EVOLUTION IN COMMUNICATION LONG TERM EVOLUTION. Αντώνης Χοντζεας

Transcript

1 EVOLUTION IN COMMUNICATION LONG TERM EVOLUTION Αντώνης Χοντζεας

2 Λίγα Λόγια : Ο κ. Αντώνης Χοντζέας εκτελεί καθήκοντα συµβούλου στρατηγικής στην εξέλιξη τεχνολογιών και επιχειρησιακών µοντέλων στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στο ευρύτερο τοπίο των τηλεπικοινωνιών Ο συγγραφέας θα ήθελε να ευχαρίστηση των ρ. John Hume (McGill), και των κ. Kevin House (Μ.Ι.Τ.) για την πολύτιµη προσφορά τους. Evolution in Communication Antonis Hontzeas for free public use

3 Long Term Evolution Ο όρος LTE (Long Term Evolution) εκφράζει το επόµενο σηµαντικό βήµα στις κινητές ραδιοεπικοινωνίες, και θα εισαχθεί στην έκδοση 8 (Release 8) της 3GPP (3 rd Generation Partnership Project). Ο στόχος της 3GPP είναι η καθολική βελτίωση των κινητών τηλεπικοινωνιών UMTS και να παρασχεθεί µια ενισχυµένη εµπειρία χρηστών και µια απλουστευµένη τεχνολογία για την ευρυζωνική κινητή τηλεφωνία επόµενης γενεάς. Η 3GPP είναι παγκόσµια κοινή προσπάθεια και αποτελείτε από οµάδες µηχανικών και ερευνητών που εκπροσωπούν πάνω από 60 operators, προµηθευτές και κέντρα έρευνας µε στόχο την τυποποίηση αυτής της καινούργιας αρχιτεκτονικής. Μεγάλο µέρος των προτύπων 3GPP Release 8 προσανατολίζονται γύρω από την αναβάθµιση του UMTS στο 4G και την µεταµόρφωση της αρχιτεκτονικής δικτύου από ιεραρχική σε επίπεδη, βασισµένη στο πρωτόκολλο IP.

4 Το LTE στοχεύει στην εκπλήρωση των απαιτήσεων των δικτύων επόµενης γενεάς συµπεριλαµβανοµένων των µέγιστων downlink ταχυτήτων (peak rates) 100Mbps, 50 Mbps στο uplink και roundtrip χρόνος λιγότερο από 10ms στο δίκτυο πρόσβασης (RAN). LTE υποστηρίζει τα εύκαµπτα ραδιοευρυζωνικά σχήµατα (flexible carrier bandwidths) από 1.4MHz µέχρι 20MHz καθώς επίσης και τα γνωστά ντούµπλεξ σχήµατα FDD και TDD. Οι στόχοι LTE περιλαµβάνουν τη βελτίωση της φασµατικής αποδοτικότητας, που χαµηλώνει τις δαπάνες, βελτιώνοντας τις υπηρεσίες, που χρησιµοποιούν το νέο φάσµα και τις ευκαιρίες του refarmed φάσµατος, και η καλύτερη ενσωµάτωση µε άλλα ανοικτά πρότυπα. Η αρχιτεκτονική που θα προκύψει από αυτήν την εργασία καλείται eps 4

5 (evolved packet system) και περιλαµβάνει το e- Utran (evolved UTRAN) από την πλευρά πρόσβασης και EPC (evolved packet core) από την πλευρά δικτύου. Το EPC είναι επίσης γνωστό ως SAE (System Architecture Evolution) και το e- Utran είναι επίσης γνωστό ως LTE. Τα κύρια πλεονεκτήµατα του LTE είναι υψηλό throughput, low latency, εξ αρχής plug and play (αυτορυθµιζόµενος πυρήνας και άκρες δικτύου), FDD/TDD στην ίδια πλατφόρµα, εξαιρετική εµπειρία για τον χρήστη και απλή αρχιτεκτονική µε συνέπεια τις χαµηλές λειτουργούσες δαπάνες (OPEX). Το LTE θα υποστηρίξει επίσης τη συνεχή σύνδεση (backward compatibility) στα υπάρχοντα δίκτυα, όπως το GSM, CDMA και WCDMA. Εντούτοις η δοµή του LTE αποτελείτε από καινούργιες αρχιτεκτονικές/τεχνολογίες RAN και core δικτύου και δεν είναι συµβατές µε τις προηγούµενες παρούσες τεχνολογίες και εκδόσεις των συστηµάτων UMTS. Τα πρότυπα περιλαµβάνουν: Peak download rates των 326,4 Mbps για 4x4 MIMO, 172,8 Mbps για 2x2 MIMO για κάθε 20 MHz φάσµατος. Peak upload rates των 86,4 Mbps για κάθε 20 MHz φάσµατος. 5

6 5 διαφορετικές κατηγορίες τερµατικών οι οποίες έχουν καθοριστεί αφ ενός ως voice centric µε επίκεντρο τη φωνή, και αφ ετέρου ως data centric µε την δυνατότητα να χειρίζονται µεγάλες ποσότητες δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες. Όλα τα τερµατικά θα είναι σε θέση να επεξεργαστούν το εύρος ζώνης των 20 MHz. Τουλάχιστον 200 ενεργοί χρήστες σε κάθε κυψέλη των 5 MHz (δηλ., 200 ενεργοί data χρήστες) Κάτω απο 5ms latency για τα µικρά πακέτα IP Αυξανόµενη ευελιξία φάσµατος, µε τις φέτες φάσµατος πχ. των 1,5 MHz (έως και 20 MHz) που υποστηρίζονται (το W- CDMA απαιτεί φέτες των 5 MHz, που οδηγούν σε προβλήµατα µε roll outs σε χώρες όπου 5 MHz διατιθέµενο ποσό σε χρήση legacy 2G δικτύων δηλαδή GSM and cdmaone.) Ο περιορισµός των µεγεθών σε 5 MHz περιορίζει επίσης το εύρους ζώνης ανά κινητό. Βέλτιστο µέγεθος κυψελών των 5 χλµ εώς και 30 χλµ µε καλή απόδοση, και µέχρι 100 χλµ µε ικανοποιητική απόδοση. Συνύπαρξη µε legacy δίκτυα (οι χρήστες µπορούν διαφανώς να αρχίσουν µια κλήση χρησιµοποιώντας LTE, και, εάν η κάλυψη είναι µη διαθέσιµη, να συνεχίσει η κλήση χωρίς οποιαδήποτε δράση από τη µεριά του user µέσω GSM /GPRS ή WCDMA. ) Υποστήριξη MBSFN (Multicast Broadcast Single Frequency Network). Αυτό το 6

7 χαρακτηριστικό υποστηρίζει υπηρεσίες όπως τη κινητή TV χρησιµοποιώντας την υποδοµή LTE, και είναι ανταγωνιστής του DVB-h. Pu 2 RC ως πρακτική λύση για το MU- MIMO..Η λεπτοµερής διαδικασία για τη γενική λειτουργία MU- MIMO παραπέµπεται στο LTE Advanced. Ένα µεγάλο ποσοστό του σχεδιασµού στοχεύει στην απλούστευση αρχιτεκτονική καθώς διέρχεται από το υπάρχον circuit switched/packet switched 3G δίκτυο, σε ένα επίπεδο all IP σύστηµα αρχιτεκτονικής. Γιατί LTE; Μια αρκετά καλή ερώτηση έχει να κάνει µε το γιατί η βιοµηχανία κινητών τηλεπικοινωνιών, ξανά εξετάζει την αρχιτεκτονική του δικτύου πρόσβασης και την γενική υποδοµή, µια και έχει πέραση µόνο µια δεκαετία από την έναρξη των πρώτων δικτύων 3G ; Ένα µέρος της απάντησης έχει να κάνει µε µια γενική αλλαγή στο τοπίο αγοράς, αλλαγή όπου οι 7

8 προσδοκίες χρηστών αυξάνονται συνέχεια λόγω προκλήσεων όπως οι σταθερές ευρυζωνικές υπηρεσίες (dsl, fibre κλπ.) και σχετικές υπηρεσίες χαµηλού η µηδέν κόστους όπως skype video, web tv, voip κλπ. Η ευρυζωνικότητα είναι µέρος της σηµερινής κινητής εµπειρίας πελατών όπως και αποδεικνύεται από τη µετατόπιση χρηστών/συνδροµητών και γενική αύξηση στη χρήση των δικτύων WCDMA. Ο Φλεβάρης του 2008 έγινε µάρτυρας σε περίπου 20 εκατοµµύριο συνδροµητές στα δίκτυα HSDPA, και εκατοντάδες τερµατικά τα οποία ήτανε εµπορικά διαθέσιµα, και τα οποία υποστήριζαν (τουλάχιστον θεωρητικά) µέχρι 7,2 Mbps downlink. Στο ίδιο χρονικό πλαίσιο, περισσότεροι από 25 operators είχαν παγκοσµίως επίσης εµπορευµατοποιηµένα (υψηλή uplink ταχύτητας πρόσβαση πακέτων) δίκτυα HSUPA, µε τουλάχιστον εκατό περισσότερα προγραµµατισµένα rollouts. Το φυσικό αντίστοιχο του HSDPA, το HSUPA υπόσχετε uplink ταχύτητες των 5,8 Mbps και παρέχει ένα πολύτιµο συµπλήρωµα για operators που επιθυµούν την εισαγωγή συµµετρικών κινητών ευρυζωνικών υπηρεσιών που απαιτούν 8

9 uplink/downlink υψηλών ταχυτήτων (πχ. mobile VoIP). Επιπλέον, υπάρχουν σήµερα και άλλες ώριµες τεχνολογίες ( δεδοµένου ότι το UMTS ήταν η πρώτη commercialized τεχνολογία), mobile WiMAX το οποίο έγινε αποδεκτό πρόσφατα από την ITU ως η έκτη µέθοδος ραδιο πρόσβασης για IMT , κάτω από την ορολογία «IMT OFDMA TDD WMAN» και υλοποιείτε από περιορισµένο αριθµό operators, κυρίως σε Ασία και Αµερική. Επίσης, αρκετοί ευρωπαϊκοί carriers έχουν εκφράσει επιθυµία για την ανάπτυξη της τεχνολογίας WIMAX ως συµπλήρωµα στις τρέχουσες 3G/UMTS διαδικασίες τους. Η αποδοχή του κινητού WiMAX ως µέρος του ΙΜΤ-2000 προσφέρει στους operators γκάµα διαφόρων τεχνολογιών ( και επιτρέπει την εισαγωγή του WIMAX στα πλαίσια των αδειών 3G που ήδη κατέχουν) προς την παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών προς την πελατειακή βάση. ηλαδή, τώρα γίνετε εφικτή η προσφορά υπηρεσιών σε περιοχές όπου δεν υπάρχει σταθερή υποδοµή και όπου δεν θα ήταν πρακτικό, από οικονοµική πλευρά, να επεκταθεί σε βάθος χρόνου το σταθερό δίκτυο (µε τις αντίστοιχες οικονοµικές επιβαρύνσεις στην καθολική υπηρεσία και στον ήδη επιβαρυµένο φορολογούµενο). Κατά συνέπεια, το LTE θα επιτρέψει στους operators την πρόσβαση σε φρέσκες πηγές εσόδων, και σηµαντικές οικονοµίες κλίµακας που ρέουν από τη συµµετοχή τους στο κύκλο της µεγαλύτερης και επιτυχέστερης οικογένειας εξελισσόµενων 9

10 κυψελοειδών συστηµάτων όπως διευκρινίζονται από τη 3GPP. 10

11 Επίπεδη Αρχιτεκτονική Ένα χαρακτηριστικό των δικτύων επόµενης γενεάς είναι ότι είναι βασισµένα στο πρωτόκολλο TCP/IP. Αυτό παρέχει στους χρήστες πλουσιότερη εµπειρία επικοινωνιών συµπεριλαµβανοµένης της ενισχυµένης φωνής, του βίντεο, και των υπηρεσιών µηνύµατος και των προηγµένων λύσεων πολυµέσων. Το 2004, η 3GPP πρότεινε το TCP/IP ως το βασικό πρωτόκολλο διασύνδεσης για τα δίκτυα επόµενης γενεάς και άρχισε τις µελέτες σκοπιµότητας (feasibility studies) σε αρχιτεκτονικές IP (AIPN). Οι προτάσεις που αναπτύχθηκαν περιέλαβαν τις συστάσεις για 3GPP Release 7 (2005), οι οποίες θα

12 λειτουργήσουν ως βάσεις πρωτοκόλλων πιο υψηλού επιπέδου όπως το LTE. Αυτές οι συστάσεις είναι µέρος της 3GPP αρχιτεκτονικής συστηµάτων System Architecture Evolution (SAE). Μερικές πτυχές των all IP δικτύων, εντούτοις, έχουν καθοριστεί ήδη από την 3GPP Release 4. Η 3GPP καθορίζει την επίπεδη δικτυακή αρχιτεκτονική ως τµήµα της SAE. Η αρχιτεκτονική και οι έννοιες LTE SAE έχουν σχεδιαστεί για την αποδοτική υποστήριξη mass-market της χρήσης οποιασδήποτε βασισµένη σε IP υπηρεσία. Η αρχιτεκτονική είναι βασισµένη σε µία από τις προτεινόµενες εξελίξεις (υπήρχανε αρκετές τέτοιες προτάσεις) των υπαρχόντων δικτύων GSM/WCDMA µε απλουστευµένες διαδικασίες και την οµαλή, οικονοµικά αποδοτική επέκταση. Το κύριο συστατικό της αρχιτεκτονικής SAE είναι ο εξελιγµένος πυρήνας πακέτων (Enhanced Packet Core or EPC), επίσης γνωστός ως πυρήνας SAE. Το EPC θα εξυπηρετήσει όπως ισοδύναµο των δικτύων GPRS (µέσω των υποσυστηµάτων (subcomponents) Mobility Management Entity, Serving Gateway και PDN Gateway ). Τα υποσυστήµατα (subcomponents) του EPC αποτελούνται από : MME (Mobility Management Entity) : Το ΜΜΕ είναι ο βασικός κόµβος ελέγχου για πρόσβαση στο δίκτυο LTE. Είναι αρµόδιο για την παρακολούθηση της κατάστασης του UE (τερµατικά χρηστών) tracking χρηστών και διαδικασία paging συµπεριλαµβανοµένων των 12

13 αναµεταδόσεων. Περιλαµβάνεται επίσης τη διαδικασία ενεργοποίησης/απενεργοποίησης ραδιο φορέων και είναι επίσης αρµόδιο για την επιλογή του SGW ανά UE από την αρχική σύνδεση και στην διαδικασία του Inter-LTE handover που περιλαµβάνει τον επανεντοπισµό κόµβων κεντρικών δικτύων (CN). Είναι αρµόδιο για την επικύρωση του χρήστη (αλληλεπίδραση µε το HSS). Η σηµατοδότηση στρωµάτων µη-πρόσβασης (NAS) τερµατίζει στο MME και είναι επίσης αρµόδιο για την παραγωγή και κατανοµή προσωρινών ταυτοτήτων στα UEs. Ελέγχει την έγκριση του UE όσον αφορά τη σύνδεση του στο κινητό δίκτυο του φορέα παροχής υπηρεσιών (PLMN) και επιβάλλει τους περιορισµούς περιαγωγής στα UE. Το ΜΜΕ είναι το σηµείο τερµατισµού του δικτύου για την προστασία ciphering/integrity για σηµατοδότηση NAS και απευθύνετε στη βασική διαχείριση ασφάλειας όπως επίσης και τη νόµιµη συνακρόαση (Lawful Interception). S-GW (Serving Gateway): Το S-GW δροµολογεί και προωθεί data - πακέτα χρηστών, επίσης ενεργώντας ως mobility anchor για τα τερµατικά κατά τη inter-enb handovers όπως και για κινητικότητα µεταξύ LTE και άλλων 3GPP τεχνολογιών/δικτύων. Για τερµατικά που είναι συνδεδεµένα αλλά IDLE, το SGW ολοκληρώνει την διαδικασία συσσώρευσης στοιχείων για το UE (π.χ. πληροφορίες DL, UE contexts, IP bearer service, network internal routing information, 13

14 νόµιµη συνακρόαση) και ενεργοποιεί τη διαδικασία paging. P-GW (PDN gateway): Το PDN GW παρέχει τη συνδετικότητα στο UE προς στα εξωτερικά δίκτυα δηλαδή είναι το σηµείο αναφοράς όσον αφορά την κίνηση προς/από το UE. Ένα UE µπορεί να έχει την ταυτόχρονη συνδετικότητα µε περισσότερα από ένα PDN GW για την πρόσβαση πολλαπλάσιων PDNs. Το PDN GW εκτελεί policy enforcement, το φιλτράρισµα πακέτων για κάθε χρήστη, την υποστήριξη χρέωσης, νόµιµη συνακρόαση, και επιλογή πακέτων. Ένας άλλος βασικός ρόλος του PDN GW είναι να ενεργήσει ως anchor για την κινητικότητα µεταξύ 3GPP και µη- 3GPP τεχνολογίες όπως WiMAX και 3GPP2 (CDMA 1X και EvDO). 14

15 Radio E-UTRA Air Interface Το σύστηµα ραδιο-διεπαφής (air interface) της Release 8 γνωστό ως E-UTRA (δηλαδή εξελιγµένο UTRA, το E - πρόθεµα που είναι κοινό για τα εξελιγµένα αντίτιµα των παλαιότερων υποσυστηµάτων UMTS) θα χρησιµοποιούταν από τους UMTS operators που επεκτείνουν τα ασύρµατα δίκτυά τους. Είναι σηµαντικό να σηµειωθεί ότι η Release 8 προορίζεται για τη χρήση οποιουδήποτε δικτύου IP, συµπεριλαµβανοµένου WiMAX και WiFi, και ακόµη και τα σταθερά (καλωδιακά) δίκτυα. Το προτεινόµενο σύστηµα E-UTRA χρησιµοποιεί OFDMA για την downlink σύνδεση (πύργος/σταθµός προς κινητό) και τον ενιαίο µεταφορέα FDMA (Sc- Fdma) για uplink και υιοθετεί MIMO µε µέχρι τέσσερις κεραίες (δηλ. 4x4) ανά σταθµό. Το σχέδιο κωδικοποίησης καναλιών για transport blocks είναι κωδικοποίηση turbo και contention free τετραγωνικό permutation πολυωνυµικό (QPP) turbo εσωτερικό interleaver. 15

16 Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) είναι µια multiuser έκδοση του δηµοφιλούς OFDM ψηφιακού modulation. Η πολλαπλάσια πρόσβαση επιτυγχάνεται σε OFDMA µε την ανάθεση των υποσυνόλων των υποµεταφορέων στους µεµονωµένους χρήστες. Αυτό επιτρέπει την ταυτόχρονη χαµηλή µετάδοση ποσοστού στοιχείων από διάφορους χρήστες. Τα υποσχόµενα πλεονεκτήµατα του OFDMA: Ευελιξία της επέκτασης στις διάφορες ζώνες συχνότητας µε ελάχιστη τροποποίηση στο πρωτόκολλο πρόσβασης. Υπολογισµός µέσου όρου των παρεµβολών από της γειτονικές κυψέλες, χρησιµοποιώντας διαφορετικών βασικών permutations µεταφορέων µεταξύ των χρηστών των αντίστοιχων κυψέλων. Οι παρεµβάσεις στις κυψέλες υπολογίζονται κατά µέσο όρο µε τη χρησιµοποίηση της κατανοµής των κυκλικών permutations. Επιτρέπει orthogonality στο uplink µέσω συγχρονισµού χρηστών και συχνότητας. 16

17 Επιτρέπει την ενιαία κάλυψη δικτύων συχνότητας (Single Frequency Network coverage), όπου µπορεί να µετατρέψει περιοχή µε προβληµατική κάλυψη σε άριστη κάλυψη. Επιτρέπει την προσαρµοστική κατανοµή µεταφορέων στον πολλαπλασιασµό 23 µεταφορέων = µεταφορείς nx23 µέχρι 1587 µεταφορείς ( µόνο για µεταφορείς δεδοµένων). Προσφέρει diversity συχνότητας µε τη διανοµή των µεταφορέων (carriers) σε όλο το χρησιµοποιηµένο φάσµα. Προσφέρει time diversity µε την προαιρετική παρεµβολή σε χρόνο των carriers. Αναγνωρισµένα µειονεκτήµατα του OFDMA: Υψηλότερη ευαισθησία στα όφσετ συχνότητας και το phase noise. Οι ασύγχρονες υπηρεσίες µεταδόσεων στοιχείων όπως η πρόσβαση Ιστού χαρακτηρίζονται από τις σύντοµες εκρήξεις υψηλού ποσοστού δεδοµένων. Ελάχιστοι χρήστες σε κυψέλη σταθµού βάσεως εκτελούν ταυτόχρονη διακίνηση δεδοµένων σε χαµηλό data rate. Η πολυπλοκότητα των στοιχείων του OFDM, συµπεριλαµβανοµένων των αλγορίθµων FFT και Forward Error Correction είναι συνεχώς ενεργά ασχέτως του ποσοστού µεταφοράς δεδοµένων, που οδηγεί σε µη αποδοτική κατανάλωση ενέργειας Το diversity gain και αντίσταση σε frequencyselective fading, µπορεί εν µέρει να χαθεί εάν 17

18 ελάχιστοι subcarriers ορίζονται ανά χρήστη, και εάν ο ίδιος carrier χρησιµοποιείται ανά σύµβολο OFDM. Η προσαρµοστική ανάθεση υποµεταφορέων βασισµένη στις γρήγορες πληροφορίες ανατροφοδότησης σε σχέση µε το δίαυλο, ή hopping συχνότητας υποµεταφορέων, είναι εποµένως επιθυµητό. Ο τρόπος επεξεργασίας των παρεµβολών από γειτονικές κυψέλες είναι αρκετά πιο σύνθετος από ότι είναι στο κλασσικό CDMA. Χαρακτηριστικά και Τρόπος λειτουργίας Με βάση τις πληροφορίες ανατροφοδότησης για την κατάσταση των ραδιο διαύλων, η προσαρµοστική ανάθεση καναλιών ανά χρήστη µπορεί να επιτευχθεί. Εάν η ανάθεση γίνεται αρκετά γρήγορα, θα παρατηρήσουµε περαιτέρω βελτιώνει στην ευρωστία της µετάδοσης OFDM όσον αφορά το fast fading και co-channel interference, µε αρκετές καλές πιθανότητες να επιτύχει ακόµα καλύτερη φασµατική αποδοτικότητα. Ο διαφορετικός αριθµός υποµεταφορέων µπορεί να οριστεί στους διαφορετικούς χρήστες, µε σκοπό την υποστήριξη της διαφοροποιηµένης QoS, δηλαδή για να ελέγξει την ταχύτητα δεδοµένων και πιθανότητα ποσοστού λανθασµένων στοιχείων χωριστά για κάθε χρήστη. Σε γενικές γραµµές το OFDMA πλησιάζει το CDMA, όπου οι χρήστες µπορούν να επιτύχουν διαφορετικές 18

19 ταχύτητες επικοινωνίας αναθέτοντας διαφορετικά spreading factors σε κάθε χρήστη. Αφ ετέρου το OFDMA µπορεί να θεωρηθεί ως εναλλακτική λύση του συνδυασµού OFDM-TDMA. Η µετάδοση χαµηλών data rates µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε χαµηλή ισχύς αντί ενός pulsed carrier υψηλής ισχύς. Η σταθερή καθυστέρηση (Constant Delay), και η σύντοµη καθυστέρηση (shorter delay), µπορούν να επιτευχθούν. OFDMA µπορεί επίσης να περιγραφεί ως συνδυασµός πολλαπλάσιας πρόσβασης περιοχών συχνότητας και χρονικών περιοχών, όπου οι πόροι χωρίζονται στο διάστηµα χρόνος-συχνότητας, και τά slots ορίζονται κατά µήκος του δείκτη συµβόλων OFDM καθώς επίσης και του δείκτη υποµεταφορέων OFDM. OFDMA θεωρείται ως ιδιαίτερα κατάλληλο για τα ευρυζωνικά ασύρµατα δίκτυα, λόγω των πλεονεκτηµάτων συµπεριλαµβανοµένης της εύκολης scalablity και ευέλικτης υποστήριξης της τοπολογίας κεραιών MIMO, και τη δυνατότητα να εκµεταλλευθεί την επιλεκτικότητα συχνότητας καναλιών. Single-carrier FDMA (SC-FDMA) αναφέρετε σε frequency division πολλαπλής πρόσβασης (δηλ. η έκδοση του Single-carrier frequency-domainequalization (SC-FDE)) και υποστηρίζει πολλαπλούς χρήστες. Το SC-FDE µπορεί να θεωρηθεί ως γραµµικά προκωδικοποιηµένο σχέδιο OFDM, ενώ το SC-FDMA ως γραµµικά προκωδικοποιηµένο OFDMA σχέδιο, άρα LP-OFDMA. Ή, µπορεί να 19

20 αντιµετωπισθεί ως single carrier multiple access scheme. Ένα προεξέχον πλεονέκτηµα άνω των συµβατικών OFDM και OFDMA είναι ότι τα σήµατα SC -FDE και LP- OFDMA/SC-FDMA έχουν χαµηλότερο peak-to-average power ratio (PAPR) λόγω της έµφυτης ενιαίας δοµής των µεταφορέων (carrier). Ακριβώς όπως στο OFDM, τα guard intervals µε κυκλική επανάληψη εισάγονται µεταξύ των blocks των συµβόλων και αποσκοπούν να αποβάλουν αποτελεσµατικά το time spreading (που προκαλείται από multipath spreading) µεταξύ των blocks. Το δε FFT (Fast Fourrier Transform) στο OFDM, εφαρµόζεται από την πλευρά δεκτών σε κάθε block συµβόλων, και το αντίστροφο FFT (IFFT) από την πλευρά της εκποµπής. Στο SC-FDE, το FFT και IFFT ενεργοποιούνται από την πλευρά δεκτών, αλλά όχι από την πλευρά συσκευών αποστολής σηµάτων. Στο SC-FDMA, το FFTκαι IFFT εφαρµόζονται από την πλευρά συσκευών αποστολής σηµάτων, και επίσης από την πλευρά δεκτών. Στο OFDM καθώς επίσης και το SC-FDE και SC- FDMA, το equalization επιτυγχάνεται από την πλευρά δεκτών µετά από τον υπολογισµό FFT, πολλαπλασιάζοντας κάθε συντελεστή Fourier µε σύνθετο (complex vector space) αριθµό. Κατά συνέπεια, frequency selective fading και η διαστρέβλωση φάσης µπορούν να καταπολεµηθούν. Το πλεονέκτηµα είναι ότι το FFT και frequency domain equalization απαιτεί λιγότερη ισχύ υπολογισµού (που µεταφράζετε σε λιγότερη φόρτωση στη µονάδα τροφοδότησης (πχ. µπαταρία) 20

21 και γρηγορότερη ανταπόκριση) από το συµβατικό time domain equalization. Στο SC-FDMA, η πολλαπλάσια πρόσβαση πραγµατοποιείται µε την παρεµβολή των silent Fourier-coefficients από την πλευρά συσκευών αποστολής σηµάτων πριν από το IFFT, και τη αφαιρώντας τους από την πλευρά δεκτών πριν από το IFFT. Οι διαφορετικοί χρήστες διορίζονται στους διαφορετικούς Fourier-coefficients (subcarriers). Η χρήση της τεχνολογίας OFDM, ένα σύστηµα όπου το διαθέσιµο φάσµα διαιρείται σε πολλούς λεπτούς µεταφορείς, κάθε ένας σε µια διαφορετική συχνότητα, κάθε ένας που φέρνει ένα µέρος του σήµατος, επιτρέπει στο E- UTRA να είναι εύκαµπτο στη χρήση φάσµατός της από τα παλαιότερα βασισµένα στο CDMA συστήµατα που κυριαρχούσαν στα δίκτυα 3G. Τα δίκτυα CDMA απαιτούν αρκετά blocks φάσµατος τα οποία διατεθούν σε κάθε µεταφορέα, για να διατηρήσουν τα υψηλά chip rates, και µεγιστοποιούν έτσι την αποδοτικότητα. Ο σχεδιασµός ραδιοποµπών ικανών να διαχειριστούν αυτά τα chip rates (και την αναγκαία ευρυζωνικότιτα φάσµατος) είναι αρκετά πιο σύνθετη από δηµιουργώντας radio units που εκπέµπουν και λαµβάνουν το ίδιο µέγεθος µεταφορέα, άρα τα συστήµατα βασισµένα στο CDMA τυποποιούν και τα δύο. Η τυποποίηση σε µια σταθερή φέτα φάσµατος έχει συνέπειες για operators που επεκτείνουν το σύστηµα: στενό φάσµα έχει ως συνέπια µειωµένη αποδοτικότητα ενώ υπέρ ανάθεση φάσµατος προκαλεί ζητήµατα επέκτασης (δηλαδή έλλειψη φάσµατος) για άλλους. Είναι ένα σηµαντικό ζήτηµα 21

22 το οποίο παρατηρήθηκε στο roll-out του UMTS στις ΗΠΑ όπου η απαίτηση των 5 MHZ των 3G/WCDMA συστηµάτων παρουσίασε προβλήµατα συνύπαρξης µε τα υπάρχοντα δίκτυα GSM. Το LTE υποστηρίζει και FDD και TDD. Κάθε mode έχει το αντίστοιχο frame structure στα πλαίσια της δοµής του LTE µε σχετική ευθυγράµµιση που σηµαίνει ότι παρόµοιο hardware µπορεί να χρησιµοποιηθεί στους σταθµούς βάσεως και τα τερµατικά βάσεων για να επιτρέψει οικονοµίες κλίµατος. Το mode TDD µέσω LTE ευθυγραµµίζεται µε το TD- SCDMA επιτρέποντας επίσης τη συνύπαρξη. H Ericsson υπέδειξε στο MWC (Mobile World Congress) το 2008 στη Βαρκελώνη για πρώτη φορά στον κόσµο συνύπαρξη FDD και TDD (LTE )στην ίδια πλατφόρµα σταθµών βάσεων. 22 Downlink Το LTE χρησιµοποιεί OFDM για την downlink σύνδεση δηλαδή από το σταθµό βάσεως έως το τερµατικό. OFDM καλύπτει την απαίτηση του LTE για την ευελιξία φάσµατος και επιτρέπει τις οικονοµικά αποδοτικές λύσεις για τους πολύ ευρείς µεταφορείς µε high peak rates. Είναι µια

23 καθιερωµένη τεχνολογία, πχ στα standards όπως ieee a/b/g, , HIPERLAN-2, DVB και DAB. Το time domain περιέχει radio frame διάρκειαs 10 ms και αποτελείται από 10 υπο- πλαίσια (subframes) διαρκείας 1ms το κάθε ένα. Κάθε υπο- πλαίσιο αποτελείται από 2 slots τών 0,5 ms. Το διαχωριστικό φάσµα µεταξύ των carriers είναι 15 khz. ώδεκα από αυτούς τους carriers αποτελούν οµάδα η οποία ονοµάζετε resource block, άρα κάθε resource block καταναλώνει 180 khz. 6 resource blocks ανά µεταφορέα (carrier) των 1,4 MHz και 100 resource blocks ανά µεταφορέα των 20 MHz. Τα υποστηριγµένα συστήµατα πολλαπλασιασµού στα downlink κανάλια είναι QPSK, 16QAM and 64QAM. Για τη λειτουργία MIMO, µια διάκριση γίνεται µεταξύ του ενιαίου χρήστη MIMO, για την ενίσχυση data throughput του χρήστη, και του πολυχρήστη MIMO για την ενίσχυση της cell throughput. Στα συστήµατα MIMO, ο transmitter σηµάτων στέλνει τα πολλαπλάσια streams από πολλαπλάσιες transmit κεραίες. Τα transmit streams 23

24 περνούν από ένα matrix κανάλι που αποτελείται από πολλαπλές transmit antennas στον transmitter και πολλαπλές receive antennas στον δέκτη. Κατόπιν, ο δέκτης παίρνει τα λαµβανόµενα vectors σηµάτων από τις multiple receive antennas και αποκωδικοποιεί τα λαµβανόµενα vectors σηµάτων στις αρχικές πληροφορίες. Spatial Multiplexing τεχνικές καθιστούν τους δέκτες πολύ σύνθετους, και εποµένως συνδυάζονται µε OFDM ή OFDMA, όπου τα προβλήµατα που δηµιουργούνται από τις πολλαπλές διαδροµές (multipath effects) αντιµετωπίζονται αποτελεσµατικά. Uplink Στο Uplink, το LTE χρησιµοποιεί µια προκωδικοποιηµένη OFDM έκδοση δηλαδή Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC- FDMA).Το SC-FDMA προσφέρει αντισταθµίσει σε βασικό µειονέκτηµα του OFDM, δηλαδή την πολύ υψηλή αιχµή Peak to Average Power Ratio (PAPR). Υψηλό PAPR απαιτεί τους ακριβούς και ανεπαρκείς ενισχυτές µε τις υψηλές απαιτήσεις στη γραµµικότητα (linearity), η οποία αυξάνει το κόστος του τερµατικού και στραγγίζει την µπαταρία γρηγορότερα. Το SC-FDMA λύνει αυτό το πρόβληµα µε να συγκεντρώσει τα resource blocks κατά τέτοιο τρόπο ώστε να µειώνει την ανάγκη για τη γραµµικότητα, και έτσι απαιτούµενη κατανάλωση ισχύος, του power amplifier. Ένα χαµηλό PAPR βελτιώνει επίσης την κάλυψη και την απόδοση στα άκρα του ράδιο δικτύου (cell edge). 24

25 Modulation στο uplink συµπεριλαµβάνει QPSK, 16QAM and 64QAM. Εάν χρησιµοποιηθεί εικονικό MIMO/Spatial Division Multiplex Access (SDMA) το data rate στο uplink µπορεί να αυξηθεί ανάλογα µε τον αριθµό κεραιών στο σταθµό βάσεως. Με αυτό το τρόπο περισσότερα κινητά έχουν την δυνατότητα να επαναχρησιµοποιήσουν τους ίδιους πόρους. ιαχείριση Φάσµατος Οι τεχνολογίες LTE και WIMAX κατέχουν χαρακτηριστικά που µπορούν να ωφελήσουν διάφορους στοχευόµενους τοµείς της αγοράς. Ο βασικός differentiator είναι ότι το WiMAX χρησιµοποιεί TDD (Time-Division-Duplex) και θα απευθυνθεί στους operators που έχουν unpaired φάσµα ενώ το LTE υποστηρίζει κυρίως FDD (Frequency-Division-Duplex) και θα απευθυνθεί στους operators που κατέχουν paired φάσµα. Το TDD επιτρέπει στην uplink και downlink σύνδεση να µοιράζετε το ίδιο φάσµα, ενώ το FDD υποστηρίζει τις uplink/downlink συνδέσεις σε διαφορετικές συχνότητες. 25

26 ΦΑΣΜΑ Advanced Wireless Services (AWS) Τον Σεπτέµβριο του 2006 η FCC ολοκλήρωσε µια δηµοπρασία αδειών AWS ("δηµοπρασία αριθ. 66") στην οποία οι πλειοδότες κέρδισαν συνολικά άδειες. Στο πνεύµα του tech neutrality, η FCC δεν εξουσιοδότησε συγκεκριµένες τεχνολογίες για συγκεκριµένες ζώνες (tech neutrality). Εποµένως, οι καινούργιοι ιδιοκτήτες του φάσµατος AWS ήταν (είναι) ελεύθεροι να το χρησιµοποιήσουν για οποιαδήποτε τεχνολογία, είτε είναι 2G, 3G ή 4G. Το φάσµα είναι χωρισµένο σε GHz για uplink και GHz για την downlink σύνδεση. Τα 90 MHz του φάσµατος διαιρούνται σε blocks έξι συχνοτήτων που ονοµάζονται το Α έως F. Τα blocks A, B, και το F τρέχουν στα 20 MHz ανά block και τα blocks C, D, και E, 10 MHz ανά block. Η FCC θέλησε να εναρµονίσει το "νέο" φάσµα AWS όσο το δυνατόν περισσότερο µε τις αντίστοιχες UMTS 2100 ζώνες. Εντούτοις, οι χαµηλότερες συχνότητες της UMTS 2100 σχεδόν επικαλύπτουν εντελώς τη ζώνη PCS των ΗΠΑ, που σηµαίνει ότι η πλήρης εναρµόνιση δεν ήταν επιλογή. Λαµβάνοντας υπόψη αυτόν τον περιορισµό, η FCC εναρµόνισε τις συχνότητες AWS όσο το δυνατόν περισσότερο µε τον υπόλοιπο κόσµο. Η ανώτερη ζώνη συχνοτήτων

27 (AWS) ευθυγραµµίζει µε το UMTS 2100 base transmit band, και η χαµηλότερη ζώνη (AWS) ευθυγραµµίζει µε το Ευρωπαϊκό GSM1800 mobile transmit band. 700 MHz Το 2005, ο Πρόεδρος των ΗΠΑ υπέγραψε την ψηφιακή τηλεοπτική µετάβαση και το δηµόσιο νόµο ασφάλειας οι οποίοι νόµοι υποδεικνύουν τις 17 Φεβρουαρίου 2009 ως την ηµεροµηνία όπου όλοι οι τηλεοπτικοί σταθµοί θα ολοκληρώσουν τη µετάβαση από το ανάλογο στις ψηφιακές ραδιοφωνικές µεταδόσεις. Αυτό βασικά σηµαίνει ότι το φάσµα ραδιοσυχνότητας 700 MHz, θα γινόταν πλήρως διαθέσιµο (και έγινε!) για τις νέες υπηρεσίες. Στις ΗΠΑ αυτό το τεµάχιο εµπορικού φάσµατος δηµοπρατήθηκε το Αυτό περιλαµβάνει 62 MHz του φάσµατος που διαιρούνται σε 4 blocks. Lower Α (12 MHz), Lower B (12 MHz), Lower E (6 MHz unpaired), Lower C (22MHz), Lower D (10 MHz). Τα άνω τεµάχια φάσµατος αποτελούν ένα ιδιαίτερα πολύτιµο πόρο µια και πχ. οι χαµηλές συχνότητες είναι λίαν αποδοτικές και επιτρέπουν δίκτυο (sparse 27

28 buildout) να παρέχει καλύτερη κτιριακή κάλυψη από τις ζώνες υψηλότερης συχνότητας. Το upper block C θα λειτουργεί µε κανόνες ανοικτής πρόσβασης (open access). Αυτό σηµαίνει ότι δεν θα επιτραπεί κανένας περιορισµός από το operator δικτύων σε οποιαδήποτε συσκευή θελήσει να συνδεθεί µε το δίκτυο εφ' όσον η συσκευή είναι συµβατή µε, και δεν θα βλάψει το δίκτυο (δηλαδή δεν θα κλειδωθεί το δίκτυο, ή το port, για την λεγόµενη συσκευή). Ο κάτοχος άδειας δεν µπορεί να επιβάλει τους περιορισµούς ενάντια στο περιεχόµενο, τις εφαρµογές, ή τις υπηρεσίες που µπορούν να προσεγγιστούν πέρα από το δίκτυο. Το upper block D θα καταχωριστή υποχρεωτικά για δηµόσια/ιδιωτική συνεργασία Public/Private Partnership obligation. Ως µέρος της απόφασης της FCC, ο κάτοχος της εµπορικής άδειας θα συνδυάσει αυτό το προτέρηµα µε ένα πρόσθετο 10 MHz του παρακείµενου φάσµατος σε εθνικό δηµόσιο ευρυζωνικό κάτοχο άδειας ασφάλειας (PSBL), δηµιουργώντας µια δηµόσια -ιδιωτική συνεργασία. Σε αντάλλαγµα της κατασκευής και ενεργοποίησης του shared δικτύου (µε βάση τις προδιαγραφές που τηρούν της ανάγκες της δηµόσιας ασφάλειας), ο κάτοχος της άδειας block D θα αποκτήσει δευτεροβάθµια πρόσβαση σε φάσµα που κατέχει το PSBL για την περαιτέρω παροχή χαµηλής προτεραιότητας τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών στους εµπορικούς συνδροµητές. Οι ενδείξεις είναι ισχυρές ότι στην Ευρώπη, και ένα µεγάλο µέρος του υπόλοιπου κόσµου, το αποκαλούµενο ψηφιακό µέρισµα (digital divide) η απελευθέρωση του 28

29 φάσµατος που επέρχεται από τη µεταβίβαση της αναλογικής τηλεόρασης προς την ψηφιακή - θα επιτρέψει επίσης σε ένα σηµαντικό ποσοστό φάσµατος της ζώνης UHF να χαραχτεί για τα ασύρµατα ευρυζωνικά. Refarming GSM 900 MHz Η ζώνη των 900 MHz είναι η πανταχού πιο γνωστή και εναρµονισµένη παγκόσµια ασύρµατη ζώνη φάσµατος τηλεπικοινωνιών που είναι διαθέσιµη σήµερα. Έχει επίσης το όφελος της αυξανόµενης κάλυψης και της µείωσης δαπανών επέκτασης δικτύων έναντι των επεκτάσεων στις υψηλότερες συχνότητες, που σηµαίνει ως αποτέλεσµα ότι είναι µια ιδιαίτερα στρατηγική ζώνη φάσµατος. Επιπλέον, τα 900MHz προσφέρουν βελτιωµένη διείσδυση οικοδόµησης και ταιριάζει ιδιαίτερα καλά στην υποστήριξη εκείνων περιοχών της επαρχίας. Η τρέχουσα µετανάστευση συνδροµητών από το GSM στο UMTS που πραγµατοποιείται σε πάνω από 150 χώρες παγκοσµίως ανακουφίζει σε γενικές γραµµές τα δίκτυα GSM900 (δηλαδή όσον αφορά τη φόρτωση δικτύου) και απελευθερώνει τα 900 MHz. Συνεπώς, πολλοί operators αξιολογούν τη δυνατότητα για την ανάπτυξη/επέκταση του UMTS (HSPA/HSPA+) στην ζώνη των 900 MHz. Αφ' ετέρου ορισµένοι operators προτιµούν το απελευθερωµένο φάσµα να δεσµευτεί έως το 2010 κλπ. oπου µπορεί τότε να χρησιµοποιηθεί από το LTE. Σε γενικές γραµµές 29

30 πάντως, οι επεκτάσεις των ραδιο δικτύων UMTS απαιτούν την απελευθέρωση ενός πλήρες 5 MHz του φάσµατος προτού µπορεί να χρησιµοποιηθεί το φάσµα. Επιπλέον, η διαθεσιµότητα των κινητών συσκευών 3G ικανών να υποστηρίξουν 900 MHz δεν προγραµµατίζεται έως τα τέλει του 2009 το νωρίτερο. Αντίθετα, το LTE θα είναι σε θέση να επεκταθεί σε ζώνες φάσµατος των 1.25MHz και παρέχει από την αρχή εξελιξιµότητα επέκτασης (initial deployment scalability) όπως επίσης µπορεί κυριολεκτικά "να συµπιεστεί" εντός του δικτύου καθώς απελευθερώνονται τµήµατα του 900 MHz, και σταδιακά να επεκτείνετε στο δίκτυο. Αυτοί οι παράγοντες µειώνουν το στρατηγικό πλεονέκτηµα του UMTS (HSPA/HSPA+) στη ζώνη 900 MHz. Επιπλέον, µε τη βελτιωµένη αποδοτικότητα φάσµατος, η επέκταση LTE στη ζώνη 900 MHz θα έφερνε το όφελος υψηλότερης capacity και θα παρείχε επίσης στους operators τη δυνατότητα επέκτασης δικτύου LTE µε ευρύτερη κάλυψη και µειωµένο κόστος σε σύγκριση µε φάσµα υψηλότερης συχνότητας που σηµαίνει την δυνατότητα κάλυψης ενός αρκετά καλού πανεθνικού ευρυζωνικού κινητού δικτύου. Τέλος, η επέκταση του LTE στα 900MHz µπορεί να αυξάνει το cost/benefit απ ότι το δικτύου GSM, µια και το κόστος της κάλυψης θα είναι παρόµοιο, αλλά οι προτεινόµενες υπηρεσίες θα έχουν αυξηθεί (δηλαδή θα είναι ευρυζωνικές). Φυσικά η διακοπή των δικτύων GSM δεν θα πραγµατοποιηθεί για πολύ καιρό δεδοµένου ότι το GSM παρέχει ακόµα τη ραχοκοκαλιά της µετάδοσης φωνής και του global roaming. Το πλέον πιθανό σενάριο είναι ότι το δίκτυο LTE στα 900 MHz θα µπορούσε να τρέξει παράλληλα µε το αντίστοιχο 30

31 GSM900 για µια περίοδο 5-10 ετών οπού κατόπιν µπορεί να εξεταστεί το decommissioning του GSM. Η προθυµία των operators περί δέσµευσης των 900 MHz άµεσα σχετίζεται µε το πόσο η ΕΕ θα επιµείνει στην συνεχή εφαρµογή του άρθρου 87, δηλαδή στην αποκλειστική χρήση του 900 για GSM (non tech neutral; σύγκριση µε FCC όπου το φάσµα δεν δεσµεύεται µε συγκεκριµένη τεχνολογία/δίκτυο). Η τελευταίες εξελίξεις δείχνουν το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο να επικυρώνει το refarming του φάσµατος GSM προετοιµάζοντας το έδαφος για τις πιθανές επεκτάσεις LTE στα 900MHz. IMT Extension Band Το WRC-2000 προσδιόρισε τρεις πρόσθετες ζώνες για το επίγειο ΙΜΤ-2000 συµπεριλαµβανόµενα τα MHz. Κατά συνέπεια, ξεκινώντας το 2008, τουλάχιστον 140 MHz του φάσµατος επέκτασης IMT2000 FDD θα διατεθούν στην Ευρώπη δηλαδή MHz για uplink και MHz για downlink. Επιπλέον µέχρι 50 MHz (2570 MHz-2620 MHz) θα διατεθούν ως unpaired TDD ( το Ηνωµένο Βασίλειο σχεδιάζει να επεκτείνει το unpaired φάσµα ). Στα πλαίσια µιας παγκόσµιας στρατηγικής, αυτή η ζώνη φάσµατος θα επιτρέψει επίσης οικονοµίες κλίµακας και τη σφαιρική περιαγωγή. Η Αυστρία, η Νορβηγία, η Σουηδία, και το ΗΒ θα είναι µεταξύ των πρώτων ευρωπαϊκών αγορών που προωθούν το φάσµα των 31

32 2500 MHz προς την κινητή ευρυζωνικότητα. Και είναι πολύ πιθανό το LTE να υλοποιηθεί στο FDD segment αυτής της ζώνης βάση των πλεονεκτηµάτων σε σύγκριση µε HSPA /HSPA +. Επιπλέον, αυτή η ζώνη είναι η µόνη από 2 ζώνες που προσφέρει τη µοναδική ευκαιρία για το deployment of LTE στο µέγιστο του ευρύτερου φάσµατος µε την παροχή καναλιών µέχρι 20 MHz. Υπό αυτή την έννοια, αναµένεται ότι οι τρέχοντες κινητοί operators θα εξασφαλίσουν τα αναγκαία 20 MHz ώστε να εξασφαλίσουν τη δυνατότητα να υποστηρίξουν της επερχόµενες κινητές ευρυζωνικές υπηρεσίες. Other Candidate Bands GSM 1800: Ενδιαφέρον από την Αµερική, την Ασία Pac και µερικές χώρες ΕΜΕΑ, ειδικά για του υπάρχοντος φάσµατος GSM. UMTS core band 2.1 GHz: Εκπροσωπεί τον πυρήνα 3-3.5G για ΕΜΕΑ, AsiaPac & τη LAC µε commissioned δίκτυα σε πάνω από 150 χώρες. Οι περισσότεροι operators απονεµήθηκαν 2, 3 και σε µερικές περιπτώσεις 4 X 5 MHz σε αυτήν την ζώνη φάσµατος. Οι περισσότεροι operators µέχρι τώρα έχουν χρησιµοποιήσει µια από τις ζώνες, αλλά µε την αύξηση του mobile data και τη µετανάστευση 32

33 συνδροµητών στο UMTS/HSPA, είναι ακόµα ασαφές εάν και πόσοι carriers θα είναι διαθέσιµοι σε αυτή την ζώνη για τις υπηρεσίες LTE στο πλαίσιο του PCS 1900: Εναλλακτική core band λύση η οποία δεν είναι διαθέσιµη EMEA. Πιθανό refarming του φάσµατος (ΗΠΑ) αφότου καταναλώνεται το νέο φάσµα 700 MHz και AWS. Cellular 850: Χρησιµοποιείτε σε ορισµένες περιπτώσεις για 3G, και διαθέσιµο (ΗΠΑ και σε ορισµένες χώρες του ΝΑΤΟ) για περαιτέρω refarming. Μελλοντικές απαιτήσεις φάσµατος Η ITU (M.2078) προγραµµατίζει τις γενικές απαιτήσεις φάσµατος (ITU-R) για τη µελλοντική ανάπτυξη του ΙΜΤ-2000 και ΙΜΤ Advanced. Τα αποτελέσµατα βεβαιώνουν ότι η πρόσθετη απαίτηση φάσµατος µεταξύ 500 MHz και 1 GHz θα χρειασθεί σε όλες τις περιοχές ITU από Γενικά, προβλέπεται στην Ευρώπη (ασχέτως της παρούσας οικονοµικής κρίσης) τριπλασιασµός της αύξηση ζήτησης για κινητές υπηρεσίας έως το Είναι 33

34 σαφές ότι οι υπάρχουσες ζώνες δεν θα είναι αρκετές για τις υπηρεσίες IMT περίπου µετά από το έτος 2015 και απαιτούνται πρόσθετες ζώνες. Προκειµένου να παραδοθεί µια αληθινή ευρυζωνική εµπειρία, οι µεγάλες περιοχές του φάσµατος θα πρέπει να προσδιοριστούν και προσφερθούν στη διάθεση της αγοράς. Ένας από τους βασικούς στόχους του WRC- 07 ήταν να προσδιοριστεί το πρόσθετο, εναρµονισµένο, παγκόσµιο φάσµα, για να επιτρέψει στις σφαιρικές roaming υπηρεσίες φέρνοντας ταυτόχρονος και οικονοµίες κλίµακας στους προµηθευτές εξοπλισµού. Το WRC - 07 προσδιόρισε το MHz και MHz για IMT (που περιλαµβάνει και ΙΜΤ-2000 και ΙΜΤ-Advanced) σε σφαιρική βάση. Επιπλέον, το WRC - 07 προσδιόρισε µερικά ή ολόκληρα σηµεία των MHz και MHz. Ο προσδιορισµός και η χρήση αυτών των ζωνών ποικίλλουν από περιοχή σε περιοχή, και από χώρα σε χώρα όπως δείχνει ο κάτω πίνακας. Οι τελικές πράξεις του WRC - 07 παρέχουν τα πλήρη στοιχεία όσον αφορά τους σχετικούς προσδιορισµούς φάσµατος.. Το αποτέλεσµα του WRC 07 ήταν σε γενικές γραµµές θετικό και πάρθηκαν σηµαντικά βήµατα προς να καταστήσουν το φάσµα διαθέσιµο για τις µελλοντικές επεκτάσεις LTE (στο WRC 07 απέτυχαν παταγωδώς οι εταιρείες κινητής τηλεφωνίας να αποσπάσουν «δορυφορικό» φάσµα). Ειδικότερα, µε το WRC - 07 ξεκινάει η διαδικασία µετάβασης της ζώνης ΜΗz προς τις κινητές εφαρµογές. Τα επόµενα βήµατα θα παρθούν από τις µεµονωµένες χώρες για να εξασφαλίσουν ότι το φάσµα ανακτάται και χορηγείτε για τα κινητά συστήµατα σε εθνικό ή περιφερειακό επίπεδο σε όλο 34

35 τον κόσµο. Επιπλέον, η επίτευξη ενός διεθνώς εναρµονισµένου σχεδίου ζωνών για τη χρήση του φάσµατος είναι επίσης σηµαντική. 35

36 NETWORK EVOLUTION Παράλληλα µε την προηγµένη τεχνολογία πρόσβασης, η αρχιτεκτονική LTE, για να πραγµατοποιηθούν οι πλήρεις δυνατότητες, απαιτεί µεταβίβαση από το σηµερινό υβριδικό packet/circuit switched δίκτυο (το οποίο έχει σαν κύρια υπηρεσία την PCM φωνή) στο επίπεδο δίκτυο που αναφέραµε πριν, και το οποίο είναι προσαρµοσµένο για τις ανάγκες της κινητής, και βασισµένο στο πρωτόκολλο IP. Όσον αφορά τους operators, η αρχιτεκτονική επιτρέπει την προσφορά συνδυασµένων εφαρµογών και συνδυασµών (πχ. φωνή, βίντεο και data µέσω IMS) σε γρήγορο χρόνο παράδοσης, καλύτερα ελεγχόµενες και µειωµένες δαπάνες, συν την απλουστευµένη αλληλεπίδραση µε άλλη σταθερά (συν περιβαλλοντικά) και ασύρµατα δίκτυα. 36

37 Με τη δηµιουργία των νέων υπηρεσιών προστιθεµένης αξίας, το LTE υπόσχετε µακροπρόθεσµο εισόδηµα, σταθερότητα και ανάπτυξη για περίπου διακόσιους operators κινητής τηλεφωνίας οι οποίοι είναι ήδη δεσµευµένοι στην οικογένεια UMTS/HSPA. Εξίσου σηµαντικό, παρέχει ισχυρό εργαλείο για την προσέλκυση πελατών παρέχοντας µια ακόµα επιλογή για κινητή ευρυζωνικότητα. Με βάση την οικογένεια UMTS/HSPA προτύπων, το LTE θα ενισχύσει τις ικανότητες των cellular δικτύων να ικανοποιούν τις ανάγκες των ιδιαιτέρως απαιτητικών πελατών που είναι ήδη εξοικειωµένοι µε τις σταθερές ευρυζωνικές υπηρεσίες. Υπό αυτήν τη µορφή, ενοποιεί το voice centic περιβάλλον των σηµερινών κινητών δικτύων µε τον data centric environment του σταθερού ιαδικτύου. Ένας άλλος βασικός στόχος του προγράµµατος είναι η αρµονική συνύπαρξη των συστηµάτων LTE παράλληλα µε τα legacy circuit switched κλασσικά δίκτυα φωνής. Αυτό θα επιτρέψει στους operators να διατηρήσουν την παρούσα κερδοφορία που τους προσφέρουν οι υπηρεσίας φωνής, και να ωφεληθούν από την αυξηµένη απόδοση της αρχιτεκτονικής LTE. H 3GPP είχε προτείνει την µεταβίβαση του δικτύου σε IP από την έκδοση 4 µε την τότε γνώση ότι αυτό θα γινόταν το προεξέχον χαρακτηριστικό των επερχόµενων 3G δικτύων και τελικά του Long Term Evolution. 37

38 Η έννοια του LTE σε σχέση µε τα σηµερινά 3G πρότυπα συζητήθηκε λεπτοµερώς το 2004 στο Τορόντο όταν εξετάστηκε η µελλοντική εξέλιξη του3g/ran δικτύου και όπου κατατεθήκανε προτάσεις και συνεισφορές από περισσότερους από 40 operators, κατασκευαστές και ερευνητικά ιδρύµατα (και της 3GPP ως µη µέλος). Οι συνεισφέροντες εκφράσανε µια σειρά απόψεων µε θέµατην εξέλιξη του UTRAN. Μετά από το εργαστήριο του Τορόντο, τον εκέµβριο του 2004, η 3GPP προώθησε feasibility study µε σκοπό την ανάπτυξη πλαισίου για την εξέλιξη της τεχνολογίας ραδιο πρόσβασης 3GPP προς βελτιστοποιηµένο δίκτυο υψηλών ταχυτήτων.με άλλα λόγια, η µελέτη θα χάραζε τις προδιαγραφές για ένα ραδιο δίκτυο πρόσβασης (RAN) ικανό να υποστηρίξει την ευρυζωνικιακή διαδικτυακή εµπειρία χρηστών (που απολαµβάνουνε ήδη στα σηµερινά σταθερά δίκτυα) µε την προσθήκη της πλήρης κίνησης επιτρέποντας έτσι νέες δυνατότητες συναρπαστικών υπηρεσιών. Σήµερα, οι προδιαγραφές για LTE είναι τοποθετηµένες στη 3GPP release 8, οι οποίες προδιαγραφές καθορίζουν την τεχνική εξέλιξη 3GPP των ευρυζωνικών κινητών δικτύων. 38

39 Η release 8 υιοθετεί αρκετές προδιαγραφές από την release 7, όπως τις προδιαγραφές για HSPA +, την ελλείπουσα σύνδεση µεταξύ HSPA και LTE. Το δε HSPA + (µε βάση τις release 7 8) επιτρέπει την εισαγωγή ενός απλούστερου, επίπεδου IP δικτύου παρακάµπτοντας πολλές legacy απαιτήσεις εξοπλισµού του UMTS/HSPA. HSPA + υποστηρίζει peak data rates τών 28 Mbps downlink και 11,5 Mbps uplink µε 2x2 MIMO και 16QAM. Επίσης, το peak data rate µπορεί να αυξηθεί έως και 42 Mbps downlink και 23 Μbps uplink χρησιµοποιώντας 2x2MIMO και 64QAM, ένας συνδυασµός που είναι µέρος της release 8. Υπό αυτήν τη µορφή, η πρόσβαση µέσω HSPA + είναι ισχυρός κρίκος της αλυσίδας µεταξύ της ήδη εντυπωσιακής απόδοσης του HSPA (περίπου 14,4 Mbps downlink) και LTE που υπόσχεται peak rates των 300 Μbps downlink και 75 Mbps uplink για κάθε 20 MHz του ταξινοµηµένου paired φάσµατος. 39

40 ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Μέσω ενός συνδυασµού πολύ υψηλών ταχυτήτων µετάδοσης (downlink και uplink), πιό εύκαµπτη, αποδοτική χρήση του φάσµατος και µειωµένη packet latency, το LTE υπόσχετε να επιταχύνει την πρόσβαση στις κινητές ευρυζωνικές υπηρεσίες προσθέτοντας τη διέγερση νέων υπηρεσιών προστιθεµένης αξίας. Ένα άλλο επίσης σηµαντικό θέµα, είναι το λεγόµενο commoditization of broadband services, δηλαδή η σταθερή πτώση τιµών των προσφεροµένων υπηρεσιών είτε είναι φωνή, είτε είναι data, video κλπ. Κύριος στόχος του LTE είναι η σταθεροποίηση του ARPU (µέσο εισόδηµα ανά χρήστη) οποίο ARPU τα τελευταία χρόνια είναι σε ελεύθερη πτώση, ένα χαρακτηριστικό πολλών αγορών κινητών υπηρεσιών. 40

41 Σε µελέτη (Analysys) που πραγµατοποιήθηκε µάλιστα το 2007 για το UMTS forum, συγκρίθηκαν η υπάρχουσες υπηρεσίες 3G µε τις δυνατότητες προσφερόµενων υπηρεσιών λόγω των αναπτυγµένων downlink/uplink ταχυτήτων και µειωµένου packet latency του LTE. Για τους καταναλωτές, αυτή η εµπλουτισµένη εµπειρία χρηστών θα απεικονιστεί σε µια µεγάλης κλίµακας ροή, µεταφόρτωση και διανοµή του βίντεο, της µουσικής και του πλούσιου περιεχοµένου πολυµέσων. Όλες αυτές οι υπηρεσίες θα χρειαστούν τη σηµαντικά µεγαλύτερο throughput για να παρέχουν επαρκή ποιότητα υπηρεσίας (QoS), ιδίως όταν η µελλοντικές προσδοκίες των χρηστών θα αυξηθούν λόγω της αυξανόµενης δηµοτικότητας άλλων high bandwidth πλατφορµών πχ HDTV. Για τους επιχειρησιακούς πελάτες θα σηµάνει µεγάλη ικανότητα ασφαλής µεταφοράς µεγάλων αρχείων, υψηλή ποιότητα βίντεο - συνεδριάσεων και ασφαλής νοµαδική πρόσβαση στα εταιρικά δίκτυα. 41

42 Οµοίως, το LTE εισάγει έως ένα βαθµό τα χαρακτηριστικά του σηµερινού «Ιστού 2,0» στο κινητό περιβάλλον όπου µαζί µε το ασφαλές ηλεκτρονικό εµπόριο, θα εκταθούν σε πραγµατικό χρόνο peer to peer εφαρµογές όπως multiplayer gaming και file sharing. Επιπλέον, η έρευνα εξέτασε πιθανές εφαρµογές που δεν αντιστοιχούν στο πάρων περιβάλλον κινητών/σταθερών εφαρµογών όπως machine to machine (Μ2Μ) και largescale exchange of community based projects. 42

43 43

44 LTE ADVANCED Το LTE, παρόλο της βελτιώσεις, θεωρείτε τεχνολογία 3G και ως έχει δεν εκφράζει τις προδιαγραφές των 4G ή IMT advanced δικτύων όπως καθορίζονται από τη διεθνή ένωση τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union ή ITU) πχ. peak data rates µέχρι 1 Gbit/s. Η ITU µε τη σειρά της έχει προσκαλέσει την υποβολή των ραδιο τεχνολογιών διεπαφών υποψηφίων (RITs) µετά από τις απαιτήσεις τους όπως αναφέρονται στη σχετική εγκύκλιο. Η βιοµηχανία κινητής επικοινωνίας και οι οργανώσεις τυποποίησης εποµένως έχουν αρχίσει να εργάζονται σε 4G τεχνολογίες πρόσβασης όπως πχ. LTE advanced. Σε 3GPP workshop τον Απρίλιο του 2008 στην Κίνα αποφασίστηκε και συµφωνήθηκε το γενικό πλάνο µε το πώς θα συνεχίσουν οι εργασίες για την εξέλιξη του LTE και το πώς θα οδεύσει προς LTE advanced. Με βάση αυτό, τα πρώτα requirements εγκρίθηκαν τον Ιούνη του 2008 και συµπεριλαµβάνουν peak data rates των 1Gbps, γρηγορότερη µεταβίβαση µεταξύ power states και βελτιωµένη απόδοση στα σύνορα κυψελών. Οι λεπτοµερείς προτάσεις µελετώνται από τις διάφορες οµάδες εργασίας. 44

45 Τρέχουσες συµφωνηµένες προδιαγραφές για LTE Advanced: Μέγιστη ταχύτητα δεδοµένων: DL:1 Gbps, UL: 500 Mbps Εύρος ζώνης µετάδοσης: Ευρύτερο από περίπου 70 MHz σε DL και 40 MHz σε UL Latency : C plane IDLE (µε διευθετηµένη την διεύθυνση IP) σε CONNECTED < 50 ms και U plane latency < 5 ms ερχόµενη ή απερχόµενη κατεύθυνση από το RAN µε ποσοστό αναµεταδόσεων 30% (FFS) ιεκπεραιωτικότητα 2 φορές υψηλότερη από LTE (cell edge) Μέση διεκπεραιωτικότητα 3 φορές υψηλότερη από LTE Χωρητικότητα (αποδοτικότητα φάσµατος) 3 φορές υψηλότερη από το LTE Μέγιστη αποδοτικότητα φάσµατος: DL : 30 bps/hz, UL: 15 bps/hz Ευελιξία φάσµατος: Υποστήριξη εξελικτικού συναθροίσου εύρους ζώνης και φάσµατος Κινητικότητα (Mobility): Όπως στο LTE Συµβατότητα σε λειτουργικότητα και αλληλεπίδραση µε LTE και 3GPP Legacy δίκτυα 45

46 Technology proposals (Κυρίως στο Physical Layer) Οι προτάσεις θα µπορούσαν κατά προσέγγιση να ταξινοµηθούν σε: UE dual λύσεις κεραιών TX για το SU- MIMO και diversity MIMO; scalable εύρος ζώνης συστηµάτων που υπερβαίνει τα 20 MHz και ενδεχοµένως φτάνει τα 100MHz Τοπική βελτιστοποίηση περιοχής του συστήµατος πρόσβασης Λύσεις δικτύων νοµαδικής/τοπικής περιοχής και κινητικότητας Εύκαµπτη χρήση φάσµατος Γνωστικό (Cognitive) ραδιόφωνο Αυτόµατες και αυτόνοµες διαµορφώσεις και λειτουργία δικτύων Ενισχυµένη προκωδικοποίηση και forward correction mechanisms ιαχείριση και καταστολή παρέµβασης Ασυµµετρική ανάθεση εύρους ζώνης για FDD Υβριδικά OFDMA και Sc- FDMA στο uplink UL/DL inter enb τύπου MIMO Οι προτάσεις επικεντρώνονται στην βελτίωση του physical channel. 46

47 Support of larger bandwidth in LTE Advanced Στα 4G bandwidths µέχρι και 100MHz προβλέπεται peak data rates µέχρι τα 1 Gbps. Σε γενικές γραµµές, το OFDM παρέχει ένα απλό τρόπο να αυξηθεί το εύρος ζώνης δηλαδή προσθέτοντας υπό µεταφορέα (subcarriers). εδοµένου ότι στη release 8 το UE υποστηρίζει bandwidths των 20MHz, ο scheduler πρέπει να συνεργαστεί µε µίγµα τερµατικών. Η επίσης πιθανότητα τεµαχισµένου φάσµατος σηµαίνει non contiguous bandwidth. Η εξασφάλιση του backward compatibility προς LTE σηµαίνει ότι οι δίαυλοι ελέγχου (control channels) όπως synchronisation, broadcast ή PDCCH/PUCCH θα ενεργοποιηθούνε ανά 20MHz. Μερικές από τις κύριες προκλήσεις των τερµατικών των 100 MHz σχετίζονται µε: ιαθεσιµότητα φίλτρου RF για ένα τέτοιο µεγάλο εύρος ζώνης ιαθεσιµότητα του αναλογικού ψηφιακού µετατροπέα µε ένα τέτοιο υψηλό sampling rate και quantization resolution Αυξανόµενη πολυπλοκότητα αποκωδικοποίησης π.χ. για την αποκωδικοποίηση καναλιών και το αυξανόµενο soft buffer size 47

48 Επίσης θα αναθεωρηθούν τα διάφορα multi carrier operations µε ελάχιστες αλλαγές στις προδιαγραφές εάν τα Resource Allocation, MIMO, Link Adaptation, HARQ κλπ υλοποιηθούν ανά 20MHz. Ο λειτουργία του scheduler θα εκτελεστεί µε τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτετε το αναγκαίο φάσµα, και θα υπάρξει µεγαλύτερος αριθµός transport blocks ανά χρονικό διάστηµα µετάδοσης. Προς το παρών τα FDD schemes όπως καθορίζονται στην LTE release 8 είναι περιορισµένα να λειτουργούν σε πλήρως συµµετρική κατανοµή από το ταξινοµηµένο κατά ζεύγος φάσµα. Αυτό το καθιστά δύσκολο να βρεθούν οι κατάλληλες κατανοµές φάσµατος FDD όπως και δεν µπορεί να αντιµετωπισθεί αποτελεσµατικά η ασυµµετρική κυκλοφορία. Το LTE advanced εξετάζει πιο εύκαµπτους τρόπους bandwidth allocation.. Το LTE advanced θα τυποποιηθεί στη 3GPP release 10 και έχει ως σκοπό την εκπλήρωση των προδιαγραφών 4G όπως καθορίζονται από την ITU. Οι τεχνολογίες που προσδιορίζονται ως 4G θα υποστηρίζουν bandwidth allocations µέχρι 100MHz και peak data rates µέχρι και 1 Gbps για τα stationary τερµατικά. To LTE advance θεωρείται ως η πρώτη αληθινή 4G τεχνολογία, και θα διατελέσει οµαλή εξέλιξη των προτύπων LTE και θα βασιστεί στην ίδια φιλοσοφία. Η σχετικές εργασίες για τα requirements προχωρούν σταθερά εντός τα πλαίσια της 3GPP όπως και η εργασίες για τις προτάσεις 48

49 τεχνολογίας εντός των διαφόρων εργασιακών οµάδων. Ένα σηµαντικό αποτέλεσµα που αναµένεται είναι οι διάφορες αλλαγές στο physical radio layer οι οποίες θα υποστηρίξουν µεγαλύτερα bandwidths µε πιο εύκαµπτες κατανοµές ώστε να χρησιµοποιήσουν τις περαιτέρω ενισχυµένες τεχνολογίες κεραιών. Οι συντονισµένοι σταθµοί βάσεων µε το συντονισµένο scheduling, συντονισµένες MIMO ή διαχείριση παρεµβολών θα απαιτήσουν επίσης και αρκετές αλλαγές στη αρχιτεκτονική του κεντρικού δικτύου. 49

50 ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ MARKETING Η αρχιτεκτονική LTE είναι η εξέλιξη της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας σε δίκτυο IP edge to edge το οποίο συµπεριλαµβάνει την διασύνδεση κόµβων (συν τα σηµεία πρόσβασης στο δίκτυο) και δροµολόγηση πληροφοριών καθαρά µέσω του internet protocol. Το LTE είναι, άµεσα ή έµµεσα, περίπου 14 έτη στην παραγωγή (τα πρώτα 8 χρόνια τουλάχιστον σαν ιδέα/πρόταση) όταν αποφάσισε η βιοµηχανία κινητής τηλεφωνίας να (αργά αλλά σταθερά) εγκαταλείψει την αρχιτεκτονική των µεταγωγών κυκλωµάτων (circuit switched) global title /ISDN/SS7 (που ως ιδέες πρωτοεµφανιστήκανε στην αρχή της δεκαετίας του '40) και να µετατρέψει το δίκτυο εντός ενός πλαισίου καθαρά βασισµένου στην τεχνολογία IP (GSM - GPRS- 3G (συν hspa)- 4g (SAE/LTE)). Το LTE υπόσχεται ενδεχόµενες ταχύτητες (µε 4X4 MIMO) περίπου 326 Mbps downlink. 50