ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ Τμήμα Διδακτικής της Τεχνολογίας και Ψηφιακών Συστημάτων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ Τμήμα Διδακτικής της Τεχνολογίας και Ψηφιακών Συστημάτων Μορφοποιημένος πίνακας Μελέτη και Σύγκριση Τεχνικών Αμφιδρόμησης TDD και FDD για Ασύρματα Συστήματα Επικοινωνιών 4ης Γενιάς. : Γραμματοσειρά: Έντονα : Γραμματοσειρά: Έντονα, Χρώμα γραμματοσειράς: Αυτόματο : Χρώμα γραμματοσειράς: Αυτόματο Κυριαζής Γεώργιος : Γραμματοσειρά: Έντονα, Χρώμα γραμματοσειράς: Αυτόματο Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία 1

Αφιερώνεται στη μητέρα μου στον αδερφό μου και στον Ραχάντ, και στη μνήμη του πατέρα μου που δεν είναι πια κοντά μας. 2

Το WiMAX/802.16 πρότυπο και η LTE, εξέλιξη της τεχνολογίας των 3GPP UMTS/ HSPA, περιλαμβάνουν δύο κύριες τεχνικές αμφιδρόμησης, την TDD και την FDD. Η επιλογή της μίας μεθόδου αμφιδρόμησης ή της άλλης μπορεί να επηρεάσει αρκετές παραμέτρους στο φυσικό επίπεδο με αντίκτυπο στα χαρακτηριστικά γνωρίσματα που μπορούν να υποστηριχθούν. FDD, τεχνολογία σταθερών δικτύων επικοινωνίας που με μερικές μετατροπές εισέρχεται στο κόσμο της ασύρματης τηλεπικοινωνίας. Διπλεξία στο χώρο της συχνότητας, χρησιμοποίηση δύο ζωνών, μία για την άνω ζεύξη και μία για τη κάτω ζεύξη. Χρησιμοποιείται από τα περισσότερα συστήματα κινητών επικοινωνιών. TDD, χρησιμοποιεί μια κεραία που διαιρεί το χρόνο μεταξύ της εκπομπής και της λήψης των σημάτων. Είναι πιο αποτελεσματική σε συστήματα με ασύμμετρες εκπομπές δεδομένων. Έχει χρησιμοποιηθεί κυρίως στα συστήματα DECT της Ευρώπης. Πλησιάζοντας στην έλευση της 4 ης γενεάς ασύρματης επικοινωνίας, με απαιτήσεις ικανές να την στέψουν ως την πιο υποσχόμενη γενιά τεχνολογίας τηλεπικοινωνιών όπως: QoS (Ποιότητα υπηρεσιών) MMS Mobile TV HD HDTV DVB Περισσότεροι ταυτόχρονοι χρήστες ανά κυψέλη 100Mb/s μεταξύ δύο οποιονδήποτε σημείων στο κόσμο! Συμβατότητα με τα ήδη υπάρχοντα πρότυπα ασύρματης επικοινωνίας Ενιαίο IP packet switched δίκτυο Real time audio 3 Περίληψη

... ποια μέθοδος αμφιδρόμησης θα είναι η επικρατέστερη? Μήπως η συνύπαρξη των δύο αυτών τεχνολογιών θα ήταν η χρυσή τομή για την επιτυχημένη υλοποίηση του 4G; Στο κείμενο που ακολουθεί, θα προσπαθήσουμε να μελετήσουμε και να συγκρίνουμε τις τεχνολογίες, αναζητώντας της χρυσή αυτή τομή. 4

Ευχαριστώ το Θεό που με αξίωσε να ολοκληρώσω την εργασία μου. Εκφράζω την ευγνωμοσύνη μου στη μητέρα μου, στον αδελφό μου και στον Ραχάντ για την υποστήριξη και τη βοήθειά τους σε όλη τη διάρκεια των μεταπτυχιακών σπουδών μου, και στη μνήμη του πατέρα μου που δεν είναι πια μαζί μας... Θερμές ευχαριστίες εκφράζω στον αναπληρωτή Καθηγητή Κ Κανάτα Αθανάσιο, για την υπομονή, την επίβλεψη και την βοήθεια του για την ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας. 5 Ευχαριστίες

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή...11 1.2Ασυρματα συστηματα 3 ης γενιας...14 1.3 3G συστηματα: χαρακτηριστικα, απαιτησεις και υπηρεσιες...15 1.4 Τεχνολογια rf διεπαφων (rf interfaces) για συστηματα 3g...16 1.5 Προβλεψεις για ασυρματα συστηματα 4ης γενιας (4g)...17 1.6 Απαιτησεις συστηματων 4 ης γενιας...18 1.7 Μελλοντικες εφαρμογες...19 1.8 Προκλησεις στην αναπτυξη μετωπικών άκρων rf (front-end) για συστηματα 4g...20 1.9 Ο δρομος προς τα 4g δικτυα...21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2. Wimax & LTE...24 2.1 Εισαγωγή στο Wimax...24 2.2 Χαρακτηριστικά γνωρίσματα WiMAX...27 2.3 Πως δουλεύει το Wimax;...31 2.3.1 Αρχιτεκτονική WiMAX...32 2.3.2 Αναφορά στο μοντέλο Δικτύου...32 2.3.3 Κινητος σταθμος...34 2.3.4 Σταθμος βασης...35 2.3.5 Access Service Network (ASN)...36 2.3.6 ASN Gateway (ASN-GW)...36 2.3.7 Connectivity Service Network (CSN)...36 2.3.8 Λειτουργική ενσωμάτωση στα 3GPP δίκτυα...37 2.4 Τύποι του Wimax...40 2.4.1 Wimax σε σταθερή επικοινωνία...40 2.4.2 Wimax σε εφαρμογές κινητών υπηρεσιών...41 2.4.3 Δομή πρωτοκόλλου...42 2.4.5 Δομή πλαισίου στο WiMAX...43 2.4.6 Φυσικό επίπεδο Wimax...46 2.5 Long Term Evolution (LTE)...50 2.5.1 Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλου LTE...55 2.5.2 Δομή Πλαισίου στο LTE...57 2.5.3 Φυσικό επίπεδο LTE...58 2.6 Συχνότητες ζωνών για FDD και TDD...63 2.7 Αρχιτεκτονική συστημάτων...65 2.7.1 Επιπεδη αρχιτεκτονικη LTE...66 2.7.2 Βασική γραμμή αρχιτεκτονικής...66 6 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [1] Διαγράφηκε: 11 Εισήχθηκε: 11 Διαγράφηκε: 14 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [2] Διαγράφηκε: 14 Εισήχθηκε: 14 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [3] Διαγράφηκε: 15 Εισήχθηκε: 15 Διαγράφηκε: 15 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [4] Διαγράφηκε: 16 Διαγράφηκε: 16 Εισήχθηκε: 16 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [5] Διαγράφηκε: 17 Εισήχθηκε: 17 Διαγράφηκε: 17 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [6] Διαγράφηκε: 18 Εισήχθηκε: 18 Διαγράφηκε: 18 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [7] Διαγράφηκε: 19 Εισήχθηκε: 19 Διαγράφηκε: 19 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [8] Διαγράφηκε: 20 Διαγράφηκε: 20 Εισήχθηκε: 20 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [9] Διαγράφηκε: 21 Εισήχθηκε: 21 Διαγράφηκε: 21 Διαγράφηκε: \ Αλλαγή κωδικού πεδίου... [10] Αλλαγή κωδικού πεδίου... [11] Διαγράφηκε: 24 Εισήχθηκε: 24 Διαγράφηκε: 24 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [12] Διαγράφηκε: 24 Εισήχθηκε: 24 Διαγράφηκε: 24 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [13] Διαγράφηκε: 27 Εισήχθηκε: 27 Διαγράφηκε: 27 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [14] Διαγράφηκε: 30 Εισήχθηκε: 30 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [15] Αλλαγή κωδικού πεδίου... [16]

2.7.3 Κινούμενοι προς το LTE...67 2.7.4 Επαναστατική αρχιτεκτονική συστήματος (SAE)...70 2.7.5 Λειτουργική ενσωμάτωση...71 2.7.6 Τύποι ραδιοπρόσβασης...72 2.7.7 Multiple Access Technology...73 2.8 OFDMA (WiMAX Uplink/Downlink and LTE Downlink)...73 2.9 SC-FDMA (LTE uplink)...77 2.10 Ποιότητα υπηρεσιών (QoS)...78 2.11 Ασφάλεια...79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 3.1 Εισαγωγή στις FDD & TDD...81 3.2 Μεθοδος αμφιδρομησης frequency division duplexing (fdd)...82 3.3 Πλεονεκτηματα τεχνικης fdd...84 3.4 Ζητηματα και προκλησεις των fdd συστηματων...85 3.5 Μεθοδος αμφιδρομησης time division duplexing (tdd)...86 3.5.1 Πλεονεκτηματα τεχνικης tdd...91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 4.1.1 Παρεμβολη μεταξυ χρονοθυριδων...94 4.2 Λυση 1: συγχρονισμος...95 4.2.1 Λυση 2: τομεοποιηση...96 4.2.2 Λυση 3: ομαδοποιηση timeslots...96 4.3 Παρεμβολες παροχων...96 4.4 Διαστημα φυλαξης μεταξυ των μεταβασεων dl/ul...98 4.5 Καθυστερηση αμφιδρομησης στον medium access control (mac) και arq...99 4.6 Ετεροχρονισμενη πληροφορια κινησης διαυλου στο πομπο channel state information of transmitter (csit)... 100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 5.1 Σχεδιαση καναλιων ενδοκαναλικη παρεμβολη... 101 5.2 Παρεμβολη γειτονικων καναλιων-επιπροσθετος περιορισμος στην αποδοση της μεταδοσης κυψελωτου συστηματος... 103 5.3 Μεταπομπές και περιορισμοί... 104 5.4 Τεχνικες προσβασης στο διαυλο... 105 5.5 Ποσοτικη αναλυση στα συστήματα tdd & fdd... 106 5.5.1 CCI σε άνω ζεύξη TDD συστημάτων...106 5.5.2 ACI σε άνω ζεύξη TDD συστημάτων... 110 5.5.3 CCI σε άνω ζεύξη FDD συστημάτων...113 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 115 ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ... 121 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 129 7 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [18] Διαγράφηκε: 66 Εισήχθηκε: 67 Εισήχθηκε: 70 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [19] Διαγράφηκε: 70 Διαγράφηκε: 69 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [20] Διαγράφηκε: 71 Εισήχθηκε: 71 Διαγράφηκε: 70 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [21] Διαγράφηκε: 72 Διαγράφηκε: 71 Εισήχθηκε: 72 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [22] Διαγράφηκε: 73 Εισήχθηκε: 73 Διαγράφηκε: 72 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [23] Διαγράφηκε: 73 Εισήχθηκε: 73 Διαγράφηκε: 72 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [24] Διαγράφηκε: 77 Εισήχθηκε: 77 Διαγράφηκε: 76 Διαγράφηκε: 78 Διαγράφηκε: 77 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [25] Εισήχθηκε: 78 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [26] Διαγράφηκε: 79 Εισήχθηκε: 79 Διαγράφηκε: 77 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [27] Αλλαγή κωδικού πεδίου... [28] Διαγράφηκε: 81 Εισήχθηκε: 81 Διαγράφηκε: 80 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [29] Διαγράφηκε: 82 Εισήχθηκε: 82 Διαγράφηκε: 81 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [30] Διαγράφηκε: 84 Εισήχθηκε: 84 Διαγράφηκε: 83 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [31] Διαγράφηκε: 85 Εισήχθηκε: 85 Διαγράφηκε: 84 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [32] Αλλαγή κωδικού πεδίου... [33]

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1. Παράμετροι διαμόρφωσης WiMAX. Πίνακας 2α Παράμετροι διαμόρφωσης LTE Πίνακας 2β. Παράμετροι διαμόρφωσης LTE. Πίνακας 3.Φυσικά σήματα άνω και κάτω ζεύξης του LTE. Πίνακας 4.Φυσικά κανάλια άνω και κάτω ζεύξης του LTE. Πίνακας 5. Χαρτογράφηση φυσικών καναλιών στα κανάλια κυκλοφορίας και ελέγχου πληροφοριών. Πίνακας 6. Συχνότητες ζωνών που ορίστηκαν από τη 3GPP για το LTE. Πίνακας 7. Σύγκριση κύριων σημείων των 3GPP LTE & WiMAX 802.16e Πίνακας 8. Ανάλυση SIR με CCI. 8 Διαγράφηκε: Πίνακας 1.... [38]... [36]... [37]... [39] Εισήχθηκε: Πίνακας 1.... [40]... [41] Διαγράφηκε: Πίνακας 2α... [42] Εισήχθηκε: Πίνακας 2α... [43]... [44] Διαγράφηκε: Πίνακας 2α... [45]... [46] Διαγράφηκε: Πίνακας 2β.... [47] Εισήχθηκε: Πίνακας 2β.... [48]... [49] Διαγράφηκε: Πίνακας 2β.... [50]... [51]... [52] Διαγράφηκε: Πίνακας 3.Φυσικά... [53] Εισήχθηκε: Πίνακας 3.Φυσικά... [54]... [55] Διαγράφηκε: Πίνακας 3.Φυσικά... [56] Διαγράφηκε:... [57] Διαγράφηκε: Πίνακας 4.Φυσικά... [58] Εισήχθηκε: Πίνακας 4.Φυσικά... [59]... [60] Διαγράφηκε: Πίνακας 4.Φυσικά... [61] Διαγράφηκε:... [62] Διαγράφηκε: Πίνακας 5.... [63]... [64] Διαγράφηκε: Πίνακας 5.... [65] Διαγράφηκε:.... [66] Διαγράφηκε: Πίνακας 6.... [67] Εισήχθηκε: Πίνακας 6.... [68]... [69] Διαγράφηκε: Πίνακας 6.... [70] Εισήχθηκε: Πίνακας 5.... [71]... [72] Διαγράφηκε: Πίνακας 7.... [73] Εισήχθηκε: Πίνακας 7.... [74]... [75] Διαγράφηκε: Πίνακας 7.... [76]... [77] Διαγράφηκε: Πίνακας 8.... [78] Εισήχθηκε: Πίνακας 8. Ανάλυση... [79]... [80] Διαγράφηκε: Πίνακας 8.... [81]

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1. Κινητικότητα (mobility) και ταχύτητα μετάδοσης πληροφορίας (information transfer rate) για 2G, 3G και 4G ασύρματα συστήματα. Σχήμα 2. Το 4G όραμα σκιαγραφημένο στο διάγραμμα VAN. Σχήμα 3. Χρονοδιάγραμμα προετοιμασίας του IMT-Advanced Σχήμα 4.Το Wimax μπορεί να επηρεάσει όλους τους υπάρχοντες τρόπους επικοινωνίας. Σχήμα 5. Δίκτυο Wimax. Σχήμα 6. Network Reference Model (NRM)). Σχήμα 7. Δέκτες Wimax. Σχήμα 8. Σταθμός Βάσης Wimax. Σχήμα 9. Επικοινωνια επιπεδων / στρωματων. Σχήμα 10. Μεταβαση WiMAX στο 3GPP. Σχήμα 11. Υπηρεσίες χαμηλής χρέωσης Fixed Wiman σε Point-to-Multipoint εφαρμογές. Σχήμα 12. Το mobile Wimax επιτρέπει σε κάθε τηλεπικοινωνία να γίνει «κινητή». Σχήμα 13. Δομη Wimax πρωτοκολλου. Σχήμα 14. Δομή πλαισίου TDD όπως παρουσιάστηκε στην έκδοση 1.0 του Wimax 802.16Εe. Σχήμα 15. Χαρτογράφηση ζωνών OFDM πλαισίου Σχήμα 16. Οδηγούμενοι προς τη 4G. Σχήμα 17 Πρωτόκολλο ραδιοεπαφών LTE. Σχήμα 18. Σχέδια ελέγχων και χρηστών. Σχήμα 19. Πρόσβαση και επικοινωνία Επιπέδων στο LTE. Σχήμα 20. Δομή πλαισίου τύπου 1. Σχήμα 21. Δομή πλαισίου τύπου 2. Σχήμα 22. Χαρτογράφηση FS1 πλαισίου στη κάτω ζεύξη. Σχήμα 23. Χαρτογράφηση FS1 πλαισίου για άνω ζεύξη του PUSCH. Σχήμα 24. Χαρτογράφηση FS1 πλαισίου για άνω ζεύξη του PUCCH format 0 ή 1. Σχήμα 25. Μετάδοση FDD & TDD σε ζεύγος & μονή ζώνης φάσματος αντίστοιχα Σχήμα 26. Μετάδοση χρησιμοποιώντας TDD με διαφορετικούς λόγους DL/UL 1/1,2/1 & 3/1 και εκμετάλευση / απαιτήσεις πόρων σε σύγκριση με την FDD. Σχήμα 27. Βασική γραμμή της 3G αρχιτεκτονικής λογικής Σχήμα 28. E-UTRAN LTE αρχιτεκτονική. Σχήμα 29. Λειτουργία S1 διεπαφής. Σχήμα 30. Προσέγγιση SAE. Σχήμα 31. Ενσωμάτωση του ACGW (Access Control GateWay) στο LTE. Σχήμα 32. Δομή OFDMA FDD/H-FDD πλαισίου Σχήμα 33. Δομή OFDMA FDD/H-FDD πλαισίου (συνέχεια) 9 Αλλαγή κωδικού πεδίου... [82]... [83] Διαγράφηκε: Σχήμα 1.... [84] Εισήχθηκε: Σχήμα 1.... [85] Διαγράφηκε: Σχήμα 1.... [86]... [87] Διαγράφηκε: Σχήμα 2. Το... 4G [88] Εισήχθηκε: Σχήμα 2. Το 4G... [89] Διαγράφηκε: Σχήμα 2. Το... 4G [90] Διαγράφηκε: Σχήμα 3.... [91] Εισήχθηκε: Σχήμα 3.... [92] Διαγράφηκε: Σχήμα 3.... [93] Διαγράφηκε: Σχήμα 4.Το... [94] Εισήχθηκε: Σχήμα 4.Το Wimax... [95] Διαγράφηκε: Σχήμα 4.Το... [96] Διαγράφηκε: Σχήμα 5. Δίκτυο... [97] Εισήχθηκε: Σχήμα 5. Δίκτυο... [98] Διαγράφηκε: Σχήμα 5. Δίκτυο... [99] Διαγράφηκε: Σχήμα 6. Network... [100] Εισήχθηκε: Σχήμα 6. Network... [101] Διαγράφηκε: Σχήμα 6. Network... [102] Διαγράφηκε: Σχήμα 7.... Δέκτες [103] Εισήχθηκε: Σχήμα 7. Δέκτες... [104] Διαγράφηκε: Σχήμα 7.... Δέκτες [105] Διαγράφηκε: Σχήμα 8.... Σταθμός [106] Εισήχθηκε: Σχήμα 8. Σταθμός... [107] Διαγράφηκε: Σχήμα 8.... Σταθμός [108] Διαγράφηκε: Σχήμα 9.... [109] Εισήχθηκε: Σχήμα 9.... [110] Διαγράφηκε: Σχήμα 9.... [111] Διαγράφηκε: Σχήμα 10.... [112] Εισήχθηκε: Σχήμα 10.... [113] Διαγράφηκε: Σχήμα 10.... [114] Διαγράφηκε: Σχήμα 11.... [115] Εισήχθηκε: Σχήμα 11.... [116] Διαγράφηκε: Σχήμα 11.... [117] Διαγράφηκε:. Διαγράφηκε: Σχήμα 12.... Το [118] Εισήχθηκε: Σχήμα 12. Το... [119] Διαγράφηκε: Σχήμα 12.... Το [120] Διαγράφηκε: Σχήμα 13.... Δομη [121] Εισήχθηκε: Σχήμα 13. Δομη... [122] Διαγράφηκε: Σχήμα 13.... Δομη [123] Διαγράφηκε: Σχήμα 14.... Δομή [124] Εισήχθηκε: Σχήμα 14. Δομή... [125] Διαγράφηκε: Σχήμα 14.... δομη [126] Διαγράφηκε: Σχήμα 16.... [127] Εισήχθηκε: Σχήμα 16.... [128] Διαγράφηκε: Σχήμα 16.... [129] Διαγράφηκε: Σχήμα 17... [130] Εισήχθηκε: Σχήμα 17... [131] Διαγράφηκε: Σχήμα 17... [132] Διαγράφηκε: Σχήμα 18.... Σχέδια [133]... [134]... [135]... [136]... [137]... [138]... [139]

Σχήμα 34. Αναπαράσταση πεδίων συχνότητας και χρόνου ενός OFDM σήματος. Σχήμα 35. Κατανομή υποφερόντων σε OFDM & OFDMA. Σχήμα 36. OFDMA μετάδοση QPSK συμβόλων δεδομένων Σχήμα 37. Σύγκριση μετάδοσης συμβόλων OFDMA &SC-FDMA QPSK δεδομένων. Σχήμα 38. Κατανομή φάσματος σε FDD. Σχήμα 39. Κατανομή φάσματος: α) FDD; b)tdd. Σχήμα 40. Δομή TDD. Σχήμα 41. Δομή πλαισίου TDD. Σχήμα 42. Δομή υποπλαισίου κατιούσας σύνδεσης με TDD Σχήμα 43. Δομή υποπλαισιου κατιούσας σύνδεσης με FDD. Σχήμα 44. Αναπαράσταση της cross slot παρεμβολής. Σχήμα 45. Επικαλυπτόμενες κυψέλες: a) BS-A & BS-B είναι πολύ κοντά, b) οι BSs είναι σε απόσταση. Σχήμα 46. (α)fdd, (β) TDD Σχήμα 47. Δομή κυψέλης. Σχήμα 48. Eπίπεδα ομοδιαυλικών παρεμβολών. Σχήμα 49. Πρώτο επίπεδο co channel παρεμβολών με μέγεθος cluster N =7. Όταν ο κινητός σταθμός βρίσκεται στα όρια της κυψέλης, σχήμα Χ, δέχεται τη μέγιστη ομοδιαυλική παρεμβολή. 10... [144] Εισήχθηκε: Σχήμα 34.... [145] Διαγράφηκε: Σχήμα34.... [146] Διαγράφηκε: Σχήμα 35.... [147] Εισήχθηκε: Σχήμα 35.... [148] Διαγράφηκε: Σχήμα 35.... [149] Διαγράφηκε: Σχήμα 36.... [150] Εισήχθηκε: Σχήμα 36. OFDMA... [151] Διαγράφηκε: Σχήμα 36.... [152] Διαγράφηκε: Σχήμα 37.... [153] Εισήχθηκε: Σχήμα 37. Σύγκριση... [154] Διαγράφηκε: Σχήμα 37.... [155]... [156]... [157] Διαγράφηκε: Σχήμα 38.... [158] Εισήχθηκε: Σχήμα 38. Κατανομή... [159] Διαγράφηκε: Σχήμα 38.... [160] Διαγράφηκε: Σχήμα 39.... [161] Εισήχθηκε: Σχήμα 39. Κατανομή... [162] Διαγράφηκε: Σχήμα 39.... [163] Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: Σχήμα 40.... Δομή [164] Εισήχθηκε: Σχήμα 40. Δομή... [165] Διαγράφηκε: Σχήμα 40.... Δομή [166] Διαγράφηκε: Σχήμα 41.... Δομή [167] Εισήχθηκε: Σχήμα 41. Δομή... [168] Διαγράφηκε: Σχήμα 41.... Δομή [169]... [170] Διαγράφηκε: Σχήμα 42.... Δομή [171]... [172] Διαγράφηκε: Σχήμα 42.... Δομή [173]... [174]... [175] Διαγράφηκε: Σχήμα 43.... Δομή [176] Εισήχθηκε: Σχήμα 43. Δομή... [177] Διαγράφηκε: Σχήμα 43.... Δομή [178]... [179] Διαγράφηκε: Σχήμα 45.... [180] Εισήχθηκε: Σχήμα 45.... [181] Διαγράφηκε: Σχήμα 45.... [182] Διαγράφηκε: Σχήμα 46.... [183] Εισήχθηκε: Σχήμα 46. (α)fdd,... [184] Διαγράφηκε: Σχήμα 46.... [185]... [186]... [187] Διαγράφηκε: Σχήμα 47.... Δομή [188] Εισήχθηκε: Σχήμα 47. Δομή... [189] Διαγράφηκε: Σχήμα 47.... ΔΟΜΗ [190] Διαγράφηκε:... [191] Διαγράφηκε: Σχήμα 48.... [192] Εισήχθηκε: Σχήμα 48. Eπίπεδα... [193] Διαγράφηκε: Σχήμα 48.... επίπεδα [194]... [195]... [196]... [197]... [198]

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εκρηκτική αύξηση στις εφαρμογές διαδικτύου τα τελευταία χρόνια δείχνει ότι η κοινωνία έχει μια αστείρευτη επιθυμία για ελευθερία πρόσβασης στην πληροφορία. Την ίδια στιγμή η ολοένα αυξανόμενη δημοτικότητα της κινητής τηλεφωνίας τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια αποδεικνύει την ανθρώπινη επιθυμία για επικοινωνία οπουδήποτε και οποτεδήποτε. Η ασύρματη (untethered) πρόσβαση στο διαδίκτυο εμφανίζεται ως το επόμενο βήμα. Για να μπορέσει να είναι το ίδιο επιτυχής και ο συνδυασμός των δύο τεχνολογιών πρέπει να είναι απολύτως κατανοητός ο λόγος εξ αιτίας του οποίου το Ιnternet έγινε τόσο διαδεδομένο στην κοινωνία μας. Η κατανόηση αυτή θα δώσει τη δυνατότητα στην ασύρματη πρόσβαση στο διαδίκτυο να έχει παρόμοια ανάπτυξη. Ίσως οι πιο σημαντικοί λόγοι της ανάπτυξης του Internet είναι η εύκολη χρήση του web browser και οι υψηλότερες ταχύτητες πρόσβασης με τη χρήση γρήγορων modems και προσωπικών υπολογιστών. Συνεπώς ευκολία χρήσης με λογικό κόστος μοιάζει να είναι να είναι ο αναγκαίος συνδυασμός χαρακτηριστικών για μια πετυχημένη υλοποίηση της ασύρματης πρόσβασης. Είναι γεγονός ότι η κινητήριος δύναμη για την ανάπτυξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων είναι η ιδέα της απόλυτης ελευθερίας του ατόμου να συνομιλεί, διασκεδάζει, βελτιώνει την εκπαίδευση του, ενημερώνεται για προϊόντα ή υπηρεσίες, δουλεύει, αναζητά ιατρική βοήθεια, σχεδιάζει προϊόντα, συμμετέχει στην έρευνα και έρχεται σε επαφή με κρατικές υπηρεσίες, ανεξαρτήτως από τις σχετικές θέσεις του ιδίου και της πηγής πληροφορίας. Όλες οι ενδείξεις από την ερευνητική κοινότητα και τη βιομηχανία συγκλίνουν στο ότι μια νέα γενιά ασύρματων και δορυφορικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων θα αναπτυχθεί στις αρχές του 21 ου αιώνα και θα έχει αναβαθμισμένα χαρακτηριστικά από την ήδη υπάρχουσα. Παρά τις πολλές τεχνικές δυσκολίες ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων δεκάδων Mbits/sec που θα επιτρέπουν ευρείας ζώνης (broadband) πρόσβαση στο Internet αποτελούν ένα πραγματοποιήσιμο στόχο στο άμεσο μέλλον. Μέσα σε είκοσι χρόνια οι ασύρματες προσωπικές τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες έχουν αναπτυχθεί σε ένα παγκόσμιο τηλεπικοινωνιακό δίκτυο με πάνω από 4 δισεκατομμύρια συνδρομητές. 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1

Η μεγάλη ανάγκη για υπηρεσίες Internet, ασύρματα συστήματα διανομής καλωδιακής τηλεόρασης (wireless cable television distribution) και για πρόσβαση στην τεχνολογία της πληροφορίας καθιστά επιτακτική την ανάπτυξη ασύρματων κινητών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων ευρείας ζώνης. Αποτέλεσμα της συντονισμένης προσπάθειας πολλών ευρωπαϊκών χωρών είναι ότι το 1998 πολλοί περισσότεροι συνδρομητές χρησιμοποιούσαν το ευρωπαϊκό πρότυπο GSM από οποιοδήποτε άλλο σύστημα. Γενικά είναι άμεση ανάγκη για μελλοντικά ασύρματα δίκτυα τα οποία θα είναι ευέλικτα, θα έχουν την δυνατότητα αναβάθμισης για μεγάλο αριθμό χρηστών, θα είναι ικανά να παρέχουν πληροφορία για τη θέση του χρήστη σε παγκόσμια κλίμακα, θα παρέχουν ασφάλεια από υποκλοπές, θα συνεργάζονται με ενσύρματα δίκτυα και θα είναι εύκολα προσαρμόσιμα στις κατά καιρούς απαιτήσεις. Στην εποχή μας παρατηρείται μεγάλη ζήτηση για ασύρματες υπηρεσίες όπως η τηλεειδοποίηση (paging), αναλογική και ψηφιακή κινητή τηλεφωνία και υπηρεσίες προσωπικών επικοινωνιών (Personal Communication Services-PCS). Τα υπάρχοντα εμπορικά κυψελωτά και PCS συστήματα χρησιμοποιούν συχνότητες γύρω από τα 900 MHz και 1.8 GHz με προοπτική στο μέλλον να υπάρξουν εφαρμογές PCS στα 2.4 GHz και στα 5.8 GHz (C-Band). Οι βασικοί λόγοι χρήσης ολοένα υψηλότερων συχνοτήτων είναι η ανάγκη για μεγαλύτερο εύρος ζώνης για εφαρμογές πολυμέσων (multimedia), όπως η ασύρματη μετάδοση εικόνας και η πρόσβαση στο Internet σε πραγματικό χρόνο, και ο κορεσμός των χαμηλότερων ζωνών συχνοτήτων. Εντούτοις η ανάγκη οπτικής επάφης (line of sight) για τη χρήση συστημάτων στη χιλιοστομετρική ζώνη καθιστά αναγκαία τη χρήση των χαμηλότερων συχνοτήτων για προσωπικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Τις περισσότερες φορές οι κυψελωτές τηλεπικοινωνίες βασίζονται σε διάδοση πολλαπλών δρόμων (multipath propagation) ιδιαίτερα σε πυκνοκατοικημένες περιοχές όπου μπορεί να μην υπάρχει άμεση οπτική επαφή με το σταθμό βάσης (base station). Η ραγδαία ανάπτυξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών συνδυασμένη με την ανάγκη για χαμηλό κόστος και υψηλή απόδοση έχει οδηγήσει σε μια έκρηξη στην παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην μικροκυματική/rf περιοχή. Διατάξεις υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης όπως μετατροπείς και συνθέτες συχνοτήτων, ενισχυτές ισχύος ή χαμηλού θορύβου χρησιμοποιούνται σε ευρεία κλίμακα αντικαθιστώντας υβριδικά κυκλώματα με διακριτά στοιχεία. Αυτά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ραδιοσυχνοτήτων (Radio Frequency Integrated Circuits - RFIC) και τα μονολιθικά μικροκυματικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (Monolithic Microwave Integrated Circuits - MMIC) 12

ολοκληρώνονται μαζί με VLSI κυκλώματα ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (DSP) και μικροεπεξεργαστές σε τυπωμένα κυκλώματα πολλαπλών επιπέδων. Ένας από τους επικρατέστερους τρόπους υλοποίησης αυτής της ιδέας είναι η σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πολλαπλού σήματος (Mixed-Signal Integrated Circuits) κατά την οποία RF, χαμηλών συχνοτήτων αναλογικές και ψηφιακές λειτουργίες ολοκληρώνονται στο ίδιο chip δημιουργώντας το ονομαζόμενο VLSIradio. Κατά αυτό τον τρόπο ο μειωμένος αριθμός διακριτών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερο κόστος συσκευασίας και μεγαλύτερη αξιοπιστία. Επίσης οι λιγότερες διασυνδέσεις μεταξύ των chips οδηγούν στη μείωση του μεγέθους της συσκευασίας και του συνολικού ηλεκτρονικού συστήματος, όπως και στη μείωση της παρασιτικής εμπέδησης με άμεσα αποτελέσματα στο κέρδος και στην απόδοση. Τέλος η ικανότητα ενσωμάτωσης λειτουργιών DSP στο chip επιτρέπει το ψηφιακό φιλτράρισμα, μίξη, σύνθεση συχνοτήτων και προσφέρει τη δυνατότητα για καλύτερη απόδοση, γρήγορη προσαρμοστικότητα και λειτουργική ευφυία (functional intelligence). Αντί της πλήρους ολοκλήρωσης σε ένα chip (single-chip integration) μια εναλλακτική λύση είναι η δημιουργία ενός στοιχείου πολλαπλών chips (multichip module-mcm). Η βασική φιλοσοφία είναι η υλοποίηση διατάξεων και κυκλωμάτων στην καλύτερη διαθέσιμη τεχνολογία για τη συγκεκριμένη λειτουργία (π.χ. ψηφιακά κυκλώματα σε submicron CMOS, αναλογικά στοιχεία σε BiCMOS, RF διατάξεις σε GaAs ή InP κλπ.) και στη συνέχεια η ολοκλήρωσή τους σε ένα σύστημα ή υποσύστημα χρησιμοποιώντας τεχνολογία MCM. Παθητικές διατάξεις υψηλού Q όπως και δίκτυα μορφοποίησης δέσμης ακτινοβολίας κεραιών (Multibeam Antenna Beamforming) μπορούν να ενσωματωθούν άμεσα στη διάταξη MCM. Για τις ενεργές αναλογικές/rf και ψηφιακές/dsp λειτουργίες ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορούν να διασυνδεθούν στη διάταξη MCM χρησιμοποιώντας αρχιτεκτονική ανεστραμμένου chip (flip-chip bonding) στη θέση συρμάτων σύνδεσης (bondwires) γεγονός που μειώνει τα παρασιτικά στοιχεία και επιτρέπει την καλύτερη διαχείριση χώρου. Επιπρόσθετα για την αλλαγή ενός κομματιού του υποσυστήματος δεν απαιτείται η επανασχεδίαση ολόκληρου του συστήματος. Επιμέρους λειτουργικά στοιχεία μπορούν να αναβαθμιστούν ανεξάρτητα, υπό τη συνθήκη ότι η διασύνδεσή τους και η θέση τους στο chip θα παραμείνει συμβατή με την τεχνολογία MCM. Αυτή η προσέγγιση ονομάζεται «σύστημα σε συσκευασία» (System On a Package-SOP) σε αντιδιαστολή με το «σύστημα σε chip» (System On a Chip-SOC) που περιγράφηκε προηγουμένως. 13

1.2ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3 ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ. Τα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα 3ης γενιάς (3G) είναι η εξέλιξη των συστημάτων 2ης γενιάς για αυξημένες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων και σημαντικά αυξημένη ευελιξία παροχής μεγάλου αριθμού υπηρεσιών στον ασύρματο χρήστη (παραδοσιακές υπηρεσίες τηλεφωνίας και τηλεειδοποίησης, διαδραστικά πολυμέσα (interactive multimedia), υψηλής ποιότητας τηλε-διάσκεψη (teleconferance) και πρόσβαση στο Internet). Παρά τον αρχικό στόχο της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (ΙTU) για ένα ενιαίο παγκόσμιο πρότυπο για τα συστήματα 3ης γενιάς, προτάσεις στηριζόμενες σε πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου (TDMΑ) ή διαίρεσης κώδικα (CDMA) έχουν υποβληθεί. Η πλειοψηφία πάντως στηρίζεται σε τεχνολογία CDMA ευρείας ζώνης (WCDMA). Το Σχήμα 1 δείχνει τη σχέση ανάμεσα σε ασύρματα συστήματα 2G, 3G και 4G. Στα συστήματα 2ης γενιάς περιλαμβάνονται το GSM, το σύστημα CDMA που ορίζεται από τα 14 πρότυπα IS-95 στις Η.Π.Α., το σύστημα USDC (Η.Π.Α.) και το σύστημα PDC στην Ιαπωνία. Το άνω όριο των περίπου 100 kbits/sec για τα συστήματα 2G περιλαμβάνει τις βελτιώσεις του GSM στο EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) και στο GPRS (GSM Packet Radio System). Η λειτουργία των συστημάτων 3ης γενιάς τοποθετείται στα μέσα του 2001 σε περιορισμένες αγορές. Τα συστήματα 3G αύξησαν το ρυθμό παροχής πληροφορίας σε περίπου 2Mbits/sec σε μικρές περιοχές με περιορισμένη κινητικότητα. Προτάσεις για ασύρματα τοπικά δίκτυα (Wireless Local Loop-WLL) και για σταθερά δίκτυα ασύρματης πρόσβασης ευρείας ζώνης (Broadband Fixed Wireless Access)

ΣΧΗΜΑ 1. ΚΙΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑ (MOBILITY) ΚΑΙ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ (INFORMATION TRANSFER RATE) ΓΙΑ 2G, 3G ΚΑΙ 4G ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. περιλαμβάνονται στο σχεδιασμό των συστημάτων 3G. Η τέταρτη γενιά (4G) ακολουθεί με ακόμα μεγαλύτερη αύξηση στο ρυθμό παροχής πληροφορίας και μεγαλύτερη κινητικότητα (δυνατότητα μεγαλύτερης ταχύτητας κίνησης του συνδρομητή). 1.3 3G ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ, ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ. Ο βασικός στόχος των συστημάτων 3G ήταν η παροχή ενός μεγάλου αριθμού υπηρεσιών στο χρήστη χρησιμοποιώντας την αρχή του συντεταγμένου συστήματος (coordinate system). Με βάση αυτή την αρχή οι υπηρεσίες παρέχονται με ενσύρματο, επίγειο ασύρματο ή δορυφορικό μέσο ανάλογα με την 15

περίσταση. Ο χρήστης είναι δυνατό να μην γνωρίζει τη συγκεκριμένη τεχνολογία που χρησιμοποιεί. Στην πλειοψηφία τους τα προτεινόμενα 3G συστήματα δεν θα επιτύχουν αυτή τη μορφή επικοινωνίας αφήνοντάς την για τα συστήματα 4ης γενιάς. Η κάλυψη σε όλα τα σημεία της γης είναι επιθυμητή, ενώ είναι αποδεκτό ότι οι μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων δεν θα ειναι διαθέσιμες παντού και πιθανόν δεν θα είναι διαθέσιμες στις μεγαλύτερες ταχύτητες κίνησης του συνδρομητή. Σε αυτές τις ταχύτητες ο ρυθμός μετάδοσης της πληροφορίας περιορίζεται στα 384 kbits/sec, ενώ για μικρότερες ταχύτητες είναι 2 Mbits/sec. Παγκόσμια μεταγωγή χωρίς προβλήματα (seamless roaming) είναι ένας άλλος στόχος των συστημάτων 3G. Εξ αιτίας του περιορισμένου διαθέσιμου εύρους συχνοτήτων για τα συστήματα 3G είναι αναγκαία η όσο το δυνατόν αποδοτικότερη χρήση του. Τα κυψελωτά συστήματα 2ης γενιάς χαρακτηρίζονται από απόδοση εύρους ζώνης (spectrum efficiency) μέχρι 0.5 bps/hz/cell, λαμβάνοντας υπόψη 16 παρεμβολές από άλλους χρήστες και την επαναχρησιμοποίηση συχνότητας (frequency reuse). Αν και αυτή η απόδοση είναι ικανοποιητική για παραδοσιακές υπηρεσίες, σημαντικές βελτιώσεις είναι αναγκαίες για την παροχή υπηρεσιών υψηλών ρυθμών μετάδοσης πληροφορίας σε μεγαλό αριθμό χρηστών. Τεχνολογίες όπως οι προσαρμοστικές κατευθυντικές κεραίες (adaptive directional antennas), η ακύρωση παρεμβολών (interference cancellation) και η χρήση αναμεταδοτών (relay transmission) μπορούν να βοηθήσουν προς αυτή την κατεύθυνση. Με την υπάρχουσα τεχνολογία ο στόχος της παροχής οποιασδήποτε τεχνολογίας σε οποιοδήποτε χρήστη κάθε στιγμή σε οποιοδήποτε σημείο στη γη μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο σε μικρό βαθμό, καθώς είναι αναγκαίες σημαντικές βελτιώσεις στις τεχνολογίες ραδιοσυχνοτήτων και σχεδιασμού δικτύων. 1.4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ RF ΔΙΕΠΑΦΩΝ (RF INTERFACES) ΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3G. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας RF διεπαφών για συστήματα 3G ήταν το αντικείμενο πολλών ερευνητικών προσπαθειών για περισσότερο από δέκα χρόνια. Στην Ευρώπη τα προγράμματα RACE και ACTS κατέληξαν στην υποβολή προτάσεων και χρησιμοποιούν τεχνολογίες πολλαπλής πρόσβασης στηριζόμενες σε CDMA ευρείας ζώνης, TDMA ευρείας ζώνης, συνδυασμό και των δύο και σε ορθογωνική διαίρεση συχνότητας (orthogonal frequency division-ofdm). Τα αποτελέσματα παρόμοιων ερευνών στην Ιαπωνία κατέληξαν στην χρήση της τεχνολογίας WCDMA. Τα δύο πρότυπα είναι παρόμοια αλλά όχι ακριβώς τα ίδια, αν και πρόσφατα έχουν συγκλίνει σε μία σχεδόν ενιαία μορφή. Η αμερικάνικη πρόταση επίσης βασίζεται στην χρήση του WCDMA και είναι μια

εξέλιξη του 2G CDMA συστήματος που έχει ορισθεί από το IS-95B, αλλά είναι διαφορετική από τις άλλες δύο προτάσεις. 1.5 ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 4ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ (4G). Η ασύρματη επανάσταση θα αλλάξει εντελώς τη δομή των επικοινωνιών μέσα στα επόμενα είκοσι χρόνια. Σήμερα οι χρήστες κυψελωτών και προσωπικών επικοινωνιακών υπηρεσιών ανέρχονται σε περίπου 4 δισεκατομμύρια. Ενώ ο ρυθμός αύξησης συνδρομητών του ενσύρματου τηλεφωνικού δικτύου είναι περίπου 3% το χρόνο, οι χρήστες ασύρματων υπηρεσιών αυξάνονται με ρυθμό περίπου 40%. Οι χρήστες ασύρματης φορητής επικοινωνίας χρησιμοποιούν ψηφιακή τεχνολογία στενής ζώνης (narrowband) που παρέχει ρυθμούς μετάδοσης πληροφορίας πολύ χαμηλότερους από τις ενσύρματες τηλεφωνικές γραμμές/dsl, η οποία αρχίζει να υπερκαλύπτεται από την παρουσία της ευρείας ζώνης HSPDA και τα 7 ή παραπάνω Mbps εύρους ζώνης που προσφέρει. Η μεγάλη ανάγκη για υπηρεσίες Internet, ασύρματη διανομή καλωδιακής τηλεόρασης και εύκολη και γρήγορη μετακίνηση αρχείων καθιστά επιτακτική τη χρήση ασύρματων υπηρεσιών ευρείας ζώνης. Σε αντίθεση με τα ενσύρματα τηλεφωνικά συστήματα οι ασύρματες τηλεπικοινωνιακές συνδέσεις είναι εξαιρετικά ευμετάβλητες και υφίστανται γρήγορη εξασθένιση σήματος, διάδοση πολλαπλών δρόμων (multipath propagation) εξ αιτίας ανακλάσεων και σκέδασης από εμπόδια εντός του δρόμου μετάδοσης καθώς και ολίσθηση συχνότητας (frequency shift) εξ αιτίας της κίνησης. Τα σταθερά ασύρματα δίκτυα (fixed wireless networks) είναι πολύ λιγότερο ευμετάβλητα χρονικά αν και χαρακτηρίζονται από χρονικές μεταβολές που οφείλονται σε αλλαγές στο περιβάλλον λόγω καιρικών συνθηκών ή βλάστησης, σε αλλαγές στα επίπεδα παρεμβολής από άλλους χρήστες και σε ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Επιπλέον τα ασύρματα κανάλια μεταβάλλονται σημαντικά και ανάλογα με τη θέση. Καθώς ο πομπός ή ο δέκτης μετακινούνται στο χώρο τα επίπεδα του σήματος και η επίδραση της μετάδοσης πολλαπλών δρόμων μεταβάλλεται ανάλογα με τις γεωμετρικές μεταβολές στο φυσικό μονοπάτι (physical path). Αυτός ο υψηλός βαθμός μεταβλητότητας κάνει τις ασύρματες επικοινωνίες ριζικά διαφορετικές από τα υπόλοιπα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. 17

1.6 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 4 ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ. Υψηλός ρυθμός μετάδοσης πληροφορίας. Τα συστήματα 3ης γενιάς προσφέρουνμέχρι 2 Mbits/sec για περιβάλλοντα εσωτερικού χώρου (indoor environments) και τουλάχιστον 144 kbits/sec για κινούμενοι χρήστες (vehicular) περιβάλλοντα. Ασύρματα LAN και ασύρματα συστήματα πρόσβασης ευρείας ζώνης που λειτουργούν στη ζώνη των 5 GHz έχουν ταχύτητα μετάδοσης 50 Mbits/sec. Η ελάχιστη ταχύτητα που έχει τεθεί ως στόχος για τα 4G συστήματα θα είναι 10-20 Mbits/sec για περιβάλλοντα με σταθερούς χρήστες και 2 Mbits/sec για κινούμενα οχήματα. Μεγαλύτερη χωρητικότητα και μικρότερο κόστος ανά bit. Η χωρητικότητα των συστημάτων 3G δεν θα είναι αρκετή για να εξυπηρετήσει την εκρηκτικά αυξανόμενη κίνηση των πολυμέσων σε λίγα χρόνια. Η χωρητικότητα για τα 4G συστήματα πρέπει να είναι τουλάχιστον δέκα φορές υψηλότερη από την αντίστοιχη των 3G, ενώ το κόστος ανά bit πρέπει να μειωθεί δραματικά ώστε η χρέωση να μην είναι απαγορευτική. Εξαιρετική ποιότητα παροχής υπηρεσιών (Quality of Service-QoS). Τα ασύρματα συστήματα χρησιμοποιούν περιορισμένο εύρος συχνοτήτων και μεταδιδόμενης ισχύος και υποφέρουν από συμφόρηση. Επομένως εξαιρετική QoS είναι αναγκαία για την υποστήριξη διαφορετικών εφαρμογών, ιδιαίτερα αυτών που απαιτούν επεξεργασία δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Καλή χωρική κάλυψη με μεταβλητή ταχύτητα μετάδοσης. Καθώς οι ταχύτητες μετάδοσης αυξάνονται, το απαιτούμενο επίπεδο λαμβανομένου σήματος θα αυξηθεί ανάλογα. Εξ αιτίας του γεγονότος ότι η επιδιωκόμενη ταχύτητα των συστημάτων 4G είναι μεγαλύτερη από δύο τάξεις μεγέθους σε σχέση με τα υπάρχοντα συστήματα, η ακτίνα της κυψέλης θα μειωθεί και η κάλυψη στο εσωτερικό των κτιρίων θα υποβαθμιστεί αν δεν προστεθεί ένας μεγάλος αριθμός σταθμών βάσης. Η χρήση συστημάτων μετάδοσης μεταβλητής απόστασης και ταχύτητας (wide-range variable-speed) είναι αναγκαία για ικανοποιητική κάλυψη εσωτερικών χώρων και μετάβαση σε διαφορετική κυψέλη χωρίς προβλήματα ανεξαρτήτως της τεχνολογίας των συστημάτων (3G, 4G). Υποστήριξη Internet νέας γενιάς. Η υποστήριξη πρωτοκόλλων Internet νέας γενιάς (IPv6) και πολυμετάδοσης (multicasting) είναι σημαντική ιδιαίτερα για εφαρμογές ηλεκτρονικού εμπορίου. 18

Ομαλή διασύνδεση με συστήματα 3G, ασύρματα δίκτυα υπολογιστών (WLAN) και σταθερά δίκτυα. Με τη χρήση τεχνολογίας βασισμένης σε πρωτόκολλα Internet (ΙP) θα είναι δυνατή η ομαλή διασύνδεση διαφορετικών τεχνολογιών. Ως αποτέλεσμα ο κάθε χρήστης θα μπορεί να διαλέγει το καλύτερο δίκτυο ανά περίσταση (ανάλογα με το χρόνο, χώρο και κόστος). 1.7 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ. Εικονική πλοήγηση (virtual navigation). Μια απομακρυσμένη βάση δεδομένων θα περιέχει γραφική αναπαράσταση δρόμων, κτιρίων και τοπογραφικών γνωρισμάτων. Κομμάτια αυτής της βάσης δεδομένων θα μεταδίδονται γρήγορα σε ένα όχημα όπου ένα υπολογιστικό πρόγραμμα θα επιτρέπει στους επιβάτες να προβλέπουν τη μελλοντική διαδρομή, να επιλέγουν δρόμους με τη μικρότερη κίνηση, να εντοπίζουν αξιοθέατα ή μουσεία ή να επιλέγουν εναλλακτικούς δρόμους σε περιπτώσεις ατυχημάτων. Τηλεϊατρική (telemedicine). Τα πληρώματα των ασθενοφόρων σε απομακρυσμένες περιοχές θα μπορούν να έχουν πρόσβαση σε ιατρικά αρχεία και να τηλε-διασκέπτονται (video-conference) με γιατρούς όπως και να μεταδίδουν κρίσιμες πληροφορίες του ασθενούς σε κεντρικά νοσοκομεία. Σταθμός πληροφορίας (infostation). Ένας οδηγός αυτοκινήτου θα μπορεί να λαμβάνει ένα μεγάλο αριθμό αρχείων ή πολυμέσων από το δίκτυο κατά τη διάρκεια της οδήγησης σε ένα αυτοκινητόδρομο από και πρός το χώρο εργασίας. Εφαρμογές τηλεγεωδαισείας (telegeoprocessing). O συνδυασμός συστημάτων γεωγραφικής πληροφορίας (GIS), συστημάτων παγκοσμίου προσδιορισμού θέσης (GPS) και ασύρματων κινητών συστημάτων υψηλής χωρητικότητας θα κάνει εφικτές εφαρμογές τηλεγεωδαισείας. Εφαρμογές διαχείρισης κρίσεων. Αυτές οι εφαρμογές είναι χρήσιμες σε περιόδους φυσικών καταστροφών όταν ολόκληρος ο τηλεπικοινωνιακός ιστός έχει παραλύσει. Η γρήγορη επαναλειτουργία των τηλεπικοινωνιών είναι αναγκαία. Η αυξημένη χωρητικότητα των ασύρματων 19

συστημάτων ευρείας ζώνης 4G τα οποία θα περιλαμβάνουν υπηρεσίες Internet και video θα επιτρέψουν την αποκατάσταση σε διάστημα ωρών σε αντιδιαστολή με τα ενσύρματα συστήματα που θα απαιτούσαν ημέρες ή ακόμα και εβδομάδες. Εκπαίδευση μέσω Internet. Η παροχή ενσύρματης πρόσβασης ευρείας ζώνης στο Internet είναι οικονομικά ασύμφορη για κατοίκους αραιοκατοικημένων ή απομακρυσμένων περιοχών. Ασύρματες επικοινωνίες ευρείας ζώνης μπορούν να λύσουν αυτό το πρόβλημα. Κινητά δίκτυα υπολογιστών. Κατά ανάλογο τρόπο με τα σταθερά δίκτυα υπολογιστών τα κινητά δίκτυα υπολογιστών θα διευκολύνουν οικονομικές συναλλαγές, επιχειρηματικές πράξεις και επιστημονική συνεργασία από απόσταση. 1.8 ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΤΩΠΙΚΏΝ ΆΚΡΩΝ RF (FRONT- END) ΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 4G. Οι μεγαλύτερες προκλήσεις στη σχεδίαση των μετωπικών άκρων RF περιλαμβάνουν: Υλοποίηση κεραίας. Συνήθως η κεραία τυπώνεται στο ανώτερο επίπεδο του ολοκληρωμένου μετωπικού RF άκρου. Μια στοιχειοκεραία σε συνδυασμό με μια «έξυπνη» διάταξη ψηφιακής επεξεργασίας σήματος παρέχει την καλύτερη λύση. Η τεχνολογία έξυπνων κεραιών χρησιμοποιεί απλά στοιχεία (π.χ. μονόπολα ή δίπολα) και η απόδοση (εύρος δέσμης, επίπεδα δευτερευόντων λοβών) καθορίζεται από την απόδση κάθε στοιχείου. Ολοκληρωμένα κυκλώματα για πομποδέκτες ευρείας ζώνης και ευθείας μετατροπής (broadband direct-conversion tranceiver ICs). Κάθε επαναδιαμορφούμενη κεραία συνδέεται με RFICs/MMICs (ολοκληρωμένα κυκλώματα σε ραδιο/μικροκυματικές συχνότητες). Αυτά τα RFICs συνδέονται με τεχνολογία ανεστραμμένου chip στην αντίθετη πλευρά του RF front-end σε σχέση με την κεραία κάτι που απαιτεί τον προσεκτικό σχεδιασμό των RF διασυνδέσεων. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα του πομποδέκτη θα βρίσκονται επίσης κοντά σε silicon CMOS ASICs και DSP chips που θα εκτελούν την «έξυπνη» επαναδιαμόρφωση της κεραίας. Για αυτό το λόγο το RF front-end πρέπει να έχει όσο το 20

Νέα κινητή πρόσβαση ΣΧΉΜΑ 2. ΤΟ 4G ΌΡΑΜΑ ΣΚΙΑΓΡΑΦΗΜΈΝΟ ΣΤΟ ΔΙΆΓΡΑΜΜΑ VAN. δυνατό μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Επιπλέον οι πομποδέκτες πρέπει να χρησιμοποιούν αρχιτεκτονικές ευθείας μετατροπής, γεγονός που κάνει περιττή τη χρήση RF/IF φίλτρου αφού τα λαμβανόμενα RF σήματα μεταφράζονται απ ευθείας στη βασική ζώνη (baseband) όπου και ψηφιοποιούνται και χρησιμοποιούνται από τα DSP chips. RF διασυνδέσεις. Οι διασυνδέσεις ανάμεσα στις διαμορφούμενες κεραίες και στα chips του πομποδέκτη πρέπει να έχουν παρα πολύ χαμηλές απώλειες σε όλο το εύρος συχνοτήτων του συστήματος. Επίσης είναι πολύ σημαντική η μείωση των παρεμβολών (crosstalk) και η βέλτιστη διαχείρηση ισχύος (power handling). 1.9 Ο ΔΡΟΜΟΣ ΠΡΟΣ ΤΑ 4G ΔΙΚΤΥΑ Η βιομηχανία επικοινωνιών βεβαιώνει σημαντική αύξηση σε ασύρματες τεχνολογίες και σε συστήματα που υποστηρίζουν ότι είναι "4G." Οποιαδήποτε δήλωση ότι μια συγκεκριμένη τεχνολογία είναι μία 4G τεχνολογία ή σύστημα 4G, είναι σήμερα στη πραγματικότητα, απλά μια δήλωση προσδιορισμού στη θέση αγοράς από αντίστοιχους συνηγόρους της τεχνολογίας. Τέτοιες αξιώσεις πρέπει να ελεγχθούν και να τεκμηριωθούν ενάντια σε ένα σύνολο απαιτήσεων προκειμένου να είναι 21

κατάλληλες για να αποκαλούνται 4G. Η διεθνής ένωση τηλεπικοινωνιών (ITU) είναι η διεθνώς αναγνωρισμένη οντότητα, αφοσιωμένη να παραγάγει έναν επίσημο καθορισμό της επόμενης γενεάς των ασύρματων τεχνολογιών. Ο τομέας ραδιοεπικοινωνι'ων (ITU-R) καταρτίζει τα τεχνικά χαρακτηριστικά των επίγειων και διαστημικών ασύρματων υπηρεσιών και συστημάτων, και αναπτύσσει διαδικασίες λειτουργίας. Αναλαμβάνει επίσης τις σημαντικές τεχνικές μελέτες οι οποίες αποτελούν τη βάση για τις ρυθμιστικές αποφάσεις που λαμβάνονται σε παγκόσμιες διασκέψεις. Η ITU ετοιμάζει σε λίγο καιρό τη δημοσίευση ενός εγγράφου πιστοποίησης και προσδιορισμού σχετικό με τα 4G συστήματα και τεχνολογίες. Έχει συμβουλευτεί τρέχουσες διαβουλεύσεις της παγκόσμιας κοινότητας κατά τη διάρκεια πολλών ετών υπό την επίβλεψη ενός θέματος εργασίας γνωστού ως Question ITU-R 229-1/8 Future development of IMT-2000 and systems beyond IMT- 2000. Αυτή η εργασία στο WP 8F έχει υφάνει ένα νέο πρότυπο για το μέλλον πέρα από το 3G και αποτελεί μια ισορροπία και τομή μεταξύ των τομέων της Τεχνολογίας, του Φάσματος, της Αγοράς και των Υπηρεσιών. Μαζί με μερικές απαιτούμενες ρυθμίσεις διαμορφώνεται η συνταγή για μια σωστή εμπορική επιτυχία στις ασύρματες επικοινωνίες. Η σημαντική αυτή εργασία του καθορισμού ενός πρότυπου κανόνων για τα 4G συστήματα έχει ολοκληρωθεί από το ITU-R. Συγκεκριμένα το όνομα 4G καθιερώθηκε από το 2005 στο IMT- Advanced. Οι καινοτόμες ιδέες, οι έρευνες και οι δραστηριότητες σε παγκόμσιο επίπεδο ώθησαν την εξέλιξη της ασύρματης τεχνολογίας σε υψηλότερο επίπεδο συμβαδίζοντας με τις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις για προηγμένη σε όλους τους τομείς επικοινωνία. Στις αρχές του 2008, η ITU-R μετέφρασε το όραμα και το πλαίσιο αυτής της προσπάθειας σε ένα σύνολο τεχνολογιών ώστε τα συστήματα να μπορούν, στο εγγύς μέλλον, να καθοριστούν με τον ανάλογο τρόπο και να κερδίσουν το δικαίωμα να αναδειχθούν ως 4G συστήματα. Κατά τη διάρκεια 2008 με 2009, η ITU-R κάλεσε ανοιχτά τους υποψήφιους των 4G συστημάτων για την αξιολόγηση των τεχνολογιών και των συστημάτων που έχουν αναπτύξει. Μια τέτοια κίνηση τεχνολογικής ανάπτυξης, ελκύει παγκόσμιο ενδιαφέρον και περιλαμβάνει σχεδόν όλες τις πτυχές της αγοράς, μιας αγοράς που θα προκύψει μετά το 2010, και κατά συνέπεια θα συμπληρωθεί και θα επεκταθεί πάνω σε μία ανεπτυγμένη και ωριμασμένη 3G τεχνολογική πλατφόρμα. 22

ΣΧΗΜΑ 3.ΠΟΡΕΙΑ ΕΞΕΛΙΞΗΣ 4G. 23

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2. WIMAX & LTE 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ WIMAX Κατά τη περίοδο των τελευταίων ετών, υπάρχει μία συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για την πρόσβαση στο διαδίκτυο μέσω κινητών συσκευών. Η βιομηχανία ασύρματων επικοινωνιών έχει προσπαθήσει σκληρά για να καθορίσει μια νέα εναέρια διεπαφή επικοινωνίας η οποία να παρέχει ένα πλαίσιο για τις υψηλής κινητικότητας ευρυζωνικές υπηρεσίες, αύξηση της γενικής ικανότητας των συστημάτων, μείωση των σφαλμάτων και βελτίωση της φασματικής απόδοσης και της αποδοτικότητας στα σύνορα των κυψελών (cell edge efficiency). Δύο νέες τεχνολογίες, το IEEE 802.16 WiMAX και το 3GPP LTE αποσκοπούν να παράσχουν κινητές υπηρεσίες φωνής, βίντεο και δεδομένων, με την προώθηση προτύπων υπηρεσιών χαμηλότερου κόστους και μοντέλων υπηρεσιών, διαμέσου φιλικών αρχιτεκτονικών και πρωτοκόλλων του διαδικτύου. Και οι δύο αυτές οι τεχνολογίες θεωρούνται υποψήφιες για τη τέταρτη γενεά (4G) κινητών επικοινωνιών. Σε αυτό το κεφάλαιο θα προσπαθήσουμε να κάνουμε μια λεπτομερή σύγκριση των προτύπων LTE και WiMAX. Κατά σειρά ξεκινάμε με μια συνοπτική ιστορία και επισκόπηση των τεχνολογιών WiMAX και LTE. Στη συνέχεια εκτελούμε μια λεπτομερή σύγκριση στην αρχιτεκτονική των συστημάτων και συζητάμε τη συνεχή ενσωμάτωση των LTE και WiMAX στα εξελιγμένα 3GPP δίκτυα. Ακολουθεί μία λεπτομερής μελέτη σχετικά με τις ραδιοδιεπαφές όπως οι τρόποι πρόσβασης, η ευρυζωνική μετάδοση, οι υποστηριζόμενες ζώνες συχνοτήτων, οι τεχνικές κεραιών και διάφορα άλλα χαρακτηριστικά γνωρίσματα συμπεριλαμβανομένων των μηχανισμών ελέγχου, ποιότητας των υπηρεσιών (QoS) και ασφαλείας. Η βιομηχανία επικοινωνιών έχει διατυπώσει νέα πρότυπα για τη δημιουργία και παράδοση μιας αποτελεσματικής ευρυζωνικής πρόσβασης με υψηλές ταχύτητες σε μια ενιαία εναέρια διεπαφή και αρχιτεκτονική με χαμηλότερο κόστος στους παρόχους και στους τελικούς χρήστες. Δύο πρότυπα, τα 24

IEEE 802.16 (WiMAX) και 3GPP LTE οδηγούν το σύνολο προς τη διαμόρφωση των προτύπων της νέας γενιάς των κινητών επικοινωνιών. Το WiMAX ή αλλιώς "Worldwide Interoperability for Microwave" είναι βασισμένο στο πρότυπο ασύρματης τεχνολογίας, κατά IEEE, 802.16-2004 (σταθερές ασύρματες εφαρμογές) και 802.16e- 2005 (ραδιοεπικοινωνίες) και παρέχει υψηλούς ρυθμούς ρυθμαπόδοσης σε ευρείας ζώνης ζεύξεις (broadband) σε μεγάλες αποστάσεις. Το industry trade group WiMAX Forum TM έχει καθορίσει το WiMAX ως εναλλακτική λύση πρόσβασης του "τελευταίου μιλίου" στην ευρυζωνική ασύρματη πρόσβαση (broadband wireless access BWA), εναλλακτική των DSL, E1/T1 και καλωδιακών συνδέσεων μέσω modem. Το WiMAX (IEEE 802.16) προέρχεται από την οικογένεια των πρωτοκόλλων IEEE και επεκτείνει την ασύρματη πρόσβαση από το δίκτυο τοπικής περιοχής (βασισμένο στο πρότυπο IEEE 802.11) στα δίκτυα μητροπολιτικής περιοχής (MAN) και ευρείας περιοχής (WAN). Xρησιμοποιεί μια νέα φυσική ραδιοτεχνολογία πρόσβασης αποκαλούμενη OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) τόσο σε uplink όσο και σε downlink σύνδεση. Ενώ οι αρχικές εκδόσεις 802.16-2004 επικεντρώθηκαν στη σταθερή και νομαδική πρόσβαση, η πιο πρόσφατη έκδοση 802.16-2005, η οποία είναι τροποποίηση της 802.16-2004, περιλαμβάνει πολλά νέα χαρακτηριστικά γνωρίσματα και λειτουργίες που απαιτούνται για την υποστήριξη παραμετροποιήσιμου QoS και υψηλής κινητικότητας ευρυζωνικές υπηρεσίες με ταχύτητες μετακίνησης μεγαλύτερες των 120 Km/h. Το 802.16-2004 ονομάζεται επίσης και 802.16d. Αναφέρεται και ως σταθερό WiMAX (fixed WiMAX) ενώ το 802.16-2005 αναφέρεται ως 802.16e ή κινητό WiMAX (mobile WiMAX). Το κινητό WiMAX χρησιμοποιεί δίκτυο κορμού βασισμένο στο IP με uplink και downlink συνδέσεις ικανότητας μετάδοσης έως 75 Mbps ανάλογα την παραμετροποίηση και τη διαμόρφωση των κεραιών, πρακτικά όμως σε ακτίνα 6 χιλιομέτρων αποδίδει περί τα 10 Mbps. Οι πρόωρες μελέτες του WiMAX εγκρίθηκαν με TDMA TDD και FDD, με (Line of Sight LoS) μετάδοση οπτικής επαφής στο φάσμα συχνοτήτων 10-66GHz που αργότερα επεκτάθηκε και περιέλαβε τη λειτουργία από τα 2 έως τα 11GHz για (NLoS) μεταδόσεις εκτός οπτικής επαφής χρησιμοποιώντας το σταθερό και αξιόπιστο φυσικό στρώμα OFDMA με υποκαναλοποίηση, επιτρέποντας έτσι τη δυναμική κατανομή των πόρων χρόνου και συχνότητας σε πολλαπλάσιους χρήστες. Τo 802.16m (Mobile WiMAX Release 2) είναι αυτή την περίοδο επικεντρωμένο στη μελέτη και παραγωγή συστημάτων επόμενης γενεάς με έναν 25

στόχο: την όσο δυνατόν καλύτερη παραμετροποίηση τους για τη βελτίωση της ενδοεπικοινωνίας και της συνύπαρξη τους με άλλες τεχνολογίες πρόσβασης όπως συσκευές κινητής τηλεφωνίας 3G, Wifi και Bluetooth καθώς και τη μεγιστοποίηση των ορίων μετάδοσης ώστε να καλύψουν τα πρότυπα του 4G που τέθηκαν από την ITU στο IMT Advanced, τα οποία απαιτούν 100 Mbps για υψηλή κινητικότητα και 1 Gbps για σταθερή / νομαδική ασύρματη πρόσβαση. Τα IEEE ασύρματα πρότυπα έχουν ένα όριο απόστασης των 30 μιλίων (περίπου 48km), και μπορούν να υποστηρίξουν στην ευρεία αυτή ζώνη ταχύτητες της τάξεως των 75Mbps. Αυτό είναι θεωρητικά, 20 φορές μεγαλύτερο από το μέσο όρο της εμπορικά διαθέσιμης ασύρματης πρόσβασης. Το πρότυπο 802.16 WiMax δημοσιεύτηκε τον Μάρτιο του 2002 και παρείχε πληροφορίες για την τεχνολογία του Metropolitan Area Network (MAN). Αργότερα, επέκτεινε τα όρια των line-of-sight fixed wireless MAN από το φάσμα των 10 GHz στα 60 + GHz. Η χωρίς οπτική επαφή πρόσβαση ορίζεται σε μπάντες χαμηλών συχνοτήτων όπως 2-11 GHz. Αυτές οι ζώνες είναι μερικές φορές χωρίς άδεια. Αυτό ωθεί επίσης τη μέγιστη απόσταση από 30 στα 50 μίλια (80km περίπου) και υποστηρίζει PMP (point to multipoint) και τεχνολογίες πλέγματος (mesh technologies). Το WiMAX έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει τις διάφορες υπάρχουσες υποδομές τηλεπικοινωνιών. Σε μια σταθερή ασύρματη διαμόρφωση μπορεί να αντικαταστήσει το τηλέφωνο (δίκτυα καλωδίων χαλκού για χρήση σταθερής τηλεφωνίας), την καλωδιακή τηλεόραση ενώ ταυτόχρονα προσφέρει υπηρεσίες διαδικτύου (ISP). Στην κινητή παραλλαγή του, WiMAX έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει τα κυψελωτά δίκτυα. 26

ΣΧΗΜΑ 4.ΤΟ WIMAX ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΕΠΗΡΕΑΣΕΙ ΟΛΟΥΣ ΤΟΥΣ ΥΠΑΡΧΟΝΤΕΣ ΤΡΟΠΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ 2.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΝΩΡΙΣΜΑΤΑ WIMAX Το WiMAX είναι μια ασύρματη ευρυζωνική λύση που προσφέρει ένα πλούσιο σύνολο χαρακτηριστικών γνωρισμάτων με πολύ ευελιξία από την άποψη των επιλογών επέκτασης και των πιθανών προσφερόμενων υπηρεσιών. Μερικά από τα σημαντικότερα γνωρίσματα που αξίζουν να αναφερθούν είναι τα ακόλουθα: Φυσικό στρώμα βασισμένο στη τεχνολογία OFDM: Το φυσικό στρώμα WiMAX (PHY) είναι βασισμένο στην orthogonal frequency division multiplexing, ένα σχήμα που μπορεί να υποστηρίξει καλά ένα σύστημα με πολλά κανάλια μετάδοσης, και επιτρέπει στο Wimax να λειτουργεί σε συνθήκες NLOS (No Line Of Sight). Η OFDM είναι τώρα ευρέως 27

αναγνωρισμένη ως μέθοδος καταστολής της πολυδιαδρομικής διάδοσης σε ευρυζωνικά ασύρματα δίκτυα. Πολύ υψηλές ταχύτητες διαμεταγωγής: Το WiMAX είναι σε θέση να υποστηρίξει πολύ υψηλές ταχύτητες διαμεταγωγής δεδομένων. Στην πραγματικότητα, οι τιμές μπορεί να αγγίξουν τα 74Mbps σε φάσμα των 20MHz. Χαρακτηριστικά, χρησιμοποιώντας 10MHz φάσμα με μέθοδο αμφιδρόμησης TDD με αναλογία 3:1 σε down-up διάδοση, η μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης είναι 25Mbps και 6.7Mbps αντίστοιχα. Οι τιμές αυτές επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας 64 QAM κωδικοποίηση με ECC (error correction coding) 6 5. Υπό πολύ καλές συνθήκες διάδοσης σήματος, ακόμα μεγαλύτερες τιμές μετάδοσης μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας πολλαπλές κεραίες και χωρική αμφιδρόμηση. Κλιμάκωση εύρους ζώνης και υποστήριξης ταχύτητας διαμεταγωγής: To Wimax έχει κλιμακωτή υποδομή του φυσικού του στρώματος η οποία επιτρέπει την ευκολία κλιμάκωσης της ταχύτητας διαμεταγωγής σε συγκεκριμένο εύρος ζώνης διαύλου. Η κλιμάκωση αυτή υποστηρίζεται από την OFDMA όπου ο FFT (fast fourier transform) 28 αυξομειώνεται αναλόγως το διαθέσιμο εύρος διαύλου. Για παράδειγμα ένα Wimax σύστημα μπορεί να χρησιμοποιεί 128-, 512- ή 1024-bit FFTs σε κανάλια με εύρος 1,25MHz, 5MHz ή 10MHz αντίστοιχα. Η κλιμάκωση μπορεί να γίνει δυναμικά για την υποστήριξη των κινούμενων χρηστών μέσα σε διαφορετικά δίκτυα τα οποία μπορεί να έχουν διαφορετική υποστήριξη εύρους ζώνης. Προσαρμοστική διαμόρφωση και κωδικοποίηση (AMC - Adaptive Modulation and Coding): Το Wimax υποστηρίζει έναν αριθμό σχημάτων και FEC (Forward Error Correction) και επιτρέπει την προσαρμογή του αναλόγως τους χρήστες, τα πλαίσια μεταγωγής και τις συνθήκες του καναλιού διάδοσης. Η AMC είναι ένας αποτελεσματικός μηχανισμός για την μεγιστοποίηση του ρυθμού μετάδοσης σε ένα χρονικά μεταβαλλόμενο κανάλι. Ο αλγόριθμος προσαρμογής συνήθως χρησιμοποιεί το υψηλότερο σχήμα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης που μπορεί να υποστηριχθεί από το SNR & SIR του δέκτη, έτσι ώστε ο κάθε χρήστης να μπορεί να επωφεληθεί με το μέγιστο πιθανό ρυθμό μετάδοσης που μπορεί η σύνδεσή του να υποστηρίξει. Διαγράφηκε: μαγελύτερες Διαγράφηκε: ς

Link-Layer αναμεταδόσεις: Για συνδέσεις που απαιτούν υψηλή αξιοπιστία, το Wimax υποστηρίζει ARQ στο επίπεδο διασύνδεσης (Link Layer). Οι ενεργοποιημένες ARQ διορθώσεις απαιτούν κάθε πακέτο που μεταδίδεται να επιβεβαιώνεται από τον αποδέκτη. Μη επιβεβαιωμένα πακέτα θεωρούνται χαμένα και επαναμεταδίδονται. Επίσης υποστηρίζει και το hybrid-arq το οποίο είναι ένα αποτελεσματικό υβρίδιο μεταξύ FEC & ARQ. Υποστήριξη FDD & TDD: Τα πρότυπα IEEE 802.16-2004 και IEEE 802.16e-2005 υποστηρίζουν και τις δύο (2) μεθόδους αμφιδρόμησης FDD & TDD, καθώς επίσης και halfduplex FDD, η οποία απαιτεί χαμηλού κόστους υλοποίηση συστήματος. Η TDD είναι προτιμητέα σε μία πληθώρα εφαρμογών εξαιτίας των πλεονεκτημάτων της: (1) ελαστικότητα στην επιλογή downlink & uplink ταχύτητας μετάδοσης (2) δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί η αμοιβαιότητα καναλιών (3) δυνατότητα εφαρμογής σε unpaired φασμα και (4) εύκολος σχεδιασμός του πομποδέκτη. Όλα τα αρχικά προφίλ του Wimax είναι βασισμένα στην TDD, με εξαίρεση δύο σταθερών προφίλ του στα 3.5GHz. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA): Το Wimax σε κινητές επικοινωνίες χρησιμοποιεί OFDM ως τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με την οποία διαφορετικοί χρήστες μπορούν να διαμοιραστούν σε διαφορετικές συχνότητες της OFDM. Η OFDMA διευκολύνει την εκμετάλλευση της διαφορισιμότητας της συχνότητας και των πολλών χρηστών για να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα χωρητικότητα των συστημάτων. Ελαστική και δυναμική ανά χρήστη κατανομή πόρων: Η κατανομή των πόρων τόσο για τη Uplink όσο και για τη Downlink ελέγχεται από έναν χρονοπρογραμματιστή στο σταθμό βάσης. Η χωρητικότητα διανέμεται μεταξύ των πολλαπλών χρηστών κατά απαίτηση, χρησιμοποιώντας ένα TDM πρότυπο. 29 Όταν χρησιμοποιούμε την OFDM έχουμε ως επιπρόσθετο χαρακτηριστικό στη διάσταση των συχνοτήτων την αμφιδρόμηση με τη διάθεση διαφορετικών υποσυνόλων των OFDM υποφορέων σε διαφορετικούς χρήστες. Οι πόροι μπορεί να διατεθούν στη χωρική περιοχή με το ίδιο τρόπο όπως όταν χρησιμοποιούμε AAS (Advanced Antenna Systems). Το πρότυπο επιτρέπει τη διάθεση των πόρων του εύρους φάσματος στο χρόνο, στη συχνότητα και στο χώρο και διαθέτει ένα ευέλικτο μηχανισμό για τη μεταβίβαση των πληροφοριών της κατανομής των πόρων πλαίσιο ανά πλαίσιο.

Υποστήριξη τεχνικών έξυπνων κεραιών: Η λύση Wimax έχει έναν αριθμό από σημεία αναφοράς ενσωματωμένα στο φυσικό υπόστρωμά του, τα οποία επιτρέπουν τη χρήση κεραιών με τεχνικές αμφιδρόμησης, όπως beamforming, χωρικής αμφιδρόμησης και κωδικοποίησης χώρου και χρόνου. Αυτά τα σχήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της συνολικής χωρητικότητας του συστήματος και της φασματικής απόδοσης με την ενσωμάτωση πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή και στον δέκτη. Υποστήριξη QoS: To MAC στρώμα του Wimax έχει μία αρχιτεκτονική προσανατολισμένη σε συνδέσεις η οποία έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίξει ποικιλία εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων υπηρεσιών φωνής και πολυμέσων. Το σύστημα προσφέρει υποστήριξη για constant & variable bit rate, για ροές δεδομένων σε πραγματικό και μη χρόνο, και επιπροσθέτως μετάδοση δεδομένων best-effort. Επίσης είναι σχεδιασμένο για να υποστηρίζει μεγάλο αριθμό χρηστών με πολλαπλές συνδέσεις ανά τερματικό, κάθε μία με τη δική της απαίτηση για QoS. Στιβαρή ασφάλεια: Το Wimax υποστηρίζει ισχυρή κρυπτογράφηση, χρησιμοποιώντας AES (Advanced Encryption Standard), διαθέτοντας ένα στιβαρό υπόβαθρο απόκρυψης και διαχείρισης κλειδιών. Το σύστημα επίσης προσφέρει πολύ εύκαμπτη αρχιτεκτονική αυθεντικοποίησης στηριγμένη στο EAP (Extensible Authentication Protocol) το οποίο επιτρέπει ποικιλία δικαιωμάτων στους χρήστες συμπεριλαμβανομένου των username/password, ψηφιακών πιστοποιητικών και έξυπνων καρτών. Υποστήριξη κινητικότητας: Το Wimax στις κινητές τηλεπικοινωνίες παρέχει μηχανισμούς που υποστηρίζουν μεταδόσεις απαράμιλλης ασφάλειας και ανοχής σε καθυστέρηση. Το σύστημα έχει ενσωματωμένους μηχανισμούς υποστήριξη για καλύτερη εκμετάλλευση της ενέργειας, οι οποίοι επεκτείνουν τη διάρκεια της μπαταρίας των συνδρομητών. Βελτιώσεις φυσικού επιπέδου όπως συχνότερη εκτίμηση καναλιού, uplink sub-channelization και έλεγχο ενέργειας που προσδίδουν πλεονεκτήματα στη λειτουργία και υποστήριξη εφαρμογών κινητής επικοινωνίας. 30