OFDMA και SC-FDMA

Ν. Χρυσάνθου 78

δημιουργία και η υλοποίηση των απαραίτητων διακομιστών και η διαχείριση της κίνησης. Όλα τα μηνύματα του NAS είναι κρυπτογραφημένα και προστατεύεται η ακεραιότητά τους μέσω των MME και των UE. Το επίπεδο RRC (Radio Resource Control) στο eNB λαμβάνει αποφάσεις που σχετίζονται με την διαπομπή οι οποίες βασίζονται σε μετρήσεις γειτονικών κυψελών που γίνονται από το UE. Οι μετρήσεις αυτές μπορεί να έχουν σχέση με την περιοδικότητα των Πληροφοριών της Ποιότητας του Καναλιού (Channel Quality Information, “CQI”), τις μετρήσεις και τις διαθεσιμότητες προσωρινών αναγνωριστικών που μπορεί να διαθέσει η κάθε κυψέλη σε κάθε UE. Το RRC επίσης εκτελεί τη μεταφορά του UE από τον ένα eNB στον άλλο κατά τη διάρκεια της διαπομπής, προστατεύοντας ταυτόχρονα την ακεραιότητα των μηνυμάτων του.

Τέλος, είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία και τη συντήρηση των ραδιοκυμάτων που χρησιμοποιεί το δίκτυο [37].

Το στρώμα PDCP (Packet Data Convergence Protocol) είναι υπεύθυνο για τη συμπίεση και την αποσυμπίεση των κεφαλίδων των IP πακέτων των χρηστών, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο “Robust Header Compression (ROHH)”, καθιστώντας δυνατή την αποτελεσματικότερη χρήση του εύρους ζώνης που είναι διαθέσιμο. Αυτό το στρώμα εκτελεί επίσης την κρυπτογράφηση τόσο των δεδομένων του χρήστη, όσο και του επιπέδου ελέγχου του. Επειδή τα μηνύματα του NAS μεταφέρονται στο RRC, ουσιαστικά είναι διπλά κρυπτογραφημένα και η ακεραιότητά τους είναι κι αυτή διπλά προστατευμένη, μία φορά στο MME κι άλλη μία στο eNB. [38]

Το στρώμα RLC (Radio Link Control) χρησιμοποιείται για τη μορφοποίηση και τη μεταφορά της κίνησης ανάμεσα στο UE και στο eNB. Το RLC παρέχει διαφορετικούς τρόπους αξιοπιστίας για τις μεταδόσεις των δεδομένων. Κάποιοι απo αυτούς τους τρόπους είναι ο Acknowledged Mode (AM), ο Unacknowledged Mode (UM), και ο Transparent Mode (TM). Ο δεύτερος “UM” είναι κατάλληλος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου (Real Time), διότι οι συγκεκριμένες υπηρεσίες είναι ευαίσθητες στις καθυστερήσεις και δε μπορούν να περιμένουν για τυχόν αναμεταδόσεις. Ο “AM” από την άλλη μεριά είναι καταλληλότερος για τις μη-πραγματικού χρόνου υπηρεσίες όπως οι λήψεις αρχείων. Ο τρίτος τρόπος “TM” χρησιμοποιείται όταν τα μεγέθη των PDU είναι γνωστά εκ των προτέρων όπως για παράδειγμα στο “Broadcasting”. Το RLC επίπεδο παρέχει επίσης την Υπηρεσία Μονάδων Δεδομένων (Service Data Units “SDU”) στα παραπάνω στρώματα και εξαλείφει τη λήψη διπλών SDU απο αυτά. Μπορεί επίσης να χωρίσει τα SDU σε τμήματα ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες.

Ν. Χρυσάνθου 79

OFDMA ικανοποιεί την απαίτηση του LTE για δυναμική κατανομή φάσματος και κάνει χρήση οικονομικά αποδοτικών λύσεων για την επίτευξη υψηλών ρυθμών μετάδοσης .

Η OFDMA χρησιμοποιεί έναν μεγάλο αριθμό υποφερουσών (subcarriers) , ο αριθμός των οποίων μπορεί να φτάσει τις 1200 . Ο αριθμός των υποφερουσών (subcarriers) εξαρτάται από το διατιθέμενο εύρος ζώνης (από 1.4MHz μέχρι 20MΗz) , αλλά δεν καταλαμβάνεται το 100% του εύρους ζώνης από αυτές δεδομένου ότι τα CP καταλαμβάνουν ένα μέρος αυτού . Η συγκεκριμένη υλοποίηση μπορεί να απεικονιστεί μέσω ενός πλέγματος χρόνου-συχνότητας , όπως φαίνεται και στο σχήμα 21 που ακολουθεί . Στο πεδίο συχνότητας , το διάστημα μεταξύ των υποφερουσών (subcarriers) , Δf , είναι 15kHz . Επιπλέον , ο χρόνος διάρκειας ενός OFDMΑ συμβόλου είναι 1/Δf + CP . Τα OFDMΑ σύμβολα οργανώνονται σε φασματικές περιοχές (resource blocks) . Οι φασματικές αυτές περιοχές (resource blocks) έχουν ένα συνολικό μέγεθος 180kHz στο πεδίο της συχνότητας και 0.5ms στο πεδίο του χρόνου . Κάθε χρονικό διάστημα μετάδοσης (Transmission Time interval-TTI) του 1ms αποτελείται από δύο χρονοθυρίδες (Tslot) .

Σε κάθε χρήστη κατανέμεται ένα σύνολο φασματικών περιοχών (resource blocks) από το υποτιθέμενο πλέγμα χρόνου-συχνότητας . Όσες περισσότερες φασματικές περιοχές έχει ένας χρήστης στη διάθεσή του και όσο υψηλότερη είναι η διαμόρφωση που χρησιμοποιείται , τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός μετάδοσης bit .

Σχήμα 21 : Το πλέγμα χρόνου-συχνότητας στο LTE

Πόσες φασματικές περιοχές και ποιες συγκεκριμένα διατίθενται σε κάθε χρήστη σε μια δεδομένη χρονική στιγμή, προκύπτει μέσω προηγμένων προγραμματιστικών μηχανισμών οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τον χρόνο και τη συχνότητα . Οι μηχανισμοί αυτοί είναι παρόμοιοι με εκείνους που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία HSPA , και καθιστούν εφικτή τη βέλτιστη απόδοση για διαφορετικές υπηρεσίες και σε διαφορετικά περιβάλλοντα μετάδοσης.

Στην άνω ζεύξη , χρησιμοποιείται η τεχνική Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) , η οποία αποτελεί και μια παραλλαγή της OFDMA . Η SC- FDMA έχει πολλές ομοιότητες με την OFDMΑ , από τις οποίες ξεχωρίζει η διατήρηση

Ν. Χρυσάνθου 80

περιορίζεται το επίπεδο παρεμβολών στο σταθμό βάσης .

Η διαφοροποίηση έγκειται στο ότι η SC-FDMA έχει χαμηλότερες απαιτήσεις ισχύος , γεγονός που παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των UEs. Συν τοις άλλοις , η αυξημένη κατανάλωση ισχύος προϋποθέτει την ύπαρξη δαπανηρών ενισχυτών με υψηλές απαιτήσεις για γραμμικότητα , η οποία αυξάνει το κόστος του τερματικού . Η SC-FDMA επιλύει αυτό το πρόβλημα ομαδοποιώντας κατά τέτοιο τρόπο τις φασματικές περιοχές (resource blocks) ώστε να περιορίζεται η ανάγκη για γραμμικότητα και συνεπώς και η κατανάλωση ισχύος στον αντίστοιχο ενισχυτή . Η χαμηλή κατανάλωση ισχύος βελτιώνει επίσης την κάλυψη και την απόδοση στα σύνορα των κυψελών .

4.1.3.1 Σύγκριση OFDMΑ με SC-FDMA

Στο σχήμα 22 φαίνεται πώς μια σειρά συμβόλων QPSK απεικονίζεται στο χρόνο και στη συχνότητα από τα δύο διαφορετικά σχέδια διαμόρφωσης. Το παράδειγμα χρησιμοποιεί μόνο τέσσερις (N) υποφορείς πάνω απο δύο περιόδους συμβόλων με τα δεδομένα φορτίων που αντιπροσωπεύονται απο την διαμόρφωση QPSK. Στην OFDMA τα 4 (N) σύμβολα QPSK εκπέμπονται παράλληλα , ένα ανά υποφέρον. Στην SC-FDMA τα 4 (Ν) σύμβολα QPSK εκπέμπονται σε σειρά ( 4 φορές τον ρυθμό) , με κάθε σύμβολο να καταλαμβάνει εύρος ζώνης 60 Khz (Ν x 15 Khz). Οπτικά το σήμα OFDMA είναι σαφές πολυ-φέρον και το σήμα SC-FDMA φαίνεται περισσότερο ως ενιαίος φορέας , πράγμα που εξηγεί και το «SC» στο όνομα του.

Σχήμα 22 : Σύγκριση OFDMA και SC-FDMA

Ν. Χρυσάνθου 81

4.1.4 ΜΙΜΟ

Το ενισχυμένο MIMO θεωρείται ως μια από τις κύριες πτυχές στο LTE-Advanced που θα επιτρέψει στο σύστημα να καλύψει τις απαιτήσεις σε ρυθμούς μετάδοσης των IMT-Advanced, που καθορίζονται από την ITU-R [36]. Η πλειοψηφία των τεχνολογιών MIMO έχει ήδη εισαχθεί στο LTE και αναμένεται για να συνεχίσει να έχει θεμελιώδη ρόλο στα LTE-Advanced, όπως οι τεχνολογίες beamforming, χωρική πολυπλεξία και χωρικός διαφορισμός. Εντούτοις, είναι ανάγκη να ληφθούν περαιτέρω βελτιώσεις στην μέγιστη ρυθμοαπόδοση της κυψέλης, την μέση ρυθμοαπόδοση της κυψέλης και την ρυθμοαπόδοση στα άκρα της κυψέλης, για να αυξηθεί αισθητά η απόδοση.

Οι προαναφερθείσες τεχνικές απαιτούν κάποιο επίπεδο πληροφοριών κατάστασης καναλιού (CSI) στο σταθμό βάσης έτσι ώστε το σύστημα να μπορεί να προσαρμοστεί στις συνθήκες του ασύρματου καναλιού και να υπάρξει σημαντική βελτίωση στην απόδοσης του.Στα συστήματα TDD αυτές οι πληροφορίες μαζεύονται εύκολα στο uplink, υπό τον όρο ότι η εξασθένιση του καναλιού είναι αρκετά αργή, εξαιτίας του γεγονότος ότι η ίδια φέρουσα συχνότητα χρησιμοποιείται για την εκπομπή και την λήψη. Από την άλλη, λόγω ασυμμετρία των συστημάτων FDD, απαιτείται πληροφορία ανατροφοδότησης στην αντίστροφη σύνδεση. Πλήρες CSI θα μπορούσε να προκαλέσει μια πρόσθετη υπερφόρτωση που να είναι υπερβολική, έτσι στην πράξη είναι προτιμητέα η κβαντοποίηση του CSI ή το στατιστικό CSI. Επιπλέον, η κινητικότητα του τερματικού μπορεί να δημιουργήσει σοβαρές δυσκολίες στην απόδοση των συστημάτων, αφού οι πληροφορίες του καναλιού που θα φθάνουν στο eNB μπορεί να είναι ξεπερασμένες.

Οι τεχνικές πολλαπλών-κεραιών σε ένα σενάριο πολλών χρηστών, έχουν ως ρόλο να παραδώσουν τους ρυθμούς δεδομένων στους διαφορετικούς χρήστες με χωρική πολυπλεξία, με τέτοιο τρόπο ώστε να χρησιμοποιούνται όλοι οι βαθμοί ελευθερίας ενός συστήματος MIMO. Η ιδέα είναι να εκτελεσθεί μία ευφυές πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση χώρου (SDMA), έτσι ώστε το διάγραμμα ακτινοβολία του σταθμού βάσης να προσαρμόζεται σε κάθε χρήστη, για να παρέχει το υψηλότερο πιθανό κέρδος στην κατεύθυνση εκείνου του χρήστη. Η νοημοσύνη βρίσκεται προφανώς στους σταθμούς βάσης που συλλέγουν το CSI κάθε UE και αναλόγως αποφασίζουν σχετικά με την κατανομή των πόρων.

Η έννοια ενισχυμένο MIMO εκλαμβάνεται ως ένα προσαρμοστικό πλαίσιο εργασίας πολλαπλού-τρόπου, όπου οι εκάστοτε απαιτήσεις του συστήματος σε υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων και μεγαλύτερη κάλυψη, προσαρμόζονται με την επιλογή του κατάλληλου πλάνου MIMO. Η στρατηγική προσαρμογής επιλέγεται με βάση όλες τις διαφορετικές μετρήσεις του καναλιού που μαζεύονται στο σταθμό βάσης, μέσω ενός μηχανισμού χαμηλού ποσοστού ανατροφοδότησης. Επιπλέον, το LTE- Advanced θα επιτρέψει σε αρκετές από τις προαναφερθείσες τεχνολογίες MIMO να συνδυαστούν σε αυτό που είναι γνωστό ως εξελιγμένη ή προηγμένη προ-κωδικοποίηση.

Το σχήμα 23 παρουσιάζει την ιδέα πίσω από αυτήν την έννοια.

Ν. Χρυσάνθου 82 Σχήμα 23 : Συνδυασμός Τεχνολογιών MIMO στο LTE-Advanced

Το σχήμα 24 επεξηγεί τους τρεις κύριους τρόπους λειτουργίας. Κάθε ένας από αυτούς στοχεύει σε μια από τις βελτιώσεις που επιδιώκονται από το LTE-Advanced [36].

Σχήμα 24 : Κύριοι Τρόποι Λειτουργίας ΜΙΜΟ στο LTE-Advanced

• MIMO Μεμονωμένου Χρήστη (Single-User, SU-MIMO): ο διαφορισμός μετάδοσης και η χωρική πολυπλεξία μπορούν να επιλεχτούν για μετάδοση σε συνδιασμό με το beamforming. Αυτό το νέο χαρακτηριστικό γνώρισμα μαζί με μια υψηλής-τάξης MIMO (δηλ. ένας αυξανόμενος αριθμός κεραιών) καθιστά πιθανή μια ουσιαστική αύξηση στους μέγιστους ρυθμούς δεδομένων των χρηστών.

• MIMO Πολλών χρηστών (MU-MIMO): μεγάλη έμφαση δίνεται σε MU- MIMO, δεδομένου ότι προσφέρει την καλύτερη εξισορρόπηση μεταξύ πολυπλοκότητας- απόδοσης. Η ευελιξία της SDMA αυξάνεται με το να επιτρέπει ένα διαφορετικό αριθμό ροών να φτάνουν σε κάθε χρήστης, προκειμένου να αυξηθεί ο μέσος ρυθμός

Ν. Χρυσάνθου 83

δεδομένων της κυψέλης. Το SU-MIMO και το MU-MIMO αποτελούν το καλούμενο MIMO ενιαίας-περιοχής (Single-site MIMO).

• Cooperative MIMO: η ρυθμοαπόδοση χρηστών στα όρια της κυψέλης αυξάνεται με τη χρησιμοποίηση τεχνικών που χρησιμοποιούν συντονισμό στη εκπομπή και την λήψη των σημάτων μεταξύ διαφορετικών σταθμών βάσης, η οποία βοηθά επίσης στην μείωση της παρεμβολής γειτονικών κυψελών. Αυτές οι τεχνικές, γνωστές ως Συντονισμένη εκπομπή και λήψη πολλών σημείων (CoMP), είναι ένα άλλο σύνολο βασικών τεχνολογιών, που ενσωματώνονται στο LTE-Advanced.

4.1.5 Συνάθροιση Φέροντος

Για να εκμεταλλευτεί πλήρως το LTE-Advanced τα μεγάλα εύρη ζώνης μέχρι 100 MHZ, κρατώντας την συμβατότητα προς τα πίσω με το LTE, έχει εισάγει την τεχνική της συνάθροισης φέροντος. Η συνάθροιση φέροντος περιλαμβάνει την ομαδοποίηση διάφορων LTE συστατικών φερόντων (CCs) (π.χ. μέχρι 20 MHZ), έτσι ώστε οι LTE- Advanced συσκευές να είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν ένα μεγαλύτερο ποσό εύρους ζώνης (π.χ. μέχρι 100 MHZ), επιτρέποντας συγχρόνως στις συσκευές LTE να συνεχίσουν να αναγνωρίζουν τα συστατικά φέροντα του φάσματος χωριστά. Στο σχήμα 25 επεξηγείτε η έννοια της συνάθροισης φέροντος σε παρακείμενο εύρος ζώνης.

Σχήμα 25 : Συνάθροιση Φέροντος σε παρακείμενο εύρος ζώνης.

Μπορεί να μην είναι πάντα δυνατό για έναν χρήστη να χρησιμοποιήσει 100 MHZ παρακείμενου φάσματος. Για αυτόν τον λόγο, προτείνεται επίσης η χρήση της μη παρακείμενου εύρους ζώνης συνάθροισης φέροντος. Σε αυτήν την περίπτωση, τα συστατικά φέροντα που πρόκειται να αθροιστούν μπορεί να μην είναι παρακείμενα στο ίδιο φάσμα.

Το σχήμα 26 επεξηγεί την περίπτωση της μη παρακείμενου εύρους ζώνης συνάθροισης φέροντος στην ίδια ζώνη. Το σχήμα παρουσιάζει δύο LTE συσκευές που χρησιμοποιούν εύρος ζώνης μέχρι 20 MHZ, σε συνδυασμό με μια LTE-Advanced συσκευή που χρησιμοποιεί το noncontiguous αθροισμένο εύρος ζώνης μέχρι 100 MHZ.

Ν. Χρυσάνθου 84 Σχήμα 26: Συνάθροιση Φέροντος σε μη παρακείμενο εύρος ζώνης στην ίδια μπάντα.

Το σχήμα 27 επεξηγεί την περίπτωση της συνάθροιση φερόντων σε μη παρακείμενο εύρος ζώνης σε διαφορετικές ζώνες, η οποία είναι ένα σενάριο που θα μπορούσε να προκύψει από την ταυτόχρονη χρήση των ζωνών του φάσματος.

Σχήμα 27: Συνάθροιση Φέροντος σε μη παρακείμενο εύρος ζώνης σε διαφορετικές μπάντες.

Το σχήμα παρουσιάζει δύο συσκευές LTE που χρησιμοποιούν τα εύρη ζώνης μέχρι 20 MHZ, καθένα σε μια διαφορετική ζώνη φάσματος, σε συνδυασμό με μια LTE- Advanced συσκευή που χρησιμοποιεί το μη παρακείμενο αθροισμένο εύρος ζώνης από τις διαφορετικές ζώνες φάσματος. Οι ζώνες που χρησιμοποιούνται μπορούν να είναι αφιερωμένες ζώνες ή κοινές ζώνες. Σε όλες τις προηγούμενες περιπτώσεις συνάθροισης φέροντος, ο αριθμός συστατικών φερόντων για το UL και το DL, καθώς επίσης και το εύρος ζώνης τους, μπορεί να είναι διαφορετικά. Ακόμη και μέσα σε έναν

Ν. Χρυσάνθου 85

eNB, διαφορετικά LTE-Advanced UEs μπορούν να χρησιμοποιούν διαφορετικούς αριθμούς συστατικών φερόντων, σύμφωνα με τις δυνατότητες τους, τις συνθήκες του καναλιού, τις απαιτήσεις ρυθμού μετάδοσης δεδομένων και τις απαιτήσεις τους σε QoS.

Η συνάθροιση φέροντος όχι μόνο βοηθά ώστε να επιτευχθούν υψηλότεροι μέγιστοι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων, αλλά θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει ώστε να επιτευχθεί καλύτερη κάλυψη για μέσους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Για τους μέσους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, επιτρέπει τη χρήση διαμόρφωσης χαμηλότερης τάξης και χαμηλότερου ρυθμού κώδικα, τα οποία θα μείωναν τον απαιτούμενο ισοζύγιο ζεύξης, την ισχύ μετάδοσης και την παρεμβολή.

Σαν αρχική προσέγγιση για τη συνάθροιση φέροντος, η 3GPP διευκρινίζει [39,40]

τέσσερα σενάρια επέκτασης, τα οποία φαίνονται στον πίνακα 6. Αυτά τα σενάρια επέκτασης καλύπτουν και την παρακείμενη και μη-παρακείμενη συνάθροιση φέροντος για το ενιαίο και πολλαπλό φάσμα , χρησιμοποιώντας και τους δύο duplexing μηχανισμούς , δηλαδή τόσο τον FDD όσο και τον TDD.

Πίνακας 6 : Σενάρια Επέκτασης Συνάθροισης Φερόντων στο LTE-Advanced

4.1.6 Αναμετάδοση

Η αναμετάδοση είναι άλλο ένα στοιχείο που εισάγεται στο LTE-Advanced για να βελτιώσει την απόδοση του LTE, όσον αφορά την κάλυψη και τη ρυθμοαπόδοση.

Σύμφωνα με την 3GPP [39], η χρήση των αναμεταδοτών θα επιφέρει τις ακόλουθες βελτιώσεις.

• Παροχή κάλυψης σε νέες περιοχές.

• Προσωρινή επέκταση δικτύων.

• Ρυθμοαπόδοση στα όρια τις κυψέλης

• Κάλυψη του υψηλού ρυθμού δεδομένων.

• Κινητικότητα ομάδας.

Αυτές οι βελτιώσεις μπορούν να ομαδοποιηθούν σε δυο γενικές κατηγορίες:

βελτιώσεις για επέκταση κάλυψης και βελτιώσεις για αύξηση της ρυθμοαπόδοσης.

Εκτός από τις προηγούμενες βελτιώσεις, η χρήση των αναμεταδοτών φέρνει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα.

Ν. Χρυσάνθου 86

μικρότερο από το κόστος ενός eNB, υποθέτοντας ότι η πολυπλοκότητα ενός αναμεταδότη είναι μικρότερη από την πολυπλοκότητα ενός eNB. Επίσης το κόστος και ο χρόνος επέκτασης είναι μικρότερα, έναντι ενός eNB.

• Μείωση κατανάλωσης ισχύος: Η απόσταση ενός hop μεταξύ του eNB και του UE διαιρείται σε δύο αποστάσεις: η απόσταση από το eNB στον αναμεταδότη και η απόσταση από τον αναμεταδότη στο UE. Εάν ο αναμεταδότης βρίσκεται εγκατεστημένος στην κατάλληλη θέση, η απαιτούμενη ισχύς TX (από το eNB, τον αναμεταδότη και το UE) μπορεί να μειωθεί. Η μείωση κατανάλωσης ισχύος μπορεί να οφείλεται απλά στην μείωση της απώλειας διαδρομής, ενώ περαιτέρω μειώσεις μπορούν να επιτευχθούν μέσω των ενισχυμένων λειτουργιών αναμετάδοσης και ελέγχου παρεμβολών. Αυτή η μείωση κατανάλωσης ισχύος, μεταφράζεται επίσης σε μειωμένες λειτουργικές δαπάνες.

Στο σχήμα 28, απεικονίζεται το βασικό πλάνο στο οποίο προγραμματίζεται να αναπτυχθούν οι αναμεταδότες για να επεκταθεί το LTE-Advanced. Το UE συνδέετε με τον κόμβο αναμετάδοσης (RN) μέσω της διεπαφής Uu, ενώ ο αναμεταδότης συνδέετε με μία κυψέλη ή ένα eNB χρησιμοποιώντας μια νέα διεπαφή αποκαλούμενη Un.

Σχήμα 28: Βασικό πλάνο ανάπτυξης αναμεταδοτών στο LTE-Advanced

Η επικοινωνία μεταξύ του RN και του eNB μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο τρόπους: inband ή outband. Στην Inband, η σύνδεση επικοινωνίας χρησιμοποιεί την ίδια ζώνη που χρησιμοποιεί το eNB για να επικοινωνήσει με τα UEs μέσα στην κυψέλη, ενώ με την outband χρησιμοποιείται μια διαφορετική ζώνη.

Η 3GPP έχει διευκρινίσει ότι το LTE-Advanced θα υποστηρίξει τουλάχιστον δύο τύπους αναμεταδοτών [41] : τους αναμεταδότες Τύπου-1 και τους Τύπου-1a όπως απεικονίζονται και στο σχήμα 29. Καθένας ένας από αυτούς καθορίζεται ως εξής.

• Αναμεταδότης Τύπου - 1

- Ελέγχει τις κυψέλες, εμφανιζόμενος ως νέα κυψέλη στα UEs. Κάθε μία από τις κυψέλες του έχει τη δική της φυσική ταυτότητα, τα κανάλια συγχρονισμού, τα σύμβολα αναφοράς τους, κ.λπ.

- Σε μονο-κυψελική λειτουργία, ανταλλάσσονται άμεσα μεταξύ του UEs και του RNs πληροφορίες δρομολόγησης, ανατροφοδοτηση HARQ και κανάλια ελέγχου.

- Σε Release 8 UEs εμφανίζεται ως Release 8 eNB, για συμβατότητα προς τα πίσω.

- Μπορεί να εμφανιστεί διαφορετικά σε LTE-Advanced UEs, για να επιτρέπει περαιτέρω αυξήσεις απόδοσης.

Ν. Χρυσάνθου 87

• Αναμεταδότης Τύπου-1a: Έχει τα ίδια χαρακτηριστικά του τύπου - 1, αλλά λειτουργεί outband.

Σχήμα 29 : Αναμεταδότες Τύπου-1 και Τύπου-1α στο LTE-Advanced

Από την άποψη διαχωρισμού πόρων στην σύνδεση RN-eNB για την inband αναμετάδοση, η 3GPP διευκρινίζει την υποστήριξη (τουλάχιστον) των πιο κάτω :

• Πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου για το Downlink (eNB σε RN, RN σε UE) και στο uplink (UE στο RN και RN στο eNB).

• Πολυπλεξία πίσω διαδρομής σε FDD.

• Πολυπλεξία πίσω διαδρομής σε TDD.

Για να διευκολύνει την ανάθεση των πόρων για οπισθοζεύξη, η 3GPP εξετάζει την προσθήκη νέων καναλιών ελέγχου και δεδομένων για τη σύνδεση RN-eNB. Το νέο φυσικό κανάλι ελέγχου (Ρ-PDCCH) δυναμικά ή ημι-διαρκώς θα ορίζει τους πόρους δεδομένων οπισθοζεύξης για το νέο φυσικό κανάλι συνδέσεων DL (R-PDSCH) και το φυσικό καναλιών uplink (R-PUSCH).

Σενάρια

Το βασικό σενάριο για τη χρήση των αναμεταδοτών απεικονίζεται στο σχήμα 28.

Αυτό το σενάριο μπορεί να επεκταθεί αν λάβουμε υπόψη πώς οι αναμεταδότες μπορούν να βοηθήσουν ώστε να επιτευχθούν οι στόχοι που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Το σχήμα 30 παρουσιάζει το επεκταμένα σενάρια.

Ν. Χρυσάνθου 88 Σχήμα 30: Σενάρια Χρησιμοποίησης Αναμεταδοτών στο LTE-Advanced.

Στην περίπτωση (α), χρησιμοποιείται η επικοινωνία με αναμετάδοση πολλών hops για την επίτευξη κάλυψης στις απομονωμένες περιοχές που διαφορετικά δεν θα ήταν κάτω από κάλυψη. Στην περίπτωση (β) , το RN

χρησιμοποιείται για να βελτιώσει το σήμα που λαμβάνεται από τα UEs που βρίσκονται μέσα σε ένα κτήριο (ή σε οποιαδήποτε άλλη εσωτερική θέση) προκειμένου να ενισχυθεί η επιτεύξιμη ρυθμοαπόδοση σε αυτά τα UEs. Στην περίπτωση (γ), ένα RN βρίσκεται κοντά στα όρια της κυψέλης προκειμένου να επεκταθεί η κάλυψη ή να βελτιωθεί η ρυθμοαπόδοση στα όρια της κυψέλης. Στην περίπτωση (δ), ένα RN τοποθετείται προκειμένου να επεκταθεί η κάλυψη ή να βελτιωθεί η ρυθμοαπόδοση σε υπόγεια (π.χ.

σταθμούς τρένων). Στην περίπτωση (ε), η κάλυψη ή/και η ρυθμοαπόδοση μπορούν να βελτιωθούν ανάμεσα στα κτήρια. Στις περιπτώσεις (στ) και (ε), οι περιοχές που στερούνται κάλυψη λόγω σκίασης (π.χ. λόγω των μεγάλων κτηρίων) μπορούν να καλυφθούν μέσω RNs. Στην περίπτωση (ζ), ένας κινητός RN χρησιμοποιείται για να βελτιώσει τη ρυθμοαπόδοση. Σε κάθε μια από τις προηγούμενες περιπτώσεις, ο τύπος του RN που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί μπορεί να ποικίλει σύμφωνα με τις συγκεκριμένες απαιτήσεις κάθε περίπτωσης.

4.1.7 Υποστήριξη Φεμτοκυψέλων

Η έκδοση της 3GPP για το LTE παρουσίασε σαφή υποστήριξη στην χρησιμοποίηση των ¨οικιακών¨ eNBs (HeNBs) ή των λεγόμενων Φεμτοκυψέλων (femtocells). Ένα femtocell συνδέεται με το EPC μέσω των διεπαφών S1-MME και S1-U.

Για την ανάπτυξη και υποστήριξη μεγάλου αριθμού HeNBs, είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί μια πύλη HeNB που θα επιτρέψει τη S1 διεπαφή μεταξύ των HeNBs και του EPC. Η πύλη HeNB (HeNB GW) θα εμφανίζεται σε ένα HeNB ως MME, ενώ για την MME η πύλη θα εμφανίζεται ως ένα HeNB. Είτε ένα HeNB συνδεθεί με το EPC

Ν. Χρυσάνθου 89

κατευθείαν είτε όχι, η S1 διεπαφή παραμένει η ίδια. Ένα EUTRAN με HeNB παρουσιάζεται στο σχήμα 31. Το HeNB έχει την ίδια στοίβα πρωτοκόλλων με ένα κανονικό eNB, αλλά εκτός από τον έλεγχο προσπέλασης εκτελεί πρόσθετες λειτουργίες, όπως η εύρεση πυλών HeNB για εξυπηρέτηση. Στη συνέχεια, η πύλη HeNB αναμεταδίδει τη σηματοδοσία S1 στον πυρήνα του δικτύου.

Σχήμα 31: Αρχιτεκτονική με HeNBs

Σηματοδοσία από Μη-UE, τερματίζεται επίσης στην πύλη HeNB. Πρέπει να σημειωθεί, εντούτοις, ότι δεν καθορίζεται για HeNB διεπαφή X2 μέσα από την έκδοση 9.

Ο έλεγχος προσπέλασης εξαρτάται από εάν ένα HeNB είναι κλειστό, ανοικτό ή υβριδικό. Εάν είναι κλειστό, δηλ., CSG, μόνο χρήστες στο CSG μπορεί να έχουν πρόσβαση και να χρησιμοποιήσουν τους πόρους αυτού του HeNB. Αντίθετα, ένα ανοικτό HeNB, δηλ., OSG, είναι προσιτό σε όλους τους χρήστες E-UTRAN. Τέλος, ένα υβριδικό HeNB, όπως λέει και το όνομα, είναι ένα CSG, όμως επιτρέπει την ανοικτή πρόσβαση εάν είναι διαθέσιμοι ικανοποιητικοί πόροι (δηλ., οι μη-συνδρομητές μπορούν να αναγνωριστούν εάν οι απαιτήσεις τους δεν έχουν επιπτώσεις σε εκείνους της ομάδας συνδρομητών). Σημειώστε ότι σε όλες τις περιπτώσεις, είναι δυνατό να αναγνωριστούν οι κλήσεις έκτακτης ανάγκης σε ένα HeNB.

4.2 WIMAX-Advanced

4.2.1 Εισαγωγή

Ο όρος WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) είναι συνώνυμος με το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16 για ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WirelessMAN) [8]. Προορισμός του είναι να γίνει μία παγκοσμίως διαθέσιμη τεχνολογία αφού η βάση του (το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16) αναγνωρίζεται ως πρότυπο αναφοράς από το ETSI (European Telecommunication and Standards Institute) για το αντίστοιχο

Ν. Χρυσάνθου 90

WiBro (Wireless Broadband) που αναπτύσσεται στην Κορέα.

Tο 1999 οργανώθηκε μία ομάδα εργασίας στα πλαίσια του οργανισμού IEEE 802.

Το πρότυπο που προτάθηκε αφορούσε τα ασύρματα δίκτυα μητροπολιτικής περιοχής WirelessMAN για συχνότητες 10-66GHz ενώ το Νοέμβριο του ίδιου έτους ξεκίνησαν οι μελέτες για παρόμοιες υπηρεσίες στις συχνότητες 2-11GHz.

Το πρώτο πρότυπο εγκρίθηκε ως WirelessMAN-SC ΙΕΕΕ 802.16-2001 και εκδόθηκε το 2002. Αφορούσε συχνότητες 10-66GHz, όπου υπάρχει ακόμα διαθέσιμο φάσμα παγκοσμίως και μόνο για επικοινωνίες απ' ευθείας οπτικής επαφής (Line Of Sight-LOS), λόγω των ισχυρών απωλειών διάδοσης που οφείλονται στα μικρά μήκη κύματος.

To IEEE 802.16c αποτέλεσε την πρώτη τροποποίηση του ΙΕΕΕ 802.16-2001 και συμπεριλάμβανε χαρακτηριστικά συστημάτων που ορίστηκαν ως η βάση για τη διεξαγωγή των δοκιμών συμμόρφωσης των διαφόρων συστημάτων με τις προδιαγραφές του προτύπου.

Τον Απρίλιο του 2003 εκδόθηκε το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16a που αφορούσε συχνότητες 2-11GHz, συμπεριλαμβάνοντας τις συχνότητες με ή χωρίς αδειοδότηση χρήσης τους, για επικοινωνίες μη οπτικής επαφής (Non-LOS) και επομένως σε περιβάλλον με ισχυρές απώλειες λόγω πολυδιαδρομικής παρεμβολής.

Το 2004 εκδόθηκε το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.16-2004 το οποίο αναθεώρησε και αντικατέστησε όλα τα προηγούμενα. Αναφέρεται σε σταθερά συστήματα ασύρματης ευρυζωνικής πρόσβασης που υποστηρίζουν υπηρεσίες πολυμέσων. Το πρότυπο αυτό συνδίαζε τα πλεονεκτήματα των εκδόσεων 802.16 a,b και c .

Το Δεκέμβριο του 2005 εκδόθηκε το ΙΕΕΕ 802.16e που αφορά την ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση για κινητά συστήματα. Το πρότυπο υιοθετεί air interface OFDMA για βελτιωμένη πολυδιαδρομική απόδοση σε περιβάλλοντα μη απ' ευθείας οπτικής επαφής (NLOS). Παρουσιάζεται ακόμη η κλιμακωτή OFDMA (Scalable OFDMA- SOFDMA) για να υποστηρίξει κλιμακούμενα εύρη καναλιών από 1.25 έως 20MHz. Έτσι εκδόθηκαν οι προδιαγραφές για το πρώτο Mobile Wimax σύστημα, το 802.16e.

Για να ανταποκριθεί στις IMT-Advanced απαιτήσεις, κυκλοφόρησε το 2007 η αναθεώρηση του πρωτοκόλλου που ολοκληρώθηκε το 2009 με το πρότυπο 802.16- 2009 , χωρίς όμως την επίσημη έγκριση από την ΙΕΕΕ, κάτι που έγινε το 2011 με το πρότυπο 802.16m.

Ν. Χρυσάνθου 91

4.2.2 Αρχιτεκτονική

Η τροποποίηση για το IEEE 802.16m περιγράφει την εκτενή δικτυακή αρχιτεκτονική για τα προηγμένα IEEE 802.16 δίκτυα. Με έναν καθορισμένο διαχωρισμό μεταξύ των υπηρεσιών του δικτύου πρόσβασης και των υπηρεσιών διαχείρισης, το IEEE 802.16m παρέχει τις λεπτομέρειες για τις λειτουργικές οντότητες και τις διεπαφές.

Το IEEE 802.16m πρότυπο αναφοράς δικτύων παρουσιάζεται στο σχήμα 32 [42].

Σχήμα 32: Το IEEE 802.16m πρότυπο αναφοράς δικτύων

Όπως και στο IEEE 802.16-2009, οι περιγραφές του προτύπου περιορίζονται στην πτυχή του δικτύου πρόσβασης. Η IEEE 802.16m τροποποιήσης περιλαμβάνει την περιγραφή του δικτύου πρόσβασης υπηρεσιών (Access Service Network - ASN) και τον προηγμένο κινητό συνδρομητή (Advanced Mobile Subscriber - AMS). Λεπτομερείς περιγραφές παρέχονται για το δίκτυο συνδεσιμότητας υπηρεσίας (Connectivity Service Network - CSN), το οποίο επιτηρεί αποτελεσματικά την διαχείριση των υψηλότερη στρώματος και τις λειτουργίες συνδεσιμότητας του δικτύου IEEE 802.16m, σε συνδυασμό με την παροχή της απαραίτητης συνδεσιμότητας για το δίκτυο κορμού.

Το σχήμα 33 παρουσιάζει διάφορα παραδείγματα επέκτασης σε 16m.

Ν. Χρυσάνθου 92 Σχήμα 33 : Παραδείγματα επέκτασης σε IEEE 802.16m

Το «καθαρώς» προηγμένο δίκτυο περιλαμβάνει τους προηγμένους σταθμούς βάσης (ABSs) για τον έλεγχο της ασύρματης διεπαφής, μέσω της οποίας οι AMSs (είτε άμεσα είτε έμμεσα) συνδέονται με το ASN και το CSN. Ένα IEEE 802.16m δίκτυο μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει προηγμένους Σταθμού Αναμετάδοσης (ARS) όπως και το IEEE 802.16-2009 και υποστηρίζει την συμβατότητα προς τα πίσω.

Η IEEE 802.16m τροποποίηση δίνει μια περιγραφή για ένα κυψελοειδές κινητό δίκτυο που ικανοποιεί τις απαιτήσεις της ITU για τα IMT-advanced συστήματα. Η ασύρματη διεπαφή καλείται προηγμένο WirelessMAN-OFDMA και παρέχει την υποστήριξη και για τις δύο duplexing τεχνικές TDD και FDD, συμπεριλαμβανομένου του Half-Duplexing FDD (Η-FDD).

Το πρότυπο που περιγράφεται από τη IEEE 802.16m τροποποίηση μοιάζει με αυτό της IEEE 802.16-2009. Όπως βλέπουμε στο σχήμα 34, το IEEE 802.16m εισάγει την έννοια της μαλακής ταξινόμησης με την οποία δεν απαιτείται το σημείο πρόσβασης υπηρεσίας (Service Access Point – SAP) μεταξύ δύο οποιωνδήποτε κατηγοριών λειτουργιών του MAC CPS στον έλεγχο των ραδιο-πόρων και μεταξύ των λειτουργιών διαχείρισης και του MAC [36] .

Ν. Χρυσάνθου 93 Σχήμα 34: Το IEEE 802.16m πρότυπο αναφοράς δικτύων

Επίσης όπως και στο IEEE 802.16-2009 η κατηγοριοποίηση των λειτουργιών MAC και PHY γίνεται σε τρία επίπεδα: Δεδομένων, ελέγχου και διαχείρισης.

Bασική δομή πλαισίων [43]

Η IEEE 802.16m τροποποίηση περιγράφει μια δομή υπερ-πλαισίου (superframe) 20ms που υποστηρίζει και TDD και FDD . Το superframe αρχίζει με την superframe κεφαλίδα που περιέχει τις πληροφορίες ελέγχου και διαχείρισης. Για τη συμβατότητα προς τα πίσω, το superframe διαιρείται σε τέσσερα εξίσου ταξινομημένα πλαίσια 5ms, κάθε ένα από τα οποία αποτελείται από οκτώ subframes είτε για τη μετάδοση DL είτε για UL. Αυτή η δομή πλαισίων παρουσιάζεται στο σχήμα 35.

Καθορίζονται τρεις τύποι subframes: τύπος 1 με έξι σύμβολα, τύπος 2 με επτά σύμβολα και τύπος 3 με πέντε σύμβολα. Αυτοί οι τύποι εφαρμόζονται και στα duplexing FDD και TDD.

Ν. Χρυσάνθου 94 Σχήμα 35 : Δομή Πλαισίων στο IEEE 802.16

4.2.3 OFDMA

Πρόκειται για μια τεχνική πολυπλεξίας που χρησιμοποιείται και στην άνω και στην κάτω ζεύξη , η οποία είναι ιδιαίτερα αποδοτική σε περιβάλλοντα πολλαπλών διαδρομών . Με τη χρήση της συγκεκριμένης τεχνικής προσδίδεται στο δίκτυο υψηλότερη ρυθμαπόδοση και χωρητικότητα , μεγαλύτερη ευελιξία στη διαχείριση των πόρων φάσματος και βελτιωμένη εσωτερική κάλυψη . Το πρότυπο 802.16e-2005 του mobile WiMAX χρησιμοποιεί μια παραλλαγή του OFDMA , το λεγόμενο Scalable OFDMA (S-OFDMA) . To S-OFDMA υποστηρίζει μια μεγάλη ποικιλία διαφορετικών εύρων ζώνης προκειμένου να ικανοποιήσει με τρόπο ελαστικό τις απαιτήσεις για πολλαπλή κατανομή και χρήση φάσματος . Αυτό που στην ουσία γίνεται είναι διαβάθμιση του FFT στο εύρος ζώνης των καναλιών, ώστε να διατηρείται σταθερή η κλιμάκωση δια μέσου καναλιών διαφορετικού εύρους (1.25 MHz , 5 MHz , 10 MHz ή 20 MHz) . Η σταθερή κλιμάκωση μεταξύ των φερόντων συντελεί σε υψηλότερη φασματική απόδοση στα κανάλια ευρείας ζώνης καθώς και σε μείωση δαπανών στα στενότερα κανάλια .

Στην OFDMA διάφορες ομάδες από υπο-φέροντα μπορούν να εκχωρηθούν σε διαφορετικούς χρήστες επιτρέποντας έτσι σε πολλαπλούς χρήστες να εκπέμπουν ταυτοχρονα όπως φαίνεται στο σχήμα 36.

Ν. Χρυσάνθου 95 Σχήμα 36: OFDMA σε 802.16m

4.2.4 MIMO

Ένα άλλο προηγμένο χαρακτηριστικό γνώρισμα του IEEE 802.16m είναι η χρησιμοποίηση των εκτεταμένων και βελτιωμένων τεχνικών MIMO. Το IEEE 802.16m επέκτεινε την υποστήριξη πολλών χρηστών MIMO σε οκτώ στρώματα στο Downlink και τέσσερα στρώματα στο Uplink. Επιπλέον, υιοθέτησε τις τεχνολογίες single-user MIMO, δικτυακό MIMO και πολύ-κυψελικό MIMO. Στην πραγματικότητα, η τελευταία τεχνική ενισχύει την χωρητικότητα στα άκρα τις κυψέλης μέσω της ικανότητας μείωσης της παρεμβολής γειτονικών κυψελών. Λόγω των ευρύτερων αυξήσεων εύρους ζώνης που περιλαμβάνονται στο IEEE 802.16m, η μέγιστη φασματική απόδοση αυξάνεται στο Downlink σε 17 kb/Hz/s για 4 × 4 στρώματα και στο Uplink σε 9.3 kb/Hz/s για 2 × 4 στρώματα.

SU-MIMO [44]

Η τεχνική ΜΙΜΟ μεμονωμένου χρήστη (SU-MIMO) , σχήμα 37 ,χρησιμοποιείται για να βελτιώσει την ποιότητα της ζεύξης, με το να παρέχει πιο ανθεκτικές μεταδόσεις, χρησιμοποιόντας διαφορισμό χώρου ή να αυξήσει τους ρυθμούς δεδομένων σε ένα MS με χωρική πολυπλεξία ή beamforming. Τόσο το SU-MIMO ανοιχτού βρόγχου όσο και το SU-MIMO κλειστού βρόγχου υποστηρίζονται στο IEEE 802.16m πρότυπο.

Για το SU-MIMO ανοιχτού βρόγχου, υποστηρίζονται τόσο η χωρική πολυπλεξία όσο και ο διαφορισμός μετάδοσης. Για το SU-MIMO κλειστού βρόγχου, υποστηρίζεται η προκωδικοποίηση βασισμένη σε codebook και για τα συστήματα TDD και για τα FDD.

Από τον κινητό σταθμό μπορεί να διαβιβαστεί ανατροφοδότηση CQI, PMI και θέσης, έτσι ώστε να βοηθηθεί ο σταθμός βάσης όσον αφορά την δρομολόγηση, την κατανομή των πόρων και τις αποφάσεις προσαρμογής του ρυθμού. Η ανατροφοδότηση CQI, PMI και θέσης μπορούν να είναι ή όχι εξαρτώμενες από την συχνότητα. Για το SU MIMO κλειστού βρόγχου, υποστηρίζεται προκωδικοποίηση βασισμένη σε μετρήσεις , για τα συστήματα TDD.

Ν. Χρυσάνθου 96 Σχήμα 37: Τεχνική SU-MIMO σε 802.16m

MU-MIMO [45]

Οι τεχνικές MIMO πολλών χρηστών (MU-MIMO), σχήμα 38 , χρησιμοποιούνται για να επιτρέψουν την κατανομή των πόρων και την διαβίβαση δεδομένων σε δύο ή περισσότερα MSs. Η MU-MIMO ενισχύει τη ρυθμοαπόδοση των συστημάτων. Η MU- MIMO υποστηρίζει τη μετάδοση σε πολλούς χρήστες χρησιμοποιόντας μία ροή ανά χρήστη. Περιλαμβάνει τη διαμόρφωση MIMO 2 Tx κεραιών για να υποστηρίξει μέχρι 2 χρήστες και 4 Tx ή 8 Tx κεραιών για να υποστηρίξει μέχρι 4 χρήστες. Υποστηρίζονται και οι δύο (συγκεντρωτικές και μη) γραμμικές τεχνικές προκωδικοποίησης MU-MIMO.

Στο MU-MIMO ανοιχτού βρόγχου μπορεί να διαβιβαστούν η ανατροφοδότηση του CQI και ο δείκτης της ροής που επιλέγετε, έτσι ώστε να βοηθήσουν τη δρομολόγηση του σταθμού βάσης, τη μεταγωγή του τρόπου μετάδοσης και την προσαρμογή του ρυθμού. Το CQI είναι εξαρτώμενο της συχνότητα. Για το MU-MIMO κλειστού βρόγχου πολλαπλών χρηστών , υποστηρίζεται προκωδικοποίηση βασισμένη σε codebook και για τα συστήματα TDD και τα FDD. Από τον κινητό σταθμό μπορούν να διαβιβαστούν ανατροφοδοτηση CQI και PMI έτσι ώστε να βοηθηθεί ο σταθμός βάσης για την δρομολόγηση, την κατανομή των πόρων και τις αποφάσεις προσαρμογής του ρυθμού. Η ανατροφοδότηση CQI και PMI, μπορούν να είναι ή όχι εξαρτώμενες από την συχνότητα. Για το ΜU MIMO κλειστού βρόγχου πολλαπλών χρηστών, υποστηρίζεται προκωδικοποίηση βασισμένη σε μετρήσεις , για τα συστήματα TDD.

Σχήμα 38: Τεχνική MU-MIMO σε 802.16m

MIMO Πολλών BS

Οι τεχνικές MIMO Πολλών BS, σχήμα 39 , υποστηρίζονται για τη βελτίωση της ρυθμοαπόδοσης τομέα και της ρυθμοαπόδοσης στα όρια της κυψέλης,

Ν. Χρυσάνθου 97

χρησιμοποιώντας προκωδικοποίησης με συνεργασία πολλών BS, συντονισμένο beamforming δικτύου ή εξάλειψη της παρεμβολή γειτονικών κυψελών. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν τεχνικές MIMO πολλών BS και ανοιχτού βρόγχου και κλειστού βρόγχου.

Για το MIMO Πολλών BS κλειστού βρόγχου,σχήμα 39, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ανατροφοδότηση του CSI. Οι πληροφορίες ανατροφοδότησης μπορούν να μοιραστούν από γειτονικά BSs μέσω της διεπαφής του δικτύου. Αυτό εισάγει την υποχρέωση για οπισθοζεύξη μικρής λανθάνουσα κατάστασης.

Σχήμα 39: Τεχνική MIMO Πολλών BS σε 802.16m

4.2.5 Συνάθροιση Φέροντος

Το IEEE 802.16m υποστηρίζει τη συνάθροιση φέροντος , σχήμα 40, (παρακείμενα υπο-φέροντα) και τις συναθροίσεις φάσματος (μη-παρακείμενα υπο- φέροντα) για να πετύχει εύρος ζώνης μετάδοσης μέχρι 100 MHZ, σύμφωνα με τις IMT- Advanced απαιτήσεις (η απαίτηση είναι 40 MHZ). Συνεπώς, τα κανάλια IEEE 802.16m δεν είναι ανάγκη να έχουν το ίδιο εύρος ζώνης ούτε πρέπει να είναι στην ίδια ζώνη συχνότητας. Τα αποτελέσματα των δύο αυτών συναθροίσεων είναι οι σημαντικά υψηλότερες μέγιστες και μέσες φασματικές αποδόσεις από ότι ήταν δυνατόν στο IEEE 802.16-2009. Εντούτοις αυτή η δυνατότητα του IEEE 802.16m, συνεπάγεται αλλαγές στις συσκευές των BS και των MS και οδηγεί σε υψηλότερη πολυπλοκότητα των συσκευών και την προκλητική διαχείριση των πόρων.

Τα πολλαπλά φέροντα μπορούν να συναθροιστούν για να επιτευχθεί μετάδοση μέχρι 100 MHZ εύρος ζώνης. Τα συναθροισμένα φέροντα μπορούν να είναι είτε παρακείμενα είτε μη-παρακείμενα στο πεδίο συχνότητας. Σε IEEE 802.16m με συνάθροιση πολλαπλού φέροντος μέχρι 100 MHZ, υποστηρίζεται εύρος ζώνης καναλιών 5, 10, 20 και 40 (προαιρετικα).

Ν. Χρυσάνθου 98 Σχήμα 40: Συνάθροιση Φερόντος σε 802.16m

Στη λειτουργία Πολλαπλού-φέροντος γίνεται έλεγχος και λειτουργία διάφορων παρακείμενων ή μη-παρακείμενων φερόντων RF όπου τα φέροντα RF μπορούν να εκχωρηθούν σε υπηρεσίες μονοεκπομπής και πολυεκπομπής. Τα επικαλυμμένα υπο- φέροντα φύλαξης των παρακείμενων φερόντων, ευθυγραμμίζονται προκειμένου να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση δεδομένων.

Τα φέροντα που χρησιμοποιούνται σε ένα σύστημα πολλαπλών φερόντων, από την προοπτική ενός IEEE 802.16m MS μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες:

• Ένα κύριο φέρον RF είναι το φέρον που χρησιμοποιεί ένα 16m MS για να εισέλθει στο δικτύο και χρησιμοποιείται από τον 16m BS και τα 16m MS για να ανταλλάξουν δεδομένα και όλες τις πληροφορίες ελέγχου το στρωμάτων PHY/MAC.

• Ένα δευτερεύον φέρον RF είναι ένα πρόσθετο φέρον που ο 16m BS μπορεί να χρησιμοποιήσει μόνο για την επικοινωνία με τα 16m MSs που είναι ικανά να υποστηρίξουν πολλαπλά φέροντα.

Προσδιορίζονται δύο τρόποι λειτουργίας :

• Συνάθροιση πολλαπλών φερόντων: Το 16m MS διατηρεί τη σύνδεση του φυσικού στρώματος και ρυθμίζει τον έλεγχο της σηματοδοσίας στο αρχικό φέρον ενώ επεξεργάζεται δεδομένα στο δευτερεύον φέρον.

• Μεταγωγή πολλαπλών φερόντων: Το 16m MS μεταστρέφει τη σύνδεση του φυσικού στρώματος από το αρχικό φέρον στο δευτερεύον φέρον που είναι ένα από τα μερικώς διαμορφωμένα φέροντα.

4.2.6 Αναμετάδοση

Ένα IEEE 802.16m δίκτυο μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει προηγμένους Σταθμούς Αναμετάδοσης (ARS) όπως και το IEEE 802.16-2009. Αυτοί μπορούν να είναι είτε, tRSs είτε ntRSs, ανάλογα με το ποια δρομολόγηση (κεντρικοποιημένη ή κατανεμημένη) χρησιμοποιείται [8].

Ν. Χρυσάνθου 99

Οι ευφυείς αναμεταδότες είναι μια αποτελεσματική τεχνολογία για να επιτευχθεί σημαντική επέκταση του δικτύου, για να παρέχουν οικονομικά αποδοτικές μεθόδους μετάδοσης υψηλού ρυθμού δεδομένων και να αποφύγουν τα κενά κάλυψης στις περιοχές επέκτασης. Επιπλέον, η αναβάθμιση των δικτύων προκειμένου να υποστηριχθούν υψηλότεροι ρυθμοί δεδομένων είναι ισοδύναμη με μια αύξηση του λόγου σήματος προς παρεμβολή και θόρυβο (SINR) στα άκρα των δεκτών. Επίσης, μέσω της επέκτασης οι πάροχοι μπορούν να αποφύγουν τα νεκρά σημεία. Μια παραδοσιακή λύση για να αυξηθεί το SINR του δέκτη, είναι να αναπτυχθούν πρόσθετοι BSs ή επαναλήπτες για να εξυπηρετήσουν τα νεκρά σημεία με τους αναγκαίους ρυθμούς δεδομένων. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το κόστος των BS είναι σχετικά υψηλό και η ανάπτυξη τους για την εξυπηρέτηση των νεκρών σημείων είναι ασύμφορη.

Ήδη η βιομηχανία έχει χρησιμοποιήσει τους επαναλήπτες RF, εντούτοις ο επαναλήπτης έχει το πρόβλημα την παρεμβολής και δεν έχει καμία νοημοσύνη στον έλεγχο και την επεξεργασίας των σημάτων.

Προκειμένου να επιτευχθεί μια οικονομικά πιο αποδοτική λύση, οι σταθμοί αναμεταδοτών (RS) οι οποίοι είναι ικανοί για την αποκωδικοποίηση και προώθηση των σημάτων από την πηγή στον προορισμό μέσω της ραδιο-διεπαφής, θα βοηθήσουν τους παρόχους να επιτύχουν υψηλότερο SINR με οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Οι σταθμοί αναμεταδοτών δεν χρειάζονται καλωδίωση οπισθοζεύξης (backhaul) . Το κόστος επέκτασης RSs αναμένεται να είναι πολύ χαμηλότερο από το κόστος BSs. Η απόδοση των συστημάτων θα μπορούσε να βελτιωθεί περαιτέρω με τον ευφυή σχεδιασμό κατανομής των πόρων και τη συνεταιρική μετάδοση στα συστήματα, χρησιμοποιώντας τους ευφυείς αναμεταδότες. Οι ARSs μπορούν να λειτουργούν σε διαφανή (tRSs) ή αδιαφανή τρόπο (ntRSs). Η συνεταιριστική αναμετάδοση είναι μια τεχνική με την οποία είτε τα ABS και ένα ή περισσότερα ARSs, είτε πολλά ARSs σε συνεργασία, εκπέμπουν ή λαμβάνουν δεδομένα από/προς ένα υποσταθμό ή πολλούς υποσταθμούς. Η αναμετάδοση με συνεργασία μπορεί επίσης να επιτρέψει σε πολλούς σταθμούς να συνεργαστούν στη χρησιμοποίηση των κεραιών τους για να δημιουργηθεί μια εικονική σειρά κεραιών. Η χρησιμοποίηση αναμεταδοτών μπορεί να βελτιώσει ένα δίκτυο IEE 802.16m σε πολλούς τομείς [46], όπως φαίνεται στα σχήματα 41,42 και 43.

Σχήμα 41: Χρησιμοποίηση αναμεταδοτών για επέκταση της κάλυψη ή τη βελτίωση της ρυθμοαπόδοση στα όρια της κυψέλης.

Ν. Χρυσάνθου 100 Σχήμα 42: Χρησιμοποίηση αναμεταδοτών για κάλυψη περιοχών που στερούνται την κάλυψη λόγω σκίασης (π.χ. λόγω των μεγάλων κτηρίων).

Σχήμα 43: Χρησιμοποίηση αναμεταδοτών για καλύτερη εκμετάλλευση των πόρων και επέκταση της χωρητικότητας της κυψέλης.

Ν. Χρυσάνθου 101

4.2.7 Υποστήριξη Φεμπτοκυψέλων

Ένα IEEE 802.16m ASN μπορεί επίσης να επεκταθεί με φεμπτοκυψέλες (Femtocells) και να υποστηρίξει λειτουργίες πολλαπλού φέροντος. Ένας ABS που εξυπηρετεί ένα Femtocell καλείται Femto ABS. Οι διαφορετικοί τύποι Femtocells καθορίζονται στη IEEE 802.16m τροποποίηση. Αυτοί διαφοροποιούνται με βάση τους συνδρομητές που επιτρέπουν την πρόσβαση.

Οι Femtocells στο WiMAX 16m, είναι σημεία πρόσβασης χαμηλής τροφοδοσίας που χρησιμοποιούνται κυρίως σε σπίτι ή σε κτίρια για να παρέχουν πρόσβαση σε μια κλειστή ή ανοικτή ομάδα χρηστών, όπως διαμορφώνονται από τους συνδρομητές τους.

Τα Femtocells συνδέονται κανονικά με το δίκτυο παροχής υπηρεσιών μέσω της πρόσβασης ευρείας ζώνης ή άλλων τεχνολογιών πρόσβασης του φορέα. Για τους femtocell BSs που μπορεί να υποστηρίξουν τη μετάδοση συνδέσεων αναμετάδοσης, πρέπει να πραγματοποιηθεί η σύνδεση της ασύρματης διεπαφής με τους επικαλυμμένους macrocell BS, για την ανταλλαγή των μηνυμάτων ελέγχου.

Ο Femtocell BS προορίζεται να εξυπηρετήσει τους δημόσιους χρήστες, όπως το δημόσιο WiFi hot spot ή να εξυπηρετήσει την κλειστή ομάδα συνδρομητών (CSG) που είναι ένα σύνολο συνδρομητών που εγκρίνονται από τον ιδιοκτήτη του femtocell BS ή τον πάροχο υπηρεσιών. Η CSG μπορεί να τροποποιηθεί με τη συμφωνία επιπέδων εξυπηρέτησης μεταξύ του συνδρομητή και του χορηγού πρόσβασης.

Το 16m για να μεγιστοποιήσει τη γενική απόδοση δικτύων, θα υποστηρίξει Femtocells με τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των αυτό-οργανωμένων συστημάτων, της αυτόματης εγκαθίδρυσης γειτόνων, της βελτιστοποίησης της κάλυψης και της χωρητικότητας, της αναβάθμισης λογισμικού και τη βελτιστοποίηση διαπομπής.

4.3 Σύγκριση LTE-Advanced και WIMAX [14]

Αυτό το μέρος του κεφαλαίου 4, παρέχει μια συγκριτική μελέτη μεταξύ LTE και WiMAX. Ψάχνοντας στο διαδίκτυο λεπτομέρειες για τις δύο τεχνολογίες ανακαλύπτεις έναν μεγάλο ανταγωνισμό μεταξύ τους. Εντούτοις, μπορούμε να πούμε ότι αυτός ο ανταγωνισμός περιορίζεται στο διαχωρισμό της ασύρματης ευρυζωνικής αγοράς παρά σε έναν τεχνολογικό ανταγωνισμό. Ο λόγος για αυτό, είναι οι πολλές ομοιότητες μεταξύ των λειτουργιών του PHY και του MAC που χρησιμοποιούνται και στα δύο αυτά πρότυπα. Στην πραγματικότητα και τα δύο, υιοθέτησαν τις ίδιες τεχνολογίες και διαφέρουν μόνο στην εφαρμογή τους. Κατά συνέπεια, δεν αναμένεται ότι το ένα από αυτά θα εκτοπίσει το άλλο, αλλά μάλλον θα ενσωματωθούν ομαλά, αφότου κοπάσει ο

«πόλεμος» της αγοράς. Επομένως, είναι λογικό να γίνει μια σύγκριση μεταξύ τους παρά μια ανταγωνιστική μελέτη των δύο.

Αυτό το κεφάλαιο οργανώνεται ως εξής. Η παράγραφος 4.3.1 αντιπαραβάλλει την εξέλιξη προς τις δύο IMT-Advnaced τεχνολογίες. Η παράγραφος 4.3.2 αφιερώνεται στη σύγκριση της φασματικής απόδοσης και σχολιάζει την εφαρμογή και την υιοθέτηση του OFDMA και του MIMO. Στην παράγραφο 4.3.3 συζητείται η ευελιξία του φάσματος και η εφαρμογή των τεχνικών συνάθροισης φέροντος. Τέλος, η παράγραφος 4.3.4 συγκρίνει τις δικτυακές αρχιτεκτονικές.

Ν. Χρυσάνθου 102

4.3.1 Η Εξέλιξη των IMT-Advanced προτύπων

Παρά τις πολλές ομοιότητες μεταξύ LTE και WiMAX, η προέλευσή τους είναι εντελώς διαφορετική. Ενώ το LTE είναι ο κληρονόμος μιας τεχνολογία βασισμένη στην υπηρεσία φωνή, τη μεταγωγή κυκλωμάτων φωνής, το WiMAX προήλθε από μια τεχνολογία βασισμένη στην υπηρεσία δεδομένων, τα δίκτυα υπολογιστών. Με άλλα λόγια, το WiMAX γεννήθηκε ως all-IP τεχνολογία ενώ το LTE πέρασε από αργά και μακροχρόνια στάδια ανάπτυξης για να γίνει ένα all-IP δίκτυο. Η αξιολόγηση και των δύο προτύπων παρουσιάζεται στο σχήμα 44.

Σχήμα 44: Η εξέλιξη του LTE και του WIMAX

Στην πραγματικότητα, αυτή είναι μια από τις διαφορές μεταξύ LTE και IEEE 802.16m. Ενώ το LTE είναι μια εξέλιξη του δικτύου υπηρεσιών φωνητικών μηνυμάτων, το IEEE 802.16 είναι μια εξέλιξη του δικτύου υπηρεσιών δεδομένων.

Η αιτία για την ανάπτυξη των δύο προτύπων ήταν ως εκ τούτου η ανάγκη να προσφέρουν υψηλότερους και πιo αξιόπιστους ρυθμούς δεδομένων έτσι ώστε να προσαρμοστούν στην αυξανόμενη ζήτηση των κινητών χρηστών. Επιπλέον, οι πελάτες αναμένουν τα δίκτυα παροχής υπηρεσιών να υποστηρίξουν διάφορους τύπους εφαρμογών συμπεριλαμβανομένων των εφαρμογών με ψηλές απαιτήσεις σε εύρος ζώνης, όπως η ροή τηλεοπτικού σήματος, η τηλεοπτική συνδιάσκεψη και τα δικτυακά παιχνίδια. Η αντιμετώπιση του αυξανόμενου αριθμού χρηστών και η παροχή της συνεχούς υποστήριξης για τις τρέχουσες και νέες αναπτυγμένες εφαρμογές με υψηλές απαιτήσεις σε εύρος ζώνης αφήνουν στους πάροχους ασύρματων ευρυζωνικών επικοινωνιών την ανησυχία για εξεύρεση διάφορων τρόπων έτσι ώστε να παρέχουν τα απαιτούμενα υψηλά ποσοστά δεδομένων. Το σχήμα 45 παρουσιάζει το χάσμα μεταξύ της διαθέσιμης χωρητικότητας των τρεχουσών τεχνολογιών και της απαίτησης για ρυθμούς δεδομένων.

Ν. Χρυσάνθου 103 Σχήμα 45: Xάσμα μεταξύ της διαθέσιμης χωρητικότητας και των απαιτήσεων σε bps

Η ITU παρήγαγε ένα νέο σύνολο απαιτήσεων για τα μελλοντικά ασύρματα δίκτυα.

Αυτές οι απαιτήσεις εστιάζονται κυρίως στην παροχή υψηλών ρυθμών δεδομένων.

Συγκεκριμένα, καθορίζεται 1Gbps για τους σταθερούς και χαμηλής κινητικότητας χρήστες και 100Mbps για τους υψηλής κινητικότητας χρήστες. Ούτε το IEEE 802.16- 2009 ούτε το LTE Rev.9 είναι σε θέση να παρέχουν τέτοια ποσοστά. Ως εκ τούτου, οι δύο ομάδες τυποποίησης, 3GPP και IEEΕ έπρεπε να έρθουν με τη IMT-Advanced πρότασή τους. Ενώ η πρώτη πρότεινε το LTE-Advanced, η τελευταία πρότεινε το IEEE 802.16m. Όπως φαίνεται και από τα ονόματα , αυτές οι δύο προτάσεις είναι στην πραγματικότητα βελτιώσεις των προηγούμενων, του LTE-Rev.9 και IEEE 802.16-2009, αντίστοιχα.

4.3.2 Σύγκριση Φασματικής Απόδοσης

Ένας λεπτομερής έλεγχος των φασματικών αποδόσεων των δύο τεχνολογιών στο UL και το DL παρουσιάζει μεγάλη ομοιότητα. Αυτές οι αποδόσεις συνοψίζονται στον πίνακα 7.

Πίνακας 7 : Σύγκριση φασματικής απόδοσης μεταξύ LTE και WIMAX

Ν. Χρυσάνθου 104

προτάσεις τείνουν να χρησιμοποιήσουν τις πιο πρόσφατες τεχνολογικές προόδους στο στρώμα PHY. Αυτές περιλαμβάνουν την επικοινωνία πολλαπλών φερόντων (OFDM, SC-FDMA, και OFDMA), το προσαρμοστικό MIMO με μέχρι τέσσερα στρώματα, το ευέλικτο φάσμα και την κλασματική επαναχρησιμοποίηση συχνότητας, την αναμετάδοση, το MIMO σε πολλές κυψέλες, κ.λπ.

4.3.2.1 Εφαρμογή OFDMA

Η OFDMA, ως τεχνολογία πολλαπλής πρόσβασης, προσφέρει μια σημαντική βελτίωση στη φασματική απόδοση για περισσότερους από έναν λόγους. Για παράδειγμα, η ικανότητα της για τη διαχείριση της παρεμβολής πολλαπλών διαδρομών διευκολύνει την παροχή υψηλών ρυθμών δεδομένων ενώ υπόκειται σε οριακό ISI.

Επίσης, η δυνατότητα κατανομής μπλοκ εύρους ζώνης με διαφορετικό μέγεθος για τους χρήστες βοηθά στην υποστήριξη διαφορετικών ρυθμών δεδομένων και στην εξυπηρέτηση περισσότερων χρηστών. Επιπλέον, η OFDMA ενσωματώνεται ομαλά με την τεχνολογία MIMO, η οποία είναι άλλη μια τεχνολογία που αυξάνει τους ρυθμούς δεδομένων.

Στο WiMAX, η OFDMA υιοθετείται τόσο στο DL όσο και στο UL. Εντούτοις, το LTE προσέφυγε σε SC-FDMA στο UL για να ενισχύσει την απόδοση ισχύος των κινητών συσκευών. Αυτή η επιλογή, όπως υποστηρίζει η 3GPP, μειώνει το PAPR στο UL κατά 1-2 dB, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Στην πραγματικότητα, το WiMAX υιοθέτησε μια εναλλακτική προσέγγιση για να επιτύχει μια παρόμοια μείωση του PAPR, που εξαρτάται από την σχεδίαση αποδοτικών σεναρίων κατανομής των πόρων. Εντούτοις, μια τέτοια σχεδίαση κάνει την λειτουργία του UE πιο περίπλοκη.

Ακόμα κι αν τα δύο δίκτυα χρησιμοποιούν OFDMA, διαφέρουν στην εφαρμογή του, ειδικά στην εφαρμογή της δομής πλαισίων. Το LTE και LTE-Advanced χρησιμοποιούν ένα σταθερό μέγεθος πλαισίων 10ms με μέγεθος υπο-πλαισίου 1ms.

Αντίθετα, το IEEE 802.16-2009 καθορίζει ένα μέγεθος πλαισίων μεταβλητής διάρκειας, από 2 έως 10ms. To IMT-Advanced IEEE 802.16m χρησιμοποιεί ένα ιεραρχικό μέγεθος πλαισίων με πλαίσια διάρκειας 5 ms. Ο λόγος αυτής της επιλογή ήταν η υποστήριξη της συμβατότητα προς τα πίσω με το IEEE 802.16-2009. Εντούτοις γενικά, η πιο σύντομη διάρκεια πλαισίων στην IEEE 802.16m τροποποίηση χρειαζόταν για να καλυφθούν οι απαιτήσεις της ITU-R όσον αφορά την καθυστέρηση.

Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του OFDMA είναι η εύκαμπτη κατανομή των πόρων. Στο LTE, οι πόροι κατανέμονται σε κάθε subframe, με τα μηνύματα ελέγχου να μεταδίδονται στα πρώτα τρία σύμβολα του OFDM στο DL. Από την άλλη, το WiMAX κατανέμει τους πόρους σε κάθε πλαίσιο. Εντούτοις, δεδομένου ότι το WiMAX υιοθετεί τα πλαίσια μεταβλητού μεγέθους, η διάρκεια του κύκλου δρομολόγησης εξαρτάται από το μέγεθος των πλαισίων. Τουλάχιστον δύο σύμβολα OFDM στο DL διατίθενται για τα μηνύματα ελέγχου.

Το σχήμα 46 παρουσιάζει τη διαφορά στην εφαρμογή του OFDMA μεταξύ του LTE και του WiMAX. Στο LTE, 12 παρακείμενα υπο-φέροντα ομαδοποιούνται για να διαμορφώσουν μια φασματική περιοχή ( Resource Block - RB) στο πεδίο συχνότητας και είτε έξι είτε επτά σύμβολα OFDM στο πεδίο του χρόνου, ανάλογα εάν υιοθετείται το κανονικό ή το εκτεταμένο κυκλικό πρόθεμα. Τα υπο-φέροντα OFDMA χωρίζονται κατά διαστήματα από τη σταθερή συχνότητα 15 KHz στο φάσμα συχνότητας. Ο αριθμός των RBs σε ένα κανάλι ποικίλλει μεταξύ 6 και 100 ανάλογα με το εύρος ζώνης τους. Το

Ν. Χρυσάνθου 105

WiMAX επιτρέπει την ομαδοποίηση παρακείμενων υπο-φέροντων, την αποκαλούμενη προσαρμοστική διαμόρφωση και κωδικοποίηση ζώνης (Band Adaptive Modulation and Coding - BAMC), για να διαμορφώσει μια χρονοθυρίδα (time slot), ή μια κατανεμημένη ομαδοποίηση υπο-φέροντων γνωστή ως PUSC.

Σχήμα 46 : Δομή Πλαισίου OFDMA

Σε PUSC, 24 υπο-φέροντα ομαδοποιούνται στο πεδίο της συχνότητας πάνω από δύο διαδοχικά σύμβολα OFDM παράγοντας μια χρονοθυρίδα 48 υπο-φέροντων, ενώ η BAMC ομαδοποιεί 16 υπο-φέροντα με την χρησιμοποίηση τριών διαδοχικών συμβόλων OFDM παράγοντας 48 υπο-φέροντα. Ανεξάρτητα από τη μέθοδο που χρησιμοποιείται, η χρονοθυρίδα του WiMAX διαμορφώνεται πάντα από 48 υπο-φέροντα. Και στις δύο μεθόδους ομαδοποίησης, ο αριθμός υπο-φέροντων ανά θυρίδα είναι 48. Αντίθετα από το LTE, το WiMAX δεν καθορίζει ένα σταθερό διάστημα υπο-φερόντων. Η συχνότητας της ζώνη ασφαλείας εξαρτάται από το εύρος ζώνης των καναλιών. Σε περίπτωση

Ν. Χρυσάνθου 106

WiMAX είναι 10.94 MHZ.

4.3.2.2 Εφαρμογή MIMO

Η MIMO είναι ένα άλλο παράδειγμα τεχνικής PHY αύξησης του ρυθμού, που υιοθετείται από τις δύο τεχνολογίες. Αντίθετα από την OFDMA, η MIMO ενισχύει τον ρυθμό δεδομένων χωρίς οποιαδήποτε αύξηση στο εύρος ζώνης καναλιών.

Εντούτοις, όπως και με την OFDMA, η εφαρμογή της MIMO τεχνολογίας στο LTE και στο IEEE 802.16-2009 γίνεται με διαφορετικούς τρόπους.

Το LTE υιοθέτησε διάφορες τεχνικές MIMO συμπεριλαμβανομένου SU-MIMO, MU-MIMO, ανοικτού βρόγχου και κλειστού βρόγχου χωρική πολυπλεξία, και αφιερωμένο beamforming. Το SU-MIMO υποστηρίζεται στο DL με μέχρι τέσσερα στρώματα ενώ το MU-MIMO υποστηρίζεται και στο UL και στο DL, με μέχρι τέσσερα στρώματα στο DL και δύο στρώματα στο UL.

Το IEEE 802.16-2009 υιοθετεί δύο τεχνικές ανοικτών βρόχων MIMO, την MIMO Matrix-A (Κωδικοποίηση Χώρου-Χρόνου) και την MIMO Matrix-B (Χωρική Πολυπλεξία).

Τα IEEE 802.16e πρότυπα περιλαμβάνουν επίσης δύο και τέσσερα συστήματα κεραιών MIMO εντούτοις, η εφαρμογή της εστιάζεται σε 2 × 2 κεραίες. Από την άλλη, το IEEE 802.16-2009 ενίσχυσε τον ρυθμό δεδομένων με την αύξηση του αριθμού κεραιών στο τερματικό.

Συγκρινόμενα με τα LTE και IEEE 802.16-2009, τα LTE-Advanced και IEEE 802.16m υποβλήθηκαν σε επέκτασης της τεχνολογίας MIMO. Και τα δύο δίκτυα εισήγαγαν το MU-MIMO, όπου περισσότεροι από ένας κινητοί χρήστες μπορούν να εκχωρηθούν σε έναν resource block συγχρόνως και να αυξήσουν τον αριθμό μεταδόσεων DL και UL σε οκτώ και τέσσερις, αντίστοιχα. Αυτό ενισχύει τη φασματική απόδοση και αυξάνει το ρυθμό δεδομένων σύμφωνα με τις IMT-Advanced απαιτήσεις.

Το πολυ-κυψελικό ή δικτυακό MIMO είναι μια άλλη πρόοδος τεχνολογίας MIMO που χρησιμοποιείται στο LTE-Advanced και στο IEEE 802.16m. Σε αυτό, πολλοί BSs συνεργάζονται για να εξυπηρετήσουν πολλά MSs στα άκρα της κυψέλης. Το πολυ- κυψελικό MIMO αποβάλλει την παρεμβολή γειτονικών κυψελών και παρέχει κέρδη διαφορισμού, τα οποία βελτιώνουν το ρυθμό δεδομένων των χρηστών στα άκρα της κυψέλης, με αποτέλεσμα να αυξάνουν ολόκληρη τη μέση ρυθμοαπόδοση των κυψελών.

Το CoMP θεωρείται για το LTE-Advanced ως ένα εργαλείο για να βελτιώσει τη ρυθμοαπόδοση στα άκρα της κυψέλης. Ένα CoMP είναι ένα σύστημα διάφορων BSs που είναι τοποθετημένοι σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή και που συνδέεται ο ένα με τον άλλο με μια καθορισμένη αφιερωμένη σύνδεση. Οι BSs συντονίζουν την εκπομπή και λήψη ενός συγκεκριμένου χρήστη έτσι ώστε να ενισχυθεί η αξιοπιστία στην επικοινωνίας. Το CoMP μπορεί να είναι δύο τύπων: δυναμικής δρομολόγησης μεταξύ των πολλαπλών κυψελών στη γεωγραφική περιοχή και της κοινής εκπομπής – λήψης από τις πολλαπλές κυψέλες . Ο όρος δυναμική δρομολόγηση δεν είναι μια νέα έννοια για το LTE-Advanced. Μπορεί να χαρακτηριστεί ως επέκταση στη διαχείριση παρεμβολής γειτονικών κυψελών που υποστηρίζεται στο LTE. Στη διαχείριση παρεμβολής γειτονικών κυψελών, η δρομολόγηση συντονίζεται μεταξύ πολλών γειτονικών BSs προκειμένου να επιτευχθεί ο προσαρμοστικός συντονισμός παρεμβολής γειτονικών κυψελών. Η κοινή εκπομπή επιτυγχάνεται με το να έχουμε πολλούς BSs να εκπέμπουν σε ένα συγκεκριμένο χρήστη. Μέσω αυτού, η παρεμβολή μειώνεται και η λαμβανόμενη ισχύς αυξάνεται. Και το CoMP και το πολυ-κυψελικό

Ν. Χρυσάνθου 107

MIMO στο LTE-Advanced και στο IEEE 802.16m αντίστοιχα, βελτιώνουν τη ρυθμοαπόδοση και επεκτείνουν την κινητικότητα του χρήστη.

4.3.2.3 Ευελιξία Φάσματος

Το IEEE 802.16 και το LTE διακρίνονται από τα 2G και 3G δίκτυα από τις ευέλικτες κατανομές φάσματός τους. Τα 2G και 3G δίκτυα χαρακτηρίζονται από ένα φάσμα σταθερού πλάτους. Εν τω μεταξύ, το IEEE 802.16 e, που περιορίζεται στο τρόπο duplexing TDD, μπορεί να λειτουργήσει στις εξουσιοδοτημένες ζώνες 2.3, 2.5 και 3.5 Ghz και στην χωρίς άδεια ζώνη 5.3 Ghz. Το IEEE 802.16-2009 πρόσθεσε δύο περισσότερες ζώνες φάσματος, τις 1.7 και 2.1 Ghz, για να προσαρμόστει κυρίως με την FDD. Για να εναρμονιστεί με τις IMT-Advanced ζώνες συχνοτήτων, το IEEE 802.16m χαρακτηρίζεται απο ένα νέο σύνολο ζωνών φάσματος όπως φαίνεται στον πίνακα 8. Οι ζώνες συχνοτήτων για το LTE συνοψίζονται στους πίνακες 9 και 10.

Τόσο το LTE όσο και το IEEE 802.16-2009 αναμένονται να υποστηρίξουν τους διαφορετικούς τύπους εφαρμογών με τις διαφορετικές απαιτήσεις QoS. Οι ρυθμοί δεδομένων που επιτυγχάνονται από το LTE και το IEEE 802.16-2009 εξαρτώνται από το εύρος ζώνης καναλιών, τον χρησιμοποιούμενο αριθμό στρωμάτων MIMO και τον τύπο διαμόρφωσης. Το IEEE 802.16-2009 καθορίζει τα διαφορετικά εύρη ζώνης καναλιών από 5MHz-28 MHZ. Εκτός από αυτά, το IEEE 802.16m καθορίζει ένα προαιρετικό εύρος ζώνης καναλιών 40MHz χωρίς συνάθροιση φερόντων, με την οποία, το εύρος ζώνης καναλιών μπορεί να αυξηθεί μέχρι 100 MHZ. Το LTE καθορίζει 1.4, 3, 5, 10, 15, και 20MHz εύρος ζώνης καναλιών, τα οποία μπορούν να αυξηθούν μέχρι 100MHz χρησιμοποιώντας τη συνάθροιση φάσματος. Ο πίνακας 11 παρουσιάζει τους ρυθμούς δεδομένων του LTE και του IEEE 802.16-2009 για εύρος ζώνης καναλιού 20MHz χρησιμοποιώντας διαφορετικά στρωμάτων MIMO. Ο πίνακας 12 παρουσιάζει τους ρυθμούς δεδομένων του LTE-Advanced και του IEEE 802.16m.

Ν. Χρυσάνθου 108 Πίνακας 8 : Ζώνες Συχνοτήτων IEEE 802.16m

Ν. Χρυσάνθου 109 Πίνακας 9 : Κατανομή Ζωνών Συχνοτήτων στο LTE-FDD

Πίνακας 10 : Κατανομή Ζωνών Συχνοτήτων στο LTE-TDD

Πίνακας 11 : Ρυθμοί Δεδομένων στο LTE και στο IEEE 802.16-2009 για κανάλι εύρους ζώνης 20MHz και διαφορετικές ρυθμίσεις MIMO.

Ν. Χρυσάνθου 110

Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, η αύξηση του εύρους ζώνης μετάδοσης είναι ένας από τους πολλούς τρόπους μέσω των οποίων οι ρυθμοί δεδομένων μπορούν να ενισχυθούν. Στην πραγματικότητα, η υποστήριξη των μεταδόσεων ευρείας ζώνης μέχρι 40MHz (περισσότερο ενθαρρύνεται αλλά δεν απαιτείται) είναι μια από τις απαιτήσεις των IMT-Advanced. Εντούτοις, μια τέτοια αύξηση δεν μπορεί να επιτευχθεί εύκολα ειδικά με τη παρούσα έλλειψη φάσματος και με την απαίτηση συμβατότητας προς τα πίσω (δηλ., με LTE και IEEE 802.16 Release 2). Εντούτοις, τα μεγαλύτερα εύρη ζώνης μετάδοσης μπορούν ακόμα να επιτευχθούν είτε με τη συνάθροιση φάσματος είτε με τη δυναμική κατανομή φάσματος.

Η συνάθροιση φάσματος υποστηρίζεται στο IEEE 802.16m και στο LTE- Advanced. Σε LTE-Advanced, δύο ή περισσότερα φέροντα RF, κάθε ένα με εύρος ζώνης μέχρι 20MHz μπορούν να αθροιστούν, φθάνοντας σε μέγιστο εύρος ζώνης 100 MHZ. Στο IEEE 802.16m, το εύρος ζώνης μπορεί να είναι από 5-40MHz. Ενώ η συνάθροιση φάσματος επιτρέπει την πρόσβαση σε μεγάλες κατανομές (μέχρι 100 MHZ), για να επιτευχθεί απαιτούνται οι παρακείμενες ελεύθερες κατανομές. Αυτή η διαθεσιμότητα μπορεί να μην είναι πάντα δυνατή. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι επιθυμητή η συνάθροιση των μη παρακείμενων μπλόκ φάσματος.

Ο δεύτερος μηχανισμός που διευκολύνει την επίτευξη μεταδόσεων μεγάλου εύρους ζώνης είναι η δυναμική κατανομή φάσματος. Αυτή ιδιαίτερα, είναι η περίπτωση που τα IMT-Advanced δίκτυα είναι σε θέση να ωφεληθούν από το φάσμα που δεν έχει προηγουμένως εκχωρηθεί στα IMT συστήματα. Τέτοιες κατανομές επιτρέπουν επίσης την εύκαμπτη χρήση φάσματος μεταξύ διάφορων χειριστών, που διευκολύνουν την καλύτερη διαχείριση των ραδιο-πόρων και επιτρέπουν την παροχή υπηρεσιών με υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων. Ακόμα κι αν, και οι δύο τεχνολογίες υποστηρίζουν τη συνάθροιση φέροντων και τη δυναμική κατανομή φάσματος, το IEEE 802.16m συγκρινόμενο με το LTE-Advanced αντιμετωπίζει την έλλειψη υψηλής ποιότητας φάσματος. Το διαθέσιμο φάσμα για το IEEE 802.16m ακόμα περιορίζεται σε 3.5 Ghz ή 5 Ghz, το οποίο είναι υψηλότερο από αυτό του LTE-Advanced.

4.3.3 Υιοθέτησης Αναμετάδοσης

Η ασύρματη αναμετάδοση με πολλά hops συνεπάγεται παράδοση τη σύνδεση ενός ΜS σε ένα BS μέσω εγκατεστημένων RSs. Και οι δύο τεχνολογίες παρουσιάζουν ενδιαφέρον για την εισαγωγή και την ενίσχυση της αναμετάδοσης του σήματος. Το LTE-Advanced καθορίζει δύο τύπους αναμεταδοτών: Τύπος-Ι και Tύπος-ΙΙ, ενώ το IEEE 802.16j καθορίζει τη διαφανή και την αδιαφανή αναμετάδοση. Ο κύριος στόχος στα IMT-Advanced συστήματα είναι να επεκταθεί η κάλυψη των κυψελών μέσω

Ν. Χρυσάνθου 111

του RS και να ενισχυθεί η γενική ρυθμοαπόδοση τους. Ο Τύπος-Ι και οι αδιαφανές RSs επεκτείνουν την κάλυψη των BS για να συμπεριλάβουν MSs που δεν μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τον BS. Τέτοιοι RSs πρέπει να μεταδώσουν ασύρματα τις πληροφορίες ελέγχου στα MSs δεδομένου ότι τα MSs δεν μπορούν να λάβουν τη μετάδοση ελέγχου των BS. Εν τω μεταξύ, οι RSs του Τύπου-ΙΙ στο LTE-Advanced και τα διαφανές RSs στο IEEE 802.16m δεν χρησιμοποιούνται για την επέκταση της κάλυψης του BS, αλλά χρησιμοποιούνται για να βελτιώσουν την ποιότητα υπηρεσιών και την χωρητικότητα των ζεύξεων μέσα στην περιοχή κάλυψης της κυψέλης. Αυτά τα RSs δεν χρειάζονται τα αφιερωμένα μηνύματα ελέγχου, δεδομένου ότι οι MSs μπορούν να προσδιορίσουν τα μηνύματα ελέγχου των BS.

Η αναμεταδόσεις αποσκοπούν στην κάλυψη των απαιτήσεων των χρηστών με τρεις τρόπους: αυξανόμενη κάλυψη, υψηλότερη ρυθμοαπόδοση και βελτιωμένη αξιοπιστία. Μέσω της αναμετάδοσης, ένας χρήστης μπορεί εύκολα να μετακινηθεί αρκετά πέρα από τις μέγιστες αποστάσεις με την υποστήριξη της ίδιας τεχνολογίας δικτύων. Σε περιοχές με ισχυρή εξασθένιση, ένα RS ενισχύει τη συνδετικότητα και την αξιοπιστία του δικτύου και επεκτείνει την κάλυψή του. Εντούτοις, ο Τύπος-ΙΙ και η διαφανής αναμετάδοση χρησιμοποιούνται για να πραγματοποιήσουν υψηλότερα ποσοστά ρυθμοαπόδοσης και δεδομένων, για να υποστηρίξουν τις εφαρμογές πολυμέσων και να παρέχουν τις απαιτήσεις QoS που χρειάζονται.

Υπάρχουν μικρές διαφορές μεταξύ των Τύπου-ΙΙ RSs και των διαφανές RSs.

Αντίθετα υπάρχουν, μεγάλες διαφορές μεταξύ των Τύπου-Ι RSs και των αδιαφανές RSs.

Οι Τύπου-Ι RSs περιορίζονται σε δύο hops, ενώ οι αδιαφανές RSs είναι απεριόριστου αριθμού hops. Αυτός ο περιορισμός, που απεικονίζεται στα σχετικά σχέδια δομής του πλαισίου και της σηματοδοσία, δίνει ένα πλεονέκτημα στο IEEE 802.16m (που είναι βασισμένο στο IEEE 802.16j για την επικοινωνία multihop) σε σχέση με το LTE- Advanced. Το IEEE 802.16m μπορεί να διευρύνει την περιοχή κάλυψης κατά τρόπο οικονομικά αποδοτικό. Εντούτοις, πρέπει να σημειωθεί ότι τα πολλαπλά hops οδηγούν στην ουσιαστική αύξηση της καθυστέρηση.

4.3.4 Σύγκριση των Δικτυακών Αρχιτεκτονικών

Εννοιολογικά, το LTE και το WiMAX έχουν παρόμοιες δικτυακές αρχιτεκτονικές. Και τα δύο έχουν μία all-IP επίπεδη αρχιτεκτονική. Οι δικτυακές αρχιτεκτονικές τους μπορούν να διαιρεθούν σε τρία λογικά μέρη: Κινητός Σταθμός (Mobile Station - MS) / Σταθμός Χρήστη (User Equipment - UE), Δίκτυο Πρόσβασης Υπηρεσιών (Access Service Network -ASN) / Δίκτυο Πυρήνα (Core Network - CN) και Δίκτυο Υπηρεσιών Σύνδεσης υπηρεσιών (Connectivity Service Network - CSN) / Δίκτυο Δεδομένων Πρωτοκόλλου(Protocol Data Network - PDN) για το WIMAX/LTE αντίστοιχα.

Το σχήμα 47 και το σχήμα 48 παρουσιάζουν τις αρχιτεκτονικές του WiMAX και του LTE αντίστοιχα. Τα δύο δίκτυα διαφέρουν στις λειτουργίες που εκτελούνται στο πρώτο μέρος, αλλά όχι την αρχιτεκτονική πτυχή του. Ως εκ τούτου, στη συνέχεια, θα δώσουμε έμφαση στις διαφορές μεταξύ των δύο τεχνολογιών στα τελευταία δύο μέρη.

4.3.4.1 ASN/AN (Ε-UTRAN) και MME , S-GW

Το ASN στο WiMAX αποτελείται από μια πύλη ASN (ASN-GW) και έναν BS. Το AN (EUTRAN) αποτελείται από ένα δίκτυο eNBs που συνδέονται ο ένας με τον άλλον. Ένας BS είναι λειτουργικά παρόμοιος με ένα eNB. Το κύριο καθήκον των

Ν. Χρυσάνθου 112

μετάδοση πακέτων, HARQ, την εγκαθίδρυση συνδέσεων και την επιβολή QoS στο πεδίο του χρήστη. Στο πεδίο ελέγχου, περιλαμβάνει τη διαχείριση των ραδιο-πόρων, τη διαχείριση σύνδεσης και των διαπομπών.

Σχήμα 47: Αρχιτεκτονική WIMAX

Σχήμα 48: Αρχιτεκτονική LTE

Η λειτουργία των πυλών που γίνεται από την ASN-GW στο WiMAX παρέχεται από δύο οντότητες στο LTE, που είναι μέρος του EPC, την MME και την S-GW. Αυτές οι δύο είναι λειτουργικά παρόμοιες με το SGSN στο UMTS ή το PDSN στο EVDO.

Η ASN-GW στο WiMAX καθώς επίσης και η MME και S-GW στο LTE παρέχουν τη ασύρματη διεπαφή στο κεντρικό δίκτυο και θεωρούνται ως το σημείο συνάθροισης της κυκλοφορίας των χρηστών. Μεταξύ των λειτουργιών τους, είναι η διαχείριση

Ν. Χρυσάνθου 113

κινητικότητας με την εγκαθίδρυση, τη διατήρηση και τη λήξη των καναλιών κινητικότητας με το eNB/BS.

Ανεξάρτητα από τις ομοιότητες στη λειτουργία μεταξύ WiMAX και LTE, υπάρχουν και σημαντικές διαφορές. Παραδείγματος χάριν το LTE χωρίζει το χειρισμό της κίνησης στο πεδίο ελέγχου από το χειρισμό της κίνησης στο πεδίο του χρηστή. Η MME καθορίζεται για να χειριστεί την κίνηση στο πεδίο ελέγχου ενώ η S-GW καθορίζεται για να χειριστεί την κίνησης στο πεδίο του χρήστη.

Το WiMAX δεν χωρίζει τα δύο πεδία τουλάχιστον στον καθορισμό, όπου και η κίνηση στο πεδίο ελέγχου και χρήστη αντιμετωπίζονται από την ASN-GW. Επιπλέον, το LTE καθόρισε τις οντότητες (μέρος της MME και της S-GW) για να παρέχουν τη διεπαφή μεταξύ του LTE και των 3G δικτύων όπως το WCDMA και το EVDO, σε αντίθεση με το WiMAX.

4.3.4.2 CSN/PDN-GW

To CSN παρέχει τη σύνδεση σε άλλα δίκτυα όπως το Διαδίκτυο και το Δημόσιο Μεταγωγικό Τηλεφωνικό Δίκτυο (Public Switched Telephone Network – PSTN). Το κύριο καθήκον του CSN είναι να παρέχει την λειτουργία IP του δικτύου και να παρέχει επίσης μια οντότητα για την κινητικότητα (Mobile IP Home Agent – MIP-HA) από το WiMAX προς/από άλλες τεχνολογίες δικτύων. Η PDN-GW παρέχει παρόμοια λειτουργία κινητικότητας στον HA του CSN. Σχετικά με τη λειτουργία κινητικότητας, το LTE παρέχει το proxy MIPv6 ενώ το ΙΕΕΕ 802.16-2009 άφησε αυτή την λειτουργία ως επιλογή.

Και o BS του IEEE 802.16m και ο eNB του LTE-Advanced είναι τυποποιημένοι για να υποστηρίξουν τη διαλειτουργικότητα με το IEEE 802.16 e/IEEE 802.16-2009 και το LTE αντίστοιχα. Επιπλέον, o eNB στο LTE-Advanced και ο BS στο IEEE 802.16m θα είναι ικανοί για να εξυπηρετήσουν προηγούμενης τεχνολογίας UE και MS.

Ν. Χρυσάνθου 114

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 - ΚΟΙΤΑΖΟΝΤΑΣ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η διαφορά μεταξύ του IMT-Advanced και του προκάτοχου του όσον αφορά τις δυνατότητες και τις ικανότητες τους, είναι εντυπωσιακή. Τα αποτελέσματα από τις διάφορες ομάδες αξιολόγησης , οι οποίες έχουν ως σκοπό να εξετάσουν την αυξανόμενη ζήτηση των δεδομένων στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών ( και οι οποίες υποβάλλουν έκθεση στην ITU-R WP 5), συνεχίζουν να δείχνουν ότι οι δύο τεχνολογίες ικανοποιούν και με το παραπάνω τις απαιτήσεις της ITU-R [47] . Για να καταλάβουμε την προοπτική όσον αφορά στις προσδοκίες των απαιτήσεων για τα IMT-Advanced συστήματα, είναι χρήσιμο να σημειωθεί ότι μέχρι το 2015 αναμένεται μια αύξηση 26 φορές στην κυκλοφορία δεδομένων μέσω κινητών, φθάνοντας σε ένα ποσοστό 6.3 exabytes το μήνα [48]. Με τον παγκόσμιο πληθυσμό που υπολογίζεται να αυξηθεί σε 7.2 με 7.5 δισεκατομμύρια [49], μια εκτίμηση που γίνεται είναι ότι θα υπάρχει τουλάχιστον 1 κινητό ή μία συσκευή που θα συνδέεται ασύρματα κατά άτομο. Οι εκτιμήσεις επίσης προβλέπουν ότι 1.3GB το μήνα θα διακινείται ανά smartphone, με το βίντεο να καταλαμβάνει τα δύο τρίτα αυτής της κυκλοφορίας. Το 2020,υπολογίζεται ότι περισσότερες από 50 δισεκατομμύρια συσκευές θα συνδεθούν με το διαδίκτυο για την εξυπηρέτηση ενός πληθυσμού 7.5 με 7.9 δισεκατομμυρίων, δηλαδή σχεδόν έξι συσκευές κατά άτομο [50].

Με αυτή την προοπτική, έχουν γίνει οι προηγούμενες επεκτάσεις IMT-Advanced, με μεγάλες προόδους να γίνονται τόσο στο ασύρματο όσο και στο ενσύρματο διαδίκτυο.

Οι επεκτάσεις αυτές θα παράσχουν την ουσιαστική κατανόηση και την απαιτούμενη εμπειρία για το πώς η OFDMA λειτουργεί στην πράξη, πράγμα το οποίο δεν είναι γνωστό αυτήν την περίοδο. Η χρήση των ετερογενών δικτύων πρόσβασης προβάλλεται επίσης να είναι ο κανόνας, με διαφορετικές τεχνολογίες πρόσβασης, στοχεύοντας σε διαφορετικές απαιτήσεις σύνδεσης. Στο μεταξύ, θα αναπτυχθούν σιγά σιγά οι τεχνολογίες που ερευνώνται αυτήν την περίοδο για την αξιοποίηση του φάσματος και θα πραγματοποιηθούν οι αρχικές μεγάλης κλίμακας εφαρμογές των συστημάτων καθορισμένου λογισμικού (software-defined) και γνωστικών συστημάτων επικοινωνιών (cognitive radios). Μαζί με αυτές τις προόδους του φυσικού στρώματος, ειδικά στη συνεταιριστική επικοινωνία MIMO, η δυναμική πρόσβαση και κατανομή φάσματος θα ανοίξουν την πόρτα για επικοινωνία υψηλότερης χωρητικότητας. Αυτή η χωρητικότητα είναι που θα κάνει δυνατή τη μετάδοση υψηλού εύρους ζώνης τόσο στο DL όσο και στο UL, σε συνδυασμό με την υποστήριξη μεταφοράς μεγάλου όγκου πληροφοριών. Στην ασύρματη πρόσβαση, η πρόοδος αυτή θα διευκολύνει την ικανότερη διαχείριση των λειτουργιών του δικτύου, η οποία είναι απαραίτητη για το πλήθος των συσκευών που θα επικοινωνούν μέσω του δικτύου.

Θα εμφανιστούν σε μεγαλύτερη κλίμακα , προηγμένες μορφές νοημοσύνης δικτύων που θα διευκολύνουν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά της αυτονομίας δικτύων.

Τέτοια χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν τον αυτοέλεγχο και την αυτό-βελτιστοποίησης.

Αυτή η αυτονομία θα εξαρτηθεί από την επεξεργασία μεγάλης ποσότητας πληροφοριών που θα διακινείται ήδη στο δίκτυο και που θα παράγεται είτε με την ενεργητική αντίληψη είτε μέσω της ενεργής επικοινωνίας μεταξύ μηχανής με μηχανή (M2M).

Πολλές από τις πρόσφατες αρχικές πρωτοβουλίες εξασφαλίζουν ότι τέτοια επεξεργασία θα γίνεται με τέτοιο τρόπο που θα διατηρεί την ακεραιότητα και την εμπιστευτικότητα των επεξεργασμένων πληροφοριών, επιτυγχάνοντας τόσο την επιθυμητή απόδοση των

Ν. Χρυσάνθου 115

δικτύων όσο και την ικανοποίησης των απαιτήσεων των χρηστών. Συγχρόνως, οι διαχειριστές και οι πάροχοι θα αρχίσουν να αναπτύσσουν μηχανισμούς για μείωση των αναγκών σε ενέργεια , τόσο ανά-μονάδα όσο και συνολικά για τα δίκτυα. Εντούτοις, αυτή η «πράσινη λειτουργία», δεν θα είναι εις βάρος της αξιοπιστίας των δικτύων.

Παρακάτω περιγράφεται πως μπορεί να πραγματοποιηθεί η προοπτική αυτή, μαζί με τις προκλήσεις που αντιμετωπίζονται για να εφαρμοστούν στην πράξη. Το κεφάλαιο οργανώνεται ως εξής. Η παράγραφος 5.1 αναφέρεται στο πώς το IMT- Advanced δίκτυο θα πετύχει την αξιόπιστη χωρητικότητα δικτύων ώστε να ικανοποιεί τις αυξανόμενες απαιτήσεις των χρηστών, με οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Έπειτα, η παράγραφος 5.2 αναφέρεται στην ετερογένεια πρόσβασης και πώς η εκμετάλλευση των διαθέσιμων τεχνολογιών πολλαπλής πρόσβασης θα υλοποιηθεί κατά τη διάρκεια των επόμενων δέκα ετών, ειδικά όσο κατασκευάζονται εξυπνότερες συσκευές πολλαπλών λειτουργιών. Στην παράγραφο 5.3 τονίζεται ο ρόλος που διαδραματίζεται από τα γνωστικά συστήματα επικοινωνιών και η απήχηση της δυναμικής κατανομής και πρόσβασης φάσματος, ενώ στην παράγραφο 5.4 θα συζητηθούν οι πτυχές και οι εφαρμογές της νοημοσύνης δικτύων. Στην παράγραφο 5.5 συζητούνται οι πρόοδοι στην υποδομή πρόσβασης δικτύου και η σημασία της επίπεδης αρχιτεκτονικής δικτύου.

Η πολυπλοκότητα στην κατανομής των πόρων και οι προσπάθειες που γίνονται να την αντιμετώπιση της, συζητούνται στην παράγραφο 5.6 και τέλος, η παράγραφος 5.7 συζητά πώς όλο και περισσότερα στοιχεία των IMT-Advanced δικτύων θα είναι

«πράσινα».

5.1 Χωρητικότητα Δικτύων

Το κεφάλαιο 4 συζητά την υιοθέτηση των τεχνολογιών και των προόδων στα LTE, WiMAX καθώς και στους IMT-Advanced διαδόχους τους. Όπως αναφέρθηκε, χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνολογίες προκειμένου να ενισχυθεί η χωρητικότητα των δικτύων πρόσβασης με έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Χωρίς αμφιβολία, η επιλογή των τεχνικών πρόσβασης πολλαπλού φέροντος θα προσφέρει και μεγάλη ευελιξία και αξιοπιστία σε αυτή την κατεύθυνση. Εντούτοις, η ουσιαστική αύξηση της χωρητικότητας επιτυγχάνεται με τις προηγμένες διατάξεις κεραιών και δικτύου. Ήδη, η έννοια των μικρών κυψελών ( μέσω των in-band femtocells ή των εκτός ζώνης δικτύων Wi-Fi ) αρχίζει να διαδραματίζει έναν σημαντικό ρόλο στα σημερινά δίκτυα. Η σημασία των μικρών κυψελών μπορεί στα επόμενα μερικά χρόνια να αυξηθεί, αναλογιζόμενοι τον όγκο των δεδομένων που αναμένονται να υποστηριχτούν −800 εκατομμύρια terabyte το μήνα μέχρι το 2015 [48].

Άλλες πρόοδοι θα πραγματοποιηθούν με υψηλότερες δαπάνες, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης των τεχνικών αναμετάδοσης και του συνεταιριστικού MIMO. Όπως σημειώνεται στο κεφάλαιο 4, γενικά γίνεται κατανοητό ότι τέτοιες

«meshed» ασύρματες επικοινωνίες μπορούν να παρέχουν ουσιαστικά κέρδη. Η αναμετάδοση, παραδείγματος χάριν, μειώνει τις απώλειες διαδρομής και τις απώλειες σκίασης, με την διάσπαση της ασύρματης σύνδεσης σε μικρότερα και αξιόπιστα τμήματα. Ομοίως και η MIMO, η οποία έχει παρουσιάσει μεγάλη αποτελεσματικότητα τόσο στη μείωση της παρεμβολής όσο και στην ενίσχυση της αξιοπιστίας της ασύρματης σύνδεσης. Και ενώ για μερικές από αυτές τις προόδους τα όρια στα πιθανά κέρδη πρόκειται ακόμα να υπολογιστούν [51], η πρακτικότητα της επίτευξης αυτών των κερδών θα αξιολογηθεί σιγά σίγα κατά τη διάρκεια των επόμενων δέκα ετών, καθώς εισάγονται οι πραγματικές επεκτάσεις τους. Ορισμένα ζητήματα ακόμα παραμένουν εκκρεμή, όπως η εύρεση και ανάπτυξη μηχανισμών για την κατανομή των πόρων. Είναι

Ν. Χρυσάνθου 116

οικονομικά εφικτή.

5.2 Ετερογένεια Πρόσβασης

Το LTE και το LTE-Advanced αποτελούνται από ένα δίκτυο κορμού βασισμένο σε IP, το EPC. Επίσης στο WiMAX η διαδικτυακή λειτουργία βασίζεται στο ΙΡ πρωτόκολλο. Αυτή η υποστήριξη θα είναι σημαντική στη δημιουργία των ετερογενών σύνθετων δικτύων, όχι μόνο για την πρόσβαση των χρηστών, αλλά και για τη γενικευμένη πρόσβαση των συσκευών. Τόσο οι προσπάθειες της 3GPP όσο και της IEEE , στοχεύουν στην υποστήριξη των διαπομπών σε διαφορετικές τεχνολογίες στο επίπεδο πρόσβασης και στην ενίσχυση της λειτουργικής συνύπαρξη μεταξύ των διαφορετικών ασύρματων τεχνολογιών.

Μια καθορισμένη τάση που θα αυξηθεί κατά τη διάρκεια των επόμενων ετών είναι η προσθήκη των δορυφορικών δικτύων στην υπάρχουσα ετερογένεια.

Παραδοσιακά και παρά το μεγάλο εύρος ζώνης τους, οι δορυφόροι έχουν αποφευχθεί για επίπεδα πρόσβαση χρηστών και συσκευών, λόγω του κόστους και της καθυστέρησης που παρουσιάζεται στην επικοινωνία. Εντούτοις, αυτήν την περίοδο υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τους δορυφόρους που βρίσκονται κοντά στη γη (17∼22 χλμ) τις αποκαλούμενες ¨πλατφόρμες μεγάλου υψομέτρου¨ (High Altitude Platforms - HAPs) [52]. Τα χαρακτηριστικά καθυστέρησης για τους HAPs θα είναι αποδεκτά για επίγεια εφαρμογή. Οι HAPs θα χαρακτηρίζονται επίσης από την ευρεία κάλυψη, που προσφέρει λογικές επικαλύψεις στην κάλυψη των IMT-Advanced δικτύων. Ήδη, η ITU-R έχει εκδώσει τις ελάχιστες προδιαγραφές απόδοσης για τους HAPs που παρέχουν υπηρεσία 3G σε ορισμένες περιοχές [53].

5.3 Γνωστικά Συστήματα Επικοινωνιών και Δυναμικό Φάσμα

Τα συστήματα επικοινωνιών καθορισμένου λογισμικού (Software-Defined Radios - SDR) δημιουργήθηκαν αρχικά ώστε να διευκολυνθεί η αλλαγή των χαρακτηριστικών και των ικανοτήτων μιας ασύρματης διεπαφής, απλά μέσω του επαναπρογραμματισμού.

Στα γνωστικά συστήματα επικοινωνιών (Cognitive Radio - CR), που αποτελούν την εξέλιξή των SDR, ο επαναπρογραμματισμός του SDR μπορεί να γίνει ασύρματα και σε ώρα λειτουργίας. Επιπλέον, ένας CR έχει την αναγκαία ικανότητα επεξεργασίας ώστε να καταλάβει και να αντιδράσει αυτόνομα στα διάφορα στοιχεία λειτουργίας του ασύρματου καναλιού [54]. Μεταξύ άλλων, αυτά τα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν τον προσδιορισμό εάν η τρέχουσα χρησιμοποιούμενη ζώνη φάσματος είναι το καλύτερο διαθέσιμο φάσμα για την ενεργή ασύρματη επικοινωνία και εάν υπάρχουν ζώνες που είναι διαθέσιμες και μπορούν να προσφέρουν μεγαλύτερο εύρος ζώνης ή καλύτερη ποιότητα μετάδοσης. Για να λειτουργήσει σωστά ο CR, απαιτεί περισσότερα στοιχεία από το απλά να αναγνωρίσει εάν μια συγκεκριμένη ζώνη φάσματος είναι ή όχι υπερφορτωμένη , είναι όμως σημαντικό ότι το σύστημα αναγνωρίζει ποια οντότητα χρησιμοποιεί εκείνο το φάσμα και ξέρει για πόσο καιρό θα πραγματοποιείται αυτή η δέσμευση.

Μία τέτοια ικανότητα είναι πολύ σημαντική, ειδικά λαμβάνοντας υπόψη την πρόσφατη διεθνή συνεργασία μεταξύ των διαφορετικών ρυθμιστικών αρχών τηλεπικοινωνιών (Telecommunications Regulatory Authorities - TRA) αρκετών χωρών

Ν. Χρυσάνθου 117

και της ITU-R. Αυτή η συνεργασία έγινε για την εναρμόνιση και την αναδιανομή του φάσματος. Επιπλέον, πολλές χώρες αναγνωρίζουν τώρα κύριους και δευτερεύοντες χρήστες για ορισμένες ζώνες, επιτρέποντας τη συνεργασίας και τη συνύπαρξη μεταξύ χρηστών διαφορετικού φάσματος, τόσο σε αυτούς που έχουν άδεια όσο και σε αυτούς χωρίς άδεια. Έτσι είναι δυνατό για έναν δευτερεύον χρήστη να χρησιμοποιήσει τις

«τρύπες» ή τα «κενά σημεία» του φάσματος στη ζώνη ενός κύριου χρήστη ή ανάλογα με τη ζώνη και τον τρόπο επικοινωνίας, να λειτουργήσουν στην ίδια ζώνη τόσο οι κύριοι όσο και οι δευτερεύοντες χρήστες [55].

5.4 Νοημοσύνη Δικτύων

Για τις εκτιμήσεις της λειτουργίας του δικτύου πρόσβασης, οι λειτουργίες που υιοθετούν μεθόδους λογικής ανάλυσης δικτύων περιλαμβάνουν την ενστάλαξη της αξιόπιστης ασύρματης επικοινωνίας, τη διαχείριση και μείωση της παρεμβολής, την διαχείριση ισχύος, την κατανομή των πόρων και τη μειωμένη ενέργεια. Και το LTE και το WiMAX υποστηρίζουν διάφορους μηχανισμούς για την αυτόνομη λειτουργία των οντοτήτων των δικτύων και έχουν λάβει μέτρα για την αυτό-βελτιστοποίηση σε διάφορες πτυχές των αντίστοιχων προτύπων τους. Παραδείγματος χάριν, η λειτουργία των femtocells δεν μπορεί να γίνει χωρίς αυτονομία, ειδικά λαμβάνοντας υπόψη την ειδική φύση της επέκτασής τους. Ένα άλλο παράδειγμα περιλαμβάνει τις απαραίτητες ικανότητες επεξεργασίας για τη συντονισμένη πολυσημειακή μετάδοση (CoMP), η οποία είναι μια από τις χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες που συζητήθηκαν στο κεφάλαιο 4.

Πρέπει να σημειωθεί ότι μια σημαντική πτυχή της βαθμιαίας ανάπτυξης της αυτόνομης λειτουργίας στα δίκτυα, παρακινείται από διάφορους παράγοντες, σημαντικότερος των οποίων είναι η μικρότερη ανάγκη για προσωπικό και διαχειριστές δικτύων. Τέτοιες αυτό-διαχειριστικές λειτουργίες θα οδηγήσουν επίσης σε ουσιαστικές μειώσεις των απαιτήσεων σήματος και εύρους ζώνης - μια σημαντική αιτία των απωλειών εύρους ζώνης και επεξεργασίας στα παραδοσιακά κυψελοειδή δίκτυα [56].

5.5 Αρχιτεκτονική Δικτύου Πρόσβασης

Η εισαγωγή της 3GPP X2 διεπαφής χαρακτηρίστηκε ως ένα ιδιαίτερο βήμα εξέλιξης στη σχεδίαση της υποδομής δικτύου πρόσβασης. Παραδοσιακά, οι σταθμοί βάσης ήταν συνδεδεμένοι με τα δίκτυα κορμού με κεντρικοποιημένη διαμόρφωση αστέρα, με κάθε σταθμό βάσης άμεσα και ανεξάρτητα συνδεδεμένο με τον πυρήνα πρόσβασης. Αυτή η διαμόρφωση, χρησιμοποιήθηκε μέχρι τις αρχικές εκδόσεις του UTRAN, είχε όμως ως αποτελέσματα σημαντικές καθυστερήσεις στην διαπομπή.

Ομοίως με το WiMAX, που είναι ουδέτερο στην επιλογή του δικτύου κορμού, υποστηρίζει την εφαρμογή των επίπεδων αρχιτεκτονικών.

Ένα άμεσο πλεονέκτημα της επίπεδης αρχιτεκτονικής είναι οι πολύ μειωμένοι χρόνοι λανθάνουσας κατάστασης διαπομπής, το οποίο καθορίστηκε στις απαιτήσεις της IMT-Advanced. Συνεπώς, αυτό το πλεονέκτημα οδηγεί σε μειωμένες διακοπές στην διαπομπή πολυμέσων IP καθώς οι χρήστες διαβαίνουν το δίκτυο [57]. Μέσω των διαδικτυομένων σταθμών βάσης, η σύνδεση ενός χρήστη μπορεί να μεταφερθεί από έναν σταθμό βάσης σε έναν άλλο χωρίς να πρέπει να πάει πίσω στο δίκτυο κορμού.

Όπως παρατηρήθηκε, είναι επίσης δυνατές πρόσθετες βελτιστοποιήσεις στις περιπτώσεις όπου ο χρήστης κινηθεί μεταξύ ενός σταθμού βάσης και του αντίστοιχου αναμεταδότη του.

Ν. Χρυσάνθου 118

επιτευχθούν αυτά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Οι εκτιμήσεις για τον σχεδιασμό πρέπει να περιλαμβάνουν πτυχές όπως , η επιλογή του καλύτερου σημείου σύνδεσης του δικτύου πρόσβασης με το δίκτυο κορμού ή ο προσδιορισμό των ρυθμίσεων της τοπολογίας που ταιριάζουν με το συγκεκριμένο φορτίο κυκλοφορίας, επιτυγχάνοντας ορισμένα επίπεδα αξιοπιστίας. Κοιτάζοντας πέρα από τα IMT-Advanced δίκτυα, το ενδιαφέρον έχει αρχίσει ήδη σε αυτό που καλείται «εξαιρετικά-επίπεδες αρχιτεκτονικές», όπου η ουσιαστική επεξεργασία μεταφέρεται από το δίκτυο κορμού στις άκρες του δικτύου – στους σταθμούς βάσης [58].

5.6 Διαχείριση των Ραδιο-πόρων

Οι λειτουργίες διαχείριση των ασύρματων πόρων (Radio Resource Management - RRM) εκτελούν και ελέγχουν την εκχώρηση και συντήρηση των πόρων του δικτύου στις διάφορες συσκευές κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του δικτύου. Οι λειτουργίες RRM στα IMT-Advanced περιλαμβάνουν και τις παραδοσιακές και τις αναδυόμενες τεχνικές, συμπεριλαμβανομένων των τεχνικών για τον έλεγχο αποδοχής, το σχεδιασμό, την διαφύλαξη των πόρων (για καθορισμό προτεραιοτήτων), τη διαχείριση φάσματος, το ARQ/HARQ και τη δρομολόγηση. Οι διάφορες τεχνικές περιλαμβάνουν διαφορετικά στοιχεία ενός γενικού πλαισίου, και αναμένονται να λειτουργήσουν με τέτοιο τρόπο ώστε να εξυπηρετήσουν συγκεκριμένους γενικούς λειτουργικούς στόχους.

Εντούτοις, ο σχεδιασμός των πλαισίων για τα IMT-Advanced δίκτυα, έχει πολλές τεχνολογικές προκλήσεις. Τα IMT-Advanced δίκτυα, σύμφωνα με τις απαιτήσεις ,αναμένονται να εξετάζουν ορισμένα χαρακτηριστικά , μεταξύ των οποίων είναι ένα τεράστιο μέγεθος κυκλοφορίας και από τους χρήστες και από τις συσκευές, μια σειρά απαιτήσεων κυκλοφορίας για τις διάφορες υπηρεσίες και εφαρμογές, μια σειρά ταχυτήτων κινητικότητας και διαφορετικούς τύπους τεχνολογιών και τρόπων πρόσβασης.

Ως εκ τούτου η πολυπλοκότητα, γίνεται ένα σημαντικό θέμα που πρέπει να αντιμετωπιστεί κατά το σχεδιασμό τέτοιων πλαισίων και είναι προεξέχουσα στα διαφορετικά επίπεδα διαχείρισης δικτύου. Παραδείγματος χάριν, υπάρχει μεγάλη δυσκολία στο σχεδιασμό τεχνικών πρόσβασης πολλαπλού φέροντος, τόσο στο OFDMA όσο και στο SC-FDMA. Και ενώ ο χωρισμός των πτυχών χρόνου και συχνότητας στην κατανομή των πόρων οδηγεί στη σημαντική λειτουργική βελτιστοποίηση, ο σχεδιασμός γίνεται πιο δύσκολος κατά την εισαγωγή τεχνικών όπως το MIMO, είτε στο επίπεδο μίας κυψέλης ή σε πολλές κυψέλες [59]. Ένα άλλο παράδειγμα της πολυπλοκότητας μπορεί να βρεθεί σε υψηλότερο επίπεδο διαχείρισης και έχει να κάνει με τον έλεγχο αποδοχής των συνδέσεων ή των ροών.

Τα IMT-Advanced δίκτυα θα υιοθετήσουν διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένου του σημείου προς πολλά σημεία (point-to-multipoint), όπου ένας σταθμός βάσης επικοινωνεί άμεσα με τη συσκευή, της αναμετάδοσης όπου οι σταθμοί βάσης επικοινωνούν με τις συσκευές μέσω ενός ή περισσότερων αναμεταδοτών, ή τις φεμπτοκυψέλες όπου οι συσκευές συνδέονται μέσω του διαδικτύου. Επίσης, τα IMT- Advanced δίκτυα θα υποστηρίξουν την ετερογένεια πρόσβασης, η οποία προσθέτει την επιλογή της τεχνολογίας πρόσβασης στις πιθανές επιλογές σύνδεσης. Επιπλέον, η ευελιξία στις κατανομές φάσματος θα κάνει επίσης εφικτή την εναλλαγή στη ζώνη φάσματος μέσω της οποίας συνδέεται η συσκευή, δηλ., μια διαπομπή φάσματος.

Θεωρώντας ότι περισσότερες από 50 δισεκατομμύριο συσκευές θα συνδεθούν στο

Ν. Χρυσάνθου 119

μέλλον, η σημασία στην απλοποίηση των μηχανισμών επιλογής δικτύου γίνεται πιο απαραίτητη [60].

Αυτό το ζήτημα πολυπλοκότητας έχει αντιμετωπιστεί ήδη με διάφορους τρόπους.

Παραδείγματος χάριν, η έννοια των μικρών κυψελών «διευρύνει» τις ικανότητες των δικτύων. Συγχρόνως, η εισαγωγή των επίπεδων αρχιτεκτονικών έχει επίσης απλοποιήσει τις εκτιμήσεις του RRM, δεδομένου ότι έχουν αναγκάσει την λήψη απόφαση να είναι τοπική, επικεντρώνοντας μόνο στους χρήστες μέσα στην κυψέλη και τις τεχνολογίες που επικαλύπτουν την κάλυψη της κυψέλης. Έχει εξεταστεί η δυνατότητα κοινού RRM, με το οποίο οι πόροι των τεχνολογιών πρόσβασης μπορούν να ρυθμιστούν από κοινού - μια ισχυρή πρόοδος που είναι βιώσιμη για τις τεχνολογίες που διαχειρίζονται από έναν ενιαίο διαχειριστή. Αυτές οι πρόοδοι, εντούτοις, θα πάρουν έναν πιο μεγάλο χρονικό διάστημα για να πραγματοποιηθούν.

Εντούτοις, υπάρχουν ορισμένες θεμελιώδεις πτυχές του σχεδίου RRM που πρέπει να τονιστούν [61]. Υπάρχει ένας συσχετισμός μεταξύ της «αξίας - όχι απόδοση – βελτιστοποίησης» και του ποσού πληροφοριών και συνεπώς της σηματοδοσίας, που απαιτείται για να επιτευχθεί αυτή η βελτιστοποίηση. Παραδείγματος χάριν, οι ενημερωμένες πληροφορίες για τη θέση και τις απαιτήσεις των διαφορετικών χρηστών που συνδέονται μέσω διαφορετικών τεχνολογιών πρόσβασης, μπορούν να είναι αμέσως διαθέσιμες σε μια κεντρική οντότητα. Μια διαφορετική περίπτωση θα ήταν αυτή που αντιμετωπίζεται στις μεταδόσεις CoMP. Η ανταλλαγή συνεπάγεται ότι ενώ οι καλύτερες κατανομές μπορούν να γίνουν με τον γρήγορο χρήστη και μέτριες ποσότητες πληροφορίας , μια αποδεκτή απόδοση μπορεί να επιτευχθεί με μερικές από αυτές τις πληροφορίες καθυστερημένες ή χαμένες. Αυτό αναδεικνύει ένα άλλο σημαντικό ζήτημα, το πού είναι καλύτερα να βρίσκεται η οντότητα λήψης αποφάσεων. Το πρόβλημα επιλογής αυτής της θέση δεν πρέπει να διαχωριστεί από αυτό που αντιμετωπίζεται στο σχεδιασμό της επίπεδης αρχιτεκτονικής του δικτύου πρόσβασης. Άλλες θεμελιώδεις πτυχές επικεντρώνονται στο πώς τα IMT-Advanced δίκτυα θα παραδίδουν τελικά τη κίνηση του δικτύου και τις υπηρεσίες. Επομένως η απόδοση από άκρο σε άκρο διαδραματίζει έναν ουσιαστικό ρόλο που είναι ίσος με την απόδοση του επιπέδου πρόσβασης. Και ενώ σύντομα πρόοδοι όπως η σε βάθος επιθεώρηση πακέτων θα υλοποιησούν την ποιότητα υπηρεσιών στα κυψελοειδή δίκτυα πρόσβασης [62], η βελτιστοποίηση διά-περιοχών παραμένει μια σημαντική πρόκληση.

5.7 ¨Πράσινη¨ Ασύρματη Πρόσβαση

Από μερικές εκτιμήσεις, τα κυψελοειδή δίκτυα καταναλώνουν 0.5% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας, με το 1% να καταναλώνεται από τα κινητά τηλέφωνα των χρηστών και το 99% να καταναλώνεται από το δίκτυο [63]. Εν τω μεταξύ, στα τηλέφωνα πολλαπλών-διεπαφών (κυψελοειδή με WiFI, Bluetooth, ANT+, κ.λπ.) έχει παρατηρηθεί να μειώνεται η διάρκεια στις μπαταρίες τους πολύ γρηγορότερα όταν όλα τα ασύρματα είναι ενεργά όλη την ώρα. Όπως ήταν αναμενόμενο, διάφορες πρωτοβουλίες και ερευνητικά προγράμματα τα τελευταία χρόνια έχουν εστιάσει στο να μειώσουν τις ανάγκες των ασύρματων και κινητών δικτύων σε ενέργεια. Τα προγράμματα, γενικά, ποικίλουν στις προσεγγίσεις τους και τους στόχους τους. Μερικοί, παραδείγματος χάριν, έχουν εστιάσει στην ενεργειακή μείωση μέσω της διαχείρισης της παρεμβολής, μειώνοντας τις ανάγκες των κινητών τηλεφώνων σε ενέργεια για να διαβιβάσουν με αξιοπιστία τα δεδομένα τους. Η σχεδίαση του δικτύου διαδραματίζει έναν σημαντικό ρόλο, με τον οποίο η θέση των σταθερών σταθμών βάσης και η τροχιά των κινητών σταθμών αποφασίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μειώνει τις ενεργειακές

Ν. Χρυσάνθου 120

εκτιμήσεις που γίνονται για την επιλογή δικτύου. Οι πρόοδοι στη δυναμική κατανομή φάσματος θα παίξουν επίσης έναν σημαντικό ρόλο.

Εντούτοις, αυτές οι αυξήσεις εστιάζονται στις ενεργειακές δαπάνες των τηλεφώνων. Για να ανακουφιστούν μερικές από τις ενεργειακές δαπάνες του δικτύου, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως ηλιακές γεννήτριες και ανεμογεννήτριες. Εντούτοις, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν πιο προηγμένοι μηχανισμοί. Παραδείγματος χάριν, είναι δυνατό να υλοποιηθούν διαμορφώσεις πρόσβασης υψηλής πυκνότητας , στις οποίες όλοι οι σταθμοί θα λειτουργούν σε περιπτώσεις υψηλών απαιτήσεων ενώ σε περιπτώσεις χαμηλών απαιτήσεων μόνο μια μερίδα των σταθμών βάσης θα λειτουργεί. Φυσικά, όταν όλοι οι σταθμοί βάσης ενεργοποιούνταν θα απαιτείτο μικρότερη κάλυψη από αυτούς, ενώ όταν θα λειτουργούσε μια μερίδα σταθμών βάσης θα απαιτείτο μεγαλύτερη κάλυψη για καθένα από αυτούς.

Όπως στην περίπτωση με το σχεδιασμό των πλαισίων RRM, υπάρχουν ορισμένοι συσχετισμοί που επηρεάζουν στο πόσο «πράσινη» μπορεί να είναι η λειτουργία ενός ασύρματου δικτύου [64]. Αυτοί περιλαμβάνουν τον συσχετισμό μεταξύ της απόδοσης λόγω επέκτασης και της ενεργειακής απόδοσης, όπου η απόδοση επέκτασης αναφέρεται στη ρυθμοαπόδοση του δικτύου ανά κόστος απόδοσης προς την κατανάλωση ενέργειας του δικτύου. Υπάρχει επίσης ο συσχετισμός μεταξύ της αποδοτικότητας φάσματος και της ενεργειακής αποδοτικότητας - άμεσα σχετική με τη βελτιστοποίηση. Ιδιαίτερα, η αποδοτικότητα φάσματος, είναι μια διαδικασία μεγάλης κατανάλωσης ενέργειας, καθώς απαιτείται η εποπτεία σε διάφορες ζώνες φάσματος, ενδεχομένως ταυτόχρονα. Τέτοιος έλεγχος επίσης πρέπει να γίνεται κατά τη διάρκεια της μετάδοσης των δευτερεύων χρηστών, καθώς ο δευτερεύων χρήστης απαιτείται να εγκαταλείψει το φάσμα του αρχικού χρήστη μόλις ο τελευταίος αρχίσει να επικοινωνεί.

Οι υπόλοιποι συσχετισμοί περιλαμβάνουν τον συσχετισμό του εύρους ζώνης και της ισχύος και τον συσχετισμό της καθυστέρησης και της ισχύος. Αυτοί οι συσχετισμοί, ενώ προσφέρονται για βελτιστοποιήσεις, πρέπει να απασχολήσουν στον σχεδιασμό των πράσινων δικτύων.

Ν. Χρυσάνθου 121

ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ

Ad hoc Αυτοοργανούμενα

Adaptive Coding Προσαρμοστική Κωδικοποίηση

Backhaul Οπισθοζεύξης

Bandwidth Εύρος Ζώνης

Bbeamforming Διαμόρφωση δέσμης

Capacity Χωρητικότητα

Carrier aggregation Συνάθροισης φέροντος

Cell Edge Ορια της Κυψέλης

Cell Spectral Efficiency Φασματική Απόδοση Κυψέλων Channel State Information Πληροφορίες Κατάστασης Καναλιού

Cluster Συστάδα

Cognitive Radios Γνωστικά Συστήματα Επικοινωνιών

Connected Mode Ενεργή κατάσταση

Control Panel Πεδίο ελέγχου

Core Network Δίκτυο Κορμού

Cyclic Prefix Κυκλικό Πρόθεμα

Diversity Διαφορισμός

Downlink Ζεύξη Καθόδου

E-learning Εξ' αποστάσεως εκπαίδευση

Fading Διάλειψη

Feedback Ανατροφοδότηση

Femtocells Φεμτοκυψέλες

Frequency Reuse Επαναχρησιμοποίηση Συχνότητας

Guard band Ζώνης ασφαλείας

Handover Διαπομπή

Idle Mode Εκατάσταση αναμονής

Iinter-carrier Δια-καναλική

Inter-Carrier Interference Διακαναλική Παρεμβολή

Interface Διεπαφή

International Mobile Telecommunications Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών

Latency Καθυστέρηση

Macrocells Μακροκυψέλες

Μeshed Network Δίκτυο Πλέγματος

Mobility Κινητικότητας

Modulation Διαμόρφωση

Multicarrier Πολλαπλό Φέρον

Multimedia Πολυμέσα

Multiple Access Πολλαπλή Πρόσβαση

Ν. Χρυσάνθου 122

Multiple Input Multiple Output Πολλαπλής Εισόδου Πολλαπλής Εξόδου

Paging Τηλε-ειδοποίηση

Peak Spectral Efficiency Μέγιστη Φασματική Απόδοση Peak to Average Power Ratio Λόγος Μέγιστης προς Μέση Ισχύ Quality of Service Ποιότητα Υπηρεσίας

Radio Channel Ραδιο Κανάλι

Radio Network subsystem Υποσύστημα Ασύρματης Πρόσβασης Relay Station Σταθμός Αναμετάδοσης

Relaying Αναμετάδοση

Scheduling Δρομολόγηση

Sector Τομέας

Service Network Δίκτυο Υπηρεσιών

Signal to Noise Ratio Λόγος Σήματος προς Θόρυβο

Software-defined Radios συστήματα επικοινωνιών καθορισμένου λογισμικού

Spectrum Φάσμα

Subcarriers Υποφέρον

Tele-geoprocessing Τηλεγεωδαισίας

Telemedicine Τηλεϊατρική

Tele-presence Τηλεπαρουσία

Tele-working Εξ' αποστάσεως εργασία Transport delay Πεδίο του χρήστη

Uplink Ζεύξη Καθόδου.

Video-conference Τηλεσυνδιάσκεψη Virtual navigation Εικονική πλοήγηση

Ν. Χρυσάνθου 123

ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ – ΑΚΡΙΤΟΛΕΞΑ - ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ

1G First Generation Wireless Networks 2G Second Generation Wireless Networks 3G Third Generation Wireless Networks 3GGP2 Third Generation Partnership Project 2 3GPP Third Generation Partnership Project 4G Fourth Generation Wireless Networks ABS Advanced Base Station

ACM Adaptive Coding and Modulation ADC Analog to Digital Conversion

AF Amplify and Forward

AMS Advanced Mobile Subscriber/Station ARS Advanced Relay Station

AS Access Stratum

ASN Access Service Network

BER Bit Error Rate

BS Base Station

CDMA Code Division Multiple Access

CINR Carrier-to-Interference-and-Noise-Ratio CoMP Coordinated Multipoint Transmission

CP Cyclic Prefix

CPS Common Part Sublayer

CR Cognitive Radio

CQI Channel Quality Indicator CSG Closed Subscriber Group CSI Channel State Information CSN Connectivity Service Network DAC Digital to Analog Conversion DFT Discrete Fourier Transformation

DL Downlink

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

eNB Εnhanced Node B

EPC Evolved Packet Core EPS Evolved Packet System

EUTRAN Evolved Universal Mobile Telecommunications System EVDO Evolution-Data Optimized

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access Femto ABS Femtocells Advanced Base Station

FR Frequency Reuse

Ν. Χρυσάνθου 124

GPRS General Packet Radio Service Network GSM Global System for Mobile Communications HAPs High Altitude Platforms

HARQ Hybrid/Automatic Repeat Request

HeNB Home eNB

HeNB-GW Gateway HeNB

H-FDD Half-Frequency Division Duplex HSS Home Subscription Server ICI Inter-Carrier Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Transformation IEEE Institute of Electric and Electriconic Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transformation

IMT International Mobile Telecommunications

IMT-2000 International Mobile Telecommunications – 2000(or 3G) IMT-Advanced International Mobile Telecommunication – Advanced IP Internet Protocol

IPSec Internet Protocol Security ISI Inter-Symbol Interference

ITU International Telecommunications Union

ITU-D International Telecommunications Union – Development Section

ITU-R ITU Radiocommunications Sector

LOS Line of Sight

LTE Long Term Evolution

LTE-Advanced Long Term Evolution Advanced

M2M Machine to Machine

MAC Medium Access Control MIMO Multiple Input Multiple Output MME Mobile Management Entity MS Mobile Subscriber/Station MU-MIMO Multiple User MIMO NAS Non Access Stratum NLOS Non-Line of Sight

ntRS non-transparent Relay Station

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access OSG Open Subscriber Group

QoS Quality of Service

PAPR peak to average power ratio

PCRF Policy and Charging Resource Function PDF Probability Density Function

PDN Packet Data Network

P-GW PDN Gateway

PHY Physical Layer

Ν. Χρυσάνθου 125

PLMN Public Land Mobile Network PRB Physical Resource Block

PSTN Public Switched Telephone Network PUSC Partial Usage Subcarrier

QoS Quality of Service RAN Radio Access Network RAT Radio Access Technology

RB Resource Block

RLC Radio Link Control RRC Radio Resource Control RRM Radio Resource Management RIT Radio Interface Technology

RS Relay Station

SAE System Architecture Evolution SAP Service Access Point

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SDR Software-Defined Radios

SFH Superframe Header

S-GW Serving Gateways SNR Signal to Noise Ratio SU-MIMO Single-User MIMO TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access TDMA Time Division Multiplexing

TRA Telecommunications Regulatory Authorities tRS transparent Relay Station

Tx Transmitter

UE User Equipment

UL Uplink

UMTS Universal Mobile Telecommunications System UTRA UMTS Terrestial Access

UTRAN UMTS Terrestial Access Network VoIP Voice over Internet Protocol

WG Working Group

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network

Ν. Χρυσάνθου 126

ΑΝΑΦΟΡΕΣ

[1] Τεντζέρης Μ. Μάνος (2003). Ασύρματα Συστήματα 3ης (3G) και 4^ης (4G) γενεάς: Προκλήσεις του Μέλλοντος,Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Georgia Institute of Technology,Atlanta,Η.Π.Α.http:/ /users.ece.gatech.edu/~etentze/Pyrforos_2001.pdf

[2] Εργά Φωτεινή και Κάνταρου Βασιλεία (2005). Αξιοποίηση της αρχιτεκτονικής υπηρεσιών ιστού σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά περιβάλλοντα τέταρτης γενιάς, διπλωματική εργασία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Τομέας Επικοινωνιών, Ηλεκτρονικής και Συστημάτων Πληροφορικής. Αθήνα. Κεφάλαιο 3.

[3] John G. Proakis, Masoud Salehi Μετάφραση Επιμέλεια Καρούμπαλος Κ. και Ζέρβας Ε.

Καραμπογιάς Σ. Σαγκριώτης Ε. «Συστήματα τηλεπικοινωνιών», Έκδοση Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών.2006

[4] Π. Κωττής, Χ. Καψάλης, «Κεραίες και Ασύρματες Ζεύζεις», Εκδόσεις Τζιόλα, Αθήνα 2003.

[5] Andrea Goldsmith, "Wireless Communications", Cambridge University, 2005.

[6] Μακρής Ιωάννης, Λογοθέτης Χαράλαμπος, «Ασύρματα Δίκτυα», 2004

[7] Joshua S.Gans, Stephen Ρ. King and Julian, "Wireless Communications", Handbook of Telecommunications Economics, Volume 2.2006

[8] Jane Sherman and Shannon Sword. The Early Development and Impact of 4G Technology http://courses.ece.illinois.edu/ece317/ presentations/4Gpresentation.pdf

[9] Jivesh Govil, Jivika Govil (2008). "4G: Functionalities Development and an Analysis of Mobile Wireless Grid," , First International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology.http://www2.computer.org/portal/web/csdl/doi/10.1109/ ICETET.2008.19

[10] ITU-R, Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced, 2009

[11] ITU-R, Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s), 2010 [12] ITU-R, Requirements, evaluation criteria and submission templates for the development of IMT- Advanced, 2010

[13] ITU-R M. [IMT-TECH] „Requirements related to technical performance for ΗΚΡ-Advanced radio interface(s)‟, August 2008.

[14] Elhamid-abd M. Taha, Najah Abu Ali, Hossam S.Hassanein , "LTE, LTE-Advanced and WiMax", Wiley 2012

[15] WiMAX Forum, Industry Research Report, March

2011, http://www.wimaxforum.org/resources/research-archive.

[16] Report ITU-R M.2134, “Requirements related to the technical performance for IMT-Advanced radio interface(s),” http://www.itu.int/pub/R-REP-M.2134-2008/en.

[17] Ramjee Prasad, OFDM for Wireless Communications Systems, 1st ed. Boston, USA: Artech House, Inc., 2004.

[18] Samuel Yang, OFDMA System Analysis and Design, 1^st ed. Boston, USA: Artech House, Inc., 2010.

[19] Raymond Kwan and Cyril Leung, “A Survey of Scheduling and Interference Mitigation in LTE,”

Journal of Electrical and Computer Engineering, pp. 1–10, May 2010.

[20] Ian Akyildiz, David Gutierrez-Estevez, and Elias Chavarria Reyes, “The evolution to 4G cellularsystems: LTE-Advanced,” Physical Communication, vol. 3, no. 4, pp. 217–44, December 2010.

[21] Andrea Goldsmith, Syed Ali Jafar, Nihar Jindal, and Sriram Vishwanath, “Capacity Limits of MIMO Channels,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 21, no. 5, pp. 684–702, June 2003.

[22] Qinghua Li et al., “MIMO Techniques in WiMAX and LTE: A Freature Overview,” IEEE Communications Magazine, vol. 48, no. 5, pp. 86–92, May 2010.

Ν. Χρυσάνθου 127 [23] Andrew Sendonaris, Elza Erkip, and Behnaam Aazhang, “User Cooperation Diversity-Part I:System Description,” IEEE Transactions on Communications, vol. 51, no. 11, pp. 1927– 38,November 2003.

[24] Andrew Sendonaris, Elza Erkip, and Behnaam Aazhang, “User Cooperation Diversity – Part II:

Implementation Aspects and Performance Analysis,” IEEE Transactions on Communications, vol. 51, no.

11, pp. 1939–48, November 2003.

[25] GPP TS 25.967, “Home Node B Radio Frequency (RF) Requirements (FDD) (Release 10),” 3rd Generation Partnership Project, Tech. Rep.,2010.

[26] Ralf Irmer et al., “Coordinated Multipoint: Concepts, Performance, and Field Trial Results,” IEEE Communications Magazine, vol. 49, no. 2, pp. 102–11, February 2011.

[27] David Gesbert et al., “Multi-Cell MIMO Cooperative Networks: A New Look at Interference,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 28, no. 9, pp. 1380–1408, December 2010.

[28] 3GPP (2003) Spatial channel model for multiple input multiple output (MIMO) simulations (Release 6), TR 25.996, V6.1.0, Technical Specification Group Radio Access Network, 3GPP.

[29] IEEE (2004) IEEE P802.11 Wireless LANs: TGn Channel Models, IEEE 802.11-03/940r2.

[30] Baum, D., Hansen, J., Salo, J., Del Galdo, G., Milojevic, M. and Ky¨osti, P. (2005) ‘An Interim Channel Model for Beyond-3G Systems’, Proc. IEEE VTC’05.

[31] Martin Döttling, Werner Mohr, Afif Osseiran, Radio Technologies and Concepts for IMT-Advanced, Wiley, 2009

[32] http://www.ist-winner.org/

[34] www.3ggp.org

[35] 3GPP, Overview of 3GPP release 8 v.0.1.1, Tech. Rep., June 2010.

[36] The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced Ian F. Akyildiz ∗, David M. Gutierrez- Estevez, Elias Chavarria Reyes

[37] Elhamid-abd M. Taha, Najah Abu Ali, Hossam S.Hassanein , "LTE, LTE-Advanced and WiMax", Wiley 2012

[38] Afif Osseiran, Jose F. Monserrat, Werner Mohr., ¨Mobile and wireless communications for IMT- advanced and beyond ¨, Wiley 2011

[39] 3GPP, TR 36.912 Feasibility study for further advancements for EUTRA (LTE-Advanced), Tech.

Rep., June 2010 [Online]. Available: http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36912.htm.

[40] Nokia, R4-091204 study of UE architectures for LTE-A deployment scenarios, Tech. Rep., March 2009 [Online]. Available: http://ftp.

3gpp.org/tsg_ran/WG4_Radio/TSGR4_50bis/Documents/R4091204.zip.

[41] IEEE Communications Magazine : Relay Technologies for WiMAX and LTE-Advanced Mobile Systems

[42] www.ieee.org

[43] Sassan Ahmadi ‘Mobile WiMAX A Systems Approach to Understanding IEEE 802.16m Radio Access Technology’ ,

[44] IEEE 802.16m Task Group : http://www.ieee802.org/16/tgm/docs/80216m-07_002r10.pdf [45] IEEE working group : http://www.ieee802.org/16/tgm/index.html

[46] IEEE 802.16m-07/002r10 , 2010-01-14 IEEE 802.16m System Requirements [47] See “Evaluation Reports” at http://www.itu.int/en/ITU-T/gsi/iot/Pages/default.aspx.

[48] Cisco, “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2010-2015”, Whitepaper, February 2011, available at http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white_paper_c11- 520862.html.

[49] UN, Department of Economic and Social Affairs – Population Division, “World Populationto 2300”, 2004. (available at http://www.un.org/esa/population/publications/longrange2/WorldPop2300final.pdf).

No documento Επιπλέον παρουσιάζονται, τα νέα χαρακτηριστικά γνωρίσματα για το LTE-Advanced και το IEEE 802.16m καθώς επίσης και μια σύγκριση μεταξύ των δύο προτύπων (páginas 78-89)