Πορεία προς τα Ευρυζωνικά Ασύρµατα ίκτυα (4G)

Πορεία προς τα Ευρυζωνικά Ασύρµατα ίκτυα (4G) Του Μιχάλη Παιγνιγιάννη Μέλος Ειδικής Επιστηµονικής Επιτροπής Θεµάτων Τηλεπικοινωνιακών Συστηµάτων ΤΕΕ.

Σύντοµη αναφορά στην εξέλιξη 2ης και 3ης γενιάς Κινητής Τηλεφωνίας Το GSM (2G-2η γενιά κινητής τηλεφωνίας) σχεδιάστηκε κυρίως για τη µεταφορά φωνής και στηρίζεται σε µεταγωγή κυκλώµατος (circuit switching). To GSM Phase 2+ (2.5G) εισήγαγε το GPRS (General Packet Radio Service) και τη λογική της µεταγωγής πακέτου (packet switching). Αποσκοπούσε στη µείωση του κόστους χρήσης και στην καλύτερη αξιοποίηση του φάσµατος ειδικά για εφαρµογές µη-πραγµατικού χρόνου (π.χ. πλοήγηση σε ιστοσελίδες του internet). To EDGE (Enhanced Data Rates for GSM) όρισε νέους τύπους διαµόρφωσης αυξάνοντας το ρυθµό µετάδοσης πληροφορίας (throughput in the air-interface). To UMTS (3G-3 η γενιά κινητής τηλεφωνίας), γνωστό και ως Universal Mobile Telecommunication System µε την πρώτη του έκδοση Release 1999 (R99) από τη 3GPP 1, εισήγαγε στο air-interface το WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) προς αντικατάσταση του TDMA (Time Division Multiple Acess). Στο WCDMA, οι χρήστες µοιράζονται το κοινό κανάλι κάνοντας χρήση διαφορετικών «κλειδιών-κωδικών» σε αντίθεση µε το TDMA όπου διαφορετικοί χρήστες εκπέµπουν σε διαφορετικές χρονικές στιγµές timeslots. Το UMTS παρέχει ρυθµούς µετάδοσης 384kbps. Μετά την R99, ξεκίνησε o προσδιορισµός των προδιαγραφών για τη Release 2000. Η R2000 θα περιελάµβανε το ΙΜS (IP Multimedia Subsystem) 2. Η καθυστέρηση της ολοκλήρωσης των προδιαγραφών του IMS οδήγησε τελικά στην έκδοση της Release 4. Έλειπε βέβαια το ΙMS, αλλά υπήρχε καθορισµός της τοπολογίας των Softswitches (MSC Server και Media Gateway) και της διασύνδεσής τους στο δίκτυο κορµού (core network) µε τεχνολογία IP (IP backbone). Η Release 5 εισήγαγε το IMS πολλά όµως χαρακτηριστικά του θα καλυφθούν στην επόµενη έκδοση Release 6. Εικόνα 1 Τοπολογία δικτύων UMTS από Continuous Computing Trilium Poster www.ccpu.com/poster 1 3GPP 3G Partnership Program ιεθνής Οργανισµός που δηµιουργήθηκε από τον Ευρωπαϊκό Οργανισµό Προτυποποίησης ΕΤSI και τους αντίστοιχους Ιαπωνικούς Κορεατικούς 2 ΙΜS IP Multimedia Subsystem προσφέρει τη δυνατότητα παροχής (πάνω από την ίδια πλατφόρµα µεταγωγής πακέτου) εκτός από υπηρεσίες δεδοµένων και υπηρεσιών πραγµατικού χρόνου (φωνή, video, push-to-talk, υπηρεσίες παρουσίας κλπ) µεταξύ συνδροµητών. Στηρίζεται στο πρωτόκολλο SIP (Session Initiation Protocol) του IETF (Internet Engineering Task Force). Κατ ουσία αποτελεί το συνδετήριο κρίκο για την ονοµαζόµενη σύγκλιση υπηρεσιών και δίνει τη δυνατότητα δηµιουργίας συνεδριών (session) σε δίκτυα packet switching για την µετάδοση φωνής, video κλπ. Αποτελεί βήµα προς το All-IP-networks.

To UMTS ήδη προσφέρει υπηρεσίες δεδοµένων υψηλής ποιότητας µε ρυθµούς, που φτάνουν τα 384Κbps. Σήµερα υπάρχουν πάνω από 60 δίκτυα UMTS παγκοσµίως. Πρώτη διδάξασα ήταν η Ιαπωνική NTT DoCoMo µε λειτουργικό εµπορικό δίκτυο έτοιµο από το 2001. Εκτιµάται ότι µέχρι τo 2010 το 28% (βλ. 3β) των χρηστών κινητής τηλεφωνίας θα είναι συνδροµητές σε 3G δίκτυα. Οι υψηλότεροι ρυθµοί µετάδοσης επιτρέπουν την παροχή νέων βελτιωµένων υπηρεσιών (χρήση email, downloading videoclips και µουσικών κοµµατιών σε χρόνο ανεκτό από το µέσο συνδροµητή). Μελλοντικές εφαρµογές θα απαιτήσουν ακόµα υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης (π.χ. παρακολούθηση κάποιου τηλεοπτικού video κατά τη διάρκεια φωνητικής κλήσης, πρόσβαση στο Internet ή εταιρικές εφαρµογές µε διακίνηση µεγάλου όγκου αρχείων). Είναι προφανές ότι το UMTS δεν µπορεί να καλύψει τις αυξηµένες ανάγκες σε εύρος ζώνης. Μετά την 3η γενιά...τί; Το HSPDA (High Speed Downlink Packet Access) αναπτύσσεται 3 ως βελτίωση του UMTS, µε σκοπό την προσφορά υψηλότερων ρυθµών µετάδοσης. Εξακολουθεί να χαρακτηρίζεται ως τεχνολογία 3G. Το HSPDA υπόσχεται ρυθµούς µετάδοσης έως και 14Mbps 4 (ανά κυψέλη) για µη συµµετρικές υπηρεσίες δεδοµένων 5. Το HSDPA τροποποιεί το air-interface του UMTS τόσο ως προς τα φυσικά του χαρακτηριστικά (Layer1 του OSI µε χρήση πιο πολύπλοκης διαµόρφωσης π.χ. 16QAM) όσο και στα χαρακτηριστικά του επιπέδου διάδοσης (Layer2 του OSI µε χρήση hybrid-arq και fast packet scheduling). Θα χρησιµοποιεί συνδυασµό WCDMA και TDMA µοιράζοντας δυναµικά το αυξηµένο εύρος του καναλιού ανάλογα µε τη ζήτηση των τερµατικών συσκευών. υστυχώς όπως φανερώνει και το όνοµά του, βελτιώνει το ρυθµό µόνο στην προς-τα-κάτω ζεύξη. Η 3GPP προετοιµάζει και τις προδιαγραφές για το HSUPA (High- Speed Uplink Packet Access) (βλ. 1α). Το HSUPA γνωστό και ως EUL (Enhanced Uplink) υπόσχεται µέγιστους ρυθµούς της τάξης των 5.76Mbps στο uplink (π.χ. για παροχή συµµετρικών υπηρεσιών όπως τηλεσυνδιάσκεψη ή email µε συνηµµένα αρχεία µεγάλου όγκου). H εισαγωγή του HSDPA στα υπάρχοντα δίκτυα UMΤS θα δηµιουργήσει µεγάλη επιβάρυνση στο δίκτυο διασύνδεσης των σταθµών βάσης (transmission network). Για την παροχή 14Mbps στο U u interface θα απαιτηθούν περί τα 20Μbps για διασύνδεση, απαίτηση η οποία είναι µη ρεαλιστική. Σχεδιαστικές παράµετροι, που θα πρέπει να ληφθούν υπόψη, είναι ότι οι συγκεκριµένοι ρυθµοί είναι οι µέγιστοι θεωρητικά και ο µέσος ρυθµός θα είναι σαφώς µικρότερος. Επιπλέον η ετεροχρονισµένη χρήση αλλά και η δυνατότητα «συγκέντρωσης» της κίνησης περισσότερων του ενός σταθµών βάσης και αξιοποίησης ελεύθερων χρονοσχισµών των χρησιµοποιούµενων E1s (συµπίεση) θα χαµηλώσουν τις υπέρογκες απαιτήσεις στο transmission. Οι κατασκευαστές έχουν ήδη ξεκινήσει να υλοποιούν εξοπλισµό σύµφωνα µε τις προδιαγραφές και τα πρώτα HSDPA συστήµατα ήδη λειτουργούν (ο µέγιστος ρυθµός περιορίζεται προς το παρόν στα 1.5Mbps). Το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα είναι η οµοιότητα µε το UMTS και το γεγονός ότι λειτουργεί στην ίδια ζώνη συχνοτήτων. Η ανάπτυξή του δεν απαιτεί την κατασκευή επιπλέον σταθµών βάσης και η αναβάθµιση µπορεί να γίνει απλά µε την εγκατάσταση κατάλληλων ΤRX καρτών στους κόµβους του ραδιοδικτύου και software upgrade στα κέντρα µεταγωγής. Θα χρειαστεί βέβαια αναβάθµιση του δικτύου διασύνδεσης των σταθµών βάσης µε τα κέντρα µεταγωγής (transmission backbone) ώστε να είναι δυνατοί οι υψηλότεροι ρυθµοί. Σύµφωνα µε στοιχεία της Analysys (Οκτώβρης 2005 βλ. 1β) το κόστος ανά Megabyte δεδοµένων στο HSDPA θα είναι µόνο USD $0.01 σε σύγκριση µε τα USD $0.09 για το GSM/GPRS. Αναµένεται ότι η µέση αύξηση του ARPU θα είναι 3Euros ανά µήνα ανά χρήστη. Στις Η.Π.Α., η Cingular έχει ανοίξει το HSDPA network από το εκέµβρη 2005 ως συνοδευτικό σε EDGE-based services. Στην Ευρώπη αρκετοί πάροχοι έχουν ανακοινώσει εµπορική λειτουργία στις αρχές του 2006 ώστε να συµπέσουν µε την CeBIT στο Αννόβερο το Μάρτη 2006. (2/2006) Ήδη η Αυστριακή Mobilkom (Ref.2 p.9)προσφέρει εµπορικά υπηρεσίες HSDPA στο κέντρο της Βιέννης µέσω της Vodafone Mobile Connect Card. Η O2 έχει ήδη ξεκινήσει στο 3 και τα δύο αναπτύσσονται από τη 3GPP 4 Πρακτικά αναµένονται ρυθµοί της τάξης του 20-80%, δηλαδή 3-11Mbps. 5 Μη συµµετρικές υπηρεσίες: Ζεύξη µεταξύ σταθµού βάσης κινητού τερµατικού (downlink) υπερισχύει σε όγκο της προς τα-άνω (uplink) ζεύξης.

Isle-of-Man test-bed δίκτυο από το Νοέµβρη 2005. Η T-Mobile iστην Ολλανδία σχεδιάζει ταυτόχρονη εκκίνηση UMTS δικτύου της µε HSDPA. Τον Ιανουάριο του 2006 υπήρχαν παγκοσµίως περίπου 270 µοντέλα τερµατικών WCDMA UMTSσε αντίθεση µε τα 100 του περσινού Ιανουαρίου από τα οποία µόλις 14 παρέχουν και HSDPA. Εµπορικές Τεχνολογικές συµµαχίες εν όψει του 4G Η εµπορική έναρξη 4G υπηρεσιών εκτιµάται γύρω στο 2010-2015. Ακόµα δεν έχουν καθοριστεί πλήρως οι τεχνικές προδιαγραφές. Σύµφωνα µε συζητήσεις στην ITU, τα δίκτυα 4G θα πρέπει να στηρίζονται σε τεχνολογία IP, µε τυπικούς ρυθµούς 100Mbps για κινούµενους χρήστες και 1Gbps για ακίνητους. Θα υποστηρίζεται µετάδοση τηλεοπτικού σήµατος υψηλής ευκρίνειας στην τερµατική συσκευή. Super 3G Group (βλ. 6) H NTT DoCoMo και η Vodafone, πάροχοι µε διεθνή εµβέλεια που έχουν στηρίξει την ανάπτυξή τους στο GSM, έχουν σχηµατίσει το Super 3G group µε σκοπό την καθιέρωση της τεχνολογίας W-CDMA και στην 4 η γενιά 4G. Στο πλευρό της NTT DoCoMo έχουν συνασπιστεί Ιαπωνικές, Κορεατικές και Κινεζικές εταιρείες µε σκοπό τη δηµιουργία µιας παν-ασιατικής ένωσης Άµεσος ανταγωνιστής της ΝΤΤ DoCoMo είναι η Κορεατική Samsung που κατά κύριο λόγο προωθεί τις τεχνολογίες που στηρίζονται σε OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) τύπου WiMAX. Η DoCoMo, όπως και οι σύµµαχοί της (µε τους περισσότερους να µην έχουν ακόµα αποπληρώσει τις επενδύσεις τους στα συστήµατα 3G) βλέπουν ανταγωνιστικά την έλευση του WiMAX. Οι 27 αρχικοί υποστηρικτές του Super 3G, είναι κυρίως πάροχοι WCDMA µεταξύ των οποίων DoCoMo, Vodafone, Cingular Wireless HΠΑ και China Mobile. Σε αυτούς συµµετέχει και η Qualcomm, παρότι δηµιουργός του ανταγωνιστικού 3G standard CDMA2000, µε τη λογική του κοινού µετώπου απέναντι στο WiMAX. WIMAX 802.16e Το Wimax είναι υποσύνολο της οικογένειας προτύπων της ΙΕΕΕ 802.16x. Τα πρώτα συστήµατα, που διατίθενται στην αγορά σήµερα (Ιανουάριος 2006) αφορούν το 802.16-2004 (ή 802.16d). Ήδη η ΕΕΤΤ έχει εκδώσει σχετικές άδειες για ανάπτυξη πειραµατικών συστηµάτων. Το WIMΑΧ αφήνει µεγάλη ελευθερία επιλογών στο φυσικό επίπεδο. Επιτρέπει τόσο FDD όσο και TDD και εύρη καναλιού από 1.75 έως και 28ΜHz (βλ. Σχετικά άρθρα) Το 16e αποτελεί επέκταση του 16d και υποστηρίζει κινητικότητα τερµατικών (ταχύτητες οχήµατος έως και 120km/h). Το 802.16e επικυρώθηκε στα τέλη 2005 και το WIMAX Forum θα οριστικοποιήσει τους αποδεκτούς συνδυασµούς τεχνολογιών για το ασύρµατο Interface των κινούµενων τερµατικών εντός του Φεβρουαρίου 2006 (meeting που θα διεξαχθεί στο Παρίσι). Το 16e εισάγει σηµαντικότατες τροποποιήσεις µε συνέπεια να µην είναι συµβατό µε την έκδοση 16d. Οι διαφορές 16d (16e) εστιάζονται σε: OFDM (OFDMA), (MAC κατάλληλο για κινητούς χρήστες), (βελτιωµένο Link budget), 16d έχει διπλάσια ακτίνα (το 16e:1.6 3.2km), λειτουργία µέχρι και 11GHz (ενώ το 16e: <6GHz). Εκτιµάται ότι θα επιτυγχάνονται τυπικοί ρυθµοί 20Μbps για σταθερά τερµατικά και φάσµα 20ΜΗz ενώ για κινητούς χρήστες φάσµα 2-3Μbps για κανάλια των 10ΜΗz (στα 2-6GHz µε ιδιαίτερη προτίµηση στα 3.3-3.6GHz). Το WiMAX υπόσχεται την ανάπτυξη ενός παγκόσµιου προτύπου κινητής/σταθερής 4G υπηρεσίας. Ήδη 6 εταιρείες όπως η Motorola και η Siemens επιδεικνύουν OFDM συστήµατα που πλησιάζουν το 1Gbps, και η Wi-Lan δοκιµάζει ευρυζωνικές υπηρεσίες σε κινούµενους χρήστες µε ταχύτητες 100kmph. Ενδεχοµένως αυτοί οι ρυθµοί να µην είναι εφικτοί σε πραγµατικά συστήµατα, παρόλα αυτά δείχνουν τη δυναµική του κλάδου. Σύµφωνα µε τους υποστηρικτές του WIMAX, νέοι πάροχοι θα εισέλθουν στην αγορά ενώ η έµφαση θα δίνεται πλέον στην τερµατική συσκευή (όπως στο πρότυπο του Wi-Fi) και όχι στο δίκτυο, µετατρέποντας τους κλασσικούς παρόχους σε απλούς bit-carriers. Η Κορεατική Samsung έχει ήδη αναπτύξει µια εκδοχή του WiMAX µε την ονοµασία Wi-Bro (στηρίζεται και αυτό σε OFDM για την παροχή ευρυζωνικών κινητών επικοινωνιών) και επιθυµούσε να αποτελέσει το πρότυπο για το 802.16e. Τελικά κατέληξε σε συµφωνία µε την Intel για την ανάπτυξη ενιαίου προτύπου και έγινε επίσηµα µέλος του WiMAX Forum στις αρχές Ιανουαρίου 2005. Με την κίνησή της αυτή, προσπαθεί να κατοχυρωθεί ως η Nokia ή η DoCoMo του κινητού WiMAX. 6 Γενάρης 2005

Ασιατικής προέλευσης το 4G Η διαµάχη µεταξύ των DoCoMo και Samsung δεν έχει απλά ως διακύβευµα την επικράτηση στην αγορά κινητών υπηρεσιών στην Ασία, αλλά και την µετατόπιση του κέντρου της βιοµηχανίας από την Αµερική και την Ευρώπη στην Ασία. Με αυτόν τον τρόπο, θα αυξήσουν την επιρροή και τα έσοδά τους και θα περιορίσουν τις οικονοµικές επιβαρύνσεις για πνευµατικά δικαιώµατα όπως του 3G (κυρίως προς στην Qualcomm). Οι περισσότεροι κατασκευαστές παρακολουθούν στενά και τα δύο στρατόπεδα. Φίλια προσκείµενη στη DoCoMo είναι η NEC, χωρίς βέβαια να αποκλείουµε τις Alcatel, Siemens, Lucent και Motorola, που έχουν έντονο ενδιαφέρον και για το WiMAX αλλά και για οποιαδήποτε τεχνολογία τελικά επικρατήσει. Ήδη η Qualcomm δείχνει την τεχνολογική προτίµησή της, έχοντας αναπτύξει την πλατφόρµα µετάδοσης τηλεοπτικού σήµατος σε κινητές συσκευές FLO (Forward Link Only) µε βάση το OFDM. Τα µέλη του Super 3G υποστηρίζουν ότι οι προδιαγραφές, που θα στηρίζονται στο WCDMA θα είναι έτοιµες προς τα µέσα του 2007 µε συστήµατα λειτουργικά έως το 2009. Από τεχνολογική άποψη, οι τρεις λύσεις: WiMAX, 4G WCDMA της DoCoMo καθώς και η εξέλιξη του CDMA2000 από την Qualcomm µοιάζουν αρκετά. Εκτιµάται ότι τα πρώτα OFDM συστήµατα θα εµφανιστούν το 2007 και τα πρώτα πλήρη 4G συστήµατα θα είναι πραγµατικότητα πριν το τέλος της δεκαετίας. Αντιθέτως, οι πάροχοι µε WCDMA θα πρέπει να περιµένουν αρκετά περισσότερο, ακόµα και στην περίπτωση που τελικά η 4 η γενιά στηριχτεί στο W-CDMA. Πρώτα βέβαια θα πρέπει να αντιµετωπίσουν τον έντονο ανταγωνισµό από το WIMAX, γεγονός που θα κατακερµατίσει τα κεφάλαια των κατασκευαστών για R&D. Μπροστά στο ενδεχόµενο ότι το WCDMA είναι ίσως χαµηλότερων δυνατοτήτων, οι όποιες επενδύσεις θα πρέπει να γίνουν µε ιδιαίτερη προσοχή. Σε πειραµατικές δοκιµές πριν τα Χριστούγεννα του 2004, τόσο η DoCoMo (χρήση VSF Variable Spreading Factor, Spread OFDM και κεραιο-σύστηµα MIMO σε εσωτερικό χώρο) όσο και η Siemens µε WiMAX-like OFDM επέδειξαν ρυθµούς της τάξης του 1Gbps. Το φθινόπωρο του 2004 η DoCoMo είχε επιτύχει µέγιστους ρυθµούς downlink 300Mbps (µέσο ρυθµό 135Mbps) για κινούµενο όχηµα µε ταχύτητα 30 km/h σε απόσταση 800m από το σταθµό βάσης. Το µέλλον θα δείξει ποια τεχνολογία θα επικρατήσει. Βιβλιογραφία 1) Telecommunications International October 2005, A UMTS booster, by Christina Gessner, Rohde & Swartz, pp31-32. HSDPA: high-speed data or potential attrition?, by Ouida Taaffee, Features Editor. 3G or not 3G?, by Ken Wieland, Editor pp16-18. 2) Wireless Europe Issue 43, February/ March 2006 ΜΙΜΟ will boost HSDPA, by Bernd Haberland and Volker Braun Backhaul must make room for HSDPA, by Aldo Bolle and Hans Herbertsson Mobile WIMAX waits in the wings, by Rupert Baines 3) FITCE Proceedings, Austria September 2005 α. Τhe TELCO Operators Technological Challenges for wireless Broadband Data Access by Alberto Mittoni and Ovidio Michelangeli, p.153 β. Mobile Terminal Evolution and New Exciting Applications in Mobile Devices in UMTS 3G Networks by Ionut Bibac, p.114 4) ιπλωµατική εργασία UMTS: System Performance & Evaluation University of Surrey, UK Παιγνιγιάννης Μιχάλης, 2001 5) Wireless Europe Issue 39, June/ July 2005 HSDPA introduces new level of complexity to 3G, by Marta Iglesias 6) Wireless Watch January 2005 Super 3G group flexes its muscles, by Caroline Gabriel, Research Director, Rethink Research Associates A leading Wireless Industry research and consultancy firm www.rethinkresearch.biz