Διπλωματική Εργασία. της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ιλιάνα Οικονόμου του Ευαγγέλου Αριθμός Μητρώου: 228145 Θέμα «Μοντελοποίηση Εσωτερικού Χώρου, τύπου γραφείου, σε συχνότητες 5G» Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: 228145/2019 Πάτρα, Ιούλιος 2019 1

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μοντελοποίηση Εσωτερικού Χώρου, τύπου γραφείου, σε συχνότητες 5G» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ιλιάνα Οικονόμου του Ευαγγέλου Αριθμός Μητρώου: 228145 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις /./.. Ο Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής 2

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: 228145/2019 Θέμα: «Μοντελοποίηση Εσωτερικού Χώρου, τύπου γραφείου, σε συχνότητες 5G» Φοιτήτρια Ιλιάνα Οικονόμου Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος Περίληψη Σε αυτή τη διπλωματική έγινε η προσπάθεια να μελετηθεί μια καινούργια πτυχή στον τομέα των τηλεπικοινωνιών της κινητής τεχνολογίας. Πιο συγκεκριμένα ξεκινάμε με την πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς ενός δικτύου στη συχνότητα των 3.5GHz, η όποια όπως θα αναλυθεί και θα τεκμηριωθεί και μέσα στη διπλωματική, αποτελεί μια από τις ισχυρές υποψήφιες συχνότητες στην οποία θα στηριχτούν τα δίκτυα 5ης γενιάς. Στη συνέχεια όμως, ο στόχος μας είναι να μπορέσουμε να εκμεταλλευτούμε όσο το δυνατόν περισσότερα από τα προνόμια αυτών των κινητών δικτύων και προτείνουμε την χρήση αυτού για την ικανοποίηση ενός σύγχρονου χώρου εργασίας με γραφεία, το οποίο αποτελεί ένα από τα πιο τρανταχτά παραδείγματα μιας άλλης σύγχρονης τεχνολογίας, του Internet of Things ή IoT. Πιο συγκεκριμένα η διπλωματική μας ξεκινάει στο πρώτο της κεφάλαιο με μια ιστορική αναδρομή που δείχνει πώς η ασύρματη επικοινωνία έχει καταλήξει να είναι μια ανάγκη στις μέρες μας καθώς και παραθέτει τι γνωρίζουμε μέχρι τώρα για τα κινητά δίκτυα 5ης γενιάς. Στο επόμενο κεφάλαιο παρακολουθούμε πώς συντέλεσε η τεχνολογική εξέλιξη και η αύξηση των ανθρωπίνων αναγκών ώστε να φτάσουμε στο σημείο να μιλάμε για Internet of Things με την ευρύτερη έννοια και υπάρχει κ ειδική αναφορά συγκεκριμένα για τους χώρους εργασίας. Στο τρίτο κεφάλαιο υπάρχει η παρουσίαση και η επεξήγηση όλων των μοντέλων τα οποία θα χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη του δικτύου. Υπάρχουν πληροφορίες τόσο για την απαρχή τους, όσο και για την πλήρη αιτιολόγηση της μορφής που έχουν λάβει και της χρήσης που κάνουν στη μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων γενικότερα. Συνεχίζουμε στο σημαντικότερο κεφάλαιο όλης της δουλειάς μας, το οποίο είναι το κεφάλαιο όπου παρουσιάζονται οι μετρήσεις και η επεξεργασία αυτών. Στην αρχή περιγράφεται η διαδικασία που ακολουθήσαμε για να κάνουμε τις μετρήσεις, τον τρόπο επιλογής των σημείων και τις συνθήκες που υπήρχαν. Στη συνέχεια εφαρμόζονται τα μοντέλα για τον σχεδιασμό του δικτύου σε εσωτερικό και εξωτερικό χώρο και σχεδιάζονται οι αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις. Στο δεύτερο μέρος, ασχολούμαστε με τους χρήστες που μπορούν να καλύψουν τα δύο δίκτυα που έχουμε προκειμένου να συγκρίνουμε και να αποφανθούμε ποιο δίκτυο μπορεί να εξυπηρετήσει αποδοτικότερα τις ανάγκες μας. Τέλος, στο τελευταίο κεφάλαιο, ακολουθούν τα συμπεράσματα από την επεξεργασία των μετρήσεων καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα με στόχο την εκτενέστερη μελέτη και την δημιουργία ενός ενιαίου μοντέλου για χώρους τύπου γραφείου. 3

Στόχος Διπλωματικής Ο στόχος αυτής της διπλωματικής μοιράζεται σε δύο σκέλη. Το πρώτο σκέλος είναι να κάνει μία μελέτη σχετικά με τις πιθανές συχνότητες που θα χρησιμοποιηθούν στα δίκτυα πέμπτης γενιάς και πιο συγκεκριμένα επιλέχθηκε η συχνότητα των 3.5GHz η οποία θα αιτιολογηθεί μέσα στην διάρκεια της διπλωματικής γιατί θεωρούμε ότι είναι η ιδανική αυτή τη στιγμή και πιο συγκεκριμένα για τα Ευρωπαϊκά δεδομένα στα οποία εμείς θα αναφερθούμε. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος επιστρατεύονται τόσο θεωρητικά δεδομένα τα οποία αυτή τη στιγμή διαμορφώνονται για τα δίκτυα πέμπτης γενιάς σε εργαστήρια σε παγκόσμια κλίμακα, όσο και πειραματικά δεδομένα τα οποία επεξεργαστήκαμε με στόχο την επιβεβαίωση των υποθέσεων μας. Επίσης κάνουμε σύγκριση με ένα δίκτυο Wi-Fi ώστε να δείξουμε την ανάγκη για εξέλιξη που υπάρχει. Το δεύτερο σκέλος της διπλωματικής βασίζεται σε μία τεχνολογία η οποία βρίσκεται σε άνθηση στις μέρες μας και ακούει στο όνομα Internet of Things. Συγκεκριμένα το IoT έχει πολλές εφαρμογές αλλά εμείς θέλουμε να μελετήσουμε την εφαρμογή σε χώρους γραφείου οι οποίοι αποτελούνται από πολλές συσκευές όπως υπολογιστές smartwatches κινητά κ.α. για τα οποία υπάρχει ανάγκη να είναι συνδεδεμένα συνεχώς στο δίκτυο και να επιτελούν διάφορες εργασίες. Στο τέλος αυτής της διπλωματικής θα θέλαμε να έχουμε πετύχει αυτούς τους δυο επιμέρους στόχους γιατί έτσι θα μπορέσουμε να προσφέρουμε μία ολοκληρωμένη πρόταση για την αποδοτικότερη χρήση των δικτύων και τη βελτίωση της ποιότητας των σύγχρονων χώρων εργασίας η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο και άμεσα, όσο και σαν βάση για μελλοντική έρευνα πάνω σε αυτό το κομμάτι. Ευχαριστίες Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή μου Σταύρο Κωτσόπουλο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε για να δουλέψω ένα θέμα το οποίο προσωπικά επέλεξα και για την πολύτιμη καθοδήγηση του σε όλη την διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αλλά και για την συνολική συνεργασία μας.. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συνεργάτες μου στο εργαστήριο, τον μεταδιδάκτορα Θεόφιλο Χρυσικό για τη βοήθειά και τη συνέπειά του σε όλη τη διάρκεια της διπλωματικής, όπως και τον υποψήφιο διδάκτορα Παναγιώτη Γεωργακόπουλο για τη βοήθεια, τις προτάσεις και διορθώσεις που μου προσέφερε απλόχερα. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για όλη την υποστήριξη, τόσο σε υλικά αγαθά όσο και σε ψυχολογική υποστήριξη. 4

Περιεχόμενα Σελίδα Περίληψη.3 Στόχοι Διπλωματικής..4 Ευχαριστίες...4 Κεφάλαιο 1: Από τη σταθερή τηλεφωνία στο 5G 7 o Εισαγωγή.7 o 1G: Πρώτη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας 7 o 2G: Δεύτερη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας....9 o Μετάβαση στο 2.5G με τη χρήση του GPRS.13 o Μετάβαση στο 2.75G με τη χρήση του EDGE. 15 o 3G: Τρίτη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας 15 o Μετάβαση στο 3.5GHz-HSPA 16 o Μετάβαση στο 3.75GHz-HSPA+.. 16 o 4G: Τρίτη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας 18 o Μετάβαση στο 4.5GHz..19 o 5G: Τρίτη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας.20 o 5G και χρήσεις 21 Κεφάλαιο 2: Internet of Things και Smart Office o Εισαγωγή..23 o Η απαρχή του IoT.23 o Smart Office και IoT 25 Κεφάλαιο 3: Περιγραφή των Μαθηματικών Μοντέλων o Εισαγωγή..26 o Μοντέλο Ελεύθερου Χώρου...26 o Μοντέλο Μίας Πλαγιάς..27 o Μοντέλο ITU.28 o Μοντέλο Πολλών Ορόφων..29 o Λογαριθμικό Μοντέλο 29 5

o Μοντέλο της γραμμικά αποσβενούμενης διάδοσης...30 o Μελέτη φαινομένων μεγάλης κλίμακας..30 o Υπολογισμός πλήθους χρηστών 31 Κεφάλαιο 4: Μετρήσεις και Επεξεργασία o Εισαγωγή..32 o Περιγραφή του χώρου και των μετρητικών οργάνων.32 o Επιλογή των σημείων και υπολογισμός απαραίτητων μεταβλητών.35 o Μετατροπή τύπων για χρήση στην περίπτωσή μας..37 o Υπολογισμός αποτελεσμάτων και σχεδιασμός γραφικών παραστάσεων 39 o Προσδιορισμός πλήθους συσκευών.47 Κεφάλαιο 5: Συμπεράσματα και Μελλοντική Εργασία Βιβλιογραφία. 53 6

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Από τη σταθερή τηλεφωνία στο 5G Εισαγωγή Τα ασύρματα συστήματα πέμπτης γενιάς, εν συντομία 5G, είναι δίκτυα τα οποία προέκυψαν τόσο από τις αυξανόμενες ανάγκες των χρηστών στη σημερινή εποχή, τόσο σε πλήθος συσκευών, όσο και σε ποιότητα επικοινωνίας (QoS), ταχύτητα και καλύτερες υπηρεσίες. Στο κεφάλαιο που ακολουθεί, στο πρώτο σκέλος θα κάνουμε μία ιστορική αναδρομή στα προηγούμενα συστήματα (1G-2G-3G-4G) μελετώντας τα χαρακτηριστικά τους και τους λόγους που μας οδήγησαν στη βελτίωση αυτών ενώ στο δεύτερο σκέλος θα μελετήσουμε συγκεκριμένα το τι περιμένουμε από το 5G για το άμεσο μέλλον, τη σχέση αυτού με το Wi-Fi καθώς και τι είδους υπηρεσίες μπορεί να προσφέρει στους διάφορους τομείς της καθημερινότητας. 1G: Πρώτη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας Βρισκόμαστε στο 1973 και τα σταθερά συστήματα επικοινωνίας έχουν πλέον εδραιωθεί. Το σταθερό τηλέφωνο βρίσκεται σε κάθε σπίτι και γραφείο, όμως δεν μπορεί να πάει πέρα από αυτό. Η συγκεκριμένη κατάσταση αποτελεί εμπόδιο για αρκετούς ανθρώπους που θέλουν η συσκευή τους να μπορεί να έρχεται μαζί τους, κάτι το οποίο κάνει τις εταιρείες να προσπαθούν να βρουν μία λύση. Έχουν γίνει αρκετές δοκιμές στο παρελθόν μέχρι που η Motorola το 1973 παρουσιάζει ένα ασύρματο τηλέφωνο, με βάρος τα 2 κιλά περίπου, το οποίο μπορούσε να κρατηθεί στο χέρι και να μεταφέρεται. Το μόνο που χρειαζόταν πλέον ήταν και ένα δίκτυο για να στηρίξει αυτή την τεχνολογία. Εκεί έρχεται η NTT (Nippon Telegraph and Telephone) το 1979, μία ιαπωνική εταιρεία τηλεπικοινωνιών η οποία έστησε πρώτη όλο το φυσικό δίκτυο στην περιοχή του Τόκιο και μέσα σε 5 χρόνια σε ολόκληρη την Ιαπωνία. Παράλληλα η NMT (Nordic Mobile Telephone) το 1981, ξεκίνησε την ίδια διαδικασία στις Σκανδιναβικές και Βαλτικές χώρες, Ελβετία, Ολλανδία, Ουγγαρία, Πολωνία, Βουλγαρία, Ρουμανία, Τσεχική Δημοκρατία, Σλοβακία, Σλοβενία, Σερβία, Τουρκία, Κροατία, Βοσνία, Ρωσία, Ουκρανία και στην Ασία. Η τρίτη εταιρεία που μπήκε στο προσκήνιο στις περιοχές της Βόρειας Αμερικής, Αυστραλίας, Ισραήλ, Σιγκαπούρη και Πακιστάν ήταν η AMPS (Advanced Mobile Phone System) με μία συσκευή που κατασκευάστηκε από τα Bell Labs αλλά σε συνεργασία με την Motorola για την κατασκευή του δικτύου. 7

Χαρακτηριστικά του Συστήματος και λόγοι αλλαγής Το πρώτο και βασικότερο χαρακτηριστικό αυτού του συστήματος είναι το ότι είναι αναλογικό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να προστίθεται θόρυβος και να μην υπάρχει ασφάλεια στις κλήσεις, καθώς πολύ εύκολα μπορούσε να παρεμβληθεί ένας ανιχνευτής συχνοτήτων και να υποκλέψει την κλήση, όπως στο σταθερό τηλέφωνο. Οι περιοχές των συχνοτήτων που χρησιμοποιούσε η κάθε εταιρεία αποτελούσε μία βασική διαφορά μεταξύ αυτών και των συστημάτων που έφτιαξαν. Συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα: NTT (Japan) NMT (Europe) AMPS (North America, etc) 810 826 MHz 453 457 MHz 824 849 MHz 940-956 MHz 463 467 MHz 869 894 MHz 1429 1465 MHz 900 MHz 1477 1513 MHz Πίνακας που περιγράφει τις περιοχές των συχνοτήτων για κάθε εταιρεία για το 1G Όπως ήδη βλέπουμε από τον πίνακα δημιουργείται το πρόβλημα της ασυμβατότητας των συχνοτήτων του κάθε δικτύου. Αυτό δείχνει ότι χρειάζεται να τεθούν κάποιες διεθνείς προδιαγραφές για να ακολουθηθούν ως μπούσουλας από όλους. Επίσης, το γεγονός ότι η ανάθεση των καναλιών για κάθε χρήστη γινόταν με την FDMA (Frequency Division Multiple Access) μέθοδο, δηλαδή το δεδομένο εύρος συχνοτήτων μοιραζόταν σε μικρότερα κομμάτια με κριτήριο τη συχνότητα. Αυτή η μέθοδος δεν είχε αποδοτική αναλογία εύρους συχνοτήτων και πλήθους χρηστών, καθώς και απαιτούσε αρκετή υπολογιστική ενέργεια για να κάνει την επιλογή και ανάθεση συχνότητας ανά χρήστη. Ως προς το μέγιστο αριθμό των χρηστών, από στοιχεία της NMT, έχουμε ότι στις συχνότητες των 450 MHz είχαμε 26,000 χρήστες το 1985, ενώ στις συχνότητες των 900 MHz, το 1989, είχαμε 340,000 χρήστες, νούμερα τα οποία είναι αρκετά χαμηλά και υποδεικνύουν ότι πρέπει να ανεβούμε σε συχνότητα για να αυξηθούν. Ακόμα η ταχύτητα διάδοσης των δεδομένων ήταν από 2,4KHZ. Τέλος οι παρεχόμενες υπηρεσίες ήταν η δυνατότητα μετάδοσης μόνο φωνής, παράλληλα ο πομπός και ο δέκτης, να γίνεται αυτόματη αλλαγή της χρήσης να γίνεται handover της κλήσης και μόνο για την NMT υπήρχαν χωριστές προβλέψεις για roaming, οι οποίες ίσχυαν σε ορισμένες χώρες μόνο. Συνεπώς, το ότι είναι ακόμα αναλογική η επικοινωνία, η ασυμβατότητα των δικτύων μεταξύ τους, οι χαμηλές ταχύτητες, η έλλειψη ασφάλειας, το μικρό αριθμό χρηστών και οι λίγες υπηρεσίες είναι τα προβλήματα που κλήθηκαν να λύσουν οι κατασκευαστές του 2G το οποίο θα αναλυθεί στην επόμενη ενότητα. 8

Εν έτη 2018, το συγκεκριμένο σύστημα έχει εγκαταλειφθεί παγκοσμίως εκτός μερικών περιοχών στη Ρωσία. 2G: Δεύτερη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας Η δεύτερη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας, γνωστή και ως 2G, διατέθηκε πρώτη φορά στο κοινό το 1991 από την εταιρεία Radiolinja στην Φιλανδία υπό το σύστημα GSM(Global System for Mobile Communications), το οποίο αποτελεί τη βάση για την αρχή των δικτύων κινητής τηλεφωνίας όπως τα ξέρουμε σήμερα. Στη συνέχεια υπήρξαν και οι εκδόσεις 2.5G, η οποία εισήγαγε το GPRS( General Packet Radio Service) δίκτυο και η 2.75G η οποία εισήγαγε το EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) δίκτυο, αλλά ας τα πάρουμε από την αρχή. Παράλληλα υπήρξαν και κάποια άλλα συστήματα, τα οποία με τον καιρό συγχωνεύθηκαν με το GSM. Το βασικότερο κοινό χαρακτηριστικό όλων ήταν και διαφορά με τα συστήματα πρώτης γενιάς είναι η ψηφιακή μετάδοση της κίνησης. Το πρώτο κύμα δικτύων και πώς επικράτησε το GSM Το GSM αποτελεί το πρώτο παιδί μίας ευρωπαϊκής συνεργασίας που ξεκίνησε το 1982 από το ETSI(European Telecommunications Standards Institute), το οποίο είναι ένα ανεξάρτητο, μη-κερδοσκοπικό συμβούλιο με στόχο τη δημιουργία τυποποιημένων προτύπων με εφαρμογή στον τομέα των τηλεπικοινωνιών σε Ευρωπαϊκό επίπεδο. Δημιουργήθηκε από το CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations). Παράλληλα στην Αμερική υπήρχε η μετάβαση από την AMPS στην D-AMPS και την CDMA IS- 95 στη συνέχεια η συγχώνευση αυτών στο GSM. Το D-AMPS λειτούργησε ως ο συνδετικός κρίκος μεταξύ των δικτύων πρώτης και δεύτερης γενιάς και στο GSM γιατί και τα δύο χρησιμοποιούσαν τη TDMA (Time Division Multiple Access) μέθοδο για την ανάθεση των καναλιών, συνεπώς δεν υπάρχει λόγος σύγκρισης μεταξύ αυτών. Οι διαφορές είναι αρκετές, άλλες βασικές και άλλες λιγότερο σημαντικές. Ας ξεκινήσουμε με τις βασικές και η πρώτη εξ αυτών είναι το γεγονός ότι το GSM κατέχει το 80% της αγοράς σε αντίθεση με το IS-95 το οποίο έχει το 10-15%, το οποίο συνεπάγεται ότι υπηρεσίες όπως το roaming είναι πολύ πιο εύκολο να υπάρχει στο GSM. Ως προς την εμβέλεια των δικτύων, το GSM έχει σταθερή ακτίνα κάλυψης 120 χιλιόμετρα σε εξωτερικούς χώρους, ενώ σε εσωτερικούς που έχει μία αλλοίωση στο σήμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν repeaters (αναμεταδότες). Από την άλλη, το IS-95 το οποίο καλύπτει μεγάλες περιοχές με μικρή ανάγκη σε ισχύ και απεριόριστο πλήθος χρηστών. Όμως υπάρχει το εξής πρόβλημα, όταν αυξάνεται πολύ το πλήθος χρηστών, τότε η κάλυψη της περιοχής μειώνεται. Ως προς τους χρήστες, αξίζει να σημειωθεί ότι το IS-95 μπορεί να καλύψει περισσότερους χρήστες από κάθε άλλη τεχνολογία. Και τα δύο δίκτυα είχα, την δικιά τους προσωπική κάρτα SIM και RUIM, όμως η RUIM αντικαταστάθηκε με την SIM στην επόμενη γενιά του IS-95 καθώς χρησιμοποιούνταν σπάνια. Όλοι αυτοί οι λόγοι δείχνουν ότι ήταν διαφορετική η λογική του κάθε δικτύου, αλλά στη μεγαλύτερη εικόνα το GSM ήταν αποδοτικότερο για τις ανάγκες των δικτύων και των χρηστών. 9

Βασικά Χαρακτηριστικά και δομή του GSM Το GSM ξεκίνησε στα 900MHz το οποίο βοήθησε και στη μετάβαση από τα δίκτυα πρώτης γενιάς, τα οποία λειτουργούσαν και εκείνα σε αυτές τις συχνότητες. Όμως λόγω του μεγάλου πλήθους των χρηστών χρειάστηκε να μετακινηθεί και στη ζώνη των 1800 MHz. Τα αντίστοιχα εύρη συχνοτήτων στην Αμερική είναι 800 MHz και 1900 MHz. Για την ανάθεση των συχνοτήτων χρησιμοποιείται η TDMA τεχνική καθώς μπορεί να εξυπηρετεί περισσότερους χρήστες σε σχέση με την FDMA τεχνική της πρώτης γενιάς, πετυχαίνοντας έτσι αποδοτικότερη κατανομή του φάσματος συχνοτήτων και η ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών παραμένει αναλλοίωτη. Η ταχύτητά του είναι στα 9,6 Kbps για τα 900 ενώ στα 1800 MHz η κατερχόμενη ζεύξη είναι στα 43,2 Kbps και η ανερχόμενη στα 14,4 Kbps. Για το ζήτημα της ασφάλειας χρησιμοποιούνται διάφοροι αλγόριθμοι κρυπτογράφησης όπως οι A5/1, A5/2 και A5/3. Επίσης εισάγεται για πρώτη φορά η έννοια της προσωπικής κάρτας SIM (Subscriber Identity Module) η οποία εξασφαλίζει την εύκολη μεταφορά των πληροφοριών του χρήστη με την αλλαγή συσκευής του. Πιο συγκεκριμένα είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα στο οποίο αποθηκεύεται ασφαλώς το IMSI (International Mobile Subscriber Identity) και το κλειδί του χρήστη, ώστε να μπορεί να αναγνωριστεί και να επιβεβαιωθεί η ταυτότητα του χρήστη σε κάθε συσκευή και να υπάρχουν οι απαραίτητες πληροφορίες για το δίκτυο. Η κάρτα SIM είναι ανεξάρτητη από την κινητή συσκευή από την οποία χρησιμοποιείται εξασφαλίζοντας έτσι τη φορητότητα και αποτελώντας την πρώτη εισαγωγή στην έννοια του να έχει κάποιος προσωπικές πληροφορίες σε κινητές συσκευές και να μπορεί να τον μεταφέρει αυτούσιο από συσκευή σε συσκευή. Τέλος, υπηρεσίες οι οποίες προστέθηκαν στο δίκτυο αυτό είναι: SMS (Short Message Services), cell broadcast, voice/fax mail, call forwarding, barring of outgoing/incoming calls, advice of charge, call hold/waiting, multiparty service, calling line identification presentation/restriction and closed user groups. Επίσης, λόγω της ευρείας χρήσης του GSM, αξίζει να ασχοληθούμε και με την τοπολογία του σε φυσικό επίπεδο, καθώς αποτελεί την πρώτη βάση των κινητών δικτύων. Το δίκτυο αποτελείται από τρία βασικά επίπεδα τα οποία συνδέονται ιεραρχικά. Το πρώτο επίπεδο αφορά το Σύστημα του Σταθμού Βάσης (Base Station System BSS), το δεύτερο επίπεδο αφορά το Σύστημα Δικτύου και Μεταγωγής (Network Switching System NSS) και το τρίτο επίπεδο φορά το Σύστημα Λειτουργίας και Υποστήριξης (Operation & Support System OSS). 10

Ξεκινώντας από το ειδικό στο γενικό σύστημα θα ξεκινήσουμε με τον Κινητό Σταθμό (MS: Mobile Station), ο οποίος δεν είναι σύστημα, αλλά είναι ο λόγος για τον οποίο γίνονται όλα αυτά, δηλαδή ο χρήστης. Πιο συγκεκριμένα, αποτελείται από την κινητή συσκευή, η οποία αναγνωρίζεται από το δίκτυο μέσω του IMEI (International Mobile Equipment Identity) και στις μέρες μας μπορεί να είναι κινητό τηλέφωνο, tablet, κλπ και να έχει διάφορα χαρακτηριστικά και από την προσωπική κάρτα SIM του κάθε χρήστη που την προμηθεύεται από τον πάροχο του δικτύου με την εγγραφή του σε αυτό. Συνεχίζουμε με το σύστημα του Σταθμού Βάσης (BSS), το οποίο διαχειρίζεται την κίνηση και τη σηματοδοσία μεταξύ του MS και του NSS. Αποτελείται από τους το BTS (Base Transceiver Station) και τους BSC (Base Station Controller). 11

Ο BTS ή αλλιώς Σταθμός Εκπομπής και Λήψης είναι η ραδιοεπαφή του συστήματος GSM με το MS και αποτελείται από τον απαραίτητο εξοπλισμό για τη μετάδοση και τη λήψη ραδιοσημάτων, μέσω transceivers, κεραιοσύστημα για ηλεκτρομαγνητικό φωτισμό της περιοχής της κυψέλης καθώς και εξοπλισμό για κρυπτογράφηση και αποκρυπτογράφηση επικοινωνιών με τον BSC. Οι βασικές λειτουργίες του περιλαμβάνουν την κωδικοποίηση ομιλίας, την κρυπτογράφηση, πολυπλεξία (TDMA) καθώς και την διαμόρφωση/ αποδιαμόρφωση των ραδιοσημάτων. Το πλήθος των transceivers είναι ίσο με τις συχνότητες που καταχωρούνται ανά κυψέλη. Τέλος όλοι οι πομποί και δέκτες του BTS συνδέονται στο ίδιο κεραιοσύστημα και αντίστοιχα οι BTSs ελέγχονται από έναν BSC. Ο BSC ή αλλιώς Ελεγκτής Σταθμού Βάσης, όπως αναφέρθηκε παραπάνω κάνει όλες τις απαραίτητες λειτουργίες ελέγχου, καθώς και τις φυσικές διασυνδέσεις μεταξύ του MSC και BTS. Είναι ένα διακοπτικό στοιχείο υψηλής χωρητικότητας προκειμένου να δρομολογεί διάφορες λειτουργικές διαδικασίες όπως μεταπομπή, έλεγχος στάθμης ισχύος εκπομπής των πομπών του BTS και έλεγχος συνδρομητικών δεδομένων που αφορούν τις εμπλεκόμενες κυψέλες. Αντίστοιχα οι BSCs ελέγχονται από έναν MSC. Το τελευταίο και υψηλότερο σε πολυπλοκότητα σύστημα είναι το σύστημα Δικτύου και Μεταγωγής (NSS), το οποίο διασφαλίζει τις διαδικασίες των κλήσεων από, προς και μεταξύ των συνδρομητών καθώς και της γενικότερης κινητικότητας του δικτύου. Αποτελείται από τα MSC, HLR, VLR, AuC, EIR, GMSC, SMS-G, για τα οποία ακολουθεί ένας μικρός ορισμός. Το MSC, ή αλλιώς Ψηφιακό Κέντρο, όπως αναφέρθηκε ελέγχει τους BSCs, συνδέει τους BTSs με τα άλλα ψηφιακά κέντρα του ίδιου δικτύου και το Σύστημα Λειτουργίας και Υποστήριξης (OSS). Αυτές οι συνδέσεις εξασφαλίζουν τις λειτουργίες της μεταγωγής του συστήματος και 12

του ελέγχου των κλήσεων μεταξύ συνδρομητών από ίδιο ή όχι πάροχο καθώς και με συνδρομητές του σταθερού δικτύου. Η HLR, ή αλλιώς Οικεία Βάση Δεδομένων είναι η κεντρική βάση δυναμικής και μόνιμης καταχώρησης των δεδομένων των συνδρομητών, όπως τα στοιχεία των καρτών SIM, οι αριθμοί MSISDN (τηλεφωνικοί αριθμοί) και οι υπηρεσίες στις οποίες είναι εγγεγραμμένος ο κάθε χρήστης. Η VLR, ή αλλιώς Βάση Δεδομένων Επισκεπτών είναι η βάση δεδομένων όπου αποθηκεύονται οι πληροφορίες των συνδρομητών για τόσο χρονικό διάστημα όσο τις χρειάζεται το MSC για να τους εξυπηρετήσει. Το MSC είναι αυτό που παίρνει τα δεδομένα από την HLR και τα μεταβιβάζει στην VLR και στη συνέχεια όταν ένας συνδρομητής περιάγεται από ένα MSC σε ένα άλλο, τα δεδομένα αυτά μεταφέρονται στην αντίστοιχη VLR. Το AuC, ή αλλιώς Κέντρο Πιστοποίησης είναι το σημείο το οποίο προστατεύει όλο το δίκτυο από πιθανές ανεπιθύμητες ενέργειες κατά την ώρα της λειτουργίας του. Σε αυτό αποθηκεύεται το αντίστοιχο κλειδί εξακρίβωσης της SIM του κάθε συνδρομητή, το οποίο χρησιμοποιείται για τον έλεγχο και την εξακρίβωση της ταυτότητας του συνδρομητή καθώς και την κρυπτογράφηση της κλήσης αυτού. Η EIR, ή αλλιώς Βάση Δεδομένων Καταχώρηση Εξοπλισμού είναι αυτό που λέει και το όνομα του. Δηλαδή είναι η βάση που περιέχει τις πληροφορίες της κινητής συσκευής μέσω του IMEI κωδικού αυτής. Σε περίπτωση κλοπής μίας συσκευής, η βάση εξασφαλίζει την απαγόρευση των κλήσεων από και προς αυτή. Το GMSC, ή αλλιώς το Ψηφιακό Κέντρο Πύλη προς τα άλλα δίκτυα, κινητών και σταθερών. Επίσης, το κέντρο αυτό είναι υπεύθυνο για την λήψη της ταυτότητας περιαγωγής MSRN από την HLR και βασίζεται στην ταυτότητα MSISDN του κινητού συνδρομητή. Η SMS-G, ή αλλιώς Πύλη Υπηρεσίας Αποστολής Μικρών Μηνυμάτων, έχει την ίδια λειτουργία με το GMSC αλλά μόνο για τα μικρά μηνύματα. Χωρίζονται σε δύο διαφορετικές διευθύνσεις με βάση το αν ανήκουν στο δίκτυο ή όχι οι συνδρομητές που τα δημιουργούν. Η πρώτη είναι η SMS-GMSC, που αφορά την αποστολή μικρών μηνυμάτων από συνδρομητές εκτός δικτύου και η δεύτερη η SMS-IWMSC που αφορά τους συνδρομητές εντός του δικτύου. Μετάβαση στο 2.5G με τη χρήση του GPRS Το GPRS (General Packet Radio Service) είναι το πρώτο πρότυπο που κούμπωσε πάνω στο GSM δίνοντας του τη δυνατότητα για ασύρματη σύνδεση στο διαδίκτυο και μεταφορά δεδομένων σε πακέτα IP. Δημιουργήθηκε από το ETSI ως απάντηση στο αντίστοιχο πρότυπο CDPD (Cellular Digital Packet Data), το οποίο δημιουργήθηκε από το ανταγωνιστικό σύστημα AMPS, το οποίο όμως καταργήθηκε μαζί με αυτό. Λειτουργούσε στις αχρησιμοποίητες συχνότητες του φάσματος 800-900 MHz και έφτανε μέχρι τα 19,2 Kbps. Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα αυτού του συστήματος είναι ότι σε σχέση με το circuit switching, είναι δίκτυο χωρίς εγγυημένη βέλτιστη απόδοση ως προς το χρόνο επεξεργασίας και αποστολής/λήψη δεδομένων. Υπάρχει ένα κατώτατο όριο, το οποίο το φτάνουμε όταν έχουμε τον μέγιστο αριθμό χρηστών, αλλά συνήθως δεν συμβαίνει αυτή η κατάσταση με αποτέλεσμα να έχουμε καλύτερες ταχύτητες από την περίπτωση της σταθερής απόδοσης, της τάξης των 56-114 Kbps. Στο κομμάτι των παρεχόμενων υπηρεσιών ως προς τη φωνή και τα μηνύματα προστίθενται οι παρακάτω: SMS messaging and broadcasting με μεγαλύτερη ταχύτητα, MMS, Push to talk. Ως προς το διαδίκτυο έχουμε: Instant messaging, υποστήριξη εφαρμογών μέσω του WAP πρωτοκόλλου, καθώς και P2P και P2M σύνδεση με άλλους συνδρομητές. 13

Με την εισαγωγή του GPRS, παράλληλα έχουμε συμβατότητα με τα πρωτόκολλα IP (IPv4 συγκεκριμένα), PPP και X.25. Τέλος, στα πλαίσια του φυσικού επιπέδου, εντάσσεται στο NSS και αποτελείται από τους υποστηρικτικούς κόμβους εξυπηρέτησης (Serving GPRS Support Nodes), επικοινωνίας με τα άλλα δίκτυα (Getaway GPRS Support Nodes) και το πρωτόκολλο σύνδεσης αυτών GTP (GPRS Tunneling Protocol). Το GTP είναι ένα πρωτόκολλο βασισμένο στο IP το οποίο χρησιμοποιείται προκειμένου να διατηρηθεί η σύνδεση του συνδρομητή στον GGSN ενώ αλλάζει κυψέλη και έτσι να παραμείνει στο διαδίκτυο. Αυτό επιτυγχάνεται με την μεταφορά των δεδομένων του συνδρομητή από τον έναν SGSN στον GGSN που χειρίζεται την συνεδρία. Έχει δύο κατηγορίες υπο-πρωτοκόλλων: το GTP-U και το GTP-C. Το GTP-U μεταφέρει τα στοιχεία του συνδρομητή υπό τη μορφή μίας δομής, που ονομάζεται PDP και περιέχει το IP του συνδρομητή, τον IMSI καθώς κ την ταυτότητα του τελικού παραλήπτη στο GGSN και στο SGSN για όσο είναι ενεργή η σύνδεση. Το GTP-C μεταφέρει στα δεδομένα που χρειάζονται για τον έλεγχο, όπως την ρύθμιση και διαγραφή της PDP, την επιβεβαίωση της κάλυψης του GSN και διαφόρων ενημερώσεων, όπως η μετακίνηση του συνδρομητή από τον ένα SGSN στον άλλον. Ο SGSN, ή αλλιώς υποστηρικτικός κόμβος εξυπηρέτησης είναι η διασύνδεση ανάμεσα στο Κινητό Δίκτυο (MS) και το GPRS σύστημα. Η λειτουργία του είναι να παρακολουθεί τη θέση της συσκευής του συνδρομητή, να εκτελεί ελέγχους πρόσβασης και ασφαλείας και να παραδίδει τα πακέτα δεδομένων από και προς τη συσκευή του συνδρομητή, μέσα στη γεωγραφική περιοχή κάλυψης. Για να το πετύχει αυτό αποθηκεύει πληροφορίες όπως της κυψέλης στην οποία βρίσκεται ο συνδρομητής, της VLR, τον IMSI και τις διευθύνσεις των πακέτων όλων των εγγεγραμμένων χρηστών. Επίσης κάνει δρομολόγηση και μεταφορά πακέτων, διαχείριση της κίνησης τους δικτύου καθώς και των πόρων αυτού. Κάποιες υπηρεσίες που παρέχει είναι: η λήψη/προώθηση GTP πακέτων από/σε έναν κόμβο GGSN (κατερχόμενη/ανερχόμενη ζεύξη), διαχείριση της κίνησης και αποφυγής της υπερφόρτωσης του δικτύου, η χρέωση του συνδρομητή με βάση τα δεδομένα που έστειλε και έλαβε, η λειτουργία του SMS-G μέσω του GPRS και η επικοινωνία με άλλους αντίστοιχους κόμβους. Ο GGSN, ή αλλιώς υποστηρικτικός κόμβος επικοινωνίας με τα άλλα δίκτυα, είναι η διασύνδεση του GPRS και των πρωτοκόλλων όπως το Internet, το X.25, κλπ. Μία σημαντική λειτουργία είναι όταν έρχονται δεδομένα για έναν συγκεκριμένο συνδρομητή, να ελέγχει αν είναι ενεργός και αν ναι, να προωθεί τα δεδομένα στον SGSN και να εξυπηρετεί τον χρήστη και αν όχι, τότε να τα αγνοεί. Άλλες λειτουργίες είναι να κρύβει την εσωτερική δομή του GPRS από το υπόλοιπο δίκτυο και να δρομολογεί τα πακέτα που έχουν δημιουργηθεί από το κινητό δίκτυο στο σωστό δίκτυο. Για να ολοκληρωθεί η τοπολογία χρειαζόμαστε την PCU και τον RNC. Η PCU, ή αλλιώς Μονάδα Ελέγχου Πακέτων, είναι ένα επιπρόσθετο υλικό κύκλωμα ενσωματωμένο στον BSC και υποστηριζόμενο από το κατάλληλο λογισμικό για την διεξαγωγή των αντίστοιχων διαδικασιών δρομολόγησης. Επίσης εκτελεί την προώθηση της κίνησης των δεδομένων σε ένα δίκτυο GPRS. Ο RNC, ή αλλιώς Ελεγκτής Ραδιοδικτύου είναι υπεύθυνος για τη σύνδεση με την κινητή συσκευή του συνδρομητή ο οποίος κινείται σε μια συγκεκριμένη περιοχή του δικτύου. 14

Μετάβαση στο 2.75G με τη χρήση του EDGE Η τεχνολογία αυτή αποτελεί το τελευταίο στάδιο εξέλιξης του GSM προτύπου και σημαντική βάση για την τρίτη γενιά των κινητών δικτύων. Δημιουργήθηκε από τους 3GPP με τους οποίους θα ασχοληθούμε εκτενέστερα στην τρίτη γενιά, καθώς είναι αυτοί που την όρισαν. Η ουσία αυτής της εξέλιξης είναι η βελτίωση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων ανά κανάλι του GPRS αλλάζοντας την κωδικοποίηση του από GMSK σε 8PSK και έτσι πετυχαίνουμε μέχρι και τριπλάσιο ρυθμό μετάδοσης σε σχέση με τον βασικό του GSM. Πιο συγκεκριμένα φτάνουμε μέχρι τα 236 Kbps σε λιγότερο από 150 ms, το οποίο είναι 4 φορές περισσότερη κίνηση σε σχέση με το GPRS στον ίδιο χρόνο. Επίσης, έχει αλγόριθμο που μεταβάλει τη διαμόρφωση και κωδικοποίηση με βάση την ποιότητα του καναλιού, το οποίο συνεπάγεται αλλαγή και στον ρυθμό και την σταθερότητα της αποστολής των δεδομένων. Επίσης εισαγάγει μία καινούργια μέθοδο αποστολής πακέτων, IR (Incremental Redundancy),η οποία αντί να ξαναστέλνει ήδη κατανεμημένα πακέτα, στέλνει και περιττές πληροφορίες στον παραλήπτη, αυξάνοντας όμως έτσι αρκετά την πιθανότητα σωστής αποκωδικοποίησης. Σε φυσικό επίπεδο, το EDGE μπορεί να λειτουργήσει πάνω στο GPRS, αρκεί να γίνουν οι κατάλληλες αναβαθμίσεις, κάτι το οποίο αποτελεί μία οικονομική λύση. Οι υπηρεσίες που προστίθενται, συγκεκριμένα σε αυτές του SGSN είναι: η αύξηση του ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων σε 150 Kbps, αντί για 60 Kbps ανά χρήστη, σύνδεση στη PCU μέσω IP, αποδοχή δεδομένων ανερχόμενης κίνησης, κρυπτογράφηση/αποκρυπτογράφηση δεδομένων ανερχόμενης/κατερχόμενης κίνησης και διαχείριση της κινητικότητας στο επίπεδο κυψέλης. Συνεπώς η ανάγκη για συνεχή εξέλιξη είναι προφανής αφού σιγά σιγά τα κινητά μπαίνουν στην ζωή όλων μας. Πιο συγκεκριμένα σημαίνει ανάγκη για ένα μοναδικό πρότυπο, διαμορφωμένο από έναν παγκόσμιο οργανισμό, βελτίωση της ασφαλείας του δικτύου καθώς αυξάνονται τα άτομα και τα δεδομένα αυτών και τέλος η ανάγκη για μεγαλύτερες ταχύτητες στο ίντερνετ οδηγούν στα δίκτυα τρίτης γενιάς. 3G: Τρίτη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας Η επίσημη κυκλοφορία του ξεκίνησε το 2001 σε Ευρώπη, Ιαπωνία και Κίνα υπό το πρότυπο του UMTS. Το συγκεκριμένο πρότυπο μπορούσε να υποστηριχθεί και από το ΕDGE, όμως για πρώτη φορά τέθηκαν παγκόσμιες προδιαγραφές. Πιο συγκεκριμένα οι μέγιστες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων ήταν τουλάχιστον 200 kbit/s, τουλάχιστον 2Mbit/s για σταθερούς ή κινητούς χρήστες και 348 kbit/s για αυτοκίνητα. Ως προς τη CDMA2000 διαμόρφωση, προτάθηκε η TD-SCDMA (Time Division Synchronous CDMA) από την Κινεζική Ένωση Τηλεπικοινωνιών (Chinese Wireless Telecommunication Standards) και εγκρίθηκε από την ITU. Τα χαρακτηριστικά που έπρεπε να πληροί είναι 307 kbps αντί για 144 kbps που ήταν η CDMA). Το συχνοτικό φάσμα το οποίο διατέθηκε ήταν ανάμεσα σε 400MHz και 3GHz. Το πρώτο δίκτυο, μη εμπορικό όμως, στήθηκε από την NTT DoCoMo, ενώ στην Ευρώπη στήθηκε στο Νησί του Μαν. Τόσο στο πρότυπο της ITU, όσο και της CWTS ξεκίνησε να υπάρχει η διαμόρφωση στο χρόνο, δηλαδή με την αλλαγή της κεραίας να μεταφέρεται και η κλήση στο ίδιο frame αλλά σε άλλο time slot. Αυτό προσέφερε ευελιξία στο χρήστη και καλύτερη διαχείριση στους πόρους καθώς μπορούσαν πλέον να σπάνε το μεγαλύτερο παράθυρο σε μικρότερα. Ακολουθεί ένα διάγραμμα που δείχνει τη διαφορά στις διαμορφώσεις ως προς τις κατανομές των πληροφοριών των διαφόρων χρηστών. 15

Επίσης ως προς την ασφάλεια, επιλύθηκαν τα προβλήματα τα οποία υπήρχαν στη δεύτερη γενιά καθώς από την απλή προσωποποιημένη κάρτα (SIM), πηγαίνουμε στην KASUMI, η οποία αποστέλλει κωδικοποιημένα τα δεδομένα από και προς τον Κινητό Σταθμό (Mobile Station), η οποία στην πορεία αποδείχθηκε και αυτή αναξιόπιστη στην πορεία. Ακόμα προστέθηκαν συστήματα ασφαλείας και στον πομπό και στον δέκτη. Εξαιτίας της βιώσιμης ταχύτητας που προσφέρει στο διαδίκτυο, για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε ο όρος mobile broadband και υπήρξε η σύνδεση με τον όρο smartphone, δηλαδή ένας συνδυασμός ανάμεσα σε PDA και κινητό τηλέφωνο, το οποίο θα αναλυθεί περισσότερο και στο κομμάτι του IoT. Αυτό το οποίο αξίζει επίσης να σημειωθεί είναι ότι το συγκεκριμένο δίκτυο όμως, ακριβώς λόγω της παγκόσμιας προτυποποίησης και σε συνδυασμό με την μεγάλη άνθηση, η οποία έφερε μείωση των τιμών, έγινε προσβάσιμο και σε χώρες του αναπτυσσόμενου κόσμου, προσφέροντας έτσι μία τόνωση στην ανάπτυξή τους. Τέλος, πολλές εφαρμογές που πλέον θεωρούνται δεδομένες στα κινητά μας, υποστηρίχθηκαν από αυτή τη γενιά κινητών συστημάτων όπως το GPS, υπηρεσίες βασισμένες στην τοποθεσία (eg Pokemon GO), τηλεδιασκέψεις και προβολή βίντεο. Τα προβλήματα που προκύπτουν από αυτή την έκδοση και παρακάτω λίγο πολύ είναι τα ίδια. Πιο συγκεκριμένα δημιουργήθηκε κορεσμός, τόσο στο πλήθος των συσκευών όσο και στις ταχύτητες που μπορούσε να φτάσει το διαδίκτυο, καθώς οι εφαρμογές και οι ιστοσελίδες εξελισσόντουσαν ως προς τα γραφικά και τις απαιτήσεις τους και έτσι γινόντουσαν δυσλειτουργικές. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι τον Ιούνιο του 2007 οι χρήστες σε 16

παγκόσμια κλίμακα ήταν 3 δισεκατομμύρια. Επίσης, όπως προαναφέραμε υπήρξε πρόβλημα ως προς την ασφάλεια του δικτύου. Μετάβαση στο 3.5GHz - HSPA Η αλλαγή ήρθε το 2008 με την 5 η έκδοση των 3GPP και ονομάζεται HSPA (High Speed Packet Access) και συγκεκριμένα αφορά την ταχύτητα uploading και downloading, όπως υποδηλώνει και το όνομα της έκδοσης. Η ουσία αυτής της έκδοσης είναι τα δύο πρωτόκολλα, HSDPA και HSUPA τα οποία αντίστοιχα αφορούν την μετάδοση πακέτων από την Βάση το κινητό και από το κινητό στη Βάση αντίστοιχα. Πλέον οι ταχύτητες αγγίζουν τα 337 Mbit/s στο downlink Και τα 34 Mbit/s στο uplink στη θεωρία, αλλά στην πράξη είναι δύσκολο έως αδύνατο να επιτευχθούν αυτές οι τιμές. Πιο ρεαλιστικές τιμές είναι οι 14 Mbit/s και 5.76 Mbit/s αντίστοιχα. Ως προς τον χρόνο ανταπόκρισης, και σε αυτό τον τομέα υπήρξε βελτίωση σχεδόν πενταπλάσια. Οι αλλαγές αυτές ήταν εξ ολοκλήρου σε επίπεδο προγραμματισμού, συνεπώς δεν υπήρχε άμεση ανάγκη για αλλαγή εξοπλισμού από την πλευρά των χρηστών, όμως δεν υπήρχε εγγύηση ότι οι προηγούμενες συσκευές θα υποστήριζαν το πλήρες φάσμα των ταχυτήτων. Μετάβαση στο 3.75 HSPA+ Η πρόταση αυτή ήρθε με την 7 η έκδοση των 3GPP και η βελτίωση που έφερε ήταν πάλι σε επίπεδο ταχύτητας, αλλά με διαφορετικές μεθόδους. Συγκεκριμένα η αλλαγή ήταν στο τρόπο με τον οποίο λειτουργούν οι κεραίες, όπως το beamforming και το MIMO (Multiple- Input, Multiple-Output). Το beamforming είναι να τοποθετούνται οι κεραίες στο χώρο με τέτοιο τρόπο ώστε να ενισχύει τη συνιστώσα που στοχεύει το χρήστη και να σβήνει τις υπόλοιπες συνιστώσες. Το MIMO είναι το σύστημα που χρησιμοποιεί πολλές κεραίες για αποστολή και λήψη δεδομένων. Επίσης, μειώθηκε αισθητά η κατανάλωση της μπαταρίας και ο χρόνος από την αδράνεια στην επαναφορά. Όλα αυτά τα βήματα είναι σταδιακές εξελίξεις και για τους κατασκευαστές των συσκευών ώστε να υπάρξει ομαλή μετάβαση στην 4 η γενιά κινητής τηλεφωνίας. Υπάρχει ακόμα μία άλλη κατηγορία αλλαγών, η Dual-Carrier HSDPA, στην οποία υπάρχει η αλλαγή στη διαμόρφωση από 16QAM σε 64QAM, η οποία δεν έχει απαραίτητα ανάγκη το MIMO. Παρόλα αυτά, αν συνδυαστούν πετυχαίνουμε το καλό ότι μπορούν να δουλεύουν δίπλα δίπλα σαν δίκτυα χωρίς παρεμβολές και σε διαφορετικές συχνοτικές μπάντες. Οι θεωρητικές ταχύτητες που επιτυγχάνει αυτή η έκδοση είναι από 84.4 μέχρι 168 Mbit/s για το downlink και 22 Mbit/s για το uplink. 17

4G: Τέταρτη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας Η πρώτη του έκδοση ήταν το Μάρτιο του 2009 σε Νορβηγία και Σουηδία. Η προσπάθεια των 3GPP σε αυτή τη γενιά ήταν να αυξηθεί και πάλι το εύρος και η ταχύτητα χρησιμοποιώντας όμως μία διαφορετική μπάντα συχνοτήτων, από 700MHz έως 2600MHz. Εδώ η κάθε ήπειρος υιοθέτησε το δικό της φάσμα συχνοτήτων το οποίο ακολουθεί συνοπτικά στον παρακάτω πίνακα. North America 600, 700, 750, 800 850, 1900, 2100(AWS), 2300 (WCS), 2500, 2600 MHz (bands 2, 4, 5, 7, 12, 13, 17, 25, 26, 29, 30, 41, 66, 71) Latin America and Caribbean 750, 850, 900, 1700, 1800, 1900, 2100, 2600 MHz (bands 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 13, 17, 28) Europe 450, 700, 800, 900, 1500, 1800, 2100, 2300, 2600, 3500, 3700 MHz (bands 1, 3, 7, 8, 20, 22, 28, 31, 32, 38, 40, 42, 43) Asia 450, 700, 800, 850, 900, 1500, 1800, 1900, 2100, 2300, 2500, 2600, 3500 MHz (bands 1, 3, 5, 7, 8, 11, 18, 19, 21, 26, 21, 31, 38, 39, 40, 41, 42) Africa 700, 800, 850, 900, 1800, 2100, 2500, 2600 MHz (bands 1, 3, 5, 7, 8, 20, 28, 41) Oceania (incl. Australia and New Zealand) 700, 800, 850, 1800, 2100, 2300, 2600 MHz (bands 1, 3, 7, 12, 20, 28, 40) Η έκδοση αυτή ήρθε σχετικά συντομότερα σε σχέση με τις άλλες γιατί υπήρχε παράλληλα μεγάλη ανάπτυξη στα ασύρματα δίκτυα σταθερής επικοινωνίας (Wi-Fi και WiMAX) στα οποία θα αναφερθούμε και παρακάτω. Η ονομασία του στα αγγλικά είναι είτε 4G, είτε LTE (Long Term Evolution) το οποίο αν και κατοχυρώθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση το 2008, προτάθηκε πρώτη φορά το 2004 από την NTT DoCoMo. Η τάση αυτής τη γενιάς γενικότερα είναι να κινηθούμε προς αποκλειστικά IP-based επικοινωνία, επειδή βρισκόμαστε στην χρονική περίοδο όπου ήδη το IPv4 είναι κορεσμένο και κινούμαστε για το IPv6. Οι ταχύτητες πλέον γίνονται 299.6 Mbit/s σε downlink και 75.4 Mbit/s σε uplink, το οποίο εξαρτάται από τη συσκευή του χρήστη. Ακόμα προστίθενται απαιτήσεις και σε διάδοση εσωτερικού χώρου, συγκεκριμένα 3bits/s για downlink και 2.25 bits/s για uplink. Επίσης το εύρος του κάθε χρήστη διαμορφώνεται στα 20 MHz, με επιλογές και για μικρότερα εύρη, συνεπώς υποστήριξη και των προηγούμενων γενιών. Η απόκριση, η αλλαγή μεταξύ των κεραιών και ο χρόνος σύνδεσης είναι κάτω των 5 ms για τα μικρά IP πακέτα σε βέλτιστες συνθήκες. Χρησιμοποιείται η orthogonal frequency-division multiple access ως μέθοδος για downlink, ενώ η Single-carrier FDMA για uplink καθώς λειτουργεί εξίσου αποδοτικά και καταναλώνει πολύ λιγότερη ενέργεια στην πλευρά του χρήστη. Υπάρχει καλύτερη ανταπόκριση στις μεγάλες ταχύτητες του χρήστη, χωρίς να χάνεται το σήμα. Ως προς το μέγεθος των κεραιών, βρισκόμαστε στο σημείο όπου κεραίες με μέγεθος (picocells) έως (femtocells) καλύπτουν χιλιόμετρα. Το πλήθος των χρηστών που υποστηρίζει σε ιδανικές συνθήκες είναι 200 χρήστες για κάθε 5 MHz. Το αρνητικό το οποίο υπάρχει ενδεχομένως είναι ότι ακριβώς επειδή η κάθε ήπειρος έχει τόσο ευρύ φάσμα λειτουργίας, όπως και οι ίδιες οι χώρες, όταν θέλουμε να κινηθούμε σε παγκόσμια κλίμακα, παρά το γεγονός ότι η συσκευή μας έχει τη δυνατότητα, χρειαζόμαστε 18

και αντίστοιχο software ώστε να ρυθμιστούν όλες οι παράμετροι για να λειτουργήσει το κινητό μας στο νέο δίκτυο. Μετάβαση στο 4.5GHz Σε αυτή την έκδοση των 3GPP επαναπροσδιορίστηκαν τα κριτήρια με τα οποία πρέπει να λειτουργούν τα σύγχρονα δίκτυα καθώς ξεκινάμε να αναφερόμαστε για πρώτη φορά σε συνδεσιμότητα συσκευών όπως υπολογιστές, ασύρματα modem, κα. Πλέον δηλαδή προκύπτουν προβλήματα ασφαλείας καθώς αλλάζει η φύση των συσκευών, όπως και η επέκταση και των υπόλοιπων υπηρεσιών. Γίνονται προσθήκες υπηρεσιών, όπως HDTV, VoIP και ultra- broadband Internet access, δηλαδή routers τα οποία λειτουργούν με την ίδια λογική των κινητών συσκευών προκειμένου να μπορούν να συνδεθούν στα δίκτυα 4 ης γενιάς χωρίς ενδιάμεσο μέσο. Συγκεκριμένα, ξεκινάμε από την αντικατάσταση πλήρως του δικτύου με IP-packet switching. Επίσης ο ρυθμός των δεδομένων να ξεκινάει από 100 Mbit/s μέχρι 1Gbit/s ανάλογα τη σχετική ταχύτητα του χρήστη. Αυτό καλύπτει σίγουρα μετακινήσεις με οποιουδήποτε είδους μέσο. Το εύρος πλέον μπορεί να φτάσει μέχρι τα 40 MHz και οι αλλαγές τόσο ανά κεραίες όσο και ανά εθνικά δίκτυα να γίνεται ομαλά χωρίς καμία αίσθηση στον χρήστη. Ως προς το φυσικό επίπεδο διατηρούμε τη MIMO και OFDM λειτουργία. Επίσης χρησιμοποιούμε τους turbo principle error-correcting codes, το οποίο είναι κωδικοποίηση που προσφέρει καλύτερη σχέση μεταξύ σήματος κ θορύβου στην πλευρά του δέκτη. Επίσης ο προγραμματισμός των πακέτων γίνεται με βάση τα διαθέσιμα κανάλια που έχει η βάση ανά στιγμή, συνεπώς έχουμε καλύτερη διαχείριση των διαθέσιμων πόρων. Παρά το γεγονός ότι όλα αυτά ακούγονται αρκετά και ικανοποιητικά, οι ανάγκες των χρηστών μας οδηγούν στην έρευνα για τις προδιαγραφές του δικτύου 5 ης γενιάς, οι οποίες θα αναλυθούν στην επόμενη ενότητα. 19

5G: Πέμπτη γενιά ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας Εδώ δεν έχουμε κάποια επίσημα πρότυπα επιβεβαιωμένα παρά μόνο συζητήσεις και τάσεις. Ένα από τα βασικά ζητήματα είναι οι συχνότητες λειτουργίας. Υπάρχουν δύο επιλογές, είτε κάτω από τα 6GHz, είτε άνω των 30GHz. Οι πιθανές επιλογές για άνω των 30 GHz είναι στα 28 GHz (27.5-29.5 GHz), στα 38 GHz (36-40 GHz), στα 60 GHz (57-64 GHz), στα 70GHz (71-76 GHz), στα 80GHz (81-86 GHz) και στα 90 GHz (92-95 GHz). Πιο συγκεκριμένα τα 28GHz είναι υποψήφια για το δίκτυο της ραχοκοκαλιάς του 5G. Επίσης γίνεται σύγκριση ανάμεσα σε 2.4 GHz και 60GHz όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Αυτό είναι χρήσιμο για δύο λόγους, οι οποίοι βασίζονται στην ίδια προκείμενη, ότι δεν έχουμε ανάγκη για καινούργιες εγκαταστάσεις. Αυτό είναι θετικό γιατί ρίχνει το κόστος κατασκευής και εκσυγχρονισμού του δικτύου και παράλληλα κάνει πιο εύκολη και γρήγορη τη μετάβασή μας σε αυτό. Από την άλλη όμως, επειδή το συγκεκριμένο φάσμα χρησιμοποιείται ήδη είναι σχετικά κορεσμένο το οποίο το κάνει δύσκολο να χρησιμοποιηθεί για να προσθέσουμε και άλλη πληροφορία, σε αντίθεση με τα 60GHz οποία είναι κενή ζώνη. Το αρνητικό που έχει η περιοχή κοντά στα 60GHz, από την άλλη είναι ότι σε αυτή τη συχνότητα επέρχεται ο συντονισμός του οξυγόνου με αποτέλεσμα να κάνει παρεμβολές στη διάδοση του σήματος. Το αντίπαλο δέος κάνει δοκιμές στα 3.5GHz, το οποίο είναι και η δική μας υπόθεση εργασίας γιατί παραμένει συχνοτικά κοντά σε ότι χρησιμοποιούμε ήδη, οπότε μπορούμε να μεταβούμε εκεί με λιγότερα έξοδα, διατηρεί κατά πολύ τις καλές ιδιότητες των 2.4GHz και οι πραγματικές δοκιμές που γίνονται αυτή τη στιγμή στην Νότια Κορέα δίνουν ταχύτητες από 193 Mbit/s μέχρι 430 Mbit/s. 20

Οι προδιαγραφές που έχουν δημοσιευθεί μέχρι στιγμής μέσω του προτύπου IMT-2020 Standard βρίσκονται στον παρακάτω πίνακα. Στη διαδικασία των μετρήσεων εμείς επιλέξαμε τη συχνότητα των 3.5GHz καθώς πιστεύουμε ότι έχει περισσότερα θετικά ως επιλογή, τόσο γιατί έχει τη δυναμική να καλύψει τις ήδη υπάρχουσες προδιαγραφές όσο και γιατί αποτελεί την πιο εύκολα κατασκευάσιμη λύση. Και προκειμένου να κάνουμε μία αντικειμενική σύγκριση, τη συγκρίνουμε με το Wi-Fi δίκτυο του χώρου, το οποίο λειτουργεί στα 2.4GHz καθώς και αυτό αποτελεί αποδεδειγμένα ένα πολύ καλό υποψήφιο. 5G και χρήσεις Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά τα οποία θα έχει το δίκτυο 5 ης γενιάς θα είναι massive MIMO, δηλαδή τη δυνατότητα χρήσης πολλών κεραιών, λόγω του μικρού μεγέθους τους, με αποτέλεσμα την επίτευξη multi-user MIMO επικοινωνίας. Επίσης, μέσω του Edge Computing, δηλαδή τη χρήση servers βασισμένων στο διαδίκτυο, επιτυγχάνεται σχεδόν εκμηδενισμός των καθυστερήσεων, όπως και του κορεσμού της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Όπως αναφέραμε και νωρίτερα θα υπάρχει συμβατότητα και αλληλοεπικάλυψη του Wi-Fi και του 5G. Όλα αυτά αποτελούν πολύ ωραίες προτάσεις οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν στο σενάριο το οποίο θέλουμε εμείς να προτείνουμε, το οποίο είναι ένας χώρος εργασίας με γραφεία όπως ο παρακάτω χώρος. 21

Τα χαρακτηριστικά αυτού του χώρου που βοηθάνε στο να θεωρηθεί καλή εφαρμογή για ένα δίκτυο 5 ης γενιάς είναι το γεγονός ότι έχει πληθώρα συσκευών, από σταθερά τηλέφωνα μέχρι smartwatches, τα οποία έχουν συνεχώς ανάγκη να είναι συνδεδεμένα. Με τη σύγχρονη μέθοδο υπάρχουν 3 δίκτυα για να γίνεται η εξυπηρέτηση αυτών, το σταθερό, το Wi-Fi και το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας, κάτι το οποίο είναι κοστοβόρο και επιβαρύνει το περιβάλλον εργασίας των ανθρώπων. Με την πρόταση την οποία κάνουμε και θα αποδείξουμε, μπορούμε να καλύψουμε όλες αυτές τις συσκευές μόνο με ένα τοπικό δίκτυο 5 ης γενιάς. Στο πείραμά μας εμείς επιδιώκουμε να καλύψουμε ένα εργοστάσιο με γραφεία, αλλά περισσότερες λεπτομέρειες για αυτό στο κεφάλαιο των μετρήσεων. 22

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Internet of Things και Smart Office Εισαγωγή Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο θα κάνουμε μία ιστορική αναδρομή στα IoT συστήματα καθώς και θα προσδιορίσουμε τι κατατάσσει ένα χώρο γραφείου σε αυτά και τον κάνει smart office, όπως και γιατί αυτό είναι απαραίτητο να γίνει στην εποχή μας και με την έλευση των δικτύων 5 ης γενιάς. Η απαρχή του IoT Το IoT, ή Ίντερνετ των πραγμάτων, αποτελεί την επέκταση του Ίντερνετ στο φυσικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα παρέχει τη δυνατότητα ταχύτητας και επικοινωνίας με οποιονδήποτε και οπουδήποτε από το επίπεδο του υπολογιστή σε κάθε φυσική συσκευή. Η μόνη προσθήκη που χρειάζεται στις συσκευές για να συμβεί αυτό είναι κάποιου είδους ηλεκτρονική μικροσυσκευή η οποία έχει αυτή τη δυνατότητα. Θα μπορούσε να είναι από αισθητήρα, μέχρι μικρός υπολογιστής, όπως ένα Arduino. Σαν όρος πρωτοχρησιμοποιήθηκε το 1982 όταν συνδέθηκε για πρώτη φορά στο διαδίκτυο ένα ψυγείο και έδινε αναφορά για το αποθεματικό του και έτσι ενημερωνόντουσαν αν χρειαζόταν γέμισμα. Στη συνέχεια τα πράγματα εξελίχθηκαν τόσο στην πολυπλοκότητα των εργασιών όπως και στο εύρος των χρήσεων και στο συνδυασμό των τεχνολογιών. Πλέον με το να συνδέεις μία συσκευή στο διαδίκτυο και να μεταδίδει σε πραγματικό χρόνο ή μη τα δεδομένα της, αποκεντρωμένα, μπορεί να εκτελεί λειτουργίες όπως ο έλεγχος αισθητήρων, μηχανική μάθηση, αυτοματισμοί σε έξυπνα σπίτια, τηλεϊατρική μέσω συσκευών που εκτελούν ιατρικές λειτουργίες για άτομα μεγάλης ηλικίας, στις μεταφορές, στη γεωργία κα. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται η αύξηση του φάσματος των ικανοτήτων των IoT συσκευών ανά τα χρόνια 23

Όμως όλα αυτά είναι εφικτά γιατί εξίσου προσβάσιμα είναι τα συστήματα ελέγχου αυτών των συσκευών, δηλαδή κινητά, tablets και φορητοί υπολογιστές. Αν είχαμε μείνει μόνο με σταθερούς υπολογιστές δεν θα είχαμε τη φορητότητα, ενώ αν είχαμε μείνει στα δίκτυα 2 ης γενιάς π.χ. δεν θα είχαμε τις δυνατότητες για σύνδεση στο διαδίκτυο, τόσο άμεσα, με ασφάλεια και αξιοπιστία όπου και όποτε θέλουμε. Επίσης, εξαιτίας των δύο παραπάνω παραγόντων, έγινε η κατασκευή των κινητών και των υπολογιστών τόσο οικονομική, ώστε να αποτελεί μία προσιτή συσκευή για το μέσο πολίτη, με αποτέλεσμα να μπορεί να έχει στην κατοχή του εξίσου εύκολα μία συσκευή χειρισμού και μία συσκευή IoT. Οι τρόποι διασύνδεσης μεταξύ των διαφόρων στοιχείων, όπως έχουμε ήδη καταλάβει είναι τα ασύρματα δίκτυα και ενσύρματα δίκτυα σε κάποιες περιπτώσεις. Πιο αναλυτικά, έχουμε τα ασύρματα δίκτυα μικρού εύρους με παραδείγματα το Bluetooth, το Li-Fi, το NFC, το RFID, το Wi-Fi, κα. Σε μεσαίου εύρους έχουμε το 4.5G, ενώ σε μεγάλου εύρους έχουμε το LPWAN και το VSAT. Ως προς τις ενσύρματες επιλογές, έχουμε το Ethernet και το PLC. Όπως βλέπουμε ήδη τα κινητά δίκτυα συνυπάρχουν με την τεχνολογία του IoT. 24

Smart Office και IoT Πιο συγκεκριμένα, στο σήμερα και στα κτήρια. Ο έλεγχος των κτηρίων και οι λειτουργίες τους, όσο περνάνε τα χρόνια αυτοματοποιούνται. Τα κτήρια γίνονται έξυπνα με έλεγχο τόσο από απόσταση, όσο και με δική τους πρωτοβουλία. Κτήρια τα οποία λειτουργούν ως εργασιακοί χώροι έχουν ανάγκες όπως κλιματισμός, χειρισμός σταθερών και φορητών συσκευών (υπολογιστές και τηλέφωνα), προγραμματισμός αιθουσών για τηλεδιασκέψεις ή παρουσιάσεις. Όλα αυτά για να γίνουν χρειάζεται ένα δίκτυο το οποίο μπορεί να ανταποκριθεί στον όγκο όλων των συσκευών, στην παράλληλη λειτουργία τους, καθώς οι ώρες αιχμής στο 24ωρο είναι κοινές για την πλειοψηφία αυτών. Από την άλλη θα πρέπει να είναι προστατευμένο από τυχόν επιθέσεις καθώς όλα θα βασίζονται σε ένα δίκτυο. Όλα αυτά μπορεί να τα καλύψει ένα σύγχρονο δίκτυο 5 ης γενιάς κάτι το οποίο θα προσπαθήσουμε να αποδείξουμε εμείς με τις πειραματικές μας μετρήσεις 25

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Περιγραφή Μαθηματικών Μοντέλων Εισαγωγή Στη συγκεκριμένη ενότητα θα γίνει η ανάλυση των βασικών θεωρητικών εννοιών πίσω από τα διάφορα μαθηματικά μοντέλα τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση του εσωτερικού χώρου, τον υπολογισμό των φαινομένων του εξωτερικού χώρου και τέλος τον υπολογισμό των συσκευών που μπορεί να υποστηρίξει το δίκτυο. Τα μοντέλα απωλειών ελεύθερου χώρου (path loss models) δουλεύουν σε λογαριθμικές κλίμακες καθώς είναι ευκολότερο να κάνεις τις πράξεις γιατί γίνονται προσθέσεις και αφαιρέσεις και να υπολογίσεις τη σχέση των αποστάσεων και των ισχύων. Μοντέλο του Ελεύθερου Χώρου (Free Space Model) Το συγκεκριμένο μοντέλο αποτελεί τη βάση όλων των μοντέλων καθώς παραθέτει την ιδανική περίπτωση μετάδοσης. Αναπαριστά σε λογαριθμική μορφή την εξίσωση του Friis, η οποία παρουσιάζει τη μετάδοση από μία ισοτροπική κεραία, της οποίας δεν μας ενδιαφέρει το ύψος από το οποίο εκπέμπει, όπως και δεν υπάρχουν εμπόδια ή γεωγραφικά χαρακτηριστικά που να παρεμποδίζουν τη διάδοση με κάποιο τρόπο. Ο τύπος υπολογισμού είναι ο παρακάτω όπως και η σχηματική αναπαράσταση: Pr( dbm) Pt( dbm) K( db) 10n log 10( d ) d 0 Οι αποστάσεις εκφράζονται σε μέτρα και υπολογίζονται με T-R separation και συγκεκριμένα το είναι η απόσταση αναφοράς, η οποία για εσωτερικούς χώρους είναι το 1 μέτρο, ενώ το d είναι η απόσταση από την πηγή. Επίσης το n είναι ο συντελεστής απωλειών ο οποίος 26

εξαρτάται από τη φύση του χώρου. Εδώ, αφού θεωρούμε ότι είναι ιδανικός χώρος, τότε έχουμε n=2. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις είναι μικρότερο. Το Κ είναι η σταθερά αναφοράς και εξαρτάται από την κάθε συχνότητα. Στο επόμενο κεφάλαιο, θα οριστεί ξεχωριστά για την κάθε μία. Σαν μοντέλο έχει μεγάλη απόκλιση σε σχέση με όλα τα άλλα, πλην των περιπτώσεων που υπάρχει ευθεία σύνδεση μεταξύ των κεραιών του πομπού και του δέκτη (Line of Sight, LOS). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να χρειάζεται να μελετήσουμε περαιτέρω τις απώλειες. Μοντέλο Μίας Πλαγιάς (One Slope Model) Αποτελεί την επόμενη πιο ρεαλιστική λύση και πρακτικά είναι ένας προσαρμοσμένος νόμος δύναμης (power law). Οι απώλειες υπολογίζονται από τον νόμο των ελαχίστων τετραγώνων, με βάση τα πειραματικά δεδομένα. Ο τύπος του μοντέλου είναι ο παρακάτω: = Κ(dB) p*10* (d) Το Κ είναι η σταθερά αναφοράς και εξαρτάται από την κάθε συχνότητα. Το d αντίστοιχα το αντικαθιστούμε σε μέτρα και το p είναι ο συντελεστής που προσδιορίζεται από τον κανόνα δύναμης. Υπολογίζεται για κάθε μέτρηση χωριστά και κρατάμε το μέσο όρο. Πιο συγκεκριμένα ο τύπος είναι: p= με Pe να αποτελούν τις πειραματικές μετρήσεις Μοντέλο ITU Το συγκεκριμένο μοντέλο δίνει μεγαλύτερη ακρίβεια, όμως έχει παραπάνω περιορισμούς. Δηλαδή δουλεύει μόνο για εσωτερικούς χώρους, μέχρι 3 ορόφους και για συχνότητες 900 MHz to 5.2 GHz. Ο τύπος είναι ο παρακάτω: P 20log ( f ) N log ( d) Lf ( n) 28dB L 10 10 Όπως f η συχνότητα σε MHz, Ν είναι ίσο με 10*n, το οποίο είναι ο συντελεστής απωλειών και έχει εύρος ορισμού, κάποια παραδείγματα του οποίου είναι στον παρακάτω πίνακα 27

Frequency Residential Office Commercial 900MHz - 33 20 1.2 1.3GHz - 32 22 1.8 2GHz 28 30 22 4GHz - 28 22 5.2GHz - 31-60GHza - 22 17 Το d πάλι είναι σε μέτρα και το Lf(n) είναι οι απώλειες σε κάθε όροφο και αντικαθίσταται με βάση το πλήθος των ορόφων. Ένα ενδεικτικό παράδειγμα είναι στον παρακάτω πίνακα: Frequency Residential Office Commercial 900MHz 9 (n = 1) >> 19 (n = 2) 24 (n = 3) 1.8 2GHz 4n 15 + 4(n - 1) 6 + 3(n - 1) 5.2GHz 16 (n = 1 only) 28

Μοντέλο πολλών ορόφων (Multi Wall Floor Model) Είναι ένα εμπειρικό μοντέλο για διάδοση σε εσωτερικό χώρο. Οι απώλειες που εκφράζει είναι δύο ειδών: αυτές του ελεύθερου χώρου και αυτές των εμποδίων. Επίσης, ο τύπος δείχνει την εξάρτηση τόσο από τα διαφορετικά υλικά, όσο και από τη συχνότητα. Τέλος, μέσω του συγκεκριμένου μοντέλου συνυπολογίζεται ότι οι απώλειες που προστίθενται από τους τοίχους μειώνονται, όσο αυξάνονται οι τοίχοι σε πλήθος. Όπου είναι το αντίστοιχο του Κ στα προηγούμενα μοντέλα, όπως και το n και το d. Το n όμως αρχικοποιείται με 1.8 προκειμένου να υποδηλώσει τις απώλειες του ελευθέρου χώρου. Τα I, J είναι το πλήθος των διαφορετικών τοίχων, το πλήθος των τοίχων είναι τα και ενώ τα και είναι οι απώλειες ανά τοίχο. Λογαριθμικό Μοντέλο (Log-Distance Model) Ο στόχος αυτού του μοντέλου είναι να ενσωματώσει όλες τις απώλειες οι οποίες εξαρτώνται από την απόσταση μέσω μίας μόνο μεταβλητής. Εδώ γίνεται η υπόθεση εργασίας ότι τα εμπόδια τα οποία υπάρχουν είναι αρκετά μεγαλύτερα από το μήκος κύματος του σήματος που μεταδίδεται και είναι σταθερά εμπόδια στο χρόνο. Το φαινόμενο σκίασης που δημιουργείται περιγράφεται από τον Jakes, ως η διαφορά σε decibels της υπολογισμένης τιμής από το μοντέλο του ελεύθερου χώρου σε σχέση με την αντίστοιχη πειραματική τιμή. Οι απώλειες αυτές περιγράφονται με μαθηματικό τρόπο μέσω της λογαριθμικής-κανονικής κατανομής. Προκειμένου να συμβολιστούν στον τύπο χρησιμοποιούμε μία μεταβλητή, η οποία είναι Γκαουσσιανή, με μέσο όρο 0. Έτσι ο τύπος διαμορφώνεται ως εξής: PL PL( d0) N log d 10 X d 0 Το ( ) είναι η τιμή του πεδίου για ίσο με 1 μέτρο. Το Ν είναι το ίδιο με τα προηγούμενα μοντέλα. Η δίνεται από τον παρακάτω τύπο, στον οποίο το z είναι το ποσοστό εμπιστοσύνης που θέλουμε να έχει η μεταβλητή. Συνήθης τιμής είναι το 95% για το οποίο το z=1.645, γιατί αποτελεί μία μέση αλλά αποδοτική λύση. z ( db) 1.645 ( db) 29

Μοντέλο της γραμμικά αποσβενούμενης διάδοσης (LAM or Devasirvatham Model) Εδώ δουλεύουμε με την απόσβεση στη μονάδα της απόστασης, η οποία αποτελεί σημαντικό παράγοντα στη διάδοση σε εσωτερικό χώρο. Ο τύπος που δίνει το αποτέλεσμα αυτού του μοντέλου είναι ο εξής: P ( db) P ( db) 10n log ( d) ad L L0 10 Με να είναι η τιμή του πεδίου για ίσο με 1 μέτρο. Το n και εδώ ο ρυθμός απωλειών στον ελεύθερο χώρο και το α είναι η απόσβεση ανά μονάδα απόστασης και d είναι η απόσταση σε μέτρα υπολογισμένο μέσω της μεθόδου T-R. Προκειμένου να υπολογίσουμε το α, έχουμε σαν δεδομένο τη συνολική EIRP και η μέση τιμή του λαμβανομένου σήματος μπορεί να υπολογισθεί, οπότε μπορούμε να χαρακτηρίσουμε το δίκτυο με βάση τις απώλειές του χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο: EIRP( dbm) Pr( dbm) 10nlog 10 d PL0 ( db) a d Μελέτη φαινομένων μεγάλης κλίμακας (Large Scale Fading) Όπως είπαμε και νωρίτερα, τα εμπόδια που έχουμε σε αυτή την περίπτωση μπορούν να χαρακτηριστούν μέσω της λογαριθμικής-κανονικής κατανομής. Πιο συγκεκριμένα οι λογαριθμικές τιμές περιγράφονται από την Γκαουσσιανή κατανομή. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας μίας Γκαουσσιανής κατανομής είναι η παρακάτω: 2 ( x x) 2 2 1 p( x) e 2 όπου x η λογαριθμική πειραματική τιμή, η μέση πειραματική τιμή για όλες τις μετρήσεις της τοπολογίας και το σ είναι η τυπική απόκλιση των απωλειών σκίασης. Οι τύποι υπολογισμού των και σ είναι οι παρακάτω: 30

x 1 1 n xi n i 1 n 2 2 ( xi x) n i 1 Προκειμένου να έχουμε αξιόπιστα αποτελέσματα χρειαζόμαστε ένα μεγάλο αριθμό δειγμάτων, συνεπώς οι μετρήσεις πρέπει να είναι εκτενείς και αξιόπιστες και συνυπολογίζοντας τα φαινόμενα μικρής κλίμακας με αρκετές μέσες τοπικές τιμές. Όπως θα αποδειχθεί και πειραματικά το καλύτερο μοντέλο για περιγραφή είναι το μοντέλο πολλών ορόφων, το οποίο ακολουθεί τη λογαριθμική κατανομή. Έτσι προκειμένου να υπολογίσουμε την τυπική απόκλιση εξαιτίας των απωλειών, βασιζόμαστε σε αυτό το μοντέλο και τη μεταβλητή έχουμε τον τύπο: ( db) I K wi L k 1 wik k 1 i 1 j 1 z J K fj L fjk Μία εναλλακτική μέθοδο είναι μέσω του μοντέλου γραμμικά αποσβενούμενης διάδοσης (LAM), αν ορίσουμε ως το γινόμενο αd μιας και αυτό με εκφράζει τις απώλειες σκίασης. Συνδυάζοντας αυτούς τους δύο τύπους προκύπτει το μέσο σφάλμα και ότι: z a ( db) d Υπολογισμός Πλήθους Συσκευών Προκειμένου να υπολογίσουμε το πλήθος των συσκευών θα δουλέψουμε με το εύρος ζώνης που θέλουμε να διαθέσουμε στον καθένα. Θα χρησιμοποιήσουμε τον τύπο των Shannon-Hartley: όπου C θα βάλουμε τη χωρητικότητα του δικτύου, Β θα βάλουμε το εύρος ζώνης που θέλουμε να διαθέσουμε στον κάθε χρήστη και ως SNR είναι η σχέση ωφέλιμου σήματος και θορύβου. Το SNR θα υπολογιστεί για τη χειρότερη περίπτωση, ώστε να βρούμε τη χειρότερη περίπτωση στο δίκτυο, Επίσης επειδή κάνουμε σύγκριση με τη συχνότητα των 2.4GHz θα φτιάξουμε το εύρος ζώνης των 3.5GHz έτσι, ώστε να είναι συγκρίσιμα μεταξύ τους. Επίσης δουλεύουμε ακριβώς με το εύρος ζώνης των 2.4GHz, ενώ θα μπορούσαμε να δουλέψουμε με μεταβλητό εύρος γιατί στο IoT δεν έχουν όλες οι συσκευές τις ίδιες ανάγκες. 31

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Μετρήσεις και Επεξεργασία Εισαγωγή Στο κεφάλαιο που ακολουθεί θα αναλύσουμε την ουσία της διπλωματικής μας. Αρχικά θα δούμε μερικές πληροφορίες για το χώρο των μετρήσεων και τις κατόψεις αυτού για να δημιουργηθεί μία πρώτη εικόνα. Στη συνέχεια επεξηγούμε τα συστήματα με τα οποία παίρνουμε τις μετρήσεις μας και εξηγούμε την μέθοδο με την οποία επιλέξαμε τα σημεία από τα οποία πήραμε τις μετρήσεις προκειμένου να κατανοήσει και ο αναγνώστης τη λογική πίσω από τις μετρήσεις μας έχοντας και την εικόνα του χώρου. Στην επόμενη ενότητα επεξηγούμε τις απαραίτητες αλλαγές που πρέπει να γίνουν στους τύπος για να είναι έτοιμοι για χρήση, κάνουμε τις πράξεις με όλα τα μοντέλα και παραθέτουμε τόσο αριθμητικά όσο και γραφικά τα αποτελέσματα των διαφόρων μοντέλων και τις συναρτήσεις σφαλμάτων και έτσι αποδεικνύουμε ποιο μοντέλο ανταποκρίνεται καλύτερα στις πειραματικές μετρήσεις. Στην τελευταία ενότητα θα εφαρμόσουμε το κομμάτι του IoT και θα υπολογίσουμε πόσες συσκευές μπορούν να υποστηρίξουν τα δίκτυα μας και θα αποδείξουμε τη διαφορά που επιβεβαιώνει την πρακτικότητα των 3.5GHz. Περιγραφή του χώρου και περιγραφή των μετρητικών οργάνων Ο χώρος ο οποίος επιλέχθηκε είναι οι εγκαταστάσεις της εταιρείας Frigoglass, οι οποίες βρίσκονται στην κάτω Αχαΐα και ήταν ιδανική συνθήκη καθώς συνδυάζουν χώρους με την τυπική δομή εργασιακού χώρου (γραφεία, αίθουσες, κλπ) τον οποίο έχουμε αναλύσει νωρίτερα γιατί τον θεωρούμε τόσο σημαντικό, όπως και γραμμή παραγωγής με την οποία θα μπορούσαμε να δουλέψουμε σε μελλοντικό χρόνο για ξεχωριστή μοντελοποίηση, το οποίο θα αναλυθεί στην αντίστοιχη ενότητα. Οι μετρήσεις έγιναν στον εξωτερικό χώρο της εγκατάστασης, καθώς και στο ισόγειο και πρώτο όροφο, όπου είναι τα γραφεία και στο χώρο της γραμμής παραγωγής. Ακολουθούν οι αντίστοιχες κατόψεις 32

33

Για την παραγωγή των συχνοτήτων που μετρήθηκαν, χρησιμοποιήθηκε μία γεννήτρια η οποία ήταν ρυθμισμένη στο 1 MHz σαν εύρος ζώνης, το οποίο είναι μία συνηθισμένη τιμή για αυτή την εφαρμογή, και στα 3.5 GHz, τοποθετημένη στο 1m από το έδαφος και στο κέντρο του πρώτου ορόφου. Τα access point για το ασύρματο δίκτυο των 2.4 GHz ήταν από το προεγκατεστημένο δίκτυο της εταιρίας και βρισκόταν σε 3 διαφορετικά ύψη (ανάλογα με το είδος του χώρου, γραφεία ή γραμμή παραγωγής), όλα άνω του 1m (ύψος μέσης). Στο ενδεχόμενο μόνιμης εγκατάστασης, θα γινόταν εγκατάσταση με femto cells στο ταβάνι, καθώς είναι πιο κομψές και αποτελεσματικές λύσεις, όπως έχει γίνει και για το ασύρματο δίκτυό τους ήδη. Για τη λήψη των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν δύο τρόποι, το μετρητικό όργανο Narda Selective Radiation Meter SRM 3006, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για να μετρηθούν οι τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου (V/m) και της πυκνότητας ισχύος 34

(W/ ) και το πρόγραμμα netstumbler. Το Narda έχει τη δυνατότητα κάλυψης του φάσματος των συχνοτήτων, από την UHF ζώνη μέχρι την μικροκυματική ακτινοβολία στην αρχή της SHF ζώνης (460 MHz-3GHz). Το λογισμικό PC που ακολουθεί την συγκεκριμένη συσκευή, δίνει την δυνατότητα τόσο του τηλεχειρισμού της όσο και την εξαγωγή και ανάλυση αποθηκευμένων μετρήσεων. Στην εφαρμογή μας χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση των 3.5 GHz. Ακολουθεί μία απεικόνιση του Narda. Το netstumbler, από την άλλη χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση των 2.4 GHz και είναι ένα software, το οποίο μόλις συνδεθεί στο ασύρματο δίκτυο το οποίο θέλει να μετρήσει, μπορεί να υπολογίσει την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου (V/m) και την πυκνότητας ισχύος (W/ ). Ακολουθεί μία απεικόνιση του περιβάλλοντος εργασίας αυτού. 35

Επιλογή των σημείων και υπολογισμός απαραίτητων μεταβλητών Οι μετρήσεις έγιναν στα ίδια σημεία και για τα 2.4 GHz και για τα 3.5 GHz, μόνο που σε 3 σημεία δεν ήταν δυνατή η κάλυψη των access point των 2.4 GHz. Συνεπώς, καταλήγουμε με 18 τιμές για τα 2.4 GHz και 22 για τα 3.5 GHz. Τα σημεία όλα επιλέχθηκαν ώστε να είναι πάνω από το 1.5m σε ύψος σε διάφορες αποστάσεις από την γεννήτρια και τα access points. Η πυκνότητα τους είναι μεγαλύτερη στους χώρους γραφείου καθώς οι περισσότερες συσκευές, οι οποίες θα είναι συνδεδεμένες βρίσκονται εκεί, υπάρχουν μερικά και στην περιοχή της παραγωγής γιατί οι μετρήσεις αυτών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μελλοντική μελέτη και υπάρχουν και στον προαύλιο χώρο γιατί θέλουμε να έχουμε μία συνολική κάλυψη του χώρου. Προκειμένου να υπολογίσουμε την απόσταση από τη γεννήτρια ή τα access points χρησιμοποιούμε το παρακάτω σχήμα το οποίο βασίζεται στις κατόψεις. Εμείς έχουμε το h1 που είναι η κάθετη απόσταση του σημείου από τη γεννήτρια, το h2 είναι το 1m, το x βγαίνει από τις κατόψεις και το d είναι αυτό που ψάχνουμε. Το παρακάτω σχήμα λειτουργεί ως οδηγός για αυτή τη διαδικασία. Στη συνέχεια έχουμε σαν δεδομένα από τα μετρητικά μας όργανα την πυκνότητα ισχύος σε W/ και τη μετατρέπουμε σε dbm προκειμένου να χρησιμοποιήσουμε τους τύπους από τα μοντέλα τα οποία θέλουμε να εξετάσουμε. Οι τιμές της πυκνότητας ισχύος για το κάθε σημείο καθώς και η απόσταση από τις πηγές παρατίθενται στον πίνακα της επόμενης σελίδας για μεγαλύτερη ευκρίνεια. 36

2.4 GHz 3.5 GHz T-R distance (m) Received Power (dbm) T-R distance (m) Received Power (dbm) (1) - - 54.4-86.89 (2) 37.4-79.00 37.4-85.70 (3) 35.7-77.00 35.7-86.89 (4) 15.3-74.00 15.3-69.32 (5) 3.4-71.00 3.4-56.89 (6) 10.2-62.00 10.2-76.89 (7) 25.5-60.00 25.5-79.78 (8) 34.0-70.00 34.0-84.93 (9) 51.0-80.00 51.0-85.34 (10) 44.5-77.00 44.5-85.34 (11) 36.0-80.00 36.0-85.43 (12) 14.5-70.00 14.5-73.88 (13) 17.7-75.00 17.7-75.34 (14) 19.4-88.00 19.4-84.70 (15) 24.3-92.00 24.3-84.77 (16) - - 41.1-84.62 (17) 17.2-85.00 17.2-83.58 (18) 15.6-74.00 15.6-72.79 (19) 20.6-85.00 20.6-83.58 (20) - - 41.2-83.70 (21) - - 39.3-83.04 (22) 31.6-86.00 31.6-83.30 Μετατροπή τύπων για χρήση στην περίπτωση μας Οι θεωρητικοί τύποι χρειάζονται μία προσαρμογή μέσω της αρχικοποίησης των σταθερών μεταβλητών που έχουν για να χρησιμοποιηθούν. Σε όλες τις περιπτώσεις όπου θα χρειαστεί θεωρούμε ότι η EIRP για τα 2.4GHz είναι 17 dbm, ενώ για τα 2.4 GHz είναι 4dBm. Στο μοντέλο ελεύθερου χώρου (Free Space Model) βάζουμε ως απόσταση το 1m, την αντίστοιχη συχνότητα που έχουμε (2.4* Hz ή 3.5* Hz) και έχουμε τις δύο σταθερές και αντικαθιστούμε μόνο την απόσταση ως μεταβλητή. Στα 2.4 GHz η σταθερά ισούται με -40dB ενώ στα 3.5 GHz 43.33dB. Το n ισούται με 2 καθώς θεωρούμε ότι έχουμε ιδανική διάδοση σε αυτό το μοντέλο. Στο μοντέλο μίας πλαγιάς (One Slope Model) αρχικά θα υπολογίσουμε το συντελεστή των απωλειών της διαδρομής (Path Loss) το οποίο είναι ο μέσος όρος που προκύπτει από τα αριθμητικά δεδομένα που έχουμε σε συνδυασμό με την σταθερά του μοντέλου του ελεύθερου χώρου. Στη συνέχεια αντικαθιστώντας τη σταθερά του ελεύθερου χώρου και τη σταθερά από τις απώλειες διαδρομής προκύπτει ο τύπος για το μοντέλο μίας πλαγιάς. Για τα 2.4 GHz είναι 4.26 ενώ για τα 3.5GHz είναι 3.01για όλες τις μετρήσεις. Το ITU μοντέλο για εσωτερικούς χώρους με απώλειες (ITU indoor path loss model), όπου Ν μπαίνει το 10*n με n=3 και για τις 2 περιπτώσεις. Το Lf(n), οι απώλειες από κάθε όροφο, όταν είμαστε στον ίδιο όροφο βάζουμε 0, αλλιώς 4 dbm και στις 2 περιπτώσεις. 37

Για το μοντέλο πολλών τοίχων (Multi-Wall-Floor Model) το n αρχικοποιείται ως 1.8, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του εσωτερικού χώρου για διάδοση σε ευθεία γραμμή (LOS). Και για τις απώλειες, οι οποίες έχουν αποδειχθεί και σε προηγούμενες μελέτες, γνωρίζουμε ότι υπάρχει εξάρτηση από την συχνότητα του κύματος. Ακολουθεί ο ενδεικτικός πίνακας τον οποίο χρησιμοποιούμε ως οδηγό για τον υπολογισμό των τιμών. Αριστερά είναι για τα 2.4 GHz και δεξιά για τα 3.5GHz. Αν παρατηρήσουμε και εδώ φαίνονται οι μικρές διαφορές στις απώλειες, ακόμα και σε κοντινές συχνότητες. Για το λογαριθμικό μοντέλο (Log-Distance path loss model) ως βάζουμε 1m και για τον υπολογισμό του όπως αναφέραμε θεωρούμε ότι είναι μία τυχαία γκαουσσιανή μεταβλητή με μέση τιμή 0 και απόκλιση σ. Συνεπώς το δίνεται από τον τύπο: = z*σ(db) = 1.645*σ(dB). Το σ και το Ν ορίζονται από τα πειραματικά μας δεδομένα ως εξής. Το δίνεται και ως τη διαφορά της τιμής σε dbm που έλαβε ο μετρητής στο σημείο με τη τιμή που υπολόγισε το μοντέλο ελεύθερο χώρου. Συνεπώς χρησιμοποιώντας τον τύπο που έχουμε παραπάνω υπολογίζουμε το σ πειραματικά. Για το μοντέλο μας όμως θα αντικαταστήσουμε το σ με τις τιμές 6, 7 και 10 db γιατί αποτελούν συνήθεις τιμές του σ και αντιπροσωπεύουν την έλλειψη του φαινομένου σώματος κάνοντας έτσι «ελεγχόμενες» τις απώλειες. Τέλος, για το μοντέλο της γραμμικά αποσβενούμενης διάδοσης (LAM or Devasirvatham Model), ως θα μπει η ισχύς αναφοράς (η οποία έχει υπολογιστεί για απόσταση 1m), το n όπως πριν 1.8 και θα υπολογιστεί ο συντελεστής των απωλειών διάδοσης, α. Στον παρακάτω πίνακα συνοψίζονται οι τύποι με όλες τις αντικαταστάσεις που θα χρησιμοποιηθούν για όλα τα μοντέλα 38