ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ Ι Ο Ν Ι Ω Ν Ν Η Σ Ω Ν ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΣΤΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ. Πτυχιακή Εργασία

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ Ι Ο Ν Ι Ω Ν Ν Η Σ Ω Ν ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΣΤΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Πτυχιακή Εργασία «Αρχιτεκτονική & Ασφάλεια Δικτύων Τέταρτης Γενιάς (4G)» ΚΑΤΣΑΡΟΥ ΜΑΡΙΑ ΔΑΝΑΗ Α.Μ. 709 Επιβλέπων Καθηγητής: Καμπουράκη Αργυρώ ΛΕΥΚΑΔΑ 2012

2 Ευχαριστίες Η παρούσα πτυχιακή εργασία εκπονήθηκε κατά τη διάρκεια του έτους 2012 από την Κατσαρού Μαρία Δανάη. Η υπόδειξη του θέματος έγινε από την καθηγήτρια Κα. Καμπουράκη Αργυρώ, την οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά, τόσο για το ενδιαφέρον που έδειξε, όσο και για τις προτάσεις και τις παρατηρήσεις, που έκανε, για τη βελτίωση της εργασίας. Ευχαριστώ, τέλος, την οικογένειά μου, που όλο αυτό το διάστημα στήριξε την προσπάθειά μου, σε όλες τις φάσεις της ανάπτυξης και υλοποίησης του έργου. ii

3 Περίληψη Η εποχή στην οποία ζούμε έχει χαρακτηριστεί, δικαίως, ως η εποχή της πληροφόρησης. Καθημερινά βομβαρδιζόμαστε από πληροφορίες. Ένας τεράστιος τομέας ραγδαίας ανάπτυξης είναι τα δίκτυα μέσω των οποίων μεταβιβάζονται τα δεδομένα αυτά. Η παρούσα πτυχιακή εργασία εστιάζει στα δίκτυα, και πιο συγκεκριμένα στα ασύρματα δίκτυα τέταρτης γενιάς. Προσπαθεί να αποτυπώσει εν συντομία την μετάβαση από τα ασύρματα δίκτυα των προηγουμένων γενιών, δηλαδή της πρώτης της δεύτερης και της τρίτης γενιάς στη γενιά του κοντινού μέλλοντος, προπομπό της τέταρτης γενιάς ασύρματης τεχνολογίας. Επίσης μελετά τα χαρακτηριστικά, τις τεχνολογίες και τις εφαρμογές της τέταρτης γενιάς ασύρματων δικτύων και ολοκληρώνεται με την ανάλυση και την εκτίμηση της απόδοσης δικτύων τέταρτης γενιάς (4G) κατά το πρότυπο ITU X.805. Λέξεις κλειδιά: 1G, 2G, 3G, 4G, All- IP Based δίκτυο, UMTS, LTE, OFDM, MIMO, Mobile WiMAX, IPv6, X.805 iii

4 Αbstract The era in which we live has been described, rightly, as the information age. Every day we are bombarded with information. Huge areas of rapid growth are the networks through which transferred data. This thesis focuses on networks, and more specifically in wireless networks fourth generation. It tries to capture briefly switching from wireless networks in previous generations, ie the first of the second and third generation to generation of the near future, foreshadowing the fourth generation of wireless technology. It also examines the features, technologies and applications of the fourth generation wireless networks and concludes by analyzing and evaluating the performance of networks fourth generation (4G) in the ITU X.805 standard. Keys Words: 1G, 2G, 3G, 4G, All- IP Based network, UMTS, LTE, OFDM, MIMO, Mobile WiMAX, IPv6, X.805 iv

5 Εισαγωγή Στην εποχή μας παρατηρείται μεγάλη ζήτηση για ασύρματες υπηρεσίες, όπως η τηλεειδοποίηση (paging), αναλογική και ψηφιακή κινητή τηλεφωνία και υπηρεσίες προσωπικών επικοινωνιών (Personal Communication Services-PCS). Οι βασικοί λόγοι χρήσης ολοένα υψηλότερων συχνοτήτων είναι ο κορεσμός των χαμηλότερων ζωνών συχνοτήτων και η ανάγκη για μεγαλύτερο εύρος ζώνης για εφαρμογές πολυμέσων (multimedia), όπως η ασύρματη μετάδοση εικόνας και η πρόσβαση στο Internet σε πραγματικό χρόνο. Η φράση 4G δεν ορίζει απλώς ένα πρότυπο, αλλά περιγράφει ένα περιβάλλον όπου τα δίκτυα θα ενδολειτουργούν ώστε να παρέχουν επικοινωνία που θα μεταφέρεται χωρίς ασυνέχειες ανάμεσά τους. Περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη τεχνολογία, η 4 η γένια θα έχει μια βαθιά επιρροή σε ολόκληρο το ασύρματο τοπίο και στη συνολική αλυσίδα της κινητής τηλεφωνίας. Το μέλλον πρόκειται να είναι ευοίωνο, αλλά είναι στα χέρια των πελατών, όχι στους πάροχους υπηρεσιών και σίγουρα όχι στους πάροχους δικτύων. Η παρούσα πτυχιακή εργασία με τίτλο «Αρχιτεκτονική & Ασφάλεια Δικτύων Τέταρτης Γενιάς (4G)» στοχεύει αφενός στην καταγραφή των σύγχρονων τεχνικών και τεχνολογιών τέταρτης γενιάς και αφετέρου παρουσιάζει τα δίκτυα 4ης γενιάς (4G) με απλό και κατανοητό τρόπο. Η τέταρτη γενιά (4G) είναι η επόμενη γενιά των ασύρματων δικτύων που θα αντικαταστήσει τα δίκτυα τρίτης γενιάς (3G) καθώς θα προσφέρει στους χρήστες όλα όσα δεν κατάφεραν να δώσουν τα προηγούμενα δίκτυα. Η παρούσα πτυχιακή εργασία χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθεται, η ιστορία και η εξέλιξη των ασύρματων δικτύων καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά τους από την πρώτη έως την τετάρτη γένια. Επίσης καταγράφονται οι στόχοι και οι απαιτήσεις των δικτύων 4G. v

6 Τα δίκτυα 4ης γενιάς αναμένεται να παρέχουν υπηρεσίες υψηλής ταχύτητας (τουλάχιστον 100Μbps), υψηλής χωρητικότητας (capacity), με χαμηλότερο κόστος ανά bit, βασισμένες αποκλειστικά στο πρωτόκολλο IP. Θα παρέχουν συμβατότητα με τα διαφορετικά νέα και παλαιά κινητά και ασύρματα δίκτυα. Η τέταρτη γενιά ασύρματων δικτύων πρόκειται να δημιουργήσει ένα παγκόσμιο ετερογενές δίκτυο το οποίο θα ενσωματώσει τα δίκτυα 2ης και 3ης γενιάς σε ένα All IP-Based δίκτυο. Το δεύτερο κεφάλαιο ασχολείται με την αρχιτεκτονική των δικτύων τέταρτης γενιάς. Παρουσιάζει αναλυτικά την εξέλιξη από το UMTS στο LTE καθώς εστιάζει στο δίκτυο πρόσβασης Evolved NodeB και στην αρχιτεκτονική των ραδιοπρωτοκόλλων. Το τρίτο κεφάλαιο εστιάζει στις κυρίες τεχνολογίες των δικτύων τέταρτης γενιάς όπως το OFDMA και το ΜΙΜΟ. Η τεχνολογία ΜΙΜΟ είναι η έννοια των τεχνικών πολλαπλών κεραιών, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την αύξηση της εμβέλειας και της χωρητικότητας του φυσικού επιπέδου. Προσθέτοντας περισσότερες κεραίες σε ένα ράδιοσύστημα, δίνεται η δυνατότητα βελτίωσης των επιδόσεων, διότι τα εκπεμπόμενα σήματα θα λάβουν διαφορετικά φυσικά μονοπάτια. Το τέταρτο κεφάλαιο μελετά το πρωτόκολλο m (Mobile WiMax) και παρουσιάζει τα βασικά χαρακτηριστικά από τα οποία απαρτίζεται. Επίσης κάνει μια συγκριτική ανάλυση μεταξύ των προτύπων Mobile WiMAX και HSPA. Το πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζει αναλυτικά την ασφάλεια δικτύων τέταρτης γενιάς 4G την ανοχή σφαλμάτων καθώς και τις απειλές ασφάλειας και πως μπορούν να αντιμετωπιστούν βάσει του προτύπου ασφαλείας X.805 Τέλος, στον επίλογο - συμπεράσματα καταγράφονται τα βασικότερα χαρακτηριστικά των ετερογενών δικτύων. vi

7 Πίνακας περιεχομένων Ευχαριστίες ii Περίληψη - Λέξεις κλειδιά iii Abstract Key Words iv Εισαγωγή v ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : Αναδρομή Και Εξέλιξη Ασύρματων Δικτύων 1.1 Ιστορία Ασυρμάτων Δικτύων Τι είναι τα Ασύρματα Δίκτυα Ασύρματα τοπικά και προσωπικά δίκτυα Εξέλιξη Ασύρματων Δικτύων Ασύρματα δίκτυα πρώτης γενιάς (1G) Ασύρματα δίκτυα δεύτερης γενιάς (2G) Ασύρματα δίκτυα τρίτης γενιάς (3G) Ασύρματα δίκτυα τέταρτης γενιάς (4G) Σύγκριση 3G με 4G Στόχοι και απαιτήσεις των 4G Σχεδιαστικοί στόχοι και σχετικά ερευνητικά ζητήματα για τα (4G) συστήματα Απαιτήσεις συστημάτων 4ης γενιάς ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : Αρχιτεκτονική Δικτύων 4 ης Γενιάς 2.1 Η εξέλιξη από το UMTS στο LTE Η εξέλιξη του 4G Αρχιτεκτονική Συστήματος Δίκτυο Κορμού Δίκτυο Πρόσβασης Evolved NodeB Εξοπλισμός Χρήστη Αρχιτεκτονική Περιαγωγής (Roaming) Συνεργασία με τα άλλα δίκτυα Αρχιτεκτονική Ράδιο-Πρωτοκόλλων Κανάλια μεταφοράς Κανάλια Λογικά κανάλια Κανάλια μεταφοράς Φυσικά κανάλια ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : Κύριες Τεχνολογίες 3.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Επισκόπηση του φυσικού επιπέδου vii

8 3.3 LTE Multiple Access Background OFDMA Basics SC-FDMA Evolution Physical Layer Σύγκριση OFDMΑ με SC-FDMA PAPR FDD & TDD Duplexing Πλεονεκτήματα & Μειονεκτήματα ΜΙΜΟ Single Input Single Output (SISO) Single Input Multiple Output (SIMO) Multiple Input Single Output (MISO) Multiple Input Multiple Output (MIMO) Πλεονεκτήματα του MIMO Κέρδος συστοιχίας (Array gain) Χωρικός διαφορισμός κέρδους (Spatial diversity gain) Μείωση και αποφυγή παρεμβολών (Interference reduction and avoidance) MIMO MIMO σε ασύρματα δίκτυα MIMO σε Κυψελωτά Δίκτυα LTE-Advanced Απαιτήσεις του LTE-Advanced Προτάσεις για λύσεις του LTE-Advanced Υποστηρίζει ευρύτερο bandwidth Συντονισμός Πολλαπλών Σημείων Μετάδοσης και Λήψης Αντικατάσταση Λειτουργικότητας Ενισχυμένη εκπομπή MIMO Κούρσα για την ανάπτυξη δικτύου 4G στην Ελλάδα από Cosmote και Vodafone Η ανακοίνωση της Cosmote για το δίκτυο 4G Κόμβοι Vodafone 4G στην Ελλάδα μέσα στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : Mobile WiMAX 4.1 Πρωτόκολλο m Χαρακτηριστικά του Mobile WiMAX Συγκριτική Ανάλυση Mobile WiMAX - HSPA ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : Ασφάλεια Ασύρματων Δικτύων 4 ης Γενιάς (4G) 5.1 Κινητικότητα Τερματικού Υποδομή Δικτύου και QoS Ασφάλεια και Εμπιστευτικότητα Ανοχή Σφαλμάτων Υπηρεσίες Πολλαπλοί Πάροχοι και Μοντέλα Χρέωσης viii

9 5.5.2 Κινητικότητα Χρήστη Ασφάλεια Συστημάτων 4G ITU 805 STANDARD X Denial of Service and Cognitive Intelligence Επίλογος - Συμπεράσματα Αναφορές Ευρετήριο Σχημάτων x Ευρετήριο Πινάκων xi ix

10 Ευρετήριο Σχημάτων Σχήμα 1.1 : Οι γενιές τηλεπικοινωνιακών συστημάτων Σχήμα 1.2 : Δίκτυο 2ης γενιάς (2G) Σχήμα 1.3 : Ασύρματο δίκτυο 3ης γενιάς (3G) Σχήμα 1.4 : Απεικόνιση ασύρματου δικτύου 4ης γενιάς (4G) Σχήμα 2.1 : Στοιχεία του EPS δικτύου Σχήμα 2.2 : ΜΜΕ και Serving Gateway Σχήμα 2.3 : Το δίκτυο πρόσβασης Σχήμα 2.4 : Συνδέσεις του enodeb με άλλους λογικούς κόμβους και κύριες λειτουργίες Σχήμα 2.5 : Αρχιτεκτονική roaming για προσβάσεις 3GPP με P-GW Σχήμα 2.6 : Αρχιτεκτονική της συνεργασίας του 3G UMTS Σχήμα 2.7 : Δομή Πρωτοκόλλων Σχήμα 2.8 : User Plane στοίβα πρωτοκόλλων Σχήμα 2.9 : Control Plane στοίβα πρωτοκόλλων Σχήμα 3.1 : Orthogonal Frequency Division Multiplexing Σχήμα 3.2 : Οι φυσικοί πόροι του LTE downlink βασισμένοι στο OFDM Σχήμα 3.3 : Αρχές του FDMA Σχήμα 3.4 : Αρχές πολλαπλών φερόντων Σχήμα 3.5 : Διατήρηση της ορθογωνιότητας των υποφερόντων Σχήμα 3.6 : Τα αποτελέσματα από την λειτουργία FFT με διαφορετικές εισόδους Σχήμα 3.7 : Πομπός και δέκτης OFDMA Σχήμα 3.8 : Δημιουργία ζωνών προστασίας για το σύμβολο OFDMA Σχήμα 3.9 : Σύμβολα αναφοράς διασκορπισμένα πάνω στα OFDMA υποφέροντα Σχήμα 3.10 : Μοντέλο του SC-FDMA και του OFDMA σήματος κατά την εκπομπή και λήψη Σχήμα 3.11 : Σύγκριση OFDMA και SC-FDMA Σχήμα 3.12 : Σύγκριση του CCDF του PARP για IFDMA,DFDMA,LFDMA και OFDMA με συνολικούς αριθμούς υποφερόντων M=512,αριθμούς συμβόλων εισόδου Ν= Σχήμα 3.13 : Αρχές της λειτουργίας των FDD και TDD Σχήμα 3.14 : Τρόποι πρόσβασης ραδιοκαναλιών Σχήμα 3.15 : ΜΙΜΟ 2χ2, Νo Precoding Σχήμα 3.16 : ΜΙΜΟ κυψελωτό δίκτυο. Ο σταθμός βάσης με L κεραίες επικοινωνεί με P χρήστες καθένας εξοπλισμένος με Μ κεραίες Σχήμα 4.1 : Protocol m Σχήμα 5.1 : Οριζόντιο και κατακόρυφο handoff Σχήμα 5.2 : Παράδειγμα κινητικότητας χρήστη Σχήμα 5.3 : Αρχιτεκτονική του προτύπου X Σχήμα 5.4 : Διαχείριση Κινητικότητας χρησιμοποιώντας Γνωστική Νοημοσύνη x

11 Ευρετήριο Πινάκων Πίνακας 1.1 : Συνοπτικός πίνακας με τα χαρακτηριστικά κάθε γενιάς Πίνακας 1.2 : Σύγκριση 3G VS 4G Πίνακας 2.1 : Οι προδιαγραφές της εξέλιξης του UMTS Πίνακας 2.2 : Εξέλιξη των κυψελωτών συστημάτων Πίνακας 2.3 : Control Channels Πίνακας 2.4 : Traffic Channels Πίνακας 2.5 : Downlink Transport Channels Πίνακας 2.6 : Uplink Transport Channels Πίνακας 2.7 : Downlink Physical Channels Πίνακας 2.8 : Uplink Physical Channels Πίνακας 3.1 : Σύγκριση 1G, 2G, 3G, 4G Πίνακας 4.1 : 1xEVDOVS HSPA VS Mobile WiMAX xi

12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ 1.1 Ιστορία Ασύρματων Δικτύων Ο Heinrich Rudolf Hertz ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε και παρήγαγε ραδιοκύματα το 1888 και μέχρι το 1894 ο σύγχρονος, τότε, τρόπος μετάδοσης μηνυμάτων ήταν μέσω τηλέγραφου. Ο Gulielmo Marconi κατάφερε να στείλει και να λάβει μηνύματα, χρησιμοποιώντας ραδιοκύματα, σε μια απόσταση 2 μιλίων. Το 1899, ο Marconi έστειλε μήνυμα σε απόσταση εννέα μιλίων κατά μήκος του καναλιού του Bristol και σε 31 μίλια κατά μήκος των Αγγλικών καναλιών προς την Γαλλία. Το 1901 ήταν σε θέση να μεταδώσει πέρα από τον Ατλαντικό Ωκεανό. Έκτοτε ο Marconi έμεινε γνωστός ως ο πατέρας του ασύρματου. Κατά την διάρκεια του Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου, πρώτος ο στρατός των Ηνωμένων Πολιτειών χρησιμοποίησε ραδιοσήματα για μετάδοση δεδομένων. Αυτό ενέπνευσε μια ομάδα ερευνητών το 1971 στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης και έτσι δημιουργήθηκε το πρώτο δίκτυο επικοινωνιών βασισμένο σε πακέτα, το επονομαζόμενο ALOHΑNET. Κεφάλαιο 1 2

14 Το ALOHΑNET ήταν το πρώτο ασύρματο τοπικό δίκτυο (Wireless Local Area Network WLAN) που ανήκει στην οικογένεια των προτύπων. Αυτό το πρώτο WLAN αποτελούταν από 7 υπολογιστές, οι οποίοι βρίσκονταν σε 4 διαφορετικά νησιά, και χρησιμοποιώντας ερασιτεχνικούς ραδιοσταθμούς είχαν την δυνατότητα να επικοινωνούν μέσω αμφίδρομης τοπολογίας αστέρα. Τα πρώτα WLAN χρησιμοποιούσαν μια unlicensed ζώνη συχνοτήτων (902MHz 928MHz), η οποία αργότερα γέμισε με παρεμβολές από μικρές συσκευές και βιομηχανικά μηχανήματα, με αποτέλεσμα να επιστρατευθεί η τεχνική διάχυσης φάσματος για να ελαχιστοποιηθούν οι παρεμβολές αυτές. Τα WLAN δεύτερης γενιάς, καθώς και τα τρίτης γενιάς, ήταν τέσσερις φορές πιο γρήγορα σε σχέση με τα αρχικά, με ρυθμό μετάδοσης έως και 2 Μbps. Το 1990, η ΙΕΕΕ 802 εκτελεστική επιτροπή θέσπισε το working group για να δημιουργήσει ένα πρότυπο WLAN, το οποίο καθιέρωσε την συχνότητα λειτουργίας στα 2.4GHz. Το 1997 το group αυτό ενέκρινε το ΙΕΕΕ ως το πρώτο WLAN που λειτουργεί σε ρυθμούς μετάδοσης 1 και 2 Mbps. Από τότε μέχρι σήμερα έχουν θεσπιστεί και άλλα πρότυπα όπως τα WPAN, WRAN κτλ. [1] 1.2 Τι είναι τα Ασύρματα Δίκτυα Ως ασύρματα δίκτυα χαρακτηρίζονται τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, συνήθως τηλεφωνικά ή δίκτυα υπολογιστών, τα οποία χρησιμοποιούν, ραδιοκύματα ως φορείς πληροφορίας. Τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, με συχνότητα φέροντος η οποία εξαρτάται κάθε φορά από τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων που απαιτείται να υποστηρίζει το δίκτυο. Η ασύρματη επικοινωνία, σε αντίθεση με την ενσύρματη, δεν χρησιμοποιεί ως μέσο μετάδοσης κάποιον τύπο καλωδίου. Σε παλαιότερες εποχές τα τηλεφωνικά δίκτυα ήταν αναλογικά, αλλά σήμερα όλα τα ασύρματα δίκτυα βασίζονται σε ψηφιακή τεχνολογία και επομένως, κατά μία έννοια, είναι ουσιαστικώς δίκτυα υπολογιστών. Κεφάλαιο 1 3

15 Στα ασύρματα δίκτυα εντάσσονται τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, οι δορυφορικές επικοινωνίες, τα ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (WWAN), τα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WMAN), τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) και τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα (WPAN). Η τηλεόραση και το ραδιόφωνο, αν και ως τηλεπικοινωνιακά μέσα είναι εκ φύσεως ασύρματα στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν συμπεριλαμβάνονται στα ασύρματα δίκτυα, καθώς η μετάδοση γίνεται προς πάσα κατεύθυνση χωρίς να υπάρχει κάποιο δομημένο «δίκτυο» τηλεπικοινωνιακών κόμβων (συσκευών) με τη συνήθη έννοια. Επιπλέον, τα μεταφερόμενα δεδομένα συνήθως είναι αναλογικά και επομένως, δεν μπορούν να θεωρηθούν δίκτυα υπολογιστών. 1.3 Ασύρματα τοπικά και προσωπικά δίκτυα Τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα παρέχουν εύκολη διασύνδεση ετερογενών, φορητών ψηφιακών συσκευών τοποθετημένων σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Αν και είναι δίκτυα υπολογιστών, δεν σχεδιάζονται για ενσωμάτωση σε μεγαλύτερα δίκτυα καθώς στοχεύουν σε καταναλωτικές φορητές συσκευές περιορισμένων πόρων (κινητά τηλέφωνα, συσκευές αναπαραγωγής πολυμέσων κλπ). Αντιθέτως, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) συνήθως αποτελούν δίκτυα κανονικών υπολογιστών (κατ' ελάχιστον PDA) με δυνατότητα ενσωμάτωσης σε ευρύτερα (ενσύρματα ή ασύρματα) WAN. Συγκριτικά με τα ενσύρματα τοπικά δίκτυα παρέχουν ευελιξία, κινητικότητα και υπό- προϋποθέσεις- χαμηλότερο κόστος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν: Για ασύρματη επέκταση ενός προϋπάρχοντος ενσύρματου δικτύου, με έναν κύριο κόμβο να συνδέεται μέσω Ethernet με το LAN και να επικοινωνεί ασύρματα με άλλους σταθμούς. Για διασύνδεση LAN σε διαφορετικά κτίρια, συνήθως με συνδέσεις από σημείο σε σημείο μεταξύ γεφυρών ή δρομολογητών των επιμέρους LAN. Κεφάλαιο 1 4

16 Για παροδική ασύρματη ζεύξη μεταξύ LAN και κινητού τερματικού (νομαδική πρόσβαση). Για δικτύωση ad hoc / αδόμητη - ασύρματα δίκτυα ομότιμων κόμβων και αυθαίρετα μεταβαλλόμενης τοπολογίας τα οποία δεν απαιτούν καμία προϋπάρχουσα υποδομή και δημιουργούνται δυναμικά, με κόμβους να προστίθενται αυτομάτως στο δίκτυο όταν βρίσκονται εντός της εμβέλειάς του. Τα WLAN λειτουργούν με ένα από τα τρία ακόλουθα φυσικά μέσα: υπέρυθρες ακτίνες, μικροκύματα με διασπορά φάσματος και μικροκύματα με στενή ζώνη. 1.4 Εξέλιξη Ασύρματων Δικτύων Τα ασύρματα δίκτυα μπορούν να χωριστούν σε δυο ευρείες κατηγορίες: τα ασύρματα δίκτυα που έχουν μια καθορισμένη με σαφήνεια υποδομή (δηλ., κυψελωτά δίκτυα) και τα ad hoc (χωρίς υποδομή) δίκτυα. Αν και τα ad hoc δίκτυα παρουσιάζουν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον, στη συνέχεια η μελέτη που ακολουθεί αναφέρεται κυρίως στα κυψελωτά ασύρματα δίκτυα. Από αυτά, τα συστήματα που χρησιμοποιούνται περισσότερο στα σύγχρονα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα είναι τα κυψελωτά συστήματα δεύτερης και τρίτης γενιάς με χαρακτηριστικούς αντιπροσώπους το GSM και το UMTS αντίστοιχα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά οι διάφορες φάσεις από τις οποίες έχουν περάσει τα κυψελωτά δίκτυα καθώς και η τάση των νέων υπηρεσιών. Από το έτος 1979 όπου και λειτούργησε το πρώτο παγκοσμίως κυψελωτό σύστημα στην Ιαπωνία μέχρι τις μέρες μας, η ανάπτυξη των ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας υπήρξε ραγδαία. Στο διάστημα αυτών των χρόνων αναπτύχθηκαν πολλά συστήματα που αντικατέστησαν ή συμπλήρωσαν τη λειτουργία παλαιότερων δικτύων και προσέφεραν την εμπειρία σημαντικών εφαρμογών. Το κάθε σύστημα από αυτά ανήκει σε κάποια τεχνολογική γενιά που διακρίνεται από κάποια βασικά χαρακτηριστικά. Κεφάλαιο 1 5

17 Με τεχνικούς όρους, οι γενιές τηλεπικοινωνιακών συστημάτων ορίζονται ως εξής: 0G : ARP 1G : NMT, AMPS, TACS 2G : GSM, i-den, D-AMPS, CDMA One, PDC 2,5G : GPRS 2,75G : EDGE 3G : W-CDMA, UMTS, FOMA, CDMA2000, TD-SCDMA 3,5G : HSDPA 3,75G : HSUPA 3,99G : Evolved UMTS 4G ΣΧΗΜΑ 1.1 Οι γενιές τηλεπικοινωνιακών συστημάτων Κεφάλαιο 1 6

18 1.4.1 Ασύρματα δίκτυα πρώτης γενιάς (1G) Πρώτης γενιάς δίκτυα (1G) είναι τα πρώτα αναλογικά κυψελωτά συστήματα που ξεκίνησαν στις αρχές της δεκαετίας του 80. Τα βασικά χαρακτηριστικά τους ήταν η αναλογική διαμόρφωση FM και η τεχνική FDD (Frequency Division Duplexing Αμφιδρόμηση Διαίρεσης Συχνότητας). Παραδείγματα τέτοιων δικτύων είναι το AMPS (Advanced Mobile Phone System), το οποίο αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 στις Ηνωμένες Πολιτείες, το ΝΜΤ (Nordic Mobile Telephone), το οποίο τέθηκε σε λειτουργία την ίδια περίοδο στις Σκανδιναβικές Χώρες και στη συνέχεια επεκτάθηκε σε Ανατολική Ευρώπη και Ρωσία και το TACS (Total Access Communication System), με έδρα λειτουργίας τη Μεγάλη Βρετανία. Η μετάβαση από τα κυψελωτά συστήματα 1 ης γενιάς σε εκείνα της 2 ης γενιάς σημαδεύτηκε από την εισαγωγή των ψηφιακών τεχνικών. Τα πρώτα κινητά ασύρματα δίκτυα έκαναν επίσης την εμφάνισή τους στην δεκαετία του 1980 με την εκκίνηση των συστημάτων πρώτης γενιάς (1G). Αν και σήμερα η τεχνολογία τους θεωρείται ξεπερασμένη, εν τούτοις αποτέλεσαν έναν σημαντικό σταθμό στην ιστορική εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών. Σχετικά γρήγορα οι δυνατότητές τους δεν επαρκούσαν για την κάλυψη των αναγκών των χρηστών. Τα κυριότερα προβλήματά τους ήταν: 1. Η χαμηλή ποιότητα των προσφερόμενων υπηρεσιών 2. Η χαμηλή απόδοση του δικτύου 3. Το χαμηλό επίπεδο ασφαλείας τους και οι υψηλές πιθανότητες αποκλεισμού (blocking probabilities). Έπειτα από τις προσπάθειες αντιμετώπισης των διάφορων προβλημάτων των συστημάτων πρώτης γενιάς και μετά από έντονες διεργασίες γεννήθηκαν τα συστήματα δεύτερης γενιάς (2G). Κεφάλαιο 1 7

19 1.4.2 Ασύρματα δίκτυα δεύτερης γενιάς (2G) Τα 2 ης γενιάς δίκτυα (2G) είναι τα πρώτα ψηφιακά κυψελωτά συστήματα που πρωτοεμφανίστηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 90. Η ανάπτυξη των συστημάτων αυτών βασίστηκε στη χρήση ψηφιακών επεξεργαστών σημάτων, καθώς και σε μια σειρά από επεκτάσεις των αλγορίθμων συμπίεσης, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της ποιότητας μετάδοσης και την αύξηση της χωρητικότητας συστήματος και της περιοχής κάλυψης. Με τα συστήματα 2 ης γενιάς σημειώθηκε σημαντική βελτίωση στην ποιότητα φωνής, καθώς η ψηφιακά κωδικοποιημένη πληροφορία υπόκειται σε ασθενέστερη παραμόρφωση σε σχέση με την αναλογική πληροφορία, ενώ παράλληλα έγινε δυνατή η χρήση πολυπλεξίας με περισσότερο αποτελεσματικό τρόπο, με αποτέλεσμα την αύξηση της χωρητικότητας. Η 2 η γενιά δικτύων παρέχει στους χρήστες τη δυνατότητα περιαγωγής, προσφέροντάς τους χωρίς ασυνέχειες επικοινωνία ανεξαρτήτου της τοποθεσίας στην οποία βρίσκονται. Η δυνατότητα περιαγωγής έγινε ο πρόδρομος για την ανάπτυξη πολλών εφαρμογών και έφερε την κινητότητα στη ζωή μας. Πλέον, η κινητότητα θεωρείται ως η θεμελιώδης πλευρά κάθε εφαρμογής. Η δυνατότητα όμως υποστήριξης υπηρεσιών δεδομένων είναι περιορισμένη στα 2 ης γενιάς δίκτυα. Η ανάγκη για υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων οδήγησε στην εισαγωγή των συστημάτων GPRS και EDGE, δυο συστημάτων που ανήκουν στη χρονική περίοδο ανάμεσα στη 2 η και την επόμενη γενιά. Πράγματι, η ανάγκη για παροχή υπηρεσιών με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, ώστε να μεταδίδονται εικόνες υψηλής ποιότητας και video πραγματικού χρόνου ή να παρέχεται πρόσβαση στο Διαδίκτυο με υψηλές ταχύτητες, οδήγησε στη σχεδίαση των συστημάτων 3 ης γενιάς (3G). Κεφάλαιο 1 8

20 Τα δίκτυα δεύτερης γενιάς είχαν γίνει πλέον ψηφιακά και στον τομέα των κινητών τηλεπικοινωνιών, σε αυτά διακρίνονται τα συστήματα GSM (Global System for Mobile), το ADC (American Digital Cellular or IS-54), το PDC (Personal Digital Cellular), το DCS (Digital Communication System στα 1800 MHz) και τα ασύρματα συστήματα χαμηλότερων στρωμάτων DECT (Digital European Cordless Telephone), CT2 (Cordless Telephone 2), PACS (Personal Access Communication Systems) και PHS (Personal Handy Phone System). Η δεύτερη γενιά συστημάτων κατόρθωσε να αποκαταστήσει την εμπιστοσύνη των χρηστών στις επικοινωνίες και σήμερα κατέχει εξέχουσα θέση ανάμεσα στα συστήματα επικοινωνιών. ΣΧΗΜΑ 1.2 Δίκτυο 2 ης γενιάς (2G) Τα χαρακτηριστικά που συνετέλεσαν στην επιτυχία και στην αλματώδη εξάπλωση αυτής της γενιάς είναι: 1. Το δίκτυο πλέον είναι ψηφιακό το οποίο οδηγεί σε αναβάθμιση της ποιότητας όλων των παρεχόμενων υπηρεσιών. 2. Υποστηρίζονται υπηρεσίες δεδομένων και παρέχονται νέες υπηρεσίες. 3. Η εν γένει βελτίωση της απόδοσης του δικτύου 4. Η εκμετάλλευση του δεδομένου φάσματος συχνοτήτων. Κεφάλαιο 1 9

21 Εξαιτίας της ψηφιακής μορφής του δικτύου και των νέων τεχνικών που αναπτύχθηκαν, τα συστήματα δεύτερης γενιάς θεωρούνται ασφαλείς υλοποιήσεις. Ωστόσο δύο κυρίως παράμετροι οδηγούν σήμερα στην διαπίστωση ότι τα συστήματα δεύτερης γενιάς δεν επαρκούν για την κάλυψη των αναγκών. Πρώτον, ο αριθμός των χρηστών ασύρματων επικοινωνιών διευρύνεται συνεχώς με ταχείς ρυθμούς και δεύτερον, υπάρχει μία αυξανόμενη ζήτηση για νέους τύπους υπηρεσιών (π.χ. video streaming, file downloading, ηλεκτρονικό εμπόριο κτλ), οι οποίες απαιτούν σημαντικά μεγαλύτερες ταχύτητες σε σχέση με τις ήδη διαθέσιμες και ενισχυμένα επίπεδα ασφάλειας. Γίνεται φανερό λοιπόν ότι για την κάλυψη των απαιτήσεων αυτών είναι απαραίτητο το δίκτυο να υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και να εκμεταλλεύεται αποδοτικά όλους τους διαθέσιμους πόρους. Δεδομένου ότι η μεγάλη ζήτηση υπηρεσιών και ταχύτητας υπηρεσιών έδειχναν ότι η τεχνολογία μεταγωγής κυκλώματος που χρησιμοποιούσαν τα συστήματα δεύτερης γενιάς έπρεπε να αλλάξει σε μεταγωγή πακέτου, η αλλαγή αυτή προς τα συστήματα τρίτης γενιάς επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τα ενδιάμεσα συστήματα (2.5G) όπως το HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), GPRS (General Packet Radio Service), και EDGE (Enhance Data for GSM Evolution). Η εξέλιξη των συστημάτων σε συστήματα τρίτης γενιάς (3G) ήρθε ως φυσικό επακόλουθο των απαιτήσεων των χρηστών για νέες, βελτιωμένες υπηρεσίες Ασύρματα δίκτυα τρίτης γενιάς (3G) Πράγματι, η ανάγκη για παροχή υπηρεσιών με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, ώστε να μεταδίδονται εικόνες υψηλής ποιότητας και video πραγματικού χρόνου ή να παρέχεται πρόσβαση στο Διαδίκτυο με υψηλές ταχύτητες, οδήγησε στη σχεδίαση των συστημάτων 3ης γενιάς (3G). Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η υποστήριξη εφαρμογών πολυμέσων και η δυνατότητα πρόσβασης σε πληροφορίες και υπηρεσίες με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης των 384 Kbps. Κεφάλαιο 1 10

22 Τα δίκτυα 3 ης γενιάς δεν θα αντικαταστήσουν τα δίκτυα 2 ης γενιάς, τα οποία θα συνεχίσουν να αναπτύσσονται. Κύριο πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται είναι το W- CDMA, στο οποίο στηρίζεται το πιο γνωστό δίκτυο 3 ης γενιάς, το UMTS. Ωστόσο, η αποτυχία του W-CDMA πρόσδωσε την αληθινή εμπειρία τρίτης γενιάς, ανάγκασε τη βιομηχανία να αρχίσει νωρίτερα από το προβλεπόμενο την υλοποίηση των HSDPA και HSUPA (3,5G). Τα συστήματα αυτά προσφέρουν αληθινές 3G εφαρμογές, αν και αυτές οι υψηλής ταχύτητας υπηρεσίες είναι για περιορισμένο αριθμό πελατών, γεγονός που οδήγησε σε συμφόρηση αυτών των δικτύων. Εξαιτίας του κινδύνου κορεσμού των HSDPA και HSUPA συστημάτων, αλλά και για την αποφυγή κενού στην τεχνολογία ανάμεσα στα 3,5G και την επόμενη γενιά (4G), μελετήθηκε η εισαγωγή του Super 3G ή αλλιώς Evolved UMTS (3,99G) μέχρι τον Ιούνιο του Το Evolved UMTS πρόσφερε ταχύτητες από 30Mbps έως και 100Mbps. ΣΧΗΜΑ 1.3 Ασύρματο δίκτυο 3 ης γενιάς (3G). Κεφάλαιο 1 11

23 Τα κινητά ασύρματα δίκτυα τρίτης γενιάς όπως το ιαπωνικό δίκτυο ARIB, το ευρωπαϊκό UMTS συστημάτων και το βορειοαμερικανικό CDMA-2000 βασίζονται σε αρχιτεκτονική δικτύου all-ip για να παρέχουν τις υποσχόμενες ευρυζωνικές υπηρεσίες και τις εγγυήσεις σε QoS. Εξαιτίας της τεχνολογίας CDMA(Code Division Multiple Access) την οποία κατά βάση χρησιμοποιούν, η διαπροσωπική επικοινωνία μπορεί να εμπλουτιστεί με υψηλής ποιότητας εικόνα και βίντεο, η δε πρόσβαση σε δεδομένα και υπηρεσίες δημόσιων και ιδιωτικών δικτύων διευκολύνεται από τους υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης και τις νέες ευέλικτες δυνατότητες που προσφέρουν τα συστήματα 3G. Σημειώνεται ότι ο κύριος αντιπρόσωπος των δικτύων τρίτης γενιάς, το UMTS, υποστηρίζει μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, που έχουν διαφορετικές απαιτήσεις σε ποιότητα υπηρεσίας. Οι βασικές απαιτήσεις που είχαν τεθεί για την ασύρματη διεπαφή τρίτης γενιάς ήταν: 1. Η υλοποίηση μεταβλητού ρυθμού μετάδοσης 2. Η δυνατότητα υποστήριξης πολλαπλών υπηρεσιών σε μία σύνδεση 3. Η βελτιωμένη χωρητικότητα και κάλυψη σε σχέση με το GSM καθώς και 4. Η διατήρηση συμβατότητας με το σύστημα GSM. Τα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα 3 ης γενιάς (3G) είναι η εξέλιξη των συστημάτων 2 ης γενιάς για αυξημένες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων και σημαντικά αυξημένη ευελιξία παροχής μεγάλου αριθμού υπηρεσιών στον ασύρματο χρήστη (παραδοσιακές υπηρεσίες τηλεφωνίας και τηλε-ειδοποίησης, διαδραστικά πολυμέσα (interactive multimedia), υψηλής ποιότητας τηλεδιάσκεψη (teleconference) και πρόσβαση στο Internet). Παρά τον αρχικό στόχο της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (ΙTU) για ένα ενιαίο παγκόσμιο πρότυπο για τα συστήματα 3 ης γενιάς, έχουν υποβληθεί προτάσεις στηριζόμενες σε πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου (TDMΑ) ή διαίρεσης κώδικα (CDMA). Κεφάλαιο 1 12

24 Η πλειοψηφία πάντως στηρίζεται σε τεχνολογία CDMA ευρείας ζώνης (WCDMA). Το άνω όριο των περίπου 100 kbits/sec για τα συστήματα 2G περιλαμβάνει τις βελτιώσεις του GSM στο EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) και στο GPRS (GSM Packet Radio System). Η λειτουργία των συστημάτων 3 ης γενιάς τοποθετείται στα μέσα του 2001 σε περιορισμένες αγορές. Τα συστήματα 3G αύξησαν το ρυθμό παροχής πληροφορίας σε περίπου 2Mbits/sec σε τοπικές περιοχές με περιορισμένη κινητικότητα. Προτάσεις για ασύρματα τοπικά δίκτυα (Wireless Local Loop-WLL) και για σταθερά δίκτυα ασύρματης πρόσβασης ευρείας ζώνης (Broadband Fixed Wireless Access) περιλαμβάνονται στο σχεδιασμό των συστημάτων 3G. Η τέταρτη γενιά (4G) θα ακολουθήσει με ακόμα μεγαλύτερη αύξηση στο ρυθμό παροχής πληροφορίας και μεγαλύτερη κινητικότητα (δυνατότητα μεγαλύτερης ταχύτητας κίνησης του συνδρομητή). Ο βασικός στόχος των συστημάτων 3G είναι η παροχή ενός μεγάλου αριθμού υπηρεσιών στο χρήστη χρησιμοποιώντας την αρχή του συστήματος συντεταγμένων (coordinate system). Με βάση αυτή την αρχή, οι υπηρεσίες παρέχονται με ενσύρματο, επίγειο ασύρματο ή δορυφορικό μέσο ανάλογα με την περίσταση. Ο χρήστης είναι δυνατό να μην γνωρίζει τη συγκεκριμένη τεχνολογία που χρησιμοποιεί. Στην πλειοψηφία τους τα προτεινόμενα 3G συστήματα δεν θα επιτύχουν αυτή τη μορφή επικοινωνίας αφήνοντάς την για τα συστήματα 4 ης γενιάς. Η κάλυψη σε όλα τα σημεία της γης είναι επιθυμητή, ενώ είναι αποδεκτό ότι οι μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων δεν θα είναι διαθέσιμες παντού και πιθανόν δεν θα είναι διαθέσιμες στις μεγαλύτερες ταχύτητες κίνησης του συνδρομητή. Σε αυτές τις ταχύτητες ο ρυθμός μετάδοσης της πληροφορίας θα περιορίζεται στα 384 kbits/sec, ενώ για μικρότερες ταχύτητες να είναι 2 Mbits/sec. Κεφάλαιο 1 13

25 Παγκόσμια μεταγωγή χωρίς προβλήματα (seamless roaming) ήταν ένας άλλος στόχος των συστημάτων 3G. Εξαιτίας του περιορισμένου διαθέσιμου εύρους συχνοτήτων για τα συστήματα 3G είναι αναγκαία η όσο το δυνατόν αποδοτικότερη χρήση του. Τα κυψελωτά συστήματα 3 ης γενιάς χαρακτηρίζονται από απόδοση εύρους ζώνης (spectrum efficiency) μέχρι 0.5 bps/hz/cell, λαμβάνοντας υπόψη παρεμβολές από άλλους χρήστες και την επαναχρησιμοποίηση συχνότητας (frequency reuse). Αν και αυτή η απόδοση είναι ικανοποιητική για παραδοσιακές υπηρεσίες, σημαντικές βελτιώσεις είναι αναγκαίες για την παροχή υπηρεσιών υψηλών ρυθμών μετάδοσης πληροφορίας σε μεγάλο αριθμό χρηστών. Τεχνολογίες όπως οι προσαρμοστικές κατευθυντικές κεραίες (adaptive directional antennas), η ακύρωση παρεμβολών (interference cancellation) και η διαδοχική μετάδοση (relay transmission) μπορούν να βοηθήσουν προς αυτή την κατεύθυνση. Με την υπάρχουσα τεχνολογία ο στόχος της παροχής οποιασδήποτε τεχνολογίας σε οποιοδήποτε χρήστη κάθε στιγμή σε οποιοδήποτε σημείο στη γη μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο σε μικρό βαθμό, καθώς είναι αναγκαίες σημαντικές βελτιώσεις στις τεχνολογίες ραδιοσυχνοτήτων και σχεδιασμού δικτύων. Παρά το γεγονός ότι έχουν το πλεονέκτημα της υποστήριξης του πρωτοκόλλου IP και της κινητότητας, τα δίκτυα τρίτης γενιάς έχουν το μειονέκτημα της ύπαρξης διαφορετικών προτύπων. Το μειονέκτημα αυτό περιορίζει την εύκολη περιαγωγή μεταξύ δικτύων βασισμένων σε διαφορετικά πρότυπα, και αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την κινητότητα των χρηστών. Επιπλέον, τα δίκτυα τρίτης γενιάς παρέχουν (στην καλύτερη περίπτωση) ταχύτητες ως 2 Mbps. Αν και οι ταχύτητες αυτές είναι αρκετές για τις παραδοσιακές εφαρμογές, θα πρέπει να βελτιωθούν προκειμένου να ικανοποιούν τις απαιτήσεις των εφαρμογών κινητής τηλεφωνίας των επόμενων δεκαετιών. Κεφάλαιο 1 14

26 Όπως σε όλους τους τομείς της τεχνολογίας, η αναζήτηση για καλύτερα και αποδοτικότερα συστήματα δεν σταματά ποτέ. Mόλις φτάσει η εποχή για την εγκατάσταση ενός συστήματος, η έρευνα για την επόμενη γενιά του είναι συνήθως ήδη σε εξέλιξη. Συνεπώς, η εγκατάσταση των δικτύων τρίτης γενιάς συνοδεύτηκε από την έναρξη της έρευνας για την επόμενη γενιά των ασύρματων συστημάτων κινητής τηλεφωνίας Ασύρματα δίκτυα τέταρτης γενιάς (4G) Η επόμενη γενιά, γνωστή ως 4G, αναμένεται να δημιουργήσει ένα ετερογενές δίκτυο, περιλαμβάνοντας έναν αυξανόμενο αριθμό διαφορετικών δικτύων πρόσβασης και τερματικών, που θα επιτρέψει την εισαγωγή και παροχή πρόσβασης σε πολυάριθμες και πλούσιες σε χαρακτηριστικά υπηρεσίες. Σε αυτήν ενσωματώνονται τα 2 ης και 3 ης γενιάς δίκτυα, με βασικό χαρακτηριστικό την περιαγωγή από το ένα σύστημα στο άλλο ανάλογα με κάποια κριτήρια επιλογής. Σε σύντομο χρονικό διάστημα προβλέπεται η εισαγωγή τους, θα υπάρχει βέλτιστη πρόσβαση σε ψηφιακές υπηρεσίες οποτεδήποτε και οπουδήποτε, ανεξαρτήτως δικτύου ή τερματικού και ανάλογα με τις προτιμήσεις κάθε χρήστη. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1 Συνοπτικός πίνακας με τα χαρακτηριστικά κάθε γενιάς Κεφάλαιο 1 15

27 Οι σχεδιαστές εφαρμογών αναπτύσσουν εφαρμογές είτε για μαζικές πωλήσεις, είτε για έναν ιδιώτη ανάλογα με τις απαιτήσεις του, είτε υβριδικές που προσαρμόζονται στις ανάγκες του κάθε χρήστη. Οι υπηρεσίες, γενικά, είναι ένα μέσο για κάποιο σκοπό και όχι ο ίδιος ο σκοπός. Οι σχεδιαστές έχουν ακριβώς αυτό το ρόλο: να αναπτύσσουν εφαρμογές για την πραγματοποίηση σκοπών που θα γίνουν καθημερινή συνήθεια και μία χείρα βοηθείας για τους χρήστες. Έρχονται σε επαφή με όλους τους υπόλοιπους κρίκους της αλυσίδας. Οι πελάτες θέλουν να μπορούν να μαθαίνουν και να γίνονται συνδρομητές υπηρεσιών με βολικό και εύκολο τρόπο. Τα κανάλια πληροφορικής είναι αυτά που αναλαμβάνουν να κάνουν τα παραπάνω. Διαφορετικές ομάδες πελατών προτιμούν να χρησιμοποιούν διαφορετικά κανάλια ανάλογα με τις απαιτήσεις τους. Σε μερικές περιπτώσεις δε οι πελάτες απευθύνονται κατευθείαν στους παρόχους. Ένα κανάλι πληροφορικής μπορεί να είναι ένα περιοδικό ή ένα κατάστημα λιανικής. Τα κανάλια συνδέονται με τους πελάτες που αγοράζουν από αυτά, τους πωλητές που τα προμηθεύουν και τους παρόχους που τα πλησιάζουν για να πουλάνε εξοπλισμό σύμφωνο με το δικό τους παρεχόμενο δίκτυο. Οι δραστηριότητες που εκτελεί ένα πάροχος είναι σημαντικές για τον καθορισμό της επιτυχίας μιας υπηρεσίας. Οι πάροχοι αποφασίζουν σε ποιες υποδομές δικτύου θα επενδύσουν χρήματα, ποιες υπηρεσίες θα υποστηρίξουν και πόσους πόρους θα αφιερώσουν για τη μόρφωση των πελατών γύρω από τη διαθεσιμότητα και τις χρήσεις της τεχνολογίας. Κεφάλαιο 1 16

28 Τα ασύρματα δίκτυα τέταρτης γενιάς (4G), είναι ικανά να υποστηρίξουν την παροχή υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης δεδομένων στις εντοπισμένες περιοχές υπηρεσιών και την μη αντιληπτή διασυστημική κινητικότητα. Το (Σχήμα 1.4) απεικονίζει το όραμα των δικτύων 4ης γενιάς: ΣΧΗΜΑ 1.4 Απεικόνιση ασύρματου δικτύου 4 ης γενιάς (4G). Η έκρηξη των νέων ασύρματων τεχνολογιών και των δικτυακών αρχιτεκτονικών στα προηγούμενα έτη, όπως φάνηκε προηγουμένως στο κείμενο, τροφοδοτήθηκε από την ακόρεστη δίψα των χρηστών για τις προηγμένες υπηρεσίες δεδομένων. Ένα ευρύτερο φάσμα ευρυζωνικών ασύρματων υπηρεσιών, από τις κινητές επιχειρησιακές εφαρμογές στην κινητή ψυχαγωγία, έχει προκύψει τα τελευταία χρόνια. Για το δίκτυο και τους παρόχους υπηρεσιών, η επιτυχής παράδοση των κινητών υπηρεσιών δεδομένων είναι κρίσιμη για την αύξηση των συνδρομητών και την αύξηση του μέσου εισοδήματος ανά χρήστη. Ένας όρος που χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει την επιτυχή παράδοση των υπηρεσιών είναι το QoS (ποιότητα της υπηρεσίας). Η παροχή QoS λαμβάνει διαφορετικές μορφές ανάλογα με την υπηρεσία και το σύστημα που χρησιμοποιείται κάθε φορά. Κεφάλαιο 1 17

29 Παραδείγματος χάριν, από την οπτική γωνία των κυψελωτών συστημάτων, το QoS αναφέρεται σε κριτήρια όπως η πιθανότητα αποκλεισμού (blocking probability) μιας κλήσης, η πιθανότητα ανεπιθύμητου τερματισμού (dropping probability) μιας κλήσης και η ασφάλεια, ενώ για τα δίκτυα IP το QoS αφορά την αξιόπιστη παράδοση των δεδομένων ή την εγγύηση ότι δεν θα υπάρξουν καθυστερήσεις. Τα ολοκληρωμένα IP-κυψελωτά δίκτυα, που προβλέπονται για τα μελλοντικής γενιάς, πρέπει να μειώσουν αυτές τις συστηματοστρεφείς πτυχές των απαιτήσεων QoS. Επιπλέον, η ολοκλήρωση των ετερογενών κινητών ασύρματων συστημάτων σε μια κοινή αρχιτεκτονική μεταγωγής πακέτου πρέπει να προσαρμόσει τις ειδικές απαιτήσεις υπηρεσιών από άποψη ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, καθυστέρησης και απώλειας πακέτων στους διαθέσιμους πόρους των παρεμβαλλόμενων συστημάτων. Τέλος σημειώνεται ότι υπάρχουν διάφοροι τρόποι που το δίκτυο και οι πάροχοι υπηρεσιών μπορούν να παραδώσουν αυτές τις εγγυήσεις QoS στους τελικούς χρήστες, όπως είναι η ανάπτυξη νέων εξυπηρετητών εφαρμογών, οι σύνθετοι μηχανισμοί προγραμματισμού, και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας και περισσότερο από όλα η αποδοτική διαχείριση των πόρων του δικτύου. Ο στόχος για τα συστήματα τέταρτης γενιάς και τα μελλοντικά συστήματα είναι η ενοποίηση των διαφόρων δικτύων κινητής και ασύρματης τηλεφωνίας. Ωστόσο, υπάρχει μια θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των ασύρματων κυψελιδικών δικτύων και των ασύρματων δικτύων δεδομένων, όπως τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN): ότι τα κυψελιδικά συστήματα είναι συνήθως βασισμένα σε μεταγωγή κυκλώματος, κάτι που σημαίνει ότι η πραγματοποίηση μιας κλήσης ακολουθεί τη δημιουργία ενός κυκλώματος μέσω του οποίου θα μεταφερθούν τα δεδομένα, ενώ αντίθετα τα ασύρματα δίκτυα δεδομένων είναι βασισμένα σε μεταγωγή πακέτων. Κεφάλαιο 1 18

30 Αναμένεται ότι η εξέλιξη των δικτύων ασύρματης τηλεφωνίας προς ένα ενιαίο σύστημα θα οδηγήσει σε μια κοινή πλατφόρμα μεταγωγής πακέτων (βασισμένη στο πρωτόκολλο IP), οδηγώντας έτσι στο «ασύρματο διαδίκτυο». Βέβαια, για την πραγματοποίηση μιας τέτοιας προσπάθειας απαιτείται έρευνα που θα κάνει δυνατή τη διαλειτουργικότητα μεταξύ των ασύρματων κυψελιδικών δικτύων και των ασύρματων δικτύων δεδομένων. Η ενοποιημένη αυτή πλατφόρμα παρέχει διαφανή ολοκλήρωση των ενσύρματων και ασύρματων δικτύων και επιτρέπει στους χρήστες να έχουν, ανεξάρτητα από τις μεθόδους προσπέλασης των διαφόρων ασύρματων δικτύων, άμεση πρόσβαση σε περιεχόμενα πολυμέσων όπως φωνή, δεδομένα, και βίντεο. Οι επόμενες γενιές ασύρματων δικτύων θα προσφέρουν αυξημένες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων - οι προβλέψεις τις τοποθετούν από τα 50 έως τα 155 Mbps. Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης αυτών των συστημάτων θα πρέπει να μελετηθούν και να επιλυθούν διάφορα οικονομικά και τεχνικά ζητήματα. Κάποια από αυτά, όπως η ανάπτυξη αποδοτικότερων τεχνικών διαμόρφωσης, η ανεύρεση επιπλέον φάσματος, και οι εξελίξεις στην τεχνολογία των μπαταριών, έχουν ήδη μελετηθεί κατά τη διάρκεια της έρευνας και ανάπτυξης συστημάτων δεύτερης και τρίτης γενιάς. Υπάρχουν, όμως, και άλλα ζητήματα τα οποία δεν έχουν μελετηθεί διεξοδικά, και εξαρτώνται σημαντικά από την εξέλιξη της αγοράς των τηλεπικοινωνιών και γενικά της κοινωνίας. Τα ζητήματα αυτά πρέπει να προσδιοριστούν και να επιλυθούν το συντομότερο, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η επιτυχία των συστημάτων τέταρτης γενιάς (4G). [1] Κεφάλαιο 1 19

31 1.5 Σύγκριση 3G με 4G Η 3 η γενιά δικτύων, παρά τις προβλέψεις, αποδείχτηκε αρκετά απογοητευτική. Αντί της ύπαρξης ενός παγκόσμιου προτύπου, μόνο στην Αμερική αναπτύχθηκαν τρία ασύμβατα συστήματα. Η φωνή μεταφέρεται με κυκλώματα μεταγωγής χαρακτηριστικό που κληρονομήθηκε από τα δίκτυα 2 ης γενιάς και όχι με το υποσχόμενο ΙΡ, ενώ οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων δεν είναι αυτοί που είχαν προβλεφθεί. Αυτό οφείλεται κυρίως στην τεχνολογική ανωριμότητα των 3G δικτύων. Στην πραγματικότητα, τα τρέχοντα δίκτυα 3 ης γενιάς δεν προσφέρουν την αληθινή 3G εμπειρία στους χρήστες αλλά αποτελούν μία αρχική δοκιμαστική εκδοχή τους, με την αληθινή εκδοχή να αναμένεται στο μέλλον. Ωστόσο, ποτέ δεν θα φανούν αντάξια των υποσχέσεων των κατασκευαστών τους. Αντίθετα, τα 4 ης γενιάς δίκτυα προσφέρουν στους χρήστες όλα όσα δεν κατάφεραν να δώσουν τα προηγούμενα δίκτυα. Τα 4G προσφέρουν αλληλεπιδρούσες υπηρεσίες πολυμέσων, όπως τηλεδιάσκεψη, ασύρματο Ίντερνετ, υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης (100Μbps), παγκόσμια κινητότητα και φορητότητα υπηρεσιών σε χαμηλό κόστος. Πλέον, όλη η τεχνολογία στηρίζεται σε μεταγωγή πακέτων και όχι σε μεταγωγή κυκλωμάτων όπως στα 3G, και όλα τα στοιχεία του δικτύου είναι ψηφιακά. Εν ολίγοις, ένα σύστημα 4G πρέπει να παρέχει υψηλές ταχύτητες με χαμηλό κόστος για τους χρήστες των ασύρματων δικτύων. [11] Κεφάλαιο 1 20

32 ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2 Σύγκριση 3G VS 4G 3G 4G Συμβατότητα με 2G Circuit & packet switched δίκτυα Συνδυασμός του υπάρχοντος και του νέου εξοπλισμού Ρυθμοί μετάδοσης ως 2Μbps Επέκταση χωρητικότητας των 3G κατά μία τάξη μεγέθους Μόνο packet switched δίκτυα Όλα ψηφιακά Ρυθμοί μετάδοσης >100Mbps 1.6 Στόχοι και απαιτήσεις των 4G Σχεδιαστικοί στόχοι και σχετικά ερευνητικά ζητήματα για τα (4G) συστήματα. 1. Τα συστήματα που θα ακολουθήσουν την τρίτη γενιά πρέπει να φέρουν κάτι που λείπει από τους προκατόχους τους: ευέλικτη διαλειτουργικότητα μεταξύ των διάφορων κατηγοριών των υπαρχόντων ασύρματων δικτύων, όπως τα δορυφορικά δίκτυα, τα κυψελιδικά δίκτυα, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα, τα δίκτυα προσωπικής περιοχής, και τα συστήματα σταθερών ασύρματων ζεύξεων. Η έννοια της διαλειτουργικότητας δίνει στο χρήστη τη δυνατότητα περιαγωγής μεταξύ δικτύων διαφορετικών προτύπων (π.χ. μετακίνηση από ένα κυψελιδικό δίκτυο προς ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο χωρίς να διακόπτεται η παροχή υπηρεσιών). Αν ο στόχος της διαλειτουργικότητας εκπληρωθεί, η παγκόσμια επικοινωνιακή υποδομή θα μετατραπεί σε ένα ενιαίο δίκτυο που είναι προσβάσιμο από τους χρήστες ανεξάρτητα από συγκεκριμένες μεθόδους προσπέλασης. Κεφάλαιο 1 21

33 2. Υποστηριζόμενο εύρος ζώνης και χρόνος ζωής μπαταριών: τα τερματικά των δικτύων επόμενης γενιάς υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσμα επιλογών εύρους ζώνης, που κυμαίνεται από μερικά Kbps έως 100 Mbps ή και παραπάνω. Ο χρόνος ζωής των μπαταριών αυτών των συσκευών αναμένεται να είναι περίπου μία εβδομάδα. Αυτή η πρόοδος αναμένεται να συνοδευτεί από μείωση βάρους και όγκου των μπαταριών. 3. Σταθερό δίκτυο μεταγωγής πακέτων: σύμφωνα με τις μελέτες, η αρχιτεκτονική τέταρτης γενιάς χρησιμοποιεί ένα ασυνδεσμικό (connectionless) σταθερό δίκτυο μεταγωγής πακέτων (βασισμένο στο πρωτόκολλο IP) προκειμένου να διασυνδέει τα διάφορα ασύρματα δίκτυα. 4. Μεταβολή εύρους ζώνης για την ασύρματη πρόσβαση: η διασύνδεση των διαφορετικών δικτύων σε μια κοινή πλατφόρμα παρέχει ένα δίκτυο που αποτελείται από διαφορετικά επικαλυπτόμενα επίπεδα, τα οποία προσφέρουν διαφορετικές ταχύτητες πρόσβασης στους χρήστες, ανάλογα με τη γεωγραφική τους θέση. Τα επίπεδα είναι: 1ο. Επίπεδο διανομής (distribution layer). Υποστηρίζει τις υπηρεσίες μεταδόσεων ψηφιακής τηλεόρασης και ραδιοφωνίας, παρέχοντας μέτριες ταχύτητες σε τοπολογίες που θα αποτελούνται από σχετικά μεγάλες κυψέλες. Το επίπεδο αυτό υποστηρίζει πλήρη κάλυψη και κινητότητα σε αγροτικές περιοχές με μικρή πυκνότητα συνδρομητών. 2ο. Κυψελιδικό επίπεδο (cellular layer). Περιλαμβάνει τα κυψελιδικά συστήματα δεύτερης και τρίτης γενιάς. Παρέχει υψηλές ταχύτητες (έως 2 Mbps) σε περιοχές με μεγάλη πυκνότητα συνδρομητών, όπως οι αστικές. Η τοπολογία του αποτελείται από κυψέλες μικρότερες από εκείνες του επιπέδου διανομής. Το επίπεδο αυτό υποστηρίζει επίσης πλήρη κάλυψη και κινητικότητα. Κεφάλαιο 1 22

34 3ο. Επίπεδο «θερμών σημείων» (hot-spot layer). Υποστηρίζει υπηρεσίες που απαιτούν υψηλές ταχύτητες σε περιοχές μικρής έκτασης, όπως γραφεία ή κτίρια. Περιλαμβάνει τα συστήματα ασύρματων τοπικών δικτύων, όπως το IEEE και το ασύρματο τοπικό δίκτυο υψηλής απόδοσης (High Performance Radio LAN 1, HIPERLAN 1). Λόγω των μικρών μη επικαλυπτόμενων περιοχών κάλυψης του, το επίπεδο αυτό δεν αναμένεται να παρέχει πλήρη κάλυψη. Βέβαια, μπορεί να υποστηριχτεί η δυνατότητα περιαγωγής προς ένα από τα προηγούμενα επίπεδα. 4ο. Προσωπικό επίπεδο (personal layer). Περιλάβει τις συνδέσεις σε πολύ μικρές αποστάσεις, όπως αυτές που παρέχει το πρότυπο Bluetooth. Λόγω των μικρών αποστάσεων, η κινητότητα είναι περιορισμένη, αλλά μπορεί και εδώ να υποστηριχθεί η δυνατότητα περιαγωγής προς ένα από τα προηγούμενα επίπεδα. 5ο. Σταθερό επίπεδο (fixed layer). Περιλάβει τα σταθερά συστήματα πρόσβασης μέσω ασύρματων ζεύξεων, τα οποία αποτελούν επίσης μέρος του δικτύου τέταρτης γενιάς. 5. Προηγμένοι σταθμοί βάσης: Οι σταθμοί βάσης των δικτύων μελλοντικών γενιών χρησιμοποιούν έξυπνες κεραίες προκειμένου να αυξήσουν τη χωρητικότητα του δικτύου. Επίσης, υποστηρίζουν ένα πλήθος διασυνδέσεων ώστε να παρέχουν πρόσβαση σε ένα ευρύ φάσμα τερματικών. 6. Υψηλότερες ταχύτητες πρόσβασης: Τα συστήματα τρίτης γενιάς έχουν στην καλύτερη περίπτωση ένα ανώτατο όριο ταχύτητας των 2 Mbps. Τα συστήματα τέταρτης γενιάς παρέχουν ταχύτητες μεγαλύτερες από τα 50 Mbps. [1] Κεφάλαιο 1 23

35 1.6.2 Απαιτήσεις συστημάτων 4ης γενιάς Υψηλός ρυθμός μετάδοσης πληροφορίας. Τα συστήματα 3ης γενιάς προσφέρουν μέχρι 2 Mbits/sec για περιβάλλοντα εσωτερικού χώρου (indoor environments) και τουλάχιστον 144 Κbits/sec για κινούμενα (vehicular) περιβάλλοντα. Ασύρματα LAN και ασύρματα συστήματα πρόσβασης ευρείας ζώνης που λειτουργούν στη ζώνη των 5 GHz και έχουν αναπτυχθεί στην Ιαπωνία (MMAC), στην Ευρώπη (Hyperlan 2) και στην Αμερική (ΙΕΕΕ ) έχουν ταχύτητα μετάδοσης Mbits/sec. Η ελάχιστη ταχύτητα που έχει τεθεί ως στόχος για τα 4G συστήματα είναι Mbits/sec για ακίνητα περιβάλλοντα και 2 Mbits/sec για κινούμενα οχήματα. Μεγαλύτερη χωρητικότητα και μικρότερο κόστος ανά bit. Η χωρητικότητα των συστημάτων 3G δεν ήταν αρκετή για να εξυπηρετήσει την εκρηκτικά αυξανόμενη κίνηση των πολυμέσων γύρω στο Η χωρητικότητα για τα 4G συστήματα είναι τουλάχιστον δέκα φορές υψηλότερη από την αντίστοιχη των 3G, ενώ το κόστος ανά bit έχει μειωθεί δραματικά ώστε η χρέωση να μην είναι απαγορευτική. Εξαιρετική ποιότητα παροχής υπηρεσιών (Quality of Service-QoS). Τα ασύρματα συστήματα χρησιμοποιούν περιορισμένο εύρος συχνοτήτων και μεταδιδόμενης ισχύος και υποφέρουν από συμφόρηση. Επομένως εξαιρετική ποιότητα υπηρεσιών (QoS) είναι αναγκαία για την υποστήριξη διαφορετικών εφαρμογών, ιδιαίτερα αυτών που απαιτούν επεξεργασία δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Καλή χωρική κάλυψη με μεταβλητή ταχύτητα μετάδοσης. Καθώς οι ταχύτητες μετάδοσης αυξάνονται, το απαιτούμενο επίπεδο λαμβανομένου σήματος θα αυξηθεί ανάλογα. Κεφάλαιο 1 24

36 Εξαιτίας του γεγονότος ότι η επιδιωκόμενη ταχύτητα των συστημάτων 4G είναι μεγαλύτερη από δύο τάξεις μεγέθους σε σχέση με τα υπάρχοντα συστήματα, η ακτίνα της κυψέλης έχει μειωθεί και η κάλυψη στο εσωτερικό των κτιρίων θα υποβαθμιστεί αν δεν προστεθεί ένας μεγάλος αριθμός σταθμών βάσης. Η χρήση τέτοιων συστημάτων μετάδοσης μεταβλητής απόστασης και ταχύτητας (wide-range variable-speed) είναι αναγκαία για ικανοποιητική κάλυψη εσωτερικών χώρων και μετάβαση σε διαφορετική κυψέλη χωρίς προβλήματα ανεξαρτήτως της τεχνολογίας των συστημάτων (3G, 4G). Υποστήριξη Internet νέας γενιάς. Η υποστήριξη πρωτοκόλλων Internet νέας γενιάς (IPv6) και πολυεκπομπής (multicasting) είναι σημαντική ιδιαίτερα για εφαρμογές ηλεκτρονικού εμπορίου. Ομαλή διασύνδεση με συστήματα 3G, ασύρματα δίκτυα υπολογιστών (WLAN) και σταθερά δίκτυα. Με τη χρήση τεχνολογίας βασισμένης σε πρωτόκολλα Internet (ΙP) είναι δυνατή η ομαλή διασύνδεση διαφορετικών τεχνολογιών. Ως αποτέλεσμα ο κάθε χρήστης να μπορεί να διαλέγει το καλύτερο δίκτυο ανά περίσταση, (ανάλογα με το χρόνο, το χώρο και το κόστος που τον ενδιαφέρει). [12] Κεφάλαιο 1 25

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΙΚΤΥΩΝ 4 ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ 2.1 Η εξέλιξη από το UMTS στο LTE. Μετά την έκδοση 99, το 3GPP μετά από ένα χρόνο σταμάτησε την ονοματοδοσία εκδόσεων και επέλεξε ένα νέο σχήμα που ξεκίνησε με την έκδοση 4. Η έκδοση 4 παρουσίασε την 1.28 Mcps περιορισμένης ζώνης έκδοση του W-CDMA γνωστή ως Time Domain Sychronous Code Division Multiple Access (TD- SCDMA). Μετά από αυτό ήταν η έκδοση 5 στην οποία το High Speed Downlink Packet Access (HDSPA) εισήγαγε τις packet-based υπηρεσίες δεδομένων στο UMTS με τον ίδιο τρόπο που το GPRS έκανε για το GSM στην έκδοση 97. ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1 Οι προδιαγραφές της εξέλιξης του UMTS Κεφάλαιο 2 26

38 Η ολοκλήρωση των πακέτων δεδομένων για το UMTS επιτεύχθηκε στην έκδοση 6 με την προσθήκη του High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), αν και ο επίσημος όρος για αυτή την τεχνολογία είναι Enhanced Dedicated Channel (E- DCH). Το HSDPA και HSUPA είναι πλέον γνωστά ως High Speed Packet Access (HSPA). Η έκδοση 7 περιείχε την πρώτη εργασία πάνω στο LTE/SAE με την ολοκλήρωση των μελετών σκοπιμότητας και τις περαιτέρω βελτιώσεις που έγιναν στο HSPA όπως η κατερχόμενη σύνδεση MIMO, 64QAM στην κατερχόμενη σύνδεση και 16QAM στην ανερχόμενη σύνδεση. Η έκδοση 8 συνεχίζει να εξελίσσεται με την προσθήκη μικρότερων χαρακτηριστικών όπως το dual cell HSDPA και 64QAM με MIMO. Η κύρια εργασία της έκδοσης 8 ωστόσο είναι η προδιαγραφή των LTE και SAE. Η εργασία πέρα από την έκδοση 8 είναι υπό εξέλιξη με την οποία το LTE θα ενισχυθεί με την έκδοση 10 και προωθείται ως LTE-Advanced, μια υποψήφια τεχνολογία για την διεθνή ένωση τηλεπικοινωνιών (ITU) το πρόγραμμα IMT- Advanced, γνωστό ως 4G. 2.2 Η εξέλιξη του 4G Οι αρμοδιότητες των ραδιοδιεπαφών για κινητά WiMax και UMB είναι πολύ παρόμοιες με εκείνους του LTE που δίνονται στον (Πίνακα 2.2) και τα τρία συστήματα υποστηρίζουν ευέλικτα εύρη ζώνης, FDD/TDD duplexing, OFDMA στην κατερχόμενη σύνδεση και σχήματα MIMO. Υπάρχουν μερικές διαφορές όπως στη ανερχόμενη σύνδεση του LTE που είναι βασισμένη στο SC-FDMA έναντι του OFDMA στα κινητά WiMax και UMB. Η απόδοση των τριών συστημάτων επομένως είναι παρόμοια με μικρές διαφορές. Κεφάλαιο 2 27

39 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2 Εξέλιξη των κυψελωτών συστημάτων Παρόμοια με την πρωτοβουλία IMT-2000, η ομάδα εργασίας ITU-R 5D έχει εκφράσει τις απαιτήσεις για IMT-προηγμένα συστήματα. Μεταξύ των άλλων αυτές οι απαιτήσεις περιλαμβάνουν μέσους όρους ρυθμών δεδομένων κατερχόμενης σύνδεσης 100Mbit/s στο δίκτυο ευρείας περιοχής και μέχρι 1Gbit/s για τα σενάρια τοπικής πρόσβασης ή χαμηλής κινητικότητας. Επίσης στην διάσκεψη παγκόσμιων ραδιοεπικοινωνιών το 2007 (WRC-2007), το μέγιστο ενός νέου φάσματος 428 MHz προσδιορίζεται για τα IMT συστήματα που περιλαμβάνουν επίσης ένα φάσμα 136 MHz κατανεμημένο σε συνολική βάση. Και το 3GPP και το IEEE 802 LMSC αναπτύσσουν τα πρότυπά τους για την υποβολή τους στο IMT-advanced. Ο στόχος των προτύπων, του IMT-advanced και του ΙΕΕΕ m είναι να ενισχυθούν περαιτέρω τα φασματικά ποσοστά αποδοτικότητας και των δεδομένων εφόσον υποστηρίζουν την συμβατότητα με προηγούμενες εκδόσεις. Ως τμήμα των εξελίξεων των προτύπων του LTE-advanced και του IEEE , διάφορες ενισχύσεις συμπεριλαμβανομένης της υποστήριξης για ένα μεγαλύτερο εύρος ζώνης από 20 MHz και την υψηλότερη τάξη του MIMO συζητούνται για να καλύψουν τις απαιτήσεις του IMT-advanced. [2] Κεφάλαιο 2 28

40 2.3 Αρχιτεκτονική Συστήματος Το EPS δίκτυο αποτελείται από το δίκτυο κορμού (EPC) και το δίκτυο πρόσβασης (E-UTRAN). Όπως φαίνεται και στο (Σχήμα 2.1), όσο αφορά στο δίκτυο κορμού αυτό αποτελείται από πολλές λογικές οντότητες, ενώ αντίθετα το δίκτυο πρόσβασης συντελείται από ένα και μοναδικό στοιχείο, τον evolved NodeB (enodeb), ο οποίος συνδέεται με τους UEs. Επίσης απεικονίζονται οι διεπαφές που συνδέουν τις οντότητες αυτές μεταξύ τους. ΣΧΗΜΑ 2.1 Στοιχεία του EPS δικτύου Κεφάλαιο 2 29

41 2.4 Δίκτυο Κορμού Οι βασικές οντότητες του δικτύου κορμού (Core Network) είναι οι εξής : Serving Gateway: Η Serving Gateway (S-GW) δρομολογεί και προωθεί τα πακέτα δεδομένων του χρήστη, ενώ επίσης ενεργεί ως σημείο αναφοράς όταν ο χρήστης κινείται μεταξύ των enodebs ή μεταξύ του LTE και άλλων 3GPP τεχνολογιών (handover). Η Mobility Management Entity (MME) δίνει εντολή στη S-GW να αλλάξει τη σύνδεση από τον ένα enodeb στον άλλο. Επίσης, μπορεί να ζητήσει από τη S-GW να παρέχει πόρους σύνδεσης για τη διαβίβαση δεδομένων, αν υπάρχει ανάγκη, από τον αρχικό enodeb στον επόμενο. Άλλο ένα σενάριο είναι η αλλαγή από μια S-GW σε άλλη, με την MME να ελέγχει τη μετακίνηση αυτή αναλόγως με την κατάργηση συνδέσεων στην παλιά S- GW και την εγκατάστασή τους στην νέα S-GW. Για όλες τις ροές δεδομένων που ανήκουν σε ένα UE ο οποίος βρίσκεται σε λειτουργία, η S-GW μεταβιβάζει τα δεδομένα μεταξύ του enodeb και της Packet Data Network Gateway (P-GW). Ωστόσο, όταν ένας UE είναι σε κατάσταση αδράνειας οι πόροι στον enodeb απελευθερώνονται και η πορεία των δεδομένων τερματίζει στην S-GW. Εάν η S- GW λάβει πακέτα δεδομένων από την P-GW, τότε θα αποθηκεύσει τα πακέτα και θα ζητήσει από την MME να αρχικοποιήσει τη διαδικασία τηλε-ειδοποίησης του UE. Αυτό παρακινεί τον UE να ξανασυνδεθεί και όταν οι συνδέσεις ξαναπραγματοποιηθούν, τα αποθηκευμένα πακέτα θα σταλούν. Κεφάλαιο 2 30

42 Η S-GW παρακολουθεί τα δεδομένα στις συνδέσεις και μπορεί επίσης να συλλέγει δεδομένα που απαιτούνται για τον υπολογισμό της χρέωσης των χρηστών. Επιπρόσθετα περιλαμβάνει τη λειτουργία νόμιμης παρακολούθησης, η οποία δίνει τη δυνατότητα να παρέχονται τα δεδομένα, του χρήστη που παρακολουθείται, στις αρχές για περαιτέρω έλεγχο. Μια S-GW μπορεί να εξυπηρετεί μόνο μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή με ένα περιορισμένο σύνολο enodebs και επίσης μπορεί να υπάρχει ένα περιορισμένο σύνολο MMEs που ελέγχουν αυτή την περιοχή. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι πρέπει να είναι σε θέση να συνδέεται με οποιαδήποτε P-GW σε όλο το δίκτυο, αφού η P-GW δεν αλλάζει κατά τη διάρκεια της μετακίνησης, αντιθέτως το S-GW μπορεί να μεταφερθεί. Packet Data Network Gateway: Η P-GW παρέχει δυνατότητα σύνδεσης του UE με εξωτερικά δίκτυα πακέτων δεδομένων με το να δρα ως σημείο εξόδου και εισόδου της κυκλοφορίας για τον UE. Ένας UE μπορεί να έχει ταυτόχρονη σύνδεση με περισσότερες από μια P-GW για πρόσβαση σε πολλαπλά Packet Data Networks (PDNs). Επίσης, είναι το σημείο όπου δίνεται η IP σε κάθε UE. Συνήθως διανέμει μια IP διεύθυνση στον UE, και αυτός τη χρησιμοποιεί για να επικοινωνεί με άλλους IP hosts σε εξωτερικά δίκτυα, π.χ. στο Διαδίκτυο. Ένας άλλος βασικός ρόλος της P-GW είναι να ενεργεί ως σημείο αναφοράς για την κινητικότητα μεταξύ 3GPP και μη τεχνολογίες (όπως το WiMAX και 3GPP2). Όταν ένας UE μετακινείται από μια S-GW σε άλλη, οι φορείς/κανάλια πρέπει να αλλάξουν στο P-GW. Η P-GW θα λάβει ένδειξη για να αλλάξει τις ροές δεδομένων από το νέο S-GW. Τέλος, περιλαμβάνει το PCEF (Policy Control Enforcement Function), πράγμα που σημαίνει ότι εκτελεί gating και filtering λειτουργίες όπως απαιτείται από τις πολιτικές που καθορίζονται για τον UE και την εν λόγω υπηρεσία, ενώ συλλέγει και αναφέρει και τις σχετικές πληροφορίες χρέωσης. [3] Κεφάλαιο 2 31

43 Mobility Management Entity: Η οντότητα MME είναι ο κόμβος κλειδί για τον έλεγχο πρόσβασης στο LTE δίκτυο. Είναι υπεύθυνη για την παρακολούθηση των συσκευών που βρίσκονται σε αδράνεια και για τη διαδικασία τηλε-ειδοποίησης, συμπεριλαμβανομένων των αναμεταδόσεων. Συμμετέχει στη διαδικασία ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του φορέα/καναλιού και επίσης είναι υπεύθυνη για την επιλογή του S-GW για ένα UE κατά την αρχική σύνδεση και τη στιγμή του ενδο-lte handover συμπεριλαμβάνοντας τη μετεγκατάσταση του CN. Επίσης, είναι υπεύθυνη για τον έλεγχο ταυτότητας των χρηστών (μέσω αλληλεπίδρασης με το HSS). Οι Non Access Stratum (NAS) διαδικασίες τερματίζουν στο MME και είναι υπεύθυνες για την παραγωγή και την κατανομή προσωρινών ταυτοτήτων για τους UEs. Ελέγχουν την άδεια του UE για το αν μπορεί να συμμετέχει στην υπηρεσία που προσφέρει ο πάροχος (Public Land Mobile Network) και επιβάλλει περιορισμούς περιαγωγής στον UE. Η MME είναι το τελικό σημείο του δικτύου για κρυπτογράφηση/προστασία ακεραιότητας για τις NAS διαδικασίες και αναλαμβάνει την διαχείριση του κλειδιού ασφαλείας. Επίσης παρέχει τη λειτουργία control plane για κινητικότητα μεταξύ LTE και 2G/3G δικτύων μέσω της S3 διεπαφής. Τέλος τερματίζει την διεπαφή S6a προς το HSS για τις συσκευές χρηστών με περιαγωγή. ΣΧΗΜΑ 2.2 ΜΜΕ και Serving Gateway Κεφάλαιο 2 32

44 Policy and Charging Resource Function: Το Policy and Charging Resource Function (PCRF) είναι ένα στοιχείο του δικτύου που είναι υπεύθυνο για την Πολιτική και τον Έλεγχο Χρέωσης (Policy Control and Charging). Λαμβάνει αποφάσεις σχετικά με το πώς να δρουν οι υπηρεσίες όσον αφορά στο QoS και παρέχει πληροφορίες στο PCEF, που βρίσκεται στο P GW, έτσι ώστε κατάλληλοι φορείς και ανάλογη τακτική να μπορούν να οριστούν. Οι πληροφορίες που παρέχει το PCRF στην PCEF ονομάζονται κανόνες PCC. Το PCRF θα στείλει τους κανόνες PCC κάθε φορά που ένας νέος φορέας/κανάλι θα πρέπει να εγκατασταθεί. Για παράδειγμα, όταν ο UE συνδέεται για πρώτη φορά στο δίκτυο και ο αρχικός φορέας εγκατασταθεί στην συνέχεια ένας ή περισσότεροι φερόμενοι φορείς εγκαθίστανται. [15] Home Subscription Server: Ο Home Subscription Server (HSS) είναι η αποθήκη δεδομένων με τις εγγραφές όλων των μόνιμων χρηστών. Είναι μια βάση δεδομένων αποθηκευμένη σε κάποιο εξυπηρετητή, ο οποίος βρίσκεται σε κεντρικό σημείο στις εγκαταστάσεις του παρόχου. Ο HSS κρατάει το κύριο αντίγραφο του προφίλ του συνδρομητή, το οποίο περιέχει πληροφορίες σχετικά με τις υπηρεσίες που ισχύουν για το χρήστη, καθώς και σχετικά με τις επιτρεπόμενες PDN συνδέσεις και το αν επιτρέπεται ή όχι περιαγωγή σε ένα δίκτυο που έχει επισκεφθεί. Για την υποστήριξη handover μεταξύ των μη-3gpp δικτύων, ο HSS αποθηκεύει επίσης τις ταυτότητες των P-GWs που είναι διαθέσιμες προς χρήση. Ακόμα μία οντότητα που μπορεί να είναι ενσωματωμένη στο HSS είναι το Κέντρο Ταυτοποίησης (Authentication Centre) το οποίο παράγει τα διανύσματα για την ταυτοποίηση και τα κλειδιά ασφαλείας. Σε όλες τις διαδικασίες που σχετίζονται με αυτές τις λειτουργίες ο HSS αλληλεπιδρά με την MME, επομένως θα πρέπει να είναι σε θέση να συνδέεται με κάθε MME σε όλο το δίκτυο, προκειμένου να παρέχεται στο χρήστη η δυνατότητα να μετακινείται. Για κάθε UE, οι εγγραφές του HSS θα δείχνουν σε ένα MME που του προσφέρει υπηρεσίες κάθε στιγμή, και μόλις ένα νέο MME αναφέρει ότι προσφέρει υπηρεσίες στον UE, το HSS θα ακυρώσει την τοποθεσία της προηγούμενης MME. Κεφάλαιο 2 33

45 2.5 Δίκτυο Πρόσβασης Το δίκτυο πρόσβασης του LTE, E-UTRAN αποτελείται απλά από ένα δίκτυο enodebs, όπως φαίνεται στο (Σχήμα 2.3). Για μια κανονική χρήση (σε αντίθεση με το broadcast) δεν υπάρχει κανένας κεντρικός ελεγκτής σε E-UTRAN. Ως εκ τούτου η αρχιτεκτονική E-UTRAN λέγεται ότι είναι επίπεδη. Τα enodebs διασυνδέονται κανονικά το ένα με το άλλο μέσω μιας διεπαφής γνωστής ως Χ2 και στο EPC μέσω της διεπαφής S1-ιδιαίτερα στην MME μέσω της S1-MME διεπαφής και στην S-GW μέσω της S1-U. Τα πρωτόκολλα που τρέχουν μεταξύ των enodebs και του UE είναι γνωστά ως Access Stratum (AS) πρωτόκολλα. Το E-UTRAN είναι υπεύθυνο για όλες τις ραδιοσυνδεμένες λειτουργίες. [4] ΣΧΗΜΑ 2.3 Το δίκτυο πρόσβασης Κεφάλαιο 2 34

46 2.5.1 Evolved NodeB O μόνος κόμβος στο E-UTRAN είναι ο evolved NodeΒ (enodeb). Με απλά λόγια, ο enodeb είναι ένας σταθμός βάσης που ελέγχει όλες τις ραδιολειτουργίες που συνδέονται με το σταθερό μέρος του συστήματος. Οι σταθμοί βάσης, όπως ο enodeb, κατανέμονται συνήθως σε όλη την περιοχή κάλυψης των δικτύων και κάθε enodeb είναι τοποθετημένος κοντά στις ραδιοκεραίες (radio antennas). Λειτουργικά ο enodeb ενεργεί ως μια γέφυρα επιπέδου 2 μεταξύ του UE και του EPC, αφού είναι το σημείο τερματισμού όλων των ραδιοπρωτοκόλλων προς το UE ενώ ταυτόχρονα αναμεταδίδει τα δεδομένα προς το EPC, μεταξύ των ραδιοσυνδέσεων και της αντίστοιχης σύνδεσης που είναι βασισμένη σε IP. Σε αυτό το ρόλο ο enodeb εκτελεί κρυπτογράφηση / αποκρυπτογράφηση των δεδομένων του UE, καθώς επίσης συμπίεση / αποσυμπίεση των IP κεφαλίδων, πράγμα που σημαίνει την αποφυγή επανειλημμένης αποστολής των ίδιων ή διαδοχικών δεδομένων στην κεφαλίδα IP. Ο enodeb είναι επίσης υπεύθυνος για πολλές λειτουργίες του Control Plane (CP). Είναι υπεύθυνος για το Radio Resource Management (RRM), δηλαδή τον έλεγχο της χρήσης της ραδιοεπαφής, το οποίο περιλαμβάνει, για παράδειγμα, την κατανομή των πόρων με βάση τις αιτήσεις, την ιεράρχηση και τον προγραμματισμό της κίνησης των δεδομένων με βάση το απαιτούμενο QoS και τη συνεχή παρακολούθηση της χρησιμοποίησης των πόρων. Επιπλέον, ο enodeb έχει σημαντικό ρόλο στη διαχείριση κινητικότητας. Ελέγχει και αναλύει τις μετρήσεις της έντασης του ραδιοσήματος (radio signal) που πραγματοποιούνται από τον UE, κάνει παρόμοιες μετρήσεις ο ίδιος, και με βάση αυτές λαμβάνεται η απόφαση για το handover των UEs μεταξύ των κελιών. Κεφάλαιο 2 35

47 Όταν ένας νέος UE ενεργοποιείται υπό κάποιον enodeb και κάνει αίτηση σύνδεσης στο δίκτυο, ο enodeb είναι υπεύθυνος για τη δρομολόγηση αυτού του αιτήματος στην MME η οποία προηγουμένως εξυπηρετούσε το συγκεκριμένο UE. Σε περίπτωση που η δρομολόγηση προς την προηγούμενη MME δεν είναι διαθέσιμη ή λείπουν κάποιες πληροφορίες δρομολόγησης, επιλέγεται μία νέα MME. Στο (Σχήμα 2.4) φαίνονται οι συνδέσεις που έχει ο enodeb με τους περιβάλλοντες λογικούς κόμβους και συνοψίζονται οι βασικές λειτουργίες αυτών. Χρήζει αναφοράς το γεγονός ότι ανά πάσα στιγμή ένας enodeb μπορεί να εξυπηρετεί πολλαπλούς UEs στην περιοχή κάλυψης του, ωστόσο κάθε UE μπορεί να είναι συνδεδεμένος με ένα μόνο enodeb. Επίσης, γειτονικοί enodebs πρέπει να είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους. Τέλος, κάθε στιγμή σε ένα UE προσφέρονται υπηρεσίες από μία μόνο MME και S-GW, και ο enodeb πρέπει να παρακολουθεί αυτή την συσχέτιση. Αυτό σημαίνει ότι ένας enodeb είναι πιθανό να πρέπει να συνδεθεί με πολλές MMEs και S-GWs. ΣΧΗΜΑ 2.4 Συνδέσεις του enodeb με άλλους λογικούς κόμβους και κύριες λειτουργίες. Κεφάλαιο 2 36

48 2.5.2 Εξοπλισμός Χρήστη Ο εξοπλισμός χρήστη (User Equipment) είναι η συσκευή την οποία ο τελικός χρήστης χρησιμοποιεί για επικοινωνία. Συνήθως πρόκειται για μια συσκευή χειρός όπως είναι ένα smart phone ή ακόμα και ένα laptop. Επίσης περιλαμβάνει την Universal Subscriber Identity Module (USIM), που είναι μια ξεχωριστή μονάδα από τον υπόλοιπο UE, που συχνά αποκαλείται Τερματικός Εξοπλισμός (Terminal Equipment). Η USIM είναι μια εφαρμογή που τοποθετείται σε μια αφαιρούμενη έξυπνη κάρτα που λέγεται Universal Integrated Circuit Card (UICC) και χρησιμοποιείται για να προσδιορίζει και να ελέγχει την ταυτότητα του χρήστη καθώς και να παράγει κλειδιά ασφαλείας για την προστασία της μετάδοσης στη ραδιοεδιεπαφή. Ο UE είναι μια πλατφόρμα για εφαρμογές επικοινωνίας που επιτελεί λειτουργίες διαχείρισης κινητικότητας όπως handover και αναφορά της τοποθεσίας όπου βρίσκεται ο τερματικός σταθμός. Όλες αυτές οι λειτουργίες εκτελούνται όπως του επιβάλλει το δίκτυο. Ίσως το πιο σημαντικό είναι το γεγονός ότι ο UE παρέχει τη διεπαφή για τον τελικό χρήστη, έτσι ώστε εφαρμογές όπως VoIP να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πραγματοποίηση μιας φωνητικής κλήσης. Κεφάλαιο 2 37

49 2.6 Αρχιτεκτονική Περιαγωγής (Roaming) Ένα δίκτυο που λειτουργεί από έναν χειριστή σε μια χώρα είναι γνωστό ως Public Land Mobile Network (PLMN). Η περιαγωγή όπου επιτρέπεται στους χρήστες να συνδεθούν με το PLMN εκτός από εκείνους οι οποίοι εγγράφονται άμεσα, είναι ένα ισχυρό χαρακτηριστικό γνώρισμα για τα κινητά δίκτυα και το LTE/SAE δεν εξαιρείται. Ένας περιπλανώμενος χρήστης είναι συνδεδεμένος με το E-UTRAN, το MME και το S-GW το επισκεπτόμενο δίκτυο LTE. Ωστόσο το LTE/SAE επιτρέπει στο P-GW είτε στο επισκεπτόμενο είτε στο εγχώριο δίκτυο να χρησιμοποιηθεί όπως φαίνεται στο (Σχήμα 2.5): ΣΧΗΜΑ 2.5 Αρχιτεκτονική roaming για προσβάσεις 3GPP με P-GW Η χρησιμοποίηση του P-GW του εγχώριου δικτύου επιτρέπει στον χρήστη να έχει πρόσβαση στις υπηρεσίες του εγχώριου χειριστή ακόμα και σε ένα επισκεπτόμενο δίκτυο. Μια P-GW στο επισκεπτόμενο δίκτυο επιτρέπει την έναρξη στο Internet στο επισκεπτόμενο δίκτυο. Κεφάλαιο 2 38

50 2.7 Συνεργασία με τα άλλα δίκτυα Το EPS υποστηρίζει επίσης την αλληλεπίδραση και την κινητικότητα (handover) με τα δίκτυα χρησιμοποιώντας άλλες ράδιοτεχνολογίες πρόσβασης (Radio Access Technologies), ειδικότερα GSM, UMTS, CDMA 2000 και WiMAX. Η αρχιτεκτονική για την αλληλεπίδραση με δίκτυα 2G και 3G GPRS/UMTS φαίνεται στo (Σχήμα 2.6) Η S-GW ενεργεί ως συντονιστής κινητικότητας για την αλληλεπίδραση με άλλες 3GPP τεχνολογίες όπως το GSM και το UMTS ενώ η P-GW εξυπηρετεί ως συντονιστής επιτρέποντας την απρόσκοπτη κινητικότητα στα non-3gpp δίκτυα όπως το CDMA 2000 ή το WiMAX. [4] ΣΧΗΜΑ 2.6 Αρχιτεκτονική της συνεργασίας του 3G UMTS Κεφάλαιο 2 39

51 2.8 Αρχιτεκτονική Ράδιο-Πρωτοκόλλων Όσο αφορά στα πρωτόκολλα, αυτά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τα User Plane (UP) και τα Control Plane (CP) τα οποία έχουν να κάνουν με μεταδόσεις δεδομένων του χρήστη (user data transmission) και μεταδόσεις σήματος (signalling transmission), αντίστοιχα. Στο παρακάτω (Σχήμα 2.7) παρουσιάζεται η δομή των πρωτοκόλλων από την πλευρά του enodeb. Ξεκινώντας από την κορυφή του σχήματος, το επίπεδο RRC (Radio Resource Control) υποστηρίζει όλες τις διαδικασίες σηματοδότησης μεταξύ του τερματικού και του enodeb. Αυτό περιλαμβάνει διαδικασίες κινητικότητας, καθώς και τη διαχείριση της σύνδεσης του τερματικού. Η σηματοδότηση από το EPC Control Plane (π.χ. για καταχώρηση του τερματικού ή ταυτοποίηση) μεταφέρεται στο τερματικό μέσω του πρωτοκόλλου RRC, ε ξου και η σχέση μεταξύ του RRC και των ανώτερων επιπέδων. ΣΧΗΜΑ 2.7 Δομή Πρωτοκόλλων Κεφάλαιο 2 40