Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές

Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές
ΠΜΣ: Τεχνολογίες Υπολογισμού και Δικτύων Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Υπολογιστών ΠΔΑ

Στόχοι Στόχοι του μαθήματος:
Η κατανόηση των σύγχρονων εξελίξεων στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών Καταγραφή του State of the art σε όλα τα επίπεδα δικτύου Έμφαση στις τεχνολογίες LTE, LTE-Advanced Διερεύνηση του τοπίου των τεχνολογιών 5G Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Συγγράμματα και βοηθήματα
Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών 4G: LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Τρόποι αξιολόγησης Γραπτές εξετάσεις (65%-70%)
4G: LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband Εργασίες (30-35%) Παρουσίαση ενός paper σε θέματα 4G, 5G τεχνολογιών Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η εξέλιξη με μία ματιά Σύντομη περιγραφή των γενιών δικτύων
Οι τεχνολογίες κινητών χωρίζονται σε κατηγορίες Ο US Federal Communications Commission(FCC) ενέκρινε την πρώτη εμπορικά διαθέσιμη τηλεφωνία για οχήματα (carborne) το 1946, (AT&T). Το 1947 η AT&T εισήγαγε επίσης την ιδέα της κυψελωτής δομής για την επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων (frequency reuse) που αποτέλεσε θεμελιώδες βήμα για όλες τις επόμενες γενιές. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η εξέλιξη με μία ματιά 1G Η άνθιση της κινητής τηλεφωνίας θα μπορούσε να επιτευχθεί αν γινόταν μία υπόθεση διεθνούς κλίμακας (πολλοί operators διαφορετικών χωρών). Τα πρώτα συστήματα εγκαταστάθηκαν στις αρχές του 1980s. Τα πιο γνωστά είναι το NMT (Nordic countries), AMPS (North America), TACS (Europe), και J-TACS (Japan). Με το NMT εισήχθη το concept του “roaming – περιαγωγή,” παρέχοντας μία υπηρεσία για χρήστες που ταξιδεύουν σε περιοχές εκτός της ευθύνης του “home” operator. Το roaming προσέλκυσε περισσότερους παίχτες στην αγορά αυτή. Η αναλογική πρώτη γενιά συστημάτων κυψελωτής επικοινωνίας υποστήριζε “plain old telephony services” (POTS) δηλαδή φωνή με κάποιες επιπρόσθετες απλές υπηρεσίες. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η εξέλιξη με μία ματιά 2G – 2.5 G
Στα μέσα του 80, το GSM (Global System for Mobile Communications) project ξεκίνησε με στόχο την ανάπτυξη ενός πανευρωπαϊκού συστήματος κινητής τηλεφωνίας με πρωτοβουλία του European Telecommunication Standards Institute (ETSI). Το GSM πρότυπο βασίστηκε στην τεχνική Time-Division Multiple Access(TDMA). Ένα παρόμοιο πρότυπο βασισμένο σε Code-Division Multiple Access(CDMA) με την ονομασία IS-95 ολοκληρώθηκε στις ΗΠΑ το 1993. Αυτά τα πρότυπα στόχευαν σε υπηρεσίες φωνής «χαμηλού εύρους ζώνης». Με την έλευση της δεύτερης ψηφιακής γενιάς κινητής τηλεφωνίας έγινε το πρώτο βήμα για την παροχή υπηρεσιών δεδομένων πάνω από δίκτυα κινητών επικοινωνιών. Οι πρωταρχικές υπηρεσίες δεδομένων που εισήχθησαν στο 2G ήταν τα μηνύματα κειμένου (Short Message Services,SMS) και υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος για την αποστολή και άλλων εφαρμογών αρχικά στους χαμηλούς ρυθμούς των 9.6 kbit/s. Υψηλότεροι ρυθμοί έγιναν δυνατοί στα εξελιγμένα 2G συστήματα αναθέτοντας περισσότερες χρονοθυρίδες σε ένα χρήστη. Η Μεταγωγή πακέτου πάνω στα κυψελωτά συστήματα GSM έγινε πραγματικότητα με το General Packet Radio Services(GPRS) στα μέσα του 90. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η εξέλιξη με μία ματιά 3G Με την έλευση του 3G και της διεπαφής υψηλού εύρους ζώνης UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) νέες δυνατότητες για ένα εύρος υπηρεσιών παρέχονται. Η ανάπτυξη της 3G/UTRA πραγματοποιείται στο πλαίσιο του 3GPP (Third Generation Partnership Project) Τα πρώτα βήματα έγιναν στις αρχές του 1990, πολύ πριν σχηματισθεί ο οργανισμός 3GPP. H μετάβαση στο 3G έγινε με γνώμονα τη διεθνοποίηση των κυψελωτών προτύπων. Το GSM ήταν ένα πανευρωπαϊκό πρόγραμμα, αλλά γρήγορα προσέλκυσε το ενδιαφέρον παγκοσμίως όταν το GSM υλοποιήθηκε σε μεγάλο μέρος χωρών εκτός της Ευρώπης. Ένα παγκόσμιο πρότυπο επιτυγχάνει οικονομία κλίμακας. Αυτή η εξέλιξη οδήγησε σε πολύ στενή διεθνή συνεργασία για τις τεχνολογίες 3G σε σχέση με τις προηγούμενες γενιές. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η εξέλιξη με μία ματιά Οι πρώτες πρωτοβουλίες για το 3G
Ξεκίνησε από την ITU (International Telecommunication Union) (IMT-2000 program) 230 MHz φάσματος δόθηκαν στο IMT Από αυτά, 2x60 MHz δόθηκαν σαν ζευγάρια για FDD (Frequency-Division Duplex) και 35 MHz σαν για TDD (Time-Division Duplex), σε επίγεια χρήση. Κάποιο μέρος του φάσματος κρατήθηκε για δορυφορικές υπηρεσίες. Στην Ευρώπη, ένας αριθμός από χρηματοδοτούμενα έργα της κοινότητας κατέληξαν στο πρότυπο πολλαπλής πρόσβασης που περιέχεται στο Wideband CDMA. Η συγχώνευση των Wideband CDMA προτάσεων από Ευρώπη και Ιαπωνία αποτέλεσε τη βάση του Universal Mobile Telecommunication Services (UMTS), το Ευρωπαϊκό όνομα για το 3G. Η προτυποποίηση του WCDMA συνεχίστηκε παράλληλα σε διάφορα standards groups μέχρι το τέλος του 1998, όταν το Third Generation Partnership Project(3GPP) σχηματίστηκε ως κοινοπραξία επιχειρήσεων και οργανισμών από όλο τον κόσμο. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η εξέλιξη με μία ματιά ITU Δραστηριότητες Το ITU-R Working Party 5D(WP5D) έχει την ευθύνη για τα IMT συστήματα που είναι η ομπρέλα για το 3G (IMT-2000) και το 4G (IMT-Advanced) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Οι οδηγοί για το LTE Τεχνολογικές εξελίξεις
Γίνεται πραγματικότητα λόγω της τεχνολογικής εξέλιξης των κινητών συστημάτων. Το οικονομικό περιβάλλον (ανταγωνισμός μεταξύ των παρόχων, προκλήσεις από άλλες τεχνολογίες, αδειοδότηση φάσματος) Επιταχύνθηκε λόγω της αναβάθμισης του δικτύου κορμού (δίκτυα οπτικών ινών). Η ταχεία άνθιση του internet, το φυσικό επόμενο βήμα είναι η μετακίνηση των πιο δημοφιλών υπηρεσιών στις κινητές συσκευές (mobile broadband). Δυναμική των εφαρμογών Τα “smartphones” επιτάχυναν την εξέλιξη διότι συνδυάζουν δυνατότητες multimedia με εφαρμογές που απαιτούν υψηλές ταχύτητες. Η εγκαθίδρυση ευρυζωνικών υπηρεσιών σε κινητά συστήματα πρέπει να συντελεστεί και μια γεύση κινητικότητας. Η θέση του κινητού και οι δυνατότητες κινητικότητας και περιαγωγής δημιουργούν μία νέα γκάμα υπηρεσιών κομμένων και ραμμένων στο κινητό περιβάλλον (navigators, google maps, κτλ). Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η μετάβαση από το κύκλωμα στο πακέτο
Η σταθερή τηλεφωνία (POTS) και οι πρώτες γενιές κινητών βασίστηκαν στη μεταγωγή κυκλώματος για υπηρεσίες φωνής. Οι πρώτες υπηρεσίες δεδομένων πάνω από το GSM (2G) ήταν μεταγωγής κυκλώματος, με την αλλαγή σε μεταγωγή πακέτου να λαμβάνει χώρα στο GPRS (2.5 G). To 3G έκανε χρήση μεταγωγής κυκλώματος για τη φωνή και μεταγωγή πακέτου για τις υπηρεσίες δεδομένων. Η εξέλιξη του 3G στο HSPA και αργότερα στο LTE/LTE-Advanced έθεσαν τις υπηρεσίες μεταγωγής πακέτου και IP τον πρωτεύοντα παράγοντα για τη σχεδίαση του δικτύου. Τα παλιά κυκλώματα παραμένουν, αλλά ο τελικός στόχος είναι φωνή πάνω από IP, με το γνωστό Voice-over IP (VoIP) ως βασικό παράδειγμα. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Σχεδίαση για τις υπηρεσίες
Data rate: Πολλές υπηρεσίες χαμηλού ρυθμού (π.χ. voice services) είναι σημαντικές και καταλαμβάνουν μεγάλο μέρος της χωρητικότητας του δικτύου. Η συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη για εφαρμογές υψηλού ρυθμού (web browsing, streaming, and file transfer) ωθεί το μέγιστο ρυθμό των mobile συστημάτων από kbit/s (2G) σε Mbit/s (3G) προσεγγίζοντας ακόμα και Gbit/s (4G). Delay: Οι διαλογικές υπηρεσίες (Interactive services) όπως τα παιχνίδι πραγματικού χρόνου, το web browsing, και η interactive μεταφορά αρχείων έχουν απαιτήσεις μικρής καθυστέρησης. Υπάρχουν και υπηρεσίες όπως το όπου η καθυστέρηση δεν είναι κρίσιμη. Η καθυστέρηση για ένα πακέτο που στέλνεται από ένα server σε ένα client και τούμπαλιν λέγεται latency. Capacity: Από την πλευρά του παρόχου δεν έχει σημασία μόνο ο μέγιστος ρυθμός που προσφέρεται στους χρήστες, αλλά και ο συνολικός ρυθμός που μπορεί κατά μέσο όρο να προσφερθεί από κάθε σταθμό βάσης. Στην περίπτωση χαμηλής χωρητικότητας σε ένα mobile σύστημα το Quality-of-Service (QoS) για τους χρήστες θα υποβαθμιστεί. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Σχεδίαση για τις υπηρεσίες
Η απαίτηση για νέες υπηρεσίες και για υψηλότερη χωρητικότητα δεν είναι μόνο αποτέλεσμα της εξέλιξης της τεχνολογίας σε 4G. Υπάρχει και μία συνεχής απαίτηση για περισσότερο φάσμα που οδηγεί σε περισσότερο ανταγωνισμό μεταξύ των παρόχων. Στην αρχική εγκατάσταση του 3G και κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του 4G, υπήρξε ανταγωνισμός και μεταξύ των προτεινόμενων τεχνολογιών. Αν και υπάρχουν ακόμα συστήματα όπως το CDMA2000 και το WiMax σε λειτουργία, η πλειονότητα των 3G και 4G αναπτύσσεται μέσω των 3G HSPA και των 4G LTE-Advanced συστημάτων που τυποποιούνται από το 3GPP. Με τη χρήση περισσότερου φάσματος υπάρχει η ανάγκη της λειτουργίας σε ένα μεγάλο αριθμό διαφορετικών ζωνών συχνότητας (frequency bands) διαφορετικού μεγέθους και πολλές φορές σε ένα κατακερματισμένο φάσμα. Αυτό απαιτεί μεγάλη ευελιξία φάσματος και δυνατότητα μεταβολής του εύρους ζώνης του καναλιού, μία σημαντική παράμετρος για τη σχεδίαση του LTE. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Προτυποποίηση του LTE Ο 3GPP γράφει τα χαρακτηριστικά των 2G, 3G, και 4G mobile συστημάτων, και οι 3GPP τεχνολογίες έχουν ευρέως εγκατασταθεί στον κόσμο (90% των 6.4 δις συνδρομητών στο πρώτο τέταρτο του 2013) Η διαδικασία τυποποίησης είναι διαφορετική στα διάφορα fora, αλλά συνήθως περιλαμβάνει τις τέσσερις φάσεις. Requirements, (αποφασίζεται τι θα επιτευχθεί από το πρότυπο). Architecture, (αποφασίζονται τα δομικά στοιχεία και οι διεπαφές). Detailed specifications, (καθορίζεται αναλυτικά η κάθε διεπαφή) Testing and verification (έλεγχος των διεπαφών σε πραγματικό περιβάλλον). Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η 3GPP διαδικασία Το 3GPP είναι ένα συνεταιρικό πρόγραμμα που αποφασίστηκε μεταξύ των οργανισμών τυποποίησης ETSI, ARIB, TTC, TTA, CCSA, and ATIS. Ο 3GPP αποτελείται από τέσσερα Technical Specifications Groups(TSGs) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Οι πιο σημαντικές LTE διανομές
Θα συζητηθούν τα χαρακτηριστικά σε επόμενες διαφάνειες Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Υψηλοί ρυθμοί Θεμελιώδεις περιορισμοί
Χωρητικότητα καναλιού C (Shannon’s theorem) BW=Εύρος ζώνης, S=Ισχύς σήματος, N=Ισχύς θορύβου που ισούται με N0*BW, όπου N0 είναι η φασματική κατανομή ισχύος του θορύβου (power spectral density) μετρούμενη σε W/Hz Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Υψηλοί ρυθμοί Αξιοποίηση εύρους ζώνης(γ=R/BW)
Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Υψηλοί ρυθμοί Σενάρια περιορισμού από το θόρυβο
Οι ρυθμοί σε αυτή την περίπτωση περιορίζονται πάντα από τη διαθέσιμη ισχύ στη λήψη ή εν γένει από το λόγο SNR. Η αύξηση του ρυθμού σε δεδομένο εύρος ζώνης απαιτεί τουλάχιστον αντίστοιχη αύξηση της ισχύος στη λήψη. Στην περίπτωση ελλιπούς αξιοποίησης του εύρους ζώνης κάθε περαιτέρω αύξηση του ρυθμού απαιτεί προσεγγιστικά την ίδια σχετική αύξηση της ισχύος. Στην περίπτωση μεγάλης αξιοποίησης του εύρους ζώνης κάθε επιπλέον αύξηση στο ρυθμό απαιτεί πολύ μεγαλύτερη αύξηση της λαμβανόμενης ισχύος. Σε αυτή την περίπτωση ο υψηλός ρυθμός απαιτεί μικρότερη απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη (μικρότερη κυψέλη, πυκνή κάλυψη, μεγαλύτερο κόστος εγκατάστασης) Ένας άλλος τρόπος αύξησης της ισχύος στη λήψη για μία δεδομένη ισχύ εκπομπής είναι η χρήση επιπρόσθετων κεραιών στο δέκτη, η γνωστή διαφοροποίηση κεραιών στο δέκτη (receive-antenna diversity). Με κατάλληλο συνδυασμό των λαμβανομένων σημάτων στις διαφορετικές κεραίες ο λόγος SNR μπορεί να αυξηθεί ανάλογα με τον αριθμό των κεραιών, επιτρέποντας μεγαλύτερους ρυθμούς για δεδομένη απόσταση πομπού-δέκτη. Η χρήση πολλαπλών κεραιών και στους δύο (πομπός-δέκτης) επιτρέπει τη λεγόμενη χωρική πολυπλεξία (spatial multiplexing) που συχνά αναφέρεται ως MIMO(Multiple-Input MultipleOutput). Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Υψηλοί ρυθμοί Συστήματα που περιορίζονται από τις παρεμβολές (Interference limited scenarios) Στα πραγματικά συστήματα κινητών επικοινωνιών η παρεμβολή από εκπομπές γειτονικών κεραιών (inter-cell interference) είναι η επικρατέστερη πηγή του λεγόμενου radio-link impairment Αυτή η παρεμβολή είναι πιο έντονη σε εγκαταστάσεις μικρών κυψελών με μεγάλο φόρτο κίνησης. Εκτός της παρεμβολής μεταξύ κυψελών (inter-cell interference) μπορεί να υπάρξει παρεμβολή από άλλες εκπομπές μέσα στην ίδια κυψέλη (intra-cell interference). Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Υψηλοί ρυθμοί Συστήματα που περιορίζονται από τις παρεμβολές
Συστήματα που περιορίζονται από τις παρεμβολές Από πολλές απόψεις ο αντίκτυπος της παρεμβολής είναι παρόμοιος με αυτό του θορύβου. Ο μέγιστος ρυθμός καθορίζεται από το λόγο signal-power-to-interference-power ratio (S/(N+I)). Η μείωση του μεγέθους της κυψέλης θα μειώσει τον αριθμό των χρηστών και επομένως τη συνολική κίνηση ανά κυψέλη. Αυτό θα μειώσει το επίπεδο των παρεμβολών επιτρέποντας μεγαλύτερους ρυθμούς. Παρομοίως με τη λειτουργία αύξησης του SNR με τη χρήση πολλαπλών κεραιών, το ίδιο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται και στην περίπτωση του λόγου signal-to-interference μετά το συνδυασμό κεραιών. Η χρήση του beam-forming μέσω των πολλαπλών κεραιών θα εστιάσει την ισχύ εκπομπής στην κατεύθυνση του δέκτη στόχου, οδηγώντας στη μειωμένη παρεμβολή και βελτίωση του λόγου signal-to-interference στο σύστημα. Η παρεμβολή είναι καλύτερη από το θόρυβο. Για παράδειγμα, το επικρατέστερο σήμα παρεμβολής μπορεί να φτάνει από μία συγκεκριμένη κατεύθυνση επιτρέποντας στο δέκτη να το καταστείλει μέσω χωρικής επεξεργασίας ως συνέπεια της χρήσης των πολλαπλών κεραιών. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Διαμόρφωση υψηλής τάξης
Περιορισμένο εύρος ζώνης Οι ρυθμοί που είναι μεγαλύτεροι από το εύρος ζώνης απαιτούν αρκετά υψηλό signal to-noise και signal-to-interference λόγους στο δέκτη Το εύρος ζώνης είναι ένας δυσεύρετος και ακριβός πόρος. Υψηλό SNR και SIR μπορούν να επιτευχθούν σε περιβάλλοντα μικρών κυψελών με χαμηλό φορτίο κίνησης ή πολύ κοντά στο σταθμό βάσης Ένας εύλογος τρόπος να επιτύχουμε υψηλούς ρυθμούς για ένα δεδομένο εύρος ζώνης είναι η χρήση διαμόρφωσης υψηλής τάξης (higher-order modulation) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Διαμόρφωση υψηλής τάξης
Φασματική απόδοση Εξαρτάται από το Signal to Noise Ratio Η κωδικοποίηση καναλιού επιτρέπει επίσης τη χρήση τρόπων διαμόρφωσης υψηλής τάξης 6 bits/symbol 2 bits/symbol 4 bits/symbol Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Μεταβολές στην ισχύ εκπομπής
Το διαμορφωμένο σήμα έχει υψηλές μεταβολές της ισχύος κορυφής όταν χρησιμοποιούνται σχήματα διαμόρφωσης υψηλής τάξης Οι μεγάλες κορυφές επιβάλλουν τη χρήση ενισχυτή με μεγάλη γραμμικότητα (Η μη γραμμικότητα σκοτώνει το QAM) Η χρήση ενισχυτή μεγάλης γραμμικότητας αυξάνει την κατανάλωση ισχύος και το κόστος ιδιαίτερα του κινητού σταθμού Η εναλλακτική είναι η μείωση της μέση ισχύος (μειωμένη εμβέλεια) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Μεγάλο εύρος ζώνης Η αποδοτική χρήση του εύρους ζώνης απαιτεί υψηλό S/(N+I) λόγο (περιβάλλον μικρών κυψελών). Ένας από τους κύριους στόχους των κινητών επικοινωνιών είναι η πρόβλεψη υψηλών ρυθμών με καλή κάλυψη, επομένως η χρήση ευρέως φάσματος είναι αναγκαία Το φάσμα είναι ένας ακριβός πόρος, είναι δύσκολο να ανατεθεί φάσμα του κατάλληλου μεγέθους Η χρήση ευρέως φάσματος ισοδυναμεί με υψηλή πολυπλοκότητα (υψηλό κόστος και κατανάλωση) Το ευρύ φάσμα συνεπάγεται ευαισθησία στους παράγοντες υποβάθμισης κατά τη μετάδοση Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η φύση του καναλιού Η βασική ιδιότητα του καναλιού είναι η χρονική διασπορά που συμβαίνει όταν το σήμα μεταδίδεται μέσω πολλαπλών μονοπατιών. Η χρονική διασπορά οδηγεί στη διασυμβολική παρεμβολή (intersymbol interference) και κατ’ επέκταση σε μη σταθερή απόκριση του καναλιού στη συχνότητα. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι το κανάλι είναι ισχυρά χρονομεταβλητό Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η φύση του καναλιού Ο ρυθμός της μεταβολής του καναλιού σχετίζεται με το φαινόμενο Doppler και τη μεταβολή συχνότητας που επιβάλλει (fD=v/c*fc) Ο κύριος τρόπος αντιμετώπισης της χρονομεταβλητότητας του καναλιού είναι η εξίσωσή του στο δέκτη η οποία είναι αποτελεσματική για εύρη ζώνης της τάξης των 5 MHz (3G, WCDMA). Αν το εύρος ζώνης αυξηθεί (20 MHz, LTE) η πολυπλοκότητα της εξίσωσης γίνεται ιδιαιτέρως μεγάλη. Το OFDM, και αντίστοιχες τεχνικές απλού φέροντος είναι οι βέλτιστες λύσεις (θα τα δούμε παρακάτω) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Μετάδοση πολλαπλών φερόντων
Ένας τρόπος για την αύξηση του εύρους ζώνης που λύνει το πρόβλημα της αλλοίωσης του σήματος. Πολλαπλά σήματα μικρού εύρους ζώνης (subcarriers - υποφέροντα) πολυπλέκονται στη συχνότητα για την αξιοποίηση του εύρους ζώνης. Η επίδραση του καναλιού εξαρτάται από το εύρος ζώνης του κάθε subcarrier και όχι από το συνολικό εύρος ζώνης. Το κύριο μειονέκτημα είναι η λιγότερο αποτελεσματική αξιοποίηση του εύρους ζώνης (λόγω του κενού μεταξύ των subcarriers). Ως τεχνική είναι ευαίσθητη σε υψηλούς λόγους κορυφής προς μέση τιμή (peak to average ratios, PAPR) επιβάλλοντας τη χρήση γραμμικού ενισχυτή ευρείας περιοχής και σε αυτή την περίπτωση. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

OFDM μετάδοση Η ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) είναι το σχήμα μετάδοσης που έχει επιλεγεί για το 3GPP LTE. Χρησιμοποιείται επίσης στο DVB, WiMax, WiFi (γενιά n και μετά) Είναι ένα είδος μετάδοσης πολλαπλών φερόντων (multi-carrier transmission) αλλά με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά Κάνει χρήση μεγάλου αριθμού υποφερόντων στενού εύρους ζώνης. Για παράδειγμα το HSPA multi-carrier αποτελείται από 4 bands των 5 MHz. Στο OFDM, ο αριθμός των subcarriers υπερβαίνει το100. Πυκνή τοποθέτηση των subcarriers. Δf=1/Tu, όπου Tu είναι η διάρκεια συμβόλου του κάθε subcarrier Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

OFDM μετάδοση Σχήμα παλμού και απόσταση υποφερόντων (subcarriers)

OFDM μετάδοση διαμορφωτής

OFDM μετάδοση Διαμορφωτής: Κατά τη διάρκεια κάθε συμβόλου OFDM, Nc σύμβολα μεταδίδονται παράλληλα μέσω των subcarriers. Τα σύμβολα μπορεί να ανήκουν σε οποιοδήποτε αλφάβητο (QPSK, 16-QAM, 64-QAM). Ο αριθμός των OFDM subcarriers μπορεί να κυμαίνεται από 100 μέχρι μερικές χιλιάδες (αντίστοιχα το spacing από εκατοντάδες kHz μέχρι μερικά kHz) Η απόσταση των subcarriers που πρέπει να χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από το περιβάλλον (χρονική διασπορά, Doppler διασπορά). Ο αριθμός των subcarriers υποδεικνύει το απαιτούμενο εύρος ζώνης. Το 3GPP LTE έχει 15 kHz ως βασική απόσταση υποφερόντων. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

OFDM μετάδοση Ο φυσικός πόρος παριστάνεται σαν ένα πλέγμα χρόνου - συχνότητας. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

OFDM αποδιαμόρφωση Βασίζεται στην ορθογωνιότητα μεταξύ των subcarriers. Η ορθογωνιότητα επηρεάζεται από το φαινόμενα του καναλιού (χρονική διασπορά, κανάλι επιλεκτικό στη συχνότητα) Για την αποφυγή των επιδράσεων του καναλιού χρησιμοποιούμε το κυκλικό πρόθεμα Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

OFDM με IFFT/FFT επεξεργασία
Η φύση του OFDM (απόσταση καναλιών, ρυθμός συμβόλων) επιτρέπει τη χαμηλής πολυπλοκότητας υλοποίησή του μέσω του Fast Fourier Transform (FFT) processing. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

N=2m στον FFT: Για το 3GPP LTE ο αριθμός των subcarriers είναι Nc=600 στα10 MHz. Επομένως επιλέγεται N=1024 σε αυτή την περίπτωση. Ο ρυθμός δειγματοληψίας είναι Fs=N*Δf=15.36 MHz. Διαμορφωτής Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η αποδοτική FFT επεξεργασία μπορεί να αξιοποιηθεί για την αποδιαμόρφωση OFDM. A/D μετατροπή απαιτείται πρωτίστως και μετά ένα serial to parallel block. Αποδιαμορφωτής Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Εισαγωγή κυκλικού προθέματος (Cyclic-prefix)
Ένα αναλλοίωτο OFDM σήμα μπορεί να αποδιαμορφωθεί χωρίς την παρεμβολή μεταξύ των subcarriers. Στην περίπτωση χρονικής διασποράς η ορθογωνιότητα χάνεται λόγω της διασυμβολικής παρεμβολής και της παρεμβολής μεταξύ των φερόντων. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, το επονομαζόμενο cyclic-prefix εισάγεται στη μετάδοση OFDM. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Εισαγωγή κυκλικού προθέματος (Cyclic-prefix)
Το τελευταίο τμήμα του OFDM συμβόλου αντιγράφεται και εισάγεται στην αρχή του. Το cyclic-prefix αυξάνει το μήκος του OFDM συμβόλου από Tu σε Tu+TCP. Η συνέπεια είναι η αντίστοιχη μείωση του ρυθμού του OFDM συμβόλου. Το Cyclic prefix κάνει ένα OFDM σήμα αναίσθητο στη χρονική διασπορά όσο το delay spread δεν υπερβαίνει το χρονικό μήκος του προθέματος. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Εκτίμηση καναλιού Το μοντέλο του πεδίου συχνότητας είναι κατάλληλο για την OFDM μετάδοση Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Εκτίμηση καναλιού Επομένως ο δέκτης απαιτεί μία εκτίμηση των H0, …, HNc-1. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί εισάγοντας γνωστά σύμβολα αναφοράς (πιλότοι, pilot symbols) σε τακτά διαστήματα μέσα στο πλέγμα χρόνου συχνότητας του OFDM. Τα σύμβολα αναφοράς πρέπει να έχουν μία επαρκώς υψηλή πυκνότητα τόσο στο χρόνο όσο και στη συχνότητα στην περίπτωση καναλιών που έχουν ισχυρή και χρονομεταβλητή επιλεκτικότητα στη συχνότητα Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Διαφοροποίηση συχνότητας (frequency diversity)
Όπως συζητήθηκε, ένα ασύρματο κανάλι είναι πάντα υποκείμενο στη συχνοτική επιλεκτικότητα Στη μετάδοση απλού φέροντος, κάθε σύμβολο μεταδίδεται πάνω από το ίδιο εύρος συχνοτήτων στη διάρκειά του οπότε και κατά μέσο όρο περνάει εξίσου από «καλές» και «κακές» συχνότητες (freq. diversity) Αντιθέτως, κάθε OFDM σύμβολο έχει περιοριστεί σε μία στενή ζώνη συχνοτήτων. Επομένως συγκεκριμένα σύμβολα μπορεί να έχουν την ατυχία να εγκλωβιστούν σε ζώνες πολύ κακής ποιότητας. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Διαφοροποίηση συχνότητας (frequency diversity)
Για αυτό το λόγο οι επιδόσεις BER ενός OFDM σήματος είναι εν γένει πολύ χειρότερες από ένα σήμα απλού φέροντος. Εδώ έρχεται να παίξει ρόλο η κωδικοποίηση καναλιού η οποία επιβάλλει κάθε «κομμάτι» πληροφορίας να διασπαρεί σε πολλά bits κώδικα. Στο OFDM αυτό ισοδυναμεί με τη διασπορά των bits σε πολλά υποφέροντα (διαφορετικά σύμβολα) που είναι επαρκώς κατανεμημένα στο συνολικό εύρος ζώνης (frequency interleaving) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Βασικές παράμετροι του OFDM
O αριθμός των υποφερόντων Nc ο οποίος μαζί με την απόσταση καθορίζει το συνολικό εύρος ζώνης Το μήκος του κυκλικού προθέματος TCP ο οποίος μαζί με το χρόνο του συμβόλου Tu=1/Δf καθορίζει το συνολικό χρόνο διάρκειας των συμβόλων ή αλλιώς το ρυθμό των συμβόλων Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Απόσταση των υποφερόντων
Παράμετροι που καθορίζουν την επιλογή Γενικά η απόσταση υποφερόντων θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη για να μειώσει το overhead του κυκλικού προθέματος TCP/(Tu+TCP) Αφετέρου, η μικρή απόσταση αυξάνει την ευαισθησία του OFDM στο Doppler και θέτει σε κίνδυνο την επίτευξη της ορθογωνιότητας στο δέκτη. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Απόσταση των υποφερόντων
Παράμετροι που καθορίζουν την επιλογή Στην πράξη το ποσό της παρεμβολής μεταξύ διπλανών υποφερόντων που είναι αποδεκτό εξαρτάται από την υπηρεσία που παρέχεται και σε ποιο βαθμό το σήμα έχει υποστεί αλλοιώσεις από άλλους παράγοντες (θόρυβος, άλλες παρεμβολές) Συνήθως επηρεάζει σήματα υψηλού SNR (μικρές κυψέλες, χρήστες κοντά στο σταθμό βάσης) Πρέπει να σημειωθεί ότι παρεμβολή μεταξύ των υποφερόντων μπορεί να προκληθεί από τις αποκλίσεις μεταξύ πομπών και δεκτών που οδηγούν σε λάθη συγχρονισμού στη συχνότητα. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Αριθμός των υποφερόντων
Εφόσον έχει επιλεγεί το Δf (λαμβάνοντας υπόψη Doppler effects, χρονικές διασπορές, κτλ), θα πρέπει να καθοριστεί ο αριθμός των υποφερόντων με βάση το διαθέσιμο εύρος ζώνης και τις αποδεκτές εκπομπές εκτός ζώνης (out of band) Το βασικό εύρος ζώνης είναι Nc*Δf, όμως το φάσμα του φθίνει αργά σε σχέση με άλλα πρότυπα όπως το WCDMA (3G) Στην πράξη λύνεται το πρόβλημα αυτό με χρήση τεχνικών φιλτραρίσματος. Επίσης ένα διάστημα φύλαξης 10% απαιτείται για την ορθή λειτουργία (5 MHz τελικά δίνουν 4.5 MHz αξιοποιήσιμο εύρος ζώνης) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Μήκος κυκλικού προθέματος
Όπως συζητήθηκε, το κυκλικό πρόθεμα πρέπει να έχει μήκος TCP μεγαλύτερο ίσο με αυτό του delay spread λόγω διασποράς. Όμως η αύξηση του TCP χωρίς την αύξηση του TU (μείωση του Δf) διογκώνει το overhead. Αυτό έχει συνέπεια και στην αύξηση του overhead της ισχύος κατανάλωσης και του εύρους ζώνης. Καθώς η κυψέλη μεγαλώνει και οι επιδόσεις περιορίζονται από την ισχύ λήψης, υπάρχει μία χρυσή τομή μεταξύ των απωλειών στην ισχύ εξαιτίας του cyclic prefix και της αλλοίωσης του σήματος από τη διασπορά Η βελτιστοποίηση των επιδόσεων σε διαφορετικά περιβάλλοντα επιβάλλει πολλαπλά μήκη κυκλικού προθέματος. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Μεταβολές ισχύος Ένα από τα μειονεκτήματα της multi-carrier μετάδοσης είναι οι μεγάλες μεταβολές στην εκπεμπόμενη ισχύ που οδηγεί σε μεγαλύτερη κατανάλωση του κινητού (ευρεία δυναμική περιοχή του ενισχυτή λήψης) Μία λύση για το OFDM είναι η χρήση κάποιων υποφερόντων με κατάλληλο τρόπο ώστε να κατασταλούν οι κορυφές του σήματος με συνέπεια την απώλεια εύρους ζώνης και την αύξηση της πολυπλοκότητας Μία άλλη λύση είναι οι τεχνικές προ-φιλτραρίσματος στον πομπό πριν τη OFDM διαμόρφωση. Μία τρίτη λύση είναι το επιλεκτικό scrambling (μπέρδεμα) του σήματος με διαφορετικούς κώδικες scrambling και την επιλογή αυτού που προσφέρει το μικρότερο λόγο ισχύος κορυφής προς τη μέση τιμή. Και εδώ έχουμε αύξηση πολυπλοκότητας Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Πολλαπλή πρόσβαση στο OFDM
Μέχρι τώρα θεωρήσαμε ότι τα OFDM υποφέροντα αφορούν μία point to point σύνδεση. Η OFDM τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένα σχήμα πολυπλεξίας χρηστών επιτρέποντας multi-point to multi-point επικοινωνία. Το σχήμα πολλαπλής πρόσβασης ονομάζεται OFDMA (access) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

To προηγούμενο σχήμα θεωρεί ότι το κάθε τερματικό χρησιμοποιεί συνεχόμενα υποφέροντα Υπάρχει και η εναλλακτική της κατανομής των υποφερόντων στα τερματικά όπως παρακάτω Το πλεονέκτημα της κατανομής είναι η ενίσχυση της διαφοροποίησης συχνότητας Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Στην περίπτωση του uplink είναι σημαντικό οι μεταδόσεις των διαφορετικών terminals να φτάνουν συγχρονισμένες στο σταθμό βάσης σε βαθμό που να μην αποκλίνουν χρονικά από το όριο του κυκλικού προθέματος (διατήρηση ορθογωνιότητας και αποφυγή παρεμβολής μεταξύ των χρηστών) Οι διαφορές στην απόσταση και στο χρόνο μετάδοσης επιβάλλουν το συγχρονισμό του uplink transmission ώστε να φτάσουν τα σήματα των χρηστών χρονικά ευθυγραμμισμένα στο δέκτη. Η διαδικασία transmission-timing control είναι ενεργή ώστε να λαμβάνει υπόψη τις μεταβολές θέσης των χρηστών. Είναι επίσης σημαντικό τα λαμβανόμενα σήματα να φτάνουν με την ίδια προσεγγιστικά ισχύ στο σταθμό βάσης για λόγους ισοτιμίας και αποφυγής ισχυρών αλληλοπαρεμβολών (transmission-power control, near-far πρόβλημα) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ευρυεκπομπή στο OFDM Η πρόβλεψη για broadcast/multicast υπηρεσίες στα δίκτυα κινητών επιβάλλει η ίδια πληροφορία να παρέχεται ταυτόχρονα σε πολλαπλά τερματικά τα οποία πολλές φορές είναι διασπαρμένα σε μεγάλη περιοχή που καλύπτεται από πληθώρα κυψελών (π.χ. TV news clip, πληροφορίες καιρού, κτλ) Όταν πρόκειται για διάχυση πληροφορίας εντός μίας κυψέλης είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθεί η λύση του broadcast Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ευρυεκπομπή στο OFDM Η ανάγκη κάλυψης όλων των χρηστών της κυψέλης στη broadcast λειτουργία έχει ως αποτέλεσμα την αυξημένη ισχύ εκπομπής ώστε το σήμα να φτάσει στα όρια της κυψέλης και την αναγκαστική μείωση του ρυθμού λόγω επιβαρυμένου SNR Η αύξηση του ρυθμού απαιτεί μείωση της επιφάνειας της κυψέλης με προφανές κόστος. Μία πρόβλεψη στο πλαίσιο του LTE είναι η αξιοποίηση της πληροφορίας από διπλανές κυψέλες, συνεπώς οι χρήστες στις παρυφές των κυψελών εκμεταλλεύονται τις broadcast ροές άλλων κυψελών. Η αξιοποίηση σημάτων από άλλες κυψέλες είναι δυνατή στην περίπτωση που οι broadcast ροές είναι ταυτόσημες και χρονικά ευθυγραμμισμένες όπως και στην περίπτωση της λήψης σημάτων από την ίδια κυψέλη μετά από πολυδιαδρομική μετάδοση. Η λειτουργία αυτή αναφέρεται ως Single Frequency Network Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Μετάδοση ευρέος φάσματος απλού φέροντος
Το βασικό μειονέκτημα των multi-carrier τεχνικών (π.χ. OFDM) είναι οι μεγάλες μεταβολές ισχύος που καταλήγουν σε μεγάλη κατανάλωση του ενισχυτή στο δέκτη. Αυτή η κατανάλωση είναι κρίσιμη στο uplink Για αυτό το λόγο έχει δρομολογηθεί η χρήση τεχνικών single-carrier ως εναλλακτική λύση στο uplink Η βασική διαφορά έγκειται στην αντιμετώπιση της επιλεκτικότητας του καναλιού στη συχνότητα λόγω διασποράς Η single-carrier μετάδοση αξιοποιεί τεχνικές εξίσωσης καναλιού (equalization) Στα συστήματα επικοινωνιών χρησιμοποιούνται δύο βασικές ομάδες equalization Στο πεδίο του χρόνου (time-domain linear equalization, αριστερά) Στο πεδίο των συχνοτήτων (frequency domain linear equalization, δεξιά) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Uplink FDMA με ευέλικτη ανάθεση φάσματος
Στην πράξη υπάρχουν πολλαπλά τερματικά μέσα στην κυψέλη που θέλουν να μοιραστούν το εύρος ζώνης. Στο 3G (WCDMA) υπάρχει διαχωρισμός των χρηστών με βάση τον κώδικα που τους ανατίθεται και τη διασπορά φάσματος. Η πολλαπλή πρόσβαση σε αυτή την περίπτωση μπορεί να θεωρηθεί μερικώς ορθογώνια λόγω της μη μηδενικής συσχέτισης των χρηστών. Απόλυτη ορθογωνιότητα μεταξύ των χρηστών επιτυγχάνεται με τις παραδοσιακές τεχνικές TDMA, FDMA Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Uplink FDMA με ευέλικτη ανάθεση φάσματος
Για την επίτευξη υψηλού ρυθμού θα πρέπει να δίνεται η δυνατότητα ολικής ανάθεσης του φάσματος σε ένα τερματικό για κάποιο χρονικό διάστημα (TDMA διάσταση) Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι στο uplink η ισχύς εκπομπής είναι περιορισμένη άρα δεν είναι εφικτό να αξιοποιηθεί όλο το εύρος ζώνης των 20 MHz. Με βάση τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι το προτιμότερο είναι ένα σύστημα FDMA με ευέλικτη ανάθεση φάσματος (flexible bandwidth assignment) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

DFT spread OFDM Είναι ένα σχήμα μετάδοσης που συνδυάζει
Μικρές διακυμάνσεις της στιγμιαίας ισχύος (single-carrier ιδιότητα) Δυνατότητα χαμηλής πολυπλοκότητας υψηλής ποιότητας freq. domain equalization Δυνατότητα FDMA με ευέλικτη ανάθεση φάσματος Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Τεχνικές πολλαπλών κεραιών
Ένα σύνολο τεχνικών που βασίζονται στη χρήση πολλαπλών κεραιών στο δέκτη ή/και στον πομπό σε συνδυασμό με περισσότερο ή λιγότερο προηγμένη επεξεργασία σήματος. Χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της χωρητικότητας τη βελτίωση της κάλυψης μέσω της αύξησης της ανοχής στο θόρυβο Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Τεχνικές πολλαπλών κεραιών
Το βασικό χαρακτηριστικό είναι η απόσταση μεταξύ διαφορετικών στοιχείων κεραιών διότι επηρεάζει την αμοιβαία συσχέτιση μεταξύ των σημάτων που λαμβάνονται από αυτές ως προς την επίδραση του καναλιού Η μεγάλη ή μικρή συσχέτιση μεταξύ τους βρίσκει εφαρμογή σε διαφορετικά πεδία (diversity, beam-forming, spatial multiplexing) Ο βαθμός συσχέτισης εξαρτάται από το μήκος κύματος των σημάτων. Για την αποφυγή συσχετίσεων μία απόσταση 10 μηκών κύματος μεταξύ των κεραιών του σταθμού βάσης μίας μακροκυψέλης διασφαλίζει την ασυσχέτιστη λειτουργία. Για τα τερματικά στο ίδιο περιβάλλον η απόσταση αυτή απαιτείται να είναι 0.5 λ. Η διαφορά έγκειται στη φύση του καναλιού το οποίο γίνεται πιο πολυδιαδρομικό κοντά στο τερματικό και όχι κοντά στο σταθμό βάσης. Όσο η κυψέλη μικραίνει και οι σταθμοί βάσης βρίσκονται σε παρεμφερές περιβάλλον με τα τερματικά, οι απαιτήσεις γίνονται πανομοιότυπες. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Πλεονεκτήματα Οι πολλαπλές κεραίες παρέχουν διαφοροποίηση στη χρονική διασπορά και στις διαλείψεις. Μπορούν να σχηματοποιήσουν τη συνολική δέσμη της κεραίας για την επίτευξη επιλεκτικής ως προς την κατεύθυνση εκπομπής (beam-forming). Μπορούν να παρέχουν πολλαπλά παράλληλα κανάλια επικοινωνίας (αύξηση του ρυθμού μέσω χωρικής πολυπλεξίας, spatial multiplexing, MIMO) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Πολλαπλές κεραίες στη λήψη
Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνική για την αύξηση της διαφοροποίησης στη λήψη (receiver diversity) Μία μέθοδος που αξιοποιεί αυτή την τοπολογία για την αύξηση του SNR είναι η maximum ratio combination (MRC) Στόχος της MRC είναι να διορθώσει τις φάσεις μεταξύ των σημάτων στη λήψη και να ενισχύσει περισσότερο τα πιο ισχυρά σήματα που έχουν καλύτερο εγγενές SNR. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Πολλαπλές κεραίες στη λήψη
Στην περίπτωση όπου το βασικό πρόβλημα είναι η παρεμβολή ο αλγόριθμος λειτουργεί με στόχο την καταστολή της. Επομένως ο δέκτης εισάγει μεγάλη εξασθένηση στην κατεύθυνση αυτή (beam forming). Ο αλγόριθμος αυτός λέγεται interference rejection combination (IRC) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Πολλαπλές κεραίες εκπομπής
Είναι κυρίως ενδιαφέρουσα για το downlink (base station) Παρέχει τη δυνατότητα διαφοροποίησης, διαμόρφωσης της δέσμης χωρίς την ύπαρξη επιπλέον κεραιών στη λήψη. Επειδή η χρήση πολλαπλών κεραιών στο τερματικό δεν είναι ελκυστική, προτιμάται η χρήση πολλαπλών κεραιών και για τις δύο κατευθύνσεις στο σταθμό βάσης. Αν δεν είναι γνωστό το downlink κανάλι οι πολλαπλές κεραίες είναι χρήσιμες μόνο για τη διαφοροποίηση. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Διαφοροποίηση καθυστέρησης Η φύση του ασύρματου καναλιού εμπεριέχει τη χρονική διασπορά λόγω πολυδιαδρομικής μετάδοσης. Ως φαινόμενο δεν έχει μόνο καταστροφικές ιδιότητες (επιλεκτική απόκριση στη συχνότητα). Οι διαφορετικές διαδρομές παρέχουν διαφοροποίηση συχνότητας. Αν ένα κανάλι δεν έχει διασπορά, αυτή μπορεί τεχνηέντως να προκληθεί με την αποστολή όμοιων σημάτων αλλά με καθυστέρηση από τις κεραίες του πομπού. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Space-time coding Είναι ένας γενικός όρος που χρησιμοποιείται για να υποδείξει σχήματα εκπομπής όπου τα σύμβολα αντιστοιχίζονται στο πεδίο του χρόνου και του χώρου. Λειτουργεί σε ζεύγη των συμβόλων όπως στο παράδειγμα (αλλαγή σειράς, προσήμου και φάσης στη δεύτερη κεραία). Ο στόχος είναι η αύξηση του SNR για δεδομένο bit-rate Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Πολλαπλές κεραίας εκπομπής
Space-frequency coding Παρόμοιο με το προηγούμενο σχήμα με τη διαφορά ότι η κωδικοποίηση γίνεται στο πεδίο της συχνότητας Εφαρμόζεται στο OFDM και σε άλλα frequency domain σχήματα Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Beam-forming Εύχρηστη όταν υπάρχει γνώση του καναλιού στον πομπό διότι επιτρέπει τη μορφοποίηση της συνολικής δέσμης των κεραιών στην κατεύθυνση του δέκτη-στόχου Η ισχύς εκπομπής προς την κατεύθυνση αυτή μπορεί να αυξηθεί N φορές όπου Ν το πλήθος των στοιχείων. Το beam-forming μπορεί να επιτευχθεί είτε με κεραίες υψηλής αμοιβαίας συσχέτισης (κλασσικό beam forming) ή με κεραίας χαμηλής αμοιβαίας συσχέτισης που δεν αποστερούν το σύστημα από τα πλεονεκτήματα της διαφοροποίησης. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Χωρική πολυπλεξία Η χρήση πολλαπλών κεραιών σε πομπό και δέκτη είναι ένα εργαλείο για την περαιτέρω βελτίωση του λόγου S/(I+N) με παράλληλη ενίσχυση της διαφοροποίησης σε σχέση με τα σχήματα 1xM ή Mx1. Ενδείκνυται επίσης για την επίτευξη χωρικής πολυπλεξίας με προφανή στόχο την αύξηση της χωρητικότητας. Θεωρητικά αν υπάρχουν NT και NR κεραίες στον πομπό και το δέκτη αντίστοιχα ο λόγος SNR μπορεί να βελτιωθεί με ένα συντελεστή NT*NR με άμεσο αντίκτυπο στο ρυθμό. Φυσικά η αύξηση του ρυθμού είναι λογαριθμική ως προς το SNR, άρα η αύξηση είναι μεγάλη σε περιβάλλον μικρού SNR (log2(1+x)~x για μικρό x) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Χωρική πολυπλεξία Στην περίπτωση πολλαπλών κεραιών και υπό συνθήκες είναι δυνατό να δημιουργηθούν NL=min{NT, NR} παράλληλα κανάλια με το κάθε ένα να έχει NL μικρότερο SNR. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Χωρική πολυπλεξία Η συνολική χωρητικότητα για την τοπολογία πολλαπλών κεραιών εκπομπής-λήψης δίνεται παρακάτω Υπό συνθήκες η χωρητικότητα αυξάνεται γραμμικά με τον αριθμό των κεραιών. Ο όρος MIMO antenna processing είναι ο πιο συχνά εμφανιζόμενος στη βιβλιογραφία Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Χωρική πολυπλεξία Σε πολλές περιπτώσεις ο αριθμός των χωρικά πολυπλεγμένων σημάτων είναι μικρότερος του NL. Στην περίπτωση κακού καναλιού (χαμηλό SNR) δεν υπάρχει κέρδος χωρικής πολυπλεξίας. Σε τέτοιες περιπτώσεις είναι προτιμότερο να αξιοποιηθεί η beam-forming δυνατότητα. Στη γενικότερη περίπτωση, η τάξη της χωρικής πολυπλεξίας πρέπει να καθορίζεται με βάση το μέγεθος NT*NR και τις επιπλέον κεραίες που μπορούν να αξιοποιηθούν για το beam-forming Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Χρονοπρογραμματισμός, προσαρμογή διάυλου, Hybrid ARQ
Ένα χαρακτηριστικό κλειδί των mobile συστημάτων είναι η ραγδαία και σημαντική αλλαγή των συνθηκών του καναλιού. Ο διαμοιρασμός των πόρων του συστήματος μεταξύ των χρηστών σε ένα τέτοιο ραγδαία μεταβαλλόμενο μέσο είναι ένα σημαντικό πρόβλημα (channel dependent scheduling, link adaptation). Και οι δύο τεχνικές προσπαθούν να αξιοποιήσουν τις μεταβολές του καναλιού μέσω κατάλληλου processing πριν τη μετάδοση των δεδομένων. Λόγω της τυχαίας φύσης του καναλιού, η τέλεια προσαρμογή δεν είναι ποτέ δυνατή. Για αυτό το λόγο η υβριδική ARQ που απαιτεί επαναμετάδοση των λανθασμένων πακέτων είναι χρήσιμη. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Χρονοπρογραμματισμός, προσαρμογή διαύλου, Hybrid ARQ
Ένα χαρακτηριστικό κλειδί των mobile συστημάτων είναι η ραγδαία και σημαντική αλλαγή των συνθηκών του καναλιού. Ο διαμοιρασμός των πόρων του συστήματος μεταξύ των χρηστών σε ένα τέτοιο ραγδαία μεταβαλλόμενο μέσο είναι ένα σημαντικό πρόβλημα (channel dependent scheduling, link adaptation). Και οι δύο τεχνικές προσπαθούν να αξιοποιήσουν τις μεταβολές του καναλιού μέσω κατάλληλου processing πριν τη μετάδοση των δεδομένων. Λόγω της τυχαίας φύσης του καναλιού, η τέλεια προσαρμογή δεν είναι ποτέ δυνατή. Για αυτό το λόγο η υβριδική ARQ που απαιτεί επαναμετάδοση των λανθασμένων πακέτων είναι χρήσιμη. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Προσαρμογή διαύλου: έλεγχος ισχύος και ρυθμού
Ιστορικά ο δυναμικός έλεγχος ισχύος εκπομπής έχει χρησιμοποιηθεί στο 3G για τη διατήρηση σταθερού λόγου SNR στο δέκτη. Η ισχύς εκπομπής είναι αντιστρόφως ανάλογη της ποιότητας του καναλιού. Αυτό έχει σαν συνέπεια τη σταθεροποίηση του QoS ανεξάρτητα των μεταβολών του καναλιού (τηλεφωνία) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Προσαρμογή διαύλου: έλεγχος ισχύος και ρυθμού
Για επικοινωνίες μεταγωγής πακέτου, ο ρυθμός που παρέχεται πρέπει απλά να είναι όσο υψηλός γίνεται να είναι (δυναμικός έλεγχος ρυθμού που ισοδυναμεί με δυναμικό έλεγχο διαμόρφωσης και κωδικοποίησης) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Χρονοπρογραμματισμός
Ο εξαρτώμενος από το κανάλι χρονοπρογραμματισμός (channel-dependent scheduling) ελέγχει την κατανομή των πόρων στους χρήστες σε κάθε χρονική στιγμή. Σχετίζεται με την προσαρμογή διαύλου και είναι διαφορετικός για uplink, dowlink. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Downlink scheduling Στην κατερχόμενη ζεύξη, οι μεταδόσεις στα διαφορετικά τερματικα μέσα σε μία κυψέλη είναι τυπικά αμοιβαίως ορθογώνιες (no intra-cell interference) μέσω τεχνικών πολλαπλής πρόσβασης (OFDMA, CDMA, SDMA, TDMA, FDMA). Συνήθως έχουμε συνδυασμό TDM με κάποια άλλη τεχνική, π.χ. OFDMA (LTE), CDMA (HSPA για παράδειγμα) Σε περίπτωση απλής FDMA, CDMA έχουμε διαμοιρασμό και της ισχύος. Αυτό δεν ισχύει στην περίπτωση του TDM. Scheduling που βασίζεται στις στιγμιαίες καλύτερες radio-link συνθήκες αναφέρεται σαν max C/I (maximum rate) scheduling Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Downlink scheduling Επειδή οι συνθήκες της ραδιοεπαφής μέσα σε μία κυψέλη συνήθως μεταβάλλονται ανεξάρτητα για κάθε ζεύξη, σε κάθε στιγμή, υπάρχει μία ζεύξη με μέγιστη ποιότητα. Ο σταθμός βάσης επιλέγει να στέλνει στο χρήστη με τις καλύτερες συνθήκες – multi-user diversity Εδώ το fading είναι χρήσιμο και αξιοποιείται Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Downlink scheduling Η τεχνική max C/I έχει σαφή πλεονεκτήματα αλλά και σημαντικά μειονεκτήματα. Τα τερματικά που βρίσκονται μακρύτερα ή υπόκεινται σε συνθήκες σκίασης δεν θα έχουν σχεδόν πότε θέση στο scheduling. Εναλλακτική σε αυτή την περίπτωση είναι η round-robin scheduling η οποία μοιράζει τους πόρους με δικαιοσύνη ως προς το χρόνο κτήσης. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Downlink scheduling Η τεχνική round-robin δεν είναι η ενδεδειγμένη λύση διότι δεν παρέχει δίκαιη διανομή της ποιότητας υπηρεσίας. Η σωστή πολιτική είναι η επιλογή λειτουργίας που συνδυάζει max C/I και round robin (proportional-fair) αναθέτοντας τους πόρους στο χρήστη με τις σχετικά (Ri/average(Ri)) καλύτερες συνθήκες ζεύξης εκείνη τη στιγμή Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Uplink scheduling Η διαφορά μεταξύ uplink και downlink scheduling είναι θεμελιώδης. Το uplink είναι κατανεμημένο μεταξύ των χρηστών, ενώ το downlink είναι κεντρικοποιημένο, συνεπώς η ισχύς του τερματικού είναι πολύ μικρότερη από αυτή του σταθμού βάσης. Η λογική του TDMA εγκαταλείπεται σε αυτή την περίπτωση – οδηγούμαστε σε FDMA, CDMA λογικές. Το channel-dependent scheduling είναι χρήσιμο και στο uplink Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Uplink scheduling CDMA: Ο έλεγχος ισχύος είναι πολύ σημαντικός σε αυτή την εκδοχή (SNR, SIR, interference). Θα πρέπει η ισχύς λήψης που «βλέπει» ο σταθμός βάσης να είναι σταθερή για όλα τα τερματικά (near-far problem) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Uplink scheduling FDMA: δεν υφίσταται το πρόβλημα του intra-cell interference. Το πρόβλημα θυμίζει περισσότερο την downlink περίπτωση αν και έλεγχος ισχύος απαιτείται για την καλύτερη λειτουργία των ηλεκτρονικών. Εκτός της max C/I υπάρχει και η τεχνική greedly filling που μοιράζει τους πόρους ξεκινώντας από τον πιο προνομιούχο εκείνη τη στιγμή χρήστη και εισάγει διαδοχικά τους επόμενους μέχρι να φτάσει σε ένα μέγιστο όριο ανεκτής παρεμβολής (διακυψελικής). Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Uplink scheduling Όλα τα παραπάνω ισχύουν στην περίπτωση που ο χρήστης γνωρίζει το κανάλι κάθε στιγμή. Στην περίπτωση του uplink αυτό δεν είναι εύκολο, οπότε το round-robin scheduling μπορεί να χρησιμοποιηθεί (TDMA-like σενάριο). Μία πολιτική ανάθεσης είναι η διανομή μεγαλύτερου εύρους ζώνης στους χρήστες που είναι κοντύτερα στο σταθμό βάσης μιας και μπορούν να το αξιοποιήσουν (SNR) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Λειτουργία στο frequency domain
Λόγω της χρήσης του OFDM, οι λειτουργίες που περιγράψαμε θα πρέπει να λαμβάνουν χώρα στη συχνότητα. Α. Channel dependent scheduling στο frequency domain. Είναι σημαντικό ότι μπορούμε να ρυθμίσουμε την ισχύ και το ρυθμό του κάθε OFDM carrier ανάλογα με τις συνθήκες. Ανάλογα με τις συνθήκες, διαφορετικοί χρήστες θα λάβουν διαφορετικά subcarriers. Η εκτίμηση του καναλιού γίνεται μέσω των pilot signals που στέλνονται από τον πομπό στο δέκτη και δουλεύει καλύτερα για αργή κινητικότητα. Στην περίπτωση γρήγορης κινητικότητας, οι μετρήσεις δεν θα είναι έγκυρες και για αυτό προτιμάται μακροπρόθεσμη προσαρμογή της ζεύξης (hybrid ARQ, soft combining) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Κίνηση και scheduling Η διαφορά των επιδόσεων τεχνικών scheduling είναι μικρή σε περιπτώσεις μικρού φόρτου. Εκτός από το φόρτο, επηρεάζει και ο τύπος της κίνησης. Απαιτείται η χρυσή τομή μεταξύ του throughput και της δικαιοσύνης απόδοσης των πόρων. Ας δούμε τις τρεις περιπτώσεις Round Robin (RR) Proportional fair (PF) Max C/I Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Κίνηση και scheduling Στην περίπτωση γεμάτου buffer (πάντα υπάρχουν data προς αποστολή στο σταθμό βάσης) ο max C/I δίνει ελάχιστο throughput στις παρυφές της κυψέλης Αντιθέτως η fair-proportional στρατηγική θα δίνει σε όλους τους χρήστες υποστηρίζοντας κάθε φορά το χρήστη με το υψηλότερο peak rate σε σχέση με το δικό του average rate. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Κίνηση και scheduling Στην περίπτωση bursty κίνησης τα πράγματα διαφέρουν. Σε αυτή την περίπτωση ο buffer είναι σχεδόν άδειος (web κίνηση). Εδώ προτιμάται ο max C/I αλγόριθμος Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Σχήματα επαναμετάδοσης
Η μετάδοση στο ασύρματο κανάλι υπόκειται σε πολλά λάθη. Για αυτό το λόγο όλα τα ασύρματα συστήματα μετάδοσης χρησιμοποιούν forward error correction (FEC). Επί της αρχής, προστίθενται επιπλέον bits ώστε να χρησιμοποιηθούν μετά για την ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων – προσθήκη πλεονασμού. Επιπλέον αξιοποιείται η χρήση του Automatic Repeat Request (ARQ). Σε αυτή την περίπτωση έχουμε μόνο ανίχνευση στο δέκτη και αποστολή ACKή NAK στον πομπό. Το LTE χρησιμοποιεί ένα συνδυασμό FEC και ARQ, το λεγόμενο hybrid ARQ. Για όσα πακέτα δεν διορθώνονται τα λάθη τους από το FEC, ζητείται η επαναποστολή τους. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Hybrid ARQ – soft combining
Ακόμα και τα πακέτα που δεν διορθώνονται περιέχουν πληροφορία που θα χαθεί αν απλά πεταχτεί (discard) το πακέτο. Αυτή η αδυναμία διορθώνεται από το hybrid ARQ with soft combining. Σε αυτή την τεχνική το λανθασμένο πακέτο αποθηκεύεται σε μία μνήμη και συνδυάζεται με το επαναμεταδιδόμενο για την απόκτηση ενός απλού, συνεκτικού πακέτου που είναι πιο αξιόπιστο από τα συστατικά του. Το error correction λειτουργεί στο συνδυασμένο σήμα. Σε περίπτωση νέας αποτυχίας, ζητείται νέα επαναμετάδοση. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η επαναμετάδοση σε ένα hybrid ARQ σύστημα πρέπει να έχει το ίδιο σύνολο bits πληροφορίας που περιέχει το αρχικό χαμένο πακέτο. Η κωδικοποιημένη πληροφορία μπορεί όμως να διαφέρει. Chase combining: οι επαναμεταδόσεις περιέχουν την ίδια κωδικοποιημένη πληροφορία – repetition coding. Χρησιμοποιείται πολλές φορές και με τη μορφή του partial chase combining. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Chase combining Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Incremental redundancy (IR): Δεν επαναλαμβάνονται ταυτοτικά πακέτα Πολλαπλά σύνολα κωδικοποιημένων bits παράγονται, με το καθένα να αντιστοιχεί στο ίδιο σύνολο bits πληροφορίας. Όταν απαιτείται επαναμετάδοση, αυτή χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό σύνολο coded bits σε σχέση με την προηγούμενη μετάδοση. Με αυτόν τον τρόπο αυξάνει την ικανότητα του κώδικα (μειωμένο code rate) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Incremental redundancy (IR) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ανεξαρτήτως του ποια μέθοδος θα χρησιμοποιηθεί, η τεχνική οδηγεί σε μείωση του ρυθμού – είναι έμμεσος τρόπος προσαρμογής ρυθμού Η διαφορά με το link adaptation είναι το εδώ κυρίως προσαρμόζεται το coding rate με βάση το αποτέλεσμα στο δέκτη. Επίσης η τεχνική λειτουργεί καλά ανεξάρτητα από την ταχύτητα κίνησης του τερματικού χρήστη. Ο μόνος λόγος που η τεχνική link adaptation είναι εξίσου χρήσιμη είναι σε περιπτώσεις όπου το delay είναι κρίσιμη παράμετρος για το QoS. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

LTE Radio Access: Επισκόπηση
Η δουλειά στο LTE ξεκίνησε το 2004 – packet switching only technology Η πρώτη έκδοση (release 8) ολοκληρώθηκε το 2008 –εμπορικά διατέθηκε το 2009. Μετά από αυτή υπήρξαν και άλλες διανομές Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Σχήμα μετάδοσης: Release 8 Downlink: OFDM Uplink: DFT-spread OFDM (Για την αποφυγή του υψηλού peak to average λόγου που οδηγεί στην ανάγκη ενισχυτών μεγάλης δυναμικής περιοχής) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Channel-dependent scheduling – rate adaptation: Release 8 Χρησιμοποιείται όπως είδαμε στη μικρή κινητικότητα Οι αποφάσεις παίρνονται κάθε 1 ms και η διακριτική ικανότητα στη συχνότητα είναι 180 kHz. To download scheduling υποστηρίζεται μέσω των channel state reports που υποδεικνύουν την ποιότητα του καναλιού στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας (reference signals, pilots) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Channel-dependent scheduling – rate adaptation: Release 8 Uplink: Δεν είναι το ίδιο απλό να επιτύχει κάποιος διάγνωση της ποιότητας του καναλιού όπως στο downlink. Για αυτό απαιτούνται άλλες τεχνικές diversity. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Inter-cell interference coordination: Release 8 Στο LTE γίνεται επαναχρησιμοποίηση συχνότητας ανά κυψέλη. Αυτό σημαίνει ότι η ίδια φέρουσα μπορεί να χρησιμοποιείται από διπλανή κυψέλη. Για αυτό το λόγο το LTE έχει σχεδιαστεί ώστε να λειτουργεί με χαμηλό λόγο σήματος προς την παρεμβολή (SIR) Επίσης η ποιότητα υπηρεσίας του πελάτη μπορεί να βελτιωθεί αν οι μεταδόσεις από γειτονικές κυψέλες συντονίζονται ώστε να αποφεύγονται περιπτώσεις μεγάλων παρεμβολών. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Inter-cell interference coordination: Release 8 Ήδη στην release 8, υπάρχει αυτή η λειτουργικότητα (ICIC) μέσω της επικοινωνίας των σταθμών βάσης eNodeB που ανταλλάσσουν μηνύματα σχετικά με τις παρεμβολές που αντιλαμβάνονται. Οι προδιαγραφές για το συντονισμό διαφορετικών σημείων εκπομπής τίθενται στη release 11 (CoMP activities). Καταστάσεις υψηλής παρεμβολής υπάρχουν συνήθως σε ετερογενή δίκτυα που αποτελούνται από διαφορετικά αλληεπικαλυπτόμενα επίπεδα σταθμών βάσης. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

hybrid ARQ with soft combining: Release 8 Έμμεσος τρόπος rate adaptation σε περιβάλλοντα υψηλής κινητικότητας. Επαναποστολή λανθασμένων πακέτων με επαυξημένο πλεονασμό και soft combining. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Multi-antenna transmission: Release 8 Η πρώτη διανομή υποστηρίζει μετάδοση με πολλές κεραίες. Receive diversity, beam-forming, spatial multiplexing (MIMO) 4 επίπεδα χωρικής πολυπλεξίας υποστηρίζονται για το downlink ακόμα και στην πρώτη διανομή. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Spectrum flexibility: Release 8 Το φάσμα παρέχεται με ευελιξία στους χρήστες ανάλογα με τις ανάγκες τους. Μία σημαντική ιδιότητα του LTE είναι η δυνατότητα να παρέχει πρόσβαση με frequency division duplex και time division duplex. Σημαντική είναι η δυνατότητα ημιαμφίδρομης FDD για την αποφυγή χρήσης φίλτρων στα τερματικά Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Bandwidth flexibility: Release 8 Και το εύρος ζώνης διατίθεται ευέλικτα στους χρήστες ανάλογα με τις ανάγκες τους. Η δυνατότητα λειτουργίας του LTE σε διαφορετικές φασματικές περιοχές υποδεικνύει την τάση όλο το εύρος ζώνης των κινητών επικοινωνιών να μεταφερθεί στο LTE Οι βασικές προδιαγραφές του LTE επιτρέπουν δυνητικά οποιοδήποτε εύρος ζώνης ανά χρήστη μεταξύ των τιμών 1 MHz – 20 MHz. Ταυτόχρονα οι απαιτήσεις για δεδομένες συνδέσεις έχουν οριστεί για ένα περιορισμένο υποσύνολο των transmission bandwidths. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

LTE Radio Access: Release 9
Τα επιπλέον στοιχεία του 9 σε σχέση με το 8 είναι Multicast transmission Υποστήριξη υπηρεσιών εύρεσης τοποθεσίας μέσω του δικτύου Βελτίωση του beam-forming στο downlink Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Multicast and broadcast support Multi-cell broadcast – βελτίωση της ποιότητας υπηρεσίας του πελάτη και της κάλυψης για υπηρεσίες multicast Μέσω του συγχρονισμού των μεταδόσεων επιτυγχάνουμε το Multicast Broadcast single frequency network (MBSFN) transmission το οποίο θα εκμηδενίσει και το inter-cell interference. Απαιτεί αυστηρό συγχρονισμό μεταξύ των διαφορετικών κυψελών Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Positioning H εύρεση της τοποθεσίας επιτυγχάνεται από το GPS receiver του τερματικού Πολλά τερματικά δεν διαθέτουν και πολλές φορές η υπηρεσία GPS δεν διατίθεται (π.χ. κλειστοί χώροι) Η έκδοση 9 παρέχει ακριβώς την ίδια λειτουργία μέσω σημάτων αναφοράς που μεταδίδονται από τους σταθμούς βάσης. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Dual layer beam forming Η έκδοση 9 βελτίωσε το συνδυασμό του spatial multiplexing με το beam-forming. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Η έκδοση που επιτυγχάνει τη σύμπλευση με τις απαιτήσεις της ITU για το radio access (IMT-advanced, 40 MHz bandwidth, φασματική απόδοση, 15 b/s/Hz και 6.5 b/s/Hz για το downlink, uplink αντίστοιχα) Επιπλέον, προβλέπει backward compatibility Ολοκληρώθηκε το 2010 και σηματοδότησε την ακόμα μεγαλύτερη ευελιξία στο φάσμα με τη χρήση του carrier aggregation, βελτίωση του multi-antenna transmission, υποστήριξη του relaying, βελτίωση του συντονισμού σταθμών βάσης σε ετερογενή δίκτυα. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Carrier aggregation Το εύρος ζώνης στις πρώτες εκδόσεις μπορεί να κυμαίνεται ευέλικτα από 1 MHz – 20 MHz. Με τη διανομή 10 το εύρος ζώνης μπορεί να επεκταθεί με το carrier aggregation (CA). Πρακτικά το CA είναι τρόπος συνένωσης πολλαπλών φερόντων (μέχρι 5) για την αποστολή σημάτων μεγαλύτερου εύρους ζώνης. Τα φέροντα δεν είναι ανάγκη να είναι συνεχόμενα στη συχνότητα (εκμετάλλευση του fragmented spectrum). Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Carrier aggregation Ενώ οι τρεις περιπτώσεις φαντάζουν ισοδύναμες από πλευράς ευρυζωνικότητας, η πολυπλοκότητα υλοποίησής τους διαφέρει με την πρώτη να είναι η πιο απλή. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Extended multi-antenna transmission Στη release 10, η χωρική πολυπλεξία στο downlink εκτείνεται στα 8 επίπεδα Μαζί με τη χρήση του CA, επιτυγχάνονται 3 Gb/s σε 100 MHz εύρος ζώνης κατά μέγιστο. Στο uplink η πολυπλεξία φτάνει έως τον τετραπλασιασμό της χωρητικότητας. (1.5 Gb/s, 100 MHz) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Relaying To relaying αποτελεί τρόπο επικοινωνίας του τερματικού με το δίκτυο μέσω ενός κόμβου relay ο οποίος συνδέεται ασύρματα με ένα σταθμό βάσης (donor cell) Για το τερματικό, ο relay node είναι κανονική κυψέλη. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Heterogeneous deployments Αναφέρονται σε τοπολογίες δικτύων που περιλαμβάνουν σταθμούς βάσης διαφορετικής ισχύος και κάλυψης με αποτέλεσμα τις επικαλύψεις. Κλασσικό παράδειγμα είναι οι pico-κυψέλες που τοποθετούνται υπό τη σκέπη μίας μακρο-κυψέλης. Η διανομή 10 εισήγαγε νέες τεχνικές διαχείρισης του inter-layer interference. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Multi-point coordination and transmission Στις προηγούμενες εκδόσεις υποστηρίζεται το ICIC – έλεγχος των παρεμβολών μεταξύ των κυψελών Στην έκδοση 11, εισάγεται η δυνατότητα για πιο δυναμικό συντονισμό των transmission points. Στην έκδοση 8, η επικοινωνία για την αποφυγή παρεμβολών γίνεται μέσω της διεπαφής X2. Στην 11, περιέχεται και η δυνατότητα του channel state feedback για όλα τα transmission points. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Multi-point coordination and transmission Σε γενικές γραμμές το multi-point coordination σημαίνει μετάδοση σε ένα τερματικό από ένα σημείο (transmission point) αλλά το scheduling, link-adaptation πραγματοποιείται μεταξύ πολλών σημείων. Επίσης η έννοια του multi-point transmission νοηματοδοτείται από τη δυνατότητα μεταγωγής της κίνησης προς ένα τερματικό μεταξύ διαφορετικών σημείων (Dynamic Point Selection). Επιπροσθέτως δίνεται και η δυνατότητα joint transmission (πολλοί base stations τροφοδοτούν ταυτόχρονα ένα τερματικό) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Enhanced control channel structure Στην 11 εισάγεται μία συμπληρωματική δομή ελέγχου για την υποστήριξη της διαχείρισης διακυψελικής παρεμβολής. Στόχος η αξιοποίηση της δομής σημάτων αναφοράς (refererence-signal structure) όχι μόνο για τη μετάδοση δεδομένων αλλά και σηματοδοσίας ελέγχου. Είναι προαπαιτούμενο για τη λειτουργία του CoMP και απαραίτητο για beam-forming και τη διαχείριση των παρεμβολών στο πεδίο της συχνότητας. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Carrier-aggregation enhancement Βελτιώθηκε σε σχέση με την έκδοση 10 ως προς την ανάθεση του εύρους ζώνης σε περιπτώσεις TDD κίνησης. Στην ουσία καταργεί τη δέσμευση για όμοια ανάθεση σε uplink-downlink – συνεπώς και στο TDD, θα πρέπει να υπάρχει πλέον διαχωρισμός της uplink από τη downlink κίνηση στη συχνότητα όπως και στο FDD Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Terminal capabilities Οι δυνατότητες που μπορεί να έχουν τα τερματικά ανάλογα με την έκδοση του LTE ποικίλουν δίνοντας ευκαιρίες διαφοροποίησης μεταξύ low-end και high-end τερματικών. Π.χ. τερματικά της έκδοσης 8 δεν είναι δυνατό να υποστηρίζουν τις επιδόσεις των 10, 11. Συνεπώς τα τερματικά θα πρέπει να κοινοποιούν όχι μόνο ποιες εκδόσεις LTE υποστηρίζουν αλλά και τις λειτουργικότητες σε αυτή. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Αρχιτεκτονική Η βασική δουλειά στο LTE αφορούσε τις τεχνολογίες πρόσβασης Σημαντική είναι όμως και η αρχιτεκτονική τόσο στην πρόσβαση (radio Access Network, RAN) όσο και στον κορμό Core Network (CN). Αυτή η δραστηριότητα ονομάστηκε System Architecture Evolution (SAE) καταλήγοντας σε μία επίπεδη αρχιτεκτονική RAN H αρχιτεκτονική του κορμού ονομάστηκε Evolved Packet Core (EPC). Εν συνόλω το LTE RAN και EPC ονομάζονται Evolved Packet System (EPS). Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Αρχιτεκτονική To RAN είναι υπεύθυνο για τις λειτουργίες του radio τμήματος (π.χ. Scheduling, radio-resource handling, retransmission, coding, multi-antenna support) Το EPC ολοκληρώνει τη δικτύωση ώστε να παρέχεται ένα πλήρες mobile-broadband δίκτυο (π.χ. Authentication, χρεώσεις, εγκαθίδρυση συνδέσεων από άκρο σε άκρο). Η διαχείριση αυτών των λειτουργιών διαχωρίζεται από το RAN ακριβώς για να μπορούν να υποστηριχθούν διάφορες γενιές κινητών επικοινωνιών από το ίδιο EPC. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Δίκτυο κορμού Το EPC είναι μία ριζοσπαστική εξέλιξη του GSM/GPRS δικτύου κορμού που αξιοποιήθηκε για το GSM, και το 3G/HPSA. Το EPC υποστηρίζει μόνο packet switching αφαιρώντας κάθε πρόσβαση σε μεταγωγή κυκλώματος. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Δίκτυο κορμού Mobility management Entity (MME): Είναι το πεδίο ελέγχου του EPC. Αναλαμβάνει έναρξη/λήξη συνδέσεων, διαχείριση καταστάσεων idle to active, διαχείριση κλειδιών. Serving Gateway (S-GW): Συνδέει το RAN με το EPC. Λειτουργεί σαν διαχειριστής της κινητικότητας των χρηστών που μετακινούνται μεταξύ των σταθμών βάσης (eNodeBs) Packet Data Network Gateway (P-GW): Συνδέει το EPC με το διαδίκτυο. Άλλες οντότητες του EPC είναι, Policy and Charging Rules Function (PCRF), Multimedia Broadcast Multicast Services (MBMS). Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Δίκτυο πρόσβασης Είναι μια επίπεδη αρχιτεκτονική με ένα τύπο κόμβου, τον eNodeB Είναι υπεύθυνος για όλες τις λειτουργίες του radio τμήματος σε μία ή πολλές κυψέλες. Είναι η λογική οντότητα της διαχείρισης των πόρων του ασύρματου περιβάλλοντος και μπορεί να περιλαμβάνει μία ή περισσότερες κεραίες. Ένας eNodeB μπορεί να συνδέεται με πολλούς κόμβους MME/S-GW για την επίτευξη διαμοιρασμού του φόρτου (load sharing, balancing, aggregation) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Δίκτυο πρόσβασης Η διεπαφή Χ2 συνδέει απευθείας τους eNodeBs, χρησιμοποιείται για την επίτευξη της κινητικότητας, της multi-cell Radio Resource Management (RRM) και την ICIC. Έχει τη δυνατότητα να παρέχει και κινητικότητα χωρίς απώλειες με τη χρήση προώθησης πακέτων μεταξύ των κυψελών. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων
Το δίκτυο ραδιοπρόσβασης παρέχει ένα ή περισσότερα Radio Bearers στα οποία IP πακέτα αντιστοιχίζονται σύμφωνα με τις απαιτήσεις του QoS PDCP (Packet Data Convergence Protocol): Πραγματοποιεί IP header compression – μείωση του αριθμού των bit. Επίσης είναι υπεύθυνο για το ciphering, control plane, integrity protection, in-sequence delivery, duplicate removal (στην περίπτωση του handover) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Radio_Link Control (RLC): Είναι υπεύθυνο για το segmentation/ concatenation, τη διαχείριση του retransmission, την ανίχνευση διπλών πακέτων, την ακολουθιακή αποστολή των πακέτων στα επόμενα layers. Παρέχει υπηρεσίες στο PDCP. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Medium Access Control (MAC): Είναι υπεύθυνο για την πολυπλεξία λογικών καναλιών, hybrid-ARQ (και στα δύο μέρη, UE, eNodeB) και το χρονοπρογραμματισμό (eNodeB) Παρέχει υπηρεσίες στο RLC υπό τη μορφή λογικών καναλιών Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Physical Layer (PHY): Είναι υπεύθυνο για το coding/decoding, modulation/demodulation, multi-antenna αποστολές, και άλλες λειτουργίες του φυσικού επιπέδου. Παρέχει υπηρεσίες στο MAC υπό τη μορφή καναλιών μεταφοράς. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Παράδειγμα Τρία αρχικά IP πακέτα, δύο σε ένα bearer, άλλο ένα σε ένα δεύτερο bearer To PDCP εκτελεί το IP compression και το ciphering To RLC εκτελεί concatenation/segmentation To MAC πολυπλέκει ένα αριθμό από RLC PDUs To μέγεθος του transport block εξαρτάται από το data rate Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

RLC Όπως είδαμε είναι υπεύθυνο για το segmentation/concatenation των SDUs σε PDUs Αναλαμβάνει την επαναμετάδοση των λανθασμένων PDUs, και την αφαίρεση διπλών πακέτων. Αναλαμβάνει τη σε σωστή σειρά μεταφορά των SDUs σε ανώτερα layers. Το μέγεθος του PDU εξαρτάται από τη λειτουργία του scheduler (δυναμική ρύθμιση του μεγέθους με βάση το ρυθμό σε αντίθεση με τις παλαιότερες γενιές) Παρόλο που το RLC μπορεί να διαχειριστεί λάθη, στις περισσότερες περιπτώσεις το MAC επίπεδο αναλαμβάνει αυτές τις λειτουργίες μέσω του hybrid-ARQ πρωτοκόλλου. Και τα δύο (RLC, MAC) έχουν μηχανισμούς επανεκπομπής Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

MAC Αναλαμβάνει την πολυπλεξία των λογικών καναλιών, τις μεταδόσεις με βάση το hybrid-ARQ και τον χρονοπρογραμματισμό για το uplink, downlink. Επίσης είναι υπεύθυνο για την πολυπλεξία/αποπολυπλεξία δεδομένων κατά τη χρήση του carrier aggregation. To MAC προσφέρει υπηρεσίες στο RLC υπό τη μορφή λογικών καναλιών (control ή traffic channel) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Logical Channels Ενδεικτικά αναφέρονται τα παρακάτω
Broadcast Control Channel (BCCH): μεταφορά πληροφορίας συστήματος από το δίκτυο προς τα τερματικά μίας κυψέλης Paging Control Channel (PCCH): Αναζήτηση των τερματικών των οποίων η ακριβής θέση σε επίπεδο κυψέλης δεν είναι γνωστή στο δίκτυο (αποστέλλεται σε πολλές κυψέλες) Common Control Channel (CCCH): μεταφορά πληροφορίας ελέγχου Dedicated Control Channel (DCCH): κυρίως για ατομική ρύθμιση του κάθε τερματικού (π.χ. Handover) Multicast Control Channel (MCCH): Για multicast λειτουργίες Dedicated Traffic Channel (DTCH): Για την αποστολή κίνησης/πληροφορίας Multicast Traffic Channel (MTCH): Για την αποστολή downlink υπηρεσιών mutlimedia Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Transport Channels Από το PHY το MAC χρησιμοποιεί υπηρεσίες στη μορφή των transport channels. Τα δεδομένα σε ένα transport channel οργανώνονται σε transport blocks Σε κάθε Transmission Time Interval (TTI), το πολύ ένα transport block δυναμικού μεγέθους μεταδίδεται. Στην περίπτωση του MIMO, μπορούν να αποστέλλονται δύο transport blocks /ΤΤΙ Κάθε Transport block διαθέτει ένα Transport format (TF) που περιλαμβάνει πληροφορίες για το ΤΒ μέγεθος, το σχήμα διαμόρφωσης, την αντιστοίχιση στις κεραίες (antenna mapping) O έλεγχος του ρυθμού είναι γνωστός και ως transport format selection Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Transport Channels Τυπικά transport channels είναι
Broadcast channel (σταθερό TF) Paging Channel (υποστηρίζει discontinuous reception – DRX, εξοικονόμηση μπαταρίας) Downlink shared Channel (μεταβλητό TF, DRX) Multicast Channel (υποστηρίζει MBMS, ημιστατικό TF, scheduling) Uplink Shared Channel Random Access Channel (RACH) – δεν περιέχει TB παρόλα αυτά λόγω της λειτουργίας του θεωρείται transport channel Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Αντιστοίχιση logical-transport
DOWN UP Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

MAC και λογικά κανάλια Για την υποστήριξη της τήρησης προτεραιότητας, πολλαπλά λογικά κανάλια μπορούν να πολυπλεχθούν σε ΤC. Για αυτή τη λειτουργία ρυθμίζεται κατάλληλα το MAC header. Για κάθε RLC PDU, υπάρχει ένα συσχετισμένο sub-header στο MAC header. Το sub-header περιέχει την ταυτότητα του λογικού καναλιού (LCID) από το οποίο προέρχεται το RLC PDU Υπάρχει επίσης ένα flag που υποδεικνύει αν πρόκειται για το τελευταίο sub-header. Ένα ή περισσότερα RLC PDUs, μαζί με το MAC header και επιπλέον padding αν είναι αναγκαίο για να καλυφθεί πλήρως το transport-block size, αποτελούν ένα transport block που προωθείται στο PHY. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Transport Channels – Carrier Aggregation
Η λειτουργία της πολυπλεξίας στο MAC περιλαμβάνει τη διαχείριση πολλαπλών φερόντων (carrier aggregation) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Scheduling Μία από τις βασικές αρχές του LTE είναι η δυναμική χρήση στο χρόνο και στη συχνότητα των ραδιοπόρων από τους χρήστες. Ο χρονοπρογραμματιστής (scheduler) είναι μέρος του MAC, ελέγχει την ανάθεση των πόρων (up & down) μέσω των resource-block pairs (1ms, x 180 kHz). Η βασική λειτουργία είναι το δυναμικό scheduling: Ο eNodeB κάθε ms λαμβάνει απόφαση scheduling και την κοινοποιεί στα τερματικά. Υπάρχει και η δυνατότητα ημι-μόνιμου scheduling – μειώνει το overhead του control-signaling Το scheduling για το uplink και το downlink είναι ξεχωριστό Αν και στο uplink ο eNodeB ελέγχει το TF, το logical channel multiplexing είναι δουλειά του UE Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Scheduling Όπως έχουμε πει, ο κύριος στόχος του χρονοπρογραμματισμού είναι να αξιοποιήσει τις μεταβολές του καναλιού σχεδιάζοντας τις μεταδόσεις έτσι ώστε ένα UE που έχει καλύτερες συνθήκες να έχει και προτεραιότητα (channel-dependent scheduling) Για μεγάλα εύρη ζώνης, όπου θα προκύψει επιλεκτικό στη συχνότητα κανάλι, είναι σημαντικό να γίνει scheduling βασισμένο στη συχνότητα. Downlink scheduling υποστηρίζεται από το channel-state information που αναφέρει περιοδικά το UE στο eNodeB (ποιότητα ζεύξης συναρτήσει χρόνου, συχνότητας, κεραίας) Για το uplink, CSI αποστέλλεται υπό τη μορφή ενός σήματος αναφοράς από το UE και με αυτό τον τρόπο εκτιμά ο eNodeB το uplink quality. Επίσης αποστέλλει το buffer status. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Channel State Information
Rank indication(RI): Precoder matrix indication(PMI) Channel-quality indication(CQI), representing the highest modulation-and-coding scheme that, if used, would mean a DL-SCH transmission using the recommended RI and PMI would be received with a block-error probability of at most 10% Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Hybrid ARQ with soft combining
Ως μηχανισμός παρέχει ευρωστία ενάντια στα λάθη μετάδοσης. Είναι μέρος του MAC, PHY Δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα είδη κίνησης. Π.χ. η broadcast κίνηση δεν βασίζεται σε Hybrid ARQ. Κυρίως υποστηρίζεται από DL-SCH (shared channels), UL-SCH (shared channels). To LTE hybrid ARQ χρησιμοποιεί πολλές παράλληλες stop-and-wait διεργασίες. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Hybrid ARQ with soft combining
Η χρήση πολλών παράλληλων διεργασιών μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της σειράς ορθής λήψης των TB (5 πριν από το 1 στο παράδειγμα) Η σωστή ταξινόμηση των TB εξασφαλίζεται από το RLC. Το πρωτόκολλο είναι ασύγχρονο στο down και σύγχρονο στο up. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Physical layer Είναι υπεύθυνο για την κωδικοποίηση, soft-combining, διαμόρφωση, multi-antenna processing, αντιστοίχιση του σήματος στα κατάλληλα time-freq resources (TC to Physical Channel). To physical channel αντιστοιχίζεται σε ένα σύνολο time-freq resources Υπάρχουν physical channels που δεν αντιστοιχίζονται σε κάποιο TC. Είναι γνωστά ως L1/L2 control channels και χρησιμοποιούνται για την μεταφορά της downlink control information (DCI), uplink control information (ULI) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Physical layer Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) Physical BCH
Physical MCH Physical DCCH Enhanced PDCCH (Release 11) Relay PDCCH (Release 10) Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): Hybrid ARQ ACK downlink Physical Control Format ICH (PCFICH) PUSCH PDSCH PUCCH: Hybrid ARQ ACK uplink PRACH Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Multi-point Coordination and Transmission
Η χωρική επαναχρησιμοποίηση συχνότητας είναι αναγκαία για την αύξηση των συνδρομητών Μεταδόσεις στην ίδια συχνότητα προκαλούν παρεμβολές Παλαιότερα υπήρχε στατικός διαχωρισμός μεταξύ των κυψελών Βασικά προβλήματα στατικού διαχωρισμού Μη ευελιξία απόδοσης του εύρους ζώνης Υψηλές παρεμβολές στα όρια των κυψελών Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Multi-point Coordination and Transmission
Δύο σενάρια υλοποίησης Σε homogeneous deployment Σε heterogeneous deployment Αρχικά μελετάμε το homogeneous deployment 1η φάση: Release 8 – (inter cell interference coordination, ICIC) – διακυψελική σηματοδοσία – X2 διεπαφή 2η φάση: Release 10/11 – multi-point coordination/transmission Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Release-8 inter-cell interference coordination
Αργή διαχείριση (slow coordination) – λόγω μη αμελητέου latency Διαμοιρασμός μηνυμάτων που αναφέρονται στη στρατηγική χρονοπρογραμματισμού του κάθε eNodeB – επηρεάζει έτσι τον χρονοπρογραμματισμό των διπλανών Χ2 μηνύματα: High Interference Indicator (HII), Overload Indicator (OI) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Uplink εργαλεία High Interference Indicator: παρέχει πληροφορία σχετικά με το σύνολο των resource blocks στα οποία το eNodeB έχει ευαισθησία στις παρεμβολές (εργαλείο προληπτικής χρήσης – proactive tool). Ο Overload Indicator(OI) είναι ένα εργαλείο αντίδρασης (reactive ICIC tool) που υποδεικνύει με τρία επίπεδα (Low/Medium/High), την uplink παρεμβολή που αντιλαμβάνεται η κυψέλη στα διάφορα resource blocks. Ένας γείτονας eNodeB που λαμβάνει το OI θα μπορούσε να αλλάξει τη στρατηγική scheduling για να μειώσει τις παρεμβολές στον άλλο eNodeB Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Downlink εργαλεία Για το downlink, ο δείκτης Relative Narrowband Transmit Power (RNTP) ορίστηκε ώστε να υποστηρίξει τη λειτουργία ICIC operation. Είναι παρόμοιο με το HII υπό την έννοια ότι παρέχει πληροφορία για κάθε resource block, ακόμα και αν η σχετική ισχύς του δεν υπερβαίνει κάποιο επίπεδο. Παρόμοια με το HII, μία γειτονική κυψέλη μπορεί να χρησιμοποιήσει την πληροφορία ειδικά για το scheduling των χρηστών που βρίσκονται στα όρια της. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Releases-10/11 multi-point coordination/transmission
CoMP: release 10, 11 Δεν υφίσταται συγκεκριμένο πλαίσιο διακυψελικής επικοινωνίας για την υποστήριξη του CoMP Βασίζεται σε low-latency backhaul Σχήματα υλοποίησης Μετάδοση από ένα σημείο, scheduling, link adaptation οργανώνεται από πολλά σημεία Μετάδοση από πολλαπλά σημεία – μεταγωγή μεταξύ τους ή κοινή μετάδοση Κυρίως αναφέρεται στο downlink Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Διαχειριζόμενη προσαρμογή διαύλου
Λειτουργεί λαμβάνοντας υπόψη τις αποφάσεις για μετάδοση γειτονικών κυψελών (transmission points) Χρήση συγκεκριμένων radio blocks Ισχύς εκπομπής Beam forming H πληροφορία αυτή διαμοιράζεται στα γειτονικά σημεία μετάδοσης τα οποία τη χρησιμοποιούν για τις διεργασίες του link adaptation Πολλαπλά channel state information (CSI) reports – διαφορετικές υποθέσεις με βάση τις προβλεπόμενες αποφάσεις των γειτονικών σημείων. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Διαχειριζόμενη προσαρμογή διαύλου

Διαχειριζόμενος χρονοπρογραμματισμός
Coordinated scheduling: Να παρεμποδίσεις δυναμικά τη μετάδοση σε συγκεκριμένο radio block για να μειώσεις την παρεμβολή που αντιλαμβάνεται ένα τερματικό που εξυπηρετείται από άλλο σημείο μετάδοσης. Coordinated Power Control Coordinated Beam-Forming) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Multipoint transmission
Πριν είδαμε multi-point coordination Scheduling coordination: πότε στέλνουμε; Link adaptation coordination: Πόσο στέλνουμε; Τώρα θα δούμε multi-point transmission Dynamic point selection Joint transmission Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Dynamic point selection
Το τερματικό δεν χρειάζεται να είναι ενήμερο για την αλλαγή του transmission point Το τερματικό αντιλαμβάνεται τις μεταβολές του καναλιού – αντίστοιχο με το τι συμβαίνει σε beam forming Παροχή των CSI reports πολλαπλών transmission points. Συνδράμει στην επιλογή του transmission point Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Joint transmission Coherent joint transmission.
To δίκτυο έχει γνώση των καναλιών που βλέπουν δύο ή περισσότερα transmission points προς το τερματικό. Επιλέγει τα transmission weights με βάση τις δυνατότητες. Μπορεί να θεωρηθεί ανάλογο του beamforming με τη διαφορά ότι οι κεραίες που συμμετέχουν σε αυτό δεν είναι στο ίδιο μέρος. Δεν υποστηρίζεται αυτή τη στιγμή από το LTE. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Joint transmission Non-Coherent joint transmission.
To δίκτυο δεν χρησιμοποιεί λεπτομερή γνώση των καναλιών. Το μόνο κέρδος έγκειται στην αύξηση της ισχύος. Θα πρέπει να μελετηθεί αν η επιπλέον ισχύς επηρεάζει άλλες συνδέσεις. Χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις χαμηλού φόρτου. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Uplink multi-point coordination
Βασικές εκδοχές του Δυναμική διαχείριση των μεταδόσεων στο uplink για τον έλεγχο των παρεμβολών. Λήψη των uplink μεταδόσεων σε διαφορετικά σημεία Μικρή η χρησιμότητά του για το uplink Ακόμα και αν το uplink λαμβάνεται σε ένα σημείο διαφορετικό από το σημείο μετάδοσης, πληροφορίες όπως το hybrid-ARQ ack πρέπει να σταλούν από τις κυψέλες που εξυπηρετούν. Αυτό απαιτεί τη διαθεσιμότητα σύνδεσης μικρής καθυστέρησης 3GPP releases-10/11 εστιάζουν στην περίπτωση μικρής καθυστέρησης μεταξύ transmission/reception point. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ετερογενή Δίκτυα Αποστάσεις < 100 m
Εκτός από LTE, υπάρχει και η δυνατότητα του WiFi για τα ετερογενή Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ετερογενή Δίκτυα Βασικές διαφορές με τα ομοιογενή
Μεγάλη διαφορά στην ισχύ μετάδοσης (macro, pico) Δημιουργείται ένα πολύπλοκο σενάριο παρεμβολών (Inter-layer interference handling) Υπάρχει η δυνατότητα διαφορετικών συχνοτήτων στα διαφορετικά layers και άλλων τεχνικών αμφιδρόμησης Το καλύτερο σημείο για uplink δεν είναι το καλύτερο σημείο για downlink στα ετερογενή – διαφορετική επιλογή, π.χ. Downlink: maximum received power, uplink: lowest path loss Range Expansion: Βασική έννοια Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ετερογενή Δίκτυα Ανάπτυξη ετερογενών – Rel – 8
transmission points = unique cells, Point association, or cell selection: βασίζεται στην παράμετρο downlink received power όπως και στην περίπτωση ομογενών δικτύων. Είναι απλή, (δεν απαιτείται inter-cell time synchronization or inter-cell coordination) Range expansion: ρυθμίζεται από το cell selection offset Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ετερογενή Δίκτυα Frequency domain partitioning
Χρήση διαφορετικών κομματιών του φάσματος στα διαφορετικά layers Transmission points=unique cells, βασική παράμετρος: received downlink power Στατικός διαχωρισμός: Χαμηλή δυναμική ανάθεσης πόρων για την εξυπηρέτηση των αναγκών, παραλλαγές με τη χρήση του carrier aggregation είναι πιο ευέλικτες Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ετερογενή Δίκτυα Time domain partitioning
Περιορισμός της μεταδιδόμενης ισχύος της macro σε συγκεκριμένα subframes (blank or reduced power subframes) Expansion area: Χρονοπρογραμματισμός στα blank subframes Inner area: Χρονοπρογραμματισμός σε όλα τα subframes Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ετερογενή Δίκτυα Διαμοιραζόμενη Κυψέλη
Στα προηγούμενα υποδείγματα, τα transmission points είναι ξεχωριστές κυψέλες με διαφορετική ταυτότητα Η ετερογενής ανάπτυξη ευνοεί το διαχωρισμό της κυψέλης από ένα transmission point, συνεπώς τα pico transmission points δε μεταδίδουν σηματοδοσία της κυψέλης, οπότε είναι τμήμα της μακροκυψέλης. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Ετερογενή Δίκτυα Διαμοιραζόμενη Κυψέλη
Το transmission point δε χρειάζεται να αναγνωρίζεται από το UE Θυμίζει το CoMP που είδαμε πριν (resource-partitioning σχήματα). Είναι και ενεργειακά αποδοτικό διότι το pico cell «ανάβει» μόνο όταν απαιτείται μετάδοση δεδομένων (δεν εκπέμπει σηματοδοσία) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Multimedia Broadcast/Multicast
MBMS (LTE 9): Το ίδιο περιεχόμενο μεταδίδεται σε πολλαπλούς χρήστες σε μία περιοχή (MBMS service area) Point -to –multipoint μετάδοση: Για τους χρήστες που κάνουν συνδρομή σε αυτή την υπηρεσία Δεν απαιτείται καταγραφή της κινητικότητας του χρήστη Απαιτείται καλή κάλυψη και χαμηλή κατανάλωση Η κάλυψη (data rate) καθορίζεται από τον χειρότερο χρήστη Απαιτείται συγχρονισμός των υποφερουσών OFDM που εκπέμπουν οι κυψέλες. Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Πλεονεκτήματα Αυξημένη ισχύς στα όρια των κυψελών Μικρή παρεμβολή – όλες οι αποστολές είναι χρήσιμες Επιπλέον διαφοροποίηση που αποβαίνει χρήσιμη σε περιβάλλοντα με fading Προτιμάται η αποστολή ριπών υψηλού ρυθμού και σύντομης διάρκειας – (περιστασιακή λήψη = αδρανοποίηση, αφύπνιση) Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Αρχιτεκτονική Στατικές περιοχές (MBSFN areas) για μεγάλο διάστημα Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Οντότητες Multi-cell/multicast Coordination Entity (MCE): Αναλαμβάνει την απονομή των radio resources/transmission parameters Broadcast Multicast Service Center (BM-SC): αυθεντικοποίηση των content providers MBMS gateway: Multicast of IP packets Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές – 1ο μέρος

Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια

Είσοδος

Σύνδεση μέσω των κοινωνικών δικτύων:

Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών και Εφαρμογές"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια