Μάθημα Εναλλακτικά Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα

Μάθημα Εναλλακτικά Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα WLAN - WMAN 3GPP-LTE & LTE-A ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τομέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών

Κατηγορίες Ασυρμάτων Δικτύων Wireless PAN - Personal Area Networks Wireless LAN - Local Area Network Wireless MAN - Metropolitan Area Networks Wireless WAN- Wide Area Networks 2

WPAN: Ασύρματα Προσωπικά Δίκτυα Στόχος: ασύρματη δικτύωση ηλεκτρονικών συσκευών σε απόσταση <10m Πρότυπα IEEE 802.15 Χαρακτηριστικά παραδείγματα Bluetooth (2.4 GHz, ρυθμός μετάδοσης 0.7-2Mbps, IEEE 802.15.1) Τεχνολογία Υπερύθρων (Infra-Red, IR) ZigBee (2.4 GHz, ρυθμός μετάδοσης 20-250kbps, IEEE 802.15.4) Ανύπαρκτη συνδεσιμότητα με τον έξω κόσμο Ενεργειακά αποδοτικές τεχνολογίες Οικονομικές λύσεις 3

WLAN: Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα Βασικό κίνητρο: Αντικατάσταση ενσύρματων επικοινωνιών κοντινής εμβέλειας (<100m) Στόχοι: Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας ιαλειτουργικότητα μεταξύ συσκευών & ενσύρματων τοπικών δικτύων Μη απαίτηση ειδικής άδειας για την εκπομπή Ευκολία χρήσης Ασφάλεια & ιδιωτικότητα δεδομένων Εφαρμογές Ασύρματα δίκτυα σε γραφεία/σπίτια Hotspots Πλεονεκτήματα Υποστήριξη κινητικότητας χρηστών & κλιμάκωσης δικτύου Οικονομικά αποδοτική εγκατάσταση δικτύου Μειωμένο κόστος εξοπλισμού 5

Τρόποι Λειτουργίας Αδόμητη (Ad hoc) λειτουργία: άμεση επικοινωνία τερματικών χωρίς την χρήση access point (AP) με μειονέκτηματημηπρόσβασησεενσύρματοδίκτυο ομημένη λειτουργία (infrastructure based): σύνδεση τουλάχιστον ενός τερματικού με AP 6

Πρότυπα IEEE 802.11x (Wi-Fi) Πρότυπο Έτος Μέγιστος Ρυθμός Μετάδοσης Συχνότητα Λειτουργίας Εύρος ζώνης Τεχνικές κεραιών IEEE 802.11 1997 1-2Mbps 2.4GHz 20MHz 1x1 SISO IEEE 802.11a 1999 54Mbps 5 GHz 20MHz 1x1 SISO IEEE 802.11b 1999 11 Mbps 2.4GHz 20MHz 1x1 SISO IEEE 802.11g 2003 54 Mbps 2.4 GHz 20MHz 1x1 SISO IEEE 802.11n 2009 600Mbps 2.4-5 GHz 20/40 MHz 4x4 MIMO IEEE 802.11ac 2012 6.93 Gbps 5GHz 40/80/160 MHz 8x8 MIMO IEEE 802.11ad 2013 6.76Gbps 60GHz 2.16GHz Beamforming 7 IEEE 802.11g: ίδιο PHY με ΙΕΕΕ 802.11a αλλά στα 2.4GHz IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac : αύξηση ρυθμού μετάδοσης λόγω: Χρήσης τεχνικών πολλαπλών κεραιών Αύξησης εύρους ζώνης καναλιού

Εξέλιξη προτύπων IEEE 802.11x (Wi-Fi) White-Fi, Super Wi-Fi Τεχνολογία γνωστικών δικτύων 8

Στοίβα πρωτοκόλλων του ΙΕΕΕ 802.11 Έλεγχος πολλαπλής πρόσβασης Ανίχνευση Λαθών Αναμετάδοση πακέτων CSMA/CA MAC (Data Link Layer) Μετάδοση σήματος ιαμόρφωση σήματος Επεξεργασία σήματος 9

Φυσικό στρώμα IEEE 802.11 Infra-Red (IR) Χρήση στην πρώτη έκδοση IEEE 802.11 Χαμηλοί ρυθμοί μετάδοσης Μεγάλη εξασθένιση από φυσικά εμπόδια Τεχνικές ιασποράς Φάσματος (Spread Spectrum) Τεχνική διαμόρφωσης μιας ευρυζωνικής, ψευδοτυχαίας ακολουθίας από το σήμα πληροφορίας παράγοντας σήμα με μεγαλύτερο εύρος ζώνης, αλλά με την ίδια ισχύ. Απευθείας Ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum/DSSS) Πολλαπλασιασμός σήματος με μια παλμοσειρά PN (Pseudo random Noise code) k ψηφίων (chips) ανά bit. Χρήση από ΙΕΕΕ 802.11, ΙΕΕΕ 802.11b Μεταπήδησης Συχνότητας (Frequency Hopping Spread Spectrum/FHSS) Μετάδοση σήματος πάνω από μια ψευδοτυχαία ακολουθία ραδιοσυχνοτήτων, που καθορίζεται από κώδικα διεύρυνσης & είναι γνωστή μόνο στο δέκτη 10 Χρήση από ΙΕΕΕ 802.11

MAC στρώμα IEEE 802.11 (I) Έλεγχος προσπέλασης στο μέσο Μέθοδος Τυχαίας Πρόσβασης Πρωτόκολλο Πολλαπλής Προσπέλασης Ανίχνευσης Φέροντος (CSMA - Carrier Sense Multiple Access) Οι κόμβοι μπορούν να «ακούσουν» αν το μέσο είναι κατειλημμένο Σε περίπτωση που ένας κόμβος θέλει να στείλει δεδομένα: 1. «Ακούει» το μέσο 2. Αν το μέσο είναι κατειλημμένο, περιμένει. ιαφορετικά, στέλνει τα δεδομένα του. Πρόβλημα: εν αποφεύγονται οι συγκρούσεις λόγω ταυτόχρονης μετάδοσης/ αργοπορημένης ανίχνευσης μετάδοσης εν αποφεύγονται οι συγκρούσεις σε περίπτωση που κόμβος δεν μπορεί να ακούσει το μέσο επειδή το τερματικό του είναι κρυμμένο 11 Λύση: πρωτόκολλο CSMA/CA (collision avoidance)

MAC στρώμα IEEE 802.11 (II) Αποφυγή σύγκρουσης πρωτόκολλου CSMA/CA: 1. Λόγω αναβολής μετάδοσης για ένα τυχαίο αριθμό χρονοσχισμών (backoff interval) [802.11b: timeslot=20ms] 2. Χρήση μηνυμάτων σηματοδοσίας (αποστολή ACK-acknowledgement από το δέκτη στο τερματικό-πομπό για επιβεβαίωση της λήψης του μηνύματος) 12

MAC στρώμα IEEE 802.11 (IIΙ) Επιπλέον μηχανισμοί αποφυγή σύγκρουσης στο 802.11b: Request To-Send/Clear To-Send (RTS/CTS) μηνύματα ένα τερματικό που θέλει να μεταδώσει πριν στείλει τα πακέτα δεδομένων, ζητά πρώτα την άδεια από τον παραλήπτη & ο παραλήπτης δίνει το δικαίωμα στον αποστολέα να στείλει πακέτα δεδομένων, όταν είναι σε θέση να δεχτεί Τα πακέτα σηματοδοσίας (RTS και CTS) περιέχουν ιεύθυνση αποστολέα ιεύθυνση παραλήπτη Μήκος πακέτου 13

WMAN: Ασύρματα Μητροπολιτικά Δίκτυα Στόχοι WMAN: Χρήση για ασύρματη ζεύξη τοπικού βρόχου ( last-mile connection, wireless local loop ) Παροχή συνδέσεων υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε δυσπρόσιτες περιοχές Εναλλακτική της ενσύρματης backhaul ζεύξης εταιρειών Σύνδεση τοπικού βρόχου: η ζεύξη ανάμεσα στον τελικό χρήστη και τον πάροχο Ασύρματες τεχνολογίες τοπικού βρόχου: Ζεύξεις ελευθέρου χώρου (Free Space Optics-FSO) LMDS (local multipoint distribution service) MMDS (multi-channel multipoint distribution service) WiMAX Πλεονεκτήματα: Μικρότερο κόστος σε σχέση με ενσύρματες τεχνολογίες Γρήγορη εγκατάσταση Μεγαλύτερη ευελιξία Μακροπρόθεσμη αξιοπιστία Fixed Wireless: Χρήση ασύρματων τεχνολογιών για ζεύξεις τοπικού βρόχου (fixed: επειδή οι κόμβοι του δικτύου είναι στατικοί) Παροχή υπηρεσιών φωνής, δεδομένων, βίντεο σε επιχειρήσεις & οικιακούς συνδρομητές 15

Free Space Optics (FSO) (I) FSO: Οπτική, ασύρματη, ευρυζωνική τεχνολογία σημείου-προς σημείο (pointto-point) Ρυθμός μετάδοσης μέχρι 1.25 Gbps σε απόσταση 6.4km σε full-duplex τρόπο λειτουργίας Χρήση υπέρυθρης μετάδοσης (f>300ghz) αντί για ραδιομετάδοση Εναλλακτική των συστημάτων οπτικών ινών Χρήση μη ορατής υπέρυθρης ακτινοβολίας χαμηλής ισχύος για τη μεταφορά δεδομένων Απαίτηση οπτικής επαφής (Line-of-Sight, LoS) Ελεύθερη χρήση φάσματος (σε συχνότητες>300ghz) Πομποδέκτης FSO 16

Free Space Optics (FSO) (II) Πλεονεκτήματα τεχνολογιών FSO: Χαμηλό κόστος Γρήγορη εγκατάσταση Υψηλός ρυθμός μετάδοσης (10 Mbps to 1.25 Gbps) Μεγαλύτερη ασφάλεια δεδομένων Μειονεκτήματα Υψηλή επίδραση ατμοσφαιρικών συνθηκών (βροχή, χιόνι, ομίχλη κ.τ.λ.) Πιθανή μετακίνηση κτιρίων από σεισμούς με αποτέλεσμα την μετακίνηση της δέσμης Εφαρμογές Σύνδεση last mile ιασύνδεση LAN δικτύων Backup σε δίκτυα οπτικών ινών Backhaul ζεύξεις (από πύργους κεραιών στις ενσύρματες εγκαταστάσεις) 17

LMDS (Local Multipoint Distribution Service) Ευρυζωνική, μικροκυματική τεχνολογία σταθερής ασύρματης πρόσβασης: αποδοτική λύση για ασύρματη πρόσβαση τοπικού βρόχου Παρεχόμενες υπηρεσίες: Υψηλής ταχύτητας πρόσβαση στο διαδίκτυο Μεταφορά πολυμεσικών δεδομένων πραγματικού χρόνου Απομακρυσμένη πρόσβαση σε τοπικά δίκτυα ιαδραστικές εφαρμογές βίντεο & τηλεφωνίας LMDS: Local (L): ακτίνα κάλυψης=3.2-8 km Multipoint (M): point-to-multipoint (στην κάτω ζεύξη) point-to-point (στην άνω ζεύξη) Distribution (D): διανομή σημάτων που μεταφέρουν κίνηση φωνής & δεδομένων Service (S): φύση της σχέσης μεταξύ παρόχου-πελάτη (προσφερόμενες υπηρεσίες καθορίζονται από τον πάροχο) Χαρακτηριστικά ιάδοσης Συχνότητα λειτουργίας: στην περιοχή των 28GHz (αδειοδοτημένη περιοχή συχνοτήτων) Ακτίνα κάλυψης: 3.2-8 km Λειτουργία σε συνθήκες LoS 18

Αρχιτεκτονική LMDS δικτύου (Ι) Point-to-multipoint transmission 19 Point-to-point transmission

Αρχιτεκτονική LMDS δικτύου (ΙΙ) Μετάδοση μόνο σε σταθερά σημεία (κτίρια, κτλ) Αποτελείται από κυψέλες Βασικοί παράγοντες για καθορισμό μεγέθους κυψέλης: Line-of-Sight Ύψος κεραίας Επικάλυψη κυψέλης Βροχόπτωση υνατότητα επικάλυψης κυψελών για καλύτερη κάλυψη 20

Αρχιτεκτονική LMDS δικτύου (ΙΙΙ) 21 1. Κέντρο Λειτουργιών ικτύου (Network Operations Center,NOC): εξοπλισμό του συστήματος διαχείρισης δικτύου (Network Management System, NMS) 2. Ενσύρματη Υποδομή του ικτύου: οπτικές ζεύξεις, διασυνδέσεις με το Internet δημόσιο μεταγωγικό τηλεφωνικό δίκτυο (Public Switched Telephone Network, PSTN) 3. Σταθμός Βάσης Εξωτερική Μονάδα: κεραιοσύστημα & πομποδέκτες Εσωτερική Μονάδα: μονάδες διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης & διεπαφές προς δίκτυο κορμού 4. Τερματικός Εξόπλισμός Εξωτερική Μονάδα: κατευθυντικό κεραιοσύστημα & πομποδέκτης Εσωτερική Μονάδα: μονάδες διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης & διεπαφές

Χαρακτηριστικά LMDS δικτύων Ρυθμός μετάδοσης: DL: 51-155 Mbps UL: 1.54 Mbps Τεχνικές πρόσβασης (στο UL): TDMA (Time Division Multiple Access) FDMA (Frequency Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access) Τεχνικές διαμόρφωσης: PSK (Phase Shift Keying) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Πλεονεκτήματα LMDS Χαμηλό κόστος Εύκολη & Γρήγορη ανάπτυξη δικτύου Υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης Μεγάλη ακτίνα εξυπηρέτησης Επεκτάσιμη αρχιτεκτονική δικτύου Μειονεκτήματα LMDS Υψηλό κόστος απόκτησης αδειοδοτημένης συχνότητας λειτουργίας 22

Διαμορφώσεις στο LMDS 23

Υπολογισμός χωρητικότητας LMDS (I) Μετρικές χωρητικότητας: Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων Μέγιστος αριθμός χρηστών Χωρητικότητα LMDS κυψέλης: Αριθμό τομέων (sectors) Σχήμα διαμόρφωσης Επικαλυπτόμενες περιοχές του τομέα ιαθέσιμα κανάλια στον τομέα Εύρος καναλιού Μέγιστος αριθμός συνδεδεμένων χρηστών Χωρητικότητα LMDS κυψέλης Απαιτούμενο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων κάθε χρήστη 24

Υπολογισμός χωρητικότητας LMDS (II) FDMA σχήμα Ρυθμός μετάδοσης συστήματος = #κυψελών x ρυθμός μετάδοσης κυψέλης Ρυθμός μετάδοσης κυψέλης= #τομέων στην κυψέλη x ρυθμός μετάδοσης τομέα R N se cell R N R system cell cell sector sector mod 2 fr N sector #τομέων/κυψέλη, se mod φασματική απόδοση B sector εύρος ζώνης τομέα, f r παράγοντας επαναχρησιμοποίησης συχνότητας B Μέγιστος αριθμός χρηστών κυψέλης = # τομέων κυψέλης x χρήστες/τομέα N users B sector Nsector 2 fr B user 25 B user εύρος ζώνης χρήστη

Υπολογισμός χωρητικότητας LMDS (II) TDMA σχήμα Ρυθμός μετάδοσης συστήματος = #κυψελών x ρυθμός μετάδοσης κυψέλης Ρυθμός μετάδοσης κυψέλης= #τομέων στην κυψέλη x # χρηστών/τομέα x ρυθμό χρήστη (64kbps) R N N R cell R N R system cell cell sector user_sec user Μέγιστος αριθμός χρηστών ανά τομέα N user_sec B sector Nch_users 2 fr Bchannel 26 B channel N ch_users εύρος ζώνης καναλιού, # χρηστών 64kbps/κανάλι (σε κανάλι 1MHz 16 χρήστες) Μέγιστος αριθμός χρηστών κυψέλης N N N users sector user_sec

Παράδειγμα σύγκρισης TDMA-FDMA Eύρος συστήματος= 1000MHz, 6 sectors, συμμετρικά UL/DL ιαμόρφωση 16QAM Παράγοντας επαναχρησιμοποίησης=2 Εύρος ζώνης καναλιού= 5MHz FDMA σχήμα: Rcell? Nusers? Modulation QPSK 4QAM 16QAM 64QAM Theoretical maximum spectral efficiency (bps/hz) Maximum spectral efficiency of LMDS system (bps/hz) 2 4 6 8 1.5 1.5 3.5 5 TDMA σχήμα: Rcell? 27 Nusers?

Παράδειγμα σύγκρισης TDMA-FDMA B=1000MHz, 6 sectors, συμμετρικά UL/DL ιαμόρφωση 16QAM: φασματική απόδοση 3.5b /s/hz f r =2, B user = 5MHz FDMA σχήμα: Rcell 5250 Mbps Nusers 300 Λίγοι χρήστες με μεγάλο ρυθμό δεδομένων TDMA σχήμα: Nuser_sec 4000 Rcell 1536 Mbps Πολλοί χρήστες με μικρό ρυθμό δεδομένων 28 Nusers 24000

Σχεδιασμός δικτύων LMDS Ποιότητα Υπηρεσίας (Quality of service, QoS) επηρεάζεται από τη διαδρομής μετάδοσης &την επικάλυψη κυψελών Ανάλυση Ζεύξης (Link budget) για καθορισμό της μέγιστης απόστασης χρήστη από το σταθμό της κυψέλης με αποδεκτό QoS Επιλογή μεγέθους κυψέλης βάσει επιθυμητού βαθμού αξιοπιστίας Επικάλυψη κυψελών Αριθμός κυψελών (βάσει του επιλεγμένου μεγέθους κυψέλης) ιείσδυση συνδρομητών (Subscriber penetration) το ποσοστό των συνδρομητών που έχουν ικανοποιητικό επίπεδο σήματος για υψηλή ποιότητα υπηρεσίας Κόστος κεφαλαίου ανά κυψέλη Βελτιστοποίηση επαναχρησιμοποίησης συχνότητας Χρήση κατευθυντικών κεραιών & τοποθέτηση τους σε υψηλά σημεία ελαχιστοποίηση πολυδιαδρομικού φαινομένου ιαφορετική πολικότητα (οριζόντια/κάθετη) για μείωση παρεμβολής σε γειτονικούς τομείς 29

MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service) Ευρυζωνική τεχνολογία σταθερής ασύρματης πρόσβασης Βασική διαφορά με LMDS: ικανότητες μετάδοσης MMDS: DL 128 kbps-10mbps, UL 320kbps σε ακτίνα 56 km LMDS: DL 155 Mbps, UL 1.54 Mbps σε ακτίνα 8 km Συχνότητα Λειτουργίας: 2.5-2.7 GHz, 3.5GHz Τεχνολογία non-los Multipoint συστήματα (PtMP κάτω ζεύξη/ PtPάνω ζεύξη) Εφαρμογές: Σε οικιακούς χρήστες: εναλλακτική για υπηρεσίες DSL Σε επιχειρήσεις: εναλλακτική για Τ1 ζεύξεις & ζεύξεις οπτικών ινών 30

Αρχιτεκτονική MMDS δικτύου Κυψελωτή αρχιτεκτονική Pizza box antenna 31

Χαρακτηριστικά MMDS Πλεονεκτήματα MMDS: Μεγάλο μέγεθος κυψέλης Χαμηλό κόστος Λιγότερο ευαίσθητα σε καιρικές συνθήκες λόγω της χαμηλότερης συχνότητας λειτουργίας Καλύτερη διείσδυση σε κτίρια Πιο οικονομικός εξοπλισμός μετάδοσης Μειονεκτήματα MMDS: Φυσικοί περιορισμοί (λόγω του απαιτούμενου LoS απαίτηση περισσότερων πομποδεκτών για υπερπήδηση φυσικών εμποδίων) Ασφάλεια δεδομένων (δεν γίνεται κρυπτογράφηση των ασύρματων MMDS μεταδόσεων) Μειωμένος ρυθμός μετάδοσης 32

Σύγκριση LMDS/MMDS Μετρική LMDS MMDS Συχνότητα Λειτουργίας 28 GHz 2.5-2.7 GHz Μέγιστη Εμβέλεια 8 km 56 km Ρυθμός Μετάδοσης 45 Mbps 0.5-3Mbps Τεχνικές Μετάδοσης Πιθανός τομέας αγοράς TDMA, FDMA, CDMA Μεσαίες & μεγάλες επιχειρήσεις TDMA, FDMA, CDMA,OFDM Μικρές επιχειρήσεις & οικιακοί χρήστες Κόστος ικτύου Υψηλό Μέσο/Χαμηλό 33

WiMAX συστήματα (IEEE 802.16) WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Βασικός Στόχος: προτυποποίηση ασύρματων, ευρυζωνικών δικτύων ως εναλλακτικών των ενσύρματων τεχνολογιών ευρυζωνικής πρόσβασης (ADSL, οπτικές ίνες) Λεπτομερείς στόχοι: Υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης (ακόμα και για δυσμενείς συνθήκες διάδοσης) Μεγάλη φασματική απόδοση υποστήριξη μεγάλου αριθμού τερματικών Υποστήριξη IP πρωτοκόλλου Υποστήριξη διαφορετικών απαιτήσεων ποιότητας υπηρεσίας Αποδοτική διαχείριση ισχύος ιασφάλιση ιδιωτικότητας επικοινωνιών ΙΕΕΕ 802.16 Ανοιχτό πρότυπο για τεχνολογία ΜΑΝ που υποστηρίζει LoS μετάδοση (10-66 GHz) NLoS μετάδοση (2-11 GHz) WiMAX Forum NWG (Network Working Group): ανάπτυξη προδιαγραφών για ολοκληρωμένο δίκτυο υπηρεσιών βάσει IEEE 802.16 34

Σύγκριση WiMAX-WiFi Wi-Fi WiMAX Πρότυπο IEEE 802.11 IEEE 802.16 Εμβέλεια (ιδανικά) 100m 80km Ρυθμός μετάδοσης μέχρι 54 Μbps μέχρι 70Mbps Αριθμός Χρηστών εκάδες Εκατοντάδες Μέγεθος καναλιού 20MHz (σταθερό) 1.5-20 MHz Βαθμός QoS εν παρέχονται εγγυήσεις ιάφορα επίπεδα QoS 35

Τοπολογίες δικτύου WiMAX Οντότητες δικτύου WiMAX: 1. Σταθμός Βάσης (Base Station-BS) 2. Σταθμός Συνδρομητή (Subscriber Station-SS) 3. Κινητός Σταθμός (Mobile Station-MS) Τοπολογία Point-to- Multipoint (PMP) Τοπολογία Πλέγματος mesh 36

Εξέλιξη προτύπων IEEE 802.16 Πρότυπα ΙΕΕΕ Συχνότητα (GHz) Συνθήκες ιάδοσης Ρυθμός Μετάδοσης Εύρος Ζώνης Ακτίνα Κάλυψης Τοπολογία Κινητικότητα 802.16-2001 10-66 LoS 32-134 Mbps 20, 25 MHz 28MHz 2-5 km PMP Fixed 802.16a - 2003 2-11 NLoS Μέχρι 20Mbps x1.25,x1.5, x1.75 (μέχρι 20MHz) 5-50 km PMP & Mesh Fixed 802.16d - 2004 (fixed WiMAX) 2-11 NLoS Μέχρι 20Mbps x1.25, x1.5,x1.75 (μέχρι 20MHz) 5-50 km PMP & Mesh Fixed & Nomadic 802.16e 2005 (mobile WiMAX) 2-6 NLoS 5 Mbps x1.25,x1.5, x1.75 (μέχρι 20MHz) 2-5 km PMP & Mesh Fixed & Mobile 37

Χαρακτηριστικά WiMAX (Ι) Φυσικό στρώμα βασισμένο σε OFDM Πολύ υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης 74 Mbps (για εύρος 20MHz) 25 Mbps (για εύρος 10MHz) Κλιμακούμενος ρυθμός μετάδοσης ανάλογα με διαθέσιμο εύρος ζώνης Προσαρμοστικές τεχνικές διαμόρφωσης και κωδικοποίησης (Adaptive Modulation and Coding - AMC) Αναμετάδοση στο στρώμα ζεύξεως για καλύτερη αξιοπιστία Σχήμα πρόσβασης OFDMA (Mobile WiMAX) Ευέλικτη & δυναμική διαχείριση ραδιοπόρων ανά χρήστη Υποστήριξη κινητικότητας χρηστών Υποστήριξη τεχνικών πολλαπλών κεραιών Υποστήριξη QoS (σταθερός/μεταβλητός ρυθμός μετάδοσης, πραγματική/μηπραγματική κίνηση) Ισχυρές τεχνικές ασφαλείας (ισχυρή κρυπτογράφηση) υνατότητα λειτουργίας WiMAX σε οποιαδήποτε συχνότητα ανάμεσα σε 2 και 11 GHz σύμφωνα με τις εθνικές ρυθμιστικές αρχές. 38

Χαρακτηριστικά WiMAX (ΙΙ) Πλεονεκτήματα WiMAX έναντι κυψελωτών συστημάτων Αρχικός στόχος WiMAX: επικοινωνίες δεδομένων (φωνή μέσω VoIP) Χρήση πιο κατάλληλου τύπου διαμόρφωσης & πολλαπλής πρόσβασης (MIMO/OFDM/OFDMA) για επικοινωνίες υψηλού ρυθμού μετάδοσης Πιο απλό πρότυπο σε σχέση με τα πρότυπα του 3GPP εν απαιτείται ανάπτυξη δικτύου κορμού λόγω της IP αρχιτεκτονικής συστήματος Υποστήριξη προτύπου από κατασκευαστές computer chip λόγω ενσωμάτωσης του σε laptop κτλ. Εφαρμογές WiMAX Backhaul εφαρμογές επιχειρήσεων Παροχή υπηρεσιών για συνδέσεις τοπικού βρόχου Υποστήριξη ταυτόχρονης μετάδοσης φωνής, δεδομένων και βίντεο με QoS Point-to-point για παροχή ευρυζωνικής πρόσβασης σε απομακρυσμένες περιοχές 39

Πρότυπο IEEE 802.16m Αποτέλεσμα εξέλιξης του IEEE 802.16e για να ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές IMT-Advanced της ITU Χαρακτηριστικά IEEE 802.16m Εύρος Ζώνης Ακτίνα κυψέλης Κινητικότητα τερματικών Μέγιστος Ρυθμός μετάδοσης Χωρητικότητα ικτύου ΜΙΜΟ 5-20 MHz ανά δίαυλο Μέχρι 100MHz συνολικά Βέλτιστη απόδοση: Μέχρι 5 km Βασική σύνδεση: Μέχρι 100 km Βέλτιστη απόδοση: Μέχρι 10 km/h Βασική σύνδεση: Μέχρι 350 km 300 Mbps >60 ενεργοί χρήστες 2x2, 2x4, 4x2, 4x4, 8x8, 4x8 40

Τεχνολογίες Κινητών Επικοινωνιών 1G : αναλογικά ραδιο-συστήματα (~1980) 2G : πρώτα ψηφιακά κινητά συστήματα (GSM,CDMA) 2.5G: (2G+μεταγωγή πακέτου) «ανεπίσημο» standard (GPRS) 3G: τα πρώτα κινητά συστήματα για ευρυζωνικές υπηρεσίες (UMTS) 3.9G: πρώτη εμφάνιση Long-Term Evolution LTE (release 8) 4G: βελτίωση LTE (release 10, LTE-Advanced LTE-A) http://www.webdesignerdepot.com/2009/05/the-evolution-of-cell-phone-design-between-1983-2009/ 42

Εξέλιξη Κινητών Επικοινωνιών 43

Λόγοι εμφάνισης LTE Ανάγκη για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης (κυρίως αστικές περιοχές) Απαιτήσεις για χαμηλότερη καθυστέρηση Υψηλότερη φασματική απόδοση Καλύτερη κάλυψη Ανταγωνισμός λόγω WiMAX Ευκαιρία απόκτησης επιπλέον εύρους ζώνης (για χρήση για ένα νέο σύστημα) 44

Στόχοι-Απαιτήσεις LTE ITU-R: IMT Advanced Specifications Υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης: 100Mbps (DL) 50Mbps (UL) Χαμηλή καθυστέρηση (latency) : Καθυστέρηση στο δίκτυο πρόσβασης <10ms Ευελιξία φασματικής διαχείρισης- Υποστήριξη διαφορετικού εύρους διαύλου (3, 5,10, 15, 20) MHz Υποστήριξη διαφορετικών κατηγοριών κινητών τερματικών (tradeoff απόδοσης-πολυπλοκότητας) Υποστήριξη υψηλής κινητικότητας χρηστών (υψηλή απόδοση για ταχύτητες κινητών τερματικών μέχρι 120 km/h) Υποστήριξη διαφορετικών μεθόδων αμφιδρόμησης (FDD/TDD) 45

Duplexing FDD/TDD Επίτευξη αμφίδρομης επικοινωνίας μέσω ενός τηλεπικοινωνιακού διαύλου Simplex (επικοινωνία μόνο προς τη μία κατεύθυνση) Half-duplex (αμφίδρομη, όχι ταυτόχρονη επικοινωνία) Full-duplex (αμφίδρομη & ταυτόχρονη επικοινωνία) ύο δίαυλοι για επικοινωνία: από ΣΒ σε κινητό τερματικό (forward link/downlink) από κινητό τερματικό σε ΣΒ (reverse link/uplink) FDD (Frequency Division Duplex): διαφορετική συχνότητα για uplink και downlink TDD (Time Division Duplex): ίδια συχνότητα για uplink και downlink, διαφορετικές χρονοσχισμές 46

Μετάβαση σε LTE Τροποποιημένη αρχιτεκτονική δικτύου Πιο απλή αρχιτεκτονική σε σχέση με προηγούμενη γενιά Βασισμένη καθαρά σε δίκτυα μεταγωγής πακέτου Εναέρια ιεπαφή Χρήση τεχνικής διαμόρφωσης OFDM Χρήση OFDMA τεχνικής για την πρόσβαση Υποστήριξη τεχνολογίας πολλαπλών κεραιών (MIMO: Multiple-Input-Multiple-Output) 47

Συχνότητες LTE Ευρώπη: 700, 800, 900, 1800, 2600 MHz Ελλάδα: 900,1800,2600 MHz 48

Αρχιτεκτονική Δικτύου Βασικά στοιχεία δικτύου Εξοπλισμός Χρήστη: UE (User Equipment) ίκτυο ραδιο-πρόσβασης: E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) & αποτελείται από enb (evolved Node-B) ίκτυο κορμού: EPC (Evolved Packet Core) 49

Δίκτυο ραδιο-πρόσβασης (E-UTRAN) Ραδιοεπικοινωνία μεταξύ κινητών σταθμών και δικτύου κορμού Βασική συνιστώσα: enb σταθμός βάσης (ΣΒ) που ελέγχει τα κινητά τερματικά σε μια ή περισσότερες κυψέλες Κάθε κινητό τερματικό επικοινωνεί με ένα enb (serving enb) Βασικές λειτουργίες enb: Επικοινωνία & μεταφορά δεδομένων σε όλους τους συνδεδεμένους σε αυτό κινητούς σταθμούς Έλεγχος βασικών λειτουργιών τους μέσω μηνυμάτων σηματοδοσίας (handover commands) Σύνδεση με δίκτυο κορμού μέσω διεπαφής S1 Σύνδεση με γειτονικούς enb μέσω διεπαφής X2 (κυρίως μεταφορά μηνυμάτων σηματοδοσίας) Λειτουργίες διαχείρισης ραδιο-πόρων (έλεγχος αποδοχής σύνδεσης, δυναμική εκχώρηση ραδιο-πόρων κ.α.) Ειδική κατηγορία σταθμών: οικιακοί σταθμοί (Home enb-henb) για κυψέλες πολύ μικρής έκτασης (femtocells) - πρόσβαση μόνο από κλειστή ομάδα συνδρομητών (Closed Subscriber Group-CSG) 50

Δίκτυο κορμού (EPC) Εσωτερική δομή δικτύου κορμού Οικείος εξυπηρετητής συνδρομητών (Home Subscriber Server, HSS) Κεντρική πύλη δικτύου πακέτων δεδομένων (Packet Data Network Gateway, P-GW) Κεντρική πύλη εξυπηρέτησης (Serving Gateway, S-GW) Μονάδα διαχείρισης κινητικότητας (Mobile Management Entity, MME) 51

Σχήμα μετάδοσης LTE OFDM (I) Κατάλληλο για συστήματα υψηλού ρυθμού μετάδοσης Χρησιμοποιείται στα συστήματα: Digital Audio Broadcasting (DAB) Digital Video Broadcasting (DVB) Wireless Local Area Networks (LANs) 4 th generation cellular systems (3GPP-LTE & WiMAX) Μετατρέπει μια ροή δεδομένων υψηλού ρυθμού σε έναν αριθμό ροών χαμηλού ρυθμού που μεταδίδονται σε παράλληλα κανάλια στενής ζώνης Downlink: OFDMΑ Uplink: SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) 52

Σχήμα μετάδοσης LTE - OFDM (II) Πεδίο Χρόνου (time domain) ιάρκεια πλαισίου (frame)= 10ms Κάθε πλαίσιο διαιρείται σε 10 υπο-πλαίσια (sub-frame) διάρκειας 1ms Κάθε υπο-πλαίσιο διαιρείται σε 2 χρονοσχισμές (timeslots) διάρκειας 0.5ms Κάθε χρονοσχισμή αποτελείται από 6 ή 7 OFDM σύμβολα Cyclic Prefix (κυκλικό πρόθεμα): ένα είδος διαστήματος ασφαλείας για μείωση της διασυμβολικής παρεμβολής 53

Σχήμα μετάδοσης LTE - OFDM (III) 54 Πεδίο συχνότητας (frequency domain) Εύρος υποδιαύλου=15khz (subcarrier spacing) Μικρότερο δυνατό μέγεθος μετάδοσης= Resource Block (1RB) Μέγεθος RB= Μονάδα μετάδοσης που αποτελείται από: 12 υποδίαυλοι (πεδ. συχνότητας) 1 χρονοσχισμή (πεδ. χρόνου) Resource Element: 1 υποδίαυλος 1 σύμβολο Σε κάθε χρήστη εκχωρείται ένας αριθμός RBs. Μετάδοση πολλών RBs παράλληλα

Υπολογισμός ρυθμού μετάδοσης LTE (I) Παράδειγμα για Εύρος καναλιού 20 MHz ιάστημα ασφαλείας (guard band) = 10% συνολικού εύρους ιαμόρφωση= 64QAM Εύρεση συνολικού ρυθμού μετάδοσης???? 55

Υπολογισμός ρυθμού μετάδοσης LTE (IΙ) Παράδειγμα για Εύρος καναλιού 20 MHz ιάστημα ασφαλείας (guard band) = 10% συνολικού εύρους ιαμόρφωση= 64QAM Εύρεση RBs στο κανάλι Εύρεση ρυθμού μετάδοσης για κάθε RB Άρα συνολικά R=100.8Mbps (25% overhead λόγω σηματοδοσίας ελέγχου R ~75 Mbps ) 56

Υπολογισμός ρυθμού μετάδοσης LTE (IIΙ) Συμπεράσματα Μεγαλύτερο εύρος ζώνης καναλιού περισσότερα RBs Μεγαλύτερος αριθμός RBs περισσότερα symbols/second Υψηλότερη διαμόρφωση περισσότερα bits/symbol Μεγαλύτερος αριθμός κεραιών Υψηλότερος ρυθμός μετάδοσης 57

Τεχνολογία MIMO Βελτίωση ρυθμού μετάδοσης & φασματικής απόδοσης Εκμετάλλευση της πολυδιαδρομικής μετάδοσης σήματος Μετάδοση LTE δεδομένων στον ίδιο χρόνο στην ίδια συχνότητα από διαφορετική κεραία LTE προδιαγραφές: 2x2 MIMO 4x4 MIMO Γραμμική αύξηση του ρυθμού μετάδοσης ανάλογα με τον αριθμό των κεραιών Για downlink μετάδοση λόγω περιορισμένης ισχύος στον πομπό 58

LTE Advanced Τεχνολογία 4G (σύμφωνα με ITU-R) Τεχνικές Προδιαγραφές Μέγιστος ρυθμός μετάδοσης: 3Gbps (DL)/1.5Gbps (UL) Υψηλή φασματική απόδοση Υποστήριξη 8x8 MIMO Υποστηριζόμενο Εύρος ιαύλου μέχρι 100MHz Συμβατότητα με προηγούμενες εκδόσεις Εισαγωγή μικροκυψελών (smallcells) μαζί με μάκροκυψέλες Εισαγωγή τεχνικής συνάθροισης διαύλων (carrier aggregation) Υποστήριξη κόμβων αναμεταδοτών (Relay Nodes) 59

Τεχνική συνάθροισης διαύλων (Carrier Aggregation) Μετάδοση σε πιο μεγάλο εύρος ζώνης Blocks συχνοτήτων: φέρουσες συνιστώσες (component carriers - CCs) Ικανοποίηση απαιτήσεων για μέγιστο ρυθμό μετάδοσης Συμβατότητα με LTE 60

Σύγκριση LTE- WiMAX 3GPP-LTE WiMAX Προηγούμενη γενιά GSM/GPRS/ EDGE/UMTS/ HSPA IEEE 802.16 a έως d ίκτυο Κορμού UTRAN moving towards All-IP Evolved-UTRA (E-UTRA) core network WiMAX forum All-IP network Τεχνολογία Πρόσβασης OFDMA (DL) SC-FDMA (UL) OFDMA (DL/UL) Συχνότητα Λειτουργίας Existing (800, 900, 1800, 1900 MHz) and new frequency bands (Range 800 MHz 2.62 GHz) NLOS: 2-11 GHz Μέγιστος Ρυθμός Μετάδοσης 100 to 326.4Mbps (DL) 50 to 86.4 Mbps (UL) 75 Mbps (DL) 25 Mbps (UL) Εμβέλεια κυψέλης 5 Km ~20.7 km for 3.5 or 7MHz BW ~8.4 km for 5 or 10 MHz BW Χωρητικότητα κυψέλης >200 users @ 5MHz >400 users for larger BW 100-200 users 61 Κινητικότητα χρηστών Up to 350 Km/h Up to 120 Km/h

Βιβλιογραφία Sauter, Martin. Beyond 3G-Bringing networks, terminals and the web together: LTE, WiMAX, IMS, 4G Devices and the Mobile Web 2.0. John Wiley & Sons, 2011. (section 2.3) Ghosh, Amitabha, and Rapeepat Ratasuk. Essentials of LTE and LTE-A. Cambridge University Press, 2011. (chapter 2) 62

Παράμετροι φυσικού στρώματος LTE (DL) 63

Σύγκριση LTE- WiMAX (II) 64