αναµένεται να παρέχει πλήρη κάλυψη, λόγω της µικρής κλίµακας, αν και θα παρέχει περιαγωγή. Επίπεδο προσωπικού δικτύου : Θα περιλαµβάνει πολύ µικρής κλίµακας ασύρµατες συνδέσεις, όπως αυτές που παρέχει το Bluetooth. Εξαιτίας της πολύ µικρής κλίµακας, η κινητότητα θα είναι περιορισµένη. Ωστόσο, θα παρέχεται και σε αυτό το επίπεδο. Σταθερό επίπεδο : Το επίπεδο αυτό θα περιλαµβάνει τα σταθερά συστήµατα πρόσβασης, τα οποία θα είναι επίσης µέρος των µελλοντικών δικτύων τέταρτης γενιάς. 4.2 Γενικά χαρακτηριστικά δικτύων 4 ης γενιάς Τα µελλοντικά ασύρµατα δίκτυα αναµένεται να παρέχουν στο χρήστη υψηλής απόδοσης επικοινωνία χωρίς ασυνέχειες, όµοια της αντίστοιχης προσφερόµενης από τα ενσύρµατα δίκτυα. Τα 4 ης γενιάς δίκτυα πρόκειται να υποστηρίζουν υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων, τουλάχιστον κατά µια τάξη µεγέθους, και επαρκή ποιότητα υπηρεσιών (QoS) σε σχέση µε τα τρέχοντα 3 ης γενιάς δίκτυα. Η κατανοµή φάσµατος θα είναι τέτοια ώστε να υποστηρίζονται οι υψηλοί αυτοί ρυθµοί πάνω σε κυψέλες µεσαίου µεγέθους. Οι ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων θα είναι 100Mbps και άνω και θα παρέχουν υπηρεσίες πολυµέσων µε χαµηλότερο κόστος. Τα δίκτυα που θα χρησιµοποιούνται, πρόκειται να αποτελούνται εξ ολοκλήρου από κυκλώµατα µεταγωγής πακέτων, ενώ όλα τα στοιχεία του δικτύου θα είναι ψηφιακά. Τέλος, 17

28 σηµαντικό χαρακτηριστικό των δικτύων 4 ης γενιάς θα είναι η χαµηλή ιεραρχία στην αρχιτεκτονική, µε σηµεία πρόσβασης και τερµατικά να υποστηρίζουν πολλαπλούς τρόπους πρόσβασης. Για την επίτευξη της υψηλής απόδοσης, τα 4 ης γενιάς δίκτυα θα έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά : Πανταχού κάλυψη υπηρεσιών : αυτό που αναµένεται, είναι ότι ο χρήστης θα είναι σε θέση να απολαµβάνει οποιαδήποτε υπηρεσία επιθυµεί οπουδήποτε και οποτεδήποτε, χωρίς να εµποδίζεται από τους περιορισµούς που ενυπάρχουν σε ένα ασύρµατο δίκτυο. Βελτιωµένη συνδεσιµότητα : ο χρήστης θα είναι συνέχεια συνδεδεµένος στα πιο επαρκή δίκτυα πρόσβασης, όσον αφορά στη χρησιµοποίηση πόρων του δικτύου, ώστε να εξασφαλίζονται κάθε φορά η ζητούµενη ποιότητα υπηρεσίας (QoS) και οι απαιτήσεις κινητότητας. Συνεχής σύνδεση : ο χρήστης θα είναι πάντοτε συνδεδεµένος στο ετερογενές δίκτυο. Για όσο διάστηµα το τερµατικό του θα είναι σε λειτουργία, θα µπορεί να συνδέεται στο δίκτυο και να τυγχάνει πολύ µικρής καθυστέρησης στην πρόσβαση. Η πανταχού κάλυψη µιας υπηρεσίας µπορεί να µετρηθεί από τη διαθεσιµότητα της σε µια περιοχή για έναν ελάχιστο αριθµό χρηστών. Το σύστηµα, προσφέρει στον πάροχο τη δυνατότητα να µεγιστοποιεί τη χωρητικότητα µε το να απαγορεύει σε µερικούς χρήστες την πρόσβαση σε ειδικές υπηρεσίες. Έτσι, ο πάροχος µπορεί να προσαρµόζει τις δυνατότητες του συστήµατος στις προσφερόµενες υπηρεσίες χωρίς να διακινδυνεύεται η κάλυψη της υπηρεσίας. Όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά θα είναι διαθέσιµα σε ένα πολύ µεγαλύτερο αριθµό χρηστών από τον ήδη υπάρχοντα που εξυπηρετείται από τα τρέχοντα δίκτυα 3 ης γενιάς. Τα 3 ης γενιάς δίκτυα αντιµετωπίζουν πρόβληµα κορεσµού, µιας και οι υπηρεσίες που προσφέρουν δεν µπορούν να εξυπηρετούν πολλούς πελάτες ταυτόχρονα. Αντίθετα, τα 4 ης γενιάς δίκτυα θα µπορούν να υποστηρίζουν ένα µεγάλο αριθµό χρηστών και να καλύπτουν υπηρεσίες οπουδήποτε και οποτεδήποτε. 18

29 Αυτό οφείλεται στην υψηλότερη επάρκεια φάσµατος που επιτυγχάνεται µε τη χρήση καινοτόµων τεχνικών στις διεπαφές ραδιοεπικοινωνίας και τον εµπλουτισµό των τεχνικών κάλυψης. Τα µελλοντικά ολοκληρωµένα δίκτυα ασύρµατης πρόσβασης θα αποτελούνται από πολλές διαφορετικές ασύρµατες διεπαφές ραδιοεπικοινωνίας (WLAN, 3G κυψελωτά συστήµατα, 2G κυψελωτά συστήµατα, peer-to-peer, κ.α) µε ποικιλία στα µεγέθη των κυψελών, σχηµατίζοντας ένα ολοκληρωµένο ασύρµατης πρόσβασης δίκτυο, όπως αυτό φαίνεται στο Σχήµα 4.2. Η αρχιτεκτονική αυτή έχει ως βασικό χαρακτηριστικό την ιδέα της βέλτιστης συνδεσιµότητας. Η τάση της ενδολειτουργίας δικτύων έχει ξεκινήσει ήδη στις µέρες µας µε τα 3 ης γενιάς δίκτυα να λειτουργούν χωρίς ασυνέχειες µε τα ασύρµατα LANs, παρέχοντας πανταχού πρόσβαση. Σχήµα 4.2 Αρχιτεκτονική ενός ολοκληρωµένου ασύρµατης πρόσβασης δικτύου Πηγή: [ΕρΚα05] Το βασικό κριτήριο για να συνδεθεί ένας χρήστης σε οποιοδήποτε από τα παραπάνω δίκτυα πρόσβασης θα είναι η µεγιστοποίηση της εµπειρίας του ίδιου του χρήστη αλλά και η εξασφάλιση της πιο οικονοµικής χρήσης των πόρων από τη µεριά του πάροχου. Ο διαχωρισµός των χρηστών στα διαφορετικά δίκτυα πρόσβασης είναι ένα πολύ σηµαντικό ζήτηµα. [ΕρΚα05] 19

30 4.3 Κινήσεις τυποποίησης ύο οµάδες µέσα στην ITU ασχολούνται αυτήν την περίοδο για να καθορίσουν την επόµενη γενεά 4G: 1. Οµάδα εργασίας 8F - Working Party 8F (WP8F) στο τµήµα ITU-R και 2. Special Study Group (SSG) "IMT 2000 και µετά" στο τµήµα ITU-T. Η οµάδα WP8F στρέφεται στις γενικές πτυχές ραδιο-συστηµάτων 4G, όπως οι ραδιοδιεπαφές (radio interfaces), ζητήµατα φάσµατος (spectrum) στα δίκτυα ραδιοπρόσβασης (radio-access networks) (RANs), χαρακτηριστικά υπηρεσιών και κίνησης (traffic) και εκτιµήσεις προβλέψεις της αγοράς. Η οµάδα SSG "IMT 2000 και µετά" είναι πρώτιστα αρµόδια για το δίκτυο, τις ασύρµατες πτυχές των µελλοντικών ασύρµατων συστηµάτων συµπεριλαµβανοµένου του ασύρµατου ιαδικτύου (wireless Internet), τη σύγκλιση κινητών και σταθερών δικτύων, τη διαχείρση κινητικότητας (mobility management), τη σύνδεση µέσω δικτύων (internetworking) και τη διαλειτουργικότητα (interoperability). Το κύριο παραδοτέο της οµάδας WP8F είναι η σύσταση (recommendation) ITU-R Μ1645. Το Μ1645 θα περιλαµβάνει: Α. Το πλαίσιο (framework) για τα 4G συστήµατα που θα ικανοποιεί τους στόχους των 4G και θα είναι διαφανές (transparent) στο χρήστη. Β. Ρυθµούς µετάδοσης 100 Mbps για κινητούς χρήστες και 1Gbps για σταθερούς χρήστες. Γ. Παγκόσµιο κοινό φάσµα και παγκόσµια τυποποίηση. [Jiv08] Η δηµοσιοποίηση των προτύπων για τα δίκτυα 4ης γενιάς αναµένεται να γίνει το Σύµφωνα µε έρευνα της In-Stat τα τρία υποψήφια σχέδια είναι: Α) Long Term Evolution (LTE) - υποστηρίζεται από την Ericsson Β) Ultra Mobile Broadband (UMB) - υποστηρίζεται από την Qualcomm Γ) m (WiMax) - υποστηρίζεται από την Intel 20

31 4.4 Ετερογενή δίκτυα Η τέταρτη γενιά ασύρµατων δικτύων, γνωστή ως 4G, πρόκειται να δηµιουργήσει ένα ετερογενές δίκτυο περιλαµβάνοντας πολλά διαφορετικά δίκτυα πρόσβασης και τερµατικά τελικών χρηστών. Το ετερογενές αυτό δίκτυο θα επιτρέψει την εισαγωγή και παροχή πρόσβασης σε πολυάριθµες και πλούσιες σε χαρακτηριστικά υπηρεσίες, ενσωµατώνοντας στο ίδιο περιβάλλον τα 2 ης και 3 ης γενιάς δίκτυα. Βασικό χαρακτηριστικό των ετερογενών δικτύων θα είναι η χωρίς ασυνέχεια µετάβαση από το ένα σύστηµα στο άλλο. Από το έτος 2010, όπου προβλέπεται η εισαγωγή τους, θα υπάρχει βέλτιστη πρόσβαση σε ψηφιακές υπηρεσίες οποτεδήποτε και οπουδήποτε, ανεξαρτήτως δικτύου ή τερµατικού και ανάλογα µε τις προτιµήσεις κάθε χρήστη Mobility Management Βασικό χαρακτηριστικό στην τεχνολογία των ετερογενών δικτύων, είναι το Mobility Management (διαχείριση κινητότητας). Στο ετερογενές περιβάλλον της 4 ης γενιάς δικτύων οι χρήστες θα έχουν πρόσβαση σε έναν αυξανόµενο αριθµό δικτύων που θα κυµαίνονται από τα παραδοσιακά δίκτυα GSM, GPRS ως τα τρέχοντα αναδυόµενα δίκτυα Wi-Fi και UMTS. Για να διευκολυνθεί η συνέχιση των υπηρεσιών σε όλα αυτά τα δίκτυα, θα πρέπει οι χρήστες να είναι ικανοί να περιάγονται από το ένα δίκτυο στο άλλο. Η ιαχείριση Κινητότητας είναι το τεχνικό προαπαιτούµενο για µια τέτοια συµπεριφορά περιαγωγής. Η ιαχείριση Κινητότητας περιλαµβάνει : τον έλεγχο του δικτύου στο οποίο είναι συνδεδεµένο το τερµατικό του χρήστη τη διαδικασία ανακάλυψης νέων δικτύων πρόσβασης και το πέρασµα από το ένα δίκτυο στο άλλο. Οι υπηρεσίες που µπορούν να υποστηριχθούν από ένα δίκτυο εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά του δικτύου, για παράδειγµα τους περιορισµούς λόγω χωρητικότητας. Επίσης, δεν υποστηρίζουν όλα τα δίκτυα όλες τις υπηρεσίες. Εποµένως, κάποιες φορές είναι απαραίτητο να προσαρµόζονται κάποιες υπηρεσίες στο περιβάλλον του νέου δικτύου. 21

32 Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι υπάρχουν δυο τεχνολογίες για ιαχείριση Κινητότητας: το MIP και το SIP. Το Mobile Internet Protocol (MIP) αποτελεί µια διαυγή λύση ιαχείρισης Κινητότητας στο επίπεδο δικτύου για εφαρµογές βασισµένες στο ΙΡ. Το Session Initiation Protocol (SIP) είναι ένα πρωτόκολλο στο επίπεδο εφαρµογής που ξεκινάει, διατηρεί και τερµατίζει ενότητες. Για TCP συνδέσεις και για τις πιο κοινές εφαρµογές Ίντερνετ (για παράδειγµα, http και chat) το ΜΙΡ είναι επαρκές. Ωστόσο, για εφαρµογές πραγµατικού χρόνου, στις οποίες υπάρχουν αυστηρές απαιτήσεις χρόνου, συνιστάται το SIP Πλατφόρµα ιαχείρισης Ετερογενών ικτύων Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα 4 ης γενιάς ασύρµατα δίκτυα ονοµάζονται και ετερογενή δίκτυα ακριβώς γιατί ενσωµατώνουν τα τρέχοντα δίκτυα 2 ης και 3 ης γενιάς. Τα ετερογενή αυτά δίκτυα θα επιτρέψουν την εισαγωγή και παροχή πρόσβασης σε πολυάριθµες υπηρεσίες, µε βασικό χαρακτηριστικό τη χωρίς ασυνέχεια µετάβαση από το ένα σύστηµα στο άλλο. Είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι οι χρήστες θα µπορούν να περιάγονται από το ένα δίκτυο πρόσβασης στο άλλο χωρίς διακοπές και σύµφωνα µε τις προσωπικές τους προτιµήσεις. Για να πραγµατοποιηθεί αυτό, τα ετερογενή δίκτυα θα πρέπει να ανταλλάσσουν πληροφορίες που θα αφορούν στις συνόδους, τις εφαρµογές και το προφίλ του χρήστη, µέσω µιας οντότητας. Η οντότητα αυτή αναµένεται να είναι µια πλατφόρµα διαχείρισης Επιλογή ικτύου Πρόσβασης Μέχρι σήµερα, η αυτόµατη επιλογή δικτύου είναι προεπιλεγµένη ρύθµιση στα περισσότερα GSM τερµατικά. Αυτή η ρύθµιση είναι αποθηκευµένη στο τερµατικό και πολλοί λίγοι άνθρωποι είναι αυτοί που επιλέγουν µηχανική επιλογή δικτύου. Αυτόµατη επιλογή δικτύου σηµαίνει ότι όταν ο χρήστης κινείται έξω από την κάλυψη ενός GSM δικτύου, το τερµατικό αυτόµατα ψάχνει και επιλέγει ένα άλλο δίκτυο. Ο χρήστης δεν έχει καµία ανάµειξη στην επιλογή, παρά µόνο όταν δε µείνει ικανοποιηµένος µε τις υπηρεσίες του επιλεγόµενου δικτύου. Τότε µπορεί να επιλέξει ένα νέο µηχανικά. Το αρνητικό είναι ότι ο χρήστης θα πρέπει πρώτα να επιλέξει δίκτυο και µετά να µάθει ποιες υπηρεσίες προσφέρονται από αυτό. 22

33 Όσον αφορά στα UMTS δίκτυα, η µεταγωγή γίνεται πάντοτε σε GSM δίκτυο. Το χαρακτηριστικό αυτό κρίνεται απαραίτητο διότι η κάλυψη του UMTS αρχικά είναι περιορισµένη. Σε κέντρα πόλεων, όπου η χωρητικότητα σε κανάλια GSM φωνής είναι περιορισµένη, οι πάροχοι θα µπορούν να µετάγουν τους χρήστες στις λιγότερο συµφορηµένες συχνότητες του UMTS. Οµοίως, όταν ένας χρήστης αποµακρύνεται από µια περιοχή κάλυψης UMTS, θα µετάγεται αυτόµατα σε GSM. Η µεταγωγή ανάµεσα σε αυτά τα δίκτυα γίνεται από τους πάροχους χωρίς ενηµέρωση του χρήστη. Τα τελευταία χρόνια χρησιµοποιούνται και άλλες ασύρµατες τεχνολογίες, µε πιο επιτυχή το WLAN, ενώ τα κινητά τερµατικά είναι εξοπλισµένα µε πολλαπλές διεπαφές και µπορούν να συνδέονται σε πολλά είδη δικτύων την ίδια στιγµή. Στα 4 ης γενιάς δίκτυα, η επιλογή ανάµεσα στα δίκτυα GSM, GPRS, UMTS, WLAN και DVB-T δε θα είναι από πριν καθορισµένη αλλά θα γίνεται µε βάση ορισµένα κριτήρια που θα αφορούν τόσο στο δίκτυο όσο και στον ίδιο το χρήστη. Το όραµα είναι η δηµιουργία µιας πλατφόρµας, η οποία θα διαχειρίζεται τα παραπάνω δίκτυα. Η πλατφόρµα αυτή, που ονοµάζεται και 4G πλατφόρµα υπηρεσιών, θα προσφέρει πολλά οφέλη στους τελικούς χρήστες, τους πάροχους υπηρεσιών και τους πάροχους δικτύου Οφέλη της Πλατφόρµας ιαχείρισης Τα οφέλη για τους τελικούς χρήστες θα είναι : Η αυτόµατη επιλογή δικτύου ανάλογα µε τις προτιµήσεις τους. Μία µόνο συνδροµή στην πλατφόρµα υπηρεσιών και όχι σε κάποιον πάροχο. Παντού και πάντοτε σύνδεση και πρόσβαση, ανεξαρτήτως τοποθεσίας. Παροχή ίδιων ποιοτικά και ποσοτικά υπηρεσιών ανεξάρτητα από την περιοχή που βρίσκονται. Πλούσιες σε χαρακτηριστικά υπηρεσίες. ιαχείριση του προφίλ τους και προφύλαξη των προσωπικών τους στοιχείων. ιατήρηση µιας συνόδου τους κατά τη διάρκεια µεταποµπής. 23

34 Τα οφέλη για τους πάροχους υπηρεσιών θα είναι : Προφύλαξη των τεχνολογιών και των δικτύων πρόσβασης από άτοµα µη εξουσιοδοτηµένα. Παροχή ενός συνόλου διεπαφών. Παροχή επαυξηµένων υπηρεσιών (για παράδειγµα αρχεία µε τα προφίλ των χρηστών και τις τοποθεσίες). Συµπληρωµατικές λειτουργίες όπως η πιστοποίηση αυθεντικότητας, η χρέωση και ο λογαριασµός κάθε χρήστη. Τα οφέλη για τους πάροχους δικτύων θα είναι : Επιπλέον έσοδα από χρήστες που επισκέπτονται τα δίκτυά τους χωρίς να είναι συνδροµητές. Συµπληρωµατικές λειτουργίες όπως η πιστοποίηση αυθεντικότητας, η χρέωση και ο λογαριασµός κάθε χρήστη. Ελάχιστη διαχείριση (δεν υπάρχει ανάγκη διατήρησης αρχείων µε τους συνδροµητές) Κριτήρια Επιλογής ικτύου Πρόσβασης Τα κριτήρια επιλογής δικτύου είναι : 1. η διαθέσιµη χωρητικότητά του εκείνη τη χρονική στιγµή 2. ποιες υπηρεσίες υποστηρίζει 3. το επίπεδο ποιότητας στο οποίο προσφέρει κάθε υπηρεσία 4. η δυνατότητα πρόσβασής του από το συγκεκριµένο χρήστη 5. το κόστος. 24

35 Τα κριτήρια αυτά, ωστόσο, είναι πολύ δύσκολο να συλλεχθούν και να επεξεργαστούν για τους παρακάτω λόγους : Οι πληροφορίες αυτές αποθηκεύονται σε διαφορετικές οντότητες: το τερµατικό, το δίκτυο, την πλατφόρµα υπηρεσιών και τον πάροχο υπηρεσιών. Είναι διαθέσιµες σε διαφορετικές µορφές ανάλογα µε την τεχνολογία που χρησιµοποιεί κάθε σύστηµα και δεν καθορίζεται ο τρόπος ανταλλαγής των πληροφοριών αυτών ανάµεσα στα δίκτυα και ανάµεσα στα τερµατικά. Οι πληροφορίες είναι δυναµικές και µπορεί να αλλάζουν συχνά. Ορισµένες φορές υπάρχουν περιορισµένες ή και καθόλου διαθέσιµες πληροφορίες. Ως τώρα έχουν προταθεί από τους ερευνητές κάποιες προσεγγίσεις για να ξεπεραστούν τα παραπάνω προβλήµατα. Στην πηγή [ΕρΚα05] µελετάται η χρήση µιας πλατφόρµας διαχείρισης µε την οποία θα γίνεται η επιλογή δικτύου και υπηρεσιών. Στηρίζεται στην πλατφόρµα του CREDO, ένα πρόγραµµα του IST, και στην αξιοποίηση της αρχιτεκτονικής των υπηρεσιών διαδικτύου (web services) ως µια προτεινόµενη τεχνολογία για την ανταλλαγή πληροφοριών ανάµεσα στην πλατφόρµα διαχείρισης και τα δίκτυα και στην πλατφόρµα διαχείρισης και τα τερµατικά. 25

36 26

37 Κεφάλαιο 5 Υπηρεσίες και εφαρµογές τέταρτης γενιάς Κάθε φορά που µια νέα τεχνολογία εισάγεται, γεννιούνται κάποια ερωτήµατα όσον αφορά στις υπηρεσίες που αυτή θα προσφέρει. Η τεχνολογία από µόνη της δεν είναι ο στόχος αλλά το µέσο για κάποιο στόχο. Και ο στόχος είναι η ανάπτυξη εφαρµογών για την πραγµατοποίηση υπηρεσιών που θα γίνουν καθηµερινή συνήθεια και χείρα βοηθείας για τους χρήστες. Τα ερωτήµατα, λοιπόν, που προκύπτουν είναι ποιες θα είναι οι προσφερόµενες υπηρεσίες, αν θα υπάρχουν νέες 4G υπηρεσίες, και τι εν τέλει είναι µια 4G υπηρεσία. Έχουν γίνει ήδη αρκετές έρευνες και υπάρχουν εκθέσεις στη διάθεση κάθε ενδιαφεροµένου γύρω από το ποιες υπηρεσίες αναµένεται να προσφέρονται. Βέβαια, αυτό που µπορεί να ειπωθεί µε σιγουριά είναι ότι είναι αδύνατο να προβλεφθούν τα τεχνολογικά επιτεύγµατα, η εξέλιξη του πολιτισµού και συνάµα οι ανάγκες των πελατών στο µέλλον. Τα κινητά τηλέφωνα 4 ης γενιάς θα έχουν ρυθµοαπόδοση 100 Mbps, ισοδύναµη της ταχύτητας στις επικοινωνίες των οπτικών ινών. Αναµένεται, λοιπόν, οι χρήστες να έχουν τη δυνατότητα να παρακολουθούν µεγάλης ευκρίνειας τηλεόραση στα κινητά τους ακόµη και όταν θα βρίσκονται επιβιβασµένοι σε ταχύτατα τρένα. Οι υπηρεσίες που προσφέρονται ήδη από τα 3 ης γενιάς δίκτυα θα συνεχίσουν να προσφέρονται και από την 4 η γενιά δικτύων µε σηµαντικές αλλαγές, ωστόσο, στην ποιότητα και την ταχύτητα. Υπηρεσίες που µέχρι σήµερα δεν έχουν διαδοθεί ευρέως, όπως η τηλεσυνδιάσκεψη, αναµένεται να γνωρίσουν µεγάλη αναγνώριση εξαιτίας της καλύτερης ποιότητας που προσφέρουν και της διαφοροποίησής τους ανάµεσα στα υπάρχοντα µοντέλα της αγοράς. Ακόµη, η µουσική, που αποτελεί ήδη µια ευρέως χρησιµοποιούµενη υπηρεσία, θα αποκτήσει ακόµη µεγαλύτερη απήχηση στο κοινό. 27

38 Με τα τωρινά δίκτυα, µόνο µικρά µουσικά κοµµάτια µπορούν να κατεβούν. Τα 4G θα βοηθήσουν στο κατέβασµα ολόκληρων τραγουδιών ή µουσικών κοµµατιών, αλλάζοντας την ανταπόκριση της αγοράς σηµαντικά. Μεγάλη άνθηση προβλέπεται να γνωρίσουν και τα on-line παιχνίδια, όπως και τα τυχερά παιχνίδια. Γενικότερα, τα 4G θα δώσουν ώθηση στο ηλεκτρονικό εµπόριο. Τα 4G δίκτυα θα επιτρέψουν πρωταρχικά τη µετάδοση υψηλής ποιότητας video χωρίς διακοπές. Το υψηλής ταχύτητας video χωρίς διακοπές και άλλες µορφές δεδοµένων µεγάλης ταχύτητας είναι µερικά από τα κύρια οφέλη των 4G και σηµαντικοί λόγοι για τη συνεχή ανάπτυξή τους. Ωστόσο, υπάρχουν ήδη δίκτυα 3 ης γενιάς που προσφέρουν αυτές τις υπηρεσίες και το WiMAX υπόσχεται να κάνει το ίδιο. Εποµένως, είναι απαραίτητη και αναπόφευκτη η ανάγκη για τα 4G δίκτυα; Σύµφωνα µε τους ερευνητές, το όλο θέµα έγκειται στον αριθµό των εγγεγραµµένων συνδροµητών και τη γενικότερη ζήτηση για αυτού του είδους τις υπηρεσίες. Τα δίκτυα 3 ης γενιάς δεν µπορούν να υποστηρίξουν πολλούς χρήστες. Η 4 η γενιά δικτύων θα είναι ικανή να προσφέρει τέτοιου είδους υπηρεσίες σε πολλούς πελάτες. Εποµένως, το θέµα είναι το επίπεδο ζήτησης για υπηρεσίες δεδοµένων (data-based). Αναµένεται να υπάρχει µεγάλη ποικιλία επιλογής. Κάποιοι χρήστες ίσως επιλέξουν υπηρεσίες video, ορισµένοι ίσως θέλουν να µεταφέρουν εικόνες υψηλής ανάλυσης και ακόµη κάποιοι άλλοι πιθανότατα να βρίσκουν πιο χρήσιµες τις εταιρικές εφαρµογές ή άλλες εκλεπτυσµένες υπηρεσίες. Σε κάθε περίπτωση, όσο η ζήτηση των πελατών θα αυξάνεται σε ποσότητα αλλά και ποιότητα, τόσο η αξία των 4G θα αποκαλύπτεται. [ΕρΚα05] Ακολουθεί ένας ενδεικτικός κατάλογος κατηγοριών υπηρεσιών και εφαρµογών: 1. Τηλεπαρουσία (tele-presence) Θα υποστηρίζει τις εφαρµογές που θα κάνουν χρήση όλων των ανθρώπινων αισθήσεων προκειµένου να παρέχουν στους χρήστες την αίσθηση της πραγµατικής ύπαρξης σε µια συγκεκριµένη περιοχή. Θα είναι υπηρεσίες εικονικής πραγµατικότητας πραγµατικού χρόνου και θα υποστηρίζουν εφαρµογές εικονικών συνεδριάσεων, µια εξέλιξη των 28

39 σηµερινών συστηµάτων τηλεδιάσκεψης. Παρά το γεγονός ότι θα βρίσκονται µακριά από τη διάσκεψη, οι συµµετέχοντες θα έχουν την αίσθηση της παρουσίας στο χώρο που πραγµατοποιείται η διάσκεψη. Λόγω των τεράστιων απαιτήσεων σε ταχύτητα µεταφοράς δεδοµένων, τέτοιου είδους εφαρµογές θα απαιτούν αποδοτικές τεχνικές συµπίεσης και θα έχουν πρόσβαση σε ταχύτητες της τάξης των 100 Mbps. Επιπλέον, εξαιτίας της φύσης τους, αυτές οι υπηρεσίες πραγµατικού χρόνου θα απαιτούν πολύ µικρές µεταβολές στην καθυστέρηση και υψηλά επίπεδα ποιότητας υπηρεσιών. Η έννοια µιας εικονικής συνεδρίασης θα είναι µια από τις σηµαντικότερες εφαρµογές που προβλέπονται για τα συστήµατα τέταρτης γενιάς. 2. Πρόσβαση σε πληροφορίες Θα απαιτεί τη δυνατότητα στιγµιαίας πρόσβασης σε µεγάλους όγκους δεδοµένων, όπως µεγάλα αρχεία ήχου και βίντεο. Σε σύγκριση µε την τηλεπαρουσία, οι εφαρµογές αυτές θα είναι λιγότερο «ευαίσθητες» στη µεταβολή καθυστέρησης, δεδοµένου ότι δεν θα είναι εφαρµογές πραγµατικού χρόνου. Αυτή η κατηγορία υπηρεσιών θα απαιτεί τη µεγαλύτερη δυνατή ταχύτητα. Σηµειώνεται ότι αυτές οι υπηρεσίες αναµένεται να χαρακτηρίζονται από ασύµµετρη κίνηση, µε αναλογία εύρους ζώνης µεταξύ κατωφερών και ανωφερών συνδέσεων κοντά στο 50 προς Επικοινωνία µεταξύ µηχανών Θα προσφέρει στις συσκευές τη δυνατότητα να επικοινωνούν είτε για λόγους συντήρησης είτε για λόγους πρόσθετης νοηµοσύνης και λειτουργικότητας. Ένα παράδειγµα εφαρµογής αυτού του τύπου είναι ο εξοπλισµός των τµηµάτων των µηχανών ενός αυτοκινήτου µε ασύρµατες διασυνδέσεις, οι οποίες θα επιτρέπουν την επικοινωνία µε τους αντίστοιχους προµηθευτές όταν εµφανίζονται δυσλειτουργίες. 4. Ευφυείς αγορές Θα προσφέρει στους χρήστες πρόσβαση σε πληροφορίες σχετικές µε τις τιµές και τα χαρακτηριστικά των προϊόντων που προσφέρονται από τα καταστήµατα τα οποία επισκέπτονται. Με την είσοδο του χρήστη σε ένα κατάστηµα, το τερµατικό του θα συνδέεται αυτόµατα µε το φορέα παροχής πληροφοριών του καταστήµατος και θα λαµβάνει πληροφορίες σχετικά µε τα προϊόντα που πωλούνται από το κατάστηµα. 29

40 5. Ασφάλεια Η ασφάλεια των εφαρµογών θα είναι ένα αναγκαίο χαρακτηριστικό γνώρισµα των δικτύων των µελλοντικών γενιών. Η εξασφάλιση της ακεραιότητας των µεταφερόµενων δεδοµένων είναι ένας κρίσιµος παράγοντας που θα επιτρέψει τον πολλαπλασιασµό των τραπεζικών εργασιών και των εφαρµογών ηλεκτρονικών πληρωµών µέσω των ασύρµατων δικτύων. Επιπλέον, οι υπηρεσίες ασφάλειας είναι απαραίτητες για να προστατεύουν τη µυστικότητα των προσωπικών δεδοµένων των χρηστών. 6. Υπηρεσίες βασισµένες στη γεωγραφική θέση Προβλέπεται ότι τα συστήµατα τέταρτης γενιάς θα έχουν τη δυνατότητα να καθορίζουν τη θέση ενός χρήστη µε πολύ µεγάλη ακρίβεια. Αυτό δεν µπορεί να υλοποιηθεί µε τα σηµερινά συστήµατα, τα οποία µπορούν να εντοπίσουν µόνο την κυψέλη που εξυπηρετεί το χρήστη, δίνοντας έτσι τη θέση του µε πιθανή παρέκκλιση εκατοντάδων µέτρων ή και χιλιοµέτρων. Η ικανότητα εντοπισµού θα είναι πολύ χρήσιµη σε εφαρµογές έκτακτης ανάγκης. Για παράδειγµα, αν κάποιος άνθρωπος µε πρόβληµα υγείας καλέσει ένα ασθενοφόρο από το τηλέφωνο του, αλλά είναι ανίκανος να δώσει τη γεωγραφική του θέση, αυτή θα µπορεί να καθοριστεί µε υψηλή ακρίβεια µε την ανίχνευση από το δίκτυο της γεωγραφικής θέσης του τηλεφώνου του χρήστη. [NOPP06] 7. Εικονική πλοήγηση (virtual navigation) Μια αποµακρυσµένη βάση δεδοµένων θα περιέχει γραφική αναπαράσταση δρόµων, κτιρίων και τοπογραφικών γνωρισµάτων. Κοµµάτια αυτής της βάσης δεδοµένων θα µεταδίδονται γρήγορα σε ένα όχηµα όπου ένα υπολογιστικό πρόγραµµα θα επιτρέπει στους επιβάτες να προβλέπουν τη µελλοντική διαδροµή, να επιλέγουν δρόµους µε τη µικρότερη κίνηση, να εντοπίζουν αξιοθέατα ή µουσεία ή να επιλέγουν εναλλακτικούς δρόµους σε περιπτώσεις ατυχηµάτων. 8. Τηλεϊατρική (tele-medicine) Τα πληρώµατα των ασθενοφόρων σε αποµακρυσµένες περιοχές θα µπορούν να έχουν πρόσβαση σε ιατρικά αρχεία και να τηλεδιασκέπτονται (video-conference) µε γιατρούς όπως και να µεταδίδουν κρίσιµες πληροφορίες του ασθενούς σε κεντρικά νοσοκοµεία. 30

41 9. Σταθµός πληροφορίας (infostation) Ένας οδηγός αυτοκινήτου θα µπορεί να λαµβάνει ένα µεγάλο αριθµό αρχείων ή πολυµέσων από το δίκτυο κατά τη διάρκεια της οδήγησης σε ένα αυτοκινητόδροµο από και προς το χώρο εργασίας. 10. Εφαρµογές τηλεγεωδαισίας (tele-geoprocessing) O συνδυασµός συστηµάτων γεωγραφικής πληροφορίας (GIS), συστηµάτων παγκοσµίου προσδιορισµού θέσης (GPS) και ασύρµατων κινητών συστηµάτων υψηλής χωρητικότητας θα κάνει εφικτές εφαρµογές τηλεγεωδαισίας. 11. Εφαρµογές διαχείρισης κρίσεων Αυτές οι εφαρµογές είναι χρήσιµες σε περιόδους φυσικών καταστροφών όταν ολόκληρος ο τηλεπικοινωνιακός ιστός έχει παραλύσει. Η γρήγορη επαναλειτουργία των τηλεπικοινωνιών είναι αναγκαία. Η αυξηµένη χωρητικότητα των ασύρµατων συστηµάτων ευρείας ζώνης 4G τα οποία θα περιλαµβάνουν υπηρεσίες Internet και video θα επιτρέψουν την αποκατάσταση σε διάστηµα ωρών σε αντιδιαστολή µε τα ενσύρµατα συστήµατα που θα απαιτούσαν ηµέρες ή ακόµα και εβδοµάδες. 12. Εκπαίδευση µέσω Internet Η παροχή ενσύρµατης πρόσβασης ευρείας ζώνης στο Internet είναι οικονοµικά ασύµφορη για κατοίκους αραιοκατοικηµένων ή αποµακρυσµένων περιοχών. Ασύρµατες επικοινωνίες ευρείας ζώνης µπορούν να λύσουν αυτό το πρόβληµα. 13. Κινητά δίκτυα υπολογιστών Κατά ανάλογο τρόπο µε τα σταθερά δίκτυα υπολογιστών, τα κινητά δίκτυα υπολογιστών θα διευκολύνουν οικονοµικές συναλλαγές, επιχειρηµατικές πράξεις και επιστηµονική συνεργασία από απόσταση. [Τεν01] [Jiv08] [SB03] 31

42 32

43 Κεφάλαιο 6 Βασικές τεχνολογίες για τα δίκτυα τέταρτης γενεάς Οι επικρατέστερες τεχνολογίες για το φυσικό επίπεδο είναι η OFDM και το MC- CDMA, ενώ για τα ανώτερα επίπεδα είναι το All-IP και το WLAN. [Mis04] 6.1 OFDM Προκειµένου να υποστηριχθούν υψηλότερες ταχύτητες, θα πρέπει προφανώς να αναπτυχθούν νέες διασυνδέσεις των τερµατικών µε το δίκτυο. Μια αποδοτική διασύνδεση πρέπει να χρησιµοποιεί το φάσµα αποδοτικά και να παρέχει τη δυνατότητα επιλογής µεταξύ διαφόρων ταχυτήτων πρόσβασης. Επιπλέον, µια τέτοια διασύνδεση θα πρέπει να είναι ανθεκτική στην εξασθένηση και να απαιτεί όσο το δυνατό λιγότερες λειτουργίες εξίσωσης (equalization). Η ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) µπορεί να καλύψει τέτοιες απαιτήσεις και αναµένεται να χρησιµοποιηθεί στα µελλοντικά ασύρµατα συστήµατα. [NOPP06] Στο πρότυπο OFDM η βασική ιδέα είναι η διαίρεση των ροών δεδοµένων σε περαιτέρω ροές (υποκανάλια). Κάθε µία από αυτές τις ροές έχει χαµηλότερο ρυθµό µετάδοσης από την αρχική. Στη συνέχεια οι υποροές διαµορφώνονται µε χρήση κωδίκων οι οποίοι είναι µεταξύ τους ορθογώνιοι. Εξαιτίας της ορθογωνικότητας τα υποκανάλια µπορούν να πλησιάζουν πολύ κοντά µεταξύ τους (ή ακόµα και να επικαλύπτονται) χωρίς να υπάρχει κίνδυνος παρεµβολής. Επίσης λόγω των χαµηλών ρυθµών µετάδοσης αποφεύγεται και το φαινόµενο της διασυµβολικής παρεµβολής. Το αποτέλεσµα είναι ένα σύστηµα που χρησιµοποιεί µε πολύ αποδοτικό τρόπο το παρεχόµενο φάσµα συχνοτήτων. Το πρότυπο OFDM αποτελεί τη βάση για πολλά πρότυπα τηλεπικοινωνιών όπως το a, το g, το WLAN ακόµα και τα συστήµατα Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL). Τα πλεονεκτήµατα που το κατέστησαν τόσο δηµοφιλές είναι η αποδοτική χρήση του παρεχόµενου εύρους ζώνης και η ανοχή στις παρεµβολές. 33

44 Από την άλλη πλευρά, το κυριότερο µειονέκτηµα του OFDM είναι το γεγονός ότι αποτελεί ένα ιδιαίτερα ενεργοβόρο σύστηµα. Ίσως για αυτό το λόγο καµία από τις επικρατούσες τεχνολογίες για τα κινητά δίκτυα τρίτης γενιάς δεν έχουν ενσωµατώσει το OFDM. Παρόλα αυτά, η ενσωµάτωση του προτύπου αυτού στα κινητά συστήµατα της 4ης γενιάς είναι βέβαιη. [Κακ07, σελ.25-26] Υποστηρίζεται ότι η OFDM θα είναι σε θέση να ικανοποιήσει τις τρεις σηµαντικότερες απαιτήσεις των κινητών δικτύων 4G: υψηλότερη κάλυψη (coverage) και χωρητικότητα (capacity), µε επίτευξη της επιθυµητής ποιότητας υπηρεσίων (QoS) µε το ελάχιστο κόστος. [Mis04] Η ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας (OFDM) είναι µια µορφή διαµόρφωσης σε πολλές διαδροµές (multicarrier modulation) η οποία χωρίζει το προς µετάδοση µήνυµα σε τµήµατα. Το διαθέσιµο φάσµα χωρίζεται επίσης σε ένα πλήθος καναλιών χαµηλού ρυθµού, και γίνεται ταυτόχρονη µεταφορά κάθε τµήµατος σε ένα κανάλι χαµηλού ρυθµού. Καθώς (α) το κυρίαρχο φαινόµενο που οδηγεί σε λάθη µετάδοσης στο ασύρµατο µέσο είναι η εξασθένηση, (β) η εξασθένηση εξαρτάται από τη συχνότητα του φέροντος κύµατος, και (γ) η επέκταση καθυστέρησης (delay spread) πρέπει να είναι πολύ µεγάλη για να προκαλέσει σηµαντικό πρόβληµα σε ένα κανάλι, γίνεται φανερή η αντοχή της πολύπλεξης OFDM στην εξασθένηση. Κατά συνέπεια, µε το διαχωρισµό ενός µηνύµατος σε τµήµατα και τη σχετικά αργή (λόγω του χαµηλού εύρους ζώνης των επιµέρους καναλιών) παράλληλη αποστολή αυτών των τµηµάτων, η επέκταση της καθυστέρησης στο δέκτη θα είναι αρκετά µικρή σε σύγκριση µε το χρόνο µετάδοσης ενός bit. To γεγονός αυτό, µαζί µε τη διαπλοκή του µηνύµατος µέσω πολλών καναλιών, οδηγεί σε µια σύνδεση µεγάλης χωρητικότητας, η οποία θα είναι ανθεκτική στην πολύδροµη διάδοση. Η πολύπλεξη OFDM µοιάζει µε την FDMA (Frequency Division Multiple Access πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας) στο ότι και οι δύο χωρίζουν το διαθέσιµο εύρος ζώνης σε υποκανάλια. Η προφανής διαφορά τους είναι ότι, σε αντίθεση µε την OFDM, η FDMA είναι µια µέθοδος πολλαπλής πρόσβασης. Μια άλλη διαφορά αφορά την απόδοση: η FDMA είναι ανεπαρκής από την οπτική γωνία της αποδοτικής χρήσης του φάσµατος, επειδή σπαταλά ένα σηµαντικό τµήµα του φάσµατος για την υλοποίηση 34

45 διαστηµάτων προστασίας (guard intervals) µεταξύ των γειτονικών καναλιών συχνοτήτων προκειµένου να εξασφαλιστεί ότι δεν θα παρεµβάλλεται το ένα στο άλλο κατά τη λήψη του σήµατος στο δέκτη. Σε µια ανάλογη σπατάλη φάσµατος υπόκεινται επίσης και τα συστήµατα TDMA (Time Division Multiple Access πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου) προκειµένου να επιτύχουν συγχρονισµό. Στα συστήµατα αυτά, τα διαστήµατα προστασίας υλοποιούνται στο πεδίο του χρόνου στην αρχή κάθε χρονικής θυρίδας (slot) προκειµένου να αντισταθµιστούν τα προβλήµατα συγχρονισµού µεταξύ των διαφόρων σταθµών. Τέτοιες σπατάλες εύρους ζώνης δεν είναι επιθυµητές στις µελλοντικές γενιές των ασύρµατων δικτύων. Ο λόγος είναι προφανής: το διαθέσιµο φάσµα αναµένεται να είναι µικρό σε σχέση µε τη ζήτηση. Συνεπώς, ένα ορισµένο τµήµα του φάσµατος θα πρέπει να χρησιµοποιείται όσο το δυνατό πιο αποδοτικά προκειµένου να εξυπηρετεί όσο το δυνατό περισσότερους χρήστες. Η OFDM προσπαθεί να λύσει αυτό το πρόβληµα µειώνοντας σηµαντικά τη σπατάλη φάσµατος µε τη διαπλοκή των µηνυµάτων σε διάφορα κανάλια, τα οποία απέχουν σε πολύ µικρό βαθµό, όσον αφορά τη συχνότητα. Τα κανάλια της OFDM είναι ορθογώνια µεταξύ τους, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι δεν θα παρεµβάλλονται το ένα στο άλλο. Το γεγονός αυτό εξασφαλίζει το ότι, παρόλο που τα κανάλια είναι πολύ κοντά στη συχνότητα και τα φάσµατα τους επικαλύπτονται, τα µηνύµατα σε διαφορετικά κανάλια δεν παρεµποδίζουν το ένα το άλλο, δεδοµένου ότι η ανίχνευση σε ένα κανάλι γίνεται στο σηµείο όπου όλα τα άλλα είναι µηδενικά (null). Σε ένα σύστηµα OFDM, η ανίχνευση εκτελείται στο πεδίο της συχνότητας. Ωστόσο, η πραγµατική µετάδοση σηµάτων εµφανίζεται στο πεδίο του χρόνου. Στο Σχήµα 6.1 επεξηγείται η λειτουργία ενός απλού συστήµατος OFDM. Σχήµα 6.1 Ένα απλό σύστηµα ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας. Πηγή: [NOPP06] 35

46 Η µετάδοση και λήψη µε ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας περιλαµβάνει τις ακόλουθες καταστάσεις: Α) Ποµπός: Μετατροπή από σειριακό σε παράλληλο Η ροή των προς µετάδοση δεδοµένων οµαδοποιείται σε λέξεις των οποίων το µέγεθος καθορίζεται από τη µέθοδο διαµόρφωσης. Για παράδειγµα, αν χρησιµοποιείται η µέθοδος QPSK, η ροή δεδοµένων χωρίζεται σε λέξεις µεγέθους 2 bit η κάθε µια. Στη συνέχεια, κάθε λέξη αντιστοιχίζεται σε ένα διαφορετικό µεταφορέα. Β) Ποµπός: ιαµόρφωση κάθε καναλιού Πραγµατοποιείται διαµόρφωση κάθε καναλιού µε βάση τη λέξη που έχει αντιστοιχιστεί σε αυτό. Γ) Ποµπός: Αντίστροφος µετασχηµατισµός Fourier (Inverse Fourier Transform - IFT) Μετά τον καθορισµό του περιεχοµένου ενός καναλιού, το περιεχόµενο αποτελεί την είσοδο σε ένα κύκλωµα αντίστροφου µετασχηµατισµού Fourier προκειµένου να ληφθεί µια αναπαράσταση του σήµατος OFDM στο πεδίο του χρόνου. Ο µετασχηµατισµός ΙFT µπορεί να εκτελεστεί µε τη χρήση γρήγορου µετασχηµατισµού Fourier (Fast Fourier Transform, FFT), ο οποίος είναι υλοποιήσιµος σήµερα µε χαµηλό κόστος. ) Ποµπός: Μετατροπή από ψηφιακό σε αναλογικό (Digital to Analog Conversion - DAC) Η έξοδος του IFT µετατρέπεται σε µια αναλογική µορφή κατάλληλη για µετάδοση. Ε) έκτης Προκειµένου να παραληφθεί το µήνυµα, ο δέκτης εκτελεί την αντίστροφη λειτουργία. Ψηφιοποιεί το λαµβανόµενο σήµα (κύκλωµα ADC στο Σχήµα 6.1) και εκτελεί ένα µετασχηµατισµό FFT στο λαµβανόµενο σήµα προκειµένου να ληφθεί η αναπαράστασή του στο πεδίο της συχνότητας. Στην έξοδο δίνονται τα περιεχόµενα των καναλιών, τα οποία και αποδιαµορφώνονται προκειµένου να ληφθούν οι λέξεις που διαβιβάστηκαν σε κάθε µεταφορέα. Στη συνέχεια, αυτές οι λέξεις συνδυάζονται για να παραγάγουν το αρχικό µήνυµα. 36

47 Στο σχήµα 6.2 απεικονίζονται τα κανάλια µιας µετάδοσης OFDM. To φάσµα κάθε καναλιού OFDM έχει µορφή sin(x)/x και καταλαµβάνει ένα ορισµένο εύρος ζώνης L. Έστω L = 1 khz. Υποθέτοντας ότι ο κύριος λοβός του σήµατος στο πρώτο κανάλι είναι στα Κ khz, το σήµα αυτό θα έχει το πρώτο µηδενικό στο Κ+L, µε κάθε επόµενο µηδενικό να εµφανίζεται ανά L khz. Αν διαµορφώσουµε το δεύτερο κανάλι στον ίδιο ρυθµό σε µια συχνότητα ακριβώς L khz υψηλότερη από εκείνη του πρώτου, ο κύριος λοβός του δεύτερου καναλιού θα εµφανίζεται σε µηδενικό του πρώτου. Χρησιµοποιώντας αυτή την προσέγγιση, ο κύριος λοβός κάθε καναλιού εµφανίζεται σε συχνότητες όπου τα άλλα κανάλια εµφανίζουν µηδενικά. Συνεπώς, κατά την ανίχνευση δεν υπάρχει παρεµβολή µεταξύ των καναλιών OFDM. Σχήµα 6.2 Ανίχνευση συµβόλων στην ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας. Πηγή: [NOPP06] Σε µια προσπάθεια να αυξηθεί η αντοχή των καναλιών στη διασυµβολική παρεµβολή (Intersymbol Interference, ISI) που προκαλείται από την πολύδροµη διάδοση, τα µεταδιδόµενα σύµβολα είναι δυνατό να επιµηκυνθούν µε την προσθήκη ενός διαστήµατος προστασίας µεταξύ των διαδοχικών µεταδόσεων συµβόλων. Η ύπαρξη ενός τέτοιου διαστήµατος επιτρέπει στις καθυστερηµένες συνιστώσες της µετάδοσης ενός συµβόλου να φτάσουν στο δέκτη πριν παραληφθεί η ενέργεια του επόµενου συµβόλου. Το πραγµατικό περιεχόµενο του διαστήµατος προστασίας παράγεται µε την επανάληψη της «ουράς» του συµβόλου και την τοποθέτηση της πριν την πραγµατική µετάδοση του. Αν οι 37

48 καθυστερηµένες συνιστώσες ενός σήµατος που µεταφέρει ένα σύµβολο k είναι µέσα στο διάστηµα προστασίας, η πολύδροµη διάδοση δεν έχει επιπτώσεις στην ανίχνευση του επόµενου συµβόλου k+1. Βέβαια, µε τη χρήση διαστηµάτων προστασίας χάνουµε κάποιο εύρος ζώνης το οποίο δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη διαβίβαση των πληροφοριών. Στο Σχήµα 6.3 φαίνεται η µετάδοση των συµβόλων ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (OFDM) στο πεδίο του χρόνου µε τη χρήση διαστηµάτων προστασίας. Τα βέλη στις περιπτώσεις "a" έως "c" αντιπροσωπεύουν την ενέργεια του συµβόλου 2 στο δέκτη στο πεδίο του χρόνου. Στην περίπτωση "a" δεν υπάρχει προφανώς διασυµβολική παρεµβολή, µε αποτέλεσµα η αποκωδικοποίηση του συµβόλου 3 να παράγει το σωστό σύµβολο. Η αποκωδικοποίηση είναι επιτυχής και στην περίπτωση "b", όπου οι καθυστερηµένες συνιστώσες του συµβόλου 2 επικαλύπτονται µε το διάστηµα φρουράς του συµβόλου 3. Αντίθετα, στην περίπτωση "c" η αποκωδικοποίηση του συµβόλου 3 θα επηρεαστεί από διασυµβολική παρεµβολή, επειδή συνιστώσες του συµβόλου 2 επικαλύπτονται µε το σύµβολο 3. Σχήµα 6.3 Χρήση διαστηµάτων φρουράς. Πηγή: [NOPP06] Υπάρχουν επίσης και κάποιες παραλλαγές της πολύπλεξης OFDM, όπως η κωδικοποιηµένη ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας (Coded OFDM, COFDM), η οποία παρέχει µεγαλύτερη αντοχή στα σφάλµατα λόγω εξασθένησης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ένα τµήµα του µηνύµατος στο οποίο θα εµφανιστούν ένα ή περισσότερα λάθη bit είναι δυνατό να διορθωθεί µε τη µετάδοση κωδικών bit σε κάποιο άλλο κανάλι, στο οποίο µπορεί να µην έχουν συµβεί σφάλµατα. Ο λόγος για τον οποίο µπορεί να γίνει αυτό είναι ότι τα διάφορα κανάλια συχνοτήτων επηρεάζονται διαφορετικά από την εξασθένηση (fading). Η πολύπλεξη COFDM χρησιµοποιείται στα περισσότερα από τα 38

49 σηµερινά συστήµατα OFDM. Η ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας ευρείας ζώνης (Wideband OFDM, WOFDM) είναι µια παραλλαγή της OFDM. Στη WOFDM η απόσταση συχνότητας µεταξύ των καναλιών είναι µεγαλύτερη σε µια προσπάθεια να αντιµετωπιστεί το πρόβληµα των λαθών συχνότητας µεταξύ ποµπού και δέκτη. Το µεγαλύτερο διάστηµα εξασφαλίζει ότι ένα τέτοιο λάθος θα έχει αµελητέα επίδραση στην απόδοση του συστήµατος, καθώς δεν θα επηρεάζει κάποιο γειτονικό κανάλι. Κατά συνέπεια, µια παρέκκλιση στη συχνότητα εκποµπής από τον ποµπό θα είναι ανεκτή από το δέκτη. [NOPP06] και [Mis04] Για επιπλέον πληροφορίες για την τεχνολογία OFDM ο αναγνώστης µπορεί να επισκεφτεί το δικτυακό τόπο ή/και να µελετήσει την εργασία [Εντ06] Εντλιρας Σταύρος (2006). Θεωρία και εφαρµογές OFDM τεχνικές διαφορισιµότητας (diversity) στο OFDM, διπλωµατική εργασία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών All-IP δίκτυα Τα δίκτυα All-IP έχουν γίνει σχεδόν συνώνυµα µε τα δίκτυα τέταρτης γενιάς. Ένα απλουστευµένο δίκτυο All-IP παρουσιάζεται στο σχήµα 6.4. Σχήµα 6.4 Παράδειγµα ενός δικτύου All-IP Πηγή: [Mis04] Η σηµαντικότερη διαφορά µεταξύ του δικτύου All-IP και των δικτύων 2G και 3G εντοπίζεται στη λειτουργία του RNC και του BSC, το οποίο διανέµεται τώρα στο 39

50 BTS και σε ένα σύνολο από servers και πύλες. Τα διάφορα στοιχεία του δικτύου περιγράφονται κατωτέρω. IP-BTS: Η λειτουργία του IP σταθµού βάσης (base station) σε αυτό το δίκτυο είναι παρόµοια µε αυτή που έχουν οι σταθµοί βάσης στα άλλα δίκτυα. Λειτουργεί επίσης και ως mini-rnc/bsc και µπορεί να εκτελεί λειτουργίες των επιπέδων 1, 2 και 3. Υπάρχουν δύο τύποι: serving BTS και drift BTS (ισοδύναµα µε serving RNC και drift RNC σε ένα δίκτυο WCDMA). ιακοµιστές IP (IP servers): Ο IP σταθµός βάσης δεν είναι σε θέση να πραγµατοποιήσει όλες τις λειτουργίες RNC/BSC, οι οποίες είναι του επιπέδου δικτύου (network level). Οι διακοµιστές IP χειρίζονται την ανταλλαγή µηνυµάτων (signalling) µεταξύ των στοιχείων του δικτύου. Είναι σε θέση επίσης να ρυθµίζουν αυτόµατα (auto-tuning) τις παραµέτρους του δικτύου, µε σκοπό την καλύτερη αξιοποίηση (utilization) των διαθέσιµων πόρων (resources). εδοµένου ότι υπάρχουν πολλές τεχνολογίες, ένας τυπικός διακοµιστής βελτιώνει την απόδοση (performance) και την αποδοτικότητα επίδοση (efficiency) του δικτύου, σε σύγκριση µε τους ξεχωριστούς διακοµιστές για κάθε µια από τις διεπαφές (interfaces). Πύλες - Gateways (GW): Είναι αρµόδιες για την αλληλεπίδραση των IP-RAN και των δικτύων IP-Core. Είναι συνήθως δύο τύπων. Οι πύλες CS-GW (circuit-switched) χειρίζονται κλήσεις µεταγωγής κυκλώµατος, ενώ οι πύλες PS-GW (packet-switched) χειρίζονται κλήσεις µεταγωγής πακέτου. Σχεδιασµός δικτύου (network planning) Ο σχεδιασµός δικτύου καλύπτει το δίκτυο πρόσβασης (access network) (µετάδοση - transmission) και το βασικό δίκτυο πακέτων (packet core network). Το σχήµα 6.5 παρουσιάζει ένα µικρό κιβώτιο µε το βασικό δίκτυο φωνής (circuit core) ως υποσύνολο του βασικού δικτύου πακέτων, δείχνοντας ότι η φωνή θα παραµείνει κοµµάτι της κινητής επικοινωνίας, αλλά ότι τώρα θα µεταφέρεται αποκλειστικά µέσω του δικτύου πακέτων (σε αντιδιαστολή µε τα δίκτυα 2G και 3G). 40

51 Σχήµα 6.5 Σχεδιασµός δικτύου για ένα δίκτυο All-IP Πηγή: [Mis04] Η δοµή των πρωτοκόλλων (protocol structure) σε ένα δίκτυο All-IP φαίνεται στο σχήµα 6.6. Σχήµα 6.6 οµή πρωτοκόλλων σε ένα δίκτυο All-IP Πηγή: [Mis04] Η σηµαντικότερη αλλαγή στο δίκτυο µετάδοσης (transmission network) είναι η χρήση του All-IP για τη ροή της κυκλοφορίας. Τα δίκτυα µετάδοσης τρίτης γενιάς (3G) χρησιµοποιούν ένα επίπεδο ATM (ασύγχρονος τρόπος µεταφοράς) (ATM layer) για τη ροή της κυκλοφορίας, ενώ ένα δίκτυο All-IP δεν έχει επίπεδο ATM, αλλά επίπεδο IP version 6 (σχήµα 6.6). Ο σηµαντικότερος αντίκτυπος αυτού του γεγονότος είναι οι µειωµένες κεφαλίδες (λιγότερη κίνηση στο δίκτυο). [Mis04] 41

52 6.3 ιαδικασία σχεδίασης τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων 4G Η διαδικασία σχεδίασης τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων τέταρτης γενιάς απεικονίζεται στο παρακάτω σχήµα, όπου ο στόχος είναι η υλοποίηση ενός πλήρους ποµποδέκτη. Σχήµα 6.7 ιαδικασία σχεδίασης τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων 4G Πηγή: [Τεν01] Η υλοποίηση ενός πλήρους συστήµατος ακολουθώντας την παραπάνω αρχιτεκτονική είναι ένας συνδυασµός ολοκληρωµένων παθητικών στοιχείων µε MMICs που αποτελούνται από ενεργά στοιχεία µε ή χωρίς κυκλώµατα προσαρµογής υλοποιηµένα στο chip. Μια προσεκτική σχεδίαση της τοποθέτησης των στοιχείων σε διαφορετικά επίπεδα είναι αναγκαία για τον προσδιορισµό των στοιχείων που πρέπει να ολοκληρωθούν στο ίδιο chip (on chip) ή στο ίδιο επίπεδο (on board). Η τεχνολογία BGA (Ball-Grid-Array) έχει επιδείξει ικανοποιητικά αποτελέσµατα για συνδέσεις RF συστηµάτων µε τυπωµένα κυκλώµατα για συχνότητες µέχρι 36 GHz. [Τεν01] 42

53 Σχήµα 6.8 Ασύρµατο σύστηµα πολλαπλών επιπέδων συνδεδεµένο σε τυπωµένο κύκλωµα µε χρήση διασυνδέσεων BGA. Πηγή: [Τεν01] 6.4 Έξυπνες κεραίες (smart antennas) [Τεν01] και [AGG03] Η χρήση των έξυπνων στοιχειοκεραιών στα κινητά τηλεπικοινωνιακά συστήµατα προσφέρει τη δυνατότητα εκµετάλλευσης της χωρικής διαφορικής λήψης (spatial diversity), γεγονός που βελτιώνει την αποδοτικότητα εύρους ζώνης. Γενικά µια έξυπνη στοιχειοκεραία αποτελείται από έναν αριθµό στοιχείων που συνδυάζονται µέσω ενός δικτύου διαµόρφωσης του διαγράµµατος ακτινοβολίας (beamforming network) που καθορίζει τα σχετικά πλάτη και τις σχετικές φάσεις των στοιχείων. Αυτό το δίκτυο µπορεί να υλοποιηθεί χρησιµοποιώντας τεχνολογία RF ή τεχνολογία ψηφιακής επεξεργασίας σήµατος πραγµατικού χρόνου ή υβριδικές λύσεις. Χρησιµοποιώντας µια έξυπνη στοιχειοκεραία (Smart Antenna System SAS) επιτυγχάνεται χαµηλότερη κατανάλωση ισχύος του κινητού τερµατικού, µεγαλύτερο βεληνεκές, µείωση της διασυµβολικής παρεµβολής (intersymbol interference), υψηλότερος ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων και ευκολία ολοκλήρωσης στο υπάρχον κυψελωτό σύστηµα. Ειδικά για σταθµούς βάσης, τα συστήµατα έξυπνων κεραιών µέσω της ικανότητας του χωρικού διαχωρισµού σηµάτων µπορούν να υποστηρίξουν την ανάθεση πολλαπλών κινητών χρηστών που επικαλύπτονται στο πεδίο του χρόνου και των συχνοτήτων σε ένα κοινό κανάλι επικοινωνίας. Αυτή η τεχνική είναι γνωστή ως πολλαπλή πρόσβαση µε χωρισµό χώρου (Spatial Division Multiple Access- SDMA) και αυξάνει τη χωρητικότητα του συστήµατος (Σχήµα 6.9). Επιπλέον η τοποθέτηση έξυπνων στοιχειοκεραιών στους σταθµούς βάσης, αν και αυξάνει το κόστος ανά σταθµό µπορεί να αυξήσει την περιοχή κάλυψης κάθε κυψέλης και να 43

54 µειώσει το συνολικό κόστος του συστήµατος δραµατικά, πολλές φορές κατά περισσότερο από 50% χωρίς υποβάθµιση της ποιότητας υπηρεσίας. Σχήµα 6.9 Σύγκριση χωρητικότητας CDMA συστηµάτων χωρίς και µε τη χρήση έξυπνης στοιχειοκεραίας. Πηγή: [Τεν01] Οι κεραίες των σταθµών βάσης µέχρι τώρα ήταν οµοιοκατευθυντικές ή χωρισµένες σε τοµείς (sectored). Αυτό µπορεί να θεωρηθεί ως σπατάλη ισχύος καθώς το µεγαλύτερο κοµµάτι της ακτινοβολεί σε κατευθύνσεις διαφορετικές από τον χρήστη. Επιπλέον η ισχύς που ακτινοβολείται σε διαφορετικές κατευθύνσεις εκλαµβάνεται ως παρεµβολή από τους άλλους χρήστες. Αντίθετα η έξυπνη κεραία όχι µόνο έχει την ικανότητα να προσαρµόζεται στο περιβάλλον στο οποίο λειτουργεί (Σχήµα 6.10), αλλά επίσης µπορεί να συνεργάζεται µε εξελιγµένα κυκλώµατα επεξεργασίας σήµατος. Αυτό το γεγονός καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη τεχνικών ολοκλήρωσης κυκλωµάτων DSP µε κεραίες που λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες. Η επιτυχηµένη ολοκλήρωση των δύο αυτών τεχνολογιών µειώνει το µέγεθος και βελτιώνει την απόδοση του τηλεπικοινωνιακού συστήµατος. 44

55 Σχήµα 6.10 Χωρισµός τοµέων κάλυψης ανά κυψέλη µε χρήση (α) συµβατικής και (β) έξυπνης κεραίας. Πηγή: [Τεν01] Επίπεδα ευφυΐας (levels of intelligence) Σχήµα 6.11 Επίπεδα «ευφυΐας» για έξυπνες κεραίες. Πηγή: [Τεν01] 45

56 1. Μεταβαλλόµενος λοβός (switched lobe-sl) Είναι η απλούστερη τεχνική και υλοποιείται µε µια βασική λειτουργία µεταβολής ανάµεσα σε ξεχωριστές κατευθυντικές κεραίες ή σε προσχεδιασµένες δέσµες µιας στοιχειοκεραίας. Η υλοποίηση που παρέχει τη βέλτιστη απόδοση όσον αφορά την λαµβανόµενη ισχύ προτιµάται εξ αιτίας της υψηλότερης κατευθυντικότητας. Σε σύγκριση µε την συµβατική κεραία επιτυγχάνεται κάποιο κέρδος. Τέτοια κεραία θα είναι ευκολότερο να ενσωµατωθεί σε υπάρχοντα κυψελωτά δίκτυα σε σχέση µε πιο πολύπλοκες προσαρµοζόµενες κεραίες, αλλά προσφέρει περιορισµένη βελτίωση. 2. Στοιχειοκεραίες δυναµικής µεταβολής φάσης (Dynamically Phased Array-PA) Χρησιµοποιώντας έναν αλγόριθµο κατεύθυνσης άφιξης (Direction of Arrival - DoA) για λαµβανόµενο σήµα από τον χρήστη, είναι δυνατός ο συνεχής εντοπισµός ενώ µπορεί να θεωρηθεί ως µια γενίκευση της αρχής του µεταβαλλόµενου λοβού. Επίσης σε αυτή την περίπτωση µεγιστοποιείται η λαµβανόµενη ισχύς. 3. Προσαρµοστικές στοιχειοκεραίες (Adaptive Array-ΑΑ) Σε αυτήν την περίπτωση ένας αλγόριθµος DoA προστίθεται για τον εντοπισµό της κατεύθυνσης των πηγών των παρεµβολών (άλλοι χρήστες). Το διάγραµµα ακτινοβολίας προσαρµόζεται ώστε να εξουδετερώνει τους παρεµβολείς. Επίσης µε χρήση ειδικών αλγορίθµων και τεχνικών χωρικής διαφορικής λήψης το διάγραµµα ακτινοβολίας µπορεί να τροποποιηθεί ώστε να λαµβάνει σήµατα πολλαπλών δρόµων τα οποία µπορούν να συνδυαστούν. Αυτές οι τεχνικές µεγιστοποιούν το λόγο σήµατος προς παρεµβολή (Signal to Interference Ratio-SIR). Τα συµβατικά κινητά συστήµατα συνήθως χρησιµοποιούν κάποια µορφή διαφορικής λήψης (χωρική ή πολοτική). Οι προσαρµοστικές κεραίες µπορούν να θεωρηθούν ως ένα εξελιγµένο σχήµα διαφορικής λήψης. Οι στοιχειοκεραίες µεταβολής φάσης θα έχουν µεγαλύτερη βελτίωση στο κέρδος από τις κεραίες µεταβαλλόµενου λοβού καθώς όλα τα στοιχεία µπορούν να χρησιµοποιηθούν για συνδυασµό διαφορικής λήψης (diversity combine). 46

57 6.4.2 Βελτιώσεις και πλεονεκτήµατα 1. Αύξηση χωρητικότητας. Ο κύριος λόγος για το αυξανόµενο ενδιαφέρον για τις έξυπνες κεραίες είναι η αύξηση της χωρητικότητας. Σε πυκνοκατοικηµένες περιοχές οι παρεµβολές από τους άλλους χρήστες είναι η κύρια πηγή θορύβου για τα κινητά συστήµατα. Οι έξυπνες κεραίες βελτιώνοντας το χρήσιµο λαµβανόµενο επίπεδο σήµατος και µειώνοντας το επίπεδο παρεµβολής βελτιώνουν το SIR. Ειδικότερα η προσαρµοστική στοιχειοκεραία προσφέρει σηµαντική βελτίωση και πειραµατικά στοιχεία δείχνουν βελτίωση κατά 10 db. Σε συστήµατα TDMA η βελτίωση του SIR προσφέρει τη δυνατότητα µειωµένων αποστάσεων µεταξύ των κυψελών που χρησιµοποιούν την ίδια συχνότητα. Ένα παράδειγµα φαίνεται στο Σχήµα 6.12, όπου η παραδοσιακή οµαδοποίηση των επτά κυψελών έχει µειωθεί σε οµαδοποίηση τριών κυψελών. Αυτό οδηγεί σε βελτίωση της χωρητικότητας κατά 7/3. Προσοµοιώσεις σε GSM δίκτυα έχουν δείξει βελτίωση της χωρητικότητας κατά 300%. Συστήµατα που βασίζονται σε CDMA (IS-95, UMTS) έχουν ως βασική πηγή θορύβου τις παρεµβολές από άλλους χρήστες εξ αιτίας του γεγονότος ότι οι διασπειρόµενοι κώδικες (spreading codes) δεν είναι ιδανικά ορθογώνιοι. Προσοµοιώσεις έχουν δείξει βελτίωση της χωρητικότητας κατά 5 φορές για CDMA συστήµατα. 2. Αύξηση βεληνεκούς σε αγροτικές και αραιοκατοικηµένες περιοχές Η ραδιοκάλυψη αποτελεί το σηµαντικότερο κριτήριο για την τοποθέτηση σταθµών βάσης. Επειδή οι έξυπνες κεραίες είναι περισσότερο κατευθυντικές από τις παραδοσιακές κεραίες, αύξηση του βεληνεκούς είναι εφικτή. Αυτό σηµαίνει ότι οι σταθµοί βάσης µπορούν να τοποθετηθούν πιο µακριά ο ένας από τον άλλο, κάτι που αποτελεί µια πιο οικονοµική λύση. 3. Νέες υπηρεσίες Με τη χρήση έξυπνων κεραιών το δίκτυο θα έχει πρόσβαση σε χωρικές πληροφορίες για τους χρήστες. Αυτή η πληροφορία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τον προσδιορισµό της θέσης των χρηστών µε πολύ µεγαλύτερη ακρίβεια από ότι στα υπάρχοντα δίκτυα (ακρίβεια 125 m RMS έχει τεθεί ως προδιαγραφή από τον Αµερικάνικο Οργανισµό Τηλεπικοινωνιών (FCC) ως τον Οκτώβριο του 2001). Η υπηρεσία αυτή θα είναι ιδιαίτερα χρήσιµη σε κλήσεις έκτακτης ανάγκης. 47

58 4. Ασφάλεια Η υποκλοπή συνδιάλεξης είναι πολύ δυσκολότερη όταν χρησιµοποιούνται έξυπνες κεραίες, καθώς ο υποκλοπέας πρέπει να βρίσκεται στην ίδια κατεύθυνση µε το χρήστη όσον αφορά το σταθµό βάσης. 5. Μειωµένη διάδοση πολλαπλών δρόµων Χρησιµοποιώντας µια στενή δέσµη κεραίας στο σταθµό βάσης η διάδοση πολλαπλών δρόµων µπορεί να µειωθεί. Η πραγµατική µείωση εξαρτάται από τη διαµόρφωση εδάφους και δεν είναι πάντα σηµαντική. Παρά το ότι οι εξισωτές καναλιών (channel equalizers) και οι δέκτες RAKE συχνά αντιµετωπίζουν επιτυχώς το πρόβληµα αυτό, είναι πιθανόν ότι η επιτυχία τους δεν θα είναι ίδια σε συνδέσεις πολύ µεγάλης ταχύτητας. Κατά συνέπεια η µείωση στη διάδοση πολλαπλών δρόµων µπορεί να διευκολύνει τη σχεδίαση µελλοντικών modems. Σχήµα 6.12 Απόσταση κυψελών µε επαναχρησιµοποίηση συχνότητας (a) µε χρήση συµβατικής κεραίας και (b) µε χρήση έξυπνης κεραίας. Πηγή: [Τεν01] Μειονεκτήµατα Παρά τα πλεονεκτήµατα που προσφέρονται από τις έξυπνες κεραίες υπάρχουν µειονεκτήµατα που στην πλειοψηφία τους σχετίζονται µε το κόστος. 1. Πολυπλοκότητα ποµποδέκτη Είναι προφανές ότι ένας ποµποδέκτης που χρησιµοποιεί έξυπνη κεραία είναι πολύ πιο πολύπλοκος από ένα παραδοσιακό ποµποδέκτη σταθµού βάσης. Η κεραία θα χρειάζεται ξεχωριστές συνδέσεις µε τον ποµποδέκτη για κάθε ένα από τα στοιχεία καθώς και ακριβή ρύθµιση σε πραγµατικό χρόνο. Επίσης η διαδικασία σύνθεσης των 48

59 λοβών της στοιχειοκεραίας απαιτεί σηµαντικό υπολογιστικό φόρτο ειδικά στην περίπτωση προσαρµοστικών κεραιών. 2. ιαχείριση εξοπλισµού (resource management) Αν και οι έξυπνες κεραίες στηρίζονται κυρίως στην τεχνολογία RF, απαιτούν βελτιωµένες λειτουργίες δικτύων όπως η διαχείριση εξοπλισµού και κινητικότητας (mobility management). Όταν µια νέα σύνδεση δηµιουργείται ή µια υπάρχουσα σύνδεση ανατίθεται σε ένα νέο σταθµό βάσης καµία γωνιακή πληροφορία δεν είναι διαθέσιµη στο νέο σταθµό βάσης, ο οποίος χρειάζεται κάποιο εναλλακτικό τρόπο για να εντοπίσει το χρήστη Σχεδιασµός κάλυψης (radio planning) Οι σταθµοί βάσης πρέπει να είναι ικανοί να διαχωρίζουν τους χρήστες µε βάση την γωνία ώστε οι έξυπνες κεραίες να έχουν το επιθυµητό κέρδος. Αυτό σηµαίνει ότι µερικές από τις παραδοσιακές στρατηγικές για το σχεδιασµό κάλυψης πρέπει να αναθεωρηθούν. Στα υπάρχοντα δίκτυα οι σταθµοί βάσης είναι συχνά τοποθετηµένοι κατά µήκος των αυτοκινητοδρόµων και των σιδηροδροµικών γραµµών. Η χρήση έξυπνων κεραιών επιβάλλει τη µετακίνηση των σταθµών βάσης µακριά από το δρόµο ή τις γραµµές ώστε να βελτιωθεί η ικανότητα διαχωρισµού των χρηστών µε βάση τη γωνία (Σχήµα 6.13). 49

60 Σχήµα 6.13 Σχεδιασµός ραδιοκάλυψης µε χρήση (a) συµβατικών κεραιών και (b) έξυπνων κεραιών. Πηγή: [Τεν01] Για περισσότερες πληροφορίες, ο αναγνώστης µπορεί να µελετήσει ένα ενδιαφέρον βιβλίο, το οποίο είναι αφιερωµένο στις µελλοντικές κεραίες (που οπωσδήποτε θα χρησιµοποιούν τεχνικές MIMO Multiple Input Multiple Output) των 4G, ενηµερωµένο µε τις τρέχουσες εξελίξεις, το Multiband Integrated Antennas for 4G terminals του Sanchez Hernandez A. David [San08] 6.5 Επίτευξη διαλειτουργικότητας [NOPP06] και [Γκα06] Η διαλειτουργικότητα θα οδηγήσει στην ανάγκη πρόσβασης σε διαφορετικά ασύρµατα δίκτυα µέσω του ίδιου τερµατικού. Μπορούµε να προσδιορίσουµε τις παρακάτω τρεις πιθανές λύσεις σε αυτό το πρόβληµα : 50