Τεχνολογίες πρόσβασης και αλγόριθμοι διαμοιρασμού φάσματος, ποιοτική και ποσοτική μελέτη με επίκεντρο το σύστημα LTE

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Τεχνολογίες πρόσβασης και αλγόριθμοι διαμοιρασμού φάσματος, ποιοτική και ποσοτική μελέτη με επίκεντρο το σύστημα LTE Στέλιος Μ. Σάββα Θωμάς Ν. Ζάγκας Επιβλέπων : Λάζαρος Μεράκος, Καθηγητής ΕΚΠΑ ΑΘΗΝΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2017

2 ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Τεχνολογίες πρόσβασης και αλγόριθμοι διαμοιρασμού φάσματος, ποιοτική και ποσοτική μελέτη με επίκεντρο το σύστημα LTE Στέλιος Μ. Σάββα A.M.: Θωμάς Ν. Ζάγκας Α.Μ.: Επιβλέπων : Λάζαρος Μεράκος, Καθηγητής ΕΚΠΑ

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Παρότι έχουμε περάσει ήδη το κατώφλι των δικτύων 4ης Γενιάς, καλύπτοντας κατ αυτό τον τρόπο μεγάλο μερίδιο της κίνησης δεδομένων αλλά και παρέχοντας αξιόπιστα συστήματα διασύνδεσης τόσο για την ασφάλεια όσο και για την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών, η ανάγκη για περαιτέρω εξέλιξη των δικτύων κινητών επικοινωνιών είναι διαρκής και ανικανοποίητη. Στόχος είναι η παροχή ακόμα μεγαλύτερων ρυθμών μετάδοσης δεδομένων, η βελτίωση υποστήριξης της κινητικότητας των χρηστών, η εξασφάλιση της συμβατότητας μεταξύ διάφορων τεχνολογιών επικοινωνίας, η βέλτιστη χρήση των ραδιοπόρων (δηλαδή των συχνοτήρων του φάσματος που δεσμεύονται για τηλεπικοινωνίες) και η εκμετάλευση διαμοιραζόμενης υποδομής (π.χ. σταθμών βάσης δικτύων κινητής τηλεφωνίας) και η σύνδεση οποτεδήποτε από οπουδήποτε μέσω πλήθους συσκευών. Γενικότερο αντικείμενο της παρούσας πτυχιακής εργασίας αποτελούν τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών, όπως αυτά έχουν διαμορφωθεί έως τώρα, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο σχεδιάζονται και υλοποοιούνται τα δίκτυα των επόμενων γενεών. Κύριο αντικείμενο μελέτης είναι οι μέθοδοι πρόσβασης στα κανάλια επικοινωνιών και η ανάλυση των σχετικών τεχνολογιών που έχουν αναπτυχθεί σε αδειοδοτημένο και μη φάσμα. Στο τελευταίο στάδιο της εργασίας υλοποιούνται προσομοιώσεις με τη βοήθεια του εργαλείου NS-3 και γίνονται δοκιμές σε διάφορα σενάρια με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων για τις προκλήσεις που παρουσιάζονται στον σχεδιασμό των δικτύων 5G καθώς και για τις απαιτήσεις που αυτά καλούνται να καλύψουν. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: Ασύρματες επικοινωνίες και δίκτυα ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Συστήματα κινητών επικοινωνιών, Τεχνολογίες Πρόσβασης, LTE, QoS, Αλγόριθμοι Ανάθεσης, ΝS-3

4 ABSTRACT Having already passed the doorstep of 4th generation of mobile networks and satisfying the large demand for reliable and secure data transfer with a high emphasis on quality of the provided services, the need for further innovation and pushing the boundaries forward, has never been stronger. The vision is for even larger data transfer speeds, an improved support for user mobility, the guaranty of compatibility between different technologies and a holistic infrastructure with support for a wide range of devices that can connect to the network. The object of this thesis is the study of the current state of networks presenting their development through the years, with a focus on the LTE network specifically. We study their architecture, the scheduling or resources, how the access to the network takes place, along with technical characteristics and functions. In the last part, we implement a realistic communication scenario with the NS-3 simulator to compare performance of the major radio resource scheduler. Based on this study we draw conclusions about the challenges that the next generation of technologies for the 5G networks will have to face. SUBJECT AREA: Wireless Communication and Networks KEYWORDS: Mobile Communication Systems, Access Network Technologies, LTE, QoS, Scheduling Algorithms, NS-3

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον κύριο Δημήτρη Τσόλκα για την ανάθεση της παρούσας πτυχιακής εργασίας καθώς και για την υπομονή και στήριξη του για τη ολοκλήρωση της.

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ... 9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αναδρομή στα Κυψελωτά Δίκτυα Κινητής Τεχνολογίας Οργάνωση Κυψελοειδούς Δικτύου Επαναχρησιμοποίηση Συχνότητας Αύξηση Χωρητικότητας Λειτουργία Κυψελοειδών Συστημάτων Δίκτυα Κινητής Τηλεφωνίας Δίκτυα 1G Δίκτυα 2G Δίκτυα 2.5G Δίκτυα 3G Δίκτυα 3.5G Δίκτυα 4G Δικτυα 4.5G Δίκτυα 5G ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ Ραδιοκύματα Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα σαν οικονομικός πόρος ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΕ ΚΑΝΑΛΙΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ FDMA OFDMA ΤDMA... 36

7 3.4 CDMA ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΑΔΕΙΟΔΟΤΗΜΕΝΟ ΦΑΣΜΑ WiMax UMTS LTE ΜΙΜΟ Πρωτόκολλα ραδιο-επαφής QoS ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΕ ΜΗ ΑΔΕΙΟΔΟΤΗΜΕΝΟ ΦΑΣΜΑ Wi-Fi Ιστορική αναδρομή MAC Layer PHY Layer QoS Zigbee Bluetooth ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΡΑΔΙΟΠΟΡΩΝ ΣΤΟ LTE Ραδιοφορέας και η στοίβα πρωτοκόλλων Device to Device communication Channel-unaware δυναμικοί αλγόριθμοι FIFO (First In First Out) Round Robin Guaranteed Delay Channel aware δυναμικοί αλγόριθμοι Maximum throughput (ΜΤ) Proportional Fair Scheduler Throughput to Average Joint Time and Frequency domain schedulers Buffer Aware Schedulers... 69

8 6.5 Αρχιτεκτονική C-RΑΝ Filtered OFDM ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΡΑΔΙΟΠΟΡΩΝ Network Simulator Βασικά αντικείμενα ενός προγράμματος Ns Σενάριο υλοποίησης LTE στο Ns-3 Lena Module Αποτελέσματα Μετρήσεων ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ ΑΡΚΤΙΚΟΛΕΞΑ ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ... 91

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1: Τοποθέτηση σταθμών βάσης σε κυψελωτό δίκτυο... σελ. 15 Εικόνα 2: Επαναχρησιμοποίηση Συχνότητας (Συντελεστής Ν=7)... σελ. 16 Εικόνα 3: Σύγκριση Μεθόδων Πολλαπλής Πρόσβασης... σελ. 21 Εικόνα 4: Δομή Δικτύου GSM... σελ. 23 Εικόνα 5: Δομή Δικτύου GPRS... σελ. 24 Εικόνα 6: Δομή δικτύου UMTS... σελ. 27 Εικόνα 7: Η εξέλιξη των δικτύων κινητής τηλεφωνίας... σελ. 32 Εικόνα 8: Το φάσμα ραδιοσυχνοτήτων... σελ. 33 Εικόνα 9: Tεχνολογίες Πολλαπλής Πρόσβασης... σελ. 37 Εικόνα 10: Συνδυασμός Ασυρμάτων LAN με WiMAX Σταθμούς Βάσης... σελ. 40 Εικόνα 11: Σχηματική απεικόνιση του OFDMA... σελ. 45 Εικόνα 12: Απεικόνιση ενός resource block στο LTE frame... σελ. 46 Εικόνα 13: Κεραία ΜΙΜΟ 4x2... σελ. 47 Εικόνα 14: Η Control Plane Στοίβα Πρωτοκόλλων... σελ. 48 Εικόνα 15: Η User Plane Στοίβα Πρωτοκόλλων... σελ. 48 Εικόνα 16: Περιγραφή της διαδικασίας DCF... σελ. 55 Εικόνα 17: Παράδειγμα υπερπλαισίου στο Zigbee... σελ. 59 Εικόνα 18: Το πλαίσιο ραδιοφάρου στο επίπεδο MAC του Zigbee... σελ. 59 Εικόνα 19: Το stack τεχνολογιών στο Bluetooth... σελ. 61 Εικόνα 20: Αρχιτεκτονική του μοντέλου ProSe... σελ. 64 Εικόνα 21: Τα κανάλια διεπαφής αέρα στο Sidelink... σελ. 65 Εικόνα 22: Δίκτυο βασισμένο στην αρχιτεκτονική C-RAN... σελ. 71 Εικόνα 23: Λειτουγία f-ofdm... σελ. 73 Εικόνα 24: Βασική Τοπολογία... σελ. 77 Εικόνα 25: Χρονοπρογραμματιστές στο LTE-Helper... σελ. 77 Εικόνα 26: Χρήση on-off application για προσομοίωση video-streaming... σελ. 78

10 Εικόνα 27: Χρήση flow monitor... σελ. 78 Εικόνα 28: Χρονοπρογραμματιστής Proportionally Fair... σελ. 79 Εικόνα 29: Χρονοπρογραμματιστής Round Robin... σελ. 79 Εικόνα 30: Χρονοπρογραμματιστής Maximum Throughput... σελ. 80

11 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1: Ισχύς σταθμών βάσης... σελ. 15 Πίνακας 2: Πρότυπα WiMax... σελ. 41 Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά των τεχνολογιών Wi-Fi, WiMAX, UMTS... σελ. 44 Πίνακας 4: Χαρακτηριστικά IP πακέτων για το LTE σε αντιστοιχία με το QCI... σελ. 50 Πίνακας 5: Πρότυπα Wi-Fi... σελ. 52 Πίνακας 6: Χρόνοι του DIFS στα πρότυπα σελ. 54 Πίνακας 7: Αντιστοίχιση CQI με MCS... σελ. 63

12 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα Πτυχιακή Εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Προπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών του Τμήματος Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών το ακαδημαϊκό έτος Αντικείμενο μελέτης της εργασίας είναι οι τεχνολογιες των κινητών δικτύων, οι τεχνολογίες πρόσβασης και οι αλγόριθμοι ανάθεσης πόρων στο LTE.

13 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Αναδρομή στα Κυψελωτά Δίκτυα Κινητής Τεχνολογίας Στις μέρες μας οι κινητές τηλεπικοινωνίες είναι άρρηκτα συνδεδεμένες με την ζωή μας και χρησιμοποιούνται σε ολοένα και περισσότερους τομείς. Καλύπτουν ένα μεγάλο μέρος της καθημερινής ανθρώπινης δραστηριότητας είτε πρόκειται για επαγγελματική χρήση είτε για ενασχόληση στον ελεύθερο χρόνο. Οι συνθήκες αυτές καθιστούν διαρκή και επιτακτική την ανάγκη για εξέλιξη των τεχνολογικών μέσων που υποστηρίζουν και υλοποιούν τις τηλεπικοινωνίες, καθώς και για συνεχή ανάπτυξη νέων υπηρεσιών, εφαρμογών και λειτουργιών που τίθενται προς χρήση στο αγοραστικό κοινό. Τα πρώτα δείγματα γραφής για την ανάπτυξη της ασύρματης επικοινωνίας παρουσιάστηκαν στα εξής ιστορικά γεγονότα: Το 1896 ο Γουλιέλμο Μαρκόνι πετυχαίνει την αποστολή μηνυμάτων μέσα από ραδιοκύματα σε απόσταση μεγαλύτερη των μέτρων με χρήση σημάτων Μορς. Το 1907 μεταδίδονται τα πρώτα μηνύματα μέσω ασύρματου τηλέγραφου σε υπερατλαντικό επίπεδο μεταξύ Ιρλανδίας και Καναδά. Το 1920 ο Μαρκόνι πραγματοποιεί για πρώτη φόρα χρήση των βραχέων κυμάτων. Οι πρώτες τεχνικές μεταγωγής πακέτων αναπτύχθηκαν το Στις Η.Π.Α. ο οργανισμός ARPA (Advanced Research Projects Agency) του Γραφείου Ερευνών Αμύνης, χρηματοδοτεί τα προγράμματα που οδήγησαν στη δημιουργία του ARPAnet το 1969, προπομπού του Internet όπως το γνωρίζουμε σήμερα. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, κατασκευάζεται στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης το πρώτο ασύρματο δίκτυο με την ονομασία ALOHA. Τα πρώτα αποτελέσματα των ερευνών και της τάσης για μαζική ασύρματη επικοινωνία εμφανίστηκαν στις 3 Απριλίου του 1973, όταν ο Δρ. Μάρτιν Κούπερ παρουσίασε μια συσκευή που έμοιαζε με φορητό ασύρματο και χρησιμοποιούσε ραδιοκύματα για να επικοινωνεί. Αυτό ήταν το πρώτο σύγχρονο κινητό τηλέφωνο με την ονομασία Motorola Dyna TAC. Λίγο αργότερα, το 1978 η εταιρεία Βell κατασκεύασε το πρώτο δοκιμαστικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας ενώ στις αρχές της δεκαετίας του 80 λειτούργησε στην Σκανδιναβία το πρώτο αυτοματοποιημένο δίκτυο κινητής τηλεφωνίας, γνωστό και ως δίκτυο 1G, το οποίο παρείχε τη δυνατότητα τηλεφωνικών συνομιλιών. Η ασύρματη επικοινωνία, μετά την πρωτοφανή απήχηση που είχε στον κόσμο τα πρώτα χρόνια της εμφάνισής της, πραγματοποίησε σε σύντομο χρονικό διάστημα αλματώδη εξέλιξη. Οι εμπλεκόμενοι φορείς, οι οργανισμοί και οι πάροχοι τηλεπικοινωνιών έχουν καταφέρει, μέσα σε τρεις δεκαετίες, να εξελίξουν τα απλά και περιορισμένα δίκτυα πρώτης γενιάς (1G) που υποστήριζαν αποκλειστικά τις φωνητικές συνομιλίες, σε ισχυρά ασύρματα δίκτυα, τα οποία είναι σε θέση να παρέχουν μετάδοση δεδομένων σε υψηλούς ρυθμούς, συνύπαρξη με άλλες τεχνολογίες και πλήθος εφαρμογών. Το πρώτο στάδιο εξέλιξης, δηλαδή το πέρασμα από τα δίκτυα πρώτης γενιάς στα δίκτυα δεύτερης γενιάς (2G) σηματοδότησε τη μετάβαση από την αναλογική στην ψηφιακή μετάδοση, τη χρήση μεταγωγής πακέτου για πρόσβαση στα δεδομένα, την εξέλιξη της τεχνολογίας, καθώς και την εμφάνιση νέων υπηρεσιών, όπως είναι τα γραπτά μηνύματα. Η αυξημένη ταχύτητα κλήσεων, η αποτελεσματικότερη χρήση του Σ.Σάββα-Θ.Ζάγκας 13

14 ραδιοφάσματος και δυνατότητα ανταλλαγής γραπτών μηνυμάτων μικρού μήκους (SMS) είναι τα βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων δεύτερης γενιάς. Η εμπορική επιτυχία των ασύρματων δικτύων δεύτερης γενιάς ώθησε τις εταιρίες τηλεπικοινωνιών να εξελίξουν περαιτέρω τις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες μετάδοσης και επικοινωνίας, ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις των χρηστών για μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, υψηλότερες ταχύτητες και καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών. Τα σημαντικότερα επιτεύγματα που παρουσίασαν στις αρχές του 21ου αιώνα τα δίκτυα τρίτης γενιάς (3G), ήταν η κινητή ευρυζωνική σύνδεση στο διαδίκτυο, η δημιουργία και ανάπτυξη εφαρμογών και η δυνατότητα υποστήριξης βιντεοκλήσεων, φωνητικών συνδιαλέξεων, και μηνυμάτων πολυμέσων (ΜΜS). Λίγα χρόνια αργότερα ο εμπλουτισμός αυτών των υπηρεσιών καθώς και η εμφάνιση των έξυπνων κινητών (smartphone), είχαν σαν αποτέλεσμα τη βελτιώση των συνθηκων ευρυζωνικής σύνδεσης και την ακόμα καλύτερη και πληρέστερη εμπειρία δικτύου, ενώ πλέον όλο και περισσότεροι άνθρωποι έρχονται σε επαφή με το διαδίκτυο. Τα δίκτυα τέταρτης γενιάς (4G) προσφέρουν ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων και χαμηλότερη λανθάνουσα κατάσταση, βελτιώνοντας ραγδαία τις φωνητικές συνομιλίες, τις βιντεοκλήσεις, την πλοήγηση στο internet, την IP-τηλεφωνία και την αναπαραγωγή πολυμέσων σε ασύρματες συσκευές. Η γενική προδιαγραφή των δικτύων τέταρτης γενιάς περιλαμβάνει την μετάδοση δεδομένων με ταχύτητες έως και 100 Mbps, υποστηρίζοντας με αυτό τον τρόπο την απρόσκοπτη λειτουργία συσκευών και πολύπλοκων πολυμεσικών εφαρμογών και καλύπτοντας την ανάγκη για αποστολή και λήψη δεδομένων με μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης και σε μικρά χρονικά διαστήματα. Ωστόσο, οι νέες απαιτήσεις και οι υπηρεσίες που αναμένεται να αναπτυχθούν, τα σταθερά βήματα προόδου για την ποιότητα των δικτύων, η εδραίωση των έξυπνων συσκευών όπως και το διαδίκτυο των πραγμάτων(internet of things, IoT), το ζήτημα της ενέργειας, η αξιοπιστία, καθώς και η ανάγκη για ακόμα χαμηλότερη καθυστέρηση και υψηλότερο ρυθμό στη μετάδοση μεγάλου όγκου δεδομένων επιτάσσουν την μετάβαση στα δίκτυα πέμπτης γενιάς (5G). 1.2 Οργάνωση Κυψελοειδούς Δικτύου Η βασική ιδέα πίσω από τα κυψελωτά δίκτυα στηρίχθηκε στην έννοια της κυψέλης (cell), δηλαδή στην τμηματοποίηση της γεωγραφικής περιοχής που πρόκειται να καλυφθεί ηλεκτρομαγνητικά από μία κεραία, σε μικρές ζώνες. Χάρη στην άρτια οργανωμένη δομή και τα εύχρηστα τεχνικά χαρακτηριστικά που προσδίδει στο δίκτυο η κυψελοειδής μορφή του, είναι εφικτή η ουσιαστική εκμετάλλευση του προσφερόμενου φάσματος ραδιοσυχνοτήτων και η δυνατότητα ραδιοκάλυψης σχετικά μεγάλων γεωγραφικών περιοχών. Για καθαρά υπολογιστικούς λόγους έχει υιοθετηθεί η αναπαράσταση μιας κυψέλης με εξαγωνική διάταξη σε δομή κηρήθρας, καθώς στην πράξη το σχήμα τους ενδέχεται να είναι ακαθόριστο και να μεταβάλλεται εξαιτίας των συνθηκών που επικρατούν σε μία περιοχή, όπως είναι η δόμηση, ο πληθυσμός και η γεωγραφία της. Σε κάθε κυψέλη εκχωρείται μία ζώνη συχνοτήτων. Οι χρήστες που βρίσκονται μέσα σε μια κυψέλη εξυπηρετούνται από ένα σταθμό βάσης, που αποτελείται από μία κεραία, έναν πομποδέκτη και μία μονάδα ελέγχου τα οποία αναλαμβάνουν τη δημιουργία και τη δρομολόγηση των κλήσεων. Μια ομάδα από γειτονικές κυψέλες, όπως αυτές που εμφανίζονται στην Εικόνα 1, ονομάζεται συστάδα (cluster). Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 14

15 Εικόνα 1: Τοποθέτηση σταθμών βάσης σε κυψελωτό δίκτυο Το μοντέλο βάσει του οποίου γίνεται ο διαχωρισμός των περιοχών και η ορθή τοποθέτηση των σταθμών βάσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μορφολογία του εδάφους, τα τοπογραφικά χαρακτηριστικά καθώς και την κατανομή και την πυκνότητα της κίνησης. Φυσικά και τεχνητά εμπόδια (κτήρια, λόφοι, πολυκατοικίες κλπ) μπορούν να εμποδίσουν ή να εξασθενήσουν τη διάδοση των ραδιοκυμάτων. Για παράδειγμα, στις πόλεις εξαιτίας των πολλών και μεγάλων κτιρίων, καθώς και του μεγάλου αριθμού των συνδρομητών, που χρειάζεται να εξυπηρετηθούν, οι κυψέλες είναι πολύ μικρές και δεν ξεπερνούν τις μερικές εκατοντάδες μέτρα. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι για να λειτουργήσει με επάρκεια ένα δίκτυο κινητής τηλεφωνίας σε μία πόλη ή μία πυκνοκατοικημένη περιοχή, αυτή χρειάζεται να διαιρεθεί σε πολλές μικρές κυψέλες, όπου θα τοποθετηθούν αρκετές κεραίες μικρής εμβέλειας. Αντίθετα, στις αγροτικές και αραιοκατοικημένες περιοχές οι κυψέλες είναι μεγαλύτερες (της τάξης των δεκάδων χιλιομέτρων), αφού συνήθως παρουσιάζονται λιγότερα φυσικά και τεχνητά εμπόδια, ενώ ο αριθμός των συνδρομητών που εξυπηρετούνται είναι αρκετά μικρότερος. Επίσης είναι γεγονός ότι οι εταιρείες κινητής τηλεφωνίας συχνά δεν έχουν τη δυνατότητα να τοποθετούν τους σταθμούς βάσης όπου παρουσιάζεται ανάγκη και υπάρχει ζήτηση, διότι δεν είναι πάντα διαθέσιμες οι κατάλληλες θέσεις, ή δεν είναι εφικτό να εξασφαλιστούν οι απαραίτητες άδειες. Τυπικά τα επίπεδα ισχύος των σταθμών βάσης και κεραιών κατά περίπτωση είναι τα ακόλουθα: Πίνακας 1: Ισχύς σταθμών βάσης Σταθμοί βάσης σε αστικό περιβάλλον Σταθμοί βάσης σε αγροτικό περιβάλλον Κεραία εσωτερικού χώρου 10 Watt 40 Watt 0.1 Watt Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 15

16 Η ανάγκη για τη συνεχή αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου για τις υπηρεσίες των κινητών ασύρματων τηλεφώνων καλύπτεται με την υλοποίηση της κυψελοειδούς ασύρματης μετάδοσης. Ένας τρόπος για να αυξηθεί η χωρητικότητα του συστήματος, όπως θα δούμε και παρακάτω, είναι να χρησιμοποιούνται συστήματα χαμηλότερης ισχύος με μικρότερη ακτίνα και πολλούς πομποδέκτες όπου αυτό είναι εφικτό. Αξίζει να σημειωθεί πως πριν από την εξέλιξη αυτή, η επικοινωνία μεταξύ κινητών ασυρμάτων τηλεφώνων υλοποιούνταν μόνο από έναν υψηλής ισχύος πομποδέκτη. 1.3 Επαναχρησιμοποίηση Συχνότητας Στις γειτονικές κυψέλες εκχωρούνται διαφορετικές συχνότητες έτσι ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές και η συνακρόαση. Αν όμως οι κυψέλες απέχουν αρκετά μεταξύ τους, τότε μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ίδια ζώνη συχνοτήτων. Άλλωστε η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων αποτελεί βασική έννοια και θεμελιώδη αρχή στην λειτουργία των κυψελωτών δικτύων, έτσι ώστε να μπορούν να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο πολλοί συνδρομητές ταυτόχρονα, κάνοντας χρήση της ίδιας συχνότητας σε πολλές ταυτόχρονες συνομιλίες. Κατά κανόνα σε κάθε κυψέλη εκχωρούνται από 10 έως 50 συχνότητες ανάλογα με την αναμενόμενη κίνηση [1]. Συγκεκριμένα, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2, οι κυψέλες μιας συστάδας χωρίζονται σε ομάδες (εμφανίζονται με τον ίδιο αριθμό) και κάθε ομάδα χρησιμοποιεί τις ίδιες ζώνες συχνοτήτων. Κάτι τέτοιο είναι υλοποιήσιμο καθώς διασφαλίζεται, μέσω μιας ελάχιστης επαρκούς μεταξύ τους απόστασης, η αποφυγή παρεμβολών. Το διάστημα αυτό ονομάζεται ελάχιστη απόσταση επαναχρησιμοποίησης συχνότητας (frequency reuse distance) και ορίζεται από το διάστημα D που μεσολαβεί μεταξύ των κέντρων των κυψελών που χρησιμοποιούν την ίδια ζώνη συχνοτήτων. Εκτός όμως από το διάστημα αυτό, λαμβάνονται υπόψη παράμετροι όπως η ακτίνα R της κυψέλης, η απόσταση d μεταξύ των κέντρων των γειτονικών κυψελών και ο αριθμός Ν των κυψελών σε μία επαναλαμβανόμενη διάταξη, που ονομάζεται συντελεστής επαναχρησιμοποίησης (reuse factor). Για τα παραπάνω ισχύουν οι εξής σχέσεις:d=3 R, DR=3N και Dd=N. Εικόνα 2: Επαναχρησιμοποίηση Συχνότητας (Συντελεστής Ν=7) Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 16

17 1.4 Αύξηση Χωρητικότητας Μείζον ζήτημα για την τοποθέτηση των σταθμών βάσης, αποτελεί η σχεδίαση και υλοποίηση τους με τέτοιο τρόπο ώστε να καλυφθεί όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος μιας περιοχής, να υπάρχει αυξημένος ρυθμός απόδοσης και δικαιοσύνη μεταξύ των χρηστών και να προκύψουν μηδαμινές ή αμελητέες παρεμβολές σε συνδυασμό με τη χαμηλότερη δυνατή ισχύ. Οι κεραίες κινητής τηλεφωνίας δεν εκπέμπουν σφαιρικά γύρω τους, αλλά ακτινοβολούν σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις για να επικοινωνούν με τα κινητά τηλέφωνα που βρίσκονται στην περιοχή που έχει σχεδιαστεί να καλύπτει ο σταθμός βάσης. Εξίσου σημαντικές παράμετροι με τις παραπάνω, αποτελούν η πυκνότητα των χρηστών σε κάθε κυψέλη, καθώς και το διαθέσιμο φάσμα. Κάθε σταθμός βάσης μπορεί να εξυπηρετήσει συγκεκριμένο αριθμό συνδρομητών (από 50 έως 100). Αποτελεί γεγονός πως όσο αυξάνεται η κίνηση σε ένα δίκτυο, ενδέχεται να μην επαρκούν οι εκχωρημένες συχνότητες σε μία κυψέλη, κάτι που καθιστά το δίκτυο, ή μέρος αυτού, ανεπαρκές. Για την αποφυγή τέτοιων προβλημάτων ακολουθούνται οι εξής μέθοδοι: Μικροκυψέλες: Δημιουργία και χρήση κυψελών μικρών διαστάσεων μέσω της τοποθέτησης κεραιών σε κορυφές μικρότερων κτιρίων, στις πλευρές μεγάλων κτιρίων ακόμα και πάνω σε κολώνες φωτισμού. Με τον τρόπο αυτό ξεπερνιούνται τυχόν προβλήματα κάλυψης και διάδοσης σήματος σε πυκνοκατοικημένες περιοχές, κατά μήκος αυτοκινητοδρόμων, αλλά και στο εσωτερικό μεγάλων κτιρίων. Οι κεραίες αυτές είναι υπερκατευθυντικές, και εκπέμπουν μια πολύ στενή δέσμη ενώ απαιτούνται δύο όμοιες κεραίες (από μία σε κάθε άκρο της σύνδεσης) για να αποκατασταθεί μια ζεύξη. Η μείωση της ακτίνας κυψέλης στην περίπτωση των μικροκυψελών, επιφέρει και αντίστοιχη μείωση στα επίπεδα ισχύος (Πίνακας 1) που εκπέμπονται από τους σταθμούς βάσης και τις συσκευές κινητών με αποτέλεσμα να είναι καλύτερες οι συνθήκες διάδοσης και η ποιότητα σήματος. Υπολογίζεται ότι η μείωση της ακτίνας κατά παράγοντα y συνεπάγεται αύξηση των σταθμών βάσης κατά y 2. Εκχώρηση συχνοτήτων: Οι υπερφορτωμένες κυψέλες δανείζονται προσωρινά, συχνότητες από κάποιες γειτονικές κυψέλες. Η διαδικασία αυτή μπορεί να εκτελείται και δυναμικά. Τμηματοποίηση κυψελών: Μία κυψέλη χωρίζεται σε έναν αριθμό τμημάτων, με δική του ομάδα καναλιών το καθένα, συνήθως 3 ή 6 τμήματα ανά κυψέλη. Σε κάθε τμήμα εκχωρείται μία ξεχωριστή υποομάδα των καναλιών της κυψέλης και στο σταθμό βάσης χρησιμοποιούνται κατευθυντικές κεραίες για να εστιάζουν στο κάθε τμήμα. Διάσπαση κυψελών: Στις περιοχές που παρατηρείται μεγαλύτερη κίνηση και υψηλή χρήση, η αρχική κυψέλη διασπάται σε μικρότερες κυψέλες, ενώ υπάρχει δυνατότητα να χωριστούν και αυτές σε ακόμα μικρότερες προκειμένου να αντιμετωπιστεί ο φόρτος του δικτύου. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται νέοι σταθμοί βάσης με μικρότερη ισχύ και ακτίνα κάλυψης και έτσι αυξάνεται η χωρητικότητα. Οι διαθέσιμες συχνότητες χωρίζονται σε δύο ομάδες, όπου η μία αποδίδεται στις αρχικές κυψέλες και η άλλη άλλη στις μικρότερες που προέκυψαν από τη διάσπαση. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 17

18 1.5 Λειτουργία Κυψελοειδών Συστημάτων Στο κέντρο κάθε κυψέλης βρίσκεται ο σταθμός βάσης που αποτελείται από την κεραία, την μονάδα ελέγχου και τους πομποδέκτες για την επικοινωνία στα κανάλια που έχουν εκχωρηθεί σε αυτή την κυψέλη.η μονάδα ελέγχου χειρίζεται τη διαδικασία κλήσης μεταξύ της κινητής μονάδας και του υπόλοιπου δικτύου, και τις λειτουργίες του δικτύου. Επίσης είναι υπεύθυνη για τη διαχείριση των κινητών χρηστών που μπορεί να εισέρχονται, να εξέρχονται και να μετακινούνται στην κυψέλη. Κάθε σταθμός βάσης είναι συνδεδεμένος (ενσύρματα ή ασύρματα) με ένα κέντρο μεταγωγής κινητών τηλεπικοινωνιών (Mobile Telecommunications Switching Office - MTSO) το οποίο είναι αρμόδιο για το συντονισμό των σταθμών βάσεων, για τυχόν μεταπομπές μέσα στο δίκτυο, καθώς και για τις πληροφορίες χρέωσης των κλήσεων. Αρμοδιότητα του MTSO είναι και η καταχώρηση σε μία βάση δεδομένων της ακριβούς γεωγραφικής θέσης του κινητού τηλεφώνου. Η διαδικασία αυτή είναι απαραίτητη, ώστε να γνωρίζει από ποια ακριβώς κυψέλη εξυπηρετείται η μονάδα. Συνολικά το κέντρο έχει την εποπτεία ολόκληρου του κυψελοειδούς τηλεπικοινωνιακού δικτύου, ενώ είναι συνδεδεμένο και στο δημόσιο τηλεφωνικό και τηλεπικοινωνιακό δίκτυο, έτσι ώστε να είναι εφικτή η πραγματοποίηση κλήσεων είτε μεταξύ κινητών συνδρομητών είτε μεταξύ σταθερού και κινητού συνδρομητή. Για την επικοινωνία μεταξύ κινητής μονάδας και σταθμού βάσης, χρησιμοποιούνται δύο τύποι καναλιών: τα κανάλια τηλεπικοινωνιακής κίνησης (traffic channels) τα οποία μεταφέρουν τα δεδομένα των χρηστών, και τα κανάλια ελέγχου (control channels) που χρησιμοποιούνται για την ανταλλαγή πληροφοριών σχετικά με τη δημιουργία και τη διατήρηση κλήσεων, καθώς και με την αποκατάσταση της επαφής μεταξύ μίας κινητής μονάδας και του πλησιέστερου σταθμού βάσης. Ενδεικτικά παρουσιάζονται παρακάτω λειτουργίες και διαδικασίες οι οποίες εκτελούνται στο δίκτυο για την πραγματοποίηση μίας κλήσης και κατά τη διάρκεια της, ανάμεσα σε κινητές μονάδες: Εκκίνηση κινητής μονάδας: Κατά την ενεργοποίησή της η συσκευή ανιχνεύει τον ειδικό SID κωδικό (System Identification Code) και ουσιαστικά επιλέγει το κανάλι ελέγχου από το οποίο θα εξυπηρετηθεί. Όταν η συσκευή λάβει τον κωδικό SID, τον συγκρίνει με τον αντίστοιχο κωδικό που υπάρχει καταχωρημένος σε αυτή. Αν οι κωδικοί είναι συμβατοί, τότε η συσκευή γνωρίζει ότι βρίσκεται σε εγχώριο δίκτυο και η κυψέλη με την οποία επικοινωνεί είναι μέρος αυτού. Eάν ο κωδικός SID στο κανάλι ελέγχου και ο κωδικός της συσκευής δεν είναι συμβατοί, τότε προκύπτει πως το κινητό τηλέφωνο βρίσκεται σε περιαγωγή (roaming). Στην περίπτωση αυτή, η συσκευή εξυπηρετείται από μία κυψέλη ενός MTSO του εξωτερικού το οποίο είναι υπεύθυνο για την επικοινωνία με το MTSO του εγχώριου συστήματος ώστε να γίνει ο έλεγχος, η επιβεβαίωση του SID καθώς και η ενεργοποίηση για το σύστημα χρέωσης. Οι κυψέλες με διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων εκπέμπουν σε διαφορετικά κανάλια αποκατάστασης. Το κριτήριο για την επιλογή του καναλιού είναι η ισχύς που παρέχεται από το σύστημα αυτό. Βάσει αυτού, ο δέκτης επιλέγει και παρακολουθεί το κανάλι με την ισχυρότερη αποκατάσταση και κατ επέκταση την κεραία του σταθμού βάσης της κυψέλης στην οποία θα λειτουργήσει. Στις περισσότερες περιπτώσεις η κεραία που επιλέγεται είναι αυτή με την μικρότερη απόσταση απο την κινητή μονάδα. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 18

19 Εφόσον γίνει η επιλογή, η κινητή μονάδα και το ΜΤSO που ελέγχει την κυψέλη ανταλλάσσουν μία χειραψια (handshake), ώστε να υπάρξει ενημέρωση και αναγνώριση του χρήστη. Επίσης ανά μικρά χρονικά διαστήματα, γίνεται έλεγχος για ανίχνευση και καταγραφή της θέσης της κινητής μονάδας. Όταν η μονάδα εισέλθει σε μία νέα κυψέλη, τότε επιλέγεται ένας νέος σταθμός βάσης. Στην περίπτωση που δεν βρεθεί κάποιο διαθέσιμο κανάλι ελέγχου για τη συσκευή, τότε αυτή είναι εκτός εύρους (εκτός δικτύου). Δημιουργία κλήσης από την κινητή μονάδα: Η κινητή μονάδα δημιουργεί μία κλήση αποστέλλοντας τον αριθμό της μονάδας που καλείται κατά πρώτον στο προεπιλεγμένο κανάλι αποκατάστασης που αναφέραμε νωρίτερα. Αν αυτό δεν είναι διαθέσιμο, εξετάζεται η ύπαρξη κάποιου άλλου καναλιού, στο οποίο μπορεί η κινητή μονάδα να εκπέμψει τα στοιχεία της κλήσης. Η πληροφορία - αίτηση μεταφέρεται από τον σταθμό βάσης στο ΜΤSO. Τηλεειδοποίηση: To MTSO επιχειρεί να ολοκληρώσει τη σύνδεση προς την καλούμενη μονάδα, στέλνοντας ένα μήνυμα τηλεειδοποίησης προς κάποιους σταθμούς βάσης, ανάλογα με τον καλούμενο αριθμό. Ο κάθε σταθμός βάσης εκπέμπει το σήμα τηλεειδοποίησης στο δικό του κανάλι αποκατάστασης. Αποδοχή κλήσης: Η καλούμενη μονάδα κλήσης αναγνωρίζει τον αριθμό της στο κανάλι αποκατάστασης το οποίο την παρακολουθεί και ανταποκρίνεται στον σταθμό βάσης, ο οποίος με τη σειρά του στέλνει αυτή την απάντηση στο MTSO. Το MTSO δημιουργεί ένα κύκλωμα μεταξύ του καλούντος και του καλούμενου σταθμού βάσης. Επίσης το MTSO επιλέγει ένα διαθέσιμο κανάλι μέσα στην κυψέλη του κάθε σταθμού βάσης και ειδοποιεί τον κάθε σταθμό βάσης, ο οποίος με τη σειρά του ειδοποιεί την κινητή μονάδα. Οι δύο κινητές μονάδες συντονίζονται στα αντίστοιχα εκχωρημένα σε αυτές κανάλια. Εξελισσόμενη κλήση: Κατά τη διάρκεια της κλήσης, οι δύο κινητές μονάδες ανταλλάσσουν σήματα φωνής ή δεδομένων τα οποία διέρχονται μέσω των αντίστοιχων σταθμών βάσης τους και του MTSO. Μεταπομπή: Όσο οι κινητές μονάδες μετακινούνται, διέρχονται από μία κυψέλη σε μία άλλη. Η διαδικασία αυτή απαιτεί την μεταφορά της κλήσης από έναν πομποδέκτη βάσης στον άλλο, και μάλιστα χωρίς αυτό να γίνεται άμεσα αντιληπτό από τον χρήστη. Ουσιαστικά το κανάλι κίνησης πρέπει να αλλάξει σε αυτό που είναι εκχωρημένα στο σταθμό βάσης στη νέα κυψέλη. Η ενέργεια αυτή συντελείται από το δίκτυο και ονομάζεται μεταπομπή ή αλλαγή κυψέλης (handoff). Φραγή κλήσης: Στην περίπτωση που όλα τα κανάλια τα οποία έχουν εκχωρηθεί στον σταθμό βάσης, είναι κατειλημμένα, τότε η κινητή μονάδα επιχειρεί έναν προκαθορισμένο αριθμό επαναλαμβανόμενων προσπαθειών. Αν όλες οι προσπάθειες αποτύχουν τότε επιστρέφεται στο χρήση ο τόνος του κατειλημμένου. Διακοπή κλήσης: Στην περίπτωση που ο σταθμός βάσης δεν μπορεί να διατηρήσει την ελάχιστη απαιτούμενη ένταση σήματος για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, το κανάλι κίνησης προς το χρήστη διακόπτεται και ενημερώνεται το MTSO. Κάτι τέτοιο συμβαίνει συχνά εξαιτίας παρεμβολών ή σημείων με αδύνατο σήμα. Κλήσεις προς ή από σταθερό και απομακρυσμένο κινητό χρήστη: Στην περίπτωση αυτή, το MTSO συνδέεται με το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο και Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 19

20 πραγματοποιεί τη σύνδεση με έναν σταθερό συνδρομητή. Επίσης το MTSO είναι σε θέση να συνδεθεί με ένα απομακρυσμένο MTSO ώστε να συνδέσει έναν κινητό χρήστη που βρίσκεται στην περιοχή και έναν απομακρυσμένο κινητό χρήστη. 1.6 Δίκτυα Κινητής Τηλεφωνίας Δίκτυα 1G Τα πρώτα κυψελωτά δίκτυα εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 70 στις Η.Π.Α. και στην Ιαπωνία και στις αρχές του 80 στην Ευρώπη. H μετάδοση της πληροφορίας γινόταν μέσω χρήσης αναλογικών σημάτων, ενώ πομπός και δέκτης εξέπεμπαν και λάμβαναν, µε χρήση της ίδιας συχνότητας. Λειτουργούσαν κατά κύριο λόγο στις συχνότητες MHz, χρησιμοποιώντας την τεχνική FDMA (Frequency-Division multiple access). Μερικά απο τα πιο δημοφιλή πρωτόκολλα που χρησιμοποιήθηκαν,ήταν τα εξής: AMPS (Advanced Mobile Phone Service) που έκανε την εμφάνιση του το 1978 σε μερικές πολιτείες των Η.Π.Α και εφαρμόστηκε συνολικά το ΕΤACS (European Total Access Communication System) που αναπτύχθηκε στην Ευρώπη στα μέσα της δεκαετίας του 1980 και βασίστηκε κατά πολύ στο AMPS. NMT (Nordic Mobile Telephony) που τέθηκε σε εφαρμογή το 1981 στις Σκανδιναβικές Χώρες. NTT (Nippon Telephone and Telegraph) το πρώτο σύστημα της ομώνυμης εταιρείας που τέθηκε σε λειτουργία το 1979 στην Ιαπωνία. το US Digital Cellular (USDC) Standard IS-54, το 1991 στις Η.Π.Α. Το AMPS χρησιμοποιεί στο σύνολο 832 κανάλια αμφίδρομης επικοινωνίας, όπου το κάθε ένα αποτελείται από ένα ζευγάρι μονόδρομων καναλιών. Υπάρχουν δηλαδή 832 μονόδρομα κανάλια μετάδοσης δεδομένων σε συχνότητες από 824 έως 849 MHz και άλλα 832 μονόδρομα κανάλια λήψης δεδομένων σε συχνότητες από 869 έως 894 MHz με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 10Kbps. Το κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 30 khz και χρησιμοποιείται για την εξυπηρέτηση ενός μόνο χρήστη τη φορά. Το AMPS χρησιμοποιεί την τεχνική πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας (FDM - Frequency Division Multiplexing) για να διαχωρίσει τα διαφορετικά κανάλια σε κάθε κελί. Από τα 832 κανάλια τα 21 είναι δεσμευμένα μόνο για μεταφορά πληροφοριών ελέγχου, οι συχνότητες των οποίων είναι σταθερές και αποθηκευμένες στο εσωτερικό όλων των κινητών συσκευών που χρησιμοποιούν το σύστημα AMPS. Επιπρόσθετα, λόγω του ότι δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι ίδιες συχνότητες σε γειτονικά κελιά, ο πραγματικός αριθμός διαθέσιμων καναλιών φωνής είναι πολύ μικρότερος από 832, περίπου 45 κανάλια ανά κελί. Μετεξέλιξη του ΑΜPS, αποτέλεσε το NAMPS (Narrowband AMPS) στο οποίο ενσωματώθηκε μερικώς η ψηφιακή τεχνολογία με αποτέλεσμα να σημειωθεί αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος έως και 3 φορές περισσότερο σε σύγκριση με το AMPS. Με την εμφάνιση των δικτύων πρώτης γενιάς, η παγκόσμια αγορά κινητής τεχνολογίας αυξήθηξε από 30% σε 50% ετησίως και ο αριθμός των παγκόσμιων συνδρομητών έφτασε τα 20 εκατομμύρια μέχρι το Υποστήριζαν μόνο φωνητικές κλήσεις μέσω Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 20

21 αναλογικής σηματοδοσίας και με χαμηλό ρυθμό μετάδοσης, μικρή χωρητικότητα και με περιορισμένη κινητικότητα. Επιπλέον οι κινητές συσκευές ήταν ογκώδεις και για τη λειτουργία τους απαιτούσαν υψηλούς φασματικούς και ενεργειακούς ραδιοπόρους. Ένα ακόμα σημαντικό μειονέκτημα των δικτύων πρώτης γενιάς, ήταν πως καθεμιά από τις χώρες που υλοποίησαν το συγκεκριμένο σύστημα τηλεπικοινωνιών, δημιουργούσε τα δικά της πρότυπα. Για το λόγο αυτό, κρίθηκε απαραίτητη η ενοποίηση και η σύγκλιση των διεθνών ερευνητικών ιδρυμάτων και των αγορών προκειμένου η χρήση των δικτύων και των κινητών τηλεφώνων να μην περιορίζεται σε συγκεκριμένες γεωγραφικές περιοχές Δίκτυα 2G Η ανάγκη για περισσότερα κανάλια και αυξημένη χωρητικότητα συστήματος, για πιο αποδοτική εκμετάλλευση του προσφερόμενου φάσματος ραδιοσυχνοτήτων, και νέες υπηρεσίες σε συνδυασμό με την ανάπτυξη της ψηφιακής τεχνολογίας μας οδήγησαν στα κυψελωτά δίκτυα δεύτερης γενιάς (2G) στις αρχές της δεκαετίας του Η ψηφιακή κωδικοκοποίηση περιόρισε σε σημαντικό βαθμό την παραμόρφωση συγκριτικά με την αναλογικά κωδικοποιημένη πληροφορία. Αξίζει επίσης να σημειωθεί πως βελτιώθηκε κατά πολύ η κάλυψη και η μέχρι τότε υποτυπώδης υποστήριξη της κινητικότητας των χρηστών. Μέχρι το χρονικό σημείο εκείνο, οι τηλεφωνικές επικοινωνίες περιοριορίζονταν εντός μίας κυψέλης για κάθε κινητή μονάδα. Μία κλήση τερματιζόταν βίαια στην περίπτωση που ένας εκ των δύο συνομιλητών ξεπερνούσε τα όρια της κυψέλης που τον εξυπηρετούσε αρχικά. Η αλλαγή κυψέλης (handover) αποτέλεσε ένα σημαντικό πλεονέκτημα των δικτύων 2G και περιγράφεται ως η δυνατότητα μεταβίβασης της κλήσης από ένα σταθμό βάσης σε έναν άλλο, χωρίς αυτό να γίνεται αντιληπτό από τους συνομιλητές. Στα δίκτυα δεύτερης γενιάς χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές ψηφιακής διαμόρφωσης του σήματος, ενώ για τον διαμοιρασμό ραδιοπόρων στους χρήστες χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι πολλαπλής πρόσβασης Time-Division Multiple Access (TDMA) ή Code- Division Multiple Access (CDMA). Στην Εικόνα 3 παρουσιάζονται οι τεχνικές αυτές καθώς και μια σύγκριση με τα δίκτυα πρώτης γενιάς που υποστήριζαν μετάδοση με χρήση αναλογικής σηματοδοσίας και η πολλαπλή πρόσβαση στο ασύρματο μέσο γινόταν με τη μέθοδο Frequency Division Multiple Access (FDMA). Εικόνα 3: Σύγκριση Μεθόδων Πολλαπλής Πρόσβασης Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 21

22 Η χρήση της ψηφιακής μετάδοσης στις τηλεπικοινωνίες κατέστησε εφικτές ενέργειες και λειτουργίες όπως είναι την υπηρεσία Short Messaging Service (SMS), Fax και Ηλεκτρονικού Ταχυδρομείου, η, έστω και περιορισμένη, πρόσβαση στο διαδίκτυο, και η κρυπτογράφηση δεδομένων. Ενδεικτικά το σύστημα GSM πρόσφερε ονομαστική ταχύτητα 9,6 kbps. Το αυξημένο επίπεδο οργάνωσης του δικτύου, η προσεκτική σχεδίαση στην επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων και η κυψελοειδής διάσπαση αυξάνουν τη χωρητικότητα, προσδίδουν μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στη χρήση του φάσματος συχνοτήτων, οδηγούν στην κάλυψη μεγαλύτερων γεωγραφικών περιοχών και αποτρέπουν προβλήματα όπως η συχνή υπερφόρτωση των σταθμών βάσης και οι ενδοκαναλικές παρεμβολές. Συνοπτικά τα πιο γνωστά συστήματα 2ης γενιάς ήταν: το Global System for Mobile communication (GSM) το Interim Standard 95 Code Division Multiple Access (IS-95) επίσης γνωστό ως cdmaone το Interim Standard 54 (IS-54) και το Interim Standard 136 (IS-136) το Pacific Digital Cellular (ΡDC) Η τεχνολογία GSM (Global System for Mobile Communications) είναι η πλέον διαδεδομένη στα δίκτυα 2G και δημιουργήθηκε για την Ευρώπη υπό την επίβλεψη του European Technical Standards Institute (ETSI), εφαρμόζοντας, για λόγους συµβατότητας, και τεχνικές από την πρώτη γενιά δικτύων. Απώτερος σκοπός ήταν η δημιουργία ενός ενιαίου συστήματος το οποίο θα μπορέσει να εξυπηρετήσει όλους τους Ευρωπαίους πολίτες. Στη συνέχεια υιοθετήθηκε σε παγκόσμιο επίπεδο. Χρησιμοποιεί την μέθοδο πολλαπλής πρόσβασης TDMA, και υποστηρίζει 8 χρονοθυρίδες (time slots) µε εύρος ζώνης 200 KHz η κάθε μια. Η επικοινωνία της ψηφιοποιημένης κινητής μονάδας με την κυψέλη επιτυγχάνεται με τη χρήση των συχνοτήτων 900 MHz MHz (GSM 900 και GSM 1800 αντίστοιχα), ενώ σε αρκετές χώρες της Αμερικής λειτουργεί στη συχνότητα των 1900 ΜΗz (GSM 1900). Οι ζώνες των 1800 ή 1900 MHz μπορούν να εξυπηρετήσουν πολύ μεγαλύτερο αριθμό χρηστών, κυρίως σε πυκνοκατοικημένες περιοχές. Εκτός από τα παραπάνω, αναπτύχθηκε και το πρότυπο GSM-400, το οποίο χρησιμοποιήθηκε συμπληρωματικά των δικτύων GSM με υψηλότερες συχνότητες. Παρόλο που το σύστημα αυτό ήταν αρκετά αποδοτικό σε αραιοκατοικημένες και παράκτιες περιοχές, το πρότυπο GSM-400 δε χρησιμοποιείται πλέον. Παρακάτω στην Εικόνα 4 παρουσιάζεται η δομή του δικτύου GSM. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 22

23 Εικόνα 4: Δομή Δικτύου GSM Το IS-95 (Interim Standard 95) είναι το πρώτο κυψελοειδές πρότυπο βασισμένο σε CDMA, μια τεχνολογία πολλαπλής πρόσβασης για την ψηφιακή ραδιοφωνία, την αποστολή φωνής, δεδομένων, σηματοδότηση μεταξύ κινητών τηλεφώνων και cell sites. To CDMAone ή CDMA IS-95 χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα σε διάφορες περιοχές της Βόρειας Αμερικής, ενώ παλαιότερα και στην Κορέα. Υποστηρίζει 64 κανάλια φωνής ανά φέρον σήμα τα οποία είναι ορθογώνια κωδικοποιημένα. Η εμπρόσθια συχνότητα καναλιού για το IS-95 είναι MHz και η αντίστροφη συχνότητα του καναλιού είναι MHz. Τα φέροντα σήματα χωρίζονται από τη συχνότητα των 1.25MHz. Το σήμα διαμορφώνεται με BPSK (Binary Phase Shift Keying) και με εξάπλωση τετραγωνικής στο ρυθμό δεδομένων του 1,2288Mchips/sec. Το πρότυπο Ιnterim Standard 54 (IS-54) και το Interim Standard 136 (IS-136) είναι επίσης γνωστό ως NADC (North American Digital Cellular) ή USDC (US Digital Cellular). Το IS-136 υποστηρίζει 3 χρήστες για κάθε κανάλι στα 30KHz. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί επίσης την τεχνολογία TDMA σε συνδυασμό με την τεχνική FDD. To φάσμα που χρησιμοποιείται για την εμπρόσθια συχνότητα του καναλιού είναι στα MHz ενώ για την αντίστροφη είναι στα MHz. Το εύρος ζώνης καναλιού είναι 60MHz και ο ρυθμός δεδομένων του διαύλου είναι 46.6kbps.Τέλος ως τεχνική διαμόρφωσης χρησιμοποιείται η 45DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). Το πρότυπο ΡDC (Pacific Digital Cellular) αναπτύχθηκε στην Ιαπωνία και ο τρόπος λειτουργίας του μοιάζει αρκετά με εκείνον του IS-136. Ως εκ τούτου, η εμπρόσθιας και αντίστροφης συχνότητας σύνδεση είναι παρόμοια με εκείνη του IS-136. Ως τεχνική πολλαπλής πρόσβασης χρησιμοποιείται η τεχνολογία TDMA σε συνδυασμό με την FDD. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων διαφέρει από αυτόν του IS-136 καθώς καθορίζεται στα 42kbps. Επίσης ο διαχωρισμός του φέροντος σήματος είναι στα 25KHz Δίκτυα 2.5G H συνεχώς αυξανόμενη χρήση, η ζήτηση καθώς και η ανάγκη για νέες υπηρεσίες και για μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα στον επανασχεδιασμό των ήδη υπάρχοντων προτύπων με σκοπό την περαιτέρω βελτίωση των υπηρεσιών. Διαμορφώθηκε έτσι ένα σύνολο προτύπων που, λόγω του ότι Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 23

24 βασίστηκε κατά μεγάλο μέρος στα δίκτυα δεύτερης γενιάς, ονομάστηκε 2.5G και παρουσιάζει προς τα πίσω συμβατότητα με το πρότυπο 2G. Υποστηρίζονται πλέον υπηρεσίες όπως η πλοήγηση στο διαδίκτυο, η ανταλλαγή , η μετάδοση φωνής και βίντεο, η ανάκτηση σελίδων, η μεταφορά αρχείων και η πρόσβαση σε απομακρυσμένα τερματικά. Τα νέα πρωτόκολλα και συστήματα που προκύπτουν από την εξέλιξη αυτή είναι τα εξής: General Packet Radio Service (GPRS) Wireless Applications Protocol (WAP) High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) Enhanced Data Rates for GSM Evolution (ΕDGE) Interim Standard 95B (IS-95B) Η εισαγωγή της μεταγωγής πακέτων σύνδεσης (GPRS) στην τεχνική TDMA και η ενισχυμένη ταχύτητα δεδομένων (HSCSD και EDGE) κατέστησαν εφικτή την επίτευξη μεγαλύτερων ρυθμών μετάδοσης δεδομένων. Η υπηρεσία GPRS κατέστησε δυνατή την μεταφορά δεδομένων χρήστη σε πολύ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, μέσω ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Αποτελεί ένα συμπλήρωμα στα σημερινά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Το GPRS χρησιμοποιεί μια μέθοδο μεταγωγής πακέτου για τη μετάδοση των δεδομένων χρήστη και ελέγχου, με έναν αποδοτικό ως προς το κόστος τρόπο μέσω των δικτύων κινητής τηλεφωνίας GSM, βελτιστοποιώντας παράλληλα τη χρήση των ραδιοπόρων των ασύρματων καναλιών και του δικτύου. Παρακάτω, στην Εικόνα 5, παρουσιάζεται μια απλουστευμένη αρχιτεκτονική του δικτύου GPRS. Εικόνα 5: Δομή Δικτύου GPRS Τα κανάλια GPRS διαμοιράζονται βάση της τεχνολογίας TDMA. Η ανάθεση καναλιών στους χρήστες είναι αρκετά ευέλικτη και εκτείνεται από 1 μέχρι 8 χρονικές σχισμές, οι οποίες μπορούν να μοιραστούν ανάμεσα σε όλους τους χρήστες ενός κελιού. Αυτό αντιτίθεται στα κανάλια φωνής του GSM, όπου ο κάθε χρήστης που χρειάζεται να λάβει ή να εκτελέσει μια κλήση δεσμεύει αποκλειστικά μια σχισμή και κανείς άλλος δε μπορεί να τη χρησιμοποιήσει, μέχρις ότου διεκπεραιωθεί η κλήση. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 24

25 Στο GPRS, οι σχισμές που ανατίθενται σε κάθε κελί μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα από πολλούς χρήστες, επειδή ακριβώς η τεχνική μεταφοράς δεδομένων είναι η μεταγωγή πακέτου. Το GPRS επιτρέπει ταχύτητες μετάδοσης από 9,6 μέχρι 150 kbps ανά χρήστη. Το πρωτόκολλο WAP (Wireless Applications Protocol) περιγράφει το περιβάλλον εφαρμογής και τα δικτυακά πρωτόκολλα που απαιτούνται για ασύρματες επικοινωνίες. Κάνοντας χρήση του πρωτοκόλλου οι κινητές συσκευές μπορούν να απεικονίζουν ιστοσελίδες και να χειρίζονται μεταξύ άλλων XML δεδομένα και URLs. Για την εξέλιξη του πρωτοκόλλου δημιουργήθηκε το WAP Forum με σκοπό να μπορέσουν οι δικτυακοί λειτουργοί, κατασκευαστές και πάροχοι υπηρεσιών και περιεχομένου να προσαρμοστούν στις απαιτήσεις της νέας τεχνολογικής εποχής και να προσφέρουν διαφορετικές υπηρεσίες και υλοποιήσεις γρήγορα, ευέλικτα κι αποτελεσματικά. Το WAP Forum όρισε ένα σύνολο από πρωτόκολλα τα οποία αντιστοιχούν στα Transport Layer, Security Layer, Transaction Layer, Session Layer και Application Layer, του γνωστού μοντέλου OSI. Τα πρωτόκολλα αυτά, αντίστοιχα, είναι το Wireless Datagram Protocol (WDP), το Wireless Transport Layer Security (WTLS), το Wireless Transaction Protocol (WTP), το Wireless Session Protocol (WSP) και το Wireless Application Environment (WAE). Η υπηρεσία HSCSD αποτελεί μια «ενισχυτική λύση» για την αναβάθμιση των υπηρεσιών μεταφοράς δεδομένων των δικτύων κινητής τηλεφωνίας GSM. Οι ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων που υποστηρίζει είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερες (ή και περισσότερο) από αυτές ενός GSM δικτύου, που σημαίνει ότι ένας χρήστης μπορεί να μεταφέρει δεδομένα με ταχύτητα 38,4 kbps ή περισσότερο (στο GSM «μεταφοράς φωνής», η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων είναι 9,6 kbps). Σύμφωνα με την υπηρεσία HSCSD, στον κάθε χρήστη μπορούν να ανατεθούν μέχρι και 8 χρονικές σχισμές σε ένα φυσικό κανάλι για τη μεταφορά δεδομένων, αυξάνοντας έτσι το ρυθμό μετάδοσης. Σε αντίθεση με τη τεχνολογία GPRS, στην HSCSD οι χρονικές σχισμές ανατίθενται αποκλειστικά σε έναν χρήστη και δε διαμοιράζονται όπως γίνεται στο GPRS. Μόλις ο χρήστης ολοκληρώσει την εργασία του, οι σχισμές που του έχουν ανατεθεί, απελευθερώνονται. Το πόσοι άλλοι χρήστες είναι ενεργοί στο κελί εκείνη τη στιγμή καθορίζει άμεσα τον αριθμό των χρονικών σχισμών που μπορούν να ανατεθούν σε ένα χρήστη. Όσο περισσότεροι χρήστες χρησιμοποιούν το κελί εκείνη τη στιγμή, τόσο χαμηλότερη θα είναι και η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων για κάθε χρήστη. Η υπηρεσία EDGE αποτελεί ένα άλλο πρότυπο για τη ταχύτερη μεταφορά δεδομένων μέσα από ένα δίκτυο κινητής τηλεφωνίας. Η αρχική ονομασία ήταν GSM384. Κύριος σκοπός των φορέων που υλοποίησαν την τεχνολογία EDGE ήταν η αύξηση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στα φυσικά κανάλια των 200 khz του GSM, χρησιμοποιώντας μια διαφορετική μέθοδο διαμόρφωσης του σήματος. Πιο συγκεκριμένα υλοποιήθηκε μια καινούργια ψηφιακή διαμόρφωση µε το όνοµα 8-ΡSΚ πετυχαίνοντας ρυθμό μετάδοσης δεδομένων της τάξης των 384 kbps αν χρησιμοποιηθούν και οι 8 χρονικές σχισμές. Με αυτό το ρυθμό μετάδοσης, προκύπτει ότι αντιστοιχούν 45 kbps σε κάθε σχισμή. Υπό καλές συνθήκες (good propagation conditions), μπορούν να αναπτυχθούν ακόμη μεγαλύτερες ταχύτητες μέχρι και 547,2Κbps όταν χρησιμοποιείται χωρίς διόρθωση λαθών και όταν και οι οκτώ χρονοθυρίδες είναι δεσμευμένες από ένα µόνο χρήστη. Η EDGE αναπτύχθηκε από την Ericsson με αρχικό σκοπό να παρέχει μια εναλλακτική λύση σε εκείνα τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, τα οποία δε θα μπορούσαν τελικά να μεταβούν στην τρίτη γενιά. Θεωρήθηκε ως μία αρκετά προηγμένη βελτιστοποίηση του προτύπου GSΜ. Με την τεχνολογία αυτή, τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας μπορούν πια να προσφέρουν υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων με ταχύτητες που είναι πολύ κοντά στις ταχύτητες που επιτυγχάνονται από την τεχνολογία τρίτης γενιάς. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 25

26 Η υλοποίησή της τεχνολογίας EDGE είναι σχετικά απλή. Επειδή το μόνο που άλλαξε ήταν η μέθοδος διαμόρφωσης, δε χρειάστηκαν νέες άδειες λειτουργίας ενώ χρησιμοποιήθηκαν τα ήδη υπάρχοντα φυσικά κανάλια, περιοχές συχνοτήτων και σχεδιασμοί κελιών. Το ουσιαστικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας EDGE είναι ότι μπορεί να λειτουργήσει πάνω στην ήδη υπάρχουσα υποδομή του δικτύου GSM με ελάχιστες μόνο αναβαθμίσεις στις υφιστάμενες κεραίες αλλά και στα κέντρα διαχείρισης του δικτύου. Οι κινητές συσκευές όμως χρειάστηκε να αναβαθμιστούν, έτσι ώστε να είναι σε θέση να υποστηρίξουν τη νέα τεχνολογία. Μερικές από τις συσκευές EDGE μπόρεσαν να υποστηρίξουν τους μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μόνο στα κανάλια καθόδου, ενώ άλλες λειτούργησαν στους ρυθμούς μετάδοσης EDGE και στα κανάλια ανόδου και στα κανάλια καθόδου, πάντα βέβαια με τις κατάλληλες αναβαθμίσεις στα τμήματα του πομπού και του δέκτη τους. Τέλος, το πρότυπο IS-95Β, αποτελεί την μετεξέλιξη του IS-95Α που προτάθηκε αρχικά το 1995 και παρέχει μεταγωγή πακέτου αλλά και κυκλώματος, µέσω CDΜΑ καναλιών. Το πρότυπο 2.5G IS-95B έχει εξελιχθεί από το cdmaone σε 2G το οποίο χρησιμοποιεί κανάλι εύρους ζώνης στα 1,25MHz. Ο όρος cdmaone χρησιμοποιείται για να περιγραφούν τα κυτταρικά δίκτυα που βασίζονται στα πρότυπα IS-95Α και IS-95Β. Το πρώτο IS-95Β δίκτυο, λειτούργησε το 1999 στην Κορέα. Με την ταυτόχρονη κατάληψη και των 8 διαφορετικών καναλιών, μπορούν να επιτευχθούν ρυθμοί μετάδοσης 8x14,4 = 115,2 Kbps Δίκτυα 3G Όσο η χρήση των κινητών τηλεφώνων εξαπλωνόταν διαρκώς στη μεγαλύτερη μερίδα του πληθυσμού, παρουσιαζόταν όλο και πιο έντονα και η ανάγκη για μετάδοση περισσότερων δεδομένων σε μεγαλύτερες ταχύτητες. Στα δίκτυα 3ης γενιάς χρησιμοποιούνται τεχνολογίες μεταγωγής πακέτων έτσι ώστε να εξασφαλίζεται γρηγορότερη και αποδοτικότερη μετάδοση δεδομένων και αυξημένη χωρητικότητα ενώ ιδιαίτερα σημαντικές είναι και οι τροποποιήσεις που συντελέσθηκαν στις υποδομές των δικτύων της 2ης Γενιάς. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση τους αποσκοπούσαν στην παροχή υπηρεσιών οπουδήποτε και οποτεδήποτε. Στόχος ήταν σε πρώτη φάση να υποστηρίζονται ταχύτητες μέχρι 2Mbps. Αυτό το επίτευγμα με τη σειρά του επέτρεψε την υλοποίηση καινούριων εφαρμογών σε κινητές συσκευές όπως TV streaming, ανταλλαγή πολυμέσων, Τηλεϊατρική, Location-based services, video conferencing, web browsing, , fax και χάρτες πλοήγησης. Τα πρότυπα 3G αναπτύχθηκαν και τυποποιήθηκαν από τους οργανισμούς 3GPP (3rd Generation Partnership Project) και 3GPP2. Ο πρώτος οργανισμός ασχολήθηκε από το 1998 με την εξέλιξη των συστημάτων GSM, WCDMA, UMTS. O δεύτερος οργανισμός ασχολήθηκε με την εξέλιξη των προτύπων CDMA2000, CDMAone. Κύριο μέλημα των οργανισμών ήταν η παρακολούθηση και η καθοδήγηση των εξελίξεων στην συγκεκριμένη τεχνολογική περιοχή. Τα επικρατέστερα συστήματα 3ης γενιάς είναι τα εξής: UMTS στην Ευρωπη το CDMA2000 στη Βορεια Αμερικη ΤD-SCDΜΑ στην Κίνα FOMA στην Ιαπωνία Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 26

27 Το σύστημα UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έιναι ενα από τα συστήματα τεχνολογιών κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς (3G). Κατατέθηκε από τον ΕTSI το 1996 ως πρόταση βελτίωσης των δικτύων GSM, IS-136 και PDC. Λίγα χρόνια αργότερα, προτάθηκε ως WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) και συμπεριλάμβανε επιπλέον βελτιωτικές ενέργειες και εξελίξεις για το CDMA. Συγκεκριμένα υποστήριζε ρυθμούς μετάδοσης που μπορούσαν να φθάσουν και να ξεπεράσουν τα 2 Mbps στα 5GHz, παρέχοντας παράλληλα πλήρη συμβατότητα με τα αντίστοιχα συστήματα 2G και 2,5G. Το WCDMA χρησιμοποιεί τα δύο πρότυπα FDD και TDD. Σε αντίθεση με τα EDGE και CDMA2000, το UMTS απαιτεί νέα υποδομή σταθμών βάσης και νέα κατανομή συχνοτήτων. Παρ όλα αυτά, είναι στενά συνδεδεμένο με τους προκατόχους του, αφού σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε πάνω σε σχέδια του GSM [2]. Στην Εικόνα 6 παρουσιάζεται η δομή του δικτύου UMTS. Ενίοτε το UMTS προβάλλεται ως 3GSM, δίνοντας έμφαση στην πολύ στενή σχέση με το GSM. Η διακριτική ονομασία UMTS, χρησιμοποιείται κυρίως στην Ευρώπη. Εκτός Ευρώπης, το συγκεκριμένο σύστημα είναι γνωστό με άλλα ονόματα όπως FOMA ή WCDMA. Στην αγορά δε, προβάλλεται ως 3G. Εικόνα 6: Δομή δικτύου UMTS Το CDMA2000, γνωστό και ως IMT-CDMA Multi Carrier (1X/3X) είναι η τεχνολογία τρίτης γενιάς (3G), που προέκυψε από την σταδιακή εξέλιξη του CDMAone. Εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 2002 από την 3GPP2. Η συγκεκριμένη τεχνολογία παρέχει στους παρόχους υπηρεσιών κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G) τη δυνατότητα να αναβαθμίσουν χωρίς προβλήματα τα δίκτυά τους σε δύο φάσεις. Οι δυνατότητες της πρώτης φάσης περιγράφονται με το πρότυπο 1X, το οποίο επιτρέπει τη μετάδοση δεδομένων σε ταχύτητες που φθάνουν τα 144 kbps. Η δεύτερη φάση του CDMA2000 ονομάζεται 3X και επιτρέπει τη μετάδοση δεδομένων σε ταχύτητες που φθάνουν τα 2 Mbps, αλλά και την παροχή προηγμένων multimedia υπηρεσιών. Το πρότυπο CDMA2000 χρησιμοποιεί τις μεθόδους FDD και TDD. Είναι προς τα πίσω συµβατό µε τα συστήματα IS-95 / IS-95Α / IS- 95Β και βασίζεται στην χρήση εύρους 1.25ΜHz καναλιού ανά χρήστη. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 27

28 Το TD-SCDΜΑ (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) υλοποιήθηκε μετά από συνεργασία της China Academy of Communications Technology (CΑΤΤ), μαζί µε το Siemens Information and Communication Mobile Group (IC Mobile) για λογαριασμό της China Mobile. Παρουσιάστηκε στις 7 Ιουλίου 2009 στην Κίνα. Σκοπός της κίνησης αυτής ήταν να απεξαρτηθεί η αγορά της Κίνας από τις τεχνικές 3G που χρησιμοποιούνται στη Δύση, για την εκμετάλλευση και αξιοποίηση των οποίων απαιτούνταν να καταβληθούν προς τη Δύση αρκετά μεγάλα ποσά για την εξασφάλιση των αδειών [17]. Υποστηρίζει μετάδοση δεδομένων σε ταχύτητες έως και 2 Mbps, ενώ χρησιμοποιεί τις ΤDΜΑ/ΤDD και CDΜΑ τεχνικές για πολλαπλή πρόσβαση. Είναι συμβατό με το GSM και έχει εύρος ζώνης 1.6MHz με μέγιστο ρυθμό μετάδοσης τα 2.227Mbps. To δίκτυο FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access) ήταν πρώτο μεγάλης κλίμακας εμπορικό δίκτυο 3ης γενιάς παγκοσμίως. Ξεκίνησε τη λειτουργία του στην Ιαπωνία το 2001 από την εταιρεία ΝΤΤ DoCoMo και ήταν βασισμένο στο πρότυπο WCDMA. H εταιρεία ήδη από το 1999 είχε απευθυνθεί στην αγορά με το περίφημο i-mode, με το οποίο οι χρήστες κινητής τηλεφωνίας απέκτησαν τη δυνατότητα για ευρεία πρόσβαση στο internet ενώ μετέπειτα αναβάθμισή αποτέλεσε η υπηρεσία HSPA με την επωνυμία FOMA High-Speed η οποία προσφέρει ταχύτητες downlink έως 7,2 Mbit/sec και uplink ταχύτητες έως 5,7 Mbit/sec Δίκτυα 3.5G Η γενιά αυτή αποτελείται από την τεχνολογία HSPA (High Speed Packet Access) η οποία αναπτύχθηκε από την 3GPP, ως μια εξέλιξη του UMTS βασισμένη στην τεχνολογία WCDMA. Ουσιαστικά αποτελείται από τα πρωτόκολλα HSDPA(Downlink) και HSUPA (Uplink) με την χρήση των οποίων επεκτείνεται και βελτιώνεται η απόδοση των υφιστάμενων 3G κινητών τηλεπικοινωνιακών δικτύων, με σκοπό την καλύτερη χρήση του εύρους ζώνης. Σε πρώτη φάση η HSPA σχεδιάστηκε για να βελτιώσει και να αυξήσει την χωρητικότητα του downlink και σε δεύτερη φάση του uplink. Αναλυτικότερα, με την τεχνολογία HSDPA (εμπορικά διαθέσιμο στα τέλη του 2005) επιτυγχάνεται διπλασιασμός στη χωρητικότητα της ασύρματης διεπαφής και μετάδοση πακέτων στο downlink (από το σταθμό βάσης πρός τον συνδρομητή) σε ταχύτητες που φτάνουν τα 14Μbps (5πλάσιες σε σύγκριση με το UMTS και 15πλάσιες σε σχέση με το GPRS). Εκτός αυτού, σημειώθηκε αύξηση της χωρητικότητας και παράλληλα περιορίστηκε δραστικά η καθυστέρηση και ο ρυθμός σφαλμάτων. Όσον αφορά το uplink, με τη χρήση του πρωτοκόλλου HSUPA (εμπορικά διαθέσιμο από το 2007)σημειώθηκε επίτευξη ρυθμών μετάδοσης στα 5.8 Mbps. Για να εφαρμοστούν όμως αυτές οι αλλαγές στο σύνολό τους, κρίθηκε απαραίτητος ο επανασχεδιασμός μέρους της αρχιτεκτονικής και του λογισμικού που χρησιμοποιείται στους σταθμούς βάσης και κατ επέκταση στο δίκτυο, ώστε να υπάρξει συμβατότητα με τη χρήση πιο πολύπλοκων πρωτοκόλλων αλλά και δυνατότητα απόδοσης σε τόσο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Τόσο το HSDPA όσο και το HSUPA υλοποιούνται, όπως και το UMTS, στο εύρος ζώνης των 5 MHz. Η βασική ιδέα του HSPA είναι η προσθήκη και χρήση νέων, αναβαθμισμένων καναλιών ελέγχου και μεταφοράς, με σημαντικότερο το διαμοιραζόμενο ευρυζωνικό κανάλι μεταφοράς HS-DSCH (High-Speed Downlink Shared Channel) στο οποίο έχουν ενσωματωθεί διάφορες τεχνικές ώστε να μπορούν να επιτευχθούν πολύ υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης. Εκτός αυτού με το παραπάνω κανάλι επιτυγχάνεται η βελτιστοποίηση της ρυθμαπόδοσης (throughput) του καναλιού και κατ επέκταση η περαιτέρω αύξηση της χωρητικότητας των δικτύων, ενώ η καθυστέρηση μεταφοράς (latency) κυμαίνεται στα msec. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 28

29 Παράλληλα μελετήθηκαν τρόποι εξέλιξης και αναβάθμισης της υπάρχουσας τεχνολογίας. Συγκεκριμένα ο 3GPP πρότεινε το HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) στην έκδοση 7 (Release 7). Σκοπός ήταν με την τεχνολογία αυτή να αυξηθεί ακόμα περισσότερο η χωρητικότητα του δικτύου, να βελτιστοποιηθούν οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων για τις παρεχόμενες υπηρεσίες και να μειωθεί η χρονική καθυστέρηση μετάδοσης (latency) κάτω από 50msec. Εκ των υστέρων προκύπτει πως το συγκεκριμένο δίκτυο αποτέλεσε τον προπομπό των δικτύων 4ης γενιάς, αλλά και ότι πιο αξιόπιστο και λειτουργικό είχε να επιδείξει η 3η γενιά δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Στα δίκτυα HSPA+ εισάγεται για πρώτη φορά η τεχνολογία ΜΙΜΟ (Multiple-Input and Multiple-Output) για τη λειτουργία της οποίας απαιτείται η τοποθέτηση επιπρόσθετων κεραίων λήψης (συστοιχία κεραιών) καθώς και η ύπαρξη επιπλέον κεραιών μετάδοσης στους σταθμούς βάσης [17]. Η πρώτη έκδοση του HSPA+ υλοποιήθηκε με χρήση κωδικοποίησης 64 QAM. Σε ιδανικές συνθήκες παρέχει μέγιστη θεωρητική ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων στο κανάλι λήψης (κάτω ζεύξη) στα 21 Mbps. Οι αποδόσεις του δικτύου μπορούν να αυξηθούν ακόμα περισσότερο με την χρήση κεραιών 2X2 MIMO ( 2 κανάλια λήψης - 2 κανάλια αποστολής) φτάνοντας έτσι θεωρητικές ταχύτητες έως 42Mbps στο κανάλι λήψης και έως 11,5 Mbps στο κανάλι αποστολής. Αναφορικά με την τεχνολογία ΜΙΜΟ η οποία διαδραμάτισε καθοριστικό ρόλο στα δίκτυα 3.5G, στηρίζει τη λειτουργία της στη χρήση πολλαπλών κεραιών (κεραιοσυστημάτων) τόσο στον πομπό-σταθμό βάσης όσο και στο δέκτη-συσκευή του χρήστη. Ουσιαστικά ο χρήστης χρησιμοποιεί ταυτόχρονα πάνω από έναν πομπό και ένα δέκτη για να στείλει και να λάβει δεδομένα (όπου αυτό είναι εφικτό). Τα κανάλια που δημιουργούνται μεταξύ των πολλαπλών πομπών και δεκτών συνδυάζονται µε τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχεται καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών, ενώ παράλληλα μειώνεται και η απαιτούμενη ισχύς, καθώς αυτή διαμοιράζεται σε διάφορες πηγές προορισμού. Τέλος το σήμα προέρχεται από διαφορετικές πηγές, άρα η μετάδοση και η λήψη αυτού διευκολύνεται καθώς δεν εξασθενεί το ίδιο εύκολα, ενώ απαιτείται και μικρότερη χωρητικότητα σύνδεσης για την επικοινωνία Δίκτυα 4G Τα 4G δίκτυα είναι η εξέλιξη των δικτύων 3G, και εισήχθησαν στην αγορά το Η βασική ιδέα που κλήθηκαν να υποστηρίξουν, είναι τα all-ip δίκτυα. Με αυτό τον τρόπο ένας κινητός χρήστης μπορεί να έχει κάλυψη από οποιοδήποτε IP δίκτυο, οποτεδήποτε,οπουδήποτε και αν βρίσκεται. Γίνεται χρήση αποκλειστικά της τεχνολογίας μεταγωγής πακέτων, ώστε να είναι εφικτή και ομαλή η διασύνδεση με άλλες τεχνολογίες (Bluetooth-3G-WLAN-σταθερά δίκτυα), εξασφαλίζοντας ουσιαστικά τη συνύπαρξη και την αδιάλειπτη ενοποιημένη λειτουργικότητα ενσύρματων και ασυρμάτων τεχνολογιών. Οι τεχνικές προδιαγραφές που πρέπει να έχει ένα δίκτυο 4ης γενιάς όσον αφορά τη μετάδοση δεδομένων, είναι ταχύτητες της τάξης του 1Gbps στο κανάλι λήψης, 500 Mbps στο κανάλι αποστολής και στα 100Mbps για χρήστες εν κινήσει [3]. Εκτός από τις ταχύτητες, μεγάλη βαρύτητα δίνεται και στην αποδοτικότητα φάσματος, την υψηλή χωρητικότητα του δικτύου, το global roaming, την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων και την καλύτερη δυνατή αξιοποίηση της μπαταρίας των τερματικών. Όπως είναι κατανοητό, από τους αρμόδιους φορείς τέθηκε ως στόχος η παροχή εξαιρετικής ποιότητας υπηρεσιών (Quality of Service- QoS) για την εικονική πλοήγηση, την ασφάλεια και την κάλυψη των απαιτήσεων των χρηστών για εφαρμογές πολυμέσων, όπως video chat, mobile TV, Digital Video Broadcasting και Video on demand, σε συνάρτηση με τη βέλτιστη κατανομή των ραδιοπόρων του συστήματος. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 29

30 Μια απο τις τεχνολογίες που παρέχουν τις υψηλότερες ταχύτητες στα δίκτυα 4ης γενιάς είναι είναι ο μηχανισμός πολυπλεξίας Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Με αυτό το μηχανισμό συμπυκνώνονται περισσότερα δεδομένα στο ίδιο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων με διαίρεση των ροών δεδομένων σε περαιτέρω ροές και να μεταδίδονται μέσω πολλαπλών φορέων μικρού εύρους, αντί μέσω ενός μοναδικού wideband σήματος. Επίσης με τον μηχανισμό αυτό μειώνονται οι παρεμβολές και η καθυστέρηση μετάδοσης. Ο αντίστοιχος όρος στα ελληνικά είναι ορθογώνια πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας, καθώς οι φορείς είναι ορθογώνιοι μεταξύ τους, ώστε είτε ατομικά είτε ως γκρουπ να μεταφέρουν ανεξάρτητες ροές δεδομένων. Συγκεκριμένα γίνεται χρήση διαμόρφωσης OFDMA για τη καθοδική ζεύξη και χρήση διαμόρφωσης SC-FDMA για την ανοδική. Μια άλλη τεχνολογία που πολλαπλασιάζει τις δυνατότητες του 4G και υλοποιήθηκε αρχικά στα δίκτυα HSPA+ όπως αναφέρθηκε παραπάνω, είναι οι Πολλαπλές Εισόδοι- Πολλαπλές Εξόδοι (ΜΙΜΟ). Δηλαδή η προσθήκη πολλών κεραιών λήψης και αποστολής με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης. Η λειτουργία αυτή επιτρέπει την μετάδοση περισσότερου όγκου δεδομένων χωρίς να είναι απαραίτητη η αύξηση εύρους ζώνης ή επιπλέον κατανάλωση ενέργειας. Οι συχνότητες στις οποίες εκπέμπει το 4G στην Ευρώπη είναι οι 800ΜΗz, 1.8 GHz και 2.6 GHz. Τα πιο διαδεδομένα πρότυπα 4G είναι τα LTE και WiMAX Δικτυα 4.5G Η αναβάθμιση της γενιάς 4G, έρχεται με τα 4.5G δίκτυα ή αλλιώς LTE Advanced. Αποτελεί ένα αποκλειστικό IP δίκτυο μεταγωγής πακέτου ενώ η κύρια αρχιτεκτονική του συστήματος παραμένει ίδια με την αρχιτεκτονική του LTE. Με το εξελιγμένο σύστημα ασύρματης πρόσβασης και με τις δυνατότητες που προσφέρει ο δυναμικός διαμοιρασμός ραδιοπόρων, επιτυγχάνεται πιο αποδοτική χρήση του φάσματος συχνοτήτων και ακόμα μεγαλύτερες ταχύτητες δεδομένων ( βελτιωμένες κατά 3 έως 5 φορές σε σχέση με το αρχικό LTE). Πιο συγκεκριμένα οι ενισχυμένοι ρυθμοί μετάδοσης φτάνουν στο downlink τα 100 Μbit/sec για χρήστες με υψηλή κινητικότητα και στο 1 Gbit/sec για χρήστες με χαμηλή κινητικότητα. Όσον αφορά το uplink η ταχύτητα ξεπερνά τα 500 Mbps, ενώ οι όποιες καθυστερήσεις στις ενέργειες του δικτύου περιορίζονται σε λίγα msec (maximum 50 msec). Η μέγιστη ταχύτητα κίνησης του χρήστη που υποστηρίζει το δίκτυο, φτάνει τα 350 km/h, ενώ το μέγιστο εύρος ζώνης αυξάνεται στα 100 ΜHz, από τα 20 MHz της πρώτης έκδοσης του LTE. Το δίκτυο αποτελείται από τον εξοπλισμό χρήστη (User Equipment - UE), το δίκτυο κορμού (Core Network-CN) EPC και το δίκτυο ασύρματης πρόσβασης (E-UTRAN) με τους ίδιους λογικούς κόμβους. Για να καλυφθούν ωστόσο τα κενά του LTE, υλοποιούνται διάφορες τεχνικές, οι πιο σημαντικές εκ των οποίων είναι η συνάθροιση των φερόντων σημάτων, η χωρική πολυπλεξία με χρήση MIMO έως και 8x8 (οχτώ στρώματα μετάδοσης), η λήψη και αποστολή με DL COMP και η τεχνολογία OFDM. Αναφορικά με την χωρική πολυπλεξία,στην έκδοση 10 επεκτείνεται ώστε να υποστηρίζει στο downlink πολυπλεξία οχτώ στρωμάτων επιτυγχάνοντας ρυθμούς μετάδοσης 3 Gbit/s και φασματική απόδοση 30 bit/s/hz, ενώ για το uplink να υποστηρίζει πολυπλεξία μέχρι και τεσσάρων στρωμάτων, επιτυγχάνοντας ρυθμούς μετάδοσης 1.5 Gbit/s και φασματική απόδοση 15 bit/s/hz. Επίσης, στο LTE-Advanced βελτιώνεται σε σχέση με τους προκατόχους, η διαλειτουργικότητα με συστήματα πρόσβασης και άλλα δίκτυα, αλλά και η συμβατότητα Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 30

31 με τις υπηρεσίες σταθερών δικτύων, ενώ υποστηρίζεται η χρήση οικιακών κυψελών (femtocells) [12]. Η τεχνολογία Coordinated multipoint (CoMOP) χρησιμοποιείται στα δίκτυα LTE- Advanced για αποστολή και λήψη δεδομένων μέσω διαφορετικών σταθμών βάσης οι οποίοι είναι συντονισμένοι μεταξύ τους. Ουσιαστικά οι παρεμβολές που υπήρχαν μεταξύ διαφορετικών κυψελών, μετατρέπονται σε ωφέλιμο σήμα. Με τον τρόπο αυτό γίνεται αποδοτικότερη χρήση των ραδιοπόρων του συστήματος και αυξάνεται η ισχύς του σήματος. Τέλος, μέσω της διαδικασίας αναμετάδοσης (relaying), τα τερματικά μπορούν να επικοινωνούν με το κεντρικό δίκτυο μέσω ενός κόμβου αναμετάδοσης, ο οποίος συνδέεται ασύρματα με το βασικό κελί χρησιμοποιώντας τη διασύνδεση του LTE, κάτι το οποίο βελτιώνει ακόμα περισσότερο την κάλυψη και την επάρκεια του δικτύου Δίκτυα 5G Για τα επόμενα χρόνια οι προβλέψεις δείχνουν πώς οι συσκευές που θα είναι συνδεδεμένες στο διαδίκτυο θα ξεπερνούν τις μερικές δεκάδες δισεκατομμύρια. Φυσικό επακόλουθο αυτής της τάσης είναι η διαρκής αύξηση της κίνησης δεδομένων ανά χρήστη, την ίδια περίοδο που οι φωνητικές κλήσεις και τα SMS δεν φαίνεται να ακολουθούν την πορεία αυτή, καθώς η χρήση των υπηρεσιών αυτών θα μειωθεί ή θα μείνει στάσιμη. Στην εξέλιξη αυτή συντελεί η εμφάνιση νέων διαδικτυακών υπηρεσιών, ο εμπλουτισμός των ήδη υπάρχουσων, καθώς και η δυνατότητα χρήσης τους σε πληθώρα συσκευών όπως κινητά και ταμπλέτες, ξεφέυγοντας παράλληλα από τα στενά όρια του υπολογιστή. Από τη σκοπιά των υπηρεσιών, τη μερίδα του λέοντος κατέχουν τα μέσα κοινωνικής δικτύωσης, οι υπηρεσίες μετάδοσης μουσικής και βίντεο και οι οnline εφαρμογές παροχής υπηρεσιών που βελτιώνονται διαρκώς προσφέροντας ολοκληρωμένες και φιλικές λύσεις προς τους χρήστες. Υποστηρίζονται ακόμη το διαδίκτυο των πραγμάτων και η διαχείριση των οικιακών και άλλων συσκευών μέσω διαδικτύου. Οι εξοπλισμοί που σχεδιάζονται ή είναι ήδη στην αγορά, συμβάλλουν στην διευκόλυνση χρήσης, καθώς διαθέτουν πολύ μεγάλη υπολογιστική ισχύ, καλύτερη κωδικοποίηση, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και οθόνες υψηλής ανάλυσης. Η ανάγκη για εκπληρωση των τεχνικών απαιτήσεων και για παροχή αδιάλειπτων υπηρεσιων οδηγεί στην εξέλιξη των δικτύων, ώστε να προσφέρουν ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, βελτιωμένη κάλυψη και αύξηση της χωρητικότητας. Μία αξιόπιστη λύση είναι η δημιουργία ετερογενών δικτύων. Δεν θα πρόκειται δηλαδή για μία ενιαία διεπαφή, αλλά για μία ποικιλία από διεπαφές, τύπους δικτύων, ζώνες συχνοτήτων και πρωτόκολλα που θα χρειαστεί να συνεργαστούν αρμονικά για την απρόσκοπτη λειτουργία του δικτύου σε ένα σχήμα μεγάλων μακροκυψελών που θα περιέχουν πολλές μικρότερες κυψέλες. Στη διαδικασία αυτή παρουσιάζονται ως βασικές προκλήσεις ο συντονισμός των κυψελών, η αξιοποίηση των τεχνολογιών πρόσβασης καθως και η διαχείριση του δικτύου και της κινητικότητας. Η χρήση μικροκυψελών πρόκειται να λύσει τυχόν προβλήματα ανεπαρκούς κάλυψης και χαμηλών ρυθμών μετάδοσης που προέρχονται από τις μακροκυψέλες, ενώ η συνεργασία σταθμών βάσης, σημείων πρόσβασης Wi-Fi και δικτύων κινητής τηλεφωνίας καθιστούν ιδιαίτερα αποδοτικό και πυκνό το δίκτυο. Οι κύριες απαιτήσεις για τα δίκτυα 5G, σύμφωνα με τον οργανισμό 5G Infrastructure Public Private Partnership (5GPPP), περιγράφονται σύμφωνα με τα παρακάτω: Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 31

32 100% Γεωγραφική Κάλυψη. 90% μείωση στην κατανάλωση ενέργειας του δικτύου. 1 millisecond καθυστέρηση. Συνδέσεις με ταχύτητες 1-10 Gbps. 1000x Bandwidth ανά μονάδα επιφάνειας. 99,999% διαθεσιμότητα δικτύου φορές υψηλότερο εύρος ζώνης πλάσιος αριθμός συνδεδεμένων συσκευών. 10 χρόνια διάρκεια μπαταρίας για χαμηλής ισχύος συσκευές. Μείωση του κόστους λειτουργίας λειτουργίας του δικτύου. Συμβατότητα με τις προηγούμενες γενιές και με άλλες τεχνολογίες. Εικόνα 7: Η εξέλιξη των δικτύων κινητής τηλεφωνίας Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 32

33 2.1 Ραδιοκύματα 2. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ονομάζεται το εύρος της περιοχής συχνοτήτων που καλύπτουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα εκτείνεται θεωρητικά από σχεδόν μηδενικές συχνότητες έως το άπειρο. Τα ραδιοκύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην μπάντα συχνοτήτων από 3Hz εώς 300 GHz. Εικόνα 8: Το φάσμα ραδιοσυχνοτήτων 2.2 Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα σαν οικονομικός πόρος Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι από τη φύση του περιορισμένο και ορίζεται σαν οικονομικός πόρος βάσει της ζώνης συχνοτήτων, της γεωγραφικής περιοχής κάλυψης, και του χρόνου αξιοποίησης του. Τα χαρακτηριστικά του φάσματος είναι το εύρος ζώνης, η καταλληλότητα για συγκεκριμένες μεταδόσεις και υπηρεσίες, και οι υφιστάμενες παρεμβολές. Το φάσμα ραδιοσυχνοτήτων είναι μία παράμετρος καθοριστικής σημασίας για την παροχή σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. Το σύνολο των συχνοτήτων που μπορούν να διατεθούν σε μία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή είναι πεπερασμένο. Γι αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία ο τρόπος διάθεσης και οι όροι χρήσης του, ώστε να εξασφαλίζεται η βέλτιστη αξιοποίησή του διαθέσιμου φάσματος για την κάλυψη των τωρινών καθώς και των μελλοντικών αναγκών αλλά και η μεγιστοποίηση των ωφελειών για τους χρήστες. Τα τελευταία χρόνια, λόγω της αυξανόμενης ζήτησης και της συμφόρηση που επήλθε από την ποικιλία χρήσεων, δημιουργήθηκε η ανάγκη για την διαχείριση του φάσματος από μια δημόσια ή ανεξάρτητη ρυθμιστική αρχή. Η διαχείριση του φάσματος περιλαμβάνει τον καθορισμό ορίων εκπομπής και άλλων τεχνολογικών προτύπων, ώστε να αποτρέπονται οι παρεμβολές μεταξύ χρηστών και να διασφαλίζεται η αποκλειστικότητα του αδειοδοτημένου για αποκλειστική χρήση του φάσματος, όπως επίσης να είναι δυνατή η επωφελής χρήση των ζωνών για κοινόχρηστη χρήση. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 33

34 Η αρχή αυτή φροντίζει επίσης για την εξασφάλιση της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (electromagnetic compatibility) μεταξύ συσκευών και την τήρηση των ορίων ασφαλείας για ζητήματα υγείας. Σε διεθνές επίπεδο η διαχείριση του φάσματος γίνεται από τους ακόλουθους φορείς: ITU - Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union). ICAO - Διεθνής Οργανισμός Πολιτικής Αεροπορίας (International Civil Aviation Organization). IMAO - Διεθνής Οργανισμός Ναυσιπλοΐας (International Maritime Organization). WMO - Παγκόσμιος Οργανισμός Μετεωρολογίας (World Meteorological World Meteorological Organization). IARU - Διεθνής Ένωση Ραδιοερασιτεχνών (International Amateur Radio Union). CEPT - Ευρωπαϊκή Διάσκεψη Διοικήσεων Τηλεπικοινωνιών & Ταχυδρομείων (Conférence Εuropéenne des administrations des Postes et des Télécommunications communications). ERG Ομάδα Ευρωπαϊκών Ρυθμιστικών Αρχών (European Regulators Group). IRG Ομάδα Ανεξάρτητων Ρυθμιστικών Αρχών (Independent Regulators Group). Στην Ελλάδα η κατανομή του αδειοδοτημένου φάσματος γίνεται από την Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων (ΕΕΤΤ) η οποία είναι Ανεξάρτητη Διοικητική Αρχή, η οποία ρυθμίζει, εποπτεύει και ελέγχει την αγορά ηλεκτρονικών επικοινωνιών [5]. Κύριο μέλημα της ΕΕΤΤ είναι να διασφαλίζει την παροχή ασύρματων τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών σε προκαθορισμένα επίπεδα ποιότητας και τον συντονισμό όσο το δυνατόν περισσότερων χρηστών. Ειδικότερα, η ΕΕΤΤ χορηγεί τα δικαιώματα χρήσης ραδιοσυχνοτήτων και καθορίζει τις περιπτώσεις στις οποίες αυτά απαιτούνται. Καθορίζει και εισπράττει τα τέλη χρήσης του φάσματος ραδιοσυχνοτήτων που καταβάλλουν οι χρήστες του φάσματος. Η επιβολή τελών λειτουργεί ως κίνητρο για την αποδοτικότερη αξιοποίηση του φάσματος. Τηρεί μία βάση δεδομένων στην οποία καταχωρούνται όλες οι ραδιοσυχνότητες για τις οποίες έχουν χορηγηθεί δικαιώματα χρήσης στον ελληνικό χώρο. Πρόκειται για το εθνικό μητρώο ραδιοσυχνοτήτων, το βασικό εργαλείο για τη διαχείριση του φάσματος. Εποπτεύει τη σωστή χρήση των ραδιοσυχνοτήτων και εντοπίζει και επιλύει προβλήματα παρεμβολών σε νόμιμους χρήστες ραδιοσυχνοτήτων Έμφαση δίνεται σε παρεμβολές στις συχνότητες που χρησιμοποιούνται από υπηρεσίες που συνδέονται με την ασφάλεια της ανθρώπινης ζωής και έχουν χορηγηθεί σε κρατικά δίκτυα ασφάλειας και έκτακτης ανάγκης (ΥΠΑ, ΕΚΑΒ, Λιμενικό). Χορηγεί τις άδειες για τις ραδιοσυχνότητες και τις κατασκευές κεραιών κινητής τηλεφωνίας, καθώς και άλλων υπηρεσιών (π.χ. ραδιοδίκτυο, δορυφορικές υπηρεσίες), ενώ από το 2007 είναι αρμόδια και για την έκδοση των αδειών κεραιών ραδιοτηλεοπτικών σταθμών. Βασικό εργαλείο της ΕΕΤΤ στον τομέα του Φάσματος Ραδιοσυχνοτήτων αποτελεί το Εθνικό Σύστημα Διαχείρισης και Εποπτείας Φάσματος (ΕΣΔΕΦ). Πρόκειται για μια τεχνολογικά προηγμένη και υψηλών προδιαγραφών υποδομή, η οποία υποστηρίζει το σύνολο των λειτουργιών της διαχείρισης και εποπτείας φάσματος και περιλαμβάνει σταθερούς και κινητούς σταθμούς εποπτείας καθώς επίσης και φορητό εξοπλισμό. Με το ΕΣΔΕΦ καθίσταται δυνατός ο έλεγχος εκπομπών σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων σε όλη την Ελλάδα. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 34

35 3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΕ ΚΑΝΑΛΙΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Πολυπλεξία (multiplexing) ονομάζεται ο μηχανισμός με τον οποίο οι ροές δεδομένων από διαφορετικές διεργασίες-εφαρμογές συνδυάζονται σε ένα σήμα και μεταδίδονται μέσα από έναν κοινόχρηστο σύνδεσμο, χρησιμοποιώντας δηλαδή από κοινού, έναν ραδιοπόρο. Τέτοιοι μπορεί να είναι ο χρόνος χρήσης του καναλιού και το εύρος ζώνης συχνοτήτων. Η πολυπλεξία υλοποιείται στους δρομολογητές-μεταγωγείς στο φυσικό επίπεδο του μοντέλου OSI. Ουσιαστικά τα δεδομένα πολυπλέκονται σε ένα κόμβο και αποπολυπλέκονται σε έναν άλλο. Με αυτό τον τρόπο υλοποιείται η κοινόχρηστη φύση των συνδέσμων ενός δικτύου. Σημαντικότερες και πιο γνωστές τεχνικές πολυπλεξίας είναι οι εξής: Η πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας (Frequency Division Multiplexing, FDM). H πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Η πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου (Τime Division Multiplexing, TDM). H στατιστική πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου (Statistical Time Division Multiplexing, STDM). Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι τεχνικές πολυπλεξίας που μπορούν να επεκταθούν σε μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης καναλιού. 3.1 FDMA Η μέθοδος πολλαπλής πρόσβασης καναλιών FDMA (Frequency-division multiple access), χρησιμοποιείται σε πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων. Είναι στην ουσία η χρήση του FDM για τον διαμοιρασμό του ίδιου φυσικού καναλιού δηλαδή του εύρους συχνοτήτων σε μικρότερα κανάλια, σε πολλούς χρήστες για παράλληλη επικοινωνία. Το FDMA δεν απαιτεί φυσικού πολυπλέκτη εφόσον ασκείται στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων σε αντίθεση με το FDM που είναι στο φυσικό επίπεδο. Στο FDMA οι χρηστές διαχωρίζονται στο πεδίο της συχνότητας, καθώς μεταδίδουν σε διαφορετικές φέρουσες συχνότητες μέσω καναλιών σταθερού εύρους ζώνης. Χρησιμοποιείται τόσο με αναλογικά σήματα όσο και με ψηφιακά. Το FDMA χωρίζει το εύρος συχνοτήτων σε θυρίδες με μικρότερες μπάντες και αναθέτει αυτές τις θυρίδες στους διάφορους χρήστες που ανταγωνίζονται για πρόσβαση στο μέσο. Δηλαδή έστω το κανάλι έχει εύρος WΗΖ και κάθε χρήστης απαιτεί ΒΗΖ το κανάλι θα μπορεί να υποστηρίξει ταυτόχρονα W/B χρήστες. Η απόδοση της τεχνικής αυτής λοιπόν καθορίζεται από το πόσο αποδοτικά περιορίζεται το εύρος ζώνης στους διάφορους χρήστες, όπως επίσης και από τον βαθμό επιλεκτικότητας του συστήματος αποπολύπλεξης, δηλαδή το πόσο καλά φιλτράρεται το τμήμα της διαμόρφωσης του κάθε χρήστη [6]. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της τεχνικής αυτής είναι ότι μειώνει την παρεμβολή που συμβαίνει λόγω καθυστέρησης στη διάδοση. Αυτό το επιτυγχάνει διατηρώντας την διάρκεια των συμβόλων σε υψηλές τιμές με τη βοήθεια της Μ-αδικής σηματοδοσίας σε στενές θυρίδες συχνότητας. Ένα άλλο πλεονέκτημα της FDMA είναι ότι το εύρος ζώνης πομπού και δέκτη διατηρείται στην ελάχιστη δυνατή τιμή (και ειδικότερα το εύρος ζώνης στο οποίο οι ενισχυτές ισχύος συμπεριφέρονται γραμμικά). Επομένως διατηρείται όσο το δυνατόν πιο απλή η διαδικασία παραγωγής και ανίχνευσης δεδομένων. Το κύριο μειονέκτημα της FDMA είναι ότι η τεχνική είναι επιρρεπής στην επιλεκτική διάλειψη συχνότητας, η οποία μπορεί να επηρεάσει κάποια θυρίδα Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 35

36 συχνότητας και έτσι να υπάρξει απώλεια του σήματος του συγκεκριμένου χρήστη, σε παροδική συνήθως βάση. Επίσης ο μέγιστος ρυθμός διάδοσης δεδομένων σε κάθε κανάλι είναι μικρός σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες [4]. 3.2 OFDMA Το OFDMA είναι μια υβριδική μορφή των FDMA και TDMA και αποτελεί βασικό συστατικό των δικτύων 4 ης γενιάς. Στους χρήστες ανατίθενται με δυναμικό τρόπο, υποφέροντα (subcarriers) σε διαφορετικές χρονοθυρίδες, που αποτελούν υποσύνολα των διαθέσιμων υποκαναλιών. Τα πλεονεκτήματα του OFDMA περιλαμβάνουν τα προτερήματα της τεχνολογίας φυσικού επιπέδου που χρησιμοποιεί, την OFDM πολυπλεξία, όπως είναι η μειωμένη υπολογιστική πολυπλοκότητα, η ομαλή υποβάθμιση της απόδοσης του συστήματος, η εκμετάλλευση ποικιλότητας συχνοτήτων, η ανθεκτικότητα στην παρεμβολή στενής ζώνης και η καταλληλότητα του για σύμφωνη αποδιαμόρφωση. Επιπλέον, το OFDMA χαρακτηρίζεται για την ευελιξία που παρουσιάζει και λόγω της οποίας, μπορεί να εξυπηρετήσει πολλούς χρήστες με μεγάλο εύρος εφαρμογών, ρυθμών μετάδοσης και απαιτήσεων μετάδοσης. Δύο βασικές αρχές στις οποίες το OFDMA οφείλει την υψηλή του απόδοση είναι η ποικιλία πολλαπλών χρηστών (multiuser diversity), και η προσαρμοστική διαμόρφωση (adaptive modulation). Ο πρώτος όρος περιγράφει το κέρδος από την επιλογή ενός χρήστη ή ενός υποσυνόλου χρηστών με πολύ καλές συνθήκες καναλιού, ενώ ο τελευταίος αναφέρεται στην εκμετάλλευση των καλών καναλιών για την επίτευξη ψηλών ρυθμών μετάδοσης δεδομένων. Ένα σημαντικό μειονέκτημα της ΟFDM πολυπλεξίας είναι το πρόβλημα του λόγου της μέγιστης ισχύος προς την μέση (peak-to-average power ratio). Το ΟFDM σήμα αποτελείται από Ν ανεξάρτητα διαμορφωμένα σήματα στενής ζώνης τα οποία, όταν προστίθενται με την ίδια φάση, έχουν ως αποτέλεσμα την δημιουργία ισχύος εξόδου Ν φορές μεγαλύτερη από τη μέση. Αυτές οι διακυμάνσεις του σήματος ισχύος αποτελούν σημαντικό πρόβλημα στον σχεδιασμό τόσο των RF ενισχυτών όσο και των AD/DA μετατροπέων. Ένα άλλο πιθανό πρόβλημα είναι παρεμβολές στο σήμα λόγω του φαινομένου Doppler, με συνεπακόλουθο την απώλεια της ορθογωνικότητας του σήματος. 3.3 ΤDMA Στην τεχνολογία TDMA (Time Division Multible Access) η πολυπλεξία στο φυσικό επίπεδο γίνεται στη διάσταση του χρόνου. Η πρόσβαση με πολυπλεξία στον χρόνο επιτρέπει σε πολλαπλούς χρήστες να χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι συχνότητας, διαμοιράζοντας την πληροφορία προς μετάδοση σε χρονοθυρίδες. Κάθε χρονοθυρίδα αντιστοιχεί σε ένα λογικό κανάλι. Eάν ο ρυθμός εκπομπής των δεδομένων στο κανάλι είναι w bps και εάν ο κάθε χρήστης χρειάζεται b bps, τότε το σύστημα μπορεί να υποστηρίξει w/b χρήστες ταυτόχρονα. Απαραίτητη προϋπόθεση στην TDMA είναι, κάθε τερματικός σταθμός να υποστηρίζει ένα ρυθμό μετάδοσης δεδομένων πολύ μεγαλύτερο από το ρυθμό πληροφορίας του χρήστη. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι, συγκριτικά με την FDMA, απαιτείται υψηλότερη ταχύτητα επεξεργασίας κατά τη διαμόρφωση και την αποδιαμόρφωση, μεγαλύτερο εύρος ζώνης πομπού και μεγαλύτερη προσοχή στον συντονισμό των χρηστών. Τα δύο βασικά πλεονεκτήματα του TDMA είναι η ικανοποιητική κατανομή του φάσματος ραδιοσυχνοτήτων, και η δυνατότητα συνδυασμού περισσότερων από μιας Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 36

37 χρονοθυρίδας ανα χρήστη για την ικανοποίηση εφαρμογών που απαιτούν μεγαλύτερο εύρος ζώνης από αυτό των βασικών υπηρεσιών. Ενα μειονέκτημα της τεχνολογίας, σε σχέση με την FDMA, είναι ότι απαιτείται μεγαλύτερη ισχύς εκπομπής των συμβόλων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, αν υποθέσουμε πως η μέση ενέργεια των συμβόλων είναι η ίδια και στα δύο συστήματα, ώστε να επιτυγχάνεται ίδια εμβέλεια σήματος, η διάρκεια των συμβόλων στην TDMA θα πρέπει να είναι πολύ μικρότερη από ότι στην FDMA. 3.4 CDMA Η τεχνολογία CDMA (Code Division Multible Access) υλοποιείται με χρήση ορθογώνιων κωδικών. Ουσιαστικά ο κώδικας συνδυάζεται με το σήμα πληροφορίας, λαμβάνει χώρα διασπορά φάσματος του σήματος (spread spectrum) και το σήμα που προκύπτει, μεταδίδεται στο κανάλι. Ανάλογα με τον τρόπο χρήσης του κώδικα, τα συστήματα διακρίνονται σε αυτά της αναπήδησης συχνότητας (Frequency Hopping, FH) και αυτά της ευθείας ακολουθίας (Direct Sequence, DS). Η συγκεκριμένη τεχνική χαρακτηρίζεται από την ασφάλεια στην επικοινωνία αλλά και από ανθεκτικότητα στον θόρυβο και την παραμόρφωση. Παρ όλα αυτά υστερεί στην πολυπλοκότητα υλοποίησης καθώς και στην κατασκευή μεγάλου μεγέθους πλήθους ορθογώνιων κωδίκων, που αποτελεί, μαζί με τα επίπεδα παρεμβολών, περιοριστικό παράγοντα στο πλήθος των εξυπηρετούμενων χρηστών. Επιπλέον η μετάδοση γίνεται ταυτόχρονα στο ίδιο φάσμα, και οι χρήστες ξεχωρίζουν από τον μοναδικό κώδικα που τους έχει αποδοθεί. Σε περιπτώσεις που το πλήθος των χρηστών είναι πολύ μεγάλο, έχουν παρατηρηθεί προβλήματα σχετικά με την πολυπλοκότητα. Εικόνα 9: Tεχνολογίες Πολλαπλής Πρόσβασης Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 37

38 4. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΑΔΕΙΟΔΟΤΗΜΕΝΟ ΦΑΣΜΑ Όλες οι ασύρματες επικοινωνίες, χρησιμοποιούν ραδιοκύματα για την εκπομπή και λήψη πακέτων πληροφορίας. Στα ασύρματα δίκτυα δεδομένων όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σήμερα για την δικτύωση υπολογιστών η επικοινωνία είναι αμφίδρομη καθώς οι υπολογιστές ή λοιπές ηλεκτρονικές συσκευές πρέπει να είναι σε θέση και να λαμβάνουν αλλά και να αποστέλλουν δεδομένα είτε ταυτόχρονα, δηλαδή πλήρως αμφίδρομα (full duplex), είτε εναλλασσόμενοι μεταξύ κατάστασης μετάδοσης και λήψης, δηλαδή ημιαμφίδρομα (half duplex). Η ασύρματη αμφίδρομη επικοινωνία σε αυτά τα δίκτυα επιτυγχάνεται κυρίως με τους παρακάτω δύο μηχανισμούς πολυπλεξίας του φυσικού καναλιού. Frequency Division Duplex (FDD): Με αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιούνται διαφορετικές συχνότητες για την μετάδοση και τη λήψη ενώ οι δύο συχνότητες έχουν τέτοια απόσταση μεταξύ τους στο φάσμα ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές. Ο μηχανισμός FDD παρέχει μια full duplex λύση. Παρουσιάζει όμως το πρόβλημα της δέσμευσης φάσματος συχνοτήτων και του εύρους ζώνης τόσο για τη μετάδοση όσο και για τη λήψη. Ουσιαστικά, κάνοντας χρήση μεγαλύτερου φάσματος συχνοτήτων η επικοινωνία μπορεί να περιοριστεί σε σχέση με τον όγκο της πληροφορίας που μπορεί να μεταφέρει. Για τη μετάδοση και τη λήψη χρησιμοποιούνται διαφορετικα κανάλια συχνοτήτων. Με αυτό τον τρόπο ένας σταθμός μπορεί να λαμβάνει και να αποστέλλει δεδομένα ταυτόχρονα. Time Division Duplex (TDD): Η συγκεκριμένη μέθοδος πραγματοποιεί την μετάδοση και την λήψη στην ίδια συχνότητα. Ωστόσο, οι δύο αυτές ενέργειες εναλλάσσονται περιοδικά κατά την διάρκεια της επικοινωνίας. Ουσιαστικά η αμφίδρομη επικοινωνία δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα. Παρόλο που αυτή η μέθοδος ουσιαστικά υλοποιεί μία ημιαμφίδρομη επικοινωνία στο φυσικό επίπεδο, πρόκειται για μια λύση η οποία μπορεί να είναι ιδιαίτερα αποδοτική σχετικά με την χρήση και την αξιοποίηση του φάσματος συχνοτήτων. Η μετάδοση πραγματοποιείται σε ένα κανάλι συχνοτήτων, ενώ ο σταθμός και οι συσκευές εναλλάσσονται περιοδικά μεταξύ κατάστασης εκπομπής και κατάστασης λήψης. 4.1 WiMax Το σύστημα WiMax θεωρείται η μετεξέλιξη του Wi-Fi και παρέχει ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση υψηλών ταχυτήτων σε μεγάλες αποστάσεις. Συγκεκριμένα η εμβέλεια επικοινωνίας του αγγίζει τα 35 χιλιόμετρα σε αντίθεση με τα περίπου 100 μέτρα που εξασφαλίζει το Wi-Fi, απελευθερώνοντας έτσι την πρόσβαση στο διαδίκτυο και παρέχοντας τη δυνατότητα κάλυψης μιας ολόκληρης πόλης, υποστηρίζοντας ταυτόχρονα την υλοποίηση μητροπολιτικών δικτύων (ΜΑΝ) και δικτύων ευρείας περιοχής (WAN). Τα αρχικά του προκύπτουν από τις λέξεις Worldwide Interoperability for Microwave Access, και δεν αποτελεί πρότυπο αλλά είναι η εμπορική ονομασία που αναφέρεται σε κάθε συσκευή ή εφαρμογή που χρησιμοποιεί το πρότυπο Η ομάδα εργασίας του IEEE ιδρύθηκε το 1999 και έκτοτε έχει αναπτύξει διάφορες εκδόσεις προτύπων διεπαφής αέρα (Air Interface) για ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα με έμφαση στο φυσικό επίπεδο (Physical Layer - PHY) και στο υπόστρωμα ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control - MAC). Για πρώτη φορά παρουσιάστηκε το 2001 και από τότε διαρκώς εξελίσσεται και βελτιώνεται. To WiMax, σε αντίθεση με άλλα ασύρματα δίκτυα, επιτρέπει τη μεταφορά δεδομένων με πολλαπλά ευρέα φάσματα συχνότητας. Κάτι τέτοιο εξυπηρετεί στη μεγιστοποίηση της μετάδοσης Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 38

39 πέρα από τις συχνότητες άλλων ασύρματων εφαρμογών. H μπάντα συχνοτήτων που χρησιμοποιείται εκτείνεται από 2 ως 66 GHz. Οι ταχύτητες μετάδοσης που επιτυγχάνονται στο WiMax, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το είδος της ψηφιακής διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται. Συνήθεις διαμορφώσεις είναι η 64 QAM, η οποία μπορεί να εξασφαλίσει και τη μεγαλύτερη ταχύτητα μετάδοσης, η 16 QAM και η QPSK η οποία μπορεί να εξασφαλίσει μεγάλη κάλυψη του συστήματος. Η μέγιστη ταχύτητα αγγίζει τα 72 Mbps σε ιδανικές συνθήκες. To WiMAX υποστηρίζει μια ποικιλία ασύρματων ευρυζωνικών συνδέσεων όπως είναι τα Υψηλής Ταχύτητας Μητροπολιτικά δίκτυα για οικιακούς πελάτες και μικρές επιχειρήσεις, τα Backhaul δίκτυα που συνδέουν αποκεντρωμένους με κεντρικούς σταθμούς, παρακάμπτοντας το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο, καθώς και σύνδεση με το internet σε WiFi hotspots. Επιπλέον υλοποιούνται δύο τοπολογίες: Point to multipoint (PMP), όπου υποστηρίζεται η αμφίδρομη σύνδεση σημείου προς πολλαπλά σημεία και ο συνδρομητής επικοινωνεί μόνο μέσω του σταθμού βάσης. Δικτύωση Πλέγματος (Mesh), όπου ο συνδρομητής μπορεί να επικοινωνήσει απευθείας με άλλους συνδρομητές χωρίς τη μεσολάβηση του σταθμού βάσης. Η οικογένεια προτύπων παρέχει τα εξής πλεονεκτήματα: Αύξηση της εμβέλειας και του throughput με χρήση πολλαπλών κεραιών. Δυνατότητα γρήγορης παροχής υπηρεσιών ακόμη και σε απομακρυσμένες περιοχές. Υποστήριξη κινητικότητας των συνδρομητών. Μικρό κόστος εγκατάστασης, ευκολία στην επέκταση δικτύου, ελάττωση χρήσης καλωδίων. Υπέρβαση φυσικών περιορισμών που υπάρχουν στην ενσύρματη δικτύωση. Ευέλικτη χρήση του εύρους ζώνης ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες και αυξημένη χωρητικότητα. Μικρότερο κόστος συντήρησης σε λιγότερο χρόνο. Eυέλικτη υποστήριξη ταυτόχρονης χρήσης διαφορετικών IP υπηρεσιών. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 39

40 Εικόνα 10: Συνδυασμός Ασυρμάτων LAN με WiMAX Σταθμούς Βάσης Το WiMax χρησιμοποιεί την μέθοδο πολλαπλής πρόσβασης ορθογωνικής διαίρεσης συχνότητας (OFDMA) τόσο στην καθοδική όσο και στην ανοδική ζεύξη. Ουσιαστικά σε διαφορετικούς χρήστες ανατίθενται διαφορετικά υποσύνολα των OFDM τόνων. Αυτή η τεχνική, διευκολύνει την εκμετάλλευση της ποικιλότητας συχνοτήτων και των πολλαπλών χρηστών, αυξάνοντας έτσι σημαντικά την συνολική χωρητικότητα του συστήματος. Με το OFDMA, οι χρήστες εκτός από υποφέροντα μοιράζονται και χρονοθυρίδες. Με τον τρόπο αυτο το σήμα γίνεται πιο ανθεκτικό ενώ παράλληλα επιτυγχάνεται βέλτιστη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Επιπλέον εξασφαλίζεται, στο επίπεδο σύνδεσης, η δυνατότητα εξυπηρέτησης, μέσω του επιπέδου MAC, των διαφορετικών ροών υπηρεσίας ως προς την εγγύηση ποιότητας (QoS). Κάποια χαρακτηριστικά που έπρεπε να προτυποποιηθούν στο WiMax αναφορικά με την αξιοποίηση του OFDMA είναι η ομαδοποίηση σε υποκανάλια (subchannelization), τα μηνύματα αντιστοίχiσης (mapping messages) και η ρύθμιση (ranging). Ένα σύστημα WiMax αποτελείται ένα σταθμό βάσης (Base Station - BS) που περιλαμβάνει τις ηλεκτρονικές εγκαταστάσεις μαζί με έναν πύργο WiMAX, και από ένα δέκτη (Subscriber Station - SS). Οι σταθμοί βάσης συχνά είναι συνδεδεμένοι με σταθμούς άλλων περιοχών, παρέχοντας έτσι μεγαλύτερη ομοιογένεια στο δίκτυο και συνολικά καλύτερη εμβέλεια. Στο WiMax το MAC επίπεδο του σταθμού βάσης, φέρει την ευθύνη της ανάθεσης μπάντας για όλους τους κινητούς χρήστες του δικτύου. Σε κάποιες περιπτώσεις ο κινητός σταθμός μπορεί να διαθέτει πολλαπλές συνδέσεις με τον σταθμό βάσης. Σε αυτές τις περιπτώσεις ο Mobile Station (MS) έχει μερικό έλεγχο για την ανάθεση μπάντας. Πιο συγκεκριμένα, ο Base Station (BS) αναθέτει το εύρος φάσματος στον MS και η διαμέριση του ανάμεσα στις διαφορετικές συνδέσεις αποτελεί πλέον ευθύνη του MS. Όλες οι υπόλοιπες αποφάσεις κατανομής ραδιοπόρων είναι ευθύνη του BS. Για το downlink ο BS αναθέτει το εύρος ζώνης υπολογίζοντας την εισερχόμενη κίνηση χωρίς την παρέμβαση του MS, ενώ αντίθετα στο uplink η ανάθεση εξαρτάται από τις αιτήσεις του χρήστη. Το πρότυπο WiMax υποστηρίζει διάφορους μηχανισμούς με τους οποίους ο σταθμός μπορεί να αιτείται και να λαμβάνει εύρος ζώνης για το uplink. O σταθμός βάσης αναθέτει Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 40

41 αποκλειστικούς ή διαμοιραζόμενους ραδιοπόρους περιοδικά σε κάθε χρήστη, τους οποίους μπορεί να χρησιμοποιήσει για να αιτηθεί εύρος ζώνης. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται σταθμοσκόπηση (polling) και χρησιμοποιείται σε πολλά συστήματα. Η τεχνική του polling μπορεί να υλοποιηθεί είτε για ατομική μετάδοση (unicast) είτε σε γκρουπ για πολλαπλή μετάδοση (multicast). Η επιλογή multicast είναι καταλληλότερη όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο εύρος για να γίνει polling σε κάθε χρήστη ατομικά [6]. Στην περίπτωση του multicast polling διατίθεται μια μοναδική μοιραζόμενη θυρίδα που επιχειρεί να χρησιμοποιήσει κάθε χρήστης. Το WiMax καθορίζει μηχανισμό ανταγωνισμού και επίλυσης πρόσβασης για την περίπτωση σύγκρουσης των χρηστών στην προσπάθεια διεκδίκησης της θυρίδας. Εάν σε ένα κινητό χρήστη έχει ανατεθει ήδη ένας ραδιοπόρος για αποστολή κίνησης, ο σταθμός δεν σταθμοσκοπείται. Αντίθετα μπορεί να ζητήσει επιπρόσθετο φάσμα με τα εξής βήματα: Μετάδοση μιας αίτησης bandwidth MPDU. Αποστολή αίτησης bandwidth χρησιμοποιώντας το κανάλι ρύθμισης (ranging). Ενσωματώνοντας την αίτηση σε γενικά πακέτα επιπέδου MAC. Προκειμένου να εξασφαλιστεί η ασφαλής μετάδοση δεδομένων, γινόταν χρήση του αλγορίθμου κρυπτογράφησης DES (Data Encryption Standard Πρότυπο Κωδικοποίησης Δεδομένων) που κάνει χρήση κλειδιών μήκους 56bit. Πλέον για λόγους ασφαλείας χρησιμοποιείται η μέθοδος triple DES, στην οποία το μήνυμα κωδικοποιείται τρεις φορές με τρία διαφορετικά κλειδιά [7]. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα κύρια πρότυπα του δικτύου : Πίνακας 2: Πρότυπα WiMax Πρόκειται για το βασικό πρότυπο που κυκλοφόρησε το Παρείχε βασικές συνδέσεις υψηλής συχνότητας σε συχνότητες μεταξύ 11 και 60 GHz. Πλέον έχει αποσυρθεί a Τον Ιανουάριο του 2003 το πρότυπο επεκτάθηκε. Η τροπολογία αυτή αφορούσε ορισμένα ζητήματα ραδιοφάσματος και επέτρεψε τη χρήση του προτύπου σε συχνότητες κάτω από το ελάχιστο των 11 GHz του αρχικού προτύπου. Συγκεκριμένα λειτουργούσε πλέον και στο διάστημα 2-11 GHz κάτι που επέτρεψε την επικοινωνία μεταξύ σταθμών ακόμα και αν δεν είχαν οπτική επαφή. Πλέον έχει αποσυρθεί b Οδήγησε στην αύξηση του φάσματος ώστε να συμπεριληφθούν και οι συχνότητες μεταξύ 5 και 6 GHz. Παρείχε διαφοροποιημένα επίπεδα υπηρεσίας σε διαφορετικούς τύπους δεδομένων, βελτιώνοντας την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών. Πλέον έχει αποσυρθεί c Η τροποποίηση αυτή παρείχε ένα προφίλ συστήματος για τη λειτουργία μεταξύ 10 και 66 GHz με περισσότερες λεπτομέρειες για τις λειτουργίες εντός αυτού του φάσματος. Ο στόχος ήταν να καταστεί δυνατή η επίτευξη μεγαλύτερων επιπέδων διαλειτουργικότητας. Πλέον έχει αποσυρθεί. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 41

42 802.16d ( ) Η τροποποίηση αυτή ήταν επίσης γνωστή ως , δεδομένου ότι κυκλοφόρησε το Πρόκειται για μια σημαντική αναθεώρηση του προτύπου , ενώ με την παρουσίασή του, όλες οι προηγούμενες τροποποιήσεις αποσύρθηκαν. Η ένωση των υποπροτύπων ΙΕΕΕ a, c, d όρισε το πρότυπο ΙΕΕΕ το οποίο περιγράφει τη συνολική λειτουργικότητα των επιμέρους υποπροτύπων που προαναφέρθηκαν για συχνότητες λειτουργίας 2-66 GHz. Το πρότυπο αυτό παρείχε έναν αριθμό διορθώσεων και βελτιώσεων για το a, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης του OFDM 256 φερουσών προκειμένου να εξασφαλιστεί η συμβατότητα με το πρότυπο HiperMAN που αναπτύχθηκε από την ΕTSI. Υλοποιεί τη σταθερή ασύρματη σύνδεση (Fixed Wireless). Αυτό συνεπάγεται ότι για την επικοινωνία με το δίκτυο ο συνδρομητής πρέπει να έχει εγκατεστημένη μια κεραία σε κάποιο σταθερό σημείο. Το πρότυπο ΙΕΕΕ ορίζει την επικοινωνία χρηστών οι οποίοι βρίσκονται μέσα σε ένα κελί το οποίο καλύπτεται από ένα base station. Όταν κάποιος χρήστης κινηθεί σε περιοχή που βρίσκεται εκτός περιοχής κάλυψης του base station, η σύνδεση χάνεται. Επιπλέον, το πρότυπο αυτό εξασφαλίζει ρυθμούς μετάδοσης 3 Mbps στην κάτω ζεύξη (downlink) και 28 Mbps στην άνω ζεύξη (uplink) για κάθε κανάλι εύρους 10 MHz e ( ) Το πρότυπο αυτό, γνωστό και ως λόγω της ημερομηνίας κυκλοφορίας του, υποστηρίζει επιτυχώς την κινητικότητα του χρήστη από ένα σταθμό βάσης σε έναν άλλο, την μεταπομπή (handover) και την περιαγωγή (roaming) μεταξύ των κυψελών ακόμα και αν ο χρήστης κινείται με ταχύτητες που προσεγγίζουν τα 120Km/h. Εξασφαλίζει ταχύτητες δεδομένων έως 15 Mbps f Το πρότυπο αυτό επιτρέπει την επικοινωνία διαφορετικών σημείων πρόσβασης με σκοπό τη μείωση της απώλειας πακέτων κατά τη μεταγωγή. Αναπτύσσει τις προτεινόμενες πρακτικές για την εφαρμογή ορισμών του για τα σημεία πρόσβασης και τα συστήματα διανομής. Ο σκοπός είναι να αυξηθεί η συμβατότητα μεταξύ διαφορετικών συσκευών σημείου πρόσβασης και να μειωθεί η απώλεια πακέτων κατά τη μεταγωγή g Το μοντέλο αυτό απλοποιεί το μοντέλο αναφοράς δικτύου, υλοποιώντας τον έλεγχο του δικτύου και την διαχείριση του συστήματος πίσω από τον σταθμό βάσης h Το πρότυπο αυτό βελτιώνει την συνύπαρξη μηχανισμών για λειτουργία χωρίς άδεια. Ενισχύει τα επίπεδα MAC του και PHY του a για να παρέχει τις επεκτάσεις διαχείρισης και ελέγχου δικτύων, για τη διαχείριση του φάσματος και της ισχύος μετάδοσης στη ζώνη 5 GHz. Αυτό θα επιτρέψει τη ρυθμιστική αποδοχή των προτύπων σε μερικές ευρωπαϊκές χώρες j To συγκεκριμένο πρότυπο κυκλοφόρησε το 2006 και αποτελεί μία τροποποίηση του e. Υποστήριζε την πολλαπλή αναμετάδοση από τους σταθμούς βάσης παρέχοντας εκτενή κάλυψη σε απομονωμένες περιοχές καθώς και βελτιωμένη απόδοση. Το φυσικό επίπεδο (PHY) Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 42

43 βασίζεται στα πρότυπα IEEE και IEEE e Πλέον έχει αποσυρθεί m Πρόκειται για πρότυπο προηγμένης τεχνολογίας. Αναμένεται να παρέχει ταχύτητες δεδομένων 100 Mbps για κινητές συνδέσεις και 1 Gbps για σταθερές συνδέσεις, ενώ θα υποστηρίζει την χρήση απλών κυψελών, μακροκυψελών και μικροκυψελών. Προς το παρόν δεν υπάρχουν περιορισμοί για το εύρος ζώνης αν και αναμένεται να είναι στα 20 MHz και πάνω. 4.2 UMTS Το UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) είναι μια ανταγωνιστική τεχνολογία του WiΜax, και προσδιορίζεται από την αποκαλούμενη τρίτη γενιά των κυψελοειδών δικτύων που τυποποιούνται από το πρότυπο 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Οι ζώνες συχνότητας που ανατίθενται σε αυτήν την τεχνολογία είναι οι αδειοδοτημένες συχνότητες από τα 1885 έως 2025 MHz, και από τα 2110 έως 2200 MHz. Χρησιμοποιεί ως τεχνική διαμόρφωσης φορέα, την ευρείας ζώνης πολλαπλή πρόσβαση κατανομής με διαίρεση κώδικα (WCDMA) και έχει θεωρηθεί σαν μία ολοκληρωμένη λύση για μετάδοση φωνής και δεδομένων υπό συνθήκες κίνησης σε αρκετά μεγάλη εμβέλεια. Η επιλογή για την χρήση του CDMA σαν την μέθοδο πολλαπλής πρόσβασης, προήλθε από διάφορους τεχνικούς λόγους. Παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα και βελτιώσεις από τα πρότυπα που χρησιμοποιούνταν σε προηγούμενες 2G τεχνολογίες που βασίζονταν κυρίως σε TDMA πρότυπα [17]. Ο τρόπος που λειτουργεί το CDMA στο UMTS έχει ως εξής: Τα δεδομένα προς αποστολή κωδικοποιούνται χρησιμοποιώντας συγκεκριμένη κωδικοποίηση για κάθε χρήστη. Με αυτό το τρόπο μόνο ο επιθυμητός χρήστης μπορεί να αντιστοιχίσει και να αποκωδικοποιήσει τα δεδομένα προς αποστολή. Αυτό επιτρέπει στο φυσικό RF κανάλι να χρησιμοποιείται παράλληλα από πολλούς χρήστες. Τα δεδομένα σε ένα CDMA σήμα πολλαπλασιάζονται με ένα τσιπ ή κώδικα για αύξηση του σήματος. Κάθε φυσικό κανάλι διαμοιράζεται με μια μοναδική και μεταβλητή ακολουθία. Ο βαθμός του διαμοιρασμού διαφοροποιείται για να μπορεί το τελικό σήμα να γεμίσει το απαιτούμενο εύρος ζώνης του καναλιού. Στο downlink, έχουμε ρυθμό μετάδοσης συμβόλων της τάξης των 3.84Mbps. Αφού η διαμόρφωση που χρησιμοποιείται είναι QPSK δηλαδή για κάθε σύμβολο προς μετάδοση αντιστοιχούν 2 bits πληροφορίας, αυτό σημαίνει ότι μπορούν να επιτευχθούν μέγιστες ταχύτητες των 7.68 Mbps. Οι κώδικες που χρησιμοποιούνται για την διαμοίραση του σήματος πρέπει να είναι ορθογώνιοι. Η ιδιότητα αυτή των κωδικών επιτρέπει στα σήματα από διαφορετικούς χρήστες να παραμένουν ανεξάρτητα μεταξύ τους. Έτσι, όταν ο δέκτης επιχειρεί να αποκωδικοποιήσει τα σήματα ενός χρήστη, εφαρμόζει τον μοναδικό του κωδικό- κλειδί, με αποτέλεσμα τα σήματα όλων των υπολοίπων χρηστών να εξαλείφονται. Όπως είναι φανερό, εξαιτίας της κοινής χρήσης των συχνοτήτων από όλους τους χρήστες, η τεχνική αυτή αναφέρεται και ως καθολική επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων. Οι κώδικες που χρησιμοποιούνται στο WCDMA είναι οι Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) και πρέπει να είναι συγχρονισμένοι για να λειτουργήσουν. Επειδή όμως δεν είναι δυνατό να κρατηθεί ακριβής συγχρονισμός ένα δεύτερο σετ από κώδικες χρησιμοποιείται για την αποφυγή παρεμβολών εν ονόματι PN. Η ΡΝ κωδική ακολουθία είναι μια ψευδοτυχαία (Pseudo- Random) ή μια ψευδοθορυβική (Pseudo-Noise) ακολουθία από 1 και 0 αλλά δεν είναι μια πραγματικά τυχαία ακολουθία επειδή είναι περιοδική. Είναι πολύ δύσκολο να Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 43

44 προβλεφθούν τυχαία σήματα. Η αυτοσυσχετιση μιας ΡΝ ακολουθίας έχει ιδιότητες παρόμοιες με αυτές του λευκού θορύβου. Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά των τεχνολογιών Wi-Fi, WiMAX, UMTS 4.3 LTE 3GPP Long Term Evolution (LTE), ονομάζεται η τεχνολογία αιχμής που χρησιμοποιείται για την ασύρματη επικοινωνία και δικτύωση των κινητών συσκευών για τη μεταγωγή πακέτων, με υψηλές ταχύτητες. Βασίζεται στα προϋπάρχοντα δίκτυα GSM/EDGE και UMTS/HSPA, ενώ αυξάνει τη χωρητικότητα και τη ταχύτητα του δικτύου χρησιμοποιώντας νέες τεχνικές διαμόρφωσης. Το LTE της πρώτης έκδοσης δεν κάλυπτε πλήρως τις απαιτήσεις που είχαν οριστεί για τα συστήματα 4ης γενιάς. Για το λόγο αυτό τυπικά ονομάζεται δίκτυο 3.9G. Το πρότυπο του LTE είναι σχεδιασμένο ώστε να παρέχει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων στη καθοδική ζεύξη αναφερόμενου στην βιβλιογραφία και στο εξής στο παρών έγγραφο ώς downlink, της τάξης των 300 Mbps και στην ανοδική ζεύξη αναφερόμενου στην βιβλιογραφία και στο εξής στο παρών έγγραφο ώς uplink μέχρι και 75 Mbps. Το εύρος ζώνης του φέροντος σήματος είναι μεταβλητό, κυμαινόμενο από τα 1.4 έως τα 20 ΜΗz και υποστηρίζονται τόσο η διπλεξία διαίρεσης συχνότητας (FDD) όσο και η διπλεξία διαίρεσης χρόνου (ΤDD). Έχει σχεδιαστεί και υλοποιηθεί κατα τέτοιο τρόπο ώστε να διαμοιράζει το κανάλι μέσω της δυναμικής ανάθεσης ραδιοπόρων στα πεδία χρόνου και συχνότητας. Η αρχιτεκτονική του δικτύου βασίζεται σε μια απλοποιημένη μορφή αρχιτεκτονικής IP, που σχεδιάστηκε για να αντικαταστήσει το GPRS Core Network και υποστηρίζει την απρόσκοπτη μετάδοση τόσο δεδομένων όσο και φωνής ακόμα και σε δίκτυα με παλαιότερη τεχνολογία δικτύου (GSM, UMTS, CDMA2000). Η απλούστερη αρχιτεκτονική αποσκοπεί σε χαμηλότερα λειτουργικά έξοδα, ενώ η επαναχρησιμοποίηση συχνότητας ανά κελί επιτρέπει την ταυτόχρονη χρησιμοποίηση ραδιοπόρων σε γειτονικά κελιά. Το πεδίο του χρόνου στο LTE χωρίζεται σε frames. Κάθε frame έχει διάρκεια 10 ms και χωρίζεται σε 10 subframes των 1 ms. Το μισό subframe (0.5 ms) ονομάζεται slot και στο FDD αποτελείται από σύμβολα. Κάθε slot μπορεί να περιέχει 7 σύμβολα (normal cyclic prefix) ή 6 σύμβολα (Extended Cyclic Prefix). Στο TDD κάθε subframe ανατίθεται για uplink, downlink ή απαραίτητη σηματοδοσία ελέγχου. Στο LTE το downlink Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 44

45 χρησιμοποιεί την τεχνική OFDMA και στο uplink την τεχνική FDMA μονού φέροντος. Ο λόγος που χρησιμοποιείται το FDMA και όχι το OFDMA στο uplink είναι επειδή το υψηλό PAPR που είναι και το μειονέκτημα του OFDMA, απαιτεί ακριβούς και μη αποδοτικούς ενισχυτές ισχύος, που στο uplink σημαίνει τερματικά υψηλού κόστους με μικρή διάρκεια μπαταρίας. Το SC-FDMA παρέχει υποδεέστερες επιδόσεις σε σχέση με αυτές του downlink αλλά πετυχαίνει χαμηλότερο PAPR, και παράλληλα διατηρείται ένας βαθμός ομοιότητας μεταξύ των τεχνολογιών του uplink και του downlink επειδή έχει πολλά κοινά με την OFDMA. Εικόνα 11: Σχηματική απεικόνιση του OFDMA Στο LTE οι ορθογώνιοι υποφέροντες παράγονται με επεξεργασία Inverse Fast Fourier Transform(IFFT). Ο αριθμός των υποφερόντων εξαρτάται από το διαθέσιμο εύρος ζώνης, και στο LTE κυμαίνεται από 100 μέχρι Αναλυτικά, στο 1.4MHz έχουμε 72 υποφέροντες, στα 3MHz 180, στα 5MHz 300, στα 10MHz 600, στα 15MHz 900, και στα 20MHz 1200 υποφέροντες. Το διάστιχο μεταξύ υποφερόντων είναι σταθερό και ίσο με 15Khz. Το βασικό μειονέκτημα του ΟFDMA είναι οι διακαναλικές παρεμβολές, οι οποίες είναι αναπόφευκτες στο πολυχρηστικό περιβάλλον. Συνεπώς απαιτείται η αναζήτηση τεχνικών για την κατάλληλη διαχείριση των ραδιοπόρων με σκοπό την ελαχιστοποίηση της επίδρασης μεταξύ των χρηστών. Στα πλαίσια του ΟFDMA, η διαχείριση ραδιοπόρων απαιτεί την σωστή ανάθεση υποφέροντων στους χρήστες, κατάλληλο bit loading στα υποφέροντα και έλεγχο της ισχύος ανά υποφέρον. Οι υποφέρουσες ομαδοποιούνται σε resource blocks(rb) με το καθένα να περιέχει 12 υποφέρουσες. Τα RB έχουν μέγεθος 180kHz στο πεδίο της συχνότητας και 0.5 ms στο πεδίο του χρόνου.[8] Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 45

46 Εικόνα 12: Απεικόνιση ενός resource block στο LTE frame Σε κάθε χρήστη ανατίθεται ένας αριθμός από RB. Όσο περισσότερα RB έχει ο χρήστης και όσο ανώτερος είναι ο τύπος διαμόρφωσης, τόσο πιο θετικά επηρεάζεται ο ρυθμός μετάδοσης. Την ανάθεση των RB στους χρήστες αναλαμβάνει ένα σύνολο μηχανισμών χρονοπρογραμματισμού. Ο χρονοπρογραμματιστής (scheduler) αποφασίζει σε ποιον χρήστη θα διανεμηθούν οι ραδιοπόροι κάθε ΤΤΙ (1ms) για να λάβει μεταδόσεις από το κανάλι DL-SCH. Το κανάλι αυτό αφορά την καθοδική ζεύξη και είναι ένα κανάλι επικοινωνίας που μεταφέρει δεδομένα από τον σταθμό βάσης προς τις κινητές συσκευές που μοιράζονται την χωρητικότητα του καναλιού. Ο σταθμός βάσης σε μια συσκευή συστήματος κινητής επικοινωνίας χρησιμοποιεί ένα σύστημα προγραμματισμού πακέτων για να εκχωρεί δυναμικά χρονικά διαστήματα για συγκεκριμένους χρήστες που έχουν πακέτα για μετάδοση ή λήψη. Το σύστημα προγραμματισμού πακέτων επιλέγει τη συχνότητα (κανάλι RF) και εκχωρεί χρονοθυρίδες. Η απόδοση του scheduler έχει μεγάλο αντίκτυπο στο επίπεδο υπηρεσίας του λαμβανόμενου πακέτου. Ένας LTE scheduler μοιράζει τους ραδιοπόρους στα τερματικά σε ομάδες από RBs. Στόχος του packet scheduler είναι να μεγιστοποιήσει την ικανοποίηση του χρήστη από την υπηρεσία του. Οι μετρικές που χρησιμοποιεί για να μετρήσει την ικανοποίηση είναι, μεταξύ άλλων, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων που βιώνει κάθε χρήστης, η δικαιοσύνη στον τρόπο διανομής των ραδιοπόρων μεταξύ των χρηστών και η κατά μέσο όρο καθυστέρηση που αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Η μετρική επιλέγεται έτσι ώστε ο χρονοπρογραμιστής να επιλύσει τις διαμάχες για τους ραδιοπόρους μεταξύ των χρηστών. Γενικά στόχος του scheduler είναι ο αποτελεσματικότερος διαμοιρασμός ραδιοπόρων και η καλύτερη απόδοση με γνώμονα πάντα την δικαιοσύνη, την βέλτιστη αξιοποίηση του ραδιοφάσματος και την καλύτερη δυνατή ρυθμαπόδοση. Η χρήση του OFDMA παρέχει διάφορα πλεονεκτήματα, όπως την μεγάλη ευρωστία απέναντι σε φαινόμενα channel selectivity χωρίς μεγάλη πολυπλοκότητα, και μεγαλύτερη ευελιξία στους scheduler χάρη στη πρόσβαση στο πεδίο συχνότητας. Επίσης επιτρέπει τη χρήση τεχνικών επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων για την αποφυγή παρεμβολών και διευκολύνει τη λειτουργία σε διαφορετικά εύρη φάσματος, απλοποιώντας την ανάπτυξη και υλοποίηση των τερματικών [13] ΜΙΜΟ Σημαντική προσθήκη στα συστήματα LTE είναι αυτή των έξυπνων κεραιών. Συγκεκριμένα η τεχνολογία MIMO (Μultiple input Multiple Outpout) επιτρέπει την χρήση Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 46

47 πολλαπλών κεραιών τόσο στον πομπό όσο και στο δέκτη (Εικόνα 13) με σκοπό την δημιουργία ανεξάρτητων καναλιών χωρίς τη χρήση επιπλέον εύρους ζώνης. Εικόνα 13: Κεραία ΜΙΜΟ 4x2 H βασική ιδέα είναι η πολλαπλή διάδοση του σήματος στο χώρο, δίχως παρεμβολές. Έτσι, επιτυγχάνονται ταυτόχρονες ροές δεδομένων οι οποίες είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους, επιτρέποντας την εκμετάλλευση του χωρικού πεδίου σαν μία άλλη νέα διάσταση, ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται η αξιοπιστία του συστήματος. Κάτι τέτοιο διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη υψηλότερων φασματικών αποδόσεων και πολλαπλασιάζει την αρχική ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων. Με τη χρήση πολλαπλών κεραιών η θεωρητικά επιτεύξιμη φασματική απόδοση κλιμακώνεται γραμμικά με το πλήθος των κεραιών. Οι MIMO εισάγουν μεγάλη ποικιλία χαρακτηριστικών και μπορούν να χρησιμοποιηθούν με διάφορους τρόπους, βάσει τριών θεμελιωδών αρχών [17]: Κέρδος ποικιλομορφίας: Χρήση της χωρικής ποικιλομορφίας για να βελτιωθεί η ανθεκτικότητα της εκπομπής ως προς την εξασθένιση λόγω πολυδιόδευσης. Αύξηση της περιοχής κάλυψης. Κέρδος διάταξης: Η συγκέντρωση της ενέργειας σε μία ή περισσότερες κατευθύνσεις. Αυτό επιτρέπει και την ταυτόχρονη εξυπηρέτηση πολλών χρηστών (multi-user MIMO). Αυξηση αξιοπιστίας. Μείωση της απαιτούμενης ισχύος. Κέρδος χωρικής πολυπλεξίας: Η μετάδοση πολλαπλών ροών σήματος σε ένα χρήστη σε πολλαπλά χωρικά επίπεδα μέσω συνδυασμού των διαθέσιμων κεραιών Πρωτόκολλα ραδιο-επαφής Η αρχιτεκτονική πρωτοκόλλου στα δίκτυα LTE χωρίζεται σε δύο μέρη: στην αρχιτεκτονική Control Plane (Εικόνα 14), που ελέγχει τους ραδιοφορείς και τη σύνδεση μεταξύ UE και δικτύου, και στην αρχιτεκτονική User Plane (Εικόνα 15) που είναι Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 47

48 υπεύθυνη για τη μεταφορά της κίνησης του χρήστη. Παρακάτω παρουσιάζονται τα κύρια πρωτόκολλα που απαρτίζουν το LTE καθώς και ενέργειες που καλούνται να υλοποιήσουν. Εικόνα 14: Η Control Plane Στοίβα Πρωτοκόλλων Τα πρωτόκολλα non-acess stratum (NAS) βρίσκονται στο υψηλότερο σημείο του επιπέδου ελέγχου. Με τη λειτουργία τους, στηρίζουν τη σύνδεση στο δίκτυο, την πιστοποίηση, τη κινητικότητα στον εξοπλισμό του χρήστη και τη διαχείριση της επικοινωνίας. Επίσης χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο ταυτότητας, τη δημιουργία φορέων και τη διατήρηση συνδεσιμότητας μεταξύ των UE και PDN-GW, ενώ τέλος, ελέγχουν και κρυπτογραφούν τα μηνύματα από το MME και τα UE [9]. Στο πρωτόκολλο Radio Resource Control (RRC - Πρωτόκολλο διαχείρισης ασύρματων ραδιοπόρων) εκτελείται η εγκατάσταση, η συντήρηση και η απελευθέρωση της σύνδεσης RRC μεταξύ του UE και του E-UTRAN, η σελιδοποίηση, ενώ υλοποιούνται και λειτουργίες ασφαλείας, όπως η διαχείριση κλειδιών, λειτουργίες κινητικότητας και λειτουργίες διαχείρισης που σχετίζονται με το QoS. Επίσης στο επίπεδο αυτό πραγματοποιείται η εγκατάσταση των ραδιοφορέων, η διαδικασία του Handover, η μεταφορά άμεσων μηνυμάτων από το non-access stratum (ΝΑS) πρός το UE και αντίστροφα και η εκπομπή πληροφοριών του συστήματος που σχετίζονται με το (NAS), καθώς και με το access stratum (AS). Εικόνα 15: Η User Plane Στοίβα Πρωτοκόλλων Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 48

49 Το Packet Data Convergence Protocol (PDCP - Πρωτόκολλο μετατροπής πακέτων δεδομένων) χρησιμοποιείται τόσο από το επίπεδο ελέγχου, όσο και από το επίπεδο χρήστη. Λειτουργεί ως πύλη καθώς λαμβάνει δεδομένα SDU (Service Data Units) από το υπόστρωμα NAS και RRC και τα προωθεί στο επίπεδο RLC και αντίστροφα. Επίσης εκτελεί τη διαδικασία κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης δεδομένων, καθώς και τον έλεγχο ακεραιότητας μαζί με την επαλήθευση των δεδομένων. Η συμπίεση της κεφαλίδας, που επίσης υλοποιείται στο PDCP, μαζί με την αντίστοιχη αποσυμπίεση των IP πακέτων, επιτρέπουν τη δημιουργία μικρών πακέτων δεδομένων και κατ επέκταση μία βελτιωμένη διαχείριση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. To Radio Link Controller (RLC - Πρωτόκολλο ελέγχου ασύρματων συνδέσεων) μπορεί να λειτουργήσει σε τρεις τύπους καταστάσεων μετάδοσης δεδομένων. Αυτοί είναι οι Transparent Mode (ΤΜ - Διαφανής Κατάσταση), Unacknowledged Mode (UM - Κατάσταση μη Αναγνωρισης ) και Acknowledged Mode (AM - Κατάσταση Αναγνωρισης). Οι βασικές υπηρεσίες που υποστηρίζει το RLC είναι : Η μεταφορά των PDU που λαμβάνει από τα ανώτερα στρώματα. Η συνένωση, η κατάτμηση και η επανασυναρμολόγηση των RLC SDU τόσο στη λειτουργία UM όσο και στην AM. Η διόρθωση λαθών μέσω ARQ (Automatic Repeat Request - Αυτόματη Αίτηση Επανάληψης) στη λειτουργία ΑΜ. Η επανακατανομή των μονάδων RLC PDU στη λειτουργία ΑΜ. Η αναδιάταξη των μονάδων RLC PDU τόσο στη λειτουργία UM όσο και στην AM. Η ανίχνευση διπλότυπων τόσο στη λειτουργία UM όσο και στην AM. Η απόρριψη μονάδων RLC SDU τόσο στη λειτουργία UM όσο και στην AM. Η ανίχνευση λαθών στα πρωτόκολλα. Η συγκέντρωση των SDU στον ίδιο φορέα. Το επίπεδο MAC είναι υπεύθυνο για τη χαρτογράφηση μεταξύ των λογικών καναλιών και των καναλιών μεταφοράς καθώς και για τη διόρθωση σφαλμάτων μέσω ΗΑRQ (Hybrid ARQ) με επανεκπομπή μπλοκ μεταφοράς. Επίσης διαχειρίζεται, με τη βοήθεια δυναμικού προγραμματισμού την απόδοση προτεραιοτήτων στα λογικά κανάλια ενός UE, αλλά και μεταξύ διαφορετικών UE, ώστε να εξυπηρετηθούν από το δίκτυο, ιεραρχεί τα λογικά κανάλια και πολυπλέκει - αποπολυπλέκει δεδομένα που ανήκουν σε ένα ή περισσότερα λογικά κανάλια, σε μπλοκ μεταφοράς (TB). Οι μετρήσεις της κίνησης που γίνονται στο επίπεδο αυτό, παρέχουν σημαντικές πληροφορίες προς το RRC, οι οποίες σχετίζονται με τον όγκο δεδομένων και τον φόρτο του δικτύου. Στο φυσικό επίπεδο (PHY) υλοποιείται η μεταφορά δεδομένων προς τα υψηλότερα στρώματα μέσω των καναλιών μεταφοράς καθώς και μετρήσεις των ασύρματων χαρακτηριστικών του δικτύου. Ελέγχονται επίσης τα κανάλια μεταφοράς για τυχόν σφάλματα, και εκτελείται διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση των φυσικών καναλιών. Επιπλέον, το επίπεδο αυτό εξασφαλίζει την προσαρμογή ζεύξης για τη διαμόρφωση και την κωδικοποίηση (AMC), τον έλεγχο της ισχύος και την αναζήτηση κυψελών. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 49

50 4.3.3 QoS Στο LTE, η ποιότητα του δικτύου αναφέρεται στην ποιότητα μετάδοσης από άκρο σε άκρο της παρεχόμενης υπηρεσίας όσον αφορά την ταχύτητα μετάδοσης, τη δυνατότητα ορισμού προτεραιότητας, καθώς και την ύπαρξη εγγυημένου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, με σκοπό την πλήρη υποστήριξη απαιτητικών εφαρμογών. Το QoS υλοποιείται μεταξύ των CPE και PDN gateways και εφαρμόζεται σε ένα σετ από ραδιοφορείς (bearers). Οι ραδιοφορείς αυτοί αναφέρονται σε ρυθμίσεις δικτύου που επιτρέπουν να γίνονται ειδικές παραχωρήσεις σε συγκεκριμένες μεταδόσεις πακέτων π.χ τα πακέτα VoIP να έχουν προτεραιότητα σε σύγκριση με τα πακέτα μεταδόσεων από προγράμματα περιήγησης (web browsers). Υπάρχουν 2 ειδών ραδιοφορείς στο LTE, οι βασικοί (default bearers) και οι αποκλειστικοί (dedicated bearers). Όταν ένας χρήστης συνδέεται στο δίκτυο, δημιουργείται ένας βασικός ραδιοφορέας, ένα λογικό κανάλι δηλαδή, για τη βασική σύνδεση και για την ανταλλαγή των μηνυμάτων ελέγχου. Οι αποκλειστικοί ραδιοφορείς είναι πάντα εγκατεστημένοι και αντιστοιχούνται με συγκεκριμένες υπηρεσίες και εφαρμογές όπως για παράδειγμα VoIP, video, κ.α. Όταν δημιουργείται μια σύνδεση LTE στο δίκτυο για πρώτη φορά, της ανατίθεται ένας ραδιοφορέας, ανάλογα με τις συνδρομητικές του ρυθμίσεις, ο οποίος παραμένει ενεργός καθ όλη τη διάρκεια της σύνδεσης. Για πολλούς παρόχους, οι ραδιοφορείς είναι υπηρεσίες που λειτουργούν όσο το δυνατόν καλύτερα (best effort), κάτι που σημαίνει ότι παρουσιάζονται διακυμάνσεις στην ποιότητα και την ταχύτητα μετάδοσης ανάλογα με τη χρήση του δικτύου, τους διαθέσιμους ραδιοπόρους, την συμφόρηση, τα σφάλματα και τις απώλειες. Κάθε ραδιοφορέας έχει μια διεύθυνση ΙP, και κάθε χρήστης στο δίκτυο LTE μπορεί να έχει επιπρόσθετους ραδιοφορείς με διαφορετικές διευθύνσεις IP. Αντιθέτως οι αποκλειστικοί ραδιοφορείς παρέχουν αποκλειστικά κανάλια για συγκεκριμένου είδους ενέργειες όπως VoIP, video, λήψη ενός αρχείου κ.α, και έχουν εγγυημένο ρυθμό μετάδοσης. Έχουν ως βάση τους βασικούς ραδιοφορείς, και μοιράζονται την ίδια διεύθυνση IP, έτσι ώστε να μη χρειάζεται να δεσμεύσουν επιπρόσθετες διευθύνσεις. Οι αποκλειστικοί ραδιοφορείς χρησιμοποιούνται κυρίως από υπηρεσίες που απαιτούν εγγυημένη ρυθμαπόδοση, αν και μπορούν να υπάρχουν και λειτουργίες μη εγγυημένου ρυθμού [16]. Πίνακας 4: Χαρακτηριστικά IP πακέτων για το LTE σε αντιστοιχία με το QCI Όταν τυποποιήθηκε το LTE, ορίστηκαν διάφορες κλάσεις υπηρεσιών QoS, (QCIs) και συγκεκριμένα εννέα ταξινομήσεις ως σημείο αναφοράς για τη δρομολόγηση συγκεκριμένων συμπεριφορών προώθησης πακέτων. Όπως απεικονίζεται περιεκτικά Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 50

51 στον Πίνακα 4, κάθε κλάση QoS χαρακτηρίζεται από τον τύπο των ραδιοπόρων της, ανάλογα με το αν πρόκειται δηλαδή για εγγυημένο ρυθμό ή μη (GBR ή non-gbr), ένα επίπεδο προτεραιότητας, τη μέγιστη επιτρεπτή καθυστέρηση παράδοσης καθώς και το μέγιστο αποδεκτό ρυθμό απώλειας πακέτων. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 51

52 5. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΕ ΜΗ ΑΔΕΙΟΔΟΤΗΜΕΝΟ ΦΑΣΜΑ 5.1 Wi-Fi Η τεχνολογία IEEE ονομαζόμενη κοινώς ώς Wi-Fi (Wireless Fidelity), είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει την σύνδεση ηλεκτρονικών συσκευών σε ασύρματα δίκτυα, χρησιμοποιώντας κυρίως ISM ραδιοσυχνότητες 2.4Ghz (12 cm) UHF και 5 Ghz(6 cm) SHF. Ο τρόπος λειτουργίας του είναι με χρήση του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος από το οποίο μια συχνότητα αντιστοιχείται με τη διάδοση ενός ραδιοκύματος. Ακολούθως παρέχεται ένα RF ρεύμα σε μια κεραία και έτσι δημιουργείται ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο το οποίο μπορεί να ταξιδέψει στο χώρο. Λόγω της κεντροποιημένης τοπολογίας του δικτύου απαιτείται ένα κεντρικό σημείο πρόσβασης όπου οι πελάτες (clients) πρέπει να συνδεθούν μαζί του. Το σημείο αυτό ονομάζεται σημείο πρόσβασης (access point - AP). Η κύρια χρησιμότητά του είναι να εκπέμπει ένα ασύρματο σήμα το οποίο οι διάφορες συσκευές μπορούν να ανιχνεύσουν και να συγχρονιστούν μαζί του για να συνδεθούν στο δίκτυο που ανήκει και το AP. Για να μπορεί μια συσκευή ή ένας υπολογιστής να συνδεθεί σε ένα ασύρματο δίκτυο, χρειάζεται ένα ασύρματο μεταγωγέα δικτύου (network adapter). Το Wi-Fi αποτελεί ένα διαδεδομένο πρωτόκολλο χαμηλού κόστους, υστερεί όμως όσον αφορά τον ανταγωνιστικό τρόπο με τον οποίο μοιράζει τους ραδιοπόρους στις συνδεδεμένες συσκευές. Με άλλα λόγια η κατανομή αυτή μπορεί να οδηγήσει σε έλλειψη δικαιοσύνης μεταξύ των χρηστών και εξυπηρέτηση χαμηλής ποιότητας. Επιπλέον η ασφάλεια των δικτύων Wi-Fi είναι περιορισμένη σε σχέση με άλλα δίκτυα. Παρά τις προσπάθειες που γίνονται και τις βελτιωμένες εκδόσεις τεχνολογιών κρυπτογράφησης (WEP, WPA, WPA2) υπάρχει ακόμα ελλιπής προστασία από κινδύνους Ιστορική αναδρομή Τα πρότυπα που ανήκουν στην οικογένεια ΙΕΕΕ , είναι η βάση για την ανάπτυξη ασύρματων συσκευών δικτύου που χρησιμοποιούν την μπάντα Wi-Fi. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα κύρια πρότυπα του δικτύου : Πίνακας 5: Πρότυπα Wi-Fi Πρόκειται για το πρώτο πρότυπο της οικογένειας που υποστηρίζει ασύρματη δικτύωση. Ανακοινώθηκε το 1997 και προέβλεπε ρυθμούς μετάδοσης στα 1 και 2 Mbps. με χρήση διαμόρφωσης FHSS (Frequency-hopping spread spectrum) ή DSSS (direct-sequence spread spectrum) σε ζώνες συχνοτήτων 915MHz, 2.4GHz, 5.2GHz ή υπέρυθρη μετάδοση στα 850nm ως 900nm. Λόγω των χαμηλών ρυθμών μετάδοσης σύντομα αντικαταστάθηκε από μεταγενέστερα πρότυπα b Αναπτύχθηκε το Υποστηρίζει μετάδοση επιπλέον σε ρυθμούς 5.5 και 11Mbps με κωδικοποίηση CCK (Complementary Code Keying). Χρησιμοποιεί τη ζώνη συχνοτήτων 2,4GHz και την τεχνική HR-DSSS. Είναι συμβατό προς τα πίσω και αποτελεί το πιο διαδεδομένο πρότυπο a Αναπτύχθηκε το 1999 προκειμένου να παρέχει βελτιωμένους ρυθμούς μετάδοσης έως 54 Mbps με χρήση διαμόρφωσης ΟFDM. Ωστόσο ο πραγματικός ρυθμός μετάδοσης περιορίστηκε στα 20 Mbps και λόγω της μεγάλης κατανάλωσης ενέργειας στη συχνότητα των 5GHz, της Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 52

53 ασυμβατότητας με άλλα πρότυπα και του αυξημένου κόστους, το συγκεκριμένο πρότυπο δεν υιοθετήθηκε ευρέως g Αναπτύχθηκε το 2003 με σκοπό την παροχή ρυθμών μετάδοσης έως και 54Mbps στη συχνότητα των 2,4GHz με τεχνική ΟFDM, όπως και το b. Είναι συμβατό προς τα πίσω με το b c Αναπτύχθηκε το 2001 και παρέχει τεκμηρίωση για συγκεκριμένες διαδικασίες γεφύρωσης επιπέδου MAC του d Παρέχει επεκτάσεις στο πρότυπο και καθιστά δυνατή τη λειτουργία σε επιπλέον ρυθµιστικά πλαίσια (άλλες ζώνες συχνοτήτων) σε χώρες που δεν επιτρέπεται να λειτουργούν τα υπόλοιπα πρότυπα e Εμπλουτίζει το MAC επίπεδο ώστε να προσφέρει αυξημένη ποιότητα υπηρεσίας (QoS) f Βελτιώνει τη συμβατότητα μεταξύ των συσκευών σημείων πρόσβασης και των σημείων διανομής h Ενισχύει τα επίπεδα MAC του και PHY του a προκειμένου να παρέχει επεκτάσεις για τον έλεγχο και τη διαχείριση του φάσματος, των δικτύων και της ισχύος μετάδοσης στη ζώνη των 5GHz i Αναπτύχθηκε το 2004 με σκοπό να προσφέρει επιπροσθετη ασφάλεια και μηχανισμούς πιστοποίησης ταυτότητας MAC Layer Ο ρόλος του πρωτοκόλλου MAC είναι να διαχειρίζεται και να διατηρεί τις επικοινωνίες μεταξύ των σταθμών και των καρτών ασύρματου δικτύου (radio network cards) συντονίζοντας την πρόσβαση σε ένα διαμοιραζόμενο ραδιοκανάλι μέσω χρήσης πρωτοκόλλων που ενισχύουν τις επικοινωνίες σε ασύρματα μέσα. Το υποεπίπεδο MAC είναι κοινό σε όλα σε όλα τα πρωτόκολλα , με τις διαφοροποιήσεις μεταξύ πρωτοκόλλων να βρίσκονται στο physical (PHY) layer. Το MAC έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να δίνει λύσεις στις ανάγκες για: Αξιόπιστο μηχανισμό αποστολής δεδομένων σε ασύρματα μέσα που περιέχουν θόρυβο και παρεμβολές Δίκαιη κατανομή του εύρους ζώνης σε όλους τους κόμβους Συμμετοχή όλων των κόμβων στο διαμοιρασμό δεδομένων Το MAC απαιτεί τουλάχιστον δύο πλαίσια, ένα από τον αποστολέα στον παραλήπτη, και ένα ACK πλαίσιο από τον παραλήπτη στον αποστολέα. Το δεύτερο πλαίσιο αποτελεί επιβεβαίωση ότι έγινε λήψη δεδομένων. Εάν ο αποστολέας δεν λάβει ACK μήνυμα επιβεβαίωσης, επαναμεταδίδει ξανά το αρχικό μήνυμα. Πριν μπορέσει ένας σταθμός να μεταδώσει πακέτα, πρέπει πρώτα να αποκτήσει πρόσβαση στο ραδιοκανάλι που μοιράζονται όλοι οι σταθμοί. Αρχικά το MAC Layer ελέγχει την τιμή του Δείκτη Κατανομής Δικτύου (Network Allocation Vector - NAV) ο οποίος είναι ένας μετρητής που βρίσκεται σε κάθε σταθμό του δικτύου και καθορίζει τον Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 53

54 χρόνο που χρειάζεται για την αποστολή ενός πλαισίου. Ο NAV αρχικοποιείται με τιμή μηδέν στην αρχή της διαδικασίας αποστολής κάποιου πλαισίου. Πριν ο σταθμός αρχίσει την μετάδοση ενός πακέτου, υπολογίζει τον απαιτούμενο χρόνο βάσει του μεγέθους του πακέτου και του ρυθμού μετάδοσης, και προσθέτει αυτή την τιμή στην κεφαλίδα του πακέτου. Όταν οι άλλοι σταθμοί παραλάβουν αυτό το πακέτο, χρησιμοποιούν αυτή τη τιμή για να θέσουν τα αντίστοιχα δικά τους NAV. Το βασικό πρωτόκολλο MAC του είναι η Κατανεμημένη Συντονιστική Λειτουργία (Distributed Coordination Function - DCF), το οποίο βασίζεται στη μέθοδο του ραδιοφορέα για πολλαπλή πρόσβαση με αποφυγή συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple access With Collision Avoidance - CSMA/CA). Ο τρόπος που λειτουργεί είναι ο εξής: Έστω ένας σταθμός που έχει ένα πακέτο για μετάδοση. Αρχικά θα ελέγξει την κατάσταση του παραλήπτη και εάν ο παραλήπτης είναι απασχολημένος, θα περιμένει για ένα χρονικό διάστημα μέχρι να δοκιμάσει ξανά. Το χρονικό διάστημα είναι ένας τυχαίος αριθμός στο διάστημα [0, CW] όπου CW είναι το παράθυρο συμφόρησης (Congestion Window). Περιορίζεται σε τιμές CWmin και CWmax. Κάτι τέτοιο εξασφαλίζει ότι δεν θα στείλουν την ίδια στιγμή πολλοί σταθμοί που περιμένουν για πρόσβαση στον κόμβο. Όταν το μέσο παραμείνει ανενεργό-αδρανές για ένα διάστημα DIFS (DCF Interframe Space), ο σταθμός μπορεί να ελέγξει ξανά αν ο παραλήπτης είναι διαθέσιμος για μετάδοση. Το DIFS υπολογίζεται βάσει της παρακάτω εξίσωσης: DIFS = SIFS + (2 * Slot time) Πίνακας 6: Χρόνοι του DIFS στα πρότυπα Μετά από κάθε τέτοια περίοδο, ο χρονομετρητής που βρίσκεται στο σταθμό σε κάθε σχισμή (slot) μειώνεται κατά 1. Όταν πάρει την τιμή 0, ο σταθμός ξεκινάει την μετάδοση. Στην περίπτωση όμως που το κανάλι έχει ήδη καταληφθεί από άλλο σταθμό, ο μετρητής διατηρεί την μειωμένη του τιμή για επακόλουθες μεταδόσεις. Μετά από κάθε επιτυχημένη μετάδοση, η τιμή του CW παίρνει την τιμή του CW min. Αντίθετα, εάν η μετάδοση αποτύχει, η τιμή του διπλασιάζεται μέχρι να φτάσει το CW max. Ο μετρητής για προσπάθεια επαναποστολής του πλαισίου αυξάνεται κατά 1. Εφόσον ο μετρητής δεν έχει φτάσει τα όρια του στον αριθμό των προσπαθειών επαναποστολής, ο σταθμός επιχειρεί να μεταδόσει εκ νέου το πακέτο. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 54

55 Εικόνα 16: Περιγραφή της διαδικασίας DCF H συνάρτηση συντονισμού σημείων (Point Coordination Function - PCF) επιτρέπει στους σταθμούς πρόσβαση στο ραδιοκανάλι βάσει προτεραιότητας χρησιμοποιώντας μια μικρότερη χρονική τιμή, την PIFS (PCF InterFrame Space), η οποία έχει τιμή κατά μία σχισμή λιγότερη από την DIFS. Ο AP εκτελεί σταθμοσκόπηση προς όλους τους σταθμούς κατά τη διάρκεια μιας περιόδου χωρίς ανταγωνισμό, και δίνει δικαίωμα πρόσβασης στο κανάλι σε ένα μοναδικό σταθμό. Όλοι οι σταθμοί πλην του AP πρέπει να περιμένουν για μια διάρκεια DIFS πριν αρχίσουν την μετάδοση. Έτσι ο AP έχει πρώτος πρόσβαση στο κανάλι αφού το PIFS είναι μικρότερο του DIFS. Στην αρχή κάθε τέτοιας περιόδου χωρίς ανταγωνισμό ο σταθμός βάσης στέλνει σε όλους τους κόμβους ένα πλαίσιο συγχρονισμού (Beacon) και στη συνέχεια διαμοιράζει το χρόνο σε θυρίδες και αναθέτει σε κάθε σταθμό μια χρονοθυρίδα κατά την οποία μόνο αυτός μπορεί να εκπέμψει ή να λάβει δεδομένα. Η εναλλαγή μεταξύ PCF και DCF γίνεται ανάλογα με τις δυνατότητες των σταθμών. Με τον τρόπο αυτό επιτρέπεται η υποστήριξη σύγχρονων και ασύγχρονων τρόπων λειτουργίας [18] PHY Layer Στο φυσικό επίπεδο, αρχίζουμε να βλέπουμε μερικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των προτύπων. Έχουμε τις εξής τεχνικές διαμορφώσεις: την FHSS, την DSSS και στην ζώνη συχνοτήτων, την πολυπλεξία OFDM η οποία είναι αποκλειστική στο πρότυπο ac. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Στην τεχνική διαμόρφωσης FHSS, η ζώνη του 2.4GHz διαιρείται σε 75 υποκανάλια με εύρος 1 MHz, με το πρώτο υποκανάλι να έχει την κεντρική του συχνότητα στα 2.4GHz. Η τεχνική αυτή βασίζεται στην ιδέα της αλλαγής της φέρουσας ενός σήματος μέσα σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων και σύμφωνα με μια συγκεκριμένη ψευδοτυχαία ακολουθία (hopping pattern). Είναι παρόμοιο με το FDMA με τι διαφορά ότι εδώ ο κάθε χρήστης χρησιμοποιεί διάφορες φέρουσες ανάλογα με την ψευδοτυχαία ακολουθία του. Για να υπάρξει επικοινωνία μεταξύ πομπού και δέκτη πρέπει ο δέκτης να γνωρίζει αυτή την ακολουθία του πομπού και να υπάρχει καλός συγχρονισμός μεταξύ τους. Το βασικό πλεονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι πως μπορούν να συνυπάρχουν πολλά ασύρματα δίκτυα αρκεί να έχουν διαφορετικές ψευδοτυχαίες ακολουθίες. Είναι δηλαδή εφικτό, το κάθε σύστημα, ανά πάσα χρονική στιγμή, να μεταδίδει σε διαφορετική φέρουσα και να μεγιστοποιείται έτσι η συνολική διέλευση. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 55

56 συνύπαρξη με χρήστες που εκπέμπουν σήματα στενής ζώνης, καθώς εάν η εκπομπή γίνεται με αρκετά μεγάλη ισχύ, η παρεμβολή από την μεταπήδηση συχνότητας (frequency hopping) είναι αμελητέα. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Στην τεχνική αυτή ορίζονται 14 υποκανάλια με εύρος 5MHz το καθένα. Το πρώτο κανάλι, όπως και στη περίπτωση του FHSS, έχει συχνότητα στα 2.4GHz. Πρακτικά κάθε κανάλι καταλαμβάνει περίπου 22MHz εύρους γύρω από την κεντρική του συχνότητα. Χρησιμοποιούνται RF φίλτρα για να καταπιέζονται οι πλευρικοί λοβοί έξω από τα 22MHz κατά 30 και 50 db κάτω από την ισχύ της κεντρικής συχνότητας. Ακόμη και έτσι, τα κανάλια των γειτονικών κυψελών πρέπει να απέχουν μεταξύ τους 25 MHz για την αποφυγή παρεμβολών. Με τον τρόπο αυτό, περιορίζεται ο μέγιστος αριθμός καναλιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Το μεγάλο του πλεονέκτημα όμως σε σχέση με το FHSS είναι ότι μπορεί εύκολα να αναβαθμιστεί για την επίτευξη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης. Η μετάδοση στο DSSS γίνεται ώς εξής: Το προς αποστολή σήμα πολλαπλασιάζεται με μια ακολουθία από bits πολύ μεγαλύτερης συχνότητας και αυτό οδηγεί στο να απλωθεί το φάσμα του τελικού προς αποστολή σήματος. Ο δέκτης πρέπει να γνωρίζει την ψευδοτυχαία ακολουθία προκειμένου να αποκωδικοποιήσει σωστά το σήμα. Ο αριθμός των bits που κωδικοποιούν κάθε bit πληροφορίας, ονομάζεται αναλογία διάδοσης (spreading ratio). Το χαρακτηριστικό αυτής της τεχνικής είναι ότι διευρύνει το φάσμα του σήματος προς μετάδοση, μειώνοντας ταυτόχρονα το πλάτος του, απλώνοντας έτσι την ισχύ του σήματος σε πολύ μεγαλύτερο φασματικό εύρος. Ο δέκτης εκτελεί την αντίστροφη διαδικασία, εξάγει δηλαδή τα αρχικά bits πληροφορίας χρησιμοποιώντας τον κώδικα διάδοσης (spreading code) του πομπού, δημιουργώντας ξανά ένα σήμα στενής ζώνης. Το spreading code στο DSSS είναι μια λέξη barker των 11 bits, η Κάθε bit προστίθεται κατα modulo- 2 για να προκύψει η ακολουθία προς μετάδοση. Για bit 1 η ακολουθία που προκύπτει είναι η λέξη barker με τα bits αντεστραμμένα ενώ για bit 0 είναι η ίδια η λέξη barker. Η χρήση της ακολουθίας barker σαν spreading code αποφασίστηκε επειδή προσφέρει αρκετά μεγάλη ανοχή στη διασπορά της χρονικής καθυστέρησης λόγω διάδοσης μέσω πολλαπλών διαδρομών και σε παρεμβολές στενής ζώνης QoS Στο πεδίο των τηλεπικοινωνιών και των δικτύων ο όρος Quality of Service (QoS) σχετίζεται με τους μηχανισμούς διασφάλισης της ανάθεσης δικτυακών ραδιοπόρων σε συνδέσεις οι οποίες το απαιτούν. Η διαδικασία αυτή υλοποιείται με απόδοση προτεραιοτήτων στις διαφορετικές συνδέσεις ενός δικτύου, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται πως όλες οι λειτουργίες που χρειάζονται σταθερούς ραδιοπόρους, θα μπορούν να τους αποκτήσουν, ώστε να προκύψει το επιθυμητό αποτέλεσμα και η ικανοποίηση του χρήστη. Παράμετροι και χαρακτηριστικά των συνδέσεων που καθορίζουν τη διαδικασία αυτή είναι το απαιτούμενο εύρος ζώνης, η καθυστέρηση από άκρο σε άκρο, η διακύμανση καθυστέρησης και ο ρυθμός λαθών, ενώ χρειάζεται να υπάρχει μέριμνα και για την κίνηση που γίνεται στο διαδίκτυο και αφορά λειτουργίες χωρίς προτεραιότητα. Η δυνατότητα, ενός δικτύου, να υποστηρίξει αποδοτικά εφαρμογές και λειτουργίες όπως video stream, teleconference, real time video, καθορίζει το επίπεδο υπηρεσίας του. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 56

57 Τα πρώτα δίκτυα WLΑΝ υστερούσαν σε μεγάλο βαθμό στην εφαρμογή ποιότητας υπηρεσιών (QoS) λόγω του περιορισμένου εύρους συχνοτήτων,της μεταδιδόμενης ισχύος και της ελευθερίας κινήσεων που επικρατούσε. Χαρακτηριστικό αυτής της κατάστασης, αποτελεί το γεγονός ότι σε ένα τέτοιο σύστημα δεν υπήρχε περιορισμός σχετικά με τον αριθμό των χρηστών. Οι συσκευές συνδέονταν στο δίκτυο, ενώ οι ραδιοπόροι διαμοιράζονταν, ανάλογα με τον αριθμό των συνδέσεων. Γίνεται εύκολα αντιληπτό πως μία τέτοια συνθήκη είχε ως αποτέλεσμα τη συμφόρηση στο δίκτυο και κατ επέκταση τη σύνδεση με πολύ χαμηλές ταχύτητες, καθώς η κίνηση συσσωρευόταν στο σημείο πρόσβασης. Μία άλλη παράμετρος, που κατέστησε απαραίτητες τις ενέργειες βελτίωσης στις υποδομές και στα πρωτόκολλα, ήταν και η εξελικτική πορεία των ασύρματων δικτύων καθώς και η αλματώδης ανάπτυξη πολύπλοκων εφαρμογών και μηχανισμών. Στην κατεύθυνση αυτή, ο οργανισμός IEEE προχώρησε σε μια σειρά από αλλαγές και προσθήκες στο αρχικό πρότυπο WLAN για τα ασύρματα δίκτυα τοπικής εμβέλειας. Συγκεκριμένα, το 2005 δημοσιεύτηκε το πρότυπο e, με το οποίο τροποποιήθηκαν παράμετροι του επιπέδου MAC και έγινε εισαγωγή νέων μεθόδων και μηχανισμών με απώτερο σκοπό την παροχή ποιότητας υπηρεσιών. Το συγκεκριμένο πρωτόκολλο είναι συμβατό με όλα τα υπάρχοντα δίκτυα τύπου Σύμφωνα με τη λειτουργία του, η προτεραιότητα που δίνεται στα πακέτα δεδομένων, εξαρτάται από τον χρόνο παράδοσης τους, ενώ ταυτόχρονα περιορίζεται και το χρονικό διάστημα για το οποίο δεσμεύεται ένα κανάλι επικοινωνίας. Οι μηχανισμοί αυτοί υλοποιούνται με την χρήση της υβριδικής λειτουργίας συντονισμού (Hybrid Coordination Function - HCF). Οι μέθοδοι πρόσβασης στη συγκεκριμένη λειτουργία είναι η EDCA (Enhanced Distributed Coordination Access) που σχετίζεται με την κατανεμημένη τεχνική που βασίζεται στον ανταγωνισμό, και η HCCA (HCF Controlled Channel Access) που αφορά μια κεντροποιημένη τεχνική που λειτουργεί δίχως ανταγωνισμό. Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσμα την αισθητή βελτίωση απόδοσης δικτύου σε διαδραστικές υπηρεσίες και σε εφαρμογές πολυμέσων, την μείωση των χρόνων αναμονής, ενώ αναβαθμίζεται και η επεξεργασία δεδομένων σε πραγματικό χρόνο όπου αυτή απαιτείται. 5.2 Zigbee Η τεχνολογία Zigbee βασίζεται στο πρότυπο και όπως και οι προηγούμενες τεχνολογίες, λειτουργεί στο φάσμα ISM 2.4 GHz. Η εμβέλεια μετάδοσης αγγίζει τα 100 μέτρα και η μέγιστη ταχύτητα είναι τα 250 Kbps. Επίσης υπάρχει και η δυνατότητα λειτουργίας και στις συχνότητες των 868 MHz καθώς και των 914 MHz. Ο στόχος του Zigbee είναι να παρέχει επικοινωνιακές δυνατότητες σε συσκευές ελέγχου και αισθητήρες που δε χρειάζονται μεγάλο εύρος ζώνης, αλλά απαιτούν μεγάλους χρόνους αυτόνομης λειτουργίας, καθώς και ευέλικτες τοπολογίες δικτύου. Για να είναι εφικτή η κατασκευή συσκευών με χαμηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις, οι συσκευές Zigbee υλοποιούνται σε 2 ξεχωριστές εκδόσεις: Full Function Devices (FFD) και Reduced Function Devices (RFD) [21]. Οι FFD συσκευές είναι πάντα ενεργοποιημένες με αποτέλεσμα να καταναλώνουν πολλή περισσότερη ενέργεια από τις δεύτερες που λειτουργούν βασισμένες σε ένα event based μοντέλο, μεταδίδοντας ουσιαστικά δεδομένα μόνο όταν υπάρξει κάποιο συμβάν, ενώ σε αντίθετη περίπτωση τίθενται αυτόματα σε αναμονή. Οι συσκευές RFD μπορούν να λειτουργήσουν μόνο ως τερματικά σημεία ενός δικτύου και χρειάζονται τουλάχιστον μια συσκευή FFD για να επικοινωνήσουν. Αυτό σημαίνει ότι ένα δίκτυο με μια συσκευή FFD και με πολλαπλές Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 57

58 RFD δύναται να λειτουργήσει μόνο σε τοπολογία αστέρα. Μπορεί όμως να υλοποιηθεί και ενα δίκτυο mesh ή ένα δίκτυο peer-to-peer με τη χρήση πολλών FFD. Οι συσκευές FFD σε αυτές τις τοπολογίες δικτύου, παίρνουν το ρόλο του συντονιστή του δικτύου. Σχετικά με την διαδικασία πρόσβασης στο κανάλι, σε ένα δίκτυο Zigbee υπάρχουν δύο τρόποι. Με χρήση beacon και χωρίς. Σε ένα δίκτυο χωρίς beacons, οι συσκευές μπορούν να εκπέμψουν ανά πάσα χρονική στιγμή εάν το κανάλι είναι ελεύθερο. Αντίθετα, σε δίκτυα με beacons, οι συσκευές μπορούν να εκπέμψουν μόνο ανά προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα. Ο συντονιστής του δικτύου ξεκινά περιοδικά δημιουργώντας ένα πλαίσιο beacon, ονομαζόμενο συχνά ως υπερπλαίσιο, στο οποίο πρέπει να συγχρονιστούν όλοι οι κόμβοι. Σε κάθε κόμβο αντιστοιχεί μια συγκεκριμένη θυρίδα από αυτό το πλαίσιο στην οποία μπορεί να στέλνει και να λαμβάνει τα δεδομένα του. Το υπερπλαίσιο χωρίζεται σε 16 χρονοθυρίδες ίσης διάρκειας. Κατά τον καθορισμό της δομής του υπερπλαισίου, ο συντονιστής μπορεί να δεσμεύσει μέχρι και 7 χρονοθυρίδες για την επικοινωνία του με συγκεκριμένες συσκευές. Κατά τη διάρκεια αυτών, μία συσκευή μεταδίδει μόλις φθάσει η χρονοθυρίδα που της αναλογεί χωρίς να χρησιμοποιήσει το πρωτόκολλο CSMA-CA. Η δέσμευση των χρονοθυρίδων γίνεται κατόπιν αιτήσεων των συσκευών. Ο συντονιστής του δικτύου εξυπηρετεί αυτές τις αιτήσεις με τη σειρά που φθάνουν και είναι αυτός που αποφασίζει για το αν θα δοθούν νέες χρονοθυρίδες σε μία συσκευή ή θα αποδεσμευθούν οι κρατημένες χρονοθυρίδες. Στέλνεται ένα αναγνωριστικό σήμα στην πρώτη χρονοθυρίδα, που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη δομή του υπερπλαισίου, τον συγχρονισμό των συσκευών, και τον προσδιορισμό του δικτύου. Το υπερπλαίσιο μπορεί να έχει ενα ενεργό και μη ενεργό μέρος, όπου η δομή και η διάρκεια του καθορίζονται από τον συντονιστή του δικτύου. Κατά τη διάρκεια του μη ενεργού μέρους, ο συντονιστής δεν αλληλεπιδρά με το δίκτυο και λειτουργεί με χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Το ενεργό μέρος αποτελείται από την περίοδο πρόσβασης με ανταγωνισμό (Compact Application Protocol - CAP) και την περίοδο χωρίς ανταγωνισμό (Contention Free Period - CFP). Στην CAP κάθε συσκευή που μεταδίδει, χρησιμοποιεί τον μηχανισμό πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος, αποφυγή συγκρούσεων και χρονοθυρίδες (CSMA-CA). Η διαφορά του με το unslotted CSMA-CA είναι ότι οι μεταδόσεις ξεκινούν πάντα στην αρχή κάποιας χρονοθυρίδας και σε περίπτωση κατειλημμένου καναλιού ο αποστολέας αναβάλλει την μετάδοση για τυχαίο αριθμό χρονοθυρίδων. Όταν ένα κανάλι είναι αδρανές, η μετάδοση πραγματοποιείται μόνο αν υπάρχει αρκετός χρόνος για να ολοκληρωθεί πριν τη λήξη της CAP. Η CFP περιέχει κρατημένες χρονοθυρίδες που βρίσκονται ακριβώς πριν το μη ενεργό μέρος. Οι χρονοθυρίδες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξυπηρέτηση εφαρμογών που απαιτούν συγκεκριμένο εύρος ζώνης. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 58

59 Εικόνα 17: Παράδειγμα υπερπλαισίου στο Zigbee 5.3 Bluetooth Εικόνα 18: Το πλαίσιο ραδιοφάρου στο επίπεδο MAC του Zigbee Το bluetooth είναι άλλη μία ασύρματη τεχνολογία δικτύωσης και ανταλλαγής δεδομένων, η οποία λειτουργεί στο φάσμα των 2.4 GHz. Είναι ανοιχτό για πρόσβαση σε όλες τις συσκευές που το υποστηρίζουν, λειτουργεί όμως μόνο σε μικρές αποστάσεις (10 μέτρα). Τα δίκτυα bluetooth αποτελούνται απο 2 μέχρι 8 συσκευές και ονομάζονται piconets. Η τοπολογία του δικτύου έιναι τύπου master-slave δηλαδή μια συσκευή αναλαμβάνει το ρόλο του master και είναι υπεύθυνη για την διευθέτηση της κυκλοφορίας δεδομένων, και τον καθορισμό του συνολικού εύρους ζώνης σε όλο το piconet, ενώ οι υπόλοιπες συσκευές λειτουργούν σαν slaves. Το bluetooth, υποδιαιρεί σε πακέτα τα προς διάθεση δεδομένα, τα οποία μεταφέρονται στα 79 διαθέσιμα κανάλια επικοινωνίας. Μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί το bluetooth για τον συγχρονισμό των συσκευών και την αποφυγή διαμαχών για την πρόσβαση στο δίκτυο είναι η frequency-hopping spread spectrum technology (FHSS) η οποία χρησιμοποιείται για την περιοδική αλλαγή των καναλιών επικοινωνίας μεταξύ δύο συσκευών, μετά την ανταλλαγή ενός πακέτου δεδομένων. Κάτι τέτοιο εξυπηρετεί σε ομαλές αλλαγές καναλιών επικοινωνίας όταν ένα κανάλι είναι δεσμευμένο από μια άλλη συσκευή. H αντιστοίχιση (pairing) μεταξύ των συσκευών μπορεί να γίνει είτε δυναμικά (όταν η συσκευή εισέλθει στο πεδίο κάλυψης Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 59

60 του piconet) είτε μετά από αίτηση μίας συσκευής slave και αποδοχή απο τη συσκευή master [19]. Το bluetooth είναι χτισμένο επάνω σε διάφορα τεχνολογικά stacks, τα κυριότερα εκ των οποίων είναι τα LMP, L2CAP και SDP. Το LMP χρησιμεύει στην κατασκευή της ραδιοφωνικής σύνδεσης μεταξύ των 2 συσκευών. To SDP (Service Discovery Protocol) επιτρέπει σε συσκευές να ανακαλύψουν την ύπαρξη άλλων συσκευών bluetooth, και να ανταλλάξουν πληροφορίες σχετικές με τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Οι προδιαγραφές του Bluetooth καθορίζουν μία βραχείας εμβέλειας (περίπου 10m) ή προαιρετικά μία μεσαίας εμβέλειας (περίπου 100m) ασύρματη ζεύξη, ικανή για μετάδοση φωνής και δεδομένων με μέγιστη ταχύτητα τα 720kbps ανά κανάλι. Η ISΜ ζώνη που χρησιμοποιεί το bluetooth εκτείνεται από τα έως τα GHz και χωρίζεται σε 23 κανάλια του 1 MHz με το καθένα να υποστηρίζει μέγιστο ρυθμό ανταλλαγής δεδομένων 1 Mega-symbol ανά δευτερόλεπτο [20]. Το Bluetooth στέλνει κάθε φορά ένα πακέτο σε μια τέτοια σχισμή εύρους 1MHz και έπειτα ο πομπός και ο δέκτης συντονίζονται και οι δύο σε διαφορετικό κανάλι. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια περιοδική διαδικασία που εξασφαλίζει ότι χρησιμοποιούνται συνέχεια όλα τα διαθέσιμα κανάλια. Στη μετάδοση μέσω Bluetooth γίνονται 1600 εναλλαγές το δευτερόλεπτο μεταξύ των διαθέσιμων καναλιών (hopping rate), που σημαίνει ότι κάθε χρονική στιγμή διαρκεί 625 microseconds, χρόνος που επαρκεί για την αποστολή ενός πακέτου. Βέβαια υπάρχει και η δυνατότητα να σταλούν μεγαλύτερα πακέτα που ο χρόνος αποστολής τους διαρκεί πάνω από 3 ή και 5 χρονικές σχισμές με αποτέλεσμα να επιτυγχάνονται μεγαλύτερες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων. Ο λόγος για την υλοποίηση αυτής της γρήγορης εναλλαγής καναλιών και του μικρού μεγέθους των πακέτων είναι η δυνατότητα λειτουργίας στην ίδια συχνότητα με όλες τις άλλες τεχνολογίες που χρησιμοποιούν αυτή τη ζώνη καθώς και η αύξηση της αξιοπιστίας στη μεταφορά των δεδομένων. Τα πακέτα στο bluetooth κατασκευάζονται με σκοπό να εκμεταλλευτούν τα πλεονεκτήματα της πολυπλεξίας TDD που προβλέπει μια τακτική ανταλλαγή των δεδομένων μεταξύ του master και του slave. Κάθε πακέτο διαβιβάζεται σε μια νέα hop συχνότητα. Ο master και ένας από τους slaves στο piconet διαβιβάζουν διαδοχικά, έτσι δύο ή περισσότεροι πομποί σημάτων δεν είναι ποτέ συγχρόνως μέσα σε ένα piconet. Εάν η ακεραιότητα των δεδομένων παίζει πρωταρχικό ρόλο, χρησιμοποιείται η εναλλαγή πακέτου (packet switching). Αυτό σημαίνει ότι κάθε εισερχόμενο πακέτο ελέγχεται για data bit errors από τον κόμβο προορισμού, και εάν υπάρχουν λάθη, ο προορισμός ζητά από την πηγή να επαναλάβει το πακέτο. Η ρυθμαπόδοση επηρεάζεται έτσι πολύ από το ποσοστό λάθους κομματιών του καναλιού. Αντίστοιχα εάν απαιτείται μια χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση (μικρή καθυστέρηση), το piconet χρησιμοποιεί την εναλλαγή κυκλώματος (circuit switching). Η μετάδοση φωνής διπλής κατεύθυνσης σε πραγματικό χρόνο εμπίπτει σε αυτή την κατηγορία. Στα ψηφιοποιημένα πακέτα φωνής ορίζονται συγκεκριμένες χρονοθυρίδες μετάδοσης, και οι επαναλαμβανόμενες μεταδόσεις δεν επιτρέπονται. Η ρυθμαπόδοση είναι επομένως απρόσβλητη από την ακεραιότητα καναλιών. Τα πακέτα φωνής που στέλνονται πέρα από ένα κανάλι με ένα υψηλό BER (bit error rate) θα παράγουν παραμόρφωση, όταν μετατραπούν σε αναλογικό ήχο. Για τις βασικές λειτουργίες του piconet στο πρωτόκολλο baseband είναι υπεύθυνος ο ελεγκτής συνδέσεων (link controller). Το piconet ελέγχεται από την εφαρμογή μέσω του διαχειριστή συνδέσεων (link manager). Τα δεδομένα περνούν στον ελεγκτή συνδέσεων μέσω του λογικού πρωτοκόλλου ελέγχου και προσαρμογής συνδέσεων (L2CAP) και τα δεδομένα πραγματικού χρόνου διπλής κατεύθυνσης φωνής συνήθως αποστέλλονται κατευθείαν στον Link controller από την εφαρμογή για την μείωση της λανθάνουσας Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 60

61 κατάστασης. Ένα πακέτο δεδομένων περιέχει το access code, το header και payload. Ο access code (72-bit) χρησιμοποιείται για να αρχικοποιήσει τον συγχρονισμό στο λεπτομερές σχέδιο κυκλώματος του δέκτη, αλλά επίσης περιέχει διάφορες πληροφορίες εξαρτώμενες πάντα από το περιβάλλον της εφαρμογής. Τέτοιες είναι η ταυτότητα του Piconet ή η διεύθυνση του δέκτη. Το header κομμάτι (54-bits) περιέχει την διεύθυνση προορισμού, τον τύπο του φορτίου που ακολουθεί, και μερικές πληροφορίες ελέγχου λάθους. Τέλος, το payload είναι ένα πεδίο μεταβλητού μήκους που περιέχει το μήνυμα. Είναι σημαντικό να λάβουμε υπόψιν ότι μόνο αυτό το μέρος κάθε πακέτου ζωνών βάσης περιέχει το πραγματικό μήνυμα που οι εφαρμογές προσπαθούν να ανταλλάξουν. Τα άλλα μέρη του πακέτου όπως το access code και header, αν και απαραίτητα για την κατάλληλη λειτουργία του piconet, είναι μεγάλα, και δεν συμβάλλουν στη ρυθμαπόδοση δεδομένων του piconet. Για αυτό το λόγο η πραγματική ρυθμαπόδοση θα είναι πάντα κάτω από 1Mbps data rate του Bluetooth radio. Εικόνα 19: Το stack τεχνολογιών στο Bluetooth Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 61

62 6. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΡΑΔΙΟΠΟΡΩΝ ΣΤΟ LTE Στο MAC επίπεδο του LTE, βρίσκεται ο scheduler, o οποίος ως χρονοπρογραμματιστής, είναι υπεύθυνος για την επιλογή της στρατηγικής με την οποία ένας σταθμός βάσης, αποφασίζει σε ποιους χρήστες θα δοθούν ραδιοπόροι για την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ ενός κινητού σταθμού και του σταθμού βάσης. Η ανάθεση ραδιοπόρων γίνεται ανά ζευγάρι από recourse blocks. Αυτό αντιστοιχεί σε 12 υποφέροντα, 180Khz στο πεδίο συχνότητας και 1ms στο πεδίο χρόνου (Transmission Time Interval, TTI). Ο χρόνος χωρίζεται σε πλαίσια (frames), καθένα από τα οποία αποτελείται από 10 διαδοχικά TTI. Επιπροσθέτως, κάθε TTI αποτελείται από δυο χρονοθυρίδες με μήκος 0.5 ms, οι οποίες αντιστοιχούν σε 7 σύμβολα OFDM στην προεπιλεγμένη διαμόρφωση με σύντομο κυκλικό πρόθεμα. O scheduler είναι μια οντότητα του RRM και ένα από τα βασικότερα κομμάτια του L2 της στοίβας πρωτοκόλλων του enodeb. Τα κανάλια τα οποία παραχωρούνται στους χρήστες για μεταφορά δεδομένων είναι το Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) και το Physical Uplink Shared Channel (PUSCH). Όταν αναφερόμαστε σε ραδιοπόρους εννοούμε το χρόνο και την συχνότητα κατά την οποία ο χρήστης μπορεί να μεταδώσει ή να λάβει δεδομένα. Ο scheduler είναι υπεύθυνος για να κατανείμει τους ραδιοπόρους στους χρήστες, τόσο στο downlink όσο και στο uplink, διαλέγοντας μια πολιτική η οποία να μειώνει δραστικά τις επιπτώσεις που έχουν οι διαβαθμίσεις στην ακεραιότητα του καναλιού. Αυτό προϋποθέτει ότι οι πολιτικές αυτές έχουν γνώση της ποιότητας του καναλιού ανά πάσα στιγμή και είναι σε θέση να δώσουν υψηλότερη προτεραιότητα σε χρήστες με καλύτερες συνθήκες καναλιού. Αυτοί είναι οι channel aware αλγόριθμοι που θα μελετήσουμε στη συνέχεια. Ο scheduler ελέγχει την κατανομή των κοινόχρηστων ραδιοπόρων μεταξύ των χρηστών κάθε χρονική στιγμή. Η σειρά με την οποία τα πακέτα θα αδειάσουν για μετάδοση από την προσωρινή μνήμη τόσο στο σταθμό βάσης όσο και στο τερματικό αποφασίζεται με βάση την στρατηγική του scheduler. Ο scheduler αποφασίζει σε ποιον χρήστη θα διανεμηθούν οι ραδιοπόροι κάθε ΤΤΙ (1ms) για να λάβει μεταδόσεις DL-SCH. Η απόδοση του scheduler έχει μεγάλο αντίκτυπο στο επίπεδο υπηρεσίας του λαμβανόμενου πακέτου. Ένας LTE scheduler μοιράζει τους ραδιοπόρους στα τερματικά σε ομάδες από RBs. Στόχος του packet scheduler είναι να μεγιστοποιήσει την ικανοποίηση του χρήστη από την υπηρεσία του. Οι μετρικές που χρησιμοποιεί για να υπολογίσει την ικανοποίηση είναι μεταξύ άλλων ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων που βιώνει κάθε χρήστης, η δικαιοσύνη στον τρόπο διανομής των ραδιοπόρων μεταξύ των χρηστών και η κατά μέσο όρο καθυστέρηση που αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Η μετρική επιλέγεται έτσι ώστε ο scheduler να επιλύσει τις διαμάχες για τους ραδιοπόρους μεταξύ των χρηστών. Γενικά στόχος του χρονοπρογραμματισμού είναι η αποτελεσματικότερη κατανομή ραδιοπόρων, και η καλύτερη απόδοση με γνώμονα πάντα την δικαιοσύνη, την βέλτιστη αξιοποίηση των ραδιοπόρων και την επίτευξη της καλύτερης δυνατής ρυθμαπόδοσης. Ένας χρήσιμος δείκτης που χρησιμοποιείται για την αποτύπωση της ποιότητας του καναλιού είναι ο Channel Quality Indicator (CQI) ο οποίος επιτρέπει την εκτίμηση της ποιότητας του downlink στο σταθμό βάσης. To CQI είναι το μέτρο του λόγου Σήματος προς Παρεμβολές συν Θόρυβο (Signal to Interference plus Noise ratio - SINR). Μια σημαντική ανάγκη αναφορικά με το CQI, είναι να επιτευχθεί μία ισορροπία ανάμεσα στην ακριβέστερη εκτίμηση της ποιότητας του καναλιού και στο χαμηλότερο κόστος σηματοδοσίας. Το CQI είναι μια τιμή μήκους τεσσάρων bit που αποστέλλεται από τον UE στον enb ως ανάδραση για την κατερχόμενη ζεύξη, και ενημερώνει τον σταθμό βάσης για την ποιότητα του καναλιού στο downlink. Ο σταθμός βάσης το χρησιμοποιεί για να επιλέξει το κατάλληλο σχέδιο κωδικοποίησης διαμορφώσης (Modulation Coding Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 62

63 Scheme MCS) και RB για τον χρήστη. Όσο ψηλότερο το MCS, τόσα περισσότερα bits μπορούν να μεταδοθούν ανά μονάδα χρόνου. Πίνακας 7: Αντιστοίχιση CQI με MCS 6.1 Ραδιοφορέας και η στοίβα πρωτοκόλλων Η κίνηση τόσο σε επίπεδο χρήστη όσο και σε επίπεδο δικτύου περνάει μέσα από την διεπαφή αέρα κάνοντας χρήση ραδιοφορέων για δεδομένα και σηματοδοσία (Data Radio Bearer & Signaling Radio Bearer). Κάθε χρήστης που συνδέεται υποστηρίζει τρεις ραδιοφορείς για σηματοδοσία και έως οχτώ ραδιοφορείς για δεδομένα. Ένας ραδιοφορέας είναι ένα λογικό κανάλι που εγκαθιδρύεται μεταξύ του χρήστη και του σταθμού βάσης. Είναι υπεύθυνος για την διαχείριση της παροχής του QoS στη διεπαφή E-UTRAN. Όταν ένας χρήστης συνδέεται στο δίκτυο, δημιουργείται ένας βασικός ραδιοφορέας για τη σύνδεση και για την ανταλλαγή των μηνυμάτων ελέγχου. Αυτός παραμένει ενεργός κατά την διάρκεια της σύνδεσης. Κάθε φορά που προκύπτει μια καινούρια υπηρεσία δημιουργούνται αποκλειστικοί ραδιοφορείς. Κάθε ραδιοφορέας έχει τη δική του παραμετροποίηση QoS ώστε να υποστηρίζει διαφορετικά είδη υπηρεσιών. Για παράδειγμα μπορεί να υπάρχει ένας για βίντεοκλήση και ένας άλλος για απλή πρόσβαση στο διαδίκτυο. Επιπλέον, ανάλογα με τις απαιτήσεις για QoS, οι ραδιοφορείς μπορούν να ταξινομηθούν σε εγγυημένου ρυθμού (Guaranteed bit-rate) και σε μηεγγυημένου ρυθμού (non-guaranteed bit-rate) 6.2 Device to Device communication Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 63

64 Στις υπηρεσίες βάσει εγγύτητας (Proximity Services a.k.a ProSe) στο σενάριο όπου δύο χρήστες δεν βρίσκονται σε περιοχή κάλυψης από κάποιο σταθμό βάσης, η επικοινωνία μεταξύ τους επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ραδιοπόρους που έχουν καθοριστεί εξ αρχής είτε στην συσκευή του χρήστη ή στο USIM της κάρτας UICC. Εικόνα 20: Αρχιτεκτονική του μοντέλου ProSe Η πιο σημαντική διεπαφή στην D2D communication είναι είναι η διεπαφή PC5 η οποία είναι τύπου one to many, κάτι το οποίο την καθιστά ιδανική για ομαδικές επικοινωνίες. Αυτό φαίνεται και στον τρόπο που ανατίθενται τα destination IDs τα οποία είναι πάντα group IDs. Την διεπαφή αυτή την χρησιμοποιεί το sidelink, για να επιτευχθεί η επικοινωνία μιας συσκευής εκτός κάλυψης με μιας συσκευής χρήστη που βρίσκεται στην περιοχή κάλυψης κάποιου enb. Η διαφορά του sidelink με το ProSe είναι ότι το ProSe περιγράφει την από άκρο σε άκρο επικοινωνία μεταξύ συσκευών, ενώ το sidelink περιγράφει την δομή του καναλιού επικοινωνίας δηλαδή τα λογικά κανάλια, τα κανάλια μεταφοράς, και τα φυσικά κανάλια που χρησιμοποιούνται για να εγκαθιδρυθεί η ProSe επικοινωνία μεταξύ δύο συσκευών χωρίς την συμμετοχή του σταθμού βάσης. Οι ραδιοπόροι που ανατίθενται στο sidelink, προκύπτουν από τα υποφέροντα στη συχνότητα του uplink σε FDD ή από τα υποφέροντα που έχουν ανατεθεί στο uplink σε TDD. Οι λόγοι που χρησιμοποιούνται υποφέροντες από το uplink και όχι από το downlink, είναι ότι οι υποφέροντες του πρώτου χρησιμοποιούνται πολύ λιγότερο σε σχέση με αυτούς του δευτέρου, ενώ σημαντικό ρόλο παίζει και το γεγονός ότι τα υποφέροντα του Downlik δεν είναι σχεδόν ποτέ άδεια. Υπάρχουν δύο λογικά κανάλια που είναι υπεύθυνα για τη επικοινωνία, το Sidelink Traffic Channel (STCH) και το Sidelink Broadband Control Channel (SBCHH). Το STCH χρησιμοποιείται για μεταφορά δεδομένων που περιέχουν πληροφορίες του χρήστη από την εφαρμογή ProSe. Συνδέεται με το Sidelink Shared Channel (SL-SCH) που είναι κανάλι μεταφοράς και εμπεριέχει κινδύνους σύγκρουσης (collision risks) ανάλογα με τις αναθέσεις ραδιοπόρων που γίνονται από τον σταθμό βάσης, και χρησιμοποιεί την διεπαφή Physical Sidelink Shared Channel (PSSCH) για την μεταφορά δεδομένων στον αέρα [10]. Στο κανάλι SBCHH μεταδίδονται σήματα που περιέχουν πληροφορίες για συγχρονισμό μεταξύ συσκευών σε περιοχή εκτός κάλυψης, ή συσκευών που ανήκουν σε διαφορετικά κελιά. Συνδέεται με το κανάλι μεταφοράς Sidelink Broadcast Channel (SL-BCH) που έχει ένα προκαθορισμένο φόρματ λόγω του ότι τα resource blocks από το SBCCH έχουν το Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 64

65 ίδιο μέγεθος. Το SL-BCH έχει σαν διεπαφή το φυσικό κανάλι PSBCH. Το φυσικό κανάλι ελέγχου PSCCH περιέχει το σήμα Sidelink Control Information (SCI) που περιέχει πληροφορίες που απαιτούνται από την συσκευή του χρήστη για να μπορεί να παραλάβει και να αποκωδικοποιήσει το PSSCH. Το SCI αποστέλνεται πάντα πριν το block δεδομένων του STCH. Εικόνα 21: Τα κανάλια διεπαφής αέρα στο Sidelink Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 65

66 6.3 Channel-unaware δυναμικοί αλγόριθμοι Με τους channel-unaware αλγορίθμους εννοούμε τις πολιτικές του scheduler οι οποίες, στην στρατηγική τους για την ανάθεση ραδιοπόρων, δεν λαμβάνουν υπ όψιν τις μεταβολές στην ποιότητα του καναλιού. Αυτό είναι κάτι που τους καθιστά ακατάλληλους για χρήση σε κυψελωτά δίκτυα. Εντούτοις παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα όταν συνδυάζονται με channel-aware στρατηγικές [22] FIFO (First In First Out) Αποτελεί τον βασικότερο αλγόριθμο ανάθεσης ραδιοπόρων και λειτουργεί όπως και μία ουρά FIFO. Δηλαδή εξυπηρετείται ο πρώτος χρήστης που ζήτησε ραδιοπόρους και στη συνέχεια ακολουθείται η σειρά προτεραιότητας. Είναι μια απλή τεχνική όσον αφορά την υλοποίηση δεν είναι όμως καθόλου αποδοτική στο διαμοιρασμό των ραδιοπόρων Round Robin Ο αλγόριθμος RR συναντάται σε πάρα πολλά συστήματα, στα οποία απαιτείται η ανάθεση ή ο συγχρονισμός ραδιοπόρων, λόγω της απλότητας και της ευκολίας του να υλοποιηθεί. Η στρατηγική που ακολουθεί ο αλγόριθμος είναι να αναθέτει τους κοινόχρηστους ραδιοπόρους σειριακά, σε κάθε κινητό σταθμό. Ο RR είναι ένα δίκαιο σύστημα χρονοπρογραμματισμού, επειδή κάθε UE έχει το ίδιο ποσό πλαισίων μετάδοσης RB. Βασίζεται μόνο στα διαθέσιμα RB, και τα RB πρέπει να ομαδοποιηθούν σε έναν αριθμό απο RBs για κάθε χρήστη κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χρονοπρογραμματισμού. Κατανέμει τα μπλοκ ραδιοπόρων σε μη κενές ουρές ελέγχου ραδιοζεύξης (Radio Link Control, RLC) σε κυκλική διάταξη. Οι μη-κενές RLC ουρές αναφέρονται επίσης ως ενεργές ροές. Αν όλες οι ροές έχουν κατανεμηθεί σε κάποια Resource Block Group (RBGs) τότε όλα μεταδίδονται στο ίδιο subframe. Διαφορετικά, αν κάποιες από τις ροές έχουν μείνει αδιάθετες, τότε η κατανομή τους στο επόμενο πλαίσιο θα ξεκινήσει από την τελευταία ροή που δεν διατέθηκε. Η διαμόρφωση και το σύστημα κωδικοποίησης για τα διαφορετικά κανάλια μετάδοσης κατανέμονται ανάλογα με το δείκτη ποιότητας του ληφθέντος καναλιού. Αν και ο RR δίνει σε κάθε UE ίσες ευκαιρίες για την απόκτηση RBs, η συνολική ρυθμαπόδοση είναι πολύ χαμηλότερη από ότι σε άλλους schedulers επειδή δεν λαμβάνει υπ όψιν τις εκτιμήσεις του καναλιού. Στo LTE διαφορετικοί UEs έχουν διαφορετικές υπηρεσίες με διαφορετικές απαιτήσεις QoS και είναι πολύ δύσκολο να επιτραπεί σε κάθε UE να αναλάβει το ίδιο RB με την ίδια πιθανότητα καθώς κάτι τέτοιο θα μείωνε την αποδοτικότητα των ραδιοπόρων Resource Preemption Η δικαιοσύνη στη ρυθμαπόδοση δεν είναι απαραίτητα απαιτούμενο για όλους τους χρήστες. Έτσι μπορούν να οριστούν στρατηγικές χρονοπρογραμματισμού με προτεραιότητα. Μια απλή προσέγγιση είναι το resource preemtpion για μερικούς χρήστες (ή ομάδες χρηστών) με υψηλή προτεραιότητα. Ο τρόπος που λειτουργεί είναι με ουρές μετάδοσης, οι οποίες ομαδοποιούνται σε κλάσεις προτεραιότητας. Κάθε μία ουρά, που ανήκει σε μια συγκεκριμένη κλάση, δεν μπορεί να εκτελεστεί, εάν πρώτα δεν έχουν αδειάσει όλες οι ουρές με ψηλότερη προτεραιότητα. Αυτή η τεχνική μπορεί να αξιοποιηθεί αποτελεσματικά για το χειρισμό μεταξύ QoS (υψηλή προτεραιότητα) και non QoS flows, δεδομένου ότι ο χρονοπρογραμματιστής έχει υλοποιήσει τεχνικές για την αποφυγή του φαινομένου στέρησης πόρων (starvation) στις εφαρμογές χαμηλής προτεραιότητας. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 66

67 6.3.4 Blind Equal Throughput (BET) Ο αλγόριθμος ΒΕΤ αποθηκεύει τη μέση ρυθμαπόδοση που έχουν πετύχει οι χρήστες στο παρελθόν και την χρησιμοποιεί σαν μετρική. Λόγω των πολλών και ιδιαίτερων ιδιοτήτων της, αυτή η μετρική χρησιμοποιείται σε πολλούς σύγχρονους χρονοπρογραμματιστές. Σε κάθε TTI, o BET υπολογίζει τη μετρική αυτή για κάθε χρήστη και αναθέτει ραδιοπόρους σε ροές, οι οποίες στο παρελθόν έλαβαν το χαμηλότερο μέσο throughput. Με τον τρόπο αυτό, χρήστες που βιώνουν τις μικρότερες ρυθμαποδόσεις θα παίρνουν ραδιοπόρους πιο συχνά μέχρι να φτάσουν τα επίπεδα ρυθμαπόδοσης άλλων χρηστών στο ίδιο κελί, εξασφαλίζοντας έτσι βελτίωση στη δικαιοσύνη διανομής Weighted Fair Queuing Το φαινόμενο του starvation σε στρατηγικές με προτεραιότητες, μπορεί να αντιμετωπιστεί με τον αλγόριθμο Weighted Fair Queing. Στον αλγόριθμο αυτό ανατίθεται σε ένα χρήστη (ή μια ομάδα χρηστών) ένα συγκεκριμένο σταθμισμένο βάρος, το οποίο χρησιμοποιείται για να υπολογιστεί η μετρική RR του χρήστη. Με αυτό το τρόπο οι διαθέσιμοι ραδιοπόροι μοιράζονται ανάλογα με τα βάρη (όποιος έχει μεγαλύτερο βάρος έχει και μεγαλύτερη προτεραιότητα). Επιπλέον διασφαλίζεται και η μη εξάντληση των ραδιοπόρων καθώς η μετρική RR που χρησιμοποιείται, ελέγχει και φροντίζει ώστε ο χρόνος που θα περιμένει ένας χρήστης να μην αυξάνεται απεριόριστα Guaranteed Delay Στην στρατηγική αυτή, απαιτείται από κάθε πακέτο να έχει μεταδοθεί εντός μιας συγκεκριμένης προθεσμίας, για να αποφευχθούν τυχόν απώλειες πακέτων. Κάτι τέτοιο επιτυγχάνεται προσθέτοντας στην μετρική την πληροφορία του χρόνου δημιουργίας του πακέτου και την προθεσμία του. Οι πολιτικές Earliest Deadline First (EDF) και Largest Weighted Delay First (LWDF) χρησιμοποιούνται σε λειτουργικά συστήματα και ενσύρματα δίκτυα με σκοπό την αποφυγή λήξης της προθεσμίας. Το EDF χρονοπρογραμματίζει τα πακέτα με τον συντομότερο χρόνο λήξης της προθεσμίας, και το LWDF χρησιμοποιεί την παράμετρο Δ η οποία υποδηλώνει κατα πόσο η πιθανότητα απώλειας ενός πακέτου λόγω λήξης της προθεσμίας, εμπίπτει εντός του αποδεκτού ορίου. Έτσι, ένας χρήστης με υψηλότερες απαιτήσεις όσο αφορά τον αποδεκτό ρυθμό απώλειας και τον κοντινότερο χρόνο λήξης προθεσμίας, θα προτιμηθεί για ανάθεση ραδιοπόρων. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 67

68 6.4 Channel aware δυναμικοί αλγόριθμοι Ο σταθμός βάσης ανταλλάσσει περιοδικά μηνύματα ελέγχου με τον UE, τα οποία μεταβιβάζουν πληροφορίες σχετικές με τον δέκτη CQI. Με αυτές τις πληροφορίες o χρονοπρογραμματιστής μπορεί να εκτιμήσει την ποιότητα του καναλιού έτσι όπως την αντιλαμβάνεται ο κάθε χρήστης, και να υπολογίσει κατ αυτό τον τρόπο την μέγιστη ρυθμαπόδοση την οποία μπορούν να φτάσουν οι χρήστες. Για τον λόγο αυτό οι αλγόριθμοι αυτής της κατηγορίας είναι καταλληλότεροι για ασύρματα δίκτυα [22] Maximum throughput (ΜΤ) Στόχος αυτής της στρατηγικής, σύμφωνα και με όσα υποδηλώνει και το όνομα της, είναι να μεγιστοποιήσει την ρυθμαπόδοση του εκάστοτε χρήστη. Κάτι τέτοιο είναι εφικτό με την ανάθεση καθενός από τα RB στον χρήστη που μπορεί να πετύχει την μέγιστη ρυθμαπόδοση στο τρέχον TTI. Έιναι προφανές ότι αυτός ο αλγόριθμος υστερεί κατα πολύ όσον αφορά τη δικαιοσύνη στη κατανομή ραδιοπόρων. Ο λόγος είναι ότι δεν χειρίζεται δίκαια τους χρήστες με φτωχή ποιότητα καναλιού, στους οποίους διατίθεται μόνο ένα μικρό ποσοστό των διαθέσιμων ραδιοπόρων, και σε ακραίες περιπτώσεις παρουσιάζονται ακόμα και φαινόμενα starvation. Ένας συνδυασμός του MT με τον BET αποτελεί μια πιο πρακτική λύση όπου θα μπορούσε να επιτευχθεί μια πιο δίκαιη κατανομή ραδιοπόρων, μεγιστοποιώντας παράλληλα τη ρυθμαπόδοση και παρουσιάζοντας αποδοτικότερη εκμετάλλευση όσον αφορά τις ραγδαίες αλλαγές στην ποιότητα των καναλιών Proportional Fair Scheduler Ένας τρόπος να βρεθεί μια μέση λύση μεταξύ απαιτήσεων για δικαιοσύνη και μεγιστοποίηση ρυθμαπόδοσης, είναι η χρήση του Proportional Fair Scheduler του οποίου η μετρική προκύπτει από την ένωση των μετρικών του MT και BET. Η βασική του ιδέα είναι ότι χρησιμοποιεί τη μέση ρυθμαπόδοση στο παρελθόν σαν παράγοντα βάρους για την αναμενόμενη ρυθμαπόδοση έτσι ώστε να εγγυάται ένα συγκεκριμένο χρονικό πλαίσιο εξυπηρέτησης σε χρήστες με κακές συνθήκες καναλιού. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές του PF που βασίζονται στις τιμές που λαμβάνονται υπόψιν, αλλά αυξάνεται η δυσκολία υλοποίησης τους ανάλογα με την πολυπλοκότητα του προβλήματος βελτιστοποίησης που έχουμε. Ο Generalized Proportional Fair (GPF) είναι ένας από αυτούς, όπου η μετρική PF τροποποιείται με δύο παραμέτρους ξ και ψ, οι οποίες λειτουργούν σαν βάρη για την διαδικασία δέσμευσης ραδιοπόρων τόσο στο στιγμιαίο ρυθμό εκπομπής όσο και στη ρυθμαπόδοση που επιτεύχθηκε αντίστοιχα στο παρελθόν. Θέτοντας τη παράμετρο ξ=0, η μετρική του GPF εξισώνεται με τη μετρική BET, δηλαδή επιτυγχάνεται η δικαιοσύνη στο σύστημα ανεξαρτήτως της ποιότητας του καναλιού. Αντιθέτως θέτοντας τη παράμετρο ψ=0, η μετρική γίνεται ίση με την ΜΤ, όπου προηγείται η επίτευξη μέγιστης ρυθμαπόδοσης αντί της δικαιοσύνης Throughput to Average Η στρατηγική αυτή μπορεί να θεωρηθεί σαν η μέση λύση μεταξύ του MT και PF. Συγκεκριμένα όσο μεγαλύτερη αναμένεται η ρυθμαπόδοση του χρήστη τόσο μικρότερη θα είναι η τιμή της μετρικής για ένα RB. O TTA έχει ένα μεγάλο βαθμό δικαιοσύνης στο τρέχον παράθυρο ενός ΤΤΙ διότι μπορεί να εγγυηθεί ότι το καλύτερο RB μπορεί να δοθεί σε οποιονδήποτε χρήστη. Ο αλγόριθμος αυτός εκμεταλλεύεται την πληροφορία για την ποιότητα του καναλιού για να παρέχει όσο το δυνατό καλύτερες υπηρεσίες παροχής σε κάθε χρήστη. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 68

69 6.4.4 Joint Time and Frequency domain schedulers Στον αλγόριθμο αυτό έχουμε ένα συνδυασμό από schedulers και ο τρόπος λειτουργίας έχει ώς εξής: αρχικά ένας χρονοπρογραμματιστής ως προς το χρόνο (TDPS) επιλέγει ένα υποσύνολο από χρήστες που είναι συνδεδεμένοι στο σταθμό βάσης στο τρέχον TTI. Στη συνέχεια τα RBs διανέμονται σε κάθε χρήστη με βάση ένα χρονοπρογραμματιστής ως προς τη συχνότητα (FDPS). Το τελικό αποτέλεσμα είναι η απόφαση από τους δύο schedulers οι οποίοι δουλεύουν στη σειρά. Το πλεονέκτημα είναι η μείωση της πολυπλοκότητας ενώ ταυτόχρονα δίνεται η δυνατότητα να εφαρμοστεί διαφορετική πολιτική σε κάθε φάση. Για παράδειγμα μπορεί να εφαρμοστεί στην πρώτη φάση ο RR, ο οποίος παρέχει δίκαιη κατανομή του χρόνου μεταξύ των χρηστών και στη δεύτερη φάση ο PF, με τον οποίο πετυχαίνουμε μια καλή αναλογία μεταξύ της αποτελεσματικής χρήσης του φάσματος και της δικαιοσύνης Buffer Aware Schedulers Η εν λόγω κατηγορία schedulers, χρησιμοποιεί πληροφορίες για την κατάσταση του buffer που μεταδίδει ο χρήστης στον σταθμό βάσης, και στατιστικές για την κινητικότητα στο κανάλι, για να θέσει δυναμικά προτεραιότητες συσχετισμένες με κάθε ουρά MAC. Προσπαθούν να κρατήσουν την πιθανότητα απώλειας πακέτων λόγω υπερχείλισης του buffer, σε χαμηλά επίπεδα, ενώ παράλληλα να διατηρήσουν υψηλά νούμερα ρυθμαπόδοσης και fairness. 6.5 Αρχιτεκτονική C-RΑΝ Το Cloud-Radio Access Network, γνωστό και ως Centralized-RAN, είναι μια αρχιτεκτονική κυψελωτού δικτύου που θεωρείται η μελλοντική υποδομή δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Αποτελεί μια συγκεντρωτική, βασισμένη στο Cloud Computing, νέα αρχιτεκτονική δικτύου κινητής τηλεφωνίας που μπορεί να υποστηρίξει συστήματα 2G, 3G, 4G, καθώς και μελλοντικά ασύρματα πρότυπα επικοινωνίας. Σύμφωνα με την αρχιτεκτονική αυτή, οι ραδιοπόροι βασικής ζώνης (baseband resources pooling technique) και οι μονάδες επεξεργασίας κάθε σταθμού βάσης, συγκεντρώνονται σε ένα κεντρικό σημείο, έναν κοινόχρηστο χώρο που ονομάζεται Baseband Unit Pool (BBU Pool), όπου υποβάλλονται σε επεξεργασία, ώστε να κατανεμηθούν και να χρησιμοποιηθούν αποδοτικά μεταξύ των σημείων πρόσβασης από τους χρήστες. Κάθε τέτοιο σημείο εξυπηρετεί πολλαπλές κυψέλες. Ο χρήστης λαμβάνει ένα συγκεκριμένο μερίδιο της υποδομής πρόσβασης του δικτύου και λειτουργεί μέσα σε αυτό τον εικονικό BBU, σαν να πρόκειται για πραγματικό [11]. Στο C-RAN, αρκετές από τις κύριες λειτουργίες δικτύου (όπως είναι η δέσμευση ραδιοπόρων, ο έλεγχος, η λήψη αποφάσεων, η επεξεργασία σημάτων, καθώς και η δρομολόγηση), εκτελούνται σε επίπεδο cloud. Στο πεδίο αυτό, ουσιαστικά, υλοποιείται το Control Layer. Στον αντίποδα, οι διαδικασίες που αφορούν το Data Layer εκτελούνται σε επίπεδο σταθμού βάσης. Ο διαχωρισμός αυτός απλοποιεί σε μεγάλο βαθμό το δίκτυο και τη δυνατότητα συντήρησης και επέκτασής του. Είναι χαρακτηριστικό το γεγονός ότι για τη δημιουργία νέων κυψελών απαιτείται η εγκατάσταση μίας συσκευής RRH (Remote Radio Heads) και όχι ενός ολοκληρωμένου σταθμού βάσης, ενώ παρέχεται, μέσω κατάλληλου λογισμικού και πρωτοκόλλων, η δυνατότητα διαχείρισης και παραμετροποίησης του δικτύου. Επιπλέον, με την κεντρικοποιημένη σηματοδοσία, βελτιώνεται η διαδικασία επεξεργασίας σήματος και επιτυγχάνεται ο αποδοτικότερος διαμοιρασμός ραδιοπόρων ενώ εξισορροπείται και ο φόρτος εργασίας του δικτύου, σε αντίθεση με ό,τι συνέβαινε σε Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 69

70 παλαιότερες αρχιτεκτονικές λόγω σταθμών βάσης που είτε υποχρησιμοποιούνταν, για παράδειγμα σε νυχτερινές ώρες, είτε υπερφορτωνόταν σε ώρες αιχμής. Η προσαρμογή και η διαστασιολόγηση του δικτύου γίνεται από τους παρόχους, με βάση την εκτιμώμενη χωρο-χρονική συμπεριφορά των χρηστών και τις απαιτήσεις τους. Επίσης αυξάνεται η χωρητικότητα και η φασματική απόδοση του δικτύου, και ελαχιστοποιείται η καθυστέρηση μετάδοσης, βελτιώνοντας την ποιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας, ενώ το γεγονός ότι κάθε κυψέλη χρησιμοποιεί μία συγκεκριμένη συχνότητα, βοηθάει στην εξάλειψη παρεμβολών. H συνύπαρξη ενός μεγάλου μέρους του εξοπλισμού σε ένα κεντρικό, κοινόχρηστο χώρο, έχει ώς αποτέλεσμα την εξοικονόμηση χώρου, ενέργειας, και κατ επέκταση συνολικού κόστους για τους παρόχους, καθώς μειώνονται δραστικά οι απαιτούμενοι χώροι για την εγκατάσταση των συστημάτων που είναι στρατηγικής σημασίας για τη λειτουργία του δικτύου. Η αλλαγή αυτή επιφέρει σημαντική μείωση και στην ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει το δίκτυο για την απρόσκοπτη λειτουργία του, ενώ καθιστά ευκολότερη την πρόσβαση του ανθρώπινου παράγοντα στον εξοπλισμό για τις εργασίες εγκατάστασης, συντήρησης και αναβάθμισης [14]. Τα δομικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής του C-RAN είναι: Base Station Pool: Αποτελεί τον εγκέφαλο του δικτύου. Συντονίζει και ελέγχει τις λειτουργίες του, ενώ διαχειρίζεται και τους συγκεντρωμένους ραδιοπόρους. Εντός της οντότητας αυτής, οι μονάδες βασικής ζώνης ΒΒU μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους κάνοντας χρήση εύρους ζώνης άνω των 10Gbit/s και πολύ μικρής καθυστέρησης, ενώ σε κάθε Pool μπορούν να συνδέονται έως και μερικές χιλιάδες RRHs. Remote Radio Heads (RRHs): Τοποθετείται στον μηχανισμό του σταθμού βάσης. Αναλαμβάνει να ψηφιοποιήσει το σήμα βασικής ζώνης που φτάνει σε αυτό και έπειτα να το αποστείλει στις BBU για περαιτέρω επεξεργασία. Με τον τρόπο αυτό, μειώνονται οι απώλειες, συγκριτικά με τους παραδοσιακούς σταθμούς βάσης. Επίσης επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ευελιξία στον σχεδιασμό και την υλοποίηση του δικτύου. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός πως μία RRH μπορεί να απέχει από τη ΒΒU μερικές δεκάδες χιλιομέτρων. Fronthaul: Πρόκειται για τις οπτικές ζεύξεις χαμηλής καθυστέρησης και μεγάλου εύρους ζώνης που χρησιμοποιούνται για να γίνει η επικοινωνία μεταξύ μίας ΒΒU και του απομακρυσμένου RRH. Βackhaul: Αποτελεί το μέσο σύνδεσης της BΒU Pool με το δίκτυο κορμού. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 70

71 Εικόνα 22: Δίκτυο βασισμένο στην αρχιτεκτονική C-RAN 6.6 Filtered OFDM Η εξέλιξη και ανάπτυξη των δικτύων 5ης γενιάς επιτάσσει την αναζήτηση νέων τεχνολογιών που θα επιτρέψουν την επίτευξη ακόμα περισσότερων πλεονεκτημάτων και την υλοποίηση των στόχων που τίθενται κατά τη σχεδίαση. Αποτελεί γεγονός ότι η τεχνολογία OFDM θεωρείται αρκετά επιτυχημένη και ήταν η καλύτερη δυνατή επιλογή για τα δίκτυα 4G. Παρέχει, εκτός των άλλων, εξαιρετική αποδοτικότητα φάσματος, λειτουργεί επιτυχώς ακόμα και σε καταστάσεις που σημειώνεται επιλεκτική εξασθένιση, ενώ καταλαμβάνει ένα μεγάλο εύρος ζώνης υποστηρίζοντας μετάδοση δεδομένων σε πολύ υψηλούς ρυθμούς. Ο τρόπος υλοποίησης του OFDM όμως εμπεριέχει και κάποιες παραμέτρους οι οποίες λειτουργούν ανασταλτικά και περιοριστικά για την επίτευξη των στόχων του 5G. Μία τέτοια παράμετρος είναι η χρήση κυκλικού προθέματος, κάτι το οποίο καταλαμβάνει σημαντικό χώρο μέσα στις ροές δεδομένων. Επιπλέον οι αναβαθμισμένες απαιτήσεις τις οποίες θα κληθούν να ικανοποιήσουν τα δίκτυα 5ης γενιάς, όπως είναι, μεταξύ άλλων, η ελαχιστοποίηση των καθυστερήσεων, η βέλτιστη διαχείριση των ενοποιημένων συστημάτων, η μεγάλη επεξεργαστική ισχύς, η εξυπηρέτηση προσαρμοσμένων υπηρεσιών και αναγκών από διαφορετικά κανάλια, οι μειωμένες εκπομπές εκτός ζώνης και η αυξημένη ανεκτικότητα στην έλλειψη ευθυγράμμισης μεταξύ χρόνου και συχνότητας, καθιστούν το συμβατικό OFDM, που χρησιμοποιείται στα δίκτυα 4ης γενιάς, ανεπαρκές. Σύμφωνα με τις προβλέψεις και τις απαιτήσεις για την επόμενη μέρα των δικτύων, θα παρέχεται ραδιοπρόσβαση μικρής εμβέλειας και με υψηλές ταχύτητες της τάξεως των δεκάδων Gbps, ενώ ταυτόχρονα οι ζώνες χαμηλότερης συχνότητας θα εξακολουθούν να παρέχουν συνεχή και αξιόπιστη πρόσβαση στο δίκτυο, ενισχυμένη από τη βελτιωμένη φασματική απόδοση. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 71

72 Μία μέθοδος πολυπλεξίας, η οποία καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος των απαιτήσεων και θεωρείται ως επικρατέστερη για την υλοποίηση των δικτύων 5ης γενιάς είναι η μέθοδος f-ofdm (filtered-ofdm). Η συγκεκριμένη τεχνολογία πολυπλεξίας αποτελεί μία ευέλικτη διαμόρφωση καναλιού, η οποία, σύμφωνα με τον σχεδιασμό της, μπορεί να λειτουργήσει ως σημαντικό δομικό στοιχείο για την επόμενη μέρα των δικτύων. Όπως δηλωνει και η ονομασία της, η συγκεκριμένη μέθοδος χρησιμοποιεί το φιλτράρισμα. Βασικό χαρακτηριστικό της συγκεκριμένης μεθόδου είναι ο διαχωρισμός του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε διάφορες υποζώνες, για το το κανάλι στο οποίο πρόκειται να μεταδοθεί το σήμα. Διαφορετικοί τύποι υπηρεσιών φιλοξενούνται σε διαφορετικές υποζώνες με την πιο κατάλληλη κυματομορφή και αριθμολογία. Αυτό επιτρέπει μια πολύ καλύτερη αξιοποίηση του φάσματος για την ποικιλία των υπηρεσιών που θα μεταφερθούν. Στο συμβατικό OFDM ολόκληρη η ζώνη αποτελείται από ένα μόνο μπλόκ και η απόσταση συχνοτήτων (frequency spacing) μεταξύ κάθε υποφορέα είναι σταθερή και συγκεκριμένη. Αντίθετα, στην μέθοδο f-ofdm η ζώνη αποτελείται από μικρές υποζώνες και μικρά μπλοκ. Εδώ οι αποστάσεις μεταξύ των υποφορέων είναι διαφορετικές και κάθε υποζώνη έχει το δικό της κυκλικό πρόθεμα, το οποίο επίσης μπορεί να ποικίλει. Παρά τη πολυπλοκότητα που παρουσιάζει η συγκεκριμένη μέθοδος στην υλοποίηση και στην εφαρμογή, το μεγάλο πλεονέκτημα που προσδίδει στο δίκτυο είναι η ευελιξία. Βελτιώνεται επίσης η προκαταβολική δέσμευση μέρους του εύρους ζώνης, το οποίο στο LTE υπολογίζεται στο 10% και λειτουργεί ως ζώνη ασφαλείας για την εξασθένιση σήματος, και σίγουρα αποτελεί μία σημαντική απώλεια ραδιοπόρων. Στη μέθοδο f- OFDM, με χρήση κατάλληλων φίλτρων αναμένεται το ποσοστό αυτό να μειωθεί σε ακόμα μικρότερα και πιο ικανοποιητικά επίπεδα, καθιστώντας τη διαχείριση του φάσματος ακόμα πιο αποτελεσματική και μειώνοντας δραστικά τις εκπομπές εκτός ζώνης. Μία ακόμα αδυναμία της τεχνολογίας OFDM, που αναμένεται να βελτιωθεί με την f- OFDM, είναι η μικρή ανεκτικότητα σε περιπτώσεις όπου δεν επιτυγχάνεται επαρκώς ο συγχρονισμός και η ευθυγράμμιση μεταξύ χρόνου και συχνότητας. H ευθυγράμμιση αυτή διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη της ορθογωνιότητας και την αποφυγή παρεμβολών μεταξύ καναλιών και συμβόλων. Ο συγχρονισμός αυτός όμως απαιτεί μεγάλης κλίμακας σηματοδοσία ειδικά στο κανάλι της ανόδου και ενδεχόμενες αποτυχίες κατά την προσπάθεια επίτευξης αυτής της διαδικασίας, οδηγούν συχνά σε υποβάθμιση των επιδόσεων. Σε ένα γενικό πλαίσιο, το εύρος ζώνης το οποίο αναμένεται να διατεθεί για το 5G, θα χωριστεί σε πολλές υποζώνες (Εικόνα 23). Σε κάθε μία από τις υποζώνες αυτές, με κατάλληλη χρήση της τεχνολογίας OFDM, θα γίνει αντιστοίχιση των αναγκών ενός συγκεκριμένου είδους υπηρεσίας με τα διαφορετικά χαρακτηριστικά του σχετικού καναλιού. Μερικές από αυτές τις παραμέτρους που διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο ανάλογα και με το είδος της υπηρεσίας, είναι η χρονική διάρκεια μετάδοσης (Transmission Τime Interval - TTI), το μήκος κυκλικού προθέματος (cyclic prefix - CP), η κατάλληλη απόσταση φορέα και άλλα [12]. Σε συνθήκες όπου απαιτείται πολύ χαμηλή καθυστέρηση ταυτόχρονα με αρκετά υψηλή αξιοπιστία στην επικοινωνία, όπως για παράδειγμα στην επικοινωνία μεταξύ κινούμενων οχημάτων, η χρονική διάρκεια μετάδοσης (ΤΤΙ) μειώνεται ενώ η απόσταση φορέα αυξάνεται. Αντίστοιχα, προκειμένου να εξασφαλιστεί η καλύτερη δυνατή κάλυψη σε συνδυασμό με αξιοπιστία και πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, όπως απαιτείται για Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 72

73 παράδειγμα στο Internet of Things, γίνεται χρήση μίας προσαρμοσμένης κυματομορφής μονού φορέα σε μία μικρή συχνότητα, ενώ αυξάνεται και η διάρκεια μετάδοσης (ΤΤΙ). Εικόνα 23: Λειτουγία f-ofdm Στη συνέχεια θα εφαρμόζεται μία διαδικασία φιλτραρίσματος για την εξάλειψη παρεμβολών μεταξύ των υποζώνων, ενώ η ορθογωνιότητα χρόνου-πεδίου (time - domain) μεταξύ διαδοχικών OFDM σε μία υποζώνη θα διαχωρίζεται σκόπιμα ώστε να επιτευχθεί ακόμα χαμηλότερη εκπομπή εκτός ζώνης με αμελητέες απώλειες. Επιπλέον η κατανομή και η σχέση χρόνου-συχνότητας γίνεται στο f-ofdm αρκετά πιο ευέλικτη και διαφοροποιείται ώστε να προσαρμόζεται στις απαιτήσεις της υπηρεσίας και τα χαρακτηριστικά του καναλιού. Με τον τρόπο αυτό θα υλοποιείται η ασύγχρονη μετάδοση στο δίκτυο. Όσον αφορά τη συμβατότητα που θα παρουσιάζει η συγκεκριμένη τεχνολογία, σε πρώτο στάδιο ένα μέρος των δικτύων 4G αναμένεται να χρησιμοποιηθεί για μετάδοση δεδομένων μέσω f-ofdm, καθιστώντας πλήρως λειτουργικές της συσκευές 4G. Μακροπρόθεσμα το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται από τα δίκτυα 4ης γενιάς θα μειώνεται σταδιακά, ενώ το υπόλοιπο εύρος ζώνης μαζί με νέα φάσματα θα διατεθούν στο 5G για πιο αποδοτική και ευέλικτη χρήση μέσω του f-ofdm. Κάτι τέτοιο καθιστά την τεχνολογία f-ofdm συμβατή τόσο προς τα πίσω όσο και προς τα εμπρός. Η ανάθεση συγκεκριμένων υπηρεσιών σε συγκεκριμένες υποζώνες με τη χρήση βελτιστοποιημένης τεχνολογίας, σε συνδυασμό με όσα αναφέρθηκαν νωρίτερα, είναι στοιχεία που θα βοηθήσουν στην κάλυψη των απαιτήσεων για τα δίκτυα 5ης γενιάς. Επιπλέον ενισχύουν τη θέση της μεθόδου f-ofdm σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες που έχουν προταθεί, όσον αφορά την απόδοση του δικτύου και τη διαχείριση φάσματος και ενέργειας. Άλλές υποψήφιες τεχνολογίες που εξετάζονται, είναι οι παρακάτω: FBMC (Filter Bank Multi-Carrier): Η μέθοδος αυτή παρουσιάζει πολλές ομοιότητες με το CP-OFDM, που είναι το ΟFDM των δικτύων 4ης γενιάς με χρήση κυκλικού προθέματος (cyclic prefix). To FBMC δεν φιλτράρει ολόκληρη την ζώνη, αλλά κάθε φορέα ξεχωριστά. Επιπλέον δεν κάνει χρήση του κυκλικού προθέματος και ως εκ τούτου μπορεί να επιτευχθεί ένα υψηλό επίπεδο φασματικής απόδοσης. UFMC (Universal Filtered MultiCarrier): Η μέθοδος αυτή μπορεί να θεωρηθεί ως βελτιστοποίηση του CP-OFDM. Διαφοροποιείται από το FBMC στο γεγονός ότι δεν φιλτράρει κάθε υποφορέα ξεχωριστα. Αντίθετα, χωρίζει πρώτα το σήμα σε έναν αριθμό από υποζώνες, τις οποίες φιλτράρει στη συνέχεια. Δεν είναι Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 73

74 απαραίτητη η χρήση κυκλικού προθέματος, αν και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με σκοπό την αποφυγή παρεμβολών. GFDM (Generalised Frequency Division Multiplexing): Αποτελεί μία ευέλικτη τεχνική μετάδοσης πολλαπλού φορέα που παρουσιάζει πολλές ομοιότητες με τη μέθοδο OFDM. Βασίζεται στη διαίρεση συχνοτήτων και η βασική διαφορά με το ΟFDM βρίσκεται στο γεγονός ότι οι φορείς δεν είναι ορθογώνιοι μεταξύ τους. Επιπλέον, σημαντικά επιτεύγματα, σε σύγκριση με το OFDM, είναι ο αποτελεσματικότερος έλεγχος των εκπομπών εκτός ζώνης και η μείωση του PARP που είναι ο λόγος κορυφής προς τη μέση ισχύς. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 74

75 7. ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΡΑΔΙΟΠΟΡΩΝ 7.1 Network Simulator 3 O Network Simulator 3 ή Ns-3 είναι ένας εξομοιωτής δικτύων τύπου διακριτού συμβάντος. Ο Ns-3 σχεδιάστηκε για να εξυπηρετεί τόσο ερευνητικές όσο και εκπαιδευτικές ανάγκες εξομοίωσης δικτύων. Πρόκειται για λογισμικό ανοιχτού κώδικα (open source) που διατίθεται ελευθέρα για σκοπούς έρευνας αλλά και ανάπτυξης νέων δικτυακών τεχνολογιών. Βασική επιδίωξη της σχεδίασης του Ns-3 είναι η ανάπτυξη του επικρατέστερου ανοικτού περιβάλλοντος εξομοίωσης για δικτυακή έρευνα. Θα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένο με τις πιο πρόσφατες ανάγκες της δικτυακής έρευνας, να ενθαρρύνει τη συμμετοχή της κοινότητας χρηστών του και να επιτρέπει την επαλήθευση του λογισμικού του. Το Ns-3 project είναι αφιερωμένο στην δημιουργία ενός σταθερού πυρήνα εξομοίωσης που είναι καλά τεκμηριωμένος, εύκολος στην χρήση και στο debug,και ότι μπορεί να ικανοποιήσει το σύνολο της ροής της εξομοίωσης, από την διαμόρφωσή της,στην συλλογή και ανάλυση αυτής. Επιπλέον ο ns-3 ενθαρρύνει την ανάπτυξη μοντέλων που είναι πολύ ρεαλιστικά ώστε να επιτρέψουν τον ns-3 να χρησιμοποιηθεί ως εξομοιωτής δικτύων πραγματικού χρόνου τα οποία συνδέονται με τον πραγματικό κόσμο και επιτρέπουν πολλές από τις υπάρχουσες εφαρμογές του να χρησιμοποιηθούν στον ns- 3.O πυρήνας του ns-3 υποστηρίζει την έρευνα και στα IP αλλά και στα μη-ιp δίκτυα. Ωστόσο η μεγάλη πλειοψηφία των χρηστών του επικεντρώνεται σε ασύρματες/ip εξομοιώσεις που περιλαμβάνουν τα μοντέλα Wi-Fi,WiMAX,LTE και μια ποικιλία από στατικά ή δυναμικά πρωτόκολλα δρομολόγησης, όπως το OLSR και το AODV για IPbased εφαρμογές. 7.2 Βασικά αντικείμενα ενός προγράμματος Ns-3 Για τη δημιουργία μιας εξομοίωσης στον Ns-3 απαιτείται η συγγραφή ενός προγράμματος σε γλωσσά C++ (script) το οποίο θα κάνει χρήση των βιβλιοθηκών του Ns-3 για την υλοποίηση των τμημάτων της υλοποίησης.τα βασικά αντικείμενα που διευκολύνουν την δημιουργία του προγράμματος εξομοίωσης στο Ns-3 είναι: Kόμβοι (Nodes): Στο Ns-3 η βασική έννοια της υπολογιστικής συσκευής καλείται κόμβος. Στη γλωσσά C++ η έννοια αυτή υλοποιείται από την κλάση Node. Ένας κόμβος Node μπορεί να διαθέτει εφαρμογές, στοίβες πρωτόκολλων και περιφερειακές κάρτες σύνδεσης που επιτρέπουν στον υπολογιστή να επιτελέσει χρήσιμες για την εξομοίωση λειτουργιές. Eφαρμογές (Applications): Συνήθως το λογισμικό κατατάσσεται σε δυο κατηγορίες, το λογισμικό συστήματος και τις εφαρμογές. Το λογισμικό συστήματος αναλαμβάνει την οργάνωση των πόρων του συστήματος όπως η μνήμη, ο επεξεργαστής,οι συσκευές αποθήκευσης και τα δίκτυα. Συνήθως το λογισμικό συστήματος δε χρησιμοποιεί τους πόρους αυτούς για την ολοκλήρωση εργασιών που απαιτεί ο χρήστης. Η δεύτερη κατηγορία λογισμικού, οι εφαρμογές, είναι αυτή που πρέπει να χρησιμοποιήσει ο χρήστης για να ελέγξει και να χρησιμοποιήσει τους πόρους που ελέγχονται από το λογισμικό συστήματος για την επίτευξη κάποιου στόχου. Στον Ns-3 δεν υπάρχει η έννοια του λειτουργικού συστήματος η των κλήσεων συστήματος. Αντιθέτως, υπάρχει και χρησιμοποιείται η έννοια της εφαρμογής. Όπως μια εφαρμογή εκτελείται σε έναν υπολογιστή για να επιτελέσει κάποια εργασία στον πραγματικό κόσμο έτσι και οι εφαρμογές του Ns-3 εκτελούνται σε κάποιον κόμβο Node για να επιτελέσουν εργασίες στον Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 75

76 εξομοιωμένο κόσμο. Στον Ns-3 η βασική αφαιρετική έννοια που περιγράφει ένα πρόγραμμα χρήστη το οποίο δημιουργεί κάποια δραστηριότητα που πρέπει να εξομοιωθεί είναι η εφαρμογή. Αναπαριστάται στη γλωσσά C++ από την κλάση Application.Η κλάση αυτή παρέχει τις μεθόδους για τη διαχείριση των αναπαραστάσεων των εφαρμογών χρήστη στον Ns-3.Οι χρήστες έχουν την δυνατότητα να δημιουργούν εξειδικεύσεις, με την έννοια του όρου στον αντικειμενοστραφή προγραμματισμό και να δημιουργούν νέες εφαρμογές για τις εξομοιώσεις τους. Κανάλια επικοινωνίας (Channels): Στην πραγματικότητα ένας υπολογιστής μπορεί να συνδεθεί σε ένα δίκτυο. Το μέσο στο οποίο πραγματοποιείται η ροή των δεδομένων σε αυτό το δίκτυο Πτυχιακή εργασία του φοιτητή Αμπαρτζή Αθανάσιου 50 από 97 ονομάζεται και κανάλι επικοινωνίας.στην εξομοίωση της πραγματικότητας που λαμβάνει χώρα στον Ns-3,για τη σύνδεση ενός υπολογιστή σε ένα δίκτυο πρέπει να γίνει η σύνδεση ενός αντικειμένου κλάσης Node σε ένα αντικείμενο που αναπαριστά ένα κανάλι επικοινωνίας. Η κλάση που αναπαριστά αφαιρετικά ένα κανάλι επικοινωνίας, πάντα σε γλώσσα C++ είναι η κλάση Channel. H κλάση Channel παρέχει μεθόδους για την διαχείριση υποδικτυακών αντικειμένων επικοινωνίας και τη σύνδεση κόμβων-υπολογιστών σε αυτά. Παρέχεται και εδώ η δυνατότητα εξειδικεύσεων της κλάσης με αποτέλεσμα να υπάρχει εξειδικεύσεις που μοντελοποιούν κανάλια επικοινωνίας τόσο απλά όσο ένα καλώδιο ή τόσο σύνθετα όπως μεγάλοι διακόπτες Ethernet η ένας τρισδιάστατος χώρος γεμάτος εμπόδια στην περίπτωση ασύρματων δικτύων. Δικτυακές Συσκευές (Net Devices): Η έννοια της δικτυακής συσκευής που χρησιμοποιούν οι πραγματικοί υπολογιστές χρησιμοποιείται και στο Ns-3 όπου η αφηρημένη έννοια Δικτυακή Συσκευή καλύπτει τόσο το λογισμικό οδηγό όσο και το εξομοιωμένο υλικό και υλοποιείται από την κλάση Net Device στην γλώσσα C++.Ενα αντικείμενο Net Device εγκαθίσταται σε ένα αντικείμενο Node ώστε να επιτρέψει την επικοινωνία με άλλα αντικείμενα Nodes στην εξομοίωση μέσω μιας σύνδεσης με αντικείμενα κλάσης Channel. Όπως στην πραγματικότητα ένα Node μπορεί να συνδέεται με περισσότερα αντικείμενα Channel μέσω πολλαπλών αντικειμένων NetDevice. Βοηθοί Τοπολογίας (Topology Helpers): ιαδικασίες όπως η σύνδεση αντικειμένων Net Device σε Nodes, σύνδεση Net Devices σε Channels,ανάθεση IP διευθύνσεων είναι κοινές σε όλες τις υλοποιήσεις εξομοιώσεων το Ns-3 προσφέρει ειδικά αντικείμενα που καλούνται topology helpers (βοηθοί τοπολογίας) για τη διευκόλυνση των διαδικασιών αυτών.για παράδειγμα απαιτούνται ξεχωριστές διαδικασίες του πυρήνα του Ns-3 για τη δημιουργία μιας Net Device, την ανάθεση μιας διεύθυνσης MAC,την εγκατάσταση της δικτυακής συσκευής σε ένα αντικείμενο Νοde,τη διαμόρφωση της στοίβας πρωτόκολλων και στην συνέχεια της σύνδεσης του αντικειμένου ΝetDevice σε ένα αντικείμενο Channel. Ακόμη περισσότερες ξεχωριστές διαδικασίες απαιτούνται στην περίπτωση σύνδεσης πολλαπλών συσκευών σε κανάλια επικοινωνίας πολλών σημείων και σύνδεσης ανεξάρτητων δικτύων σε διαδίκτυα. Τα αντικείμενα helpers συνδυάζουν όλες αυτές τις ξεχωριστές διαδικασίες σε εύκολα στη χρήση τους μοντέλα. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 76

77 7.3 Σενάριο υλοποίησης LTE στο Ns-3 Lena Module Η βασική έκδοση του ns-3 περιλαμβάνει μια ενότητα για τη βασική εξομοίωση ενός δικτύου LTE. Δίνεται η δυνατότητα για την εξομοίωση κόμβων enodeb και UE χωρίς όμως τη δυνατότητα εξομοίωσης του EPC τμήματος. Για το λόγο αυτό προτιμήθηκε η χρήση μιας διακλάδωσης στην ανάπτυξη του NS3 και συγκεκριμένα της έκδοσης του LTE EPC Νetwork Simulator (LENA). Υπάρχουν δύο κύρια συστατικά: Το LTE μοντέλο που περιλαμβάνει την LTE στοίβα πρωτοκόλλου του ασύρματου μέσου (RRC,PDCP,RLC,MAC,PHY). Αυτές οι οντότητες υπάρχουν εξ ολοκλήρου στους UE και ENB κόμβους. Το EPC μοντέλο που περιλαμβάνει τις διασυνδέσεις του κεντρικού δικτύου, τα πρωτόκολλα και τις οντότητες ο οποίες υπάρχουν στα SGW, PGW, και MME κόμβους και εν μέρει στους ΕΝΒ κόμβους [15]. Η βασική τοπολογία του σεναρίου μας έχει ώς εξής: Έχουμε ορίσει ένα κελί με μια κεραία, ενα remote Host και πολλαπλούς σταθμούς χρηστών (ανα 5 σε κάθε μέτρηση). Οι σταθμοί τοποθετούνται ομοιόμορφα σε τυχαία θέση σε ένα κύκλο γύρω από την κεραία με ακτίνα τα 600 μέτρα. Οι σταθμοί παραμένουν σταθεροί κατα την διάρκεια της προσομοίωσης. Εικόνα 24: Βασική Τοπολογία Οι χρονοπρογραμματιστές που επιλέχθηκαν για τις προσομοιώσεις είναι ο Proportionally Fair, ο Round Robin και ο Maximum Throughput. Οι χρονοπρογραμματιστές αυτοί ορίζονται στο αντικείμενο LteHelper του Ns-3, και λήφθηκαν μετρήσεις όσον αφορά τo μέσo throughput με αυξανόμενο κάθε φορά πλήθος χρηστών που κάνουν video streaming. Εικόνα 25: Χρονοπρογραμματιστές στο LTE-Helper Για την προσομοίωση του video streaming χρησιμοποιείται το on-off application το οποίο έχει 2 modes λειτουργίας, το ON period, κατα το οποίο αποστέλλονται πακέτα προς τους users, και το OFF period κατα το οποίο το datarate είναι μηδενικό. Ο χρόνος που παραμένουν στην εκάστοτε κατάσταση, καθορίζεται από τις μεταβλητές OnTime και Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 77

78 OffTime οι οποίες παίρνουν τυχαίες τιμές από 0 μέχρι 1. Χρησιμοποιείται datarate 33Mbps και μέγεθος πακέτου 512 bytes. Εικόνα 26: Χρήση on-off application για προσομοίωση video-streaming Όσον αφορά την επεξεργασία και την συλλογή των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε το flow monitor module του Ns-3 σε κάθε σταθμό και remote host όπως και η λειτουργία συλλογής πληροφοριών. Εικόνα 27: Χρήση flow monitor 7.4 Αποτελέσματα Μετρήσεων Έχουν ληφθεί συγκριτικές μετρήσεις για 3 χρονοπρογραμματιστές, Proportionally Fair, Round Robin και Maximum Throughput. Οι μετρήσεις πάρθηκαν στο downlink και στα σχήματα που ακολουθούν παρατηρούμε τις μετρήσεις που πάρθηκαν στο μέσο throughput ανα αριθμό χρηστών. Σ. Σάββα - Θ. Ζάγκας 78