Πτυχιακή Εργασία

118
ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE) Γεώργιος Χ. Παναγιωτόπουλος Αλέξανδρος Ν. Τσώνης Επιβλέποντες: Λάζαρος Μεράκος, Καθηγητής ΑΘΗΝΑ ΙΟΥΛΙΟΣ 2012

Transcript of Πτυχιακή Εργασία

Page 1: Πτυχιακή Εργασία

ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ

ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γεώργιος Χ. Παναγιωτόπουλος Αλέξανδρος Ν. Τσώνης

Επιβλέποντες: Λάζαρος Μεράκος, Καθηγητής

ΑΘΗΝΑ

ΙΟΥΛΙΟΣ 2012

Page 2: Πτυχιακή Εργασία

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γεώργιος Χ. Παναγιωτόπουλος

Α.Μ.: 1115200600250

Αλέξανδρος Ν. Τσώνης

Α.Μ.: 1115200600155

ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: Λάζαρος Μεράκος, Καθηγητής

Page 3: Πτυχιακή Εργασία

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Στην παρούσα Πτυχιακή Εργασία επιχειρείται μία εκτενής παρουσίαση και ανάλυση όλων των πτυχών του συστήματος ασύρματων επικοινωνιών Long Term Evolution (LTE). Μετά από μία εισαγωγή σε όλα τα συστήματα κινητών επικοινωνιών, από τα δίκτυα 1ης γενιάς έως και το LTE, εξετάζεται η αρχιτεκτονική του LTE μαζί με όλα τα δικτυακά στοιχεία, πρωτόκολλα και διεπαφές που χρησιμοποιεί. Έπειτα, εξετάζεται το φυσικό επίπεδο του LTE και παρουσιάζονται 3 βασικοί αλγόριθμοι κατανομής πόρων. Στη συνέχεια, για την καλύτερη κατανόηση της αρχιτεκτονικής αλλά και του φυσικού επιπέδου, αποτυπώνουμε την πορεία ενός LTE πακέτου διαμέσου όλων των οντοτήτων του δικτύου. Εκτενής αναφορά γίνεται επίσης σε ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του LTE που είναι η δυνατότητα διαλειτουργικότητας με άλλα ασύρματα πρότυπα. Στο LTE-Advanced, το πρώτο υπο-προτυποποίηση 4G σύστημα, αλλά και στην τεχνολογία των femtocells, ως απόγονοι του LTE αφιερώνεται επίσης ένα κεφάλαιο της εργασίας μας. Τέλος για την πρακτική επαλήθευση της γνώσης που αποτυπώθηκε στην αναλυση μας, πραγματοποιήσαμε μία εικονική διαστασιολόγηση του LTE δικτύου στην πόλη της Μυτιλήνης. Συγκεκριμένα, επιχειρήθηκε ο σχεδιασμός ενός LTE δικτύου στο φάσμα που έχει δεσμεύσει ο τηλεπικοινωνιακός πάροχος COSMOTE και εξετάστηκαν διάφορα σενάρια φόρτου και προσφερόμενης ποιότητας από το δίκτυο.

ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: Long Term Evolution (LTE)

ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Ασύρματα Δίκτυα, Διαστασιολόγηση, 4G, Συστήματα Κινητών

Επικοινωνιών

Page 4: Πτυχιακή Εργασία

ABSTRACT

In this thesis a detailed presentation and analysis of the emerging wireless communication system Long Term Evolution (LTE) is provided. After an introduction to conventional cellular communications systems, such as the 1G and 2G, we examine the LTE architecture along with the adopted network elements, protocols and interfaces. Next, we describe the physical layer of LTE while 3 basic resource allocation algorithms are presented. Sequentially, for better understanding of the LTE architecture and physical layer, we illustrate the course of an LTE packet through all the entities of the network. Extensive reference is also made in one of the major features of LTE, the interoperability with other wireless standards. We also dedicate a chapter of our project to the LTE-Advanced system, the descendant of the LTE and the first under standardization 4G system, including the femtocells technology. Finally, for the practical verification of the knowledge reflected in our analysis, we conducted a virtual dimensioning of an LTE network in the city of Mytilene. In particular, we attempted to design an LTE network in the spectrum allocated to the telecommunication operator COSMOTE and examined various scenarios of quality of service (QoS) provided by the network.

SUBJECT AREA: Long Term Evolution (LTE)

KEYWORDS: Wireless Networks, Dimensioning, 4G, Mobile Networks

Page 5: Πτυχιακή Εργασία

Η εργασία αυτή αφιερώνεται στις οικογένειές μας.

Page 6: Πτυχιακή Εργασία

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Για τη διεκπεραίωση της παρούσας Πτυχιακής Εργασίας, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε αρχικά τον επιβλέποντα καθηγητή μας, κ. Λάζαρο Μεράκο για την ευκαιρία που μας έδωσε να εκπονήσουμε την εργασία αυτή και τη βοήθειά του στην επιλογή ενός θέματος που μας ταίριαζε και μας έμαθε πολλά πάνω στα ασύρματα δίκτυα και το LTE. Θα θέλαμε επίσης να ευχαριστήσουμε τον κ. Νίκο Πασσά για τη βοήθειά του στην επιλογή ενός κατάλληλου θέματος και τον επιβλέποντα διδακτορικό κ. Δημήτρη Τσόλκα για τη συμβολή του στην ολοκλήρωση της Πτυχιακής και για τη συνεχή του βοήθεια και υποστήριξη σε όσα προβλήματα αντιμετωπίσαμε. Επίσης, θέλουμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον κ. Κωνσταντίνο Βλαχοδημητρόπουλο από την εταιρεία COSMOTE για τα εταιρικά δεδομένα αλλά και τις συμβουλές που μας έδωσε. Τέλος, θέλουμε να ευχαριστήσουμε τις οικογένειες και τους φίλους μας για την αμέριστη υποστήριξή τους καθόλη τη διάρκεια των σπουδών μας.

Page 7: Πτυχιακή Εργασία

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΠΡΟΛΟΓΟΣ ............................................................................................................................................ 15

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ...................................................................................................................................... 16

2. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ........................................................................... 17

2.1 Εισαγωγή στα Συστήματα Κινητών Επικοινωνιών ...................................................................................... 17

2.2 Δίκτυα 1ης Γενιάς........................................................................................................................................ 17

2.3 Δίκτυα 2ης Γενιάς - GSM ............................................................................................................................. 18

2.4 Δίκτυα 2.5G ................................................................................................................................................. 20

2.4.1 Το Σύστημα GPRS ..................................................................................................................................... 20

2.4.2 Το Σύστημα EDGE..................................................................................................................................... 21

2.5 Δίκτυα 3ης Γενιάς – UMTS .......................................................................................................................... 22

2.6 Δίκτυα 3.5G – HSPA .................................................................................................................................... 24

2.7 Δίκτυα 4ης Γενιάς – LTE ............................................................................................................................... 25

3. ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ LTE...................................................................................................... 28

3.1 Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική του LTE ........................................................................................................ 28

3.2 EPC – Ο πυρήνας του Δικτύου ..................................................................................................................... 29

3.3 E-UTRAN – Το Δίκτυο Πρόσβασης ............................................................................................................... 31

3.4 Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων ...................................................................................................................... 33

3.5 Διεπαφές του LTE ........................................................................................................................................ 36

3.6 Quality of Service και bearers ..................................................................................................................... 37

4. ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ...................................................................................................................... 40

4.1 Δομή του πλαισίου LTE ............................................................................................................................... 40

4.2 FDD και TDD ................................................................................................................................................ 41

Page 8: Πτυχιακή Εργασία

4.3 Βασικές έννοιες του LTE .............................................................................................................................. 43

4.3.1 OFDMA ..................................................................................................................................................... 43

4.3.2 SC – FDMA ................................................................................................................................................ 47

4.3.3 MIMO ....................................................................................................................................................... 54

4.4 Κανάλια του LTE ......................................................................................................................................... 58

4.4.1 Φυσικά Κανάλια ...................................................................................................................................... 58

4.4.2 Κανάλια Μεταφοράς ............................................................................................................................... 59

4.4.3 Λογικά Κανάλια ........................................................................................................................................ 61

4.5 Διαδικασίες του Φυσικού Επιπέδου ........................................................................................................... 62

4.5.1 HARQ ........................................................................................................................................................ 62

4.5.2 Έλεγχος της Ισχύος ................................................................................................................................... 63

4.5.3 Σελιδοποίηση ........................................................................................................................................... 63

4.5.4 Διαδικασία Τυχαίας Πρόσβασης ............................................................................................................. 63

4.5.5 Αναζήτηση Κυψέλης ................................................................................................................................ 63

5. ΠΟΡΕΙΑ ΕΝΟΣ LTE ΠΑΚΕΤΟΥ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ....................................................................... 65

5.1 Πορεία στο downlink .................................................................................................................................. 65

5.1.1 MAC επίπεδο ........................................................................................................................................... 65

5.1.2 RLC επίπεδο ............................................................................................................................................. 66

5.1.3 PDCP επίπεδο........................................................................................................................................... 67

5.2 Πορεία στο uplink ....................................................................................................................................... 68

5.2.1 PDCP Επίπεδο .......................................................................................................................................... 69

5.2.2 RLC Επίπεδο ............................................................................................................................................. 69

5.2.3 MAC Επίπεδο ........................................................................................................................................... 70

6. ΔΙΑΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ LTE ΜΕ ΑΛΛΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ .................................................... 74

6.1 Διατεχνολογική κινητικότητα (ΙΤΜ) ............................................................................................................ 74

6.2 Τεχνικές Διαλειτουργικότητας στο LTE ....................................................................................................... 75

6.3 Διαδικασία Handover στο LTE ..................................................................................................................... 76

6.4 Διαλειτουργικότητα LTE με WiMAX ............................................................................................................ 77

6.5 Διαλειτουργικότητα LTE με UMTS ............................................................................................................... 80

6.6 Διαλειτουργικότητα LTE με GSM................................................................................................................. 82

Page 9: Πτυχιακή Εργασία

7. LTE ADVANCED ........................................................................................................................... 83

7.1 Απαιτήσεις του 4G ...................................................................................................................................... 83

7.2 Χαρακτηριστικά του LTE Advanced ............................................................................................................. 83

7.3 Ομαδοποίηση φορέων ............................................................................................................................... 83

7.4 LTE Coordinated Multipoint ........................................................................................................................ 85

7.5 Femtocell .................................................................................................................................................... 87

8. ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ LTE ΔΙΚΤΥΟΥ ...................................................................................... 91

8.1 Γεωγραφικά στοιχεία και κατανομή πληθυσμού ....................................................................................... 91

8.2 Σενάρια Διαστασιολόγησης ........................................................................................................................ 94

8.2.1 Σενάριο 1 .................................................................................................................................................. 95

8.2.2 Σενάριο 2 .................................................................................................................................................. 97

8.2.3 Σενάριο 3 .................................................................................................................................................. 98

8.3 Αποτελέσματα Διαστασιολόγησης ............................................................................................................. 99

9. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ..................................................................................................................... 102

ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ ..................................................................................................................... 103

ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ – ΑΡΚΤΙΚΟΛΕΞΑ – ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ ...................................................................... 104

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι .................................................................................................................................... 109

ΑΝΑΦΟΡΕΣ .......................................................................................................................................... 118

Page 10: Πτυχιακή Εργασία

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ

Σχήμα 1. Συγκριτικά Αποτελέσματα Πλήθους eNodeB ανά Σενάριο ........................... 100

Σχήμα 2. Συγκριτικά Αποτελέσματα Χωρητικότητας eNodeB ανά Σενάριο .................. 100

Page 11: Πτυχιακή Εργασία

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ

Εικόνα 1. Διαίρεση της περιοχής κάλυψης σε κυψέλες .................................................. 17

Εικόνα 2. Αρχιτεκτονική του GSM .................................................................................. 19

Εικόνα 3. Αρχιτεκτονική του GPRS ................................................................................ 21

Εικόνα 4. Η εξέλιξη των προτύπων έως το 3G .............................................................. 22

Εικόνα 5. Αρχιτεκτονική του UMTS ................................................................................ 23

Εικόνα 6. Αύξηση των χρηστών του HSPA ................................................................... 25

Εικόνα 7. Αύξηση της ασύρματης ευρυζωνικότητας ...................................................... 25

Εικόνα 8. Χρονική εξέλιξη του LTE ................................................................................ 27

Εικόνα 9. Η αρχιτεκτονική του LTE ................................................................................ 28

Εικόνα 10. Δικτυακά στοιχεία του EPS .......................................................................... 29

Εικόνα 11. Η αρχιτεκτονική του E-UTRAN ..................................................................... 32

Εικόνα 12. Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων – Επίπεδα ελέγχου και χρήστη ...................... 33

Εικόνα 13. Δομή πρωτοκόλλων επιπέδου ελέγχου ....................................................... 34

Εικόνα 14. Δομή πρωτοκόλλων επιπέδου χρήστη ........................................................ 34

Εικόνα 15. Διαδικασία εγκαθίδρυσης ενός bearer ......................................................... 38

Εικόνα 16. Δομή του πλαισίου Τύπου 1 ........................................................................ 40

Εικόνα 17. Δομή του πλαισίου Τύπου 2 ........................................................................ 41

Εικόνα 18. Η FDD και TDD δομή του πλαισίου ............................................................. 42

Εικόνα 19. Οι 7 διαφορετικές downlink/uplink διαμορφώσεις......................................... 42

Εικόνα 20. Το μεταδιδόμενο downlink σήμα ως ένα πλέγμα πόρων ............................. 44

Εικόνα 21. Διάσπαρτα σήματα αναφοράς μεταξύ στοιχείων πόρων ............................. 45

Εικόνα 22. Πομπός και δέκτης στο OFDMA .................................................................. 46

Εικόνα 23. Ενεργειακές απαιτήσεις του ενισχυτή για διαφορετικές κυματομορφές ........ 47

Εικόνα 24. SC-FDMA πομπός και δέκτης ...................................................................... 48

Εικόνα 25. Κατανομή subcarriers σε Distributed και Localized Mode ............................ 49

Εικόνα 26. Ο Πίνακας Μ ως είσοδος των αλγορίθμων .................................................. 49

Page 12: Πτυχιακή Εργασία

Εικόνα 27. Παράδειγμα κατανομής πόρων από τον RME και σύγκριση με τον FME .... 51

Εικόνα 28. Παράδειγμα κατανομής πόρων με τον MADE .............................................. 53

Εικόνα 29. Closed-loop χωρική πολυπλεξία με M επίπεδα και Ν κεραίες...................... 55

Εικόνα 30. Open-loop χωρική πολυπλεξία με M επίπεδα και Ν κεραίες ........................ 57

Εικόνα 31. Αντιστοίχιση μεταξύ downlink φυσικών καναλιών και μεταφοράς ................ 60

Εικόνα 32. Αντιστοίχιση μεταξύ uplink φυσικών καναλιών και μεταφοράς ..................... 61

Εικόνα 33. Αντιστοίχιση uplink λογικών καναλιών και μεταφοράς ................................. 62

Εικόνα 34. Αντιστοίχιση downlink λογικών καναλιών και μεταφοράς ............................. 62

Εικόνα 35. Πορεία ενός πακέτου στο LTE δίκτυο κατά το downlink ............................... 65

Εικόνα 36. Διαδικασία κατακερματισμού στο RLC επίπεδο ........................................... 67

Εικόνα 37. Διαδικασία συμπίεσης PDCP κεφαλίδας ...................................................... 68

Εικόνα 38. Πορεία ενός πακέτου στο LTE δίκτυο κατά το uplink ................................... 69

Εικόνα 39. Διαδικασία συνένωσης στο uplink ................................................................ 70

Εικόνα 40. RACH διαδικασία βασισμένη στη σύγκρουση των πακέτων ........................ 71

Εικόνα 41. RACH διαδικασία βασισμένη στη μη σύγκρουση των πακέτων ................... 72

Εικόνα 42. LTE στοίβα πρωτοκόλλων ........................................................................... 72

Εικόνα 43. Προσθήκη/Εξαγωγή κεφαλίδων ................................................................... 73

Εικόνα 44. Ευελιξία στη Διαλειτουργικότητα από το LTE ............................................... 76

Εικόνα 45. Διαδικασία Handover ................................................................................... 77

Εικόνα 46. Μετάβαση από το WiMAX στο LTE ............................................................. 79

Εικόνα 47. Handover από το LTE στο WiMAX .............................................................. 80

Εικόνα 48. Φάση Προετοιμασίας ................................................................................... 80

Εικόνα 49. Φάση Εκτέλεσης .......................................................................................... 81

Εικόνα 50. Τύποι ομαδοποίησης φορέων ...................................................................... 84

Εικόνα 51. Γενική ιδέα του LTE CoMP........................................................................... 86

Εικόνα 52. Αρχιτεκτονική HeNB..................................................................................... 88

Εικόνα 53. Πόλη της Μυτιλήνης ..................................................................................... 91

Page 13: Πτυχιακή Εργασία

Εικόνα 54. Πυκνοκατοικημένες περιοχές ....................................................................... 92

Εικόνα 55. Πληθυσμιακή κατανομή ............................................................................... 93

Εικόνα 56. Bits ανά OFDM symbol ................................................................................ 94

Εικόνα 57. Διαθέσιμο φάσμα και RB.............................................................................. 94

Εικόνα 58. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 1 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου ....... 109

Εικόνα 59. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 1 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου ......... 110

Εικόνα 60. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 1 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου ...... 111

Εικόνα 61. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 2 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου ....... 112

Εικόνα 62. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 2 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου ......... 113

Εικόνα 63. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 2 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου ...... 114

Εικόνα 64. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 3 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου ....... 115

Εικόνα 65. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 3 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου ......... 116

Εικόνα 66. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 3 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου ...... 117

Page 14: Πτυχιακή Εργασία

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ

Πίνακας 1. Συστήματα 1ης Γενιάς ανά τον κόσμο .......................................................... 18

Πίνακας 2. Συστήματα 2ης Γενιάς ανά τον κόσμο .......................................................... 20

Πίνακας 3. Σύγκριση GPRS και EDGE .......................................................................... 22

Πίνακας 4. Σύγκριση συστημάτων GSM και UMTS ....................................................... 24

Πίνακας 5. Σύγκριση μεταξύ των 3G και 4G τεχνολογιών.............................................. 27

Πίνακας 6. Διαθέσιμα RB ανά κατηγορία εύρους ζώνης ............................................... 43

Πίνακας 7. Πίνακας για μετάδοση με 2 κεραίες .............................................................. 56

Πίνακας 8. Πίνακας για μετάδοση με 4 κεραίες .............................................................. 56

Πίνακας 9. Σύγκριση LTE και WiMAX ............................................................................ 78

Page 15: Πτυχιακή Εργασία

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Η παρούσα πτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στην Αθήνα από τον Ιούνιο του 2011 μέχρι και τον Ιούνιο του 2012. Αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι για την απόκτηση του πτυχίου και διεξήχθη κατά το έκτο έτος της φοίτησής µας ως προπτυχιακοί φοιτητές στο τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστήμιου Αθηνών.

Page 16: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 16

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ο τομέας των συστημάτων κινητών επικοινωνιών είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξης, καθώς το πέρασμα από την τρίτη στην τέταρτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν σε μεγάλο βαθμό και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενιαίο και λειτουργικό σύστημα, το οποίο θα είναι σε θέση να παρέχει πληθώρα υπηρεσιών στους χρήστες του.

Το LTE αποτελεί ένα πρότυπο που βελτιώνει την αποδοτικότητα χρήσης του φάσματος και αυξάνει τη χωρητικότητα των σταθμών βάσης. Αυτές οι βελτιώσεις δίνουν στο LTE την ευκαιρία να προσφέρει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης, χαμηλότερες καθυστερήσεις, βελτιωμένη εμπειρία χρήστη, ενώ παράλληλα διατηρεί σε χαμηλά επίπεδα τα λειτουργικά έξοδα.

Η παρούσα Πτυχιακή Εργασία έχει την κάτωθι δομή: Αρχικά, γίνεται μία παρουσίαση όλων των γενεών ασύρματων δικτύων, από τα δίκτυα 1ης γενιάς έως το LTE, ενώ γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στα πλέον επιτυχημένα συστήματα κινητών επικοινωνιών όπως το GSM, το GPRS και το UMTS. Έπειτα, παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του LTE. Αναλύεται στα επιμέρους στοιχεία και επισημαίνονται τα πρωτόκολλα και οι διεπαφές που χρησιμοποιεί.

Στη συνέχεια, ακολουθεί το φυσικό επίπεδο του LTE. Παρουσιάζονται οι βασικότερες πτυχές του, όπως το OFDMA, το SC-FDMA και το MIMO. Επίσης, περιγράφονται 3 αλγόριθμοι κατανομής πόρων στο SC-FDMA, ενώ επεξηγούνται και οι κύριες διαδικασίες του φυσικού επιπέδου. Κατόπιν, γίνεται μία εκτενής περιγραφή στην πορεία που ακολουθεί ένα πακέτο διαμέσου του LTE δικτύου. Δίνεται λεπτομερώς η πορεία του πακέτου καθώς περνάει από το ένα στρώμα στο άλλο τόσο στο uplink όσο και στο downlink.

Ύστερα, εξετάζονται οι δυνατότητες διαλειτουργικότητας με άλλα ασύρματα δίκτυα όπως το WiMAX, το UMTS και το GSM, καθώς και τα είδη handover που επιτελούνται. Αναλύεται διεξοδικά το LTE Advanced και η τεχνολογία των femtocells. Τέλος, επιχειρείται η διαστασιολόγηση ενός LTE δικτύου στην πόλη της Μυτιλήνης, στο φάσμα που έχει διατεθεί στην COSMOTE. Η πόλη χωρίζεται σε 6 ζώνες, 3 πυκνοκατοικημένες και 3 πιο αραιοκατοικημένες. Λαμβάνονται υπόψιν σενάρια με διαφορετικές συνθήκες καναλιού και εναλλαγές στον παραγόμενο φόρτο. Στο τέλος της ενότητας παρουσιάζονται τα συγκριτικά αποτελέσματα και στο παράρτημα προτείνεται η κατάλληλη υλοποίηση του δικτύου με βάση τα σενάρια που έχουν ληφθεί κάθε φορά υπόψιν.

Page 17: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 17

2. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

2.1 Εισαγωγή στα Συστήματα Κινητών Επικοινωνιών

Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών του 60 και του 70 αναπτύχθηκε στα Bell Laboratories η ιδέα των κυψελωτών συστημάτων κινητών επικοινωνιών ή κυψελωτών κινητών συστημάτων, μία ιδέα που προκάλεσε τη ραγδαία εξέλιξη των ασύρματων επικοινωνιών σε παγκόσμιο επίπεδο. Τα συστήματα αυτά είναι ασύρματα δίκτυα που καλύπτουν μια περιοχή μέσα στην οποία ο χρήστης μπορεί να μετακινείται, παραμένοντας συνδεδεμένος. Η περιοχή κάλυψης διαιρείται σε μικρότερα τμήματα που λέγονται κυψέλες (Εικ. 1). Η κάθε κυψέλη εξυπηρετείται από το δικό της σταθμό βάσης, ο οποίος αποτελείται από κεραία, πομπό και δέκτη, έχει δικά της κανάλια (π.χ. μπάντες συχνοτήτων) και έχουν δημιουργηθεί με τέτοιο τρόπο ώστε οι κεραίες να ισαπέχουν μεταξύ τους. Η διαίρεση της περιοχής κάλυψης σε κυψέλες εξυπηρετεί δύο σκοπούς: επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση μιας συχνότητας και ταυτόχρονα συμβάλλει στο να αποφεύγονται έντονα φαινόμενα παρεμβολής [2].

Εικόνα 1. Διαίρεση της περιοχής κάλυψης σε κυψέλες

Η ανακάλυψη των κυψελωτών κινητών συστημάτων βελτίωσε τις ασύρματες επικοινωνίες αφού προσέφερε χρήση περισσότερων καναλιών, επικάλυψη ραδιοσυχνοτήτων, ενώ πομποί και δέκτες χρειάζονταν πλέον λιγότερη ισχύ για την λειτουργία τους, κάτι που σήμαινε μικρότερο κόστος, βάρος και μέγεθός, καθώς και λιγότερες παρεμβολές. Παράγοντες όπως πλήθος χρηστών, εδαφικές ιδιαιτερότητες, υπάρχουσα τεχνολογία και επικοινωνιακή υποδομή, σε συνδυασμό με οικονομικά δεδομένα και τον ανταγωνισμό μεταξύ εταιριών, οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και προτύπων. Επειδή όμως μεταξύ των διάφορων τεχνολογιών υπάρχουν μεγάλες διαφορές, τα συστήματα κινητών επικοινωνιών πολύ συχνά διαχωρίζονται βάσει της «γενιάς» στην οποία ανήκουν, π.χ. 1η, 2η κ.ο.κ.

2.2 Δίκτυα 1ης Γενιάς

Εμφανίστηκε τη δεκαετία του 80’ στην Αμερική και σε ορισμένες χώρες στην Ευρώπη, όχι όμως και στην Ελλάδα. Τα συστήματα που δημιουργήθηκαν ήταν:

Page 18: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 18

AMPS (Advanced Mobile Phone Service) σε ΗΠΑ, Κεντρική και Νότια Αμερική και Καναδά

TACS (Total Access Communication System) σε Αγγλία, Ιταλία, Ισπανία, Αυστρία και Ολλανδία.

C-450 σε Γερμανία και Πορτογαλία.

Radiocom 2000 σε Γαλλία.

RTMS για την Ιταλία.

ΝΤΤ στην Ιαπωνία.

NMT (Nordic Mobile Telephone) σε άλλες Ευρωπαϊκές χώρες.

Τα βασικά χαρακτηριστικά (και ταυτόχρονα μειονεκτήματα) της 1G ήταν οι ογκώδεις συσκευές, οι πολύ χαμηλές ταχύτητες, η κακή ποιότητα, η μετάδοση φωνής με αναλογικό τρόπο και τα πολλά προβλήματα σύνδεσης. Γι’ αυτό και δεν άργησε να εγκαταλειφθεί και αντικατασταθεί από τα συστήματα 2ης Γενιάς.

Πίνακας 1. Συστήματα 1ης Γενιάς ανά τον κόσμο

2.3 Δίκτυα 2ης Γενιάς - GSM

Τα 2ης γενιάς δίκτυα αναπτύχθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 90. Επειδή δεν υπήρχε κάποια παγκόσμια προτυποποίηση δημιουργήθηκαν τα εξής πρότυπα:

D-AMPS (Digital-AMPS) γνωστό και ως TDMA στην Αμερική

GSM (Global System for Mobile Communications)

PDC (Personal Digital Cellular) στην Ιαπωνία

Το πρότυπο 2G που χρησιμοποιήθηκε περισσότερο στην Ελλάδα, αλλά και παγκοσμίως, είναι το GSM καθότι εκπλήρωσε σε μεγαλύτερο βαθμό τις εμπορικές και τεχνικές προσδοκίες. Αναπτύχθηκε για να εκπληρώσει συγκεκριμένους στόχους, όπως:

να προσφέρει – υποκειμενικά – καλή ποιότητα ομιλίας

να έχει χαμηλό κόστος αγοράς τηλεφώνου ή τερματικού

να χρησιμοποιεί κινητά τερματικά

Page 19: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 19

να υποστηρίζει διεθνή περιαγωγή

να παρέχει καλή φασματική απόδοση

να προσφέρει συμβατότητα με το ISDN

Τα βασικά δικτυακά στοιχεία του GSM είναι το BSS (Base Station Subsystem) και το NSS (Network Switching Subsystem). Το BSS αποτελείται από το BTS (Base Transreceiver Station) και το BSC (Base Station Controllers), ενώ το NSS συγκροτούν τα MSC (Mobile Switching Centre), VLR (Visitor Location Register), HLR (Home Location Register), AC (Authentication Centre), και EIR (Equipment Identity Register) (Εικ. 2).

Εικόνα 2. Αρχιτεκτονική του GSM

Η μεγάλη καινοτομία του GSM είναι η μετάδοση με χρήση ψηφιακού σήματος. Η μετάδοση ψηφιακού σήματος έφερε πολλές αλλαγές, όπως τη μείωση του κόστους των υποδομών του δικτύου, ενώ και οι συσκευές έγιναν μικρότερες. Βασικά της χαρακτηριστικά η αξιοπιστία στη μετάδοση φωνής και η μετάδοση δεδομένων, έστω και με χαμηλή ταχύτητα, ενώ απ’τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του GSM είναι τα εξής:

Χρησιμοποιεί και FDMA και TDMA τεχνολογίες πολλαπλής πρόσβασης

Λειτουργεί στα 890 – 915, 1710 – 1785 και 1850 - 1910 MHz στο uplink και στα 935 – 960, 1805 – 1880 και 1930 – 1990 MHz στο downlink

Κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 200 kHz

Ο ρυθμός καναλιού που παρέχει είναι 9,6 kbps

Το σχήμα διαμόρφωσης που χρησιμοποιεί είναι το GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

Η ακτίνα κάθε κυψέλης σε αραιοκατοικημένες περιοχές είναι έως και 35Km ενώ σε πυκνοκατοικημένες περιοχές δεν ξεπερνά τα 300 μέτρα

Παρέχει την υπηρεσία SMS (Short Messaging Service) που προσφέρει την αποστολή και την λήψη κειμένου μέχρι και 160 αλφαριθμητικών χαρακτήρων από ένα κινητό προς ένα οποιοδήποτε άλλο [3].

Page 20: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 20

Πίνακας 2. Συστήματα 2ης Γενιάς ανά τον κόσμο

2.4 Δίκτυα 2.5G

2.4.1 Το Σύστημα GPRS

Τις χαμηλές ταχύτητες της 2G ήρθε να διορθώσει η 2.5G. Τα πρότυπά της είναι το GPRS και το EDGE, με πιο διαδεδομένο το GPRS (General Packet Radio System), που χρησιμοποιήθηκε και στην Ελλάδα. Εκτός από άριστη ποιότητα στη μετάδοση φωνής, οι ταχύτητες στη μετάδοση δεδομένων αυξήθηκαν σημαντικά σε σχέση με τη 2G. Αποτέλεσε το θεμέλιο λίθο στη μεταπήδηση από το GSM στα 3G συστήματα. Προσέφερε ρυθμούς μετάδοσης μέχρι τα 172 kbps, παροχές όπως η περιήγηση στο Internet, ενώ υπηρεσίες που απαιτούν τη μεταφορά δεδομένων κατέστησαν δυνατές. Συγκριτικά με το GSM προσφέρει τα εξής πλεονεκτήματα:

Υψηλότερες ταχύτητες μέχρι τα 172 kbps

Μεταγωγή πακέτου για αποτελεσματικότερη χρήση της διαθέσιμης χωρητικότητας

“Always on” συνδεσιμότητα

Τα στοιχεία του GSM λειτουργούν ξεχωριστά από του GPRS. Έτσι, καθώς τα GSM στοιχεία μεταφέρουν κλήσεις φωνής και τα GPRS στοιχεία μεταφέρουν δεδομένα, είναι δυνατή η ταυτόχρονη αποστολή και λήψη φωνής και δεδομένων

Την υπηρεσία MMS (Multimedia Messaging Service) για την αποστολή μηνυμάτων με multimedia περιεχόμενο

Η αρχιτεκτονική του GPRS (Εικ. 3) δέχτηκε αναβαθμίσεις σε σχέση με την αντίστοιχη του GSM, εισάγοντας νέα στοιχεία όπως τα:

SGSN: Αποτελεί μια πύλη προς τις υπηρεσίες εντός του δικτύου

GGSN: Αποτελεί την πύλη για την επικοινωνία του δικτύου με τον έξω κόσμο

Page 21: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 21

PCU: Διακρίνει κατά πόσο τα δεδομένα θα κατευθύνονται προς δίκτυα μεταγωγής πακέτου ή κυκλώματος [3].

Εικόνα 3. Αρχιτεκτονική του GPRS

2.4.2 Το Σύστημα EDGE

Το σύστημα EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), που συχνά αναφέρεται και ως 2.7G, αποτελεί την αναβάθμιση των υπάρχοντων GSM και GPRS δικτύων. Το EDGE στοχεύει στην αξιοποίηση των βελτιώσεων που έφερε το GPRS, όπου η μεταγωγή πακέτου εφαρμόζεται σε ένα δίκτυο. Προσφέρει αύξηση στο ρυθμό μετάδοσης με τον οποίο τα δεδομένα μπορούν να μεταφερθούν υιοθετώντας ένα νέο σχήμα διαμόρφωσης. Σε αντίθεση με το GSM και το GPRS που χρησιμοποιούν GMSK διαμόρφωση, το EDGE άλλαξε τη διαμόρφωση σε 8PSK, επιτρέποντας έτσι μια σημαντική αύξηση στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων που μπορεί να επιτευχθεί.

Οι βασικές διαφοροποιήσεις του EDGE από το GSM και το GPRS είναι οι εξής:

Προσφέρει ταχύτητες της τάξης των 384 kbps

Χρησιμοποιεί 8PSK διαμόρφωση για να επιτύχει τους υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης

Ο σταθμός βάσης πρέπει να αναβαθμιστεί ώστε να ενσωματώσει τη δυνατότητα της 8PSK διαμόρφωσης. Επιπλέον, απαιτούνται και άλλες μικρές αλλαγές οι οποίες πραγματοποιούνται με αναβάθμιση του λογισμικού

Ο κινητός σταθμός πρέπει να αλλάξει ώστε να είναι συμβατός με το EDGE

Όσον αφορά την αρχιτεκτονική, χρειάζονται οι ίδιες αναβαθμίσεις που έγιναν για το GPRS. Επειδή και στο UMTS ακολουθείται το ίδιο μοντέλο αρχιτεκτονικής, είναι

Page 22: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 22

προφανές ότι η εισαγωγή του EDGE αποτελεί μέρος της αλλαγής από GSM συστήματα στα αντίστοιχα UMTS.

Τέλος πρέπει να σημειωθεί ότι παρά το μεγάλο πλήθος αλλαγών που πρέπει να πραγματοποιηθούν, το κόστος είναι χαμηλό. Αυτό συμβαίνει γιατί αφενός οι αλλαγές που αφορούν την αρχιτεκτονική έχουν ήδη πραγματοποιηθεί για το GPRS και πρόκειται να χρησιμοποιηθούν και στο UMTS, και αφετέρου οι μετατροπές που απαιτούνται στους σταθμούς βάσης καλύπτονται με αναβαθμίσεις στο λογισμικό και όχι στο υλικό.

Πίνακας 3. Σύγκριση GPRS και EDGE

GPRS EDGE

Χρονιά Εισαγωγής 1999 1999

Τοποθεσία Ευρώπη Ευρώπη

Διαμόρφωση GMSK 8PSK

Πολλαπλή Πρόσβαση TDMA TDMA

Duplex FDD FDD

Ζώνη uplink συχνοτήτων 935 – 960 MHz 935 – 960 MHz

Ζώνη downlink συχνοτήτων

890 – 915 MHz 890 – 915 MHz

Εύρος Ζώνης Καναλιού 200 KHz 200 KHz

Αριθμός Καναλιών 124 124

2.5 Δίκτυα 3ης Γενιάς – UMTS

Κατά την ανάπτυξη των συστημάτων κινητών επικοινωνιών μεγάλο πρόβλημα αποτέλεσε η διαφορετικότητα των προτύπων ανά τον κόσμο (η Εικ. 4 δείχνει τα διαφορετικά πρότυπα που χρησιμοποιήθηκαν μέχρι και την εισαγωγή του 3G). Το πρόβλημα λύθηκε με την ανάπτυξη του UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), ενός δικτύου που παρέχει υπηρεσίες ανεξαρτήτως τεχνολογικής πλατφόρμας και έχει τα ίδια πρότυπα σε παγκόσμιο επίπεδο.

Εικόνα 4. Η εξέλιξη των προτύπων έως το 3G

Page 23: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 23

Το UMTS αποτελεί τον 3G διάδοχο του GSM και επιτρέπει την μετάδοση δεδομένων με πολύ υψηλές ταχύτητες σε πραγματικό χρόνο. Το βασικότερο από τα χαρακτηριστικά του είναι οι δυνατότητες του εύρους ζώνης και της χωρητικότητας ώστε να υποστηρίζεται μεγαλύτερος αριθμός χρηστών με μικρότερο κόστος και μεγαλύτερες ταχύτητες. Συγκεκριμένα:

Χρησιμοποιεί WCDMA ως πρότυπο ασύρματης μετάδοσης

Έχει εύρος ζώνης καναλιού 5ΜΗz, που του επιτρέπει να μεταφέρει ταυτόχρονα πάνω από 100 κλήσεις ή δεδομένα με ταχύτητα μέχρι 2 Mbps

Μπορεί να λειτουργήσει είτε με FDD είτε με TDD

Οι βελτιώσεις που επετεύχθησαν με το GPRS και το EDGE χρησιμοποιούνται στο UMTS ώστε το κόστος επένδυσης να είναι ελάχιστο

Το μέγεθος της κυψέλης που καλύπτει ο σταθμός βάσης δεν είναι σταθερό, αλλά μπορεί να μεταβάλλεται ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές

Διαχειρίζεται νέες εφαρμογές όπως εφαρμογές video, downloading μουσικής ή λογισμικού, Voice-over-IP (VoIP), μηνύματα πολυμέσων και ολοκληρωμένες υπηρεσίες email

Μπορεί να χρησιμοποιεί στοιχεία των GPRS και EDGE δικτύων όπως τα: HLR, VLR, EIR, MSC, AC, SGSN και GGSN. Τα νέα στοιχεία που εισήγαγε είναι τα εξής:

- Το RNC (Radio Network Controller)

- To NodeB (ο σταθμός βάσης). Μαζί με το RNC αποτελούν το RNS (Radio Network Subsystem)

- To MGW (Media Gateway)

Εικόνα 5. Αρχιτεκτονική του UMTS

Page 24: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 24

Στην Εικ. 5 φαίνεται αναλυτικά η αρχιτεκτονική του UMTS, ενώ στη συνέχεια στον Πίνακα 4 γίνεται μία σύγκριση μεταξύ των 2 πιο διαδεδομένων 2G και 3G συστημάτων στον κόσμο αλλά και στην Ελλάδα [1],[3].

Πίνακας 4. Σύγκριση συστημάτων GSM και UMTS

2.6 Δίκτυα 3.5G – HSPA

Το HSPA (High Speed Packet Access) αποτελεί το συνδυασμό 2 τεχνολογιών, του HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) για το downlink και του HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) για το uplink.Το πρότυπο αυτό αναπτύχθηκε ώστε να προσφέρει ταχύτητες μεγαλύτερες από του UMTS με σκοπό να μπορέσει να ανταγωνιστεί τις υπηρεσίες ευρυζωνικότητας της σταθερής τηλεφωνίας και να υποστηρίξει υπηρεσίες που απαιτούν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Τα οφέλη που προσφέρει είναι:

Χρησιμοποιεί διαμόρφωση υψηλότερης τάξης. Συγκεκριμένα, το HSDPA χρησιμοποιεί 16QAM αντί για QPSK, επιτρέποντας ταχύτητες μέχρι τα 14Mbps, ενώ το HSUPA εξακολουθεί να χρησιμοποιεί QPSK, επιτυγχάνοντας ταχύτητες μέχρι 5,8 Mbps.

Έχει μικρότερο ΤΤΙ (Transmission Time Interval) βελτιώνοντας την προσαρμογή στις fastchannel διακυμάνσεις και παρέχει μειωμένες καθυστερήσεις.

Χρησιμοποιεί μετάδοση κοινού καναλιού. Μοιράζοντας τους διαθέσιμους πόρους επιτυγχάνονται υψηλότερα επίπεδα φασματικής απόδοσης.

Μεγιστοποιεί τη χρήση του καναλιού προσαρμόζωντας τη σύνδεση.

Χρησιμοποιεί γρήγορο χρονοπρογραμματισμό του NodeB με προσαρμοστική κωδικοποίηση και διαμόρφωση, δίνοντας στο σύστημα τη δυνατότητα να ανταποκρίνεται στην κίνηση των δεδομένων, τα διαφορετικά κανάλια και τις παρεμβολές.

Page 25: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 25

Η χρήση του HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) επιτρέπει στους χρήστες να λαμβάνουν το βέλτιστο ρυθμό δεδομένων, άσχετα από το πόσο κοντά ή μακριά βρίσκονται από το NodeB.

Αυξάνεται η χωρητικότητα του δικτύου με ταυτόχρονη μείωση του κόστους.

Στην Εικ.6 φαίνεται η αύξηση των χρηστών του HSPA παγκοσμίως, σε σύγκριση και με τους χρήστες του UMTS [3].

Εικόνα 6. Αύξηση των χρηστών του HSPA

2.7 Δίκτυα 4ης Γενιάς – LTE

Η ραγδαία αύξηση στη χρήση ασύρματων συσκευών για εφαρμογές (Εικ. 7), όπως περιήγηση στο Internet, video streaming, VoIP, online gaming, mobile TV κτλ, οδήγησε στην υιοθέτηση μιας νέας τεχνολογίας που συνδυάζει την ανάγκη των χρηστών για υψηλές ταχύτητες και χαμηλό κόστος. Η νέα αυτή τεχνολογία, που αναπτύχθηκε από τη 3GPP, ονομάζεται LTE (Long Term Evolution) και πρόκειται για μία επαναστατική ιδέα, ιδιαίτερα για τις ασύρματες εφαρμογές.

Εικόνα 7. Αύξηση της ασύρματης ευρυζωνικότητας

Page 26: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 26

Το LTE σχεδιάστηκε ώστε να παραμείνει ανταγωνιστικό σε βάθος 10ετίας, γι’αυτό και οι αρχικοί στόχοι που τέθηκαν σχετίζονταν με:

μείωση των καθυστερήσεων, τόσο στην εγκαθίδρυση της σύνδεσης όσο και στη μετάδοση,

αύξηση στο ρυθμό δεδομένων,

αύξηση στο ρυθμό των bit στα πλαίσια της κυψέλης, ώστε να παρέχονται ομοιόμορφες υπηρεσίες,

μειωμένο κόστος ανά bit, που οδηγεί σε βελτιωμένη φασματική απόδοση,

μείωση του κόστους τόσο για τον πάροχο, όσο και για τον χρήστη,

μεγαλύτερη ευελιξία στη χρήση του φάσματος, που συνεπάγεται την ομαλή μετάβαση σε άλλες ζώνες συχνοτήτων,

απλοποιημένη αρχιτεκτονική δικτύου,

απρόσκοπτη κινητικότητα μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών πρόσβασης,

χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας για το κινητό τερματικό.

Για να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι απαιτείται βελτιωμένη απόδοση του συστήματος σε σχέση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες και ελαχιστοποίηση της πολυπλοκότητας του συστήματος και του εξοπλισμού του χρήστη (User Equipment – UE). Αυτές οι βελτιώσεις διασφαλίζουν την ανταγωνιστικότητα του LTE και τη δυναμική του στην αγορά. Έτσι, οι προδιαγραφές λειτουργίας του LTE είναι:

Παροχή υψηλότερων ταχυτήτων, μέχρι 100 Mbps στο downlink και 50 Mbps στο uplink στα 20MHz, υπό την προϋπόθεση το τερματικό να διαθέτει 2 κεραίες λήψης και 1 εκπομπής.

Υποστήριξη κλιμακωτού εύρους ζώνης στα 1.25, 2.5, 5.0, 10.0 και 20.0 MHz.

Προσφέρει 3 με 4 φορές μεγαλύτερη φασματική απόδοση στο downlink σε σχέση με το HSDPA (Rel.6) και 2 με 3 φορές στο uplink σε σχέση με το HSUPA (Rel.6).

Προσφέρει 3 με 4 φορές υψηλότερη μέση απόδοση και 2-3 φορές υψηλότερη απόδοση στα άκρα της κυψέλης σε σχέση με το 3GPP Rel.6.

Υποστήριξη FDD και TDD τρόπου λειτουργίας.

Στο downlink το σχήμα πρόσβασης που χρησιμοποιεί είναι το OFDMA, ενώ στο uplink το SC-FDMA.

Χρησιμοποιεί QPSK, 16QAM και 64QAM σχήματα διαμόρφωσης.

Μείωση της καθυστέρησης στα επίπεδα ελέγχου και χρήστη με στόχο λιγότερα από 100 ms στο επίπεδο ελέγχου και 5 ms στο επίπεδο χρήστη.

Εμβέλεια 5 – 100 km με ελαφρά απόκλιση μετά τα 30 km.

Υποστήριξη λειτουργίας εν κινήσει, για ταχύτητα μέχρι 500km/h, αλλά βέλτιστη απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες μέχρι τα 30 km/h.

Χωρητικότητα του επιπέδου ελέγχου ως τους 200 χρήστες ανά κυψέλη (για φάσμα 5MHz).

Συμβατότητα με τα συστήματα GSM/EDGE/UMTS.

Υποστήριξη μεγάλης ποικιλίας τερματικών συσκευών (από κινητά τηλέφωνα και Η/Υ μέχρι κάμερες).

Page 27: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 27

Είναι προφανές από τις απαιτήσεις που έχουν τεθεί σαν στόχοι ότι το LTE αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα εμπρός σε σχέση με τη χωρητικότητα και την εμπειρία χρήστη που προσέφεραν τα συστήματα τρίτης γενιάς. Στον Πίνακα 5 παρουσιάζεται μία σύγκριση μεταξύ των βασικών χαρακτηριστικών των 3G και 4G τεχνολογιών, ενώ το χρονοδιάγραμμα της εξέλιξης του LTE φαίνεται στην Εικ. 8.

Εικόνα 8. Χρονική εξέλιξη του LTE

Πίνακας 5. Σύγκριση μεταξύ των 3G και 4G τεχνολογιών

Βασικά Χαρακτηριστικά 3G Δίκτυα 4G Δίκτυα

Ρυθμός Δεδομένων 384 kbps – 2 Mbps 20 – 100 Mbps

Εύρος Ζώνης 5 MHz Μέχρι 20 MHz

Τεχνικές Μεταγωγής Μεταγωγή Πακέτου και Κυκλώματος

Ψηφιακή Μεταγωγή με Πακέτα Φωνής

Τεχνολογία Ασύρματης Πρόσβασης

WCDMA, CDMA-2000 OFDMA, SC-FDMA

Έκδοση ΙΡ πρωτοκόλλου IPv4.0, IPv5.0, IPv6.0 IPv6.0

Page 28: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 28

3. Αρχιτεκτονική του LTE

3.1 Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική του LTE

Ο όρος LTE περιλαμβάνει την εξέλιξη στην ασύρματη πρόσβαση μέσω του Ε-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Networks), και μαζί με την εξέλιξη των μη ασύρματων πτυχών υπό τον όρο SAE (System Architecture Evolution), στο οποίο συγκαταλέγεται το EPC (Evolved Packet Core), αποτελούν την αρχιτεκτονική του LTE, η οποία καλείται EPS (Evolved Packet System) και φαίνεται στην Εικ.9.

Εικόνα 9. Η αρχιτεκτονική του LTE

Μέσω του EPS ο χρήστης αποκτά ΙΡ συνδεσιμότητα σε ένα Packet Data δίκτυο (PDN) ώστε να συνδέεται στο Internet και να τρέχει υπηρεσίες όπως VoIP. Πρόκειται για μία επίπεδη αρχιτεκτονική, βασισμένη στο TCP/ΙΡ πρωτόκολλο. Η υιοθέτηση αυτής της αρχιτεκτονικής αποσκοπεί στην υποστήριξη της μαζικής χρήσης υπηρεσιών βασισμένων στο ΙΡ, ενώ πλέον μόνο 2 τύποι κόμβων (σταθμοί βάσης και πύλες) πρέπει να μεταβάλλουν τη χωρητικότητα τους ώστε να μπορούν να δεχτούν αυξήσεις στον όγκο των δεδομένων.

Το EPS αποτελείται από τον πυρήνα του δικτύου (EPC) και το δίκτυο πρόσβασης E-UTRAN. Τα EPC επικοινωνούν τόσο μεταξύ τους όσο και με τα Ε-UTRAN. Ένα EPC απαρτίζεται από ένα ΜΜΕ (Mobile Management Entity), ένα S-GW (System Architecture Evolution Gateway), ένα P-GW (Packet Data Network Gateway) και άλλους λογικούς κόμβους. Ένα Ε-UTRAN περιέχει μόνο Ε-UTRAN σταθμούς βάσης (eNodeB), με τους οποίους επικοινωνεί το τερματικό του χρήστη. Η επικοινωνία αυτών των δικτυακών στοιχείων επιτυγχάνεται μέσω των διάφορων διεπαφών. Πρέπει να σημειωθεί ότι η επικοινωνία μεταξύ UE και eNodeB είναι ένα προς ένα, ενώ η επικοινωνία μεταξύ eNodeB, ΜΜΕ και SGW είναι ένα προς πολλά.

Η αρχιτεκτονική του LTE προσφέρει υψηλή διαθεσιμότητα καθώς μπορεί να συγκεντρώνει κόμβους του EPC, κάτι που πρακτικά σημαίνει πως αν κάποιος κόμβος δυσλειτουργεί, οι σταθμοί βάσης μπορούν να συνδεθούν σε οποιοδήποτε άλλο από τους συγκεντρωμένους κόμβους του EPC.

Page 29: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 29

3.2 EPC – Ο πυρήνας του Δικτύου

Το EPC αποτελεί μια βασική λειτουργική οντότητα που προσφέρει ΙΡ υπηρεσίες από άκρο σε άκρο και έχει την ευθύνη για τον έλεγχο του UE και την εγκαθίδρυση των bearers (πρόκειται για μια ροή ΙΡ πακέτων με καθορισμένο QoS μεταξύ της πύλης και του UE). Συμβάλλει στη βελτίωση της απόδοσης του δικτύου, χωρίζοντας τα επίπεδα δεδομένων και ελέγχου με την υιοθέτηση μιας επίπεδης ΙΡ αρχιτεκτονικής που οδηγεί στη μείωση της καθυστέρησης μεταξύ των κινητών στοιχείων δεδομένων. Για παράδειγμα, η πορεία των δεδομένων που διέρχονται από το eNodeB περνά μόνο μέσα από EPC πύλες.

Εικόνα 10. Δικτυακά στοιχεία του EPS

Οι κύριοι κόμβοι του EPC (Εικ. 10) είναι:

PDN Gateway (P-GW): Παρέχει συνδεσιμότητα μεταξύ του UE και των εξωτερικών PDN, δηλαδή αποτελεί το σημείο αναφοράς για την κίνηση από και προς το UE. Ένα UE μπορεί να συνδεθεί με πολλαπλά P-GW. Είναι υπεύθυνο για την κατανομή ΙΡ διεύθυνσης στο UE, την επιβολή QoS και την επιφόρτιση της ροής με βάση τους κανόνες του PCRF (Policy and Charging Rules Function - συνδέονται μέσω της διεπαφής S7). Συγκεκριμένα, προκειμένου να παρέχει QoS, το επίπεδο μεταφοράς πακέτων με σήμανση για το MPLS ή το DiffServ επιτελείται στο P-GW. Εκτελεί το φιλτράρισμα και τον έλεγχο των downlink πακέτων για κάθε χρήστη, τη νόμιμη συνακρόαση, ενώ λειτουργεί και ως “άγκυρα” στη διαλειτουργικότητα μεταξύ 3GPP και μη-3GPP τεχνολογιών, διαμέσου ποικίλων διεπαφών.

Serving Gateway (S-GW): Τα ΙΡ πακέτα του χρήστη δρομολογούνται και προωθούνται διαμέσου του S-GW (και της διεπαφής S1-U) που λειτουργεί ως άγκυρα διαλειτουργικότητας όταν το UE μετακινείται ανάμεσα στα eNodeB, αλλά και μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών. Είναι υπεύθυνο για τις διόδους δεδομένων (data paths) και χειρίζεται τη συμπίεση της ΙΡ επικεφαλίδας, την κρυπτογράφηση των ρευμάτων δεδομένων του χρήστη, τον τερματισμό των πακέτων του επιπέδου χρήστη και τη μεταγωγή τους για να υποστηρίξει την κινητικότητα του UE. Διατηρεί επίσης τις πληροφορίες σχετικά με τους bearers όταν το UE είναι σε αδρανή κατάσταση και όταν φτάσουν downlink δεδομένα για αυτό, δίνει το έναυσμα ώστε να αποκαταστήσει τους bearers. Επιπλέον, αποθηκεύει και διαχειρίζεται UE contexts, όπως παραμέτρους εσωτερικών πληροφοριών δρομολόγησης του δικτύου και την ΙΡ bearer υπηρεσία, ενώ στην περίπτωση νόμιμης συνακρόασης, αντιγράφει την κίνηση του χρήστη. Πρέπει να σημειωθεί ότι δεν υπάρχει επικοινωνία μεταξύ των S-GW, αφού έχουν σχεδιαστεί σαν σημεία εκτέλεσης. Οι ειδοποιήσεις έρχονται από το ΜΜΕ για να εκτελέσουν τη δημιουργία, διαγραφή ή μεταγωγή του επιπέδου δεδομένων. Αν υπάρχουν δεδομένα για UE που βρίσκεται

Page 30: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 30

σε αδρανή κατάσταση, η ειδοποίηση πηγαίνει στο ΜΜΕ. Ομοίως, αν υπάρχει Inter-RAT handover, το S-GW ειδοποιεί το P-GW για να αλλάξει το data path προς το S-GW του προορισμού.

Mobility Management Entity (MME): Είναι ένας βασικός κόμβος ελέγχου για το δίκτυο πρόσβασης, που επεξεργάζεται τη σηματοδότηση μεταξύ του UE και του EPC. Το ΜΜΕ είναι υπεύθυνο για τη διαδικασία ειδοποίησης και κατανομής των μηνυμάτων στα eNodeB και είναι αυτό που αντιστοιχεί ένα κατάλληλο S-GW για ένα UE κατά τη διάρκεια ενός handover. Παρέχει κινητικότητα όταν το UE βρίσκεται σε κατάσταση αδράνειας, χειρίζεται τις διαδικασίες κινητικότητας με άλλα δίκτυα πρόσβασης και υποστηρίζει τη νόμιμη συνακρόαση. Σε συνεργασία με το HSS, το ΜΜΕ εμπλέκεται στις διαδικασίες πιστοποίησης του χρήστη, ενεργοποίησης/απενεργοποίησης των bearers και φροντίζει για τη διαχείριση του κλειδιού ασφαλείας.

Το στρώμα πρωτοκόλλων που εκτελείται μεταξύ του UE και του EPC και πάνω από το Stream Control Transmission Protocol (SCTP), που είναι μια τεχνολογία μεταφοράς με προσανατολισμό στη σύνδεση, λέγεται Non Access Stratum (NAS). Με βάση αυτό μπορούν να καταταγούν σε 2 κατηγορίες οι λειτουργίες του ΜΜΕ:

1. Λειτουργίες σχετικές με τη διαχείριση του bearer: Περιλαμβάνουν την εγκαθίδρυση, διατήρηση και απλευθέρωση των bearers, που υλοποιούνται στο στρώμα διαχείρισης συνόδου.

2. Λειτουργίες σχετικές με τη διαχείριση της σύνδεσης: Περιλαμβάνουν την εγκαθίδρυση της σύνδεσης και της ασφάλειας μεταξύ του δικτύου και του UE, τις οποίες διαχειρίζεται το στρώμα διαχείρισης σύνδεσης ή κινητικότητας.

Για να εκτελεστούν οι λειτουργίες αυτές έχουν καθοριστεί αρκετές διεπαφές για το ΜΜΕ. Συγκεκριμένα, το ΜΜΕ συνδέεται με τα eNodeB με τη διεπαφή S1-MME και με τα S-GW με τη διεπαφή S11. Τα NAS πρωτόκολλα που φιλοξενούνται στο ΜΜΕ, προσδιορίζουν τις διαδικασίες για τη διαλειτουργικότητα του LTE με άλλα δίκτυα πρόσβασης, π.χ. το ΜΜΕ επικοινωνεί με το SGSN διαμέσου της S3 διεπαφής. Ακόμη, μέρος των λειτουργιών που επιτελούνται με τη βοήθεια των NAS πρωτοκόλλων είναι η ταυτοποίηση και εξουσιοδότηση του UE. Κατά συνέπεια το ΜΜΕ ανακτά τις απαραίτητες πληροφορίες από το HSS μέσω της διεπαφής S6. Επίσης, κατά τη διάρκεια ενός handover, το νέο ΜΜΕ λαμβάνει το context από το προηγούμενο ΜΜΕ με τη βοήθεια της διεπαφής S10. Τα πρωτόκολλα του NAS είναι τα εξής:

GMM – GPRS Mobility Management

MM – Mobility Management

SM – Session Management

CC – Call Control

SS – Supplementary Services

SMS – Short Message Services

Τα τελευταία 4 πρωτόκολλα σχηματίζουν μία ομάδα πρωτοκόλλων που λέγεται Διαχείριση Σύνδεσης (Connection Management). Οι διαδικασίες του NAS είναι ουσιαστικά ίδιες με αυτές του UMTS, με τη διαφορά ότι το EPS επιτρέπει γρηγορότερη εγκαθίδρυση της σύνδεσης και των bearers.

Το ΜΜΕ μπορεί να τερματίσει τη σηματοδότηση του NAS, ενώ είναι υπεύθυνο για την κρυπτογράφηση και ακεραιότητά της. Δημιουργεί και αναθέτει προσωρινές

Page 31: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 31

ταυτότητες στα UE, ελέγχει την αδειοδότηση του UE ώστε να μπορεί να εγκατασταθεί στο κινητό δίκτυο του φορέα παροχής υπηρεσιών (Public Land Mobile Network - PLMN) και επιβάλλει περιορισμούς περιαγωγής στο UE. Τέλος, το ΜΜΕ τερματίζει τις διεπαφές S3 από το SGSN και S6 από το HSS.

Εκτός από αυτούς τους κύριους κόμβους, υπάρχουν και άλλοι λογικοί κόμβοι και λειτουργίες:

Policy and Charging Rules Function (PCRF): Αντίθετα από τα P-GW, S-GW και MME που εισήχθησαν στο 3GPP Release 8, το PCRF ανακοινώθηκε στο 3GPP Release 7. Η διαλειτουργικότητά του με τις EPC πύλες και το ΜΜΕ είναι ουσιώδης για τη λειτουργία του LTE. Λαμβάνει τις αποφάσεις για τις πολιτικές που θα εφαρμοστούν και ελέγχει τις λειτουργίες επιφόρτισης της ροής στο Policy Control Enforcement Function (PCEF, βρίσκεται στο P-GW). Τέλος, παρέχει την έγκριση του QoS που αποφασίζει πως θα αντιμετωπιστεί μια ροή δεδομένων στο PCEF και εξασφαλίζει ότι αυτό είναι σύμφωνο με το προφίλ της εγγραφής του χρήστη.

Home Subscriber Server (HSS): Περιέχει δεδομένα της SAE εγγραφής του χρήστη (π.χ. το QoS προφίλ που είναι εγγεγραμμένο στο EPS, περιορισμούς πρόσβασης για περιαγωγή), πληροφορίες για τα PDN στα οποία μπορεί να συνδεθεί ο χρήστης (έχουν τη μορφή είτε ενός ονόματος σημείου πρόσβασης (Access Point Name – APN), είτε μιας PDN διεύθυνσης) και δυναμικές πληροφορίες (π.χ. την ταυτότητα του ΜΜΕ στο οποίο έχει επισυναφθεί ή εγγραφεί ο χρήστης). Τέλος, μπορεί να ενσωματώσει το Κέντρο Πιστοποίησης (Authentication Centre – AC), το οποίο παράγει τα διανύσματα πιστοποίησης και κλειδιά ασφαλείας.

ΙΡ Multimedia Subsystem (IMS): Καθώς το EPS παρέχει μόνο ένα μονοπάτι bearer, συγκεκριμένου QoS, ο έλεγχος των multimedia εφαρμογών (π.χ. VoIP) παρέχεται από το IMS, το οποίο θεωρείται ότι είναι εκτός EPS.

3.3 E-UTRAN – Το Δίκτυο Πρόσβασης

Το E-UTRAN, δηλαδή το δίκτυο πρόσβασης του LTE, αποτελείται από eNodeB που είναι οι σταθμοί βάσης του LTE και είναι υπεύθυνο για την παροχή των επιπέδων χρήστη και ελέγχου. Όπως φαίνεται και στη Εικ. 11, τα eNodeB συνδέονται μεταξύ τους μέσω της διεπαφής X2, ενώ με το EPC μεσω της διεπαφής S1. Στο E-UTRAN δεν υπάρχει κεντρικός διαχειριστής, συνεπώς η αρχιτεκτονική του θεωρείται επίπεδη.

Τα eNodeB συνδέονται σε πλήρες πλέγμα ώστε να παρέχουν όλες τις λειτουργίες που σχετίζονται με την ασύρματη μετάδοση. Παρέχει τη δυνατότητα μεταφοράς των δεδομένων του χρήστη σε όλο το E-UTRAN μεταξύ των S1 και LTE-U διεπαφών, εγκαθιστά, διατηρεί, διαχειρίζεται και απελευθερώνει τη σύνδεση από άκρο σε άκρο. Κρυπτογραφεί και αποκρυπτογραφεί το ασύρματο κανάλι και προστατεύει την ακεραιότητά του ώστε να αποφύγει την υποκλοπή ή αλλοίωση των μεταδιδόμενων στον αέρα δεδομένων από μη εξουσιοδοτημένους χρήστες. Το κλειδί στην κρυπτογράφηση και αποκρυπτογράφηση προκύπτει μέσω της σηματοδότησης ή των πληροφοριών που εξαρτώνται από τη σύνοδο. Συμπιέζει την επικεφαλίδα για ένα συγκεκριμένο στρώμα δικτύου ή συνδυασμό πρωτοκόλλων όπως το TCP/IP και RTP/UDP/IP.

Page 32: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 32

Εικόνα 11. Η αρχιτεκτονική του E-UTRAN

Επιτελεί επίσης τις λειτουργίες για τον έλεγχο της κινητικότητας. Το handover διαχειρίζεται την ασύρματη διεπαφή με βάση ασύρματες μετρήσεις και χρησιμοποιείται για να διατηρήσει το QoS που έχει αιτηθεί το EPC. Κατά τη διάρκεια του handover, το E-UTRAN μεταφέρει το context στο eNodeB του προορισμού. Επίσης, ένα UE μπορεί να έρθει σε επικοινωνία με το E-UTRAN όταν βρίσκεται σε αδρανή κατάσταση, ενώ μέσω της λειτουργίας του εντοπισμού θέσης παρέχονται πληροφορίες για τη φυσική τοποθεσία του UE. Εντοπίζει τα ίχνη του συνδρομητή και του εξοπλισμού του, τα οποία ίχνη μεταφέρονται μέσω των διεπαφών Χ2 ή S1 κατά τη διάρκεια του handover.

Μειώνει τις ενδο-κυψελικές παρεμβολές μέσω συντονισμού. Αυτό είναι κομμάτι της πολυ-κυψελικής RRM λειτουργίας που κρίνει όλες τις πληροφορίες από πολλαπλές κυψέλες. Μεριμνεί για την πιθανότητα απώλειας κλήσεων και την μειώνει στο ελάχιστο με το να εξισσοροπεί το φορτίο και να διανέμει την άνιση κατανομή του. Η λειτουργία αυτή μπορεί να οδηγήσει σε handover ή επανεπιλογή κυψέλης. Παρέχει ακόμη συγχρονισμό ώστε να διατηρείται το χρονοδιάγραμμα μεταξύ διαφορετικών κόμβων του δικτύου. Η MBMS λειτουργία εγγυάται τη μετάδοση των ίδιων δεδομένων σε πολλαπλούς αποδέκτες και η λειτουργία διανομής των NAS μηνυμάτων εξασφαλίζει ότι τα μηνύματα θα μεταφερθούν με διαφάνεια για τα πρωτόκολλα RRC και S1-AP. Υποστηρίζει ακόμη τη λειτουργία επιλογής NAS κόμβου για να επιλέγει τα ΜΜΕ και S-GW για το UE και παρέχει διαμοιρασμό του δικτύου πρόσβασης από πολλαπλά PLMN. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός κατευθύνει το UE στο κατάλληλο PLMN με τον εξής τρόπο: το E-UTRAN εκπέμπει τις ταυτότητες των PLMN και το UE αφού επιλέξει μία, ειδοποιεί το E-UTRAN με τη διαδικασία τυχαίας πρόσβασης.

Από τη πλευρά του δικτύου, όλες αυτές οι λειτουργίες επιτελούνται στα eNodeB, το καθένα από τα οποία μπορεί να είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση πολλαπλών κυψελών. Αντίθετα με το τι συνέβαινε με προηγούμενες τεχνολογίες, το LTE ενσωματώνει τη λειτουργία του ασύρματου διαχειριστή στο eNodeB, επιτρέπωντας την αλληλεπίδραση

Page 33: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 33

μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων πρωτοκόλλων του δικτύου πρόσβασης. Έτσι, μειώνεται η καθυστέρηση και βελτιώνεται η αποδοτικότητα του δικτύου. Ο κατανεμημένος αυτός έλεγχος εξαλείφει την ανάγκη για έναν υψηλής διαθεσιμότητας και εντατικής επεξεργασίας διαχειριστή, ο οποίος με τη σειρά του μπορεί δυνητικά να μειώσει τα κόστη και να αποφύγει “single points of failure”.

Μία συνέπεια της έλλειψης κόμβου κεντρικού διαχειριστή είναι ότι καθώς το UE μετακινείται, το δίκτυο πρέπει να μεταφέρει όλες τις πληροφορίες που σχετίζονται με το UE, δηλαδή το UE context και οποιαδήποτε ρυθμιστικά δεδομένα, από το ένα eNodeB στο άλλο. Άρα, χρειάζονται μηχανισμοί ώστε να αποφεύγεται η απώλεια δεδομένων κατά τη διάρκεια ενός handover.

3.4 Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων

Τα πρωτόκολλα του LTE χωρίζονται σε πρωτόκολλα επιπέδου ελέγχου (ελέγχουν τους bearers και τη σύνδεση μεταξύ του UE και του δικτύου) και πρωτόκολλα επιπέδου χρήστη (υπεύθυνα για τη μεταφορά της κίνησης του χρήστη). Η δομή των πρωτοκόλλων του επιπέδου ελέγχου μεταξύ UE και ΜΜΕ φαίνεται στην Εικ. 13, ενώ η Εικ. 14 δείχνει τη δομή των πρωτοκόλλων μεταξύ του UE και P-GW επιπέδου χρήστη. Το GTP-U (GPRS Tunneling Protocol) διεκπεραιώνει τα δεδομένα του χρήστη μεταξύ του eNodeB και του S-GW, καθώς και του S-GW και του P-GW στο δίκτυο κορμού.

Εικόνα 12. Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων – Επίπεδα ελέγχου και χρήστη

Page 34: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 34

Εικόνα 13. Δομή πρωτοκόλλων επιπέδου ελέγχου

Εικόνα 14. Δομή πρωτοκόλλων επιπέδου χρήστη

L1 (Φυσικό Επίπεδο): Προσφέρει υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων σε υψηλότερα επίπεδα. Η πρόσβαση σε αυτές τις υπηρεσίες πραγματοποιείται με τη χρήση ενός καναλιού επικοινωνίας μέσω του MAC υποεπιπέδου. Εκτελεί λειτουργίες όπως εντοπισμό σφαλμάτων στο κανάλι μεταφοράς και υπόδειξή τους στα υψηλότερα στρώματα, FEC κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση του καναλιού μεταφοράς, συνδυασμό Hybrid Automatic Repeat Request (Hybrid ARQ - HARQ), ποσοστιαία αντιστοίχιση και χαρτογράφηση των κωδικοποιημένων καναλιών μεταφοράς σε φυσικά κανάλια, στάθμιση ρεύματος στα φυσικά κανάλια, διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση των φυσικών καναλιών, συγχρονισμό συχνότητας και χρόνου, μςτρήσεις των ασύρματων χαρακτηριστικών και αναφορά τους στα υψηλότερα επίπεδα, ΜΙΜΟ επεξεργασία κεραίας, πολυμορφία μετάδοσης και RF επεξεργασία.

L2 (Επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων): Υποστηρίζει κάθε κατάλληλο πρωτόκολλο του επιπέδου ζεύξης δεδομένων, π.χ. PPP, Ethernet.

IP: Αποτελεί το ΙΡ επίπεδο του S1-MME bearer σηματοδότησης. Το ΙΡ στρώμα της S1-MME διεπαφής υποστηρίζει μετάδοση σημείου προς σημείο για την παράδοση του S1-AP μηνύματος. Το ΜΜΕ και το eNodeB υποστηρίζουν IPv4 και IPv6 και DiffServ Code Point σήμανση.

SCTP (Επίπεδο Μεταφοράς): Αποτελεί το στρώμα μεταφοράς του S1-MME bearer σηματοδότησης. Εξυπηρετεί σκοπούς μεταφοράς διάφορων πρωτοκόλλων

Page 35: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 35

σηματοδότησης μέσω του ΙΡ δικτύου. Υπάρχει μόνο μία SCTP σύνδεση μεταξύ ενός ζευγαριού ΜΜΕ και eNodeB, την οποία εγκαθιδρύει το eNodeB.

MAC (Medium Access Control): Υπάρχει στο UE και το eNodeB και είναι μέρος των επιπέδων ελέγχου και χρήστη. Οι κύριες υπηρεσίες και λειτουργίες που προσφέρει περιλαμβάνουν τη χαρτογράφηση μεταξύ των λογικών καναλιών και των καναλιών μεταφοράς, την πολυπλεξία και αποπολυπλεξία των MAC μονάδων εξυπηρέτησης δεδομένων (SDU) που ανήκουν σε ένα ή διαφορετικά λογικά κανάλια σε/από μπλοκ μεταφοράς και παραδίδονται προς/από το φυσικό επίπεδο σε κανάλια μεταφοράς, την αναφορά πληροφοριών προγραμματισμού, τη διόρθωση λαθών μέσω του HARQ, τον χειρισμό της προτεραιότητας μεταξύ των λογικών καναλιών ενός UE και μεταξύ των UE μέσω δυναμικού προγραμματισμού, επιλογή μορφής μεταφοράς και padding.

GTP-U (GPRS Tunneling Protocol User Plane): Χρησιμοποιείται με τις διεπαφές S1-U, X2, S4, S5 και S8 του EPS. Τα GTP-U “τούνελ” μεταφέρουν ενθυλακωμένα PDU και μηνύματα σηματοδοσίας μεταξύ των άκρων ενός GTP-U τούνελ. Η ταυτότητα των άκρων ενός GTP-U τούνελ προσδιορίζει σε ποιο τούνελ ανήκει ένα PDU, ενώ μαζί με την ΙΡ διεύθυνση καθορίζουν το bearer μεταφοράς.

GTP-U Transport: Το στρώμα μεταφοράς για ρεύματα δεδομένων πάνω από τις S1-U, X2, S4, S5 και S8 διεπαφές είναι βασισμένο στο ΙΡ. Το GTP-U πρωτόκολλο over UDP over IΡ υποστηρίζεται ως το μέσο μεταφοράς για ροές δεδομένων σχετικές με τις διεπαφές των δεδομένων του χρήστη. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάθε πρωτόκολλο ζεύξης δεδομένων που πληροί τις προϋποθέσεις προς το ανώτερο στρώμα. Το eNodeB και το EPC υποστηρίζουν τον κατακερματισμό και συναρμολόγηση των GTP πακέτων στο ΙΡ επίπεδο.

RLC (Radio Link Control): Υπάρχει στο UE και το eNodeB και είναι μέρος των επιπέδων ελέγχου και χρήστη. Επιτελεί λειτουργίες όπως μεταφορά των μονάδων δεδομένων πρωτοκόλλων (PDU), διόρθωση σφαλμάτων μέσω του ARQ, αλληλουχία, κατάτμηση και επανασυναρμολόγηση των RLC SDU, επανακατάτμηση των RLC PDU, παράδοση σε αλληλουχία των PDU των ανώτερων επιπέδων, ανίχνευση διπλότυπων, εντοπισμό σφαλμάτων και ανάκτηση, απόρριψη RLC SDU και επανεγκαθίδρυση του RLC.

PDCP (Packet Data Convergence Protocol): Υπάρχει στο UE και το eNodeB και είναι μέρος των επιπέδων ελέγχου και χρήστη. Όσον αφορά το επίπεδο χρήστη, οι βασικές του λειτουργίες σχετίζονται με τη συμπίεση και αποσυμπίεση της επικεφαλίδας, τη μεταφορά των δεδομένων του χρήστη, την παράδοση σε σειρά των PDU των ανώτερων επιπέδων στη διαδικασία αποκατάστασης του PDCP, την ανίχνευση διπλότυπων των SDU κατώτερων στρωμάτων κατά τη διαδικασία επανεγκαθίδρυσης του PDCP, επανεκπομπή των PDCP SDU κατά το handover, κρυπτογράφηση και αποκρυπτογράφηση και απόρριψη του SDU στο uplink. Στο επίπεδο ελέγχου, περιλαμβάνει λειτουργίες όπως η κρυπτογράφηση, η προστασία της ακεραιότητας και η μεταφορά των δεδομένων του επιπέδου ελέγχου.

RRC (Radio Resource Control): Υπάρχει στο UE και το eNodeB και είναι μέρος του επιπέδου ελέγχου. Παρέχει υπηρεσίες και λειτουργίες όπως μετάδοση πληροφοριών συστήματος που σχετίζονται με το NAS και το AS (Access Stratum), τηλεειδοποίηση, εγκαθίδρυση, διατήρηση και απελευθέρωση μίας RRC σύνδεσης μεταξύ του UE και του E-UTRAN, λειτουργίες ασφαλείας συμπεριλαμβανομένης της διαχείρισης του κλειδιού, εγκαθίδρυση, διαμόρφωση, διατήρηση και απελευθέρωση των σημείο προς σημείο ασύρματων bearers, λειτουργίες κινητικότητας, και διαχείρισης του QoS, αναφορά των μετρήσεων του UE και

Page 36: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 36

έλεγχο της αναφοράς και μετάδοση του NAS μηνύματος προς/από το NAS από το/ προς το UE.

S1AP (S1 Application Protocol): Προσφέρει την υπηρεσία σηματοδότησης μεταξύ του E-UTRAN και του EPC και παρέχει λειτουργίες όπως η διαχείριση του E-RAB, η μεταφορά του αρχικού context, η αναφορά πληροφοριών δυνατοτήτων του UE, η διαλειτουργικότητα, η διαχείριση της διεπαφής S1, η μεταφορά NAS σηματοδοσίας, η απελευθέρωση και τροποποίηση S1 UE context, η μεταφορά κατάστασης, η ιχνογράφηση, η αναφορά τοποθεσίας, η μετάδοση μηνύματος προειδοποίησης, η διαχείριση των πληροφοριών του δικτύου πρόσβασης και η μεταφορά ρυθμισμένων παραμέτρων.

NAS (Non Access Stratum): Αποτελεί το υψηλότερο στρώμα του επιπέδου ελέγχου. Βασικές του λειτουργίες είναι η υποστήριξη της κινητικότητας του UE και η υποστήριξη των διαδικασιών διαχείρισης συνόδου για την εγκαθίδρυση και διατήρηση ΙΡ συνδεσιμότητας μεταξύ του UE και του P-GW. Διεκπεραιώνει τη διαχείριση των EPS bearers, την πιστοποίηση του UE, τη διαχείριση της κινητικότητας του UE όταν αυτό βρίσκεται σε αδρανή κατάσταση και τον έλεγχο ασφάλειας.

3.5 Διεπαφές του LTE

Οι διεπαφές του LTE είναι οι εξής:

S1-MME: Είναι σημείο αναφοράς για το πρωτόκολλο του επιπέδου ελέγχου μεταξύ του E-UTRAN και του ΜΜΕ.

S1-U: Σημείο αναφοράς μεταξύ του E-UTRAN και του S-GW για την ανά bearer διασύνδεση του επιπέδου χρήστη και την αλλαγή διαδρομής μεταξύ των eNodeB κατά τη διάρκεια του handover.

S2a: Παρέχει στο επίπεδο χρήστη σχετικό έλεγχο και υποστήριξη κινητικότητας μεταξύ μίας έμπιστης, μη 3GPP ΙΡ πρόσβασης και της SAE άγκυρας.

S2b: Παρέχει στο επίπεδο χρήστη σχετικό έλεγχο και υποστήριξη κινητικότητας μεταξύ του ePDG (Enhanced Packet Data Gateway – η πύλη που έρχεται σε επαφή με μη έμπιστα 3GPP – IP συστήματα) και της SAE άγκυρας.

S3: Επιτρέπει ανταλλαγή πληροφοριών χρήστη και bearer για ενδο – 3GPP διαλειτουργικότητα σε αδρανή ή και ενεργή κατάσταση.

S4: Παρέχει στο επίπεδο χρήστη σχετικό έλεγχο και υποστήριξη κινητικότητας μεταξύ του GPRS πυρήνα και της 3GPP άγκυρας.

S5: Παρέχει διασύνδεση στο επίπεδο χρήστη και διαχείριση της σύνδεσης μεταξύ των S-GW και P-GW. Χρησιμοποιείται για τη μετατόπιση του S-GW λόγω της κινητικότητας του UE και αν το S-GW χρειάζεται να συνδεθεί σε ένα μη συνορεύον, για την απαραίτητα PDN συνδεσιμότητα, P-GW.

S6: Επιτρέπει τη μεταφορά δεδομένων εγγραφής και πιστοποίησης για την επικύρωση/έγκριση της πρόσβασης του χρήστη στο εξελιγμένο σύστημα.

S7: Μεταφέρει τους κανόνες QoS και φόρτισης από το PCRF στο PCEP (Policy and Charging Enforcement Point).

Page 37: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 37

SGi: Αποτελεί το σημείο αναφοράς μεταξύ του P-GW και του PDN. Το PDN μπορεί να είναι ένας εξωτερικός δημόσιος φορέας ή ένα ιδιωτικό PDN ή ένα PDN εντός του φορέα, π.χ. για την παροχή IMS υπηρεσιών.

S8: Σημείο αναφοράς μεταξύ PLMN που παρέχει τα επίπεδα χρήστη και ελέγχου μεταξύ του S-GW στο επισκεπτόμενο PLMN και του P-GW στο οικείο PLMN.

S9: Μεταφέρει πληροφορίες ελέγχου του QoS και της φόρτισης μεταξύ του οικείου PCRF λκαι του επισκεπτόμενου PCRF, ώστε να υποστηρίξει τη λειτουργία τοπικού ξεμπλοκαρίσματος.

S10: Σημείο αναφοράς μεταξύ των ΜΜΕ για τη μετατόπισή τους και τη μεταφορά πληροφοριών από ΜΜΕ σε ΜΜΕ.

S11: Σημείο αναφοράς μεταξύ του ΜΜΕ και του S-GW.

S12: Σημείο αναφοράς μεταξύ του E-UTRAN και του S-GW για τη σύνδεση του επιπέδου χρήστη όταν το Direct Tunnel έχει εγκατασταθεί. Βασίζεται στο Iu-u/Gn-u σημείο αναφοράς χρησιμοποιώντας το GTP-U πρωτόκολλο. Η χρήση της S12 διεπαφής είναι επιλογή διαμόργωσης του φορέα.

S13: Επιτρέπει τη διαδικασία ελέγχου της ταυτότητας του UE μεταξύ του MME και του EIR (Equipment Identity Register).

Rx: Βρίσκεται μεταξύ του AF και του PCRF.

SBc: Σημείο αναφοράς μεταξύ του CBC (Cell Broadcast Center) και του ΜΜΕ για την παράδοση μηνυμάτων προειδοποίησης και λειτουργιών ελέγχου.

3.6 Quality of Service και bearers

Η αρχιτεκτονική του LTE υποστηρίζει QoS από άκρο σε άκρο και εγγυημένο ρυθμό bit (Guaranteed Bit Rate – GBR). Σε διαφορετικές εφαρμογές μπορεί να εφαρμοστούν διαφορετικά επίπεδα QoS, για παράδειγμα ένα UE μπορεί να συμμετέχει σε μία κλήση VoIP και ταυτόχρονα να περιηγείται στο Internet ή να κατεβάζει ένα FTP αρχείο. Η κλήση VoIP έχει αυστηρότερες απαιτήσεις για QoS από άποψη καθυστέρησης και καθυστέρησης jitter απ’ότι η περιήγηση στο Internet ή το FTP. Για να υποστηρίξει τις πολλαπλές απαιτήσεις σε QoS, συνίστανται διαφορετικοί bearers εντός του EPS, κάθε ένας από τους οποίους συσχετίζεται με ένα QoS. Οι bearers του EPS έχουν ένα προς ένα αντιστοιχία με τους bearers του RLC και παρέχουν υποστήριξη για πρότυπα κυκλοφοριακής ροής (Traffic Flow Templates – TFT). Υπάρχουν 4 τύποι bearers:

Minimum GBR bearers: Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως το VoIP. Σε αυτούς έχει ανατεθεί μία GBR τιμή για την οποία έχουν διατεθεί μόνιμοι αποκλειστικοί πόροι μετάδοσης κατά την εγκαθίδρυση ή την τροποποίηση των bearers. Υψηλότεροι ρυθμοί bit από το GBR μπορεί να επιτραπούν για ένα GBR bearer αν υπάρχουν διαθέσιμοι πόροι. Σε αυτή την περίπτωση τίθεται ένας μέγιστος ρυθμός bit (Maximum Bit Rate – MBR) που αποτελεί το ανώτατο όριο ρυθμού bit το οποίο μπορεί να αναμένεται για ένα GBR bearer.

Non GBR bearers: Δεν εγγυώνται κανένα συγκεκριμένο ρυθμό bit. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως περιήγηση στο Internet και FTP μεταφορά αρχείων. Σε τέτοιου είδους bearers δεν κατανέμονται μόνιμοι πόροι εύρους ζώνης.

Dedicated Bearers: Σχετίζονται με συγκεκριμένα TFT. Μπορεί να εγκαθιδρυθούν οποιαδήποτε στιγμή κατά τη διάρκεια ή μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας

Page 38: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 38

επισύναψης του UE στο δίκτυο. Μπορεί να εγκατασταθούν από το δίκτυο ή να τους έχει αιτηθεί το UE, ενώ μπορεί να παρέχονται από ένα ή περισσότερα P-GW.

Default Bearer: Είναι Non GBR bearers και παραμένουν εγκατεστημένοι καθ’όλη τη διάρκεια της σύνδεσης με ένα PDN ώστε να παρέχουν στο UE συνεχή συνδεσιμότητα με το συγκεκριμένο PDN.

Από την πλευρά του δικτύου πρόσβασης, το eNodeB έχει την ευθύνη να εξασφαλίσει το απαραίτητο QoS για ένα bearer. Κάθε bearer είναι συσχετισμένο με ένα QCI (QoS Class Identifier) και ένα ARP (Allocation and Retention Priority). Κάθε QCI χαρακτηρίζεται από την προτεραιότητα, τον προϋπολογισμό καθυστέρησης πακέτων και έναν αποδεκτό ρυθμό απώλειας πακέτων. Η QCI ετικέτα για ένα bearer καθορίζει πως θα το χειριστεί το eNodeB.

Τα χαρακτηριστικά του QCI καθορίζουν τις παραμέτρους για τη λειτουργία του RLC, καθώς και του τρόπου με τον οποίο ο χρονοπρογραμματιστής στο MAC χειρίζεται τα πακέτα που στέλνονται μέσω του bearer. Για παράδειγμα, ένα πακέτο με υψηλότερη προτεραιότητα αναμένεται να εξυπηρετηθεί πριν από ένα πακέτο με χαμηλότερη προτεραιότητα. Για bearers με χαμηλό αποδεκτό ρυθμό απώλειας πακέτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια λειτουργία αναγνώρισης εντός του RLC στρώματος για να εξασφαλίσει ότι τα πακέτα λαμβάνονται επιτυχώς μέσω της ασύρματης διεπαφής.

Το ARP ενός bearer χρησιμοποιείται για να αποφασιστεί αν ο ζητούμενος bearer θα εγκατασταθεί ή όχι σε περίπτωση συμφόρησης. Επίσης ρυθμίζει την ιεράρχηση των προτιμήσεων του bearer, λαμβάνοντας υπόψιν αιτήσεις για εγκαθίδρυση νέων bearers. Μόλις εγκατασταθεί επιτυχημένα, το ARP ενός bearer δεν έχει καμία επίδραση στην αντιμετώπιση της προώθησης των πακέτων στο επίπεδο των bearers, η οποία καθορίζεται από παραμέτρους όπως το QCI, το GBR και το MBR.

Στην Εικ. 15 φαίνεται η διαδικασία εγκαθίδρυσης ενός bearer. Το PCRF στέλνει ένα μήνυμα Policy Control and Charging (PCC) Decision Provision, υποδεικνύωντας στο P-GW το απαιτούμενο QoS για το bearer. Το P-GW χρησιμοποιεί την πολιτική του QoS για να εκχωρήσει στο επίπεδο του bearer τις παραμέτρους του QoS. Στη συνέχεια, το P-GW στέλνει ένα Create Dedicated Bearer Request μήνυμα, συμπεριλαμβάνοντας το QoS και το TFT του uplink, ώστε να χρησιμοποιηθούν στο UE για το S-GW. Αφού λάβει το μήνυμα, το S-GW το προωθεί στο ΜΜΕ.

Εικόνα 15. Διαδικασία εγκαθίδρυσης ενός bearer

Page 39: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 39

Έπειτα, το ΜΜΕ δημιουργεί ένα σύνολο από πληροφορίες ρύθμισης των παραμέτρων της διαχείρισης συνόδου και το περιλαμβάνει στο Bearer Setup Request μήνυμα που στέλνει στο eNodeB. Επειδή πρόκειται για NAS πληροφορία, το eNodeB προωθεί το μήνυμα στο UE. Το μήνυμα αυτό παρέχει επίσης το QoS του bearer, πληροφορία που χρησιμοποιείται από το eNodeB για έλεγχο αποδοχής των κλήσεων και για την εξασφάλιση του απαραίτητου QoS μέσω του κατάλληλου χρονοπρογραμματισμού των ΙΡ πακέτων του χρήστη. Το eNodeB σηματοδοτεί ένα RRC Connection Reconfiguration μήνυμα στο UE (περιέχει παραμέτρους διαμόρφωσης των πρωτοκόλλων PDCP, RLC και MAC και παραμέτρους που απαιτούνται από το UE με σκοπό να αρχικοποιήσει τη στοίβα των πρωτοκόλλων), ώστε να εγκατασταθεί ο bearer. Τέλος, τα μηνύματα 6 – 10 της Εικ. 15 είναι τα αντίστοιχα μηνύματα επιβεβαίωσης για την ορθή εγκατάσταση του bearer.

Page 40: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 40

4. Φυσικό Επίπεδο

4.1 Δομή του πλαισίου LTE

Το LTE έχει μία καθορισμένη δομή για το πλαίσιο και υποπλαίσιό του, ώστε να διατηρεί το συγχρονισμό και να είναι σε θέση να διαχειρίζεται τους διαφορετικούς τύπους πληροφοριών που πρέπει να μεταδοθούν. Υπάρχουν 2 μορφές πλαισίων που καθορίζονται από το είδος της πολυπλεξίας, καθώς υπάρχουν διαφορετικές απαιτήσεις για το διαχωρισμό των διαβιβαζόμενων δεδομένων. Συγκεκριμένα, τα FDD (Frequency Division Duplexing) συστήματα χρησιμοποιούν τον Τύπο 1, ενώ τα TDD (Time Division Duplexing) συστήματα τον Τύπο 2.

Η βασική μορφή του πλαισίου Τύπου 1 (Εικ. 16) έχει μήκος 10ms και αποτελείται από 20 μεμονωμένες χρονοθυρίδες. Κάθε υποπλαίσιο του LTE συγκροτείται από 2 χρονοθυρίδες, συνεπώς σε ένα πλαίσιο LTE υπάρχουν 10 υποπλαίσια. Διαφορετική είναι η δομή του πλαισίου Τύπου 2 (Εικ. 17), καθώς το πλαίσιο των 10ms χωρίζεται σε 2 ημι-πλαίσια των 5ms, τα οποία χωρίζονται περαιτέρω σε 5 υποπλαίσια του 1ms το καθένα. Υπάρχουν 2 ειδών υποπλαίσια: τα standard υποπλαίσια και τα special υποπλαίσια. Τα τελευταία αποτελούνται από 3 πεδία, το DwPTS (Downlink Pilot Time Slot), το GP (Guard Period) και το UpPTS (Uplink Pilot Time Stot). Τα 3 αυτά πεδία, που προϋπήρχαν στο TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) και χρησιμοποιούνται στο TDD του LTΕ, μπορεί να ρυθμιστούν όσον αφορά τη διάρκειά τους υπό τον περιορισμό ο συνολικός τους χρόνος να μην ξεπερνά το 1ms. Άσχετα από τον τρόπο με τον οποίο θα γίνει η ρύθμιση, το υποπλαίσιο 1 αποτελείται και από τα 3πεδία, ενώ το υποπλαίσιο 6, αναλόγως τη ρύθμιση, αποτελείται είτε και από τα 3 πεδία είτε μόνο από το DwPTS. Το υποπλαίσιο 5, καθώς και το DwPTS προορίζονται για το downlink, το UpPTS για το uplink, ενώ το GP είναι αποκλειστικά για τη μετάβαση από το downlink στο uplink [3],[10].

Εικόνα 16. Δομή του πλαισίου Τύπου 1

Page 41: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 41

Εικόνα 17. Δομή του πλαισίου Τύπου 2

4.2 FDD και TDD

Η φασματική ευελιξία είναι ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του LTE. Εκτός από την ευελιξία στο εύρος ζώνης μετάδοσης, το LTE υποστηρίζει τη λειτουργία τόσο σε FDD όσο και σε TDD. Στην περίπτωση του FDD (Εικ. 18) υπάρχουν δύο φέρουσες συχνότητες, μία για την uplink μετάδοση και μία για τη downlink μετάδοση. Συνεπώς, κατά τη διάρκεια κάθε πλαισίου 10 uplink και 10 downlink υποπλαίσια και άρα, η uplink και downlink μετάδοση μπορεί να συμβούν ταυτόχρονα σε μία κυψέλη. Η απομόνωση μεταξύ των 2 μεταδόσεων επιτυγχάνεται μέσω φίλτρων μετάδοσης/λήψης, γνωστά σαν duplex φίλτρα, και ενός αρκετά μεγάλου duplex διαχωρισμού στο πεδίο της συχνότητας. Ένα UE μπορεί να είναι σε θέση να λειτουργήσει είτε αμφίδρομα είτε μονόδρομα σε μία ζώνη συχνότητας, ανάλογα με το αν είναι ικανό για ταυτόχρονη μετάδοση/λήψη.

Στην περίπτωση του αμφίδρομου τρόπου λειτουργίας, σε ένα UE μπορεί να συνυπάρξουν ταυτόχρονα η μετάδοση και η λήψη, κάτι που δε συμβαίνει στο μονόδρομο τρόπο λειτουργίας. Η υποστήριξη αποκλειστικά της μονόδρομης λειτουργίας επιτρέπει έναν πιο απλουστευμένο σχεδιασμό του UE, λόγω των πιο χαλαρών απαιτήσεων στα duplex φίλτρα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για ορισμένες ζώνες συχνοτήτων με μικρή duplex διαφορά. Συνεπώς, η υποστήριξη της αμφίδρομης λειτουργίας εξαρτάται από τη ζώνη συχνότητας, έτσι ώστε ενώ ένα UE λειτουργεί μονόδρομα σε ορισμένες ζώνες συχνοτήτων, να είναι σε θέση να λειτουργήσει αμφίδρομα στις υπόλοιπες ζώνες. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο αμφίδρομος/μονόδρομος τρόπος λειτουργίας αποτελεί ιδιότητα του UE, καθώς το eNodeB λειτουργεί αμφίδρομα. Ως εκ τούτου, αφού οι δομές μετάδοσης και σχέσεις χρονισμού είναι πανομοιότυπες και για τους 2 τρόπους λειτουργίας, μία μόνο κυψέλη μπορεί να υποστηρίζει ταυτόχρονα ένα μείγμα αμφίδρομων και μονόδρομων τερματικών. Η μονόδρομη λειτουργία έχει επιπτώσεις στη διατήρηση των σταθερών ρυθμών δεδομένων που μπορεί να παρέχονται από και προς ένα UE, καθώς δεν μπορεί να μεταδίδει σε όλα τα uplink υποπλαίσια, αλλά η χωρητικότητα της κυψέλης επηρεάζεται ελάχιστα καθώς, κατά κανόνα, είναι δυνατό να εξυπηρετηθούν διαφορετικά UE στο uplink και στο downlink σε ένα συγκεκριμένο υποπλαίσιο.

Όσον αφορά την υλοποίηση ενός τερματικού, η μονόδρομη λειτουργία μπορεί να θεωρηθεί, σχεδιαστικά, ως περιορισμός. Επίσης, αν ένα UE είναι προγραμματισμένο με τρόπο τέτοιο ώστε όταν η downlink λήψη σε ένα υποπλαίσιο προηγείται άμεσα της uplink μετάδοσης σε ένα άλλο υποπλαίσιο, γίνεται χρήση ενός χρονικού διαστήματος – φύλακα, ώστε να προλάβει το τερματικό να μεταβεί από τη λήψη στη μετάδοση. Ο

Page 42: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 42

“φύλακας” αυτός δημιουργείται επιτρέποντας στο UE να παραλείψει τη λήψη του τελευταίου συμβόλου του λαμβανόμενου υποπλαισίου.

Εικόνα 18. Η FDD και TDD δομή του πλαισίου

Στη TDD λειτουργία (Εικ. 18) υπάρχει μία μόνο φέρουσα συχνότητα και οι uplink και downlink μεταδόσεις διαχωρίζονται στο πεδίο του χρόνου για κάθε κυψέλη. Ορισμένα από τα υποπλαίσια διατίθενται για τις uplink μεταδόσεις και κάποια άλλα για τις αντίστοιχες downlink, με τις εναλλαγές μεταξύ uplink και downlink να συμβαίνουν σε ένα special υποπλαίσιο (το υποπλαίσιο 1 και σε μερικές περιπτώσεις το υποπλαίσιο 6). Όπως φαίνεται στην Εικόνα 19, οι 7 διαφορετικές downlink/uplink διαμορφώσεις καθορίζουν το πλήθος των πόρων, δηλαδή των υποπλαισίων, που διατίθενται για τις μεταδόσεις στο uplink και στο downlink. Τα υποπλαίσια 0 και 5 είναι δεσμευμένα πάντα για τις downlink μεταδόσεις, ενώ το υποπλαίσιο 2 για τις αντίστοιχες uplink. Τα υπόλοιπα υποπλαίσια κατανέμονται στο downlink ή το uplink ανάλογα με την επιλεγόμενη διαμόρφωση. Για την αποφυγή σοβαρών παρεμβολών μεταξύ των uplink και downlink μεταδόσεων σε διαφορετικές κυψέλες, στις γειτονικές κυψέλες επιλέγονται συνήθως οι ίδιες διαμορφώσεις. Το γεγονός αυτό καθιστά δύσκολο να αλλάξει δυναμικά η downlink/uplink διαμόρφωση. Επομένως, το LTE θεωρεί ως στατική τη downlink/uplink διαμόρφωση. Μπορεί ωστόσο να αλλάξει με πολύ αργό τρόπο προκειμένου να προσαρμόζεται στις μεταβαλλόμενες μορφές κίνησης.

Εικόνα 19. Οι 7 διαφορετικές downlink/uplink διαμορφώσεις

Page 43: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 43

Επειδή χρησιμοποιείται η ίδια φέρουσα συχνότητα και στην uplink και στη downlink μετάδοση, τόσο το eNodeB όσο και το UE πρέπει να μεταβούν από τη μετάδοση στη λήψη και αντίστροφα. Η μετάβαση αυτή πραγματοποιείται στο special υποπλαίσιο, και συγκεκριμένα στο GP. Το απαιτούμενο μήκος του εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες. Αρχικά, πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε να δίνει τον αναγκαίο χρόνο για το κύκλωμα στα eNodeB και τα UE να μεταβούν από το downlink στο uplink. Επιπλέον, το GP είναι υπεύθυνο για να διασφαλίζει ότι οι μεταδόσεις δε δημιουργούν παρεμβολές στο eNodeB, προωθώντας το χρονοδιάγραμμα του uplink στα UE, έτσι ώστε το τελευταίο uplink υποπλαίσιο πριν την εναλλαγή να τελειώνει πριν μεταδοθεί το πρώτο downlink υποπλαίσιο. Τέλος, το GP πρέπει να φροντίσει για τις παρεμβολές μεταξύ των eNodeB. Σε ένα δίκτυο με πολλές κυψέλες, οι παρεμβολές μεταξύ των κυψελών από τις downlink μεταδόσεις σε γειτονικές κυψέλες, πρέπει να φτάσουν σε αρκετά χαμηλό επίπεδο πριν το eNodeB ξεκινήσει να λαμβάνει uplink μεταδόσεις. Έτσι, ίσως απαιτείται μεγαλύτερο μέγεθος για το GP απ’ότι δικαιολογείται από το μέγεθος της κυψέλης, καθώς σε αντίθετη περίπτωση το τελευταίο μέρος από τις downlink μεταδόσεις των μακρινών eNodeB μπορεί να παρεμβάλλεται με τις uplink λήψεις [14].

4.3 Βασικές έννοιες του LTE

4.3.1 OFDMA

To OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) είναι το σχήμα διαμόρφωσης που έχει επιλεγεί για την υλοποίηση των downlink φυσικών καναλιών ώστε να μεταφέρει πληροφορίες από τα υψηλότερα στρώματα. Παρότι αυξάνει την πολυπλοκότητα όσον αφορά την κατανομή των πόρων είναι κατά πολύ ανώτερο από άλλες προσεγγίσεις από την άποψη της αποτελεσματικότητας και της καθυστέρησης.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό του OFDMA είναι ότι από ένα συγκεκριμένο αριθμό sub-carriers, γνωστό ως Resource Block (RB), μπορεί να εκχωρηθεί στους χρήστες οποιοσδήποτε από αυτούς στο πεδίο της συχνότητας. Την κατανομή τους διαχειρίζεται το eNodeB. Το πλήθος των διαθέσιμων sub-carriers εξαρτάται από το εύρος ζώνης του συστήματος που κυμαίνεται από 1.25 μέχρι 20 MHz (Πιν. 6). Η δυνατότητα να διατίθενται στους χρήστες διαφορετικοί sub-carriers επιτρέπει στον χρονοπρογραμματιστή να επωφεληθεί από τη ποικιλία στο πεδίο της συχνότητας.

Πίνακας 6. Διαθέσιμα RB ανά κατηγορία εύρους ζώνης

Εύρος Ζώνης

(MHz)

1.25 2.5 5.0 10.0 15.0 20.0

Εύρος Ζώνης sub-

carrier (kHz)

15

Εύρος Ζώνης RB

(kHz)

180

Διαθέσιμα RB 6 12 25 50 75 100

Page 44: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 44

Ο πρακτικός περιορισμός που εμφανίζεται εδώ, είναι ότι η ανάλυση του σήματος εξαιτίας του overhead έχει σαν αποτέλεσμα η κατανομή να μη γίνεται με βάση ξεχωριστούς sub-carriers αλλά βασιζόμενη στα RB. Ένα RB αποτελείται από 12 διαδοχικούς sub-carriers για μια χρονοθυρίδα διάρκειας 0,5ms και είναι ο μικρότερος πόρος που μπορεί να αναθέσει το eNodeB. Το μεταδιδόμενο downlink σήμα συντίθεται από NBW sub-carriers διάρκειας Nsymb OFDM συμβόλων και μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα πλέγμα πόρων (Εικ. 20). Κάθε κουτί του πλέγματος αντιστοιχεί σε ένα sub-carrier διάρκειας ενός συμβόλου και αναφέρεται ως στοιχείο πόρου (resource element). Κάποια από αυτά λειτουργούν ως ειδικά σήματα αναφοράς, ενσωματωμένα στα RB, που χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν πληροφορίες σχετικά με τον προσδιορισμό του καναλιού, τον συγχρονισμό του, τον υπολογισμό του carrier offset κτλ (Εικ. 21) [11].

Εικόνα 20. Το μεταδιδόμενο downlink σήμα ως ένα πλέγμα πόρων

Page 45: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 45

Εικόνα 21. Διάσπαρτα σήματα αναφοράς μεταξύ στοιχείων πόρων

Ο πρακτικός σχεδιασμός του OFDMA βασίζεται στο διακριτό μετασχηματισμό Fourier και τον αντίστροφο μετασχηματισμό, ώστε να γίνεται η εναλλαγή από το πεδίο του χρόνου σε αυτό της συχνότητας και αντίστροφα. Χρησιμοποιείται ο Fast Fourier Transform (FFT) αλγόριθμος για να εναλλάσσει το σήμα από το πεδίο του χρόνου στο πεδίο της συχνότητας και ο Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) για την αντίθετη μετατροπή.

Η αρχή μετάδοσης στο OFDMA είναι η χρήση στενών, κάθετων μεταξύ τους sub-carriers. Το OFDM σήμα που χρησιμοποιείται στο LTE αποτελείται από το πολύ 2048 διαφορετικούς sub-carriers με το μεταξύ τους διάστημα να είναι 15 kHz, ανεξαρτήτως του συνολικού εύρους ζώνης μετάδοσης. Αν και είναι υποχρεωτικό για τα UE να μπορούν να λάβουν και τους 2048 sub-carriers το eNodeB πρέπει να υποστηρίζει τη μετάδοση το πολύ 72 sub-carriers, έτσι ώστε να μπορούν όλα τα UE να επικοινωνούν με το σταθμό βάσης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν 3 τύποι διαμόρφωσης για το σήμα (η ακριβής μορφή εξαρτάται από τις συνθήκες που επικρατούν):

1. QPSK, που διαθέτει 2 bits ανά σύμβολο

2. 16QAM, που διαθέτει 4 bits ανά σύμβολο

3. 64QAM, που διαθέτει 6 bits ανά σύμβολο

Κατά την εκπομπή ενός σήματος, πρώτα μετατρέπεται από σειριακό σε παράλληλο και στη συνέχεια χρησιμοποιείται ο IFFT αλγόριθμος. Κάθε είσοδος που δέχεται ο IFFT αλγόριθμος αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο sub-carrier και μπορεί να διαμορφωθεί ανεξάρτητα από τους υπόλοιπους sub-carriers, ενώ στην έξοδο του IFFT προστίθεται το κυκλικό πρόθεμα για την αποφυγή διασυμβολικών παρεμβολών, αντιγράφοντας ένα κομμάτι του συμβόλου από το τέλος στην αρχή.

Αν και θεωρητικά η μετάδοση στο OFDMA διαθέτει καλές φασματικές ιδιότητες, στην πραγματικότητα προκαλεί κάποια φασματική διασπορά λόγο ατελειών όπως το

Page 46: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 46

ψαλίδισμα στον πομπό για αυτό και απαιτείται η εφαρμογή κάποιας μορφής φιλτραρίσματος, η οποία αναφέρεται ως windowing.

Εικόνα 22. Πομπός και δέκτης στο OFDMA

Από την πλευρά του ο δέκτης ακολουθεί την αντίστροφη διαδικασία. Μόλις λάβει το σήμα αφαιρεί το κυκλικό πρόθεμα, το μετατρέπει από παράλληλο σε σειριακό και ο FFT αλγόριθμος το δέχεται σαν είσοδο. Στην έξοδο του FFT εφαρμόζεται ένας εξισορροπιστής στο πεδίο της συχνότητας ο οποίος πολλαπλασιάζει κάθε sub-carrier ανάλογα με την εκτιμώμενη απόκριση συχνότητας του καναλιού. Ο δέκτης πρέπει επίσης να φροντίσει για τον συγχρονισμό στο πεδίο της συχνότητας και του χρόνου, ώστε να ληφθεί επιτυχώς το σωστό μέρος του πλαισίου του λαμβανόμενου σήματος.

Η μετάδοση του OFDMA στον τομέα της συχνότητας αποτελείται από αρκετούς παράλληλους sub-carriers, που στο πεδίο του χρόνου αντιστοιχούν σε πολλαπλά ημιτονοειδή κύματα με διαφορετικές συχνότητες. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι μέγιστες τιμές του σήματος να ποικίλουν σε μεγάλο βαθμό σε σχέση με έναν κανονικό QAM διαμορφωτή. Το στιγμιαίο άθροισμα των ημιτονοειδών σημάτων οδηγεί σε μια Gaussian κατανομή διαφορετικών μέγιστων τιμών πλάτους. Επειδή όμως σε ένα κυψελωτό σύστημα ο στόχος είναι η μέγιστη απόδοση του ενισχυτή για να επιτύχει ελάχιστη ηλεκτρική κατανάλωση, αυτό επιφέρει δυσκολίες στη σχεδίαση του ενισχυτή. Στην Εικόνα 23 φαίνεται πως ένα σήμα με μεγάλη διακύμανση στις μέγιστες τιμές του απαιτεί από τον ενισχυτή να χρησιμοποιήσει επιπλέον back-off σε σχέση με ένα κανονικό single carrier σήμα, οδηγώντας σε μειωμένη ενεργειακή απόδοση του ενισχυτή ή μικρότερο ρεύμα εξόδου [12].

Page 47: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 47

Εικόνα 23. Ενεργειακές απαιτήσεις του ενισχυτή για διαφορετικές κυματομορφές

Συνεπώς, είτε το εύρος του uplink θα είναι μικρότερο είτε, όταν διατηρείται το ίδιο μέσο επίπεδο ρεύματος εξόδου, η ενέργεια της μπαταρίας θα καταναλώνεται ταχύτερα λόγο των υψηλότερων ενεργειακών απαιτήσεων του ενισχυτή. Αυτό αποτέλεσε και το βασικό λόγο τον οποίο η 3GPP αποφάσισε να χρησιμοποιήσει το OFDMA στο downlink αλλά το ενεργειακά αποδοτικό SC-FDMA στο uplink [3].

4.3.2 SC – FDMA

Για το uplink του LTE χρησιμοποιείται μια διαφορετική τεχνική πολλαπλής πρόσβασης, το Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC – FDMA). Bασίζεται στη single carrier πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας (SC – FDM) που μπορεί να ερμηνευθεί ως ένα γραμμικά προκωδικοποιημένο σύστημα ΟFDMΑ, επιτυγχάνωντας τα ίδια οφέλη όσον αφορά τη μείωση των πολλαπλών διαδρομών και την εξισορρόπηση της χαμηλής πολυπλοκότητας.

Η δημιουργία του σήματος στο πεδίο της συχνότητας προσθέτει την OFDMA ιδιότητα της φασματικής κυματομορφής. Ένα κυκλικό πρόθεμα προστίθεται περιοδικά στη μετάδοση για να αποτρέψει ενδοσυμβολικές παρεμβολές και να απλοποιήσει το σχεδιασμό του δέκτη. Στην πλευρά του δέκτη όμως, αν και έχουν αποφευχθεί οι παρεμβολές μεταξύ των συμβόλων, δημιουργούνται παρεμβολές εξαιτίας του κυκλικού προθέματος, γι’αυτό και εφαρμόζεται ένας εξισορροπηστής για κάθε block συμβόλων. Η διαδικασία που ακολουθείται τόσο στον πομπό όσο και στο δέκτη φαίνεται στην Εικόνα 24. Η διαφορά με το OFDMA, έγκειται στο ότι εκτελείται ένας διακριτός

Page 48: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 48

μετασχηματισμός Fourier πριν τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier που διαδίδει τα σύμβολα σε όλους τους sub-carriers. Λόγω αυτής της ενιαίας δομής του carrier ένα σημαντικό πλεονέκτημα του SC – FDMA σε σχέση με το OFDMΑ, είναι ότι το σήμα εκπομπής του έχει χαμηλότερο peak-to-average power ratio (PAPR). Αυτή η ιδιότητα καθιστά το SC – FDMA τόσο ελκυστικό για το uplink, καθώς το UE επωφελείται στα πλαίσια αποδοτικότητας της εκπεμπόμενης ισχύος, αλλά και σε θέμα κόστους.

Εικόνα 24. SC-FDMA πομπός και δέκτης

Η μετάδοση καταλαμβάνει το συνεχές τμήμα του εκχωρούμενου στον χρήστη φάσματος. Όταν η κατανομή των πόρων στο πεδίο της συχνότητας διπλασιάζεται, διπλασιάζεται και ο ρυθμός των δεδομένων. Οι κατανομές δε χρειάζεται να είναι συνεχείς στο πεδίο της συχνότητας, αλλά μπορεί να πάρουν οποιοδήποτε σύνολο συνεχούς κατανομής των πόρων στο πεδίο της συχνότητας. Οι πρακτικοί περιορισμοί σηματοδότησης καθορίζουν το επιτρεπόμενο ποσό των 180 kHz για τα RBs που μπορεί να διατεθούν (12 sub-carriers * 15kHz διάστημα ανάμεσα στους sub-carriers). Το μέγιστο εύρος ζώνης που μπορεί να διατεθεί εξαρτάται από το σύστημα εύρους ζώνης που χρησιμοποιείται, το οποίο μπορεί να είναι μέχρι 20 ΜΗz. Το πραγματικό μέγιστο εύρος ζώνης που μπορεί να διατεθεί είναι κάπως μικρότερο, καθώς ο ορισμός του εύρους ζώνης του συστήματος περιλαμβάνει μια ζώνη ασφάλειας προς το γειτονικό φορέα. Για παράδειγμα, για ένα κανάλι με 10 ΜΗz εύρος ζώνης η μέγιστη κατανομή πόρων είναι ίση με 50 RBs, συνεπώς έχει εύρος ζώνης μετάδοσης 9 ΜΗz. Ωστόσο, το SC – FDMA απαιτεί τα RBs να κατανέμονται για κάθε χρήστη με συνεχή τρόπο, ώστε να επωφελείται σε σχέση με το PAPR, κάτι όμως που μειώνει την ελευθερία στην κατανομή των πόρων, ειδικά σε σύγκριση με το OFDMΑ [12].

Page 49: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 49

Σε περίπτωση όπου το διαθέσιμο εύρος ζώνης διανέμεται μεταξύ αρκετών χρηστών, ο τρόπος με τον οποίο κατανέμονται οι πόροι μπορεί να επιδράσει στα χαρακτηριστικά του PAPR. Για την αξιολόγηση αυτής της πιθανότητας, υιοθετούνται οι εξής στρατηγικές: (α) Localized: Όλα τα RBs βρίσκονται στο χρήστη σε γειτονικά σημεία, και (β) Distributed: Όλα τα RBs που βρίσκονται στο χρήστη είναι τυχαία κατανεμημένα σε ολόκληρο το εύρος ζώνης (Εικ. 25). Η κατανομή αυτή πραγματοποιείται πριν από το IFFT και αμέσως μετά από το DFT.

Εικόνα 25. Κατανομή subcarriers σε Distributed και Localized Mode

Στη συνέχεια παρουσιάζονται και αξιολογούνται 3 αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού του καναλιού για το SC – FDMA [13].

4.3.2.1 Αλγόριθμοι κατανομής πόρων στο SC – FDMA

Σε ένα δίκτυο με πρόσβαση πολλαπλών χρηστών, ο κάθε χρήστης αντιμετωπίζει διαφορετικές καταστάσεις στη σύνδεσή του, όσον αφορά την ταχύτητα, τις απώλειες και το QoS. Όλα τα παραπάνω ζητήματα λαμβάνονται υπόψιν στο σχεδιασμό των αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού και βάσει αυτών κατανέμονται οι πόροι μεταξύ των χρηστών. Οι αλγόριθμοι λαμβάνουν στην είσοδο τον πίνακα Μ (Εικ. 26) που έχει διαστάσεις [Ν × NRB], όπου Ν ο αριθμός των χρηστών και NRB ο αριθμός των RBs.

Εικόνα 26. Ο Πίνακας Μ ως είσοδος των αλγορίθμων

Η βέλτιστη λύση στο πρόβλημα της κατανομής των πόρων για το SC – FDMA απαιτεί τη σύγκριση μεταξύ όλων των πιθανών κατανομών των RBs όπου ισχύει το προαναφερθέν «παράδειγμα γειτνίασης». Αυτό όμως είναι δυσεπίλυτο λόγω του τεράστιου υπολογιστικού κόστους που απαιτείται, κάτι που επιχειρούν να απαλείψουν οι παρακάτω μη βέλτιστοι αλγόριθμοι: First Maximum Expansion (FME), Recursive Maximum Expansion (RME) και Minimum Area – Difference to the Envelope (MADE).

Page 50: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 50

1. First Maximum Expansion (FME)

Η βασική ιδέα του αλγόριθμου είναι να κατανεμηθούν οι πόροι ξεκινώντας από την υψηλότερη μετρική τιμή και «εξαπλώνοντας» την κατανομή προς κάθε πλευρά του Μ. Κάθε UE θεωρείται ότι εξυπηρετήθηκε όταν βρεθεί ένα άλλο UE με καλύτερη μετρική τιμή. Τα βήματα του αλγορίθμου έχουν ως εξής:

Βήμα 1: Ψάξε για το συνδυασμό UE – RB με την υψηλότερη τιμή (UE0 – RB0).

Βήμα 2: Ανάθεσε το RB0 στο UE0.

Βήμα 3: Έλεγξε τη μέγιστη τιμή στην πρώτη στήλη στη δεξιά πλευρά RB+1 και στην αριστερή πλευρά RB-1 του Μ.

Βήμα 4: Αν η μέγιστη τιμή στην RB+1 είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη τιμή στην RB-1, επέκτεινε στη δεξιά πλευρά του Μ, αλλιώς στην αριστερή.

Βήμα 5: Έλεγξε μία προς μία τις στήλες του Μ και βρες για την κάθε μία τη μέγιστη τιμή. Ανάθεσε το RB στο προηγούμενο UE εάν (α) Η μέγιστη τιμή της τρέχουσας στήλης ανήκει ακόμα σε αυτό, ή (β) Η μέγιστη τιμή της τρέχουσας στήλης ανήκει σε άλλο UE, αλλά το RB δεν μπορεί να κατανεμηθεί σε αυτό χωρίς να παραβεί το παράδειγμα της γειτνίασης. Αλλιώς ανάθεσέ στο καινούριο UE.

Βήμα 6: Επανέλαβε το Βήμα 5 έως ότου όλα τα RBs στη δεξιά/αριστερή πλευρά του μεγίστου που βρέθηκε στο Βήμα 1 να έχουν εκχωρηθεί.

Βήμα 7: Σε περίπτωση που δεν έχουν κατανεμηθεί όλα τα RBs, επανέλαβε τα Βήματα 5 και 6 στην αντίθετη κατεύθυνση.

Η πολυπλοκότητα του FME μπορεί να υπολογιστεί σε σχέση με τον αριθμό των πράξεων αναζήτησης μεταξύ των στοιχείων του Μ. Ενώ η αναζήτηση του πρώτου μεγίστου θέλει (Ν×ΝRB) συγκρίσεις, οι διαδοχικές αναζητήσεις εκτελούνται στήλη – στήλη για τα υπόλοιπα (Ν-1) στοιχεία. Κατά συνέπεια, ο αλγόριθμος εκτελεί συνολικά (2NRB -1) πράξεις. Άρα η πολυπλοκότητα του FME είναι Ο(Ν*ΝRB).

2. Recursive Maximum Expansion (RME)

Η λογική πίσω από τον αλγόριθμο είναι η ίδια με του FME, με εξαίρεση το γεγονός πως πραγματοποιεί αναδρομική αναζήτηση για το μέγιστο. Τα βήματα του αλγόριθμου είναι τα κάτωθι:

Βήμα 1: Ψάξε για το συνδυασμό UE – RB με την υψηλότερη τιμή (UE0 – RB0) (Εικ. 27α).

Βήμα 2: Ανάθεσε το RB0 στο UE0.

Βήμα 3: Επέκτεινε την κατανομή στο Βήμα 2 για το UE0, τόσο στη δεξιά, όσο και στην αριστερή πλευρά του Μ μέχρι να βρεθεί ένα άλλο UE με καλύτερη τιμή (Το UE1 στην Εικ. 27α).

Βήμα 4: Θέσε το UE0 σε κατάσταση αδράνειας.

Βήμα 5: Επανέλαβε τα Βήματα 1 – 4 ψάχνοντας για το μέγιστο μεταξύ των μη

Page 51: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 51

αδρανών UEs (Εικ. 27b-c). Σταμάτησε όταν όλα τα UEs είναι αδρανή ή όλα τα RBs έχουν κατανεμηθεί.

Βήμα 6: Αν δεν έχουν εκχωρηθεί όλα τα RBs, αναζήτησε το UE με τη μέγιστη τιμή μεταξύ των εναπομείναντων RBs (Εικ. 27d).

Βήμα 7: Έλεγξε αν ένα εκ των γειτονικών, ήδη εκχωρημένων RBs ανήκει στο ίδιο UE που βρέθηκε στο Βήμα 6.

Βήμα 8: Εάν το UE δεν είναι το ίδιο, επανέλαβε το Βήμα 6. Αλλιώς, επέκτεινε την κατανομή του τόσο στη δεξιά, όσο και στην αριστερή πλευρά του Μ μέχρι να επιτευχθεί στη μία πλευρά η γειτνίαση με την προηγούμενη κατανομή. Σταμάτησε την επέκταση στην άλλη πλευρά όποτε βρεθεί ένα άλλο (αδρανές) UE με μεγαλύτερη τιμή (Εικ. 27d).

Βήμα 9: Επανέλαβε τα Βήματα 6-8 μέχρι να κατανεμηθούν όλα τα RBs (Εικ. 27e).

Εικόνα 27. Παράδειγμα κατανομής πόρων από τον RME και σύγκριση με τον FME

Μία σύγκριση μεταξύ της τελικής κατανομής των πόρων από τον RME και από τον FME φαίνεται στην Εικ. 27e και 27f. Σε αντίθεση με τον FME, ο αριθμός των αναζητήσεων που εκτελούνται από τον RME εξαρτάται από τις τιμές του πίνακα. Έτσι, για να πάρουμε ένα άνω όριο της πολυπλοκότητας, πρέπει να αναφερθούμε στη χείριστη κατάσταση. Αυτή παρατηρείται όταν όλα τα UE δεν μπορούν να επεκταθούν πάνω από τη δική τους μέγιστη τιμή που βρέθηκε στο Βήμα 1. Στην περίπτωση αυτή,

πραγματοποιούνται (NRB – N + z) πράξεις για να αδρανοποιηθούν όλα τα UEs.

Έπειτα, το μέγιστο αναζητείται μεταξύ των υπόλοιπων (NRB – N) στοιχείων. Συνεπώς, ο

Page 52: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 52

αλγόριθμος εκτελεί συνολικά (NRB – N + z) + πράξεις. Έτσι, η

συνολική πολυπλοκότητα του RME καταλήγει να είναι ίδια με του FME.

3. Minimum Area – Difference to the Envelope (MADE)

Το αντικείμενο αυτής της προσέγγισης είναι να παράγει την κατανομή των πόρων που παρέχει την ελάχιστη διαφορά μεταξύ των αθροιστικών μετρήσεων και των envelope μετρήσεων, δηλαδή τον envelope των μετρήσεων των χρηστών. Αυτή η προσέγγιση μπορεί συνεπώς να θεωρηθεί σαν μια γενικευμένη έκδοση του RME, όπου τα βήματα του αλγορίθμου είναι τα εξής:

Βήμα 1: Ανάθεσε εικονικά τους πόρους επιλέγοντας για κάθε RB το UE με την υψηλότερη μέτρηση (Εικ. 28α). Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να αποκομίσουμε τα Resource Chunks (RCs) – ένα RC συντίθεται από ένα ή περισσότερα γειτονικά RBs – σε όλο το εύρος ζώνης.

Βήμα 2: Φτιάξε τον πίνακα Μ΄ με διαστάσεις [Ν × ΝRC], όπου ΝRC ο αριθμός των RCs και κάθε στοιχείο (i,j) υπολογίζεται ως η area difference μεταξύ της μέτρησης του i-οστού UE και του envelope-metric για τον αριθμό των RBs που καθορίζει το j-οστό RC (Εικ. 28b – 28d).

Βήμα 3:Όταν η διαδικασία στο Βήμα 2 εκτελεστεί για όλα τα UEs, υπολόγισε όλους τους συνδυασμούς στον Μ΄ για τους οποίους ισχύει το παράδειγμα γειτνίασης, και για τον καθένα τους έξαγε την αθροιστική μέτρηση ΑC.

Βήμα 4: Επέλεξε τον συνδυασμό με το χαμηλότερο ΑC, δηλαδή το ελάχιστο area – difference.

Βήμα 5: Μετέτρεψε τον Μ΄στον Μ και έξαγε την τελική κατανομή των πόρων (Εικ. 28e).

Page 53: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 53

Εικόνα 28. Παράδειγμα κατανομής πόρων με τον MADE

Χάρη στο γεγονός ότι η προσέγγιση αυτή δουλεύει στο RC επίπεδο και όχι στο RB, η υπολογιστική πολυπλοκότητα μειώνεται σε σχέση με τη βέλτιστη λύση της αναζήτησης σε όλους τους πιθανούς συνδυασμούς. Αυτό προφανώς εξαρτάται από το υπό εξέταση σενάριο. Σε υψηλής συχνότητας επιλεγμένα κανάλια, τείνει προς τη συνδυαστική λύση, μέχρι NRC ≈ NRB. Προκειμένου να προσδιοριστεί η πολυπλοκότητα αυτής της προσέγγισης, δεδομένου ότι ο αναλυτικός προσδιορισμός δεν είναι ξεκάθαρος, υπολογίζεται ο αριθμός των συνδυασμών για μεταβλητό αριθμό χρηστών και

προκύπτει: Ο( ) [13].

Page 54: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 54

4.3.3 MIMO

Το Multiple Input Multiple Output (MIMO) είναι μία ακόμα τεχνολογική καινοτομία του LTE που χρησιμοποιείται για να βελτιώσει την απόδοση του συστήματος. Η τεχνολογία αυτή παρέχει στο LTE καλύτερη διακίνηση και φασματική απόδοση από αυτή που προκύπτει από τη χρήση του OFDMA. Η βασική ιδέα στο MIMO είναι να χρησιμοποιήσει διάδοση σήματος πολλαπλών διαδρομών (όπως συμβαίνει και με τις επίγειες επικοινωνίες). Ουσιαστικά χρησιμοποιεί πολλαπλές κεραίες τόσο στον δέκτη όσο και στον πομπό για να αξιοποιήσει τις πολλαπλές διαδρομές για τη μετάδοση πρόσθετων δεδομένων, αντί να προκαλεί παρεμβολές.

Τα σχήματα που χρησιμοποιούνται στο LTE διαφέρουν ελαφρώς στο uplink και στο downlink για να κρατηθεί χαμηλό το κόστος του τερματικού καθώς υπάρχουν πολύ περισσότερα τερματικά απ’ ότι σταθμοί βάσης και συνεπώς η τιμή του τερματικού πρέπει να προσεχθεί περισσότερο. Στο downlink η βασική υλοποίηση περιλαμβάνει 2 κεραίες μετάδοσης στο eNodeB και δύο κεραίες λήψης στο κινητό τερματικό, αν και υπάρχουν διαμορφώσεις που χρησιμοποιούν 4 κεραίες. Στο uplink το σχήμα που έχει υιοθετηθεί καλείται Multi-User MIMO (MU-MIMO). Έτσι, παρότι το eNodeB απαιτεί πολλαπλές κεραίες, τα κινητά χρειάζονται μόνο μία και αυτό μειώνει σημαντικά το κόστος τους. Κατά τη λειτουργία, πολλαπλά κινητά μπορεί να μεταδίδουν ταυτόχρονα στο ίδιο κανάλι, αλλά δεν προκαλούνται παρεμβολές γιατί χρησιμοποιούνται κάθετα μεταξύ τους σχήματα. Η τεχνική αυτή είναι γνωστή και ως πολλαπλή πρόσβαση στο πεδίο του χώρου (Spatial Domain Multiple Access – SDMA). [3]

Το MIMO έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για να βελτιώσει το μέγιστο ρυθμό στο downlink, καθώς και τη μέγιστη απόδοση και κάλυψη των κυψελών. Για την επίτευξη των αυτών στόχων το LTE εφάρμοσε ποικίλες τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των SU-MIMO, Transmit Diversity και MU-MIMO.

4.3.3.1 SU-MIMO

Το SU-MIMO εφαρμόζεται στο Physical Downlink Shared Channel (PDSCH), το κανάλι το οποίο μεταφέρει τα δεδομένα από το δίκτυο στο UE. Με την SU-MIMO χωρική πολυπλεξία, το LTE παρέχει μέγιστο ρυθμό 150 Mbps για 2 κεραίες εκπομπής και 300 Mbps για 4 κεραίες εκπομπής. Υπάρχουν δύο καταστάσεις λειτουργίας: η closed-loop (κλειστού βρόγχου) και open-loop (ανοικτού βρόγχου) χωρική πολυπλεξία.

Στην closed-loop χωρική πολυπλεξία (Εικ. 29), το eNodeB εφαρμόζει την προ-κωδικοποίηση στο πεδίο του χώρου, για το μεταδιδόμενο σήμα, λαμβάνοντας υπόψη τον δείκτη του προ-κωδικοποιημένου πίνακα (precoding matrix indicator - PMI) που αναφέρεται από το UE, έτσι ώστε το μεταδιδόμενο σήμα να ταιριάζει με το κανάλι στο οποίο βρίσκεται το UE. Για να υποστηρίξει το UE την closed-loop χωρική πολυπλεξία στο downlink πρέπει να τροφοδοτήσει το uplink με το δείκτη κατάταξης (rank indicator – RI), το PMI και το δείκτη ποιότητας καναλιού (channel quality indicator - CQI). Το RI υποδεικνύει τον αριθμό των στρωμάτων χώρου που μπορούν να υποστηριχθούν από το τρέχον κανάλι του UE. Το eNodeB θα αποφασίσει για το βαθμό μετάδοσης λαμβάνοντας υπόψη το RI, την τάση κυκλοφορίας, τη διαθέσιμη ισχύ μετάδοσης κτλ. Το CQI υποδεικνύει το συνδυασμό σχήματος διαμόρφωσης και συντελεστή κωδικοποίησης καναλιού, τον οποίο πρέπει να χρησιμοποιήσει το eNodeB για να διασφαλίσει ότι η πιθανότητα σφάλματος στο UE δεν θα ξεπεράσει το 10%.

Page 55: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 55

Εικόνα 29. Closed-loop χωρική πολυπλεξία με M επίπεδα και Ν κεραίες

Η λειτουργία προ-κωδικοποίησης για την closed-loop χωρική πολυπλεξία καθορίζεται από το y = Wx, όπου y = [y0,…,yN-1]

T, το yN δηλώνει το σύνολο συμβόλων που μεταδίδονται στη ν-οστή κεραία, x = [x0,…..,xM-1]

T, όπου το xM δηλώνει το σύμβολο διαμόρφωσης που μεταδίδεται στο μ-οστό επίπεδο και το W είναι ο πίνακας προ-κωδικοποίησης διαστάσεων N × M. Για μετάδοση με 2 κεραίες το W επιλέγεται από τον πίνακα 7, ενώ για μετάδοση με 4 κεραίες το W επιλέγεται από τον πίνακα 8. Ο σχεδιασμός του W για τις 4 κεραίες μετάδοσης βασίζεται στο μετασχηματισμό Householder για να μειώσει την υπολογιστική πολυπλοκότητα στο UE. Το UE λαμβάνει από το eNodeB την πληροφορία (ένα πεδίο 3 bit για 2 κεραίες μετάδοσης ή 6 bit για 4 κεραίες μετάδοσης) σχετικά με το ποιος πίνακας θα χρησιμοποιηθεί, κάτι που χρησιμεύει στο UE για την αποδιαμόρφωση των δεδομένων.

Page 56: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 56

Πίνακας 7. Πίνακας για μετάδοση με 2 κεραίες

Codebook index Numbers of layers M

1 2

0 [ ]

_

1 [ ] [ ]

2 [ ] [ ]

3 [ ]

_

Πίνακας 8. Πίνακας για μετάδοση με 4 κεραίες

Η open-loop χωρική πολυπλεξία (Εικ. 30) χρησιμοποιείται όταν δεν υπάρχει διαθέσιμη, αξιόπιστη PMI ανατροφοδότηση στο eNodeB, για παράδειγμα όταν η ταχύτητα του UE είναι γρήγορη. Η ανατροφοδότηση αποτελείται από το RI και το CQI. Σε αντίθεση με την closed-loop το eNodeB καθορίζει μόνο το βαθμό μετάδοσης, ενώ ένα σταθερό σύνολο προ-κωδικοποιημένων πινάκων εφαρμόζεται κυκλικά σε όλους τους sub-carriers στο πεδίο της συχνότητας. Η προ-κωδικοποιήση για την open-loop χωρική πολυπλεξία καθορίζεται από το y(i) = W(i)D(i)Ux(i), όπου y(i) = [y0(i),…,yN-1(i)]

T, με το yn(i) να αποτελεί το i-οστό σύνολο συμβόλων που μεταδίδονται στη ν-οστή κεραία, το W(i) είναι διαστάσεων N × M και το x(i)=[x0(i),…..,xM-1(i)]

T, όπου το xM(i) δηλώνει το i-οστό σύμβολο διαμόρφωσης που μεταδίδεται στο μ-οστό επίπεδο. Ο πίνακας U, διαστάσεων

Page 57: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 57

Μ × Μ είναι ο προ-κωδικοποιημένος πίνακας των διακριτών μετασχηματισμών Fourier και ο D(i) περιέχει την ποικιλόμορφη κυκλική καθυστέρηση [15].

Εικόνα 30. Open-loop χωρική πολυπλεξία με M επίπεδα και Ν κεραίες

4.3.3.2 Transmit Diversity

Στο downlink του LTE το Transmit Diversity μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα φυσικά κανάλια, όπως τα PDSCH, Physical Broadcast Channel (PBCH), Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH), Physical Downlink Control Channel (PDCCH) και το Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) σε αντίθεση με όλα τα άλλα MIMO συστήματα που εφαρμόζονται μόνο στο PDSCH.

Ένα UE μπορεί να αναγνωρίσει τον αριθμό των κεραιών μετάδοσης του eNodeB αποκωδικοποιώντας το PBCH αφού δεν υπάρχει ρητή σηματοδότηση για αυτό. Μόλις βρεθεί ο αριθμός των κεραιών μετάδοσης του eNodeB, καθορίζεται ένα ειδικό σχήμα Transmit Diversity που εφαρμόζεται σε όλα τα φυσικά downlink κανάλια. Αν το eNodeB έχει 2 κεραίες μετάδοσης χρησιμοποιεί το space-frequency block code (SFBC), ενώ αν έχει 4 κεραίες μετάδοσης χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός του SFBC και του frequency-switched transmit diversity (FSTD), για να παρέχει αξιοπιστία έναντι της συσχέτισης μεταξύ καναλιών από διαφορετικές κεραίες μετάδοσης, αλλά και για ευκολότερο σχεδιασμό του δέκτη στο UE.

Ένα UE ρυθμίζεται για ένα σχήμα μετάδοσης όταν το eNodeB χρησιμοποιεί πολλαπλές κεραίες μετάδοσης. Αν το eNodeB προσπαθήσει να αλλάξει το σχήμα μετάδοσης ίσως να μην είναι δυνατό να μεταδώσει το απαιτούμενο μήνυμα ελέγχου, κάνοντας χρήση του καθορισμένου σχήματος μετάδοσης, για την ένδειξη της αλλαγής του συστήματος μετάδοσης αφού η κατάσταση του καναλιού δεν είναι ευνοϊκή πλέον στο νέο σύστημα μετάδοσης. Για αξιόπιστη αλλαγή του σχήματος μετάδοσης, άσχετα από το σχήμα μετάδοσης του UE, το Transmit Diversity μπορεί πάντα να χρησιμοποιηθεί για την παράδοση του μηνύματος ελέγχου στο UE.

Για το uplink, στην περίπτωση closed-loop κεραίας μετάδοσης, το eNodeB επιλέγει τη κεραία που θα χρησιμοποιηθεί και ενημερώνει για την επιλογή του το UE χρησιμοποιώντας το downlink μήνυμα ελέγχου, ενώ για open-loop κεραία μετάδοσης το UE επιλέγει αυτόνομα ποια κεραία θα χρησιμοποιηθεί για μετάδοση χωρίς την επέμβαση του eNodeB. Τέλος, το Transmit Diversity σχήμα, τύπου SFBC, δε χρησιμοποιείται στο uplink για την αποφυγή του απαιτούμενου επιπροσθέτου κόστους της σχεδίασης 2 ενισχυτών στο UE [15].

Page 58: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 58

4.3.3.3 MU-MIMO

Το MU-MIMO υποστηρίζεται τόσο στο uplink όσο και στο downlink του LTE. Στο uplink το eNodeB μπορεί πάντα να προγραμματίσει περισσότερα από ένα UE να μεταδίδουν στον ίδιο πόρο χρόνου-συχνότητας, σχηματίζοντας μία MU-MIMO διαμόρφωση μετάδοσης. Ωστόσο, για να είναι σε θέση το eNodeB να διαφοροποιήσει και αποδιαμορφώσει σωστά αυτά τα UE σήματα, πρέπει να αναθέσει ορθογώνια σήματα αναφοράς για τα συγκεκριμένα UE.

Στο downlink, αν ένα UE είναι ρυθμισμένο σε MU-MIMO μετάδοση, μόνο πρώτης τάξης μετάδοση μπορεί να προγραμματιστεί στο UE. Το eNodeB μπορεί να προγραμματίσει πολλαπλά UE στον ίδιο πόρο συχνότητας. Στη συνέχεια κάθε UE αποκωδικοποιεί τα δεδομένα κάνοντας χρήση του κοινού σήματος αναφοράς μαζί με την προ-κωιδκοποιημένη πληροφορία που έχει αποκτηθεί από το σήμα ελέγχου. Το UE παράγει την PMI/CQI ανατροφοδότηση χωρίς να γνωρίζει για άλλα ταυτόχρονα προγραμματισμένα UE δημιουργώντας πιθανή ασυμβατότητα μεταξύ του CQI στο UE και του πραγματικού CQI.

Στο LTE για την υποστήριξη σήματος με υψηλότερης τάξης διαμόρφωση (πχ 16QAM και 64QAM) χωρίς να προκαλεί πολύ μεγάλη πολυπλοκότητα στο UE το επίπεδο ισχύος στη μετάδοση ρυθμίζεται μακροπρόθεσμα. Το προκαθορισμένο επίπεδο ισχύος ανά UE είναι δύσκολο να διατηρηθεί στο MU-MIMO καθώς ο ενισχυτής του eNodeB πρέπει αν υποστηρίξει πολλαπλά UE. Έτσι ένα σήμα 1 bit υποδεικνύει αν υπάρχει 3 db μείωση ισχύος σε σχέση με το προκαθορισμένο επίπεδο ισχύος ανά UE [15].

4.4 Κανάλια του LTE

Για τη μεταφορά των δεδομένων χρησιμοποιούνται κανάλια ώστε να διαχωρίσουν τα διάφορα είδη δεδομένων και να τα μεταφέρουν διαμέσου του δικτύου με συγκεκριμένη σειρά. Ουσιαστικά, τα διάφορα κανάλια παρέχουν διασυνδέσεις με τα υψηλότερα επίπεδα και επιτρέπουν τον ομαλό και προκαθορισμένο διαχωρισμό των δεδομένων. Τα κανάλια του LTE ομαδοποιούνται σε 3 κατηγορίες:

Φυσικά Κανάλια: Είναι τα κανάλια μετάδοσης που μεταφέρουν δεδομένα του χρήστη και μηνύματα ελέγχου.

Κανάλια Μεταφοράς: Μεταφέρουν πληροφορίες στο MAC και άλλα υψηλότερα επίπεδα.

Λογικά Κανάλια: Παρέχουν υπηρεσίες στο MAC επίπεδο [3].

4.4.1 Φυσικά Κανάλια

Τα Φυσικά κανάλια διαφοροποιούνται για το downlink και το uplink, καθώς το καθένα έχει διαφορετικές απαιτήσεις και λειτουργεί με διαφορετικό τρόπο. Τα κανάλια του downlink είναι τα εξής:

Physical Broadcast Channel (PBCH): Μεταφέρει τις πληροφορίες του συστήματος που απαιτούν τα UE για να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο, π.χ. το εύρος ζώνης του συστήματος, τον αριθμό των κεραιών μετάδοσης και τον αριθμό πλαισίου. Η μετάδοσή του διαρκεί 40 ms.

Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Κύριος σκοπός του είναι να μεταφέρει πληροφορίες χρονοδρομολόγησης σε μεμονωμένα UE. Η πληροφορία

Page 59: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 59

που μεταφέρει καλείται Downlink Control Information (DCI) και περιέχει στο UE όλες τις απαραίτητες πληροφορίες ώστε να μπορεί να προσδιορίσει τους πόρους από τους οποίους θα λάβει το PDSCH και πως θα το αποκωδικοποιήσει.

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): Χρησιμοποιείται για να αναφέρει την κατάσταση του Hybrid ARQ και να μεταφέρει τα ACK/NACK για τα πακέτα που έλαβε στο uplink.

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): Χρησιμοποιείται για λειτουργίες σελιδοποίησης και unicast και τη μεταφορά των δεδομένων του χρήστη και πολυμέσων, γι’αυτό και είναι σχεδιασμένο για πολύ υψηλές ταχύτητες δεδομένων.

Physical Multicast Channel (PMCH): Μεταφέρει πληροφορίες συστήματος για σκοπούς πολυεκπομπής.

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): Παρέχει πληροφορίες ώστε να επιτρέψει στα UE να αποκωδικοποιήσουν το PDSCH. Μεταφέρεται σε συγκεκριμένα στοιχεία πόρων και υποδεικνύει τον αριθμό των OFDM συμβόλων για το PDCCH (από 1 έως 4 σύμβολα). Είναι απαραίτητο επειδή το φορτίο στο PDCCH μπορεί να ποικίλλει, ανάλογα με τον αριθμό των χρηστών σε μία κυψέλη και τη μορφή σηματοδότησης.

Τα κανάλια του uplink είναι τα εξής:

Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Μεταφέρει πληροφορίες ελέγχου, π.χ. ACK/NACK πληροφορίες σχετικά με πακέτα δεδομένων που έλαβε στο downlink, τα CQI, RI, PMI για το ΜΙΜΟ και αιτήσεις χρονοδρομολόγησης. Μεταδίδεται σε μία προορισμένη περιοχή συχνοτήτων του uplink που καθορίζεται από τα ανώτερα στρώματα. Ένα UE κάνει χρήση του PUCCH μόνο όταν δεν έχει δεδομένα για να μεταδόσει στο PUSCH.

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): Αποτελεί το uplink αντίστοιχο του PDSCH. Με τη λειτουργία της αναπήδησης των uplink συχνοτήτων στο PUSCH μετριάζονται οι παρεμβολές.

Physical Random Access Channel (PRACH): Χρησιμοποιείται για λειτουργίες τυχαίας προσπέλασης [3],[16].

4.4.2 Κανάλια Μεταφοράς

Κάθε κανάλι Μεταφοράς χαρακτηρίζεται από το επίπεδο επεξεργασίας του φυσικού επιπέδου που εφαρμόζεται στα αντίστοιχα Φυσικά κανάλια που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά του καναλιού. Το φυσικό επίπεδο πρέπει να είναι σε θέση να παρέχει δυναμική εκχώρηση των πόρων, τόσο για τη διακύμανση του ρυθμού δεδομένων, όσο και για τη διαίρεση των πόρων μεταξύ των διαφόρων χρηστών. Και τα κανάλια Μεταφοράς διαφέρουν για το downlink και το uplink. Συγκεκριμένα, τα κανάλια του downlink είναι τα εξής:

Broadcast Channel (BCH): Αντιστοιχίζεται στο Broadcast Control Channel (BCCH). Ειδικότερα, χρησιμοποιείται για τη μετάδοση των απαραίτητων παραμέτρων του συστήματος για να επιτρέψει σε συσκευές να αποκτήσουν πρόσβαση στο σύστημα. Οι εν λόγω παράμετροι περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, παραμέτρους σχετικές με την τυχαία πρόσβαση, που ενημερώνουν μία συσκευή για το ποια στοιχεία πόρων προορίζονται για τη λειτουργία τυχαίας πρόσβασης.

Page 60: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 60

Downlink Shared Channel (DL-SCH): Αποτελεί το βασικό κανάλι για τη μεταφορά downlink δεδομένων και το χρησιμοποιούν πολλά λογικά κανάλια. Μεταφέρει τα δεδομένα για συνδέσεις σημείου προς σημείο. Όλες οι πληροφορίες που προορίζονται για ένα μόνο χρήστη ή UE, μεταδίδονται στο DL-SCH, υποθέτωντας ότι το UE βρίσκεται σε RRC_CONNECTED κατάσταση. Επίσης, μεταφέρονται πληροφορίες ελέγχου που αφορούν πολλαπλές συσκευές.

Paging Channel (PCH): Μεταφέρει το PCCH, δηλαδή τις πληροφορίες σελιδοποίησης που απαιτούνται ώστε να θέσει μία συσκευή από RRC_IDLE κατάσταση σε RRC_CONNECTED.

Multicast Channel (MCH): Μεταδίδει MCCH πληροφορίες για να δημιουργήσει πολλαπλές μεταδόσεις.

Επίσης, τα uplink κανάλια είναι τα εξής:

Uplink Shared Channel (UL-SCH): Αποτελεί το βασικό κανάλι για τη μεταφορά uplink δεδομένων και το χρησιμοποιούν πολλά λογικά κανάλια. Είναι το uplink αντίστοιχο του DL-SCH, ενώ είναι διαθέσιμη η δυναμική προσαρμογή σύνδεσης και οι επανεκπομπές του φυσικού επιπέδου.

Random Access Channel (RACH): Χρησιμοποιείται για τις απαιτήσεις της τυχαίας προσπέλασης. Ουσιαστικά, χρησιμοποιείται είτε για να ανταποκριθεί στο μήνυμα σελιδοποίησης, είτε για να εκκινήσει τη μετακίνηση από ή προς την RRC_CONNECTED κατάσταση.

Αξίζει να σημειωθεί ότι στο uplink, το UL-SCH μεταφέρεται από το PUSCH, ενώ το RACH από το PRACH. Στο downlink, το PCH αντιστοιχίζεται στο PDSCH, το DL-SCH στο PDSCH και το MCH στο PMCH. Η αντιστοίχιση μεταξύ φυσικών καναλιών και καναλιών μεταφοράς φαίνεται στις Εικ. 31 και 32 [3],[12].

Εικόνα 31. Αντιστοίχιση μεταξύ downlink φυσικών καναλιών και μεταφοράς

Page 61: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 61

Εικόνα 32. Αντιστοίχιση μεταξύ uplink φυσικών καναλιών και μεταφοράς

4.4.3 Λογικά Κανάλια

Τα Λογικά κανάλια χωρίζονται σε κανάλια Ελέγχου και κανάλια Κίνησης. Τα κανάλια Ελέγχου είναι τα εξής:

Broadcast Control Channel (BCCH): Παρέχει πληροφορίες συστήματος σε όλα τα UE που είναι συνδεδεμένα με το eNodeB, π.χ. παραμέτρους απαραίτητες για την πρόσβαση στο σύστημα.

Paging Control Channel (PCCH): Χρησιμοποιείται για πληροφορίες σελιδοποίησης όταν αναζητά μία μονάδα στο δίκτυο και αντιστοιχίζεται στο PCH.

Common Control Channel (CCCH): Χρησιμοποιείται για πληροφορίες τυχαίας προσπέλασης, π.χ. για ενέργειες που σχετίζονται με την εγκαθίδρυση μιας σύνδεσης. Μεταφέρει επίσης πληροφορίες ελέγχου μεταξύ του UE και του δικτύου, όταν δεν υπάρχει RRC σύνδεση μεταξύ τους.

Multicast Control Channel (MCCH): Παρέχει τις πληροφορίες που απαιτούνται για την υποδοχή πολλαπλών εκπομπών.

Dedicated Control Channel (DCCH): Είναι ένα κανάλι σημείου προς σημείο και μεταφέρει μεταξύ του UE και του δικτύου αποκλειστικές πληροφορίες ελέγχου του χρήστη, π.χ. πληροφορίες για τον έλεγχο ενεργειών συμπεριλαμβανομένων του ελέγχου της ισχύος, των handover κτλ.

Τα κανάλια Κίνησης είναι τα εξής:

Dedicated Traffic Channel (DTCH): Χρησιμοποιείται για τη μετάδοση των δεδομένων του χρήστη για συνδέσεις σημείου προς σημείο.

Multicast Traffic Channel (MTCH): Μεταδίδει δεδομένα πολυεκπομπής.

Στο uplink, όλα τα λογικά κανάλια αντιστοιχίζονται στο UL-SCH, αλλά δεν υπάρχει αντιστοιχία των λογικών καναλιών με το RACH, αφού δε μεταφέρει καμία πληροφορία πάνω από το MAC επίπεδο. Στο downlink τα CCCH, DCCH και DTCH αντιστοιχίζονται στο DL-SCH. Στην Εικ. 33 φαίνεται η αντιστοιχία μεταξύ των uplink λογικών καναλιών και καναλιών μεταφοράς, ενώ στην Εικ. 34 παρουσιάζεται το αντίστοιχο για τα downlink κανάλια [3],[12].

Page 62: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 62

Εικόνα 33. Αντιστοίχιση uplink λογικών καναλιών και μεταφοράς

Εικόνα 34. Αντιστοίχιση downlink λογικών καναλιών και μεταφοράς

4.5 Διαδικασίες του Φυσικού Επιπέδου

Οι βασικές διαδικασίες του φυσικού επιπέδου είναι ο έλεγχος της ισχύος, το HARQ, η τυχαία πρόσβαση, η σελιδοποίηση και η αναζήτηση κυψέλης.

4.5.1 HARQ

Η λειτουργία HARQ εξασφαλίζει την παράδοση των πακέτων μεταξύ ομότιμων οντοτήτων στο φυσικό επίπεδο. Βασίζεται στη χρήση μιας stop-and-wait HARQ διαδικασίας. Συγκεκριμένα, μόλις το eNodeB μεταδόσει ένα πακέτο, το UE το αποκωδικοποιεί και παρέχει ανατροφοδότηση στο PUCCH. Αν το eNodeB λάβει αρνητική επιβεβαίωση (NACK) θα στείλει μία επανεκπομπή. Το UE, αφού συνδυάσει την επανεκπομπή με την αυθεντική μετάδοση, αποκωδικοποιεί το πακέτο και στέλνει θετική επιβεβαίωση (ACK) στο eNodeB. Έπειτα, το eNodeB στέλνει ένα νέο πακέτο για τη HARQ διαδικασία. Εξαιτίας του stop-and-wait τρόπου λειτουργίας, χρειάζονται πολλαπλές HARQ διαδικασίες (μέχρι 8 και για το uplink και για το downlink) ώστε να επιτραπεί μία συνεχής ροή δεδομένων. Οι διαδικασίες αυτές μπορεί να πραγματοποιούνται παράλληλα, δηλαδή όταν μία διαδικασία περιμένει το πακέτο επιβεβαίωσης, μία άλλη μπορεί να στέλνει δεδομένα μέσω του καναλιού.

Στην πράξη, τα μπλοκ κωδικοποιημένων δεδομένων που έχουν ληφθεί λανθασμένα, αποθηκεύονται και συνδυάζονται με τα αναμεταδιδώμενα μπλοκ, καθώς ο συνδυασμός τους μας δίνει επαρκείς πληροφορίες για την αποκωδικοποίηση. Στο LTE, το HARQ χρησιμοποιεί τόσο το soft combining όσο και το incremental redundancy. Με την πρώτη

Page 63: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 63

τεχνική, σε κάθε επανεκπομπή μεταδίδονται οι ίδιες πληροφορίες, ενώ με τη δεύτερη τεχνική κάθε επανεκπομπή περιέχει διαφορετικές πληροφορίες. Έτσι, με κάθε επανεκπομπή αποκτούνται νέες πληροφορίες [12].

4.5.2 Έλεγχος της Ισχύος

Ο έλεγχος της ισχύος στο uplink του LTE είναι αργός, ενώ στο downlink δεν υπάρχει καθόλου. Καθώς το εύρος ζώνης ποικίλλει λόγω αλλαγών του ρυθμού δεδομένων, αλλάζει και η απόλυτη ισχύς εκπομπής του UE. Ο έλεγχος ισχύος, επί της ουσίας, ελέγχει τη φασματική πυκνότητα ισχύος (Power Spectral Density –PSD), δηλαδή την ισχύ ανά Hz για μία συγκεκριμένη συσκευή. Το βασικό κίνητρο για τον έλεγχο της ισχύος είναι να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας στο τερματικό και να αποφύγει ένα υπερβολικά μεγάλο εύρος δυναμικού στο eNodeB. Στο δέκτη, τα PSD διαφορετικών χρηστών πρέπει να είναι αρκετά κοντά μεταξύ τους ώστε ο μετατροπέας του δέκτη να έχει εύλογες απαιτήσεις ενέργειας.

Ο πραγματικός έλεγχος ισχύος βασίζεται στην εκτιμώμενη απώλεια μονοπατιού, λαμβάνοντας υπόψη τις ειδικές παραμέτρους της κυψέλης και εφαρμόζωντας την τιμή του συντελεστή διόρθωσης που παραλήφθηκε από το eNodeB [12].

4.5.3 Σελιδοποίηση

Για να καταστεί δυνατή η σελιδοποίηση, διατίθεται στο UE ένα διάστημα σελιδοποίησης και ένα ειδικό υποπλαίσιο εντός του εν λόγω διαστήματος, όπου το μήνυμα σελιδοποίησης μπορεί να σταλεί. Η σελιδοποίηση παρέχεται στο PDSCH και οι πληροφορίες κατανομής στο PDCCH. Το βασικό σχεδιαστικό κριτήριο στη σελιδοποίηση είναι η εξασφάλιση επαρκούς DRX για τις συσκευές για να εξοικονομήσουν ενέργεια και η διασφάλιση γρήγορου χρόνου απόκρισης για την εισερχόμενη κλήση. Το E-UTRAN μπορεί να παραμετροποιήσει τη διάρκεια του κύκλου σελιδοποίησης για την εξασφάλιση επαρκούς χωρητικότητας σελιδοποίησης [12].

4.5.4 Διαδικασία Τυχαίας Πρόσβασης

Το UE δεν μπορεί να κάνει χρήση των υπηρεσιών του δικτύου αμέσως μετά το συγχρονισμό του downlink, εκτός και αν το uplink είναι επίσης συγχρονισμένο. Η διαδικασία τυχαίας πρόσβασης εκτελείται διαμέσου του PRACH για να επιτύχει τον uplink συγχρονισμό. Είναι μια διαδικασία ανεξάρτητη του μεγέθους της κυψέλης και κοινή τόσο στο FDD όσο και στο TDD. Η διαδικασία έχει 2 διαφορετικές μορφές: στην πρώτη πολλαπλά UE προσπαθούν να αποκτήσουν πρόσβαση στο δίκτυο την ίδια στιγμή προκαλώντας “συγκρούσεις”, ενώ στη δεύτερη το δίκτυο εκκινεί τη διαδικασία όταν το UE βρίσκεται ήδη σε επικοινωνία με το eNodeB. Έτσι, αποφεύγονται οι συγκρούσεις με τα άλλα UE αφού το eNodeB ελέγχει τη διαδικασία [10].

4.5.5 Αναζήτηση Κυψέλης

Αποτελεί τη διαδικασία μέσω της οποίας ένα UE συγχρονίζεται με μία κυψέλη και ανιχνεύει το ID της κυψέλης αυτής. Υποστηρίζει ένα κλιμακούμενο εύρος ζώνης μετάδοσης που αντιστοιχεί σε 6 RB, δηλαδή 72 sub-carriers, και πάνω. Βασίζεται σε μία ποικιλία σημάτων που μεταδίδονται στο downlink, όπως τα πρωταρχικά και

Page 64: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 64

δευτερεύοντα σήματα συγχρονισμού και τα downlink σήματα αναφοράς. Η αναζήτηση γειτονικών κελιών βασίζεται στα ίδια σήματα με αυτά για την αναζήτηση της αρχικής κυψέλης [10].

Page 65: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 65

5. Πορεία ενός LTE πακέτου στο δίκτυο

Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η πορεία ενός πακέτου LTE στο δίκτυο τόσο στο downlink όσο και στο uplink. Το downlink αφορά την πορεία του πακέτου από το δίκτυο στο UE ενώ το uplink από το UE στο δίκτυο.

5.1 Πορεία στο downlink

Το μπλοκ μεταφοράς που παραδίδεται από το φυσικό επίπεδο στο MAC περιέχει δεδομένα από το προηγούμενο υποπλαίσιο. Μπορεί να περιέχει πολλαπλά πακέτα ή τμήματα αυτών, ανάλογα με τον προγραμματισμό και τη διαμόρφωση. Στην Εικ. 35 φαίνεται η πορεία ενός πακέτου στο downlink του δικτύου.

Εικόνα 35. Πορεία ενός πακέτου στο LTE δίκτυο κατά το downlink

5.1.1 MAC επίπεδο

Τα περιεχόμενα του μπλοκ μεταφοράς μπορεί να διαφέρουν σε σχέση με τα πακέτα που παραδίδονται στα υψηλότερα στρώματα. Το MAC επίπεδο είναι υπεύθυνο για την HARQ λειτουργία ενώ παράλληλα μετατρέπει το μπλοκ μεταφοράς σε λογική χαρτογράφηση, μία διαδικασία που εξάγει διαφορετικά λογικά κανάλια από το μπλοκ μεταφοράς για τα υψηλότερα επίπεδα. Η επιλογή μορφοποίησης και οι μετρήσεις παρέχουν στο RRCεπίπεδο τα απαραίτητα δεδομένα για τη διαχείριση του δικτύου.

Η λειτουργία HARQ, που γίνεται σε συνδυασμό του φυσικού επιπέδου και του MAC επιπέδου, επανεκπέμπει μπλοκ μεταφοράς για διόρθωση λαθών. Το φυσικό επίπεδο εκτελεί τη διατήρηση και τον εκ νέου συνδυασμό των πακέτων, ενώ το MAC τη διαχείριση και τη σηματοδότηση. Στο downlink η επανεκπομπή γίνεται από το eNodeB ή τον αποστολέα χρησιμοποιώντας διαφορετικό τύπο κωδικοποίησης ( η κωδικοποίηση διατηρείται σε buffers στο eNodeB). Τελικά μετά από μία ή δύο προσπάθειες θα υπάρχουν αρκετά δεδομένα για να ανασυνθέσουν το σήμα. Η επανεκπομπή δεν

Page 66: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 66

χρειάζεται να είναι απόλυτα σωστή, απλά σε μεγάλο βαθμό σωστή ώστε με το συνδυασμό του προηγούμενου μπλοκ μεταφοράς να δώσουν το σωστό αποτέλεσμα.

Όταν ένα έγκυρο μπλοκ μεταφοράς γίνεται διαθέσιμο από το HARQ, τα κανάλια μεταφοράς αντιστοιχίζονται σε λογικά κανάλια. Χρησιμοποιούνται για προγραμματισμό, σηματοδότηση και άλλες λειτουργίες χαμηλού επιπέδου. Τα κανάλια μεταφοράς χρησιμοποιούν διαφορετικές διαμορφώσεις και κωδικοποιήσεις. Αντίθετα, τα κανάλια σελιδοποίησης και εκπομπής πρέπει να παραλαμβάνονται σε οποιοδήποτε σημείο της κυψέλης για αυτό και χρησιμοποιούν ισχυρή διαμόρφωση.

Η διαδικασία επιλογής μορφοποίησης προετοιμάζει το φυσικό επίπεδο ώστε να είναι έτοιμο για την κωδικοποίηση και διαμόρφωση του επόμενου μπλοκ μεταφοράς. Το eNodeB περιλαμβάνει πληροφορίες σε κάθε μπλοκ μεταφοράς που καθορίζουν το σχήμα μετάδοσης χρησιμοποιώντας ένα Modulation Coding Scheme (MCS) για το επόμενο μπλοκ μεταφοράς. Αυτό όμως μπορεί να αλλάξει δυναμικά. Το MAC ρυθμίζει το φυσικό επίπεδο για το επόμενο μπλοκ μεταφοράς.

Το MAC συντονίζει τις μετρήσεις που σχετίζονται με την κατάσταση και τις συνθήκες του UE από το φυσικό επίπεδο στο RRC και έπειτα το RRC δίνει αναφορά στο eNodeB χρησιμοποιώντας μηνύματα ελέγχου. Από το eNodeB στο RRC, το RRC ελέγχει τη διαμόρφωση του φυσικού επιπέδου και τις ρυθμίσεις του UE. Αναφορές για την κατάσταση του buffer και άλλοι τύποι σημάτων μεταφέρονται στα υψηλότερα επίπεδα μέσω των RRC μηνυμάτων. Αν ο ρυθμός του UE είναι υψηλός χρειάζονται λιγότερες χρονοθυρίδες για να στείλουν δεδομένα. Τόσο το uplink όσο και το downlink προγραμματίζονται πλήρως από το eNodeB.

5.1.2 RLC επίπεδο

Το RLC επίπεδο είναι αυτό που πραγματοποιεί τον κατακερματισμό και την ανασυγκρότηση του πακέτου και είναι υπεύθυνο για τη σειριακή παράδοση των πακέτων και τον έλεγχο των διπλότυπων.

Η διαδικασία κατακερματισμού περιλαμβάνει τον διαμερισμό ενός PDU σε ολόκληρα SDU ή σε τμήματα τους. Το μέγεθος του PDU βασίζεται στο μέγεθος του μπλοκ μεταφοράς και δεν είναι προκαθορισμένο επειδή εξαρτάται από τις συνθήκες των καναλιών, τα οποία το eNodeB αναθέτει σε κάθε UE. Το μέγεθος του μπλοκ μεταφοράς μπορεί να ποικίλει ανάλογα με τις απαιτήσεις του εύρους ζώνης, την απόσταση, τα επίπεδα ενέργειας ή το σχήμα διαμόρφωσης. Η διαδικασία εξαρτάται επίσης από το μέγεθος των πακέτων, χρειάζονται δηλαδή μεγάλα πακέτα για video και μικρά για VoIP. Αν ένα SDU είναι μεγάλο ή ο ρυθμός δεδομένων είναι χαμηλός (κάτι που οδηγεί σε μικρά μπλοκ μεταφοράς), το SDU μπορεί να διαχωριστεί σε πολλά PDU. Αντίθετα, αν το SDU είναι μικρό ή ο διαθέσιμος ρυθμός δεδομένων είναι υψηλός, πολλά SDU μπορεί να ενσωματωθούν σε ένα και μόνο PDU. Όπως φαίνεται και στην Εικ. 36 στις περισσότερες περιπτώσεις συμβαίνει τόσο ο διαχωρισμός όσο και η ενσωμάτωση των SDU.

Page 67: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 67

Εικόνα 36. Διαδικασία κατακερματισμού στο RLC επίπεδο

Το RLC εξασφαλίζει την ακολουθιακή παράδοση των SDU. Πακέτα εκτός σειράς μπορεί να παραδοθούν κατά τη διάρκεια του handover. Ένα SDU αποτελείται από ένα ή περισσότερα PDU στο downlink. Η RLC κεφαλίδα μεταφέρει τον αύξοντα αριθμό, τόσο του PDU όσο και του SDU, οι οποίοι αριθμοί είναι ανεξάρτητοι μεταξύ τους. Το RLC χρησιμοποιεί τους αύξοντες αριθμούς των PDU και SDU για να ταξινομήσει τα πακέτα στη σωστή σειρά.

Το RLC λειτουργεί με 3 τρόπους: με διαφανή τρόπο (Transparent mode – TM), με επιβεβαίωση (acknowledged mode – AM) και χωρίς επιβεβαίωση (unacknowledged mode – UM), και χρησιμοποιούνται από διαφορετικούς φορείς για διαφορετικούς σκοπούς. Το ΤΜ χρησιμοποιείται μόνο στο επίπεδο ελέγχου για σηματοδότηση μερικών RLC μηνυμάτων κατά την αρχική σύνδεση, συνεπώς δεν υπάρχει κεφαλίδα, απλά περνάει το μήνυμα. Το AM και το UM χρησιμοποιούν την RLC κεφαλίδα και καθορίζουν αν θα συμπεριληφθεί ή όχι ο ARQ μηχανισμός.

Το ARQ εφαρμόζεται σε ένα SDU, ενώ το HARQ σε ένα μπλοκ μεταφοράς. Οι αλληλεπιδράσεις μπορεί να περιέχουν μέρος, ολόκληρο ή πολλαπλά SDU. Το ARQ μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο TCP/IP, για σημαντικές πληροφορίες ή στο UM είτε για VoIP είτε όταν λόγω των ορίων καθυστέρησης δεν υπάρχει χρόνος για επανεκπομπή. Για παράδειγμα στο VoIP αν ένα πακέτο δεν φτάσει με την πρώτη εκπομπή είναι άχρηστο και τα υψηλότερα επίπεδα αντισταθμίζουν τη διαφορά. Το ARQ σε αντίθεση με το HARQ εφαρμόζεται στο SDU στην αρχή του RLC. Έτσι αν ένας πομπός HARQ ανιχνεύσει μια αποτυχημένη παράδοση ενός μπλοκ μεταφοράς, για παράδειγμα να έχει ξεπεράσει το μέγιστο όριο επανεκπομπών, ειδοποιούνται οι σχετικές μονάδες ARQ μετάδοσης και μπορεί να ξεκινήσουν επανεκπομπές όπως και κατατμήσεις, για οποιαδήποτε επηρεασμένα PDU.

5.1.3 PDCP επίπεδο

Το PDCP είναι το μέρος όπου εκτελούνται οι λειτουργίες υψηλότερων επιπέδων που έπονται των λειτουργιών διαχωρισμού και ενσωμάτωσης που επιτελούνται στο RLC. Οι PDCP λειτουργίες του επιπέδου χρήστη περιλαμβάνουν αποκρυπτογράφηση, αποσυμπίεση κεφαλίδας, αρίθμηση των πακέτων και διαγραφή των διπλότυπων, ενώ στο επίπεδο ελέγχου περιλαμβάνονται η αποκρυπτογράφηση , προστασία της ακεραιότητας, αρίθμηση πακέτων και διαγραφή διπλότυπων.

Η συμπίεση κεφαλίδας στο PDCP είναι σημαντική γιατί το VoIP είναι κομβική εφαρμογή για το LTE. Επειδή δεν υπάρχει πλέον μεταγωγή κυκλώματος στο LTE όλα τα σήματα φωνής πρέπει να μεταφέρονται μέσω IP, για αυτό υπάρχει ανάγκη για αποτελεσματικότητα. Έχουν δημιουργηθεί διάφορα πρότυπα προς χρήση για τη

Page 68: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 68

συμπίεση κεφαλίδας , η οποία παρέχει μεγάλη εξοικονόμηση στα δεδομένα της κεφαλίδας που θα έπρεπε να σταλούν. Τα πρότυπα αυτά έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να μπορούν να αντιμετωπίσουν την απώλεια πακέτων που είναι πολύ συχνή στα ασύρματα δίκτυα.

Στο PDCP επιτελείται τόσο κρυπτογράφηση όσο και αποκρυπτογράφηση. Οι λειτουργίες ασφάλειας συμβαίνουν μετά τη συμπίεση γιατί η συμπίεση λειτουργεί μόνο με αποκρυπτογραφημένα πακέτα, αφού δεν μπορεί να καταλάβει μια κρυπτογραφημένη κεφαλίδα. Η κρυπτογράφηση προστατεύει τα δεδομένα του επιπέδου χρήστη, του RRC και του NAS.Η σειρά που εκτελούνται στο downlink είναι πρώτα η αποκρυπτογράφηση και μετά αποσυμπίεση, ενώ στο uplink πρώτα γίνεται η συμπίεση της κεφαλίδας και μετά η κρυπτογράφηση. Στην Εικ. 37 φαίνεται η διαδικασία συμπίεσης κεφαλίδας.

Εικόνα 37. Διαδικασία συμπίεσης PDCP κεφαλίδας

5.2 Πορεία στο uplink

Οι διαδικασίες του LTE στο uplink είναι αρκετά παρόμοιες με αυτές του downlink. Βασικές διαφορές είναι ότι ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων είναι ο μισός σε σχέση με το downlink, η πρόσβαση παρέχεται από το eNodeB και η τυχαία πρόσβαση χρησιμοποιείται μόνο για τις αρχικές μεταβλητές. Επίσης, αλλαγές παρατηρούνται στα λογικά κανάλια και στα κανάλια μεταφοράς. Στην Εικ. 38 φαίνεται η πορεία ενός πακέτου στο uplink.

Page 69: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 69

Εικόνα 38. Πορεία ενός πακέτου στο LTE δίκτυο κατά το uplink

5.2.1 PDCP Επίπεδο

Οι λειτουργίες στο PDCP επίπεδο είναι συμμετρικές για το uplink και το downlink αλλά γίνονται με αντίστροφη σειρά.

5.2.2 RLC Επίπεδο

Και πάλι οι λειτουργίες του RLC επιπέδου είναι συμμετρικές για το uplink και το downlink, όμως αντί να αφαιρούνται οι κεφαλίδες από το πακέτο, τώρα προστίθενται σε αυτό. Επίσης, αντί να κατακερματίζει τα SDU τα συνενώνει σε μπλοκ μεταφοράς. Ο κατακερματισμός εφαρμόζεται μόνο όταν χρειάζεται να χωρέσει ένα SDU σε ένα μπλοκ μεταφοράς.

Η συνένωση είναι η διαδικασία σύνθεσης ενός SDU σε μέγεθος κατάλληλο για μπλοκ μεταφοράς. Το μέγεθος του PDU επιλέγεται με βάση το μέγεθος του μπλοκ μεταφοράς για τον ασύρματο φορέα. Αν το SDU είναι μεγάλο ή διατίθεται πολύ χαμηλός ρυθμός δεδομένων τότε ένα SDU μπορεί να χωριστεί σε διάφορα PDU, ενώ αν το μέγεθος του SDU είναι μικρό ή ο ρυθμός δεδομένων είναι υψηλός πολλά SDU μπορεί να ενωθούν σε ένα και μόνο PDU. Στην Εικ. 39 φαίνεται η διαδικασία συνένωσης στο uplink.

Page 70: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 70

Εικόνα 39. Διαδικασία συνένωσης στο uplink

5.2.3 MAC Επίπεδο

Οι uplink λειτουργίες του MAC επιπέδου είναι σε μεγάλο βαθμό διαφορετικές από του downlink. Οι λειτουργίες του uplink περιλαμβάνουν χρονοπρογραμματισμό κανάλι τυχαίας πρόσβασης κατασκευή κεφαλίδων επιλογή τύπου μεταφοράς.

Το MAC καθορίζει τον τύπο μεταφοράς, δηλαδή, δέχεται την πληροφορία, τι σχήματα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης είναι διαθέσιμα και ρυθμίζει κατάλληλα το φυσικό επίπεδο ώστε να είναι έτοιμο για μετάδοση. Οι μεταβλητές της τύπου μεταφοράς είναι η διαμόρφωση και η κωδικοποίηση οι οποίες και καθορίζουν το ρυθμό δεδομένων, ενώ το MAC βασισμένο στον τύπο μεταφοράς καθορίζει την χωρητικότητα ενός μπλοκ μεταφοράς.

Τα CCCH, DCCH και DTCH αντιστοιχίζονται όλα στο UL-SCH. Όλες οι MAC μεταδόσεις στο UL-SCH. Όλες οι MAC μεταδόσεις στο UL-SCH πρέπει να προγραμματιστούν από τη διαδικασία του καναλιού τυχαίας πρόσβασης (RACH). Όταν ένα UE δεν είναι συνδεδεμένο, καμία θυρίδα μετάδοσης δεν έχει προγραμματιστεί. Το RACH αποτελεί ένα μέσο μετάδοσης για αποσυνδεδεμένες συσκευές. Η μετάδοση στο UL-SCH απαιτεί τη διάθεση πόρων από το eNodeB και να υπάρχει συγχρονισμός, αλλιώς απαιτείται η RACH διαδικασία. Η RACH διαδικασία χρησιμοποιείται σε 4 περιπτώσεις:

Για την αρχική πρόσβαση από την αποσυνδεδεμένη κατάσταση (RRC_IDLE)

Για handover που απαιτεί διαδικασία τυχαίας πρόσβασης

Όταν υπάρχει άφιξη downlink ή uplink δεδομένων κατά την RLC_CONNECTED κατάσταση, αφού το φυσικό επίπεδο έχει χάσει το συγχρονισμό (πιθανότατα λόγο της λειτουργίας εξοικονόμησης ενέργειας )

Στην άφιξη uplink δεδομένων όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμα ειδικά κανάλια αίτησης χρονοπρογραμματισμού

Ο συγχρονισμός είναι καίριος γιατί το UE μπορεί να μετακινηθεί σε διαφορετικές αποστάσεις από το σταθμό βάσης και το LTE απαιτεί ακρίβεια επιπέδου microsecond. Η παραμικρή καθυστέρηση διάδοσης και μόνο, μπορεί να προκαλέσει αρκετή αλλαγή που να οδηγήσει σε σύγκρουση ή σε πρόβλημα συγχρονισμού αν δεν υποστηρίζεται. Υπάρχουν δύο μορφές RACH διαδικασίας: η πρώτη βασίζεται στη σύγκρουση των πακέτων και εφαρμόζεται και στις τέσσερις παραπάνω περιπτώσεις και η δεύτερη βασίζεται στη μη σύγκρουση των πακέτων και ισχύει μόνο για τη δεύτερη και τρίτη περίπτωση.

Page 71: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 71

Στην Εικ. 40 παρουσιάζονται τα τέσσερα βήματα της πρώτης μορφής της RACH διαδικασίας.

1. Εισαγωγή της τυχαίας πρόσβασης: στέλνεται σε ένα ειδικό σύνολο πόρων του φυσικού επιπέδου που είναι μια ομάδα subcarriers που διατίθενται για αυτό το σκοπό. Χρησιμοποιεί Zadoff-Chu ακολουθία για να επιτρέψει την αποκωδικοποίηση ταυτόχρονων μεταδόσεων και τυχαίο αναγνωριστικό των 6 bit.

2. Απόκριση τυχαίας πρόσβασης: στέλνεται στο PDCCH μέσα σε συγκεκριμένο χρονικό παράθυρο. Ένα ή περισσότερα UE μπορεί να διευθετούνται σε μία απόκριση.

3. Προγραμματισμένη μετάδοση: χρησιμοποιεί HARQ και TM στο UL-SCH και μεταβιβάζει το αναγνωριστικό του UE.

4. Επίλυση της σύγκρουσης: το eNodeB χρησιμοποιεί αυτό το προορατικό βήμα για να ολοκληρώσει τη RACH διαδικασία.

Εικόνα 40. RACH διαδικασία βασισμένη στη σύγκρουση των πακέτων

Στη δεύτερη μορφή RACH διαδικασίας δεν υπάρχει περίπτωση σύγκρουσης πακέτων γιατί υπάρχει πρόβλεψη από το eNodeB, όπως φαίνεται στην Εικ. 41.

1. Το eNodeB αναθέτει 6 bit εισαγωγικό κώδικα.

2. Το UE μεταδίδει τον κώδικα αυτό.

3. Απόκριση τυχαίας πρόσβασης στέλνεται στο PDCCH μέσα σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και μπορεί να διευθετήσει περισσότερα από ένα UE με μία απόκριση.

Page 72: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 72

Εικόνα 41. RACH διαδικασία βασισμένη στη μη σύγκρουση των πακέτων

Στην Εικ. 42 παρουσιάζεται μια διαφορετική μορφή της LTE στοίβας πρωτοκόλλων. Αυτή η μορφή δείχνει πολλαπλές περιπτώσεις του RLC και του PDCP οι οποίες είναι συνήθως διαφορετικοί φορείς. Μία από αυτές τις ομαδοποιήσεις μπορεί να είναι για VoIP άλλη για video stream άλλη για best-effort μετάδοση αρχείου ή για το επίπεδο ελέγχου. Ο προγραμματισμός είναι καθολικός επειδή ελέγχει τη σχετική προτεραιότητα των φορέων των λογικών καναλιών.

Εικόνα 42. LTE στοίβα πρωτοκόλλων

Τέλος, στην Εικ. 43 φαίνεται η διαδικασία μετατροπής δεδομένων σε μπλοκ μεταφοράς και το αντίστροφο με την προσθήκη (ή εξαγωγή) της κεφαλίδας κάθε στρώματος [8].

Page 73: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 73

Εικόνα 43. Προσθήκη/Εξαγωγή κεφαλίδων

Page 74: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 74

6. Διαλειτουργικότητα LTE με άλλα συστήματα

6.1 Διατεχνολογική κινητικότητα (ΙΤΜ)

Η διατεχνολογική κινητικότητα (Inter-Technology Mobility – ITM) είναι η ικανότητα μιας συσκευής να υποστηρίζει την κίνηση μεταξύ διαφορετικών δικτύων πρόσβασης και αποτελεί ένα πρωταρχικό βήμα για τη διασφάλιση της διαλειτουργικότητας. Για το LTE συγκεκριμένα, το ΙΤΜ είναι βασικό συστατικό για κάθε νέα υπηρεσία που προσφέρει, καθώς μπορεί να απλοποιήσει την ανάπτυξη και εγκατάσταση ενός LTE δικτύου. Η 3GPP καθορίζει δύο είδη κινητικότητας: α) Inter-RAT (Radio Access Technology) Mobility, που έχει να κάνει με κινητικότητα με ταξύ του LTE και προηγούμενων 3GPP τεχνολογιών, και β) Inter-Technology Mobility, για διασύνδεση του LTE με τεχνολογίες εκτός 3GPP [17].

Το ΙΤΜ είναι το βασικό χαρακτηριστικό ενός ομαλού handover,που έχει ως αποτέλεσμα τη διαλειτουργικότητα. Τρεις τύποι handover υπάρχουν στο LTE:

1. Intra-LTE: Το handover συμβαίνει μέσα στους τρέχοντες LTE κόμβους (intra-MME και Intra-SGW).

2. Inter-LTE: Το handover συμβαίνει προς τους άλλους LTE κόμβους (inter-MME και Intra-SGW).

3. Inter-RAT: Handover μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών, π.χ. με το GSM ή το UMTS [18].

Η αρχική μορφή ΙΤΜ, αφορούσε μια συσκευή που υποστήριζε διάφορες τεχνολογίες και της οποίας ο χρήστης ουσιαστικά επέλεγε ποια τεχνολογία επιθυμεί να χρησιμοποιήσει. Αν και λειτουργεί ικανοποιητικά για κάποιες εφαρμογές (π.χ. email και περιήγηση στο Internet), δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές όπως VPN πρόσβαση ή ηλεκτρονικές συναλλαγές. Μια πολύ πιο χρήσιμη μορφή ΙΤΜ εξασφαλίζει τη συνέχεια μιας συνόδου σε διαφορετικές τεχνολογίες, χωρίς να απαιτείται κάποια ενέργεια από την πλευρά του χρήστη [17].

Υπάρχουν 4 γενικές προσεγγίσεις που παρέχουν που παρέχουν διατεχνολογική κινητικότητα, χωρίς διακοπές, σε κάποια ενεργή σύνοδο:

Συσκευή μονού εκπομπού: Πρόκειται για μια συσκευή βασισμένη στο Mobile IP (ΜΙΡ) πρωτόκολλο. Μπορεί να επικοινωνεί με μία τεχνολογία κάθε φορά. Παράδειγμα αυτής της προσέγγισης είναι οι μονού εκπομπού εκδοχές του handover μεταξύ του LTE και του WiMAX ή του LTE και του EVDO.

Διασύνδεση Δικτύου Πρόσβασης: Απαιτεί την άρρηκτη σύνδεση των δικτύων προέλευσης και προορισμού, ώστε να ανταλλάσσονται μηνύματα ελέγχου που βοηθούν την κίνηση από τη μία τεχνολογία στην άλλη και τη μείωση του χρόνου όπου η συσκευή παραμένει αδρανής μεταξύ των 2 δικτύων. Αυτή η προσέγγιση αναπτύχθηκε για διαφορετικές γενιές της ίδιας τεχνολογίας, όπως του cdma2000 με το EVDO ή του UMTS με το GSM, και του LTE με το GSM ή το UMTS. Στις περιπτώσεις αυτές βέβαια, πρόκειται για τεχνολογίες της 3GPP, οπότε η κινητικότητα αυτή μοιάζει με προς τα πίσω συμβατότητα των νέων τεχνολογιών. Ωστόσο, η 3GPP και η 3GPP2 συνεργάζονται για τη διασύνδεση του LTE με το EVDO και το WiMAX.

Συσκευή διπλού εκπομπού (ΜΙΡ): Στην προσέγγιση αυτή, ο δεύτερος εκπομπός εγκαθιδρύει μια σύνδεση με το δίκτυο προορισμού, ενώ διατηρεί τη σύνοδο με το δίκτυο προέλευσης. Στη συνέχεια, χρησιμοποιεί το ΜΙΡ για να προωθήσει τη ροή

Page 75: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 75

δεδομένων στο δίκτυο προορισμού. Χρησιμοποιείται για τη διασύνδεση του LTE με το WiFi.

Συσκευή διπλού εκπομπού (SΙΡ): Επειδή το ΜΙΡ ορισμένες φορές εμφανίζει δυσκολίες στην εφαρμογή του, αντ’αυτού χρησιμοποιείται το Session Initiation Protocol (SIP). Είναι η μόνη επιλογή για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ διαφορετικών συσκευών και τεχνολογιών (π.χ. από μια τηλεόραση με DSL σύνδεδη σε μία LTE κινητή συσκευή [17].

6.2 Τεχνικές Διαλειτουργικότητας στο LTE

Οι απαραίτητοι παράγοντες για να υπάρξει διαλειτουργικότητα μεταξύ διαφορετικών ασύρματων τεχνολογιών είναι οι κάτωθι:

Προσιτότητα και διαθεσιμότητα του εξοπλισμού στις εγκαταστάσεις του πελάτη.

Επαναχρησιμοποίηση και δυνατότητα αναβάθμισης των σταθμών βάσης.

Προσθήκη επιπλέον φάσματος.

Προγραμματισμός συχνότητας.

Προγραμματισμός χωρητικότητας.

Ευελιξία των Access Service Network (ASN) gateways.

Υποστήριξη του “οικοσυστήματος” των συσκευών.

Η αρχιτεκτονική του LTE έχει αρκετές καθορισμένες διεπαφές (SI-MME, SI-U, S3-SS12, SGi κτλ.) για να διαλειτουργήσει με το δίκτυο (Εικ. 44). Οι χρήστες μπορούν και “μετακινούνται” μεταξύ των δικτύων μέσω των διεπαφών αυτών. Η διαλειτουργικότητα είναι αυτή που δίνει στους χρήστες τη δυνατότητα να φεύγουν από το οικιακό τους δίκτυο και να διατηρούν τη σύνδεση αυτόματα σε ένα επισκεπτόμενο δίκτυο. Παρέχει επίσης πρόσβαση σε δημόσιο Internet, best effort data και VPN πρόσβασηστο οικιακό τους δίκτυο.

Στην Εικ.44 φαίνεται η ευελιξία στη διαλειτουργικότητα από το LTE. Στη συγκεκριμένη τεχνική, χρησιμοποιούνται 2 κόμβοι, ο S-GW και ο MME. Τα υπάρχοντα GSM, W-CDMA, HSPA μπορούν να ενσωματωθούν στο δίκτυο LTE μέσω κάποιων προτυποποιημένων διεπαφών μεταξύ του SGSN (για τη 3GPP) και του PSDN (για τη 3GPP2). Επί του παρόντος, οι προμηθευτές παρέχουν 2G και 3G built in διαλειτουργικότητα μέσα από το SGSN και το PDSN στον πυρήνα του δικτύου του LTE. All IP τεχνολογίες, όπως το WiMAX μπορούν να διασυνδεθούν με παρόμοιο τρόπο στον πυρήνα του δικτύου του LTE. Το P-GW είναι υπεύθυνο για την κατανομή των ΙΡ διευθύνσεων για το UE, όπως και για την εφαρμογή του QoS. Όταν το UE συνδέεται σε ένα δίκτυο, του εκχωρείται μία ΙΡ διεύθυνση από το PGW και εγκαθίσταται ο τέταρτος φορέα, ο οποίος παρέχει διαρκή σύνδεση. Το PGW λειτουργεί ως κινητή άγκυρα για τη διαλειτουργικότητα με τεχνολογίες εκτός 3GPP, όπως το cdma-2000 και το WiMAX. Τέλος, τα HSS και HLR περιέχουν πληροφορίες χρήσης του συνδρομητή, όπως QoS σε κάθε πρόσβαση αυστηρά για περιαγωγή.

Page 76: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 76

Εικόνα 44. Ευελιξία στη Διαλειτουργικότητα από το LTE

Στο 3GPP Release 7 χρησιμοποιείται η λύση “direct tunnel”, στην οποία το επίπεδο χρήστη παρακάμπτει το SGSN. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια πιο ευέλικτη τοπολογία τοπολογία δικτύου και επιτρέπει στον SGSN κόμβο να βελτιστοποιηθεί για το επίπεδο ελέγχου. Ωστόσο, στο 3GPP Release 8 καθορίζεται ένα all-IP δίκτυο ως βάση για το LTE. Στο LTE, τόσο το επίπεδο δεδομένων όσο και το επίπεδο χρήστη επικοινωνούν μέσω του EPS δικτύου. Ενσωματώνει λειτουργίες ασύρματου ελεγκτή στο eNodeB που επιτρέπει τη στενή αλληλεπίδραση μεταξύ των στρωμάτων πρωτοκόλλου του δικτύου πρόσβασης. Ο κατανεμημένος αυτός έλεγχος μειώνει το κόστος και αποφεύγει ένα “Single Point of Failure”. Επιπλέον, λόγω της απουσίας ασύρματου ελεγκτή βελτιώνεται η αποδοτικότητα του δικτύου, μειώνοντας την καθυστέρηση [18].

6.3 Διαδικασία Handover στο LTE

Η διαδικασία (Εικ. 45) ξεκινά με τις μετρήσεις ενός handover από το UE στο S-eNodeB (eNodeB πηγής). Το UE πραγματοποιεί ανά διαστήματα μετρήσεις βασισμένες σε σύμβολα αναφοράς. Εάν ικανοποιούνται συγκεκριμένες προϋποθέσεις, το UE στέλνει τα αντίστοιχα αποτελέσματα της μέτρησης που υποδεικνύουν το έναυσμα του handover. Επιπλέον, τα αποτελέσματα της μέτρησης υποδεικνύουν το κελί προορισμού για το UE.

Page 77: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 77

Εικόνα 45. Διαδικασία Handover

Με βάση τα αποτελέσματα της μέτρησης, το S-eNodeB ξεκινάει την προετοιμασία του handover, η οποία περιλαμβάνει την ανταλλαγή σημάτων μεταξύ του S-eNodeB και του T-eNodeB (e-NodeB προορισμού) και τον έλεγχο εισόδου του UE στο κελί προορισμού. Η διεπαφή επικοινωνίας μεταξύ του S-eNodeB και του T-eNodeB ονομάζεται Χ2. Μετά τη επιτυχημένη προετοιμασία του handover, λαμβάνεται η απόφαση για το handover και συνεπώς η εντολή handover στέλνεται στο UE. Η σύνδεση μεταξύ του UE και του κελιού που το εξυπηρετούσε χάνεται και το UE προσπαθεί να συγχρονιστεί και να προσπελάσει το κελί προορισμού, με χρήση του RACH. Αφού επιτευχθεί ο συγχρονισμός με το T-eNodeB, το τελευταίο μεταδίδει ένα uplink πρόγραμμα παραχώρησης στο UE. Το UE απαντάει με ένα HO Confirm μήνυμα, το οποίο γνωστοποιεί την ολοκλήρωση της διαδικασίας του handover. Υπενθυμίζεται ότι τα μηνύματα σηματοδότησης ανήκουν στο RRC πρωτόκολλο [22].

6.4 Διαλειτουργικότητα LTE με WiMAX

Το WiMAX και το LTE συμπληρώνουν το ένα το άλλο και έχουν συγκρίσιμες επιδόσεις (Πίνακας 9). Η ενσωμάτωση του WiMAX στο LTE είναι μονόδρομος καθώς η αγορά δεν μπορεί να υποστηρίξει 2 τεχνολογίες με παρόμοιες υπηρεσίες, κόστος και επίδοση. Καθώς λοιπόν το LTE πρόκειται να κυριαρχήσει στην παγκόσμια αγορά τα επόμενα χρόνια, το WiMAX θα ικανοποιεί εξειδικευμένα τμήματα της αγοράς. Η ενσωμάτωση του WiMAX με το LTE εξασφαλίζει μια ενοποιημένη αρχιτεκτονική δικτύου που διευκολύνει τη διαλειτουργικότητα, την περιαγωγή και την κοινή χρήση υποδομών με τις τρέχουσες και τις αναδυόμενες ασύρματες και ενσύρματες τεχνολογίες.

Page 78: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 78

Πίνακας 9. Σύγκριση LTE και WiMAX

LTE WiMAX

Τεχνολογία βασισμένη στο ΙΡ με OFDMA διαμόρφωση στο downlink και SC-FDMA στο uplink.

Τεχνολογία βασισμένη στο ΙΡ με OFDMA διαμόρφωση τόσο στο downlink όσο και στο uplink.

Μερικά εμπορικά δίκτυα για το FDD LTE με περιορισμένο αριθμό συνδρομητών, που από αρχές του 2011 έχουν αρχίσει να αυξάνονται.

Τα WiMAX δίκτυα χειρίζονται 559 εταιρίες καλύπτοντας περισσότερους από 620 εκατομμύρια ανθρώπους σε 147 χώρες και υποστηρίζοντας μια ταχέως αναπτυσσόμενη βάση συνδρομητών.

Υποστηρίζει τόσο FDD όσο και TDD. Οι TDD LTE συχνότητες εκτείνονται από 1800MHz ως 2.6GHz (με πιθανή προσθήκη της ζώνης των 3.5 GHz). Οι FDD LTE συχνότητες εκτείνονται από 700MHz ως 2.6GHz.

Υποστηρίζει μόνο TDD στις ζώνες των 2.3GHz, 2.5GHz και 3.5GHz. Επιπλέον ζώνες μπορεί να προστεθούν στο μέλλον.

Μεγαλύτερη κατανομή της αγοράς σε βάθος χρόνου, με καλύτερες ευκαιρίες για διεθνή και εγχώρια περιαγωγή.

Λιγότερο πολύπλοκη λύση για περιφερειακούς/αγροτικούς φορείς που δε χρειάζονται περιαγωγή με 3GPP δίκτυα.

Η 3GPP διαδικασία προτυποποίησης καθοδηγείται από εταιρίες κινητής τηλεφωνίας και κορυφαίους προμηθευτές.

Η προτυποποίηση καθοδηγείται από προμηθευτές, φορείς και αναξιοποίητους φορείς από το ΙΕΕΕ και το WiMAX Forum.

Ισχυρό “οικοσύστημα” με υποστήριξη από φορείς και προμηηθευτές που εξασφαλίζουν προσιτή τιμή και ποικιλία συσκευών.

Το πρόγραμμα πιστοποίησης WiMAX Forum υποστηρίζει διαλειτουργικότητα διαμέσου των προμηθευτών, αλλά η μικρότερη αγορά καταλήγει σε μικρότερη ποικιλία συσκευών.

Υποστήριξη GSM και HSPA που δίνει πιθανή πρόσβαση σε 4,6 δισεκατομμύρια συνδρομητές. Η επόμενη έκδοση είναι το LTE Advanced, το οποίο είναι ακόμα στη φάση της προτυποποίησης.

Η επόμενη έκδοση του WiMAX, το WiMAX 2 (βασισμένο στο ΙΕΕΕ 802.16m) αναμένεται να γίνει εμπορικά διαθέσιμο μέσα στο 2012.

Αναπτύχθηκε με στόχο την κινητικότητα, αλλά μπορεί να υποστηρίξει και ενσύρματη χρήση.

Υποστηρίζει ενσύρματη, nomadic και ασύρματη χρήση.

Αρχικά, η συνύπαρξη των 2 τεχνολογιών φάνταζε εφικτή, αφού το LTE επικεντρωνόταν στη χρήση του FDD, ενώ το WiMAX στη χρήση του TDD. Τρείς εξελίξεις ωστόσο άλλαξαν αυτή την προσέγγιση:

Page 79: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 79

1. Η αυξανόμενη υποστήριξη μιας TDD έκδοσης του LTE δημιούργησε έναν άμεσο ανταγωνιστή στο WiMAX. Έτσι, οι φορείς του WiMAX σε συνεργασία με τη 3GPP αναπτύσσουν μια TDD έκδοση του LTE για τη ζώνη των 2,5GHz.

2. Ορισμένοι προμηθευτές έχουν εισάγει πλατφόρμες που υποστηρίζουν πολλαπλές διεπαφές μέσω αναβαθμίσεων λογισμικού και σκοπεύουν να φέρουν στην αγορά πιο προσιτές multimode συσκευές. Το κόστος και η πολυπλοκότητα της μετάβασης σε μία νέα διεπαφή έχουν μειωθεί, διευκολύνοντας τη διαλειτουργικότητα μεταξύ LTE και WiMAX.

3. Ένα ισχυρό LTE “οικοσύστημα” αναπτύσσεται ταχύτατα, προσφέροντας μεγαλύτερο εύρος επιλογής συσκευών συνδρομητών και ανταγωνιστικές τιμές εξοπλισμού [21].

Το πρώτο και κύριο βήμα της διαλειτουργικότητας είναι η ομαλή και εύκολη μετάβαση από μία τεχνολογία σε μία άλλη από διαφορετικές γενιές ασύρματης επικοινωνίας. Για τη μετάβαση από το WiMAX στο LTE, θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν η μετάβαση μέσω ενός συνδυασμού αναβαθμίσεων λογισμικού και μιας απλής αλλαγής από blade server. Η μετάβαση φαίνεται στην Εικ.46.

Εικόνα 46. Μετάβαση από το WiMAX στο LTE

Ο σταθμός βάσης του LTE μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας ένα νέο λογισμικό και υλικό με έναν υπάρχων σταθμό βάσης του WiMAX. Επειδή η αναλογία του TDD στο WiMAX και το LTE είναι διαφορετική, απαιτείται συγχρονισμός των πλαισίων “θυσιάζοντας” μερικά σύμβολα του WiMAX. Στην Εικ.47 φαίνεται αναλυτικά η διαδικασία του handover από το LTE στο WiMAX [18].

Page 80: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 80

Εικόνα 47. Handover από το LTE στο WiMAX

6.5 Διαλειτουργικότητα LTE με UMTS

Στο Inter RAT Handover από το LTE στο UMTS, η πηγή eNodeB συνδέεται με το ΜΜΕ και το S-GW, ενώ ο προορισμός RNC συνδέεται στο SGSN και το S-GW (το S-GW τόσο της πηγής όσο και του προορισμού συνδέονται στο ίδιο P-GW). Η διαδικασία αυτή χωρίζεται σε 2 τμήματα για σαφήνεια, Προετοιμασία και Εκτέλεση. Στη φάση της Προετοιμασίας οι πόροι δεσμεύονται στο δίκτυο προορισμού. Στη φάση της Εκτέλεσης, το UE παραδίδεται στο δίκτυο προορισμού από το δίκτυο προέλευσης. Η φάση της Προετοιμασίας είναι η εξής:

Εικόνα 48. Φάση Προετοιμασίας

Page 81: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 81

1. Μόλις το inter-RAT Handover αποφασιστεί στο S-eNodeB, προετοιμάζει και στέλνει ένα HANDOVER REQUIRED μήνυμα στο S-MME.

2. Το S-MME, από τα περιεχόμενα του μηνύματος, εντοπίζει ότι πρόκειται για ένα inter-RAT Handover και ανακτά τις λεπτομέρειες του SGSN του προορισμού (T-SGSN) από τη βάση δεδομένων, βάσει των πληροφοριών του μηνύματος. Έπειτα προετοιμάζει και στέλνει ένα GTP-C: FORWARD RELOCATION REQUEST στο T-SGSN.

3. Το T-SGSN εντοπίζει την αλλαγή του SGW και δημιουργεί τους πόρους του κομιστή στο T-SGW, ξεκινώντας τη GTP: CREATE SESSION διαδικασία.

4. Από τη στιγμή που δεσμεύονται οι πόροι στο T-SGW, απαντά στο T-SGSN με ένα GTP: CREATE SESSION RESPONSE μήνυμα.

5. Το T-SGSN δεσμεύει τους πόρους στο T-RNC στέλνοντας ένα RANAP: RELOCATION REQUEST μήνυμα.

6. Το T-RNC δεσμεύει τους πόρους και απαντά στο T-SGSN με ένα RANAP: RELOCATION REQUEST ACK μήνυμα.

7. Το T-SGSN δημιουργεί τα έμμεσα tunnels προώθησης στοιχείων στο T-SGW για τη μεταφορά των downlink πακέτων από το S-SGW στο T-SGW κατά τη διάρκεια του handover.

8. Μετά τη δημιουργία των έμμεσων tunnels προώθησης στοιχείων, το T-SGSN απαντά με ένα GTP: FORWARD RELOCATION RESPONSE μήνυμα στο S-MME.

9. Το S-MME πρέπει να δημιουργήσει τα έμμεσα tunnels προώθησης στοιχείων, καθώς οι πόροι δεσμεύονται με επιτυχία στο δίκτυο προορισμού για να προωθήσει τα downlink πακέτα στο δίκτυο προορισμού. Με αυτό το βήμα, η φάση Προετοιμασίας ολοκληρώνεται.

Η φάση Εκτέλεσης έχει ως εξής:

Εικόνα 49. Φάση Εκτέλεσης

Page 82: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 82

1. Το S-MME στέλνει το HANDOVER COMMAND μήνυμα στο S-eNodeB.

2. Το S-eNodeB προετοιμάζει και στέλνει το MOBILITY FROM EUTRA COMMAND μήνυμα για να ετοιμάσει το UE για το handover προς το δίκτυο προορισμού.

3. Μετά την πρόσβαση στο UMTS κελί προορισμού, το UE στέλνει ένα HO TO UTRAN COMPLETE μήνυμα στο T-RNC σηματοδοτώντας το επιτυχημένο handover.

4. Το S-eNodeB προωθεί τα downlink πακέτα δεδομένων προς το T-SGW μέσω του S-SGW κατά τη διάρκεια του handover. To βήμα αυτό μπορεί να συμβεί οποιαδήποτε στιγμή αφού λάβει το S1AP HANDOVER COMMAND μήνυμα από το S-MME και εκτελείται σε περίπτωση που ένα ευθύ μονοπάτι προώθησης με το T-RNC δεν είναι διαθέσιμο, αλλιώς θα προωθήσει τα downlink πακέτα δεδομένων απ’ευθείας στο T-RNC.

5. Μολις το T-RNC εντοπίσει το UE στην περιοχή του, ειδοποιεί το T-SGSN για την ολοκλήρωση του handover στέλνοντας ένα RANAP: RELOCATION COMPLETE μήνυμα.

6. Το T-SGSN ειδοποιεί το S-MME για την ολοκλήρωση του handover στέλνοντας ένα GTP: FORWARD RELOCATION COMPLETE NOTIFICATION ACK μήνυμα. Το S-MME αναγνωρίζει αυτό το μήνυμα και προχωρά με την αποδέσμευση των πόρων που συνδέονται με το UE στο S-SGW και το S-eNodeB.

7. Το T-SGSN τροποποιεί τους E-RAB (E-UTRAN Radio Access Bearers) πόρους στο T-SGW εκκινώντας τη GTP MODIFY BEARER διαδικασία.

8. Το T-SGW ενημερώνει τις παραμέτρους κομιστή με το PGW, εκκινώντας τη GTP MODIFY BEARER διαδικασία [20].

6.6 Διαλειτουργικότητα LTE με GSM

Το LTE παρέχει διαλειτουργικότητα για τους carriers μέσω των SIP και SS7 τομέων σηματοδότησης. Στην προσέγγιση αυτή, η πληροφορία στέλνεται από μία 2G συσκευή, ελέγχεται μέσα στο SS7 περιβάλλον και στη συνέχεια στέλνει ένα μήνυμα και διαβάζεται από ένα χρήστη συνδεδεμένο σε LTE δίκτυο. Το LTE χρησιμοποιεί το IP Short Message Gateway (IP-SMGW), που υποστηρίζει SMS και MMS στα all-IP δίκτυα κι επιτρέπει στους φορείς να διαλειτουγούν με 2G δίκτυα. Η διαδικασία είναι η ίδια που ακολουθείται και με το UMTS και περιγράφεται στο Κεφάλαιο 6.5 [18].

Page 83: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 83

7. LTE Advanced

7.1 Απαιτήσεις του 4G

Το LTE Advanced πρόκειται να εκπληρώσει όλες τις 4G απαιτήσεις που έχουν τεθεί από την ITU. Το σκεπτικό πίσω από την ανάπτυξη του LTE Advanced είναι ότι οι ασύρματες επικοινωνίες πρέπει να συμβαδίζουν με τις τεχνολογίες που θα κληθούν να ανταγωνιστούν. Οι 4G απαιτήσεις στις οποίες πρέπει να ανταποκριθεί το LTE Advanced καθορίζονται από το IMT Advanced και είναι οι εξής:

Η νέα τεχνολογία πρέπει να βασίζεται σε ένα All – IP δίκτυο μεταγωγής πακέτων.

Να ισχύει η λειτουργικότητα με τα υπάρχοντα ασύρματα πρότυπα.

Να υποστηρίζει ονομαστικό ρυθμό δεδομένων των 100 Mbps όταν ο χρήστης είναι εν κινήσει και 1 Gbps όταν ο πελάτης βρίσκεται σε σταθερή θέση.

Δυναμική κοινή χρήση των πόρων του δικτύου για την υποστήριξη περισσότερων ταυτόχρονων χρηστών ανά κυψέλη.

Κλιμακούμενο εύρος ζώνης καναλιού από 5 – 20 MHz και προαιρετικά έως τα 40 MHz.

Φασματική απόδοση των 15 bits/sec/Hz στο downlink και 6,75 bits/sec/Hz στο uplink, κάτι που σημαίνει ότι το 1 Gbps στο downlink πρέπει να επιτυγχάνεται σε λιγότερο από 67 MHz εύρος ζώνης.

Άψογη συνδεσιμότητα και παγκόσμια περιαγωγή με πολλαπλά δίκτυα.

Δυνατότητα να προσφέρει υψηλό QoS για υποστήριξη πολυμέσων [23].

7.2 Χαρακτηριστικά του LTE Advanced

Τα βασικά χαρακτηριστικά του LTE Advanced είναι τα εξής:

Μέγιστος ρυθμός δεδομένων στο downlink το 1 Gbps και 500 Mbps στο uplink.

Εύρος μετάδοσης μεγαλύτερο από 70 MHz στο downlink.

Καθυστέρηση: στο επίπεδο ελέγχου από την κατάσταση αδράνειας σε σύνδεση σε λιγότερο από 50 ms και στο επίπεδο χρήστη λιγότερο από 5 ms.

3 φορές υψηλότερη μέση απόδοση των χρηστών σε σχέση με το LTE και 2 φορές υψηλότερη απόδοση στα άκρα της κυψέλης σε σχέση με το LTE.

Τριπλάσια χωρητικότητα σε σχέση με το LTE.

Μέγιστη απόδοση φάσματος 30 bps/Hz στο downlink και 15 bps/Hz στο uplink.

Βελτιστοποίηση στην περιοχή κάλυψης ή ανάπτυξη σε μικρές περιοχές ή μικροκυψελικά περιβάλλοντα.

Προς τα πίσω συμβατότητα και διαλειτουργικότητα με τα υπάρχοντα 3GPP συστήματα [24].

7.3 Ομαδοποίηση φορέων

Το LTE Advanced προσφέρει κατά πού υψηλότερες ταχύτητες σε σχέση με το LTE, ενώ και η φασματική απόδοση έχει βελτιωθεί. Αυτά όμως από μόνα τους δεν μπορούν να

Page 84: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 84

παρέχουν τους απαραίτητους για το LTE Advanced ρυθμούς δεδομένων, οι οποίοι για να επιτευχθούν πρέπει να αυξηθεί το εύρος ζώνης μετάδοσης περισσότερο από όσο μπορεί να υποστηρίξει ένας μόνο φορέας ή κανάλι. Η μέθοδος που προτείνεται καλείται ομαδοποίηση φορέων και μέσω αυτής το LTE Advanced μπορεί να χρησιμοποιήσει περισσότερους από έναν φορέα και συνεπώς να αυξήσει το συνολικό εύρος μετάδοσης. Αυτά τα κανάλια είναι οι φορείς μπορεί να βρίσκονται σε συνεχή στοιχεία του φάσματος ή σε διαφορετικές ζώνες.

Είναι ευνόητο ότι το φάσμα είναι πολύτιμο και χρειάζεται χρόνος για να εκχωρηθεί από τον ένα χρήστη στον άλλο και καθώς τμήματα του φάσματος τίθενται εκτός χρήσης μπορούν να εκχωρηθούν εκ νέου. Αυτό οδηγεί σε πολύ υψηλά επίπεδα κατακερματισμού του φάσματος.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι μέσω των οποίων οι φορείς μπορούν να ομαδοποιηθούν και φαίνονται στην Εικ. 50.

Εικόνα 50. Τύποι ομαδοποίησης φορέων

Εντός ζώνης: αυτός ο τύπος ομαδοποίησης χρησιμοποιεί μία ζώνη και χωρίζεται σε 2 υποκατηγορίες:

o Συνεχής: Είναι η πιο εύκολη μορφή ομαδοποίησης αφού οι φορείς είναι γειτονικοί μεταξύ τους. Το κανάλι που προκύπτει μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα μονό διευρυμένο κανάλι. Σε αυτή τη περίπτωση μόνο ένας πομποδέκτης απαιτείται εντός του UE ενώ απαιτούνται περισσότεροι όταν τα κανάλια δεν είναι γειτονικά. Ωστόσο, καθώς το εύρος ζώνης αυξάνεται είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι το UE είναι σε θέση να λειτουργήσει σε ένα τέτοιο μεγάλο εύρος ζώνης χωρίς πτώση της απόδοσης. Παρόλο που οι απαιτήσεις απόδοσης είναι ίδιες για το σταθμό βάσης, το διάστημα, η ενεργειακή κατανάλωση και οι απαιτήσεις κόστους είναι λιγότερο αυστηρά επιτρέποντας μεγαλύτερη ευελιξία στη σχεδίαση.

o Ασυνεχής: Αυτή η μορφή είναι πιο πολύπλοκη σε σχέση με τη συνεχή αφού πλέον το σήμα πολλών φορέων δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί σαν ένα ενιαίο σήμα και για αυτό απαιτούνται δύο πομποδέκτες, προσθέτοντας πολυπλοκότητα κυρίως στο UE.

Ασυνεχής μεταξύ των ζωνών: Αυτός ο τύπος ομαδοποίησης χρησιμοποιεί διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων και είναι ιδιαίτερα χρήσιμος εξαιτίας του κατακερματισμού των ζωνών. Για το UE απαιτεί τη χρήση πολλαπλών

Page 85: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 85

πομποδεκτών με τις συνήθεις επιπτώσεις στο κόστος, την απόδοση και την ενέργεια.

Τα τρέχοντα πρότυπα επιτρέπουν ομαδοποίηση μέχρι 5 φορέων των 20 MHz, αν και στην πράξη το όριο είναι δύο με τρείς φορείς. Αυτοί οι ομαδοποιημένοι φορείς μπορούν να μεταδοθούν παράλληλα επιτρέποντας έτσι πολύ υψηλότερη απόδοση. Όταν οι φορείς ομαδοποιούνται ο κάθε ένας αναφέρεται ως φέρον στοιχείο και υπάρχουν δύο κατηγορίες:

Πρωταρχικό φέρον στοιχείο: Αποτελεί τον βασικό φορέα σε κάθε ομάδα. Θα υπάρχει ένας πρωταρχικός downlink και uplink φορέας.

Δευτερεύον φέρον στοιχείο: Μπορεί να υπάρχουν περισσότερα από ένα.

Δεν υπάρχει σαφής περιορισμός για το ποιος φορέας θα χρησιμοποιηθεί σαν πρωταρχικό φέρον στοιχείο, δηλαδή διαφορετικά τερματικά μπορούν να χρησιμοποιήσουν διαφορετικούς φορείς. Η διαμόρφωση των πρωτογενών φερόντων στοιχείων καθορίζεται στο τερματικό σύμφωνα με το φόρτο των διάφορων φορέων [3].

7.4 LTE Coordinated Multipoint

To LTE Coordinated Multipoint ( LTE CoMP ) βρίσκεται σε φάση ανάπτυξης για το LTE Advanced. Στην ουσία πρόκειται για μια σειρά από διαφορετικές τεχνικές που επιτρέπουν τον δυναμικό συντονισμό της μετάδοσης και της λήψης για ένα μεγάλο αριθμό διαφορετικών eNodeB. Ο στόχος είναι η βελτίωση της ποιότητας για το χρήστη καθώς και η βέλτιστη χρήση του δικτύου. Ουσιαστικά το LTE CoMP μετατρέπει τις παρεμβολές μεταξύ των κυψελών σε χρήσιμο σήμα ειδικότερα στα άκρα των κυψελών που η απόδοση μειώνεται. Προσφέρει πολλά οφέλη, τόσο στο χρήστη, όσο και στον τηλεπικοινωνιακό φορέα.

Αξιοποιεί καλύτερα το δίκτυο: Η παροχή συνδέσεων με πολλούς σταθμούς βάσης ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας CoMP επιτρέπει στα δεδομένα να περάσουν διαμέσου των σταθμών βάσης με το λιγότερο φόρτο για την καλύτερη αξιοποίηση των πόρων.

Παρέχει βελτιωμένη απόδοση λήψης: Χρησιμοποιώντας διάφορες περιοχές κυψελών η συνολική λήψη θα βελτιωθεί και ο αριθμός των χαμένων κλήσεων θα μειωθεί.

Οι πολλαπλές περιοχές λήψης αυξάνουν τη λαμβανόμενη ισχύ: Η κοινή λήψη από πολλούς σταθμούς βάσης επιτρέπει στη συνολική ενέργεια που λαμβάνεται στο UE να αυξηθεί.

Μείωση παρεμβολών: Χρησιμοποιώντας εξειδικευμένες συνδυαστικές τεχνικές είναι πιθανό οι παρεμβολές να αξιοποιηθούν εποικοδομητικά μειώνοντας έτσι τα επίπεδα παρεμβολών.

Μια από τις βασικές παραμέτρους τόσο στο LTE όσο και στο LTE Advanced είναι οι υψηλοί ρυθμοί δεδομένων που μπορούν να επιτευχθούν. Ενώ είναι εύκολο η ρυθμοί αυτοί να διατηρηθούν κοντά στο σταθμό βάσης, όσο πλησιάζουμε τα άκρα της κυψέλης γίνεται πιο δύσκολο όχι μονό γιατί το σήμα είναι λιγότερο δυνατό λόγο της απόστασης, αλλά και γιατί τα επίπεδα παρεμβολών από γειτονικά eNodeB είναι υψηλότερα. Το LTE CoMP απαιτεί στενή συνεργασία μεταξύ ενός αριθμού γεωγραφικά χωρισμένων eNodeB. Αυτοί συντονίζονται δυναμικά για να παρέχουν από κοινού χρονοπρογραμματισμό και μεταδόσεις καθώς και από κοινού επεξεργασία των λαμβανόμενων σημάτων. Με αυτό τον τρόπο ένα UE στα άκρα της κυψέλης μπορεί να

Page 86: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 86

εξυπηρετηθεί από δύο ή περισσότερα eNodeB ώστε να βελτιώσει τη λήψη/μετάδοση σημάτων και να αυξήσει την αποδοτικότητα.

Εικόνα 51. Γενική ιδέα του LTE CoMP

Το LTE CoMP μπορεί να χωριστεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες:

Κοινή εξεργασία: Συμβαίνει όταν υπάρχει συντονισμός μεταξύ πολλαπλών σταθμών βάσης που εκπέμπουν ή λαμβάνουν ταυτόχρονα προς ή από UE.

Συντονισμένος χρονοπρογραμματισμός ή beamforming: Είναι μία μορφή συντονισμού όπου ένα UE μεταδίδει προς ένα σταθμό βάσης μετάδοσης ή λήψης. Η επικοινωνία επιτυγχάνεται μέσω ανταλλαγής του ελέγχου μεταξύ διάφορων συντονισμένων σταθμών βάσης.

Το downlink LTE CoMP απαιτεί δυναμικό συντονισμό μεταξύ διάφορων γεωγραφικά χωρισμένων eNodeB που μεταδίδουν στο UE. Και πάλι υπάρχουν δύο κατηγορίες του LTE CoMP για το downlink:

Κοινά συστήματα επεξεργασίας για μετάδοση στο downlink: Τα δεδομένα μεταδίδονται στο UE ταυτόχρονα από διαφορετικά eNodeB. Στόχος είναι η βελτίωση της ποιότητας και της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος. Αυτή η κατηγορία έχει υψηλή ζήτηση στο backhaul δίκτυο γιατί τα δεδομένα προς μετάδοση για το UE πρέπει να σταλούν σε κάθε eNodeB που θα μεταδώσει στο UE. Αυτό μπορεί εύκολα να διπλασιάσει ή τριπλασιάσει τα δεδομένα στο δίκτυο, ενώ επίσης τα δεδομένα της κοινής επεξεργασίας πρέπει να σταλούν σε όλους στους σταθμούς βάσης.

Συντονισμένος χρονοπρογραμματισμός ή και beamforming: Με αυτό το σχέδιο αποστέλλονται δεδομένα από ένα eNodeB σε ένα UE.Οι αποφάσεις χρονοπρογραμματισμού συντονίζονται ώστε να ελέγξουν τις παρεμβολές που μπορεί να δημιουργηθούν. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι οι απαιτήσεις για συντονισμό σε ολόκληρο το backhaul δίκτυο είναι σημαντικά μειωμένες για δύο λόγους: Πρώτον, τα δεδομένα του UE δε χρειάζεται να μεταδοθούν από πολλά eNodeB και για αυτό χρειάζεται να κατευθυνθούν σε ένα

Page 87: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 87

μόνο eNodeB και κατά δεύτερον μόνο οι αποφάσεις χρονοπρογραμματισμού χρειάζεται να συντονιστούν μεταξύ των eNodeB.

Οι 2 κατηγορίες για το uplink LTE CoMP είναι:

Κοινή λήψη και επεξεργασία: Η βασική ιδέα πίσω από αυτή τη μορφή είναι η αξιοποίηση των κεραιών που βρίσκονται σε διαφορετικές τοποθεσίες εντός της περιοχής κάλυψης μίας κυψέλης. Συντονίζοντας τα διαφορετικά eNodeB μπορεί να σχηματιστεί ένας εικονικός πίνακας κεραιών. Στη συνέχεια, τα σήματα που λαμβάνονται από τα eNodeB συνδυάζονται και επεξεργάζονται για να παράξουν το τελικό σήμα εξόδου. Η τεχνική αυτή επιτρέπει σε αδύναμα σήματα ή σήματα με μεγάλες παρεμβολές να ληφθούν με λίγα λάθη. Το βασικό μειονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι πρέπει να μεταδοθεί μεγάλος αριθμός δεδομένων μεταξύ των eNodeB ώστε να λειτουργήσει.

Συντονισμένος χρονοπρογραμματισμός: Αυτό το σχήμα λειτουργεί συντονίζοντας τις χρονοπρογραμματιστικές αποφάσεις μεταξύ των eNodeB για να ελαχιστοποιήσει τις παρεμβολές. Παρέχει ένα κατά πολύ μειωμένο φορτίο στο backhaul δίκτυο, αφού μόνο τα δεδομένα χρονοπρογραμματισμού χρειάζεται να μεταφερθούν μεταξύ διαφορετικών eNodeB που είναι μεταξύ τους συντονισμένα [3].

7.5 Femtocell

Ένα femtocell είναι ένα χαμηλής ισχύος σημείο πρόσβασης που βασίζεται στην τεχνολογία της κινητής τηλεφωνίας και συνδυάζει τη λειτουργικότητα ενός eNodeB και ενός RNC, παρέχοντας ασύρματα ευρυζωνικές υπηρεσίες και υπηρεσίες φωνής προς τους πελάτες στο σπίτι ή το γραφείο τους. Τα femtocell συνδέονται με το δίκτυο του παρόχου μέσω της ευρυζωνικής σύνδεσης του καταναλωτή (π.χ. ADSL γραμμή ή οπτική ίνα) και τα δεδομένα από και προς το femtocell μεταφέρονται μέω του Internet. Ένα femtocell θα είναι σε θέση να προσφέρει υπηρεσίες φωνής ταυτόχρονα σε τουλάχιστον 4 χρήστες εντός του σπιτιού, επιτρέποντας παράλληλα σε πολλούς περισσότερους να συνδεθούν και να αποκτήσουν πρόσβαση σε διάφορες υπηρεσίες. Επιπλέον, τα femtocell θα προσφέρουν υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων σε πολλαπλούς χρήστες, θεωρητικά με τη μέγιστη ταχύτητα που επιτρέπει η εκάστωτε διεπαφή, πρακτικά με ταχύτητα μερικών Mbps επί του παρόντος, που θα ανέλθει σε δεκάδες ή εκατοντάδες Mbps στο μέλλον.

Η ιδέα για μικρές LTE κυψέλες ενισχύεται και λόγω του OFDMA που επί της ουσίας είναι ένα διαμοιραζόμενο κανάλι και εξ’ορισμού όσο λιγότεροι οι χρήστες σε μια κυψέλη τόσο μεγαλύτερο εύρος ζώνης διατίθεται σε κάθε χρήστη. Επιπλέον, το UE έχει μικρότερη ακτίνα, κάτι που περιορίζει την υποβάθμιση του σήματος και αυξάνει την απόδοση. Τα LTE femtocell λέγονται και Home eNodeB (HeNB). Στην Εικ. 52 φαίνεται η αρχιτεκτονική που ακολουθούν τα HeNB.

Page 88: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 88

Εικόνα 52. Αρχιτεκτονική HeNB

Τα δεδομένα από πολλαπλά femtocell συγκεντρώνονται σε ένα δρομολογητή, τον οποίο διαχειρίζεται ένας πάροχος κινητής, και τελικά οδηγούνται προς τον πυρήνα του δικτύου του παρόχου, το οποίο περιλαμβάνει ένα σύστημα διαχείρισης που παρέχει υπηρεσίες προς το femtocell, διασφαλίζοντας παράλληλα την ασφάλεια και την υψηλή ποιότητα. Στην πράξη, ένα femtocell μπορεί να είναι είτε μία αυτόνομη συσκευή που συνδέεται στο υπάρχον router του πελάτη, είτε να αποτελεί ένα βασικό στοιχείο μίας οικιακής συσξευής δρομολογητή που ενσωματώνει τις τεχνολογίες router, modem και access point. Για να θεωρηθεί femtocell μία συσκευή πρέπει να πληροί τις κάτωθι προϋποθέσεις:

Να χρησιμοποιεί την τεχνολογία κινητής τηλεφωνίας. Συγκεκριμένα τα femtocell χρησιμοποιούν πλήρως τα πρότυπα της ασύρματης τεχνολογίας (όπως και το LTE) για να επικοινωνήσουν με τις κινητές συσκευές. Η χρήση των πρωτοκόλλων αυτών επιτρέπει στα femtocell να παρέχουν υπηρεσίες στα δισεκατομμύρια των υπαρχουσών κινητών συσκευών στον κόσμο, δίνοντας πρόσβαση στους χρήστες από οποιοδήποτε τοποθεσία αποτελεί μέρος ενός δικτύου ευρείας περιοχής.

Να λειτουργεί σε αδειοδοτημένο φάσμα, επιτρέποντας στους παρόχους να προσφέρουν εξασφαλισμένη ποιότητα στους χρήστες, χωρίς παρεμβολές και με αποδοτική χρήση του φάσματος.

Να δημιουργούν επιπλέον χωρητικότητα και κάλυψη, εξυπηρετώντας μεγαλύτερο αριθμό χρηστών με καλύτερες ταχύτητες.

Να επιτρέπει χαμηλές τιμές.

Να τη διαχειρίζεται εξουσιοδοτημένος φορέας. Τα femtocell λειτουργούν μόνο με τις παραμέτρους που θέτει ο εξουσιοδοτημένος φορέας. Ενώ έχουν υψηλό βαθμό νοημοσύνης ώστε να εξασφαλίσουν αυτόματα τη λειτουργία σε επίπεδα ισχύος και συχνότητες που δεν προκαλούν παρεμβολές, τα όρια αυτών των παραμέτρων ορίζονται από τον πάροχο και όχι τον τελικό χρήστη. Ο πάροχος μπορεί να επιτρέψει ή να αρνηθεί την παροχή υπηρεσιών σε μεμονωμένα femtocell ή χρήστες.

Αυτο-οργάνωση και αυτο-διαχείριση: Τα femtocell μπορεί να εγκατασταθούν από τον τελικό χρήστη, αλλά τίθενται αυτόματα σε λειτουργία υψηλής απόδοσης, χωρίς

Page 89: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 89

να απαιτείται ανάμειξη του χρήστη ή του παρόχου. Θα προσαρμόζονται επίσης αυτόματα με το πέρασμα του χρόνου ώστε να ικανοποιούν τις ανάγκες για αυξημένη απόδοση και αξιοπιστία.

Τα femtocell μπορεί να βγαίνουν σε διαφορετικούς τύπους. Ωστόσο υπάρχουν 3 γενικευμένες κατηγορίες, αν και δεν είναι ούτε αποκλειστικές, ούτε ιδιαίτερα λεπτομερείς ως προς τις προδιαγραφές:

Κατηγορία 1: Είναι η κατηγορία femtocell που αναδείχθηκε πρώτη και προς το παρόν είναι η πλέον διαδεδομένη. Τα femtocell της κατηγορίας αυτής προσφέρουν ισχύ μετάδοσης παρόμοια με των Wi-Fi access points (περίπου 20 dBm). Υποστηρίζουν συνήθως 4-8 ταυτόχρονα κανάλια ομιλίας συν τις υπηρεσίες δεδομένων. Εγκαθίστανται από τον τελικό χρήστη.

Κατηγορία 2: Έχουν σχετικά υψηλότερη ισχύ μετάδοσης (περί τα 24 dBm) για να υποστηρίζουν μεγαλύτερη εμβέλεια ή περισσότερους χρήστες (8-16). Εγκαθίστανται είτε από τον χρήστη είτε από τον πάροχο και μπορεί να θεωρηθούν η εξέλιξη της picocell τεχνολογίας.

Κατηγορία 3: Ακόμα υψηλότερη ισχύς για μεγαλύτερη εμβέλεια ή περισσότερους χρήστες (πάνω από 16). Μπορούν να εγκατασταθούν σε κλειστούς χώρους για τοπική χωρητικότητα, σε εξωτερικούς χώρους για κατανεμημένη χωρητικότητα ή σε αγροτικές περιοχές για την κάλυψη ειδικών αναγκών.

Τα femtocell ξεκίνησαν ως ένα μέσο για την παροχή υπηρεσιών σε οικιστικά περιβάλλοντα. Αν και παραμένει μία βασική εφαρμογή για τα femtocell και επιτρέπει στη femtocell τεχνολογία να παραχθεί σε μεγάλες ποσότητες και χαμηλές τιμές, δεν περιορίζεται σε αυτή την εφαρμογή και αναπτύχθηκε για σύγχρονες εφαρμογές για:

Κατοικίες: Τα femtocell εγκαθίστανται σε εσωτερικούς χώρους από τον τελικό χρήστη. Η πρόσβαση σε αυτά θα είναι συχνά κλειστή, περιορισμένη σε μία συγκεκριμένη ομάδα χρηστών. Κατά κανόνα οι ανάγκες αυτής της εφαρμογής θα καλύπτονται από femtocell κατηγορίας 1.

Επιχειρήσεις: Τα femtocell μπορεί να βρίσκονται σε μικρά γραφεία και είναι συνήθως κατηγορίας 1 και 2. Θα υποστηρίζουν επιπρόσθετες λειτουργίες, όπως handover μεταξύ femtocell, ενσωμάτωση με το τηλεφωνικό κέντρο και δρομολόγηση τοπικών κλήσεων. Θα χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο σε κλειστούς χώρους και την εγκατάσταση θα αναλαμβάνει ο πάροχος. Η πρόσβαση μπορεί να είναι είτε ανοιχτή είτε κλειστή.

Πάροχος: Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών, όπου οι πάροχοι χρησιμοποιούν τα femtocell για την επίλυση συγκεκριμένων θεμάτων κάλυψης, χωρητικότητας ή υπηρεσίας. Μπορεί να παοτελούνται από femtocell κατηγορίας 1, 2 ή 3 και η πρόσβαση θα είναι κυρίως ανοιχτή.

Άλλοι: Δεν είναι μία αποκλειστική κατηγορία και αναμένεται ότι θα προκύψουν και άλλες καινοτόμες ιδέες, όπως femtocell σε αεροσκάφη, τρένα κλπ.

Για τους πελάτες, η χρήση των femtocell τους προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα όπως:

Κάλυψη: Το κυριότερο όφελος των χρηστών είναι η παροχή αξιόπιστης κάλυψης μέσα στο σπίτι, επιτρέποντάς τους να βασίζονται στα κινητά ως πρωταρχικό μέσο για την πραγματοποίηση και λήψη κλήσεων.

Τιμολόγια κλήσης: Ορισμένοι πάροχοι περιλαμβάνουν ειδικά τιμολόγια για κλήσεις που γίνονται ή λαμβάνονται από ένα femtocell.

Page 90: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 90

Μεγάλες ταχύτητες και υψηλή ποιότητα: Η βελτιωμένη κάλυψη και η προστασία από παρεμβολές επιτρέπει στα κινητά να λειτουργούν στο μέγιστο των δυνατοτήτων τους και να παρέχουν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και υψηλή ποιότητα κλήσεων.

Απεριόριστες υπηρεσίες δεδομένων: Οι πάροχοι μπορούν να προσφέρουν υπηρεσίες δεδομένων σε femtocell που είτε έχουν πολύ υψηλά όρια χρήσης είτε δεν έχουν καθόλου όρια, παρέχοντας υπηρεσίες χωρίς επιπλέον κόστη.

Νέες υπηρεσίες: Εκτός από την παροχή των ήδη υφιστάμενων υπηρεσιών σε καλύτερη ποιότητα και πιο προσιτές τιμές, τα femtocell μπορούν να προσφέρουν και νέες υπηρεσίες. Γνωρίζοντας την ακριβή τοποθεσία του χρήστη, μπορούν να του προσφέρουν υπηρεσίες όπως απομακρυσμένο έλεγχο των συσκευών του σπιτιού, συγχρονισμό περιεχομένου από και προς το κινητό και γρήγορη, υψηλής ποιότητας πρόσβαση σε δεδομένα αποθηκευμένα σε συσκευές του οικιακού δικτύου.

Οφέλη όμως, πέρα από τους χρήστες, υπάρχουν και για τους παρόχους και σχετίζονται με αυξημένα έσοδα, μειωμένα λειτουργικά έξοδα και γρηγορότερη ανάπτυξη.

Τα femtocell προσφέρουν νέες πηγές εσόδων από υπηρεσίες προστιθέμενης αξίας και με την αύξηση της χρήσης του κινητού τόσο μέσα στο σπίτι όσο και στο ευρύτερο δίκτυο.

Μπορούν να παρέχουν διαφοροποιημένες υπηρεσίες στους χρήστες.

Τα femtocell επιτρέπουν στους παρόχους να μειώσουν το κόστος εγκατάστασης των macrocell και να αυξήσουν την κάλυψη και τη χωρητικότητα του δικτύου.

Εξοικονομούνται χρήματα από τα λειτουργικά έξοδα.

Μειώνοντας τον κίνδυνο απώλειας πελατών μεταξύ των παρόχων, τα femtocell μειώνουν και το κόστος διατήρησης των πελατών.

Μπορεί να αναπτυχθούν νέες υπηρεσίες για συγκεκριμένους χρήστες και στη συνέχεια να βελτιστοποιηθούν ώστε να εξαπλωθούν ευρύτερα και γρηγορότερα [25].

Page 91: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 91

8. Διαστασιολόγηση LTE Δικτύου

Στο κεφάλαιο αυτό επιχειρείται η διαστασιολόγηση ενός LTE δικτύου στην πόλη της Μυτιλήνης. Η διαστασιολόγηση θα πραγματοποιηθεί στο φάσμα το οποίο έχει διατεθεί στην εταιρεία Cosmote και είναι 1750 – 1760 MHz στο uplink και 1845 – 1855 MHz στο downlink.

8.1 Γεωγραφικά στοιχεία και κατανομή πληθυσμού

Όσον αφορά την πόλη της Μυτιλήνης (Εικ. 53), έχει έκταση 6 km2 και πληθυσμό 27.247 κατοίκων με μέση πυκνότητα πληθυσμού 4.542 κατοίκους ανά km2.

Εικόνα 53. Πόλη της Μυτιλήνης

Ωστόσο η κατανομή δεν είναι ομοιόμορφη, καθώς υπάρχουν περιοχές όπου η κατανομή του πληθυσμού είναι πυκνότερη και άρα υπάρχουν μεγαλύτερες ανάγκες κάλυψης, και

Page 92: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 92

άλλες που η κατανομή είναι αραιότερη και η κάλυψή τους επιτυγχάνεται ακόμα και από ένα eNodeB. Στην Εικ. 54, φαίνονται με κόκκινο χρώμα οι 3 πλέον πυκνοκατοικημένες περιοχές την ώρα αιχμής. Αυτές κατά σειρά (από πάνω προς τα κάτω) είναι το Λιμάνι, η Αγορά και το Γήπεδο.

Εικόνα 54. Πυκνοκατοικημένες περιοχές

Στο Λιμάνι, μία περιοχή έκτασης 51.200 m2, κατά την ώρα αιχμής συγκεντρώνεται το 4% του πληθυσμού της πόλης που αντιστοιχεί σε περίπου 1.090 κατοίκους. Αντίστοιχα, στην Αγορά που έχει έκταση 97.000 m2, στην ώρα αιχμής συγκεντρώνεται το 6% του πληθυσμού, δηλαδή περίπου 1.635 κάτοικοι. Τέλος, στην περιοχή του Γηπέδου με έκταση 93.000 m2, συγκεντρώνεται το 7% του πληθυσμού ή 1.908 κάτοικοι.

Η υπόλοιπη πόλη μπορεί να διαιρεθεί σε 3 επιμέρους κύριες ζώνες που συγκεντρώνουν μεγάλο μέρος του πληθυσμού, αλλά δεν είναι τόσο πυκνοκατοικημένες όσο οι 3 προαναφερθείσες. Στην Εικ. 55 σημειώνονται με κίτρινο χρώμα οι 3 αυτές ζώνες.

Page 93: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 93

Εικόνα 55. Πληθυσμιακή κατανομή

Η Άνω Ζώνη έχει έκταση 471.700 m2 όπου συγκεντρώνεται το 16% του πληθυσμού (περίπου 4.360 κάτοικοι). Η Μεσαία Ζώνη με έκταση 333.500 m2 και η Κάτω Ζώνη με 431.200 m2 συγκεντρώνουν από 17% του πληθυσμού, δηλαδή γύρω στους 4.632 κατοίκους η κάθε μία.

Όμως από το σύνολο των κατοίκων μόνο το 50% είναι συνδρομητές της Cosmote και διαθέτουν UE συμβατό με το LTE. Άρα το πλήθος των κατοίκων που θα εξυπηρετηθούν από το δίκτυο της Cosmote είναι:

Λιμάνι: 545 κάτοικοι

Αγορά: 817 κάτοικοι

Γήπεδο: 954 κάτοικοι

Άνω Ζώνη: 2180 κάτοικοι

Μεσαία Ζώνη: 2316 κάτοικοι

Page 94: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 94

Κάτω Ζώνη: 2316 κάτοικοι

8.2 Σενάρια Διαστασιολόγησης

Από το πρότυπο της 3GPP για το LTE γνωρίζουμε:

1 πλαίσιο = 10 υποπλαίσια

1 υποπλαίσιο = 2 χρονοθυρίδες

1 χρονοθυρίδα = 7 OFDM symbols

Σε περίπτωση όπου το σχήμα διαμόρφωσης είναι 64QAM, ένα OFDM symbol αποτελείται από 6 bits. Για 16QAM αποτελείται από 4 bits, ενώ για QPSK από 2 bits (Εικ. 56).

Εικόνα 56. Bits ανά OFDM symbol

Επιπλέον, το διαθέσιμο εύρος ζώνης της Cosmote είναι 10 MHz (1750 – 1760 MHz στο uplink και 1845 – 1855 MHz στο downlink), συνεπώς του αντιστοιχούν 50 RB (Εικ. 57) με κάθε RB να αποτελείται από 12 sub-carriers.

Εικόνα 57. Διαθέσιμο φάσμα και RB

Ο μέγιστος δυνατός αριθμός bits σε ένα υποπλαίσιο ποικίλλει ανάλογα με το σχήμα διαμόρφωσης. Πιο αναλυτικά:

Με 64QAM προκύπτει:

50 RB × 12 sub-carriers × 2 χρονοθυρίδες × 7 OFDM symbols × 6 bits = 50.400 bits.

Page 95: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 95

Peak data rate: 50.400 bits / 1 ms = 50,4 Mbps.

Με 16QAM προκύπτει:

50 RB × 12 sub-carriers × 2 χρονοθυρίδες × 7 OFDM symbols × 4 bits = 33.600 bits.

Peak data rate: 33.600 bits / 1 ms = 33,6 Mbps.

Με QPSK προκύπτει:

50 RB × 12 sub-carriers × 2 χρονοθυρίδες × 7 OFDM symbols × 2 bits = 16.800 bits.

Peak data rate: 16.800 bits / 1 ms = 16,8 Mbps.

Κάθε σχήμα διαμόρφωσης για να υιοθετηθεί απαιτεί και διαφορετική ποιότητα καναλιού, έτσι, μέσα σε μία κυψέλη δεν εξυπηρετούνται όλοι οι χρήστες με το ίδιο σχήμα διαμόρφωσης (π.χ. λόγω απόστασης ή ιδιομορφίας του εδάφους το λαμβανόμενο σήμα και SINR μπορεί να διαφοροποιηθεί απαιτώντας άλλο σχήμα διαμόρφωσης). Στη συνέχεια, θα μελετήσουμε 3 σενάρια προσομοιώνοντας διαφορετικά περιβάλλοντα στο κάθε ένα και άρα διαφορετικά ποσοστά χρηστών εξυπηρετούνται με κάθε μία από της δυνατές διαμορφώσεις κάθε φορά. Για κάθε σενάριο εξετάζουμε διαφορετικά προφίλ χρηστών εστιάζοντας σε τρείς περιπτώσεις: i) υψηλού, ii) μέσου και iii) χαμηλού φόρτου.

8.2.1 Σενάριο 1

Έστω ότι στην ώρα αιχμής το 50% των χρηστών εξυπηρετείται με 64QAM, το 30% με 16QAM και το υπόλοιπο 20% με QPSK. Άρα, ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων που μπορεί να διαθέσει το eNodeB την ώρα αιχμής είναι:

(50% × 50,4 Mbps) + (30% × 33,6 Mbps) + (20% × 16,8 Mbps) = 38,64 Mbps.

Συνεπώς, στην ώρα αιχμής είναι:

38,64 Mbps × 3600 sec = 139.104 Mbit / ώρα αιχμής.

Α. Περίπτωση υψηλού φόρτου

Θεωρούμε ότι την ώρα αιχμής ο μέσος χρήστης πραγματοποιεί:

4 VoIP κλήσεις των 3 min και

2 Video των 4 min.

Μία VoIP κλήση απαιτεί ρυθμό 12,2 kbps και ένα Video 500 kbps. Άρα:

(12,2 kbps × 60 sec × 12 min) + (500 kbps × 60 sec × 8 min) = 248.784 kbit την ώρα αιχμής.

Οπότε, ο μέγιστος αριθμός χρηστών που μπορεί να υποστηρίξει το eNodeB είναι:

139.104 Mbit / 248.784 kbit = 559,14 δηλαδή 559 χρήστες σε κάθε eNodeB.

Κατά συνέπεια, σύμφωνα με τα δεδομένα της πληθυσμιακής κατανομής που αναφέρονται στην Ενότητα 8.1, στο Λιμάνι χρειάζεται 1 eNodeB, στην Αγορά 2 eNodeB και στο Γήπεδο πάλι 2 eNodeB. Αντίστοιχα, η Άνω Ζώνη καλύπτεται από 4 eNodeB, ενώ η Μεσαία και Κάτω Ζώνη από 5 eNodeB.

Ωστόσο, πρέπει να δημιουργηθεί και ένα υψηλότερο στρώμα από eNodeB που θα καλύπτουν την υπόλοιπη πόλη της Μυτιλήνης. Από τους 27.247 κατοίκους της

Page 96: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 96

Μυτιλήνης, περίπου οι 18.257 συγκεντρώνονται στις 6 πυκνοκατοικημένες περιοχές, άρα 8.990 κάτοικοι βρίσκονται στις υπόλοιπες περιοχές της πόλης. Από αυτούς, οι μισοί περίπου θα είναι συνδρομητές της Cosmote και θα έχουν UE συμβατά με το LTE, άρα η εταιρεία πρέπει να μεριμνήσει για την κάλυψη των αναγκών περίπου 4.495 κατοίκων.

Η έκταση της πόλης αντιστοιχεί σε 6 km2, εκ των οποίων 1,477 km2 απαρτίζουν οι 6 πυκνοκατοικημένες περιοχές. Άρα, οι 4.495 κάτοικοι κατανέμονται σε 4,522 km2, δίνοντας πυκνότητα πληθυσμού 993 συνδρομητών Cosmote ανά km2. Συνεπώς, εφόσον το eNodeB μπορεί να υποστηρίξει μέχρι 559 χρήστες, η έκταση της κάθε κυψέλης υπολογίζεται σε: 559 (χρήστες) / 993 (χρήστες/ km2) ≈ 563.000 m2. Καθώς η κάθε κυψέλη σχηματίζει ένα εξάγωνο, η έκτασή της υπολογίζεται ως εξής:

563.000 = × R2 => R = 465,5 m. Θεωρώντας ότι το eNodeB θα τοποθετηθεί στο

κέντρο κάθε κυψέλης, το κάθε eNodeB πρέπει να απέχει 931 m (465,5 × 2) από το άλλο.

Β. Περίπτωση μέσου φόρτου

Έστω ότι την ώρα αιχμής ο μέσος χρήστης πραγματοποιεί:

2 VoIP κλήσεις των 3 min και

1 Video των 3 min.

Άρα:

(12,2 kbps × 60 sec × 6 min) + (500 kbps × 60 sec × 3 min) = 94.392 kbit την ώρα αιχμής.

Οπότε, ο μέγιστος αριθμός χρηστών που μπορεί να υποστηρίξει το eNodeB είναι:

139.104 Mbit / 94.392 kbit = 1473,68 δηλαδή 1473 σε κάθε eNodeB.

Δηλαδή, τόσο στο Λιμάνι όσο και στην Αγορά και το Γήπεδο απαιτείται από 1 eNodeB για να καλύψει τις ανάγκες των χρηστών, ενώ οι 3 άλλες Ζώνες χρειάζονται από 2 eNodeB η κάθε μία.

Όσον αφορά την κάλυψη της υπόλοιπης πόλης, αφού το κάθε eNodeB υποστηρίζει έως 1473 χρήστες, κάθε κυψέλη καταλαμβάνει χώρο: 1473 (χρήστες) / 993 (χρήστες/ km2) ≈

1,48 km2. Άρα, 1,48 = × R2 => R ≈ 755 m, κάτι που σημαίνει ότι τα eNodeB πρέπει

να απέχουν 1510 m μεταξύ τους.

Γ. Περίπτωση χαμηλού φόρτου

Θεωρούμε ότι την ώρα αιχμής ο μέσος χρήστης πραγματοποιεί:

3 VoIP κλήσεις του 1 min και

1 Video του 1 min.

Άρα:

(12,2 kbps × 60 sec × 3 min) + (500 kbps × 60 sec × 1 min) = 32.196 kbit την ώρα αιχμής.

Οπότε, ο μέγιστος αριθμός χρηστών που μπορεί να υποστηρίξει το eNodeB είναι:

139.104 Mbit / 32.196 kbit = 4320,54 δηλαδή 4.320 χρήστες σε κάθε eNodeB.

Page 97: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 97

Άρα, στην περίπτωση αυτή το Λιμάνι μαζί με την Άνω Ζώνη καλύπτονται από 1 eNodeB, η Αγορά μαζί με τη Μεσαία Ζώνη καλύπτονται από 1 eNodeB και το Γήπεδο μαζί με την Κάτω Ζώνη πάλι από 1 eNodeB.

Για την υπόλοιπη Μυτιλήνη, με 4320 χρήστες ανά eNodeB, η έκταση της κάθε κυψέλης

αντιστοιχεί σε: 4320 (χρήστες) / 993 (χρήστες/ km2) ≈ 4,35 km2. Άρα, 4,35 = × R2 =>

R ≈ 1294 m. Κατά συνέπεια, το κάθε eNodeB πρέπει να απέχει 2588 m από κάθε άλλο.

8.2.2 Σενάριο 2

Έστω ότι στο σενάριο αυτό οι συνδρομητές εξυπηρετούνται με μικρότερο QoS σε σχέση με το προηγούμενο σενάριο, δηλαδή το 30% των συνδρομητών εξυπηρετείται με 64QAM , το 40% με 16QAM και το 30% με QPSK. Άρα την ώρα αιχμής το eNodeB μπορεί να προσφέρει μέγιστο ρυθμό έως:

(30% × 50,4 Mbps) + (40% × 33,6 Mbps) + (30% × 16,8 Mbps) = 33,6 Mbps

Συνεπώς, στην ώρα αιχμής είναι:

33,6 Mbps × 3600 sec = 120.960 Mbit / ώρα αιχμής.

Α. Περίπτωση υψηλού φόρτου

Όπως θεωρήσαμε στο Σενάριο 1, ο μέσος χρήστης πραγματοποιεί:

4 VoIP κλήσεις των 3 min και

2 Video των 4 min,

παράγοντας συνολικό φόρτο της τάξης των 248.784 kbit την ώρα αιχμής, άρα το eNodeB μπορεί να εξυπηρετήσει έως:

120.960 Mbit / 248.784 kbit = 486.2 δηλαδή 486 χρήστες σε κάθε eNodeB.

Συνεπώς, οι περιοχές του Λιμανιού, της Αγοράς και του Γηπέδου θα καλυφθούν από 2 eNodeB η κάθε μία, ενώ η Άνω, η Μεσαία και η Κάτω Ζώνη θα χρειαστούν από 5 eNodeB η κάθε μία.

Στην υπόλοιπη πόλη, με το κάθε eNodeB να εξυπηρετεί έως 486 συνδρομητές, κάθε

κυψέλη θα έχει έκταση 486 / 993 ≈ 489.425 m2. Άρα, 489.425 = × R2 => R ≈ 434 m.

Οπότε, τα eNodeB θα πρέπει να απέχουν μεταξύ τους 868 m.

Β. Περίπτωση μέσου φόρτου

Στην περίπτωση αυτή έχουμε θεωρήσει ότι την ώρα αιχμής ο μέσος χρήστης πραγματοποιεί:

2 VoIP κλήσεις των 3 min και

1 Video των 3 min,

παράγοντας συνολικό φόρτο 94.392 kbit την ώρα αιχμής.

Έτσι, ο συνολικός αριθμός χρηστών που μπορεί να εξυπηρετήσει ένα eNodeB προκύπτει:

Page 98: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 98

120.960 Mbit / 94.392 kbit = 1281.46 δηλαδή 1281 χρήστες σε κάθε eNodeB.

Οπότε οι τρεις πυκνοκατοικημένες περιοχές (Λιμάνι, Αγορά, Γήπεδο) θα χρειαστούν από 1 eNodeB η κάθε μία, ενώ οι υπόλοιπες τρείς ζώνες (Άνω, Μεσαία και Κάτω) από 2.

Η κάλυψη της υπόλοιπης πόλης θα γίνει ως εξής: Με κάθε eNodeB να υποστηρίζει μέχρι 1281 χρήστες, η έκταση της κάθε κυψέλης ανέρχεται σε 1281 / 993 ≈ 1,29 km2.

Δηλαδή, 1,29 = × R2 => R ≈ 704 m, και συνεπώς τα eNodeB πρέπει να

τοποθετηθούν σε απόσταση 1408 m.

Γ. Περίπτωση χαμηλού φόρτου

Στην περίπτωση αυτή έχουμε θεωρήσει ότι την ώρα αιχμής ο μέσος χρήστης πραγματοποιεί:

3 VoIP κλήσεις του 1 min και

1 Video του 1 min,

και παράγει συνολικό φόρτο 32.196 kbit την ώρα αιχμής. Οπότε ο μέγιστος αριθμός χρηστών για το κάθε eNodeB είναι:

120.960 Mbit / 32.196 kbit = 3756,98 δηλαδή 3796 χρήστες σε κάθε eNodeB.

Συνεπώς το Λιμάνι μαζί με την Άνω Ζώνη χρειάζονται 1 eNodeB, η Αγορά σε συνδυασμό με τη Μεσαία Ζώνη πάλι 1 eNodeB, όπως και το Γήπεδο με την Κάτω Ζώνη.

Εφόσον κάθε eNodeB μπορεί να υποστηρίξει μέχρι 3796 χρήστες, η κάθε κυψέλη

καταλαμβάνει χώρο 3796 / 993 ≈ 3,83 km2. Συνεπώς, 3,83 = × R2 => R ≈ 1214 m,

κάτι που σημαίνει ότι για την υπόλοιπη πόλη της Μυτιλήνης τα eNodeB πρέπει να τοποθετηθούν σε απόσταση 2428 m μεταξύ τους.

8.2.3 Σενάριο 3

Σε αυτό το σενάριο θεωρούμε ότι οι συνδρομητές λαμβάνουν το χαμηλότερο επίπεδο QoS και πιο συγκεκριμένα, στην ώρα αιχμής, το 15% των χρηστών εξυπηρετείται με 64QAM, το 35% με 16QAM και το υπόλοιπο 50% με QPSK. Ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων που μπορεί να παρέχεται την ώρα αιχμής είναι:

(15% × 50,4 Mbps) + (35% × 33,6 Mbps) + (50% × 16,8 Mbps) = 27,82 Mbps

Άρα, στην ώρα αιχμής είναι:

27.82 Mbit × 3600 sec = 99.792 Mbit / ώρα αιχμής

Α. Περίπτωση υψηλού φόρτου

Όπως έχουμε δει ο συνολικός φόρτος στην περίπτωση αυτή αγγίζει τα 248.784 kbit την ώρα αιχμής, οπότε ο αριθμός των χρηστών που μπορεί να εξυπηρετήσει κάθε eNodeB είναι:

99.792 Mbit / 248.784 kbit =401,12 δηλαδή 401 χρήστες σε κάθε eNodeB.

Page 99: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 99

Κατά συνέπεια το Λιμάνι θα καλυφθεί από 2 eNodeB, ενώ η Αγορά και το Γήπεδο από 3. Αντίστοιχα, οι άλλες τρεις ζώνες απαιτούν από 6 eNodeB για την κάλυψή τους.

Για την κάλυψη της υπόλοιπης πόλης, αφού κάθε eNodeB υποστηρίζει έως 401

συνδρομητές, η κυψέλη θα εκτείνεται σε 401 / 993 ≈ 403.830 m2. Άρα, 403.830 = ×

R2 => R ≈ 394 m. Δηλαδή τα eNodeB πρέπει να απέχουν 788 m μεταξύ τους.

Β. Περίπτωση μέσου φόρτου

Στην περίπτωση αυτή, ο συνολικός φόρτος είναι 94.392 kbit την ώρα αιχμής. Οπότε, ο μέγιστος αριθμός χρηστών που μπορεί να υποστηρίξει το eNodeB είναι:

99.792 Mbit / 94392 kbit = 1057,21 δηλαδή 1057 χρήστες σε κάθε eNodeB.

Έτσι, το Λιμάνι, η Αγορά και το Γήπεδο θα καλυφθούν από 1 eNodeB το καθένα, ενώ οι άλλες τρεις ζώνες θα χρειαστούν από 3 eNodeB.

Με 1057 χρήστες ανά eNodeB, η έκταση της κυψέλης θα φθάνει τα 1057 / 993 ≈ 1,07

km2. Άρα, 1,07 = × R2 => R ≈ 642 m, δηλαδή για να καλυφθεί η υπόλοιπη πόλη

πρέπει τα eNodeB να τοποθετηθούν σε απόσταση 1284 m μεταξύ τους.

Γ. Περίπτωση χαμηλού φόρτου

Στην περίπτωση αυτή, ο συνολικός φόρτος είναι 32.196 kbit την ώρα αιχμής, άρα το eNodeB μπορεί να εξυπηρετήσει έως:

99.792 Mbit / 32.196 kbit = 3.099,52 δηλαδή 3099 χρήστες.

Η Άνω Ζώνη μαζί με το Λιμάνι καλύπτονται από 1 eNodeB, η Κάτω Ζώνη θα καλυφθεί επίσης από 1 eNodeB, ενώ αθροιστικά η Μεσαία Ζώνη, η Αγορά και το Γήπεδο θα καλυφθούν από 2 eNodeB.

Τέλος, για την κάλυψη του υπόλοιπου της Μυτιλήνης, με το eNodeB να εξυπηρετεί έως

3099 χρήστες, η κυψέλη θα εκτείνεται σε 3099 / 993 ≈ 3,12 km2. Έτσι, αφού 3,12 = ×

R2 => R ≈ 1096 m, προκύπτει ότι τα eNodeB πρέπει να τοποθετηθούν σε απόσταση 2192 m μεταξύ τους.

8.3 Αποτελέσματα Διαστασιολόγησης

Στη συνέχεια παρατίθενται συγκριτικά ιστογράμματα για την καλύτερη απεικόνιση των αποτελεσμάτων της διαστασιολόγησης.

Page 100: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 100

Σχήμα 1. Συγκριτικά Αποτελέσματα Πλήθους eNodeB ανά Σενάριο

Όπως προκύπτει από το Σχήμα 1, όσο μεγαλύτερος είναι ο παραγόμενος φόρτος τόσο περισσότερα eNodeB απαιτούνται για την εξυπηρέτηση των χρηστών. Ανεξαρτήτως Σεναρίου, η Περίπτωση υψηλού φόρτου είναι πάντα αυτή που συγκεντρώνει το μεγαλύτερο πλήθος eNodeB, κάτι απολύτως φυσιολογικό καθώς όταν το δίκτυο καλείται να διεκπεραιώσει μεγάλο όγκο δεδομένων, χρειάζονται περισσότερα eNodeB ώστε να παρέχουν την καλύτερη δυνατή κάλυψη στο χρήστη. Όσο μειώνεται ο παραγόμενος φόρτος (Περίπτωση μεσαίου και χαμηλού φόρτου), τόσο μειώνεται και ο αριθμός eNodeB που απαιτείται για την κάλυψη της περιοχής.

Επιπλέον, φαίνεται ότι στο Σενάριο 1 χρειάζονται τα λιγότερα eNodeB, ενώ στο Σενάριο 3 τα περισσότερα. Και σε αυτή την περίπτωση το αποτέλεσμα είναι λογικό, αφού στο Σενάριο 1 οι χρήστες εξυπηρετούνται με την καλύτερη ποιότητα καναλιού, ενώ στο Σενάριο 3 με τη χειρότερη. Έτσι, όσο καλύτερη είναι η ποιότητα καναλιού, τόσο μεγαλύτερο ποσοστό χρηστών θα εξυπηρετούνται με το επιθυμητό σχήμα διαμόρφωσης (64QAM) και άρα, τόσο λιγότερα eNodeB θα απαιτούνται για την εξυπηρέτηση των χρηστών.

Σχήμα 2. Συγκριτικά Αποτελέσματα Χωρητικότητας eNodeB ανά Σενάριο

Page 101: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 101

Από το Σχήμα 2 προκύπτει ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο παραγόμενος φόρτος, τόσο λιγότερους χρήστες μπορεί να εξυπηρετήσει ένα eNodeB. Αυτό συμβαίνει γιατί κάθε eNodeB μπορεί να παρέχει μέχρι ένα συγκεκριμένο ρυθμό δεδομένων. Έτσι, όσο μεγαλύτερο φόρτο παράγει το δίκτυο, τόσο γρηγορότερα προσεγγίζεται αυτό το όριο, άρα είναι και λιγότεροι οι χρήστες που μπορεί να εξυπηρετήσει ένα eNodeB. Για το λόγο αυτό, στην Περίπτωση υψηλού φόρτου τα eNodeB μπορούν να υποστηρίξουν τον χαμηλότερο αριθμό χρηστών σε σχέση με τις 2 άλλες περιπτώσεις.

Επίσης, ο αριθμός των χρηστών ανά eNodeB εξαρτάται άμεσα και από την ποιότητα του καναλιού. Στο Σενάριο 1 όπου οι χρήστες απολαμβάνουν τις καλύτερες συνθήκες καναλιού, τα eNodeB μπορούν να υποστηρίξουν μεγαλύτερο αριθμό χρηστών σε σύγκριση με τα υπόλοιπα 2 Σενάρια.

Page 102: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 102

9. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Το LTE είναι μία τεχνολογία που σχεδιάστηκε με σκοπό να πρωταγωνιστήσει στην επόμενη δεκαετία και αναμένεται σε μεγάλο βαθμό να το κατορθώσει. Εκτιμάται ότι θα μπορέσει να ξεπεράσει τους προκατόχους (π.χ. GSM και UMTS) και ανταγωνιστές του (π.χ. WiMAX), χάρη στους υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, την αυξημένη χωρητικότητα και τη βελτιωμένη εμπειρία χρήστη που προσφέρει. Το LTE ήρθε σε μία εποχή όπου η παγκόσμια αγορά ασύρματων τερματικών έχει εκτοξευθεί και οι ανάγκες για γρηγορότερη και πιο αξιόπιστη πρόσβαση στο Internet έχουν πολλαπλασιαστεί. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος για τον οποίο το LTE είχε άμεση απήχηση στους χρήστες, μιας και πλέον αυτοί δεν αρκούνται σε μια απλή περιήγηση στο Internet, αλλά αντίθετα θέλουν να εκμεταλλευτούν όλες τις δυνατότητες που τους παρέχει η νέα ασύρματη τεχνολογία.

Από την άλλη πλευρά, το LTE αποτελεί μία ιδιαίτερα επικερδή και χαμηλού ρίσκου επένδυση για τους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους. Αποφέρει υψηλότερα κέρδη με χαμηλότερο κόστος, συγκριτικά με τους προκατόχους του, καθώς μεγάλο μέρος της εγκατάστασής του αφορά αναβάθμιση υπάρχοντων οντοτήτων και υποδομών. Την ίδια ώρα, η ύπαρξη αρκετών κατασκευαστριών εταιρειών eNodeB καθιστά πολύ πιο οικονομική την αγορά ενός eNodeB, σε σχέση με το ποσό που έπρεπε να δαπανήσει αρχικά ένας πάροχος για την αγορά π.χ. ενός GSM σταθμού βάσης. Το γεγονός αυτό βοηθά και την αναμενόμενη εισαγωγή στη αγορά των femtocell που αναμένεται να προσδώσουν υπηρεσίες υψηλής ποιότητας στου τελικούς χρήστες αλλάζοντας άρδην τον τρόπο σχεδίασης ενός κυψελωτού συστήματος.

Ωστόσο, ενώ στο εξωτερικό το LTE γνωρίζει ραγδαία ανάπτυξη, στην Ελλάδα οι εξελίξεις κινούνται με πολύ πιο αργούς ρυθμούς. Λόγω της δυσμενούς οικονομικής κατάστασης, πέραν της αγοράς φάσματος οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι δεν έχουν προχωρήσει με την ανάπτυξη LTE δικτύων. Σε αυτό βέβαια συντελεί και το γεγονός ότι στην εγχώρια αγορά μόνο μικρός αριθμός ασύρματων συσκευών είναι συμβατός με το LTE. Παρόλα αυτά, μέσα στα επόμενα χρόνια και η χώρα μας θα ακολουθήσει την τάση της αγοράς και το LTE θα μονοπωλήσει το πεδίο των ασύρματων επικοινωνιών. Αυτό εξάλλου δείχνει και η πρόθεση των παρόχων να αγοράσουν μελλοντικά το φάσμα που χρησιμοποιείται ως τώρα από την αναλογική τηλεόραση και να το χρησιμοποιήσουν για την ανάπτυξη LTE δικτύων.

Page 103: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 103

ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ

Ξενόγλωσσος όρος Ελληνικός Όρος

Bearer Κομιστής

Carrier Φορέας

Connection Management Διαχείριση Σύνδεσης

Context Πλαίσιο

Datapath Δίοδος Δεδομένων

Downlink Κατερχόμενη Ζεύξη

eNodeB Ε-UTRAN Σταθμός Βάσης

Fast Fourier Transform Ταχύς Μετασχηματισμός Fourier

Handover Μεταβίβαση

Inverse Fast Fourier Transform Αντίστροφος Ταχύς Μετασχηματισμός Fourier

Overhead Επιβάρυνση

Power Spectral Density Φασματική Πυκνότητα Ισχύος

Resource Block Μπλοκ Πόρων

Resource Element Στοιχείο Πόρου

Single Points of Failure Σημεία Βλάβης

Traffic Flow Templates Πρότυπα Κυκλοφοριακής Ροής

Transmission Time Interval Χρονικό Διάστημα Μετάδοσης

Uplink Ανερχόμενη Ζεύξη

User Equipment Εξοπλισμός Χρήστη

Video Streaming Συνεχής ροή βίντεο

Page 104: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 104

ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ – ΑΡΚΤΙΚΟΛΕΞΑ – ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ

3GPP 3rd Generation Partnership Project

3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2

8PSK 8 Phase-Shift Keying

16QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation

64QAM 64 Quadrature Amplitude Modulation

AC Authentication Centre

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AM Acknowledged Mode

AMPS Advanced Mobile Phone Service

APN Access Point Name

ARP Allocation and Retention Priority

BCCH Broadcast Control Channel

BCH Broadcast Channel

BSC Base Station Controllers

BSS Base Station Subsystem

BTS Base Transreceiver Station

CBC Cell Broadcast Center

CC Call Control

CCCH Common Control Channel

CQI Channel Quality Indicator

D-AMPS Digital Advanced Mobile Phone Service

DCCH Dedicated Control Channel

DCI Downlink Control Information

DL-SCH Downlink Shared Channel

DSL Digital Subscriber Line

DTCH Dedicated Traffic Channel

DwPTS Downlink Pilot Time Slot

Ε-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Networks

EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution

EIR Equipment Identity Register

eNodeB E-UTRAN Node B

Page 105: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 105

EPC Evolved Packet Core

ePDG Enhanced Packet Data Gateway

EPS Evolved Packet System

EVDO Evolution-Data Optimized

FDD Frequency-Division Duplexing

FDMA Frequency Division Multiple Access

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

FME First Maximum Expansion

FSTD Frequency-Switched Transmit Diversity

FTP File Transfer Protocol

GBR Guaranteed Bit Rate

GGSN Gateway GPRS Support Node

GMM GPRS Mobility Management

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying

GP Guard Period

GPRS General Packet Radio System

GSM Global System for Mobile Communications

GTP-U GPRS Tunneling Protocol

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request

HeNB Home eNodeB

HLR Home Location Register

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSPA High Speed Packet Access

HSS Home Subscriber Server

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

ΙΕΕΕ Institute of Electrical and Electronic Engineers

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IMS ΙΡ Multimedia Subsystem

Inter-RAT Inter - Radio Access Technology

IP Internet Protocol

IP-SMGW IP Short Message Gateway

ISDN Integrated Services Digital Network

Page 106: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 106

ITM Inter-Technology Mobility

LTE Long Term Evolution

LTE CoMP LTE Coordinated Multipoint

MAC Media Access Control

MADE Minimum Area – Difference to the Envelope

MBR Maximum Bit Rate

MCCH Multicast Control Channel

MCH Multicast Channel

MCS Modulation Coding Scheme

MGW Media Gateway

ΜΙΜΟ Multiple Input Multiple Output

ΜΙΡ Mobile IP

MM Mobility Management

ΜΜΕ Mobile Management Entity

MMS Multimedia Messaging Service

MPLS Multiprotocol Label Switching

MSC Mobile Switching Centre

MTCH Multicast Traffic Channel

MU-MIMO Multi-User MIMO

NAS Non Access Stratum

NMT Nordic Mobile Telephone

NSS Network Switching Subsystem

OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiple Access

P-GW Packet Data Network Gateway

PAPR Peak-to-Average Power Ratio

PBCH Physical Broadcast Channel

PCCH Paging Control Channel

PCEF Policy Control Enforcement Function

PCEP Policy and Charging Enforcement Point

PCFICH Physical Control Format Indicator Channel

PCH Paging Channel

PCRF Policy and Charging Rules Function

PCU Packet Control Unit

PDC Personal Digital Cellular

Page 107: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 107

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PDN Packet Data Network

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PHICH Physical Hybrid ARQ Indicator Channel

PLMN Public Land Mobile Network

PMCH Physical Multicast Channel

PMI Precoding Matrix Indicator

PPP Point-to-Point Protocol

PRACH Physical Random Access Channel

PSD Power Spectral Density

PUCCH Physical Uplink Control Channel

PUSCH Physical Uplink Shared Channel

QCI QoS Class Identifier

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RACH Random Access Channel

RB Resource Block

RC Resource Chunk

Rel Release

RF Radio Frequency

RI Rank Indicator

RLC Radio Link Control

RME Recursive Maximum Expansion

RNC Radio Network Controller

RNS Radio Network Subsystem

RRC Radio Resource Control

RTP Real-time Transport Protocol

S-GW Serving Gateway

S1AP S1 Application Protocol

SAE System Architecture Evolution

SC-FDMA Single Carrier Frequency-Division Multiple Access

SCTP Stream Control Transmission Protocol

SDMA Spatial Domain Multiple Access

Page 108: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 108

SDU Service Data Unit

SFBC Space-Frequency Block Code

SGSN Service GPRS Support Node

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio

SIP Session Initiation Protocol

SM Session Management

SMS Short Messaging Service

SS Supplementary Services

TCP Transmission Control Protocol

TD-SCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple Access

TDD Time-Division Duplexing

TDMA Time Division Multiple Access

TFT Traffic Flow Templates

TM Transparent Mode

ΤΤΙ Transmission Time Interval

UDP User Datagram Protocol

UE User Equipment

UL-SCH Uplink Shared Channel

UM Unacknowledged Mode

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UpPTS Uplink Pilot Time Stot

VLR Visitor Location Register

VoIP Voice-over-IP

VPN Virtual Private Network

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

Η/Υ Ηλεκτρονικός Υπολογιστής

Page 109: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 109

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι

Στο Παράρτημα δίνονται οι προτεινόμενες υλοποιήσεις για το σχεδιασμό του δικτύου στην πόλη της Μυτιλήνης, ανάλογα με το Σενάριο Διαστασιολόγησης και την Περίπτωση Παραγόμενου Φόρτου.

Σενάριο 1 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου

Εικόνα 58. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 1 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου

Page 110: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 110

Σενάριο 1 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου

Εικόνα 59. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 1 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου

Page 111: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 111

Σενάριο 1 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου

Εικόνα 60. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 1 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου

Page 112: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 112

Σενάριο 2 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου

Εικόνα 61. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 2 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου

Page 113: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 113

Σενάριο 2 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου

Εικόνα 62. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 2 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου

Page 114: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 114

Σενάριο 2 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου

Εικόνα 63. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 2 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου

Page 115: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 115

Σενάριο 3 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου

Εικόνα 64. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 3 – Περίπτωση Υψηλού Φόρτου

Page 116: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 116

Σενάριο 3 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου

Εικόνα 65. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 3 – Περίπτωση Μέσου Φόρτου

Page 117: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 117

Σενάριο 3 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου

Εικόνα 66. Προτεινόμενη Υλοποίηση Σεναρίου 3 – Περίπτωση Χαμηλού Φόρτου

Page 118: Πτυχιακή Εργασία

Ανάλυση και Σχεδιασμός ενός Δικτύου Long Term Evolution (LTE)

Γ. Παναγιωτόπουλος – Α. Τσώνης 118

ΑΝΑΦΟΡΕΣ

[1]. Ajay R. Mishra, “Fundamentals of Cellular Network Planning and Optimization”, John Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-470-86267-X

[2]. Theodore S. Rappaport, “Ασύρματες Επικοινωνίες, 2η Έκδοση”, Γκιούρδα Α. & ΣΙΑ Ο.Ε

[3]. http://www.radio-electronics.com

[4]. Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker, “LTE The UMTS Long Term Evolution – From Theory to Practice”, 2009 John Wiley & Sons Ltd., ISBN: 978-0-470-69716-0

[5]. Mustafa Ergen, “Mobile Broadband Including WiMAX and LTE”, Springer Science + Business Media, LLC 2009, ISBN: 978-0-387-68189-4

[6]. “LTE Protocols & Specifications”, lteworld.org/ lte-protocols-specifications

[7]. “Long Term Evolution LTE”, lteworld.org/ wiki/long-term-evolution-lte

[8]. “White Paper Long Term Evolution Protocol Overview”, http://www.freescale.com, Doc Nr: LTEPTCLOVWWP, October 2008

[9]. “TECHNICAL WHITE PAPER: Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview”, http://www.motorola.com

[10]. Suyash Tripathi, Vinay Kulkarni, Alok Kum, “LTE E-UTRAN and its Access Side Protocols”, http://www.ccpu.com/articles/2010/lte-e-utran-access-side-protocols

[11]. Jim Zyren, “Overview of the 3GPP Long Term Evolution Physical Layer”, http://www.freescale.com, Doc Nr: 3GPPEVOLUTIONWP, Rev 0, July 2007

[12]. Harri Holma, Antti Toskala, “LTE for UMTS - OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access”, 2009 John Wiley & Sons Ltd., ISBN: 978-0-470-99401-6

[13]. Luis Angel Maestro Ruiz de Temifio et al., “Channel-Aware Scheduling Algorithms for SC-FDMA in LTE Uplink”, in IEEE 19th International Symposium on 15-18 Sept. 2008, in Cannes, France

[14]. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, and Johan Sköld, “4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband”, 2011, Elsevier Ltd

[15]. Juho Lee, Jin-Kyu Han, Jianzhong (Charlie) Zhang, “MIMO Technologies in 3GPP LTE and LTE-Advanced”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Hindawi Publishing Corporation, Volume 2009, Article ID 302092

[16]. C.Gessner, “UMTS Long Term Evolution (LTE) Technology Introduction”, Rohde & Schwarz, September 2008, Application Note: 1MA111

[17]. “LTE Inter-technology Mobility: Enabling Mobility between LTE and Other Access Technologies”, 2011. motorola.com/…/Static Files/InterTech Mobility White Paper.pdf

[18]. Dilshad Mahjabeen, Anis Ahmed, Shadida Rafique, “Use of LTE for the Interoperability between Different Generations of Wireless Communication”, Int’l J. of Communications, Network and System Sciences, vol.4, no.7, July 2011

[19]. “The Transformation to 4G: LTE for WiMAX operators”, 2010. global.wimax-vision.com/…/Bridgewater_The_Transformation_to_4GLTE_for_WiMAX_Operators_7Jun10.pdf

[20]. V. Srinivasa Rao, “Interoperable UE Handovers in LTE”, www.ccpu.com/ articles/2010/interoperable-ue-handover-lte

[21]. Vivek Gupta (2007, September), “Inter-Tech Handover Activity”, http://grouper.ieee.org/.../21-07-0274-00-0000_3gpp_inter-tech_handover.ppt

[22]. Konstantinos Dimou et al., “Handover within 3GPP LTE: Design Principles and Performance”, Vehicular Technology Conference Fall (VTC 2009-Fall), 2009 IEEE 70th, pages 1-5, 20-23 September 2009

[23]. http://en.wikipedia.org/wiki/4G

[24]. Eiko Seidel, “Progress on LTE Advanced – the new 4G standard”, Nomor Research GmbH, Munich, Germany, 24/7/2008

[25]. Simon R. Saunders et al., “Femtocells: Opportunities and Challenges for Business and Technology”, 2009 John Wiley & Sons Ltd, ISBN: 9780470748169