ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ
ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών 4
ηςΓενεάς
Νικόλαος H. Χρυσάνθου
Επιβλέπων: Γεώργιος Στεφάνου, Επίκουρος Καθηγητής
ΑΘΗΝΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2012
Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών 4ηςΓενεάς
Νικόλαος H. Χρυσάνθου Α.Μ: 0926
ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: Γεώργιος Στεφάνου, Επίκουρος Καθηγητής
ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: Γεώργιος Στεφάνου, Επίκουρος Καθηγητής Δημήτρης Βαρουτάς, Επίκουρος Καθηγητής
Οκτώβριος 2012
Οι απαιτήσεις για εύρος ζώνης στις σταθερές και κινητές υπηρεσίες αυξάνονται γρήγορα σε όλο τον κόσμο, οδηγώντας αναπόφευκτα την ανάγκη για συνεχείς καινοτομίες στις ασύρματες τεχνολογίες δεδομένων, έτσι ώστε να επιτευχθεί η παροχή μεγαλύτερης χωρητικότητας και υψηλότερης ποιότητας υπηρεσιών.
Ο όρος «4G», δηλαδή η 4η γενεά ασύρματης τεχνολογίας, περιγράφει τις ασύρματες κινητές υπηρεσίες που έχουν καθοριστεί από τον Τομέα Ραδιοεπικοινωνιών της ITU (ITU-R) και ονομάζονται Διεθνή Προηγμένες Κινητές Τηλεπικοινωνίες (International Mobile Telecommunications-Advanced / IMT-Advanced). Αυτές είναι κινητά συστήματα που περιλαμβάνουν τις νέες IMT δυνατότητες, οι οποίες υπερβαίνουν εκείνες των IMT-2000, που αναπτύχτηκαν ευρέως από το 2000 και αναφέρονται ως τεχνολογίες κινητής τηλεφωνίας 3G.
Το LTE-Advanced και το IEEE 802.16m είναι οι δύο κύριες τεχνολογίες που καθορίστηκαν από την ITU, ύστερα από λεπτομερή αξιολόγηση βάση αυστηρών τεχνικών και λειτουργικών κριτηρίων, ώστε να τους δοθεί η επίσημη ονομασία του IMT- Advanced.
Ο κύριος σκοπός αυτής της εργασίας είναι να παρουσιάσει τις απαιτήσεις που καθόρισε η ITU-R για τα ΙΜΤ-Advanced (4G) συστήματα και να περιγράψει τις τεχνολογίες και τις λειτουργίες που χρησιμοποιούν τα δύο αυτά πρότυπα για να ικανοποιήσουν αυτές τις απαιτήσεις. Επιπλέον παρουσιάζονται, τα νέα χαρακτηριστικά γνωρίσματα για το LTE-Advanced και το IEEE 802.16m καθώς επίσης και μια σύγκριση μεταξύ των δύο προτύπων.
ΘEMATIKH ENOTHTA:Κινητές Επικοινωνίες
ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: 4η Γενεά , Προηγμένο ΙΜΤ, IMT-Πρότυπα, ITU-R ,Προηγμένο LTE, Προηγμένο Wimax
The demand for affordable bandwidth in fixed and mobile services is growing rapidly around the world, driving inevitably the need for continued innovations in the wireless data technologies industry to provide more capacity and higher quality of service.
The term “4G” meaning the 4th Generation of wireless technology describes mobile wireless services which have been defined by the ITU‟s Radiocommunication Sector (ITU-R) and titled International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT- Advanced). These are mobile systems that include the new capabilities of IMT that go beyond those of IMT-2000, widely deployed since 2000 and referred to as 3G mobile technologies.
Long Term Evolution-Advanced (LTE-Advanced) and IEEE 802.16m are the two main candidate technologies determined for ITU, after a detailed evaluation against stringent technical and operational criteria, to be accorded the official designation of IMT-Advanced.
The main target of this thesis is to review the ITU-R Requirements for IMT- Advanced Networks and to describes the technologies and functionalities that are enabling the two standards to realize these requirements. Furthermore, new features for LTE-Advanced and IEEE 802.16m as well as a comparative between the two IMT- Advanced standards, are presented.
SUBJECT AREA: Mobile Communications
KEYWORDS: 4G, ΙΜΤ-Advanced , IMT-Standards, ITU-R ,LTE-Advanced ,Wimax- Advanced
Η διπλωματική εργασία αφιερώνεται στο τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών και ιδιαίτερα στους καθηγητές μου στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα, που με την επιστημονική τους κατάρτιση και την αναγνωρισμένη εκπαιδευτική τους εμπειρία, μου παρείχαν τις απαραίτητες εκείνες γνώσεις, που με βοήθησαν τα μέγιστα στην εξέλιξη της επαγγελματικής μου καριέρας.
Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Γεώργιο Στεφάνου, επίκουρο καθηγητή του τμήματος Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών, ο οποίος με την ποιοτική αλλά και ουσιαστική βοήθεια και παροχή γνώσεων, καθοδήγησε την πορεία μου, τόσο για την εισαγωγή και φοίτηση μου στο τμήμα όσο και για την ολοκλήρωση της παρούσα διπλωματική εργασία.
ΠΡΟΛΟΓΟΣ ... ………15
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ... ………16
1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ... 17
1.1 Σύντομη Ιστορική Αναδρομή των Ασύρματων Επικοινωνιών ... 17
1.2 Ασύρματες Επικοινωνίες ... 18
1.3 Ασύρματο Ραδιοφάσμα ... 20
1.4 Δίκτυα Πρώτης Γενεάς ... 21
1.5 Δίκτυα Δεύτερης Γενεάς ... 22
1.5.1 Το Δίκτυο GSM ... 23
1.5.2 Δίκτυα 2.5G (GPRS) ... 23
1.6 Δίκτυα Τρίτης Γενεάς ... 24
1.7 Δίκτυα Τέταρτης Γενεάς ... 25
1.7.1 Ανάγκη για την τέταρτη γενιά κινητών επικοινωνιών ... 25
1.7.2 Προβλεπόμενα Χαρακτηριστηκά 4G ... 25
1.7.3 Απαιτήσεις 4G ... 26
1.7.4 Εφαρμογές και υπηρεσίες της 4G ασύρματης επικοινωνίας ... 27
2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ... 31
2.1 ITU - International Telecommunication Union ... 31
2.2 Τα πρότυπα ITU-R ... 32
2.3 Δίκτυα νέας γενιάς IMT-Advanced ... 33
2.4 Γιατί IMT-Advanced ... 34
2.5 Απαιτήσεις ITU-R για τα IMT-Advanced πρότυπα ... 35
2.5.1 Φασματική Απόδοση Κυψέλων ... 37
2.5.2 Μέγιστη Φασματική Απόδοση ... 38
2.5.5 Καθυστέρηση ( Latency ) ... 39
2.5.6 Ταχύτητες αναλόγως κινητικότητας ... 39
2.5.7 Χρόνος Διακοπής για Μεταπομπή ... 40
2.5.8 Χωρητικότητα VOIP ( VOIP Capacity ) ... 40
2.5.9 Φάσμα ( Spectrum ) ... 41
2.6 Τεχνολογίες IMT-Advanced Δικτύων ... 41
2.6.1 Διαμόρφωση Πολλαπλού Φέροντος και Πολλαπλής Πρόσβασης ... 41
2.6.1.1 OFDM ... 42
2.6.1.2 OFDMA ... 44
2.6.1.3 SC-FDMA ... 45
2.6.2 Διαφορισμός Πολλαπλών Χρηστών και Χρονοδρομολόγηση ... 45
2.6.3 Προσαρμοστική Κωδικοποίηση και Διαμόρφωση ... 46
2.6.4 Επαναχρησιμοποίησης Συχνότητας ... 46
2.6.5 Μεταδόσεις Ευρείας Ζώνης ... 49
2.6.6 Τεχνικές Πολλαπλών Κεραιών ... 50
2.6.7 Αναμετάδοση ... 51
2.6.8 Φεμτοκυψέλες ... 55
2.6.9 Συντονισμένη εκπομπή και λήψη πολλών σημείων ... 58
2.6.9.1 Ακύρωση Παρεμβολής ... 59
2.6.9.2 Ανατροφοδότηση σημείου /Υποδοχή σημείου ... 60
2.6.9.3 Ανατροφοδότηση Πολλαπλών Καναλιών / Υποδοχή σημείου ... 60
2.6.9.4 Ανατροφοδότηση / Υποδοχή Πολλαπλών Καναλιών ... 60
2.6.9.5 MIMO Γειτονικής Κυψέλης ... 60
2.6.10 Διαχείριση Ισχύος ... 61
2.6.11 Διαπομπές μεταξύ Διαφορετικών Τεχνολογιών ... 61
3. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ... 62
3.1 Εισαγωγή ... 62
3.2 Μοντέλο Winner II ... 62
3.3 Σενάρια Διάδοσης ... 63
3.4 Διαδικασία Μοντελοποίησης ... 64
3.5 Τύποι Σεναρίων ... 65
3.6 Πρότυπα και Παράμετροι Καναλιών... 66
3.6.1. Δυνατότητα Εφαρμογής ... 66
3.6.1.1 Εξάρτηση από το Περιβάλλον Διάδοσης ... 66
3.6.1.2 Εξάρτηση από την Συχνότητα ... 66
3.6.2 Πρότυπα Απωλειών Διάδοσης ... 67
3.6.2.1 Εξάρτηση Προτύπων από Την Συχνότητα ... 67
3.6.2.2 Μετάβαση μεταξύ LOS και NLOS ... 70
4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ... 72
4.1 LTE-Advanced ... 73
4.1.1 Εισαγωγή ... 73
4.1.2 Αρχιτεκτονική ... 73
4.1.2.1 Επισκόπιση E-UTRAN ... 75
4.1.2.2 Επισκόπιση EPC ... 76
4.1.2.1. Πρωτόκολλα Σύνδεσης ... 77
4.1.3 OFDMA και SC-FDMA ... 78
4.1.3.1 Σύγκριση OFDMA και SC-FDMA ... 80
4.1.4 ΜΙΜΟ ... 81
4.1.5 Συνάθροιση Φερόντων ... 83
4.1.6 Αναμετάδοση ... 85
4.1.7 Υποστήριξη Φεμτοκυψέλων ... 88
4.2 WIMAX-Advanced ... 89
4.2.3 OFDMA ... 94
4.2.4 ΜΙΜΟ ... 95
4.2.5 Συνάθροιση Φερόντων ... 97
4.2.6 Αναμετάδοση ... 98
4.2.7 Υποστήριξη Φεμτοκυψέλων ... 99
4.3 Σύγκριση LTE-Advanced και WIMAX-Advanced ... 101
4.3.1 Η εξέλιξη των IMT-Advanced προτύπων ... 102
4.3.2 Σύγκριση Φασματικής Απόδοσης ... 103
4.3.2.1. Εφαρμογή OFDMA ... 104
4.3.2.2. Εφαρμογή ΜΙΜΟ ... 106
4.3.2.3. Ευεξία Φάσματος ... 107
4.3.3 Σύγκριση Υιοθέτησης Αναμετάδοσης ... 110
4.3.4 Σύγκριση Δικτυακών Αρχιτεκτονικών ... 111
4.3.4.1. ASN/AN (Ε-UTRAN) και MME , S-GW ... 111
4.3.4.2. CSN/PDN-GW ... 112
5. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ... 114
5.1 Χωρητικότητα Δικτύων ... 115
5.2 Ετερογένεια Πρόσβασης ... 116
5.3 Γνωστικά Συστήματα Επικοινωνιών και Δυναμικό Φάσμα ... 116
5.4 Νοημοσύνη Δικτύων ... 117
5.5 Αρχιτεκτονική Δικτύου Πρόσβασης ... 117
5.6 Διαχείριση των Ραδιο-πόρων ... 118
5.7 ¨Πράσινη¨ Ασύρματη Πρόσβαση ... 119
ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ ... 121
ΑΝΑΦΟΡΕΣ ... 126
Σχήμα 1: Το δίκτυο GSM , Κυψέλες, σταθμοί βάση ... 23
Σχήμα 2: "Διάγραμμα Van" ... 35
Σχήμα 3 : Διαμόρφωση OFDM με την χρησιμοποίηση IFFT ... 42
Σχήμα 4 : Αποδιαμόρφωση OFDM ... 43
Σχήμα 5: Μέθοδοι εκχώρησης υποφέροντων ... 44
Σχήμα 6: Κλασματική Επαναχρησιμοποίηση Συχνότητας ... 47
Σχήμα 7: Επαναχρησιμοποίηση Συχνότητας βασισμένη σε τομείς ... 48
Σχήμα 8: : Συνάθροιση Φέροντος ... 49
Σχήμα 9: SU και MU-MIMO Συστήματα ... 50
Σχήμα 10: Λόγοι για ανάπτυξης RN ... 52
Σχήμα 11: Δίκτυο που χρησιμοποιεί διαφανή RSs ... 53
Σχήμα 12: Δίκτυο που χρησιμοποιεί μη διαφανή RSs ... 54
Σχήμα 13: Παράδειγμα Φεμτοκυψέλης ... 56
Σχήμα 14: Τεχνικές CoMP για Downlink και Uplink ... 59
Σχήμα 15: Διαδικασία διαμόρφωσης καναλιού WINER ... 64
Σχήμα 16: Αποστάσεις d1 και d2 στο NLOS πρότυπο απωλειών ... 70
Σχήμα 17: Εξέλιξη Προτύπων 3GPP ... 73
Σχήμα 18: Αρχιτεκτονική EPS... 74
Σχήμα 19: Αρχιτεκτονική Ε-UTRAN για το LTE-Advanced ... 75
Σχήμα 20: Στοίβα Πρωτοκόλλων LTE-Advanced ... 77
Σχήμα 21: Το πλέγμα χρόνου-συχνότητας στο LTE ... 79
Σχήμα 22: Σύγκριση OFDMA και SC-FDMA ... 80
Σχήμα 23: Συνδυασμός Τεχνολογιών MIMO στο LTE-Advanced ... 82
Σχήμα 24: Κύριοι Τρόποι Λειτουργίας ΜΙΜΟ στο LTE-Advanced ... 82
Σχήμα 25: Συνάθροιση Φέροντος σε παρακείμενο εύρος ζώνης ... 83
μπάντα…… ... 84
Σχήμα 27: Συνάθροιση Φέροντος σε μη παρακείμενο εύρος ζώνης σε διαφορετικές μπάντες ... 84
Σχήμα 28: Βασικό πλάνο ανάπτυξης αναμεταδοτών στο LTE-Advanced ... 86
Σχήμα 29: Αναμεταδότες Τύπου-1 και Τύπου-1α στο LTE-Advanced ... 87
Σχήμα 30: Σενάρια Χρησιμοποίησης Αναμεταδοτών στο LTE-Advanced. ... 88
Σχήμα 31: Αρχιτεκτονική με HeNBs ... 89
Σχήμα 32: Το IEEE 802.16m πρότυπο αναφοράς δικτύων ... 91
Σχήμα 33: Παραδείγματα επέκτασης σε IEEE 802.16m ... 92
Σχήμα 34: Το IEEE 802.16m πρότυπο αναφοράς δικτύων ... 93
Σχήμα 35: Δομή Πλαισίων στο IEEE 802.16 ... 94
Σχήμα 36: OFDMA σε 802.16m ... 95
Σχήμα 37: Τεχνική SU-MIMO σε 802.16m ... 96
Σχήμα 38: Τεχνική MU-MIMO σε 802.16m ... 96
Σχήμα 39: Τεχνική MIMO Πολλών BS σε 802.16m ... 97
Σχήμα 40: Συνάθροιση Φερόντος σε 802.16m ... 98
Σχήμα 41: Χρησιμοποίηση αναμεταδοτών για επέκταση της κάλυψη ή τη βελτίωση της ρυθμοαπόδοση στα όρια της κυψέλης ... 99
Σχήμα 42: Χρησιμοποίηση αναμεταδοτών για κάλυψη περιοχών που στερούνται την κάλυψη λόγω σκίασης ... 100
Σχήμα 43: Χρησιμοποίηση αναμεταδοτών για καλύτερη εκμετάλλευση των πόρων και επέκταση της χωρητικότητας της κυψέλης ... 100
Σχήμα 44: Η εξέλιξη του LTE και του WIMAX ... 102
Σχήμα 45: Xάσμα μεταξύ της διαθέσιμης χωρητικότητας και των απαιτήσεων σε bps ... 103
Σχήμα 46: Δομή Πλαισίου OFDMA ... 105
Σχήμα 47: Αρχιτεκτονική WIMAX ... 112
Σχήμα 48: Αρχιτεκτονική LTE ... 112
Πίνακας 1: Απαιτούμενες τιμές Φασματικής απόδοσης σε διαφορετικά
περιβάλλοντα στο IMT-Advanced ... 38
Πίνακας 2: Απαιτούμενη Φασματική απόδοση χρηστών στα όρια της κυψέλης σε διαφορετικά περιβάλλοντα στο ΙΜΤ-Advanced ... 39
Πίνακας 3: Απαιτούμενη φασματικές αποδόσεις για διαφορετικά επίπεδα κινητικότητας ... 40
Πίνακας 4: Απαιτούμενη χωρητικότητα φωνητικής κλήσης (VOIP) για διαφορετικά περιβάλλοντα στο ΙΜΤ-Advanced ... 41
Πίνακας 5: Πρότυπα απωλειών διάδοσης του WINNER ... 69
Πίνακας 6: Σενάρια Επέκτασης Συνάθροισης Φερόντων στο LTE-Advanced ... 85
Πίνακας 7: Σύγκριση φασματικής απόδοσης μεταξύ LTE και WIMAX ... 103
Πίνακας 8: Ζώνες Συχνοτήτων IEEE 802.16m ... 108
Πίνακας 9: Κατανομή Ζωνών Συχνοτήτων στο LTE-FDD ... 109
Πίνακας 10: Κατανομή Ζωνών Συχνοτήτων στο LTE-TDD ... 109
Πίνακας 11: Ρυθμοί Δεδομένων στο LTE και στο IEEE 802.16-2009 για κανάλι εύρους ζώνης 20MHz και διαφορετικές ρυθμίσεις MIMO ... 109
Πίνακας 12: Ρυθμοί Δεδομένων στο LTE-Advanced και στο IEEE 802.16m ... 110
Ν. Χρυσάνθου 15
ΠΡΟΛΟΓΟΣ
Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια της φοίτησης μου στο Μεταπτυχιακό πρόγραμμα Σπουδών του Τμήματος Πληροφορικής . Κατά την διάρκεια της φοίτησης μου στο πρόγραμμα , το αντικείμενο εκείνο που μου προσέλκυσε περισσότερο το ενδιαφέρον ήταν οι Κινητές Επικοινωνίες. Λόγω του ότι είναι ένας τομέας που συνεχώς εξελίσσεται και επεκτείνεται και δεδομένου ότι όλοι μας χρησιμοποιούμε καθημερινά την συγκεκριμένη τεχνολογία , είναι πολύ ενδιαφέρον να ασχοληθεί κανείς με την μελλοντική της ανάπτυξη .Αυτό προσπάθησα και εγώ να παρουσιάσω σε αυτή την εργασία με την οποία ολοκλήρωσα ένα ωραίο κεφάλαιο στην ζωή μου.
Στην διπλωματική αυτή, προσπάθησα να περιγράψω την εξέλιξη των σημερινών δικτύων κινητών επικοινωνιών ,μια εξέλιξη που θα τη δούμε στην πράξη τα επόμενα χρόνια. Παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον τόσο η εισαγωγή νέων τεχνικών και τεχνολογιών, όσο και η εξέλιξη των είδη υπαρχόντων, για την ανάπτυξη της νέας γενιάς κινητών επικοινωνιών , που αποσκοπούν στην ικανοποίηση των αναγκών των χρηστών ανά τον κόσμο.
Ν. Χρυσάνθου 16
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η μεγάλη ανάγκη για υπηρεσίες Internet, ασύρματα συστήματα διανομής καλωδιακής τηλεόρασης και για πρόσβαση στην τεχνολογία της πληροφορίας καθιστά επιτακτική την ανάπτυξη ασύρματων κινητών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων ευρείας ζώνης. Γενικά, είναι άμεση η ανάγκη για μελλοντικά ασύρματα δίκτυα τα οποία θα είναι ευέλικτα, θα έχουν την δυνατότητα αναβάθμισης για μεγάλο αριθμό χρηστών, θα είναι ικανά να παρέχουν πληροφορία για τη θέση του χρήστη σε παγκόσμια κλίμακα, θα παρέχουν ασφάλεια από υποκλοπές, θα συνεργάζονται με ενσύρματα δίκτυα και θα είναι εύκολα προσαρμόσιμα στις κατά καιρούς απαιτήσεις.
Στην εποχή μας παρατηρείται μεγάλη ζήτηση για ασύρματες υπηρεσίες, όπως η τηλε-ειδοποίηση (paging), η αναλογική και ψηφιακή κινητή τηλεφωνία και οι υπηρεσίες προσωπικών επικοινωνιών (Personal Communication Services-PCS). Οι βασικοί λόγοι χρήσης ολοένα υψηλότερων συχνοτήτων είναι ο κορεσμός των χαμηλότερων ζωνών συχνοτήτων και η ανάγκη για μεγαλύτερο εύρος ζώνης για εφαρμογές πολυμέσων (multimedia), όπως η ασύρματη μετάδοση εικόνας και η πρόσβαση στο Internet σε πραγματικό χρόνο [1].
Η φράση 4G δεν ορίζει απλώς ένα πρότυπο, αλλά περιγράφει ένα περιβάλλον όπου τα δίκτυα θα ενδολειτουργούν ώστε να παρέχουν επικοινωνία που θα μεταφέρεται χωρίς ασυνέχειες ανάμεσά τους. Περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη τεχνολογία, η 4η γενιά θα έχει μια βαθιά επιρροή σε ολόκληρο το ασύρματο τοπίο και στη συνολική αλυσίδα της κινητής τηλεφωνίας. Το μέλλον πρόκειται να είναι ευοίωνο, αλλά είναι στα χέρια των πελατών, όχι στους πάροχους υπηρεσιών και σίγουρα όχι στους πάροχους δικτύων [2].
Αν και δεν υπάρχει καθολικός ορισμός για το τι θα αποτελεί την 4G τεχνολογία και ποιο θα είναι το χαρακτηριστικό σημείο της, το όραμα της 4G τεχνολογίας αναπτύσσεται, με τη βοήθεια διαφορετικών απόψεων ανά τον κόσμο.
Ν. Χρυσάνθου 17
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
1.1 Σύντομη Ιστορική Αναδρομή Ασύρματων Επικοινωνιών
Η ανάγκη επικοινωνίας με μη σταθερά σημεία , που βρίσκονται πέραν του οπτικού ορίζοντα και χωρίς την υποστήριξη τηλεπικοινωνιακών καλωδίων για τη μεταφορά πληροφορίας , δημιουργήθηκε αμέσως μετά την ανακάλυψη της ασυρματικής διάδοσης , γύρω στις αρχές του 1900. Τα συστήματα κινητής επικοινωνίας που αναπτύχθηκαν κυρίως σε Αμερική και Αγγλία , από την εποχή εκείνη και μέχρι περίπου το 1940 , χρησιμοποιούσαν ραδιο-διαύλους επικοινωνίας με συχνότητες που ξεκινούσαν από τα 2-3 MΗz και σταδιακά έφτασαν στα 450 MHz. Η χρήση τους αφορούσε κυρίως την αστυνομία . Τα πρώτα αυτά συστήματα κινητών επικοινωνιών λειτουργούσαν αυτόνομα και δεν υπήρχε επικοινωνία με το Τηλεφωνικό Δίκτυο της εκάστοτε χώρας.
Κατά τη διάρκεια του δευτέρου παγκοσμίου πολέμου , η χρήση των συστημάτων κινητής επικοινωνίας επεκτάθηκε στις ένοπλες δυνάμεις και στις υπηρεσίες αμέσου επέμβασης . Αμέσως μετά τον πόλεμο , στην Αμερική , τα εργαστήρια Bell δρομολόγησαν ένα πρόγραμμα για παροχή επικοινωνιακών υπηρεσιών με συστήματα τα οποία χρησιμοποιούσαν κοινό φορέα (common carrier) , προκειμένου να εξυπηρετούνται πολλοί χρήστες μαζί κινούμενοι σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές . Η υπηρεσία αυτή ονομάστηκε Δημόσια Εσωτερική Υπηρεσία Επίγειων Κινητών Ασυρματικών Επικοινωνιών (Domestic Public Land Mobile Radio Service - DPLMRS) , η οποία στη συνέχεια δρομολόγησε δύο νέα συστήματα , το Urban System και το Highway System , που λειτούργησαν το 1946 και το 1947 , αντίστοιχα . Κατά το 1970 εγκαταστάθηκε και λειτούργησε το Βελτιωμένο Σύστημα Κινητής Τηλεφωνίας (Improved Mobile Telephone System -IMTS) [3] .
Τα μέχρι τότε ανεπτυγμένα συστήματα κινητής τηλεφωνίας μπορούσαν να υποστηρίξουν ένα μικρό αριθμό χρηστών . Η απαίτηση για πολλούς διαθέσιμους ραδιο- διαύλους σε μια συγκεκριμένη περιοχή του διαθέσιμου φάσματος συχνοτήτων , ανάγκαζε τους ραδιο-διαύλους να έχουν στενό εύρος ζώνης . Η διαμόρφωση συχνότητας στενής ζώνης όμως , επέφερε χαμηλή ποιότητα στη μεταδιδόμενη φωνή και αύξανε ταυτόχρονα το φαινόμενο των ραδιο-παρασίτων .
Η ιστορία των ασύρματων επικοινωνιών ξεκινούν από πολύ παλιά. Τα πρώτα βήματα της ασύρματης επικοινωνίας ξεκινούν από το 1886, όταν ο Heinrich Rudolf Hertz ανακάλυψε τη διπολική κεραία. Στη συνέχεια, όπως καταγράφεται από την ιστορία, το 1893 ο NikolaTesla κατασκεύασε το πρώτο ασύρματο σύστημα επικοινωνίας. Το 1895 χρησιμοποίησε τα σήματα Morse σε ακτίνα 80 km.
Στη συνέχεια, ο Alexander Stepanovich Popov πέτυχε την μετάδοση ραδιοκυμάτων μεταξύ κοντινών κτιρίων το 1896. Μετά, το 1898 πέτυχε την μετάδοση ραδιοκυμάτων στα 6 μίλια και τέλος το 1899 πέτυχε την μετάδοση ραδιοκυμάτων στα 30 μίλια. Έπειτα, την σκυτάλη την παίρνει ο Guglielmo Marconi που ήταν εκείνος που έστειλε το πρώτο υπερατλαντικό σήμα το 1901. Την ίδια χρονιά γίνεται και η πρώτη μετάδοση ήχου από τον Reginald Fessenden. Έκανε την πρώτη αμφίδρομη υπερατλαντική ασύρματη επικοινωνία το 1906 και την ίδια χρονιά έγινε η πρώτη ραδιοφωνική εκπομπή με μουσικό περιεχόμενο [3].
Ν. Χρυσάνθου 18
Το 1900-1940 υπήρχε ευρεία χρήση ασύρματου τηλέγραφου και ιδιαίτερα από τον 1ο Παγκόσμιο Πόλεμο. Επίσης, το 1920-1930 αναπτύχθηκαν οι ραδιοφωνικές εκπομπές.
1.2 Ασύρματες Επικοινωνίες
Η ασύρματη μετάδοση που γίνεται με τη χρήση κεραιών εκπομπής και λήψης, αντίθετα, έχει χαμηλότερο κόστος εγκατάστασης. Χρησιμοποιεί διάφορους τύπους κεραιών και επηρεάζεται άμεσα από το περιβάλλον διάδοσης που ποικίλλει και χαρακτηρίζεται από διάφορα φαινόμενα ανάκλασης, διάθλασης, σκέδασης και απορρόφησης. Αυτά τα φαινόμενα πηγάζουν από την ανομοιογένεια της επιφάνειας της γης και της ατμόσφαιρας που την περιβάλλει. Η γήινη επιφάνεια είναι μη επίπεδη και εμφανίζει διάφορα επίπεδα αγωγιμότητας ενώ η ατμόσφαιρα έχει σύσταση και διηλεκτρικές ιδιότητες που διαρκώς μεταβάλλονται καθότι επηρεάζονται από τη θερμοκρασία και την υγρασία [4].
Οι ασύρματες ζεύξεις μπορούν να διακριθούν σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο πραγματοποίησης τους:
1. Ζεύξεις σημείου προς σημείο, οι οποίες πραγματοποιούνται μεταξύ δύο σημείων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ζεύξεων σημείου προς σημείο είναι οι μικροκυματικές ζεύξεις στην υπεραστική τηλεφωνία, στις οποίες χρησιμοποιούνται επαναλήπτες και ιδιαίτερα κατευθυντικές κεραίες.
2. Ζεύξεις ευρείας κάλυψης, στις οποίες το σήμα μεταδίδεται ταυτόχρονα σε πολλούς αποδέκτες που βρίσκονται διασκορπισμένοι σε μια ευρεία γεωγραφική περιοχή (για παράδειγμα η ραδιοφωνία και η ασύρματη τηλεόραση).
3. Ζεύξεις οπτικής επαφής, κατά τις οποίες η μετάδοση των ραδιοκυμάτων είναι ευθύγραμμη.
4. Ζεύξεις πέραν του ορίζοντα, όπου η διάδοση του επιφανειακού κύματος υπερβαίνει τη μέγιστη απόσταση οπτικής επαφής.
5. Κινητές ζεύξεις, κατά τις οποίες είτε ο πομπός είτε ο δέκτης είναι κινητοί, όπως για παράδειγμα η κινητή τηλεφωνία, οι θαλάσσιες δορυφορικές επικοινωνίες κλπ.
Το όραμα των ασύρματων επικοινωνιών να υποστηρίξουν ανταλλαγή πληροφορίας μεταξύ ανθρώπων ή συσκευών είναι στο επίκεντρο των τηλεπικοινωνιών γενικότερα για τις επόμενες δεκαετίες και πολλά βήματα ήδη έχουν γίνει προς αυτήν την κατεύθυνση.
Με την υλοποίηση αυτού του οράματος στις τηλεπικοινωνίες θα γίνει δυνατή η χρήση και ανταλλαγή πληροφορίας με τη μορφή πολυμέσων με χρήση απλά και μόνο μιας μικρής συσκευής χειρός ή ενός φορητού υπολογιστή. Τα ασύρματα δίκτυα θα διασυνδέουν υπολογιστές χειρός, επιτραπέζιους καθώς και φορητούς, οπουδήποτε μέσα σε ένα κτίριο με γραφεία, σε μία πανεπιστημιούπολη ή ακόμα και σε μία καφετέρια.
Μέσα στο σπίτι αυτά τα δίκτυα θα κάνουν εφικτή τη χρήση μιας νέας κατηγορίας
"έξυπνων" ηλεκτρονικών συσκευών, που θα μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με το διαδίκτυο, επιπλέον της παροχής συνδεσιμότητας μεταξύ υπολογιστών, τηλεφωνικών συσκευών και συστημάτων ασφαλείας. Τέτοια "έξυπνα" σπίτια μπορούν επίσης να βοηθήσουν τους ανθρώπους τρίτης ηλικίας και τους ανάπηρους να έχουν καλύτερη ποιότητα ζωής [4] .
Ν. Χρυσάνθου 19
Βίντεο-τηλεδιασκέψεις θα λαμβάνουν χώρα μεταξύ σημείων που είναι μερικά μέτρα ή ηπείρους μακριά και σε αυτές τις τηλεδιασκέψεις θα μπορούν να παίρνουν μέρος και ταξιδιώτες. Το ασύρματο βίντεο θα κάνει πραγματικότητα τις εξ αποστάσεως αίθουσες διδασκαλίας, τις εκπαιδευτικές δραστηριότητες γενικότερα καθώς και τα απομακρυσμένα νοσοκομεία οπουδήποτε στον κόσμο.
Μια ραγδαίως αναπτυσσόμενη τεχνολογία είναι αυτή των ασύρματων αισθητήρων. Οι ασύρματοι αισθητήρες έχουν μια τεράστια γκάμα εμπορικών και στρατιωτικών εφαρμογών. Οι εμπορικές εφαρμογές περιλαμβάνουν την απεικόνιση κινδύνων πυρκαγιάς, κινδύνους σε κτίρια και γέφυρες, τη κίνηση διοξειδίου του άνθρακα και την εξάπλωση χημικών και αερίων σε χώρους καταστροφών. Αυτοί οι ασύρματοι αισθητήρες αυτοπροσαρμόζονται σε ένα δίκτυο το οποίο επεξεργάζεται και ερμηνεύει μετρήσεις από τους αισθητήρες και μετά μεταβιβάζει αυτήν την πληροφορία σε μία κεντρική τοποθεσία ελέγχου. Οι στρατιωτικές εφαρμογές περιλαμβάνουν ταυτοποίηση και εντοπισμό των εχθρικών στόχων, ανίχνευση χημικών και βιολογικών επιθέσεων κλπ.
Εν τέλει τα ασύρματα δίκτυα καθιστούν δυνατή την ύπαρξη κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου με απομακρυσμένες συσκευές και αισθητήρες συνδεδεμένα μεταξύ τους μέσω ασυρμάτων καναλιών επικοινωνίας [5].
Οι διάφορες εφαρμογές που περιγράφηκαν παραπάνω είναι όλες συστατικά των ασύρματων επικοινωνιών. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να διαχωρίσουμε τον σύνθετο όρο "ασύρματες επικοινωνίες", είτε σε διαφορετικές εφαρμογές, είτε σε διαφορετικά συστήματα, είτε σε περιοχές κάλυψης. Οι ασύρματες επικοινωνίες και οι εφαρμογές τους συμπεριλαμβάνουν συνεπώς φωνή, πρόσβαση στο διαδίκτυο, περιήγηση στον WWW ( World Wide Web - Παγκόσμιος Ιστός), αποστολή σύντομων μηνυμάτων, μεταφορά αρχείων, βίντεο-τηλεδιάσκεψη, διασκέδαση, αισθητήρες και κατανεμημένο έλεγχο. Τα συστήματα περιλαμβάνουν κυψελωτά συστήματα τηλεφωνίας, ασύρματα Δίκτυα Τοπικής Πρόσβασης (Local Access Νetwοrks- LANs), ευρείας περιοχής ασύρματα συστήματα δεδομένων, δορυφορικά συστήματα και ad hoc ασύρματα δίκτυα. Οι περιοχές κάλυψης περιλαμβάνουν το εσωτερικό των κτιρίων, πανεπιστημιουπόλεις, πόλεις σε τοπική και παγκόσμια βάση.
Οι διαφορετικές εφαρμογές των ασύρματων επικοινωνιών έχουν και διαφορετικές απαιτήσεις και ως εκ τούτου υπάρχει μία διάσπαση στον τομέα της βιομηχανίας σε αναφορά με τις ασύρματες εφαρμογές. Για παράδειγμα, οι φωνητικές εφαρμογές έχουν χαμηλές απαιτήσεις σε ρυθμούς δεδομένων (περί τα 20 Kbps) και είναι ανεκτικές σε αρκετά υψηλούς ρυθμούς σφαλμάτων (BER της τάξης του 10-3) αλλά η συνολική καθυστέρηση πρέπει να είναι μικρότερη από περίπου 30 msec αλλιώς γίνεται αντιληπτό στο χρήστη. Από την άλλη, τα συστήματα επικοινωνιών δεδομένων τυπικά απαιτούν πολύ υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων (1-100 Mbps) και πολύ μικρούς ρυθμούς σφαλμάτων ( BER της τάξης του 10-8 και όλα τα εσφαλμένα bits πρέπει να αναμεταδοθούν) αλλά δεν έχουν σταθερές απαιτήσεις σε καθυστέρηση. Τα συστήματα με βίντεο πραγματικού χρόνου έχουν υψηλές απαιτήσεις σε ρυθμούς δεδομένων σε συνδυασμό με τους ίδιους περιορισμούς καθυστέρησης. Αυτές οι διαφορετικές απαιτήσεις για τις διαφορετικές εφαρμογές καθιστούν δύσκολο να αναπτυχθεί ένα ασύρματο δίκτυο που να ικανοποιεί ταυτόχρονα και αποτελεσματικά όλες αυτές τις απαιτήσεις.
Τα ενσύρματα δίκτυα συνήθως ενσωματώνουν τις ποικίλες και διαφορετικές απαιτήσεις χρησιμοποιώντας ένα απλό πρωτόκολλο. Και ενώ αυτό μπορεί να είναι
Ν. Χρυσάνθου 20
εφικτό σε μερικά ενσύρματα δίκτυα με ρυθμούς δεδομένων της τάξης των Gbps και BERs της τάξης του 10-12, δεν είναι δυνατό για ασύρματα δίκτυα που έχουν χαμηλότερους ρυθμούς δεδομένων και υψηλότερα BERs. Γι' αυτούς τους λόγους, τουλάχιστον στο κοντινό μέλλον, τα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών θα συνεχίσουν να είναι διασπασμένα, με διαφορετικά πρωτόκολλα να εξυπηρετούν τις διαφορετικές εφαρμογές [5].
1.3 Ασύρματο Ραδιοφάσμα
Το φάσμα των ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών διαμοιράζεται στις διάφορες υπηρεσίες και για διαφορετικούς σκοπούς ανάλογα με το πώς αποφασίζουν οι διάφοροι ρυθμιστικοί φορείς. Οι περισσότερες χώρες έχουν κυβερνητικές υπηρεσίες που είναι υπεύθυνες για την εκχώρηση και τον έλεγχο της χρήσης του ραδιοφάσματος . Στις ΗΠΑ το φάσμα εκχωρείται από την Ομοσπονδιακή Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών (Federal Communications Commission) για εμπορική χρήση και από την υπηρεσία φασματικής διαχείρισης (Office of Spectra! Management) για στρατιωτική χρήση. Η εμπορική φασματική κατανομή ρυθμίζεται στην Ευρώπη από το Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Τηλεπικοινωνιών (European Te!ecommunications Institute - ETSI) και παγκοσμίως από την Διεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications υnίοn - ITU) . Οι κυβερνήσεις αποφασίζουν πόσο ραδιοφάσμα θα μοιράσουν μεταξύ εμπορικής και στρατιωτικής χρήσης και αυτή η απόφαση λαμβάνεται δυναμικά με βάση τη ζήτηση [6].
Οι περισσότερες ασύρματες εφαρμογές χρησιμοποιούν τις ζώνες συχνοτήτων μεταξύ 30ΜΗΖ και 30 GHz. Αυτές οι συχνότητες αξιοποιούνται για ασύρματες τηλεπικοινωνίες αφού δεν επηρεάζονται από την καμπυλότητα της γης και μπορούν να διεισδύσουν στην ιονόσφαιρα. Να σημειώσουμε ότι το απαιτούμενο μέγεθος κεραίας για καλή λήψη είναι αντίστροφα ανάλογο του τετραγώνου της συχνότητας του σήματος οπότε τα συστήματα που χρησιμοποιούν υψηλότερες συχνότητες αυτόματα δίνουν τη δυνατότητα χρήσης μικρότερων κεραιών. Όμως η λαμβανόμενη ισχύς σήματος με μη κατευθυντικές κεραίες είναι αντίστροφα ανάλογη του τετραγώνου της συχνότητας, έτσι είναι δυσκολότερο να καλυφτούν μεγαλύτερες αποστάσεις με σήματα υψηλότερων συχνοτήτων.
Το φάσμα κατανέμεται είτε στις αδειοδοτούμενες ζώνες συχνοτήτων, τις οποίες αναθέτουν ρυθμιστικοί φορείς σε συγκεκριμένους χρήστες, είτε σε μη αδειοδοτούμενες ζώνες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από κάθε σύστημα που πληροί συγκεκριμένες προδιαγραφές λειτουργίας.
Οι ασύρματες επικοινωνίες χρησιμοποιούνται για την εξυπηρέτηση πολλών διαφορετικών υπηρεσιών . Το ραδιοφάσμα μπορεί να διαιρεθεί στις ακόλουθες κλάσεις:
• Υπηρεσίες εκπομπής: συμπεριλαμβάνουν τη ραδιοφωνία FM και ΑΜ καθώς και την επίγεια τηλεόραση.
• Κινητές τηλεπικοινωνίες φωνής και δεδομένων: συμπεριλαμβάνουν τις κινητές επικοινωνίες μεταξύ πλοίων, αεροπλάνων και σταθμών εδάφους,επικοινωνίες μεταξύ επίγειων σταθερών σταθμών βάσης και κινητού δέκτη, καθώς και μεταξύ σταθερού δικτύου και κινητών χρηστών, όπως οι κινητές υπηρεσίες τηλεφωνίας.
• Σταθερές υπηρεσίες: είτε σημείου προς σημείο, είτε σημείου προς πολλαπλά σημεία.
Ν. Χρυσάνθου 21
• Δορυφορικές υπηρεσίες: χρησιμοποιούνται για εκπομπή, τηλεπικοινωνίες και διαδίκτυο, ιδιαίτερα σε μεγάλες αποστάσεις.
• Άλλες χρήσεις: συμπεριλαμβανομένων υπηρεσιών στρατού, ραδιοαστρονομίας, μετεωρολογικών και επιστημονικών χρήσεων.
Το εύρος του φάσματος που εκχωρείται σε καθεμία από τις παραπάνω υπηρεσίες διαφέρει από χώρα σε χώρα και σε κάθε μπάντα συχνοτήτων. Για παράδειγμα, στο Ηνωμένο Βασίλειο 40% της μπάντας συχνοτήτων 88 ΜΗΖ – 1 GHz χρησιμοποιείται για εκπομπές τηλεόρασης, 22% για το στρατό, 10 % για κινητές υπηρεσίες GSM και 1 % για θαλάσσιες επικοινωνίες. Εν αντιθέσει, καμία συχνότητα από την μπάντα συχνοτήτων 1 GHz - 3GHz δε χρησιμοποιείται για τηλεοπτικές εκπομπές,19% εκχωρείται στο GSM και στα κινητά τηλέφωνα τρίτης γενιάς,17% στην άμυνα και 23 % στα ραντάρ αεροναυτιλίας .
Παράλληλα, ο αριθμός των διαφορετικών συσκευών που χρησιμοποιούν τις ασύρματες επικοινωνίες αυξάνεται ραγδαία. Αισθητήρες και ενσωματωμένοι ασύρματοι προσαρμογής χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο σε ποικιλία συσκευών και εφαρμογών. Τα PDAs (Personal Digital Assistants) και οι φορητοί υπολογιστές συνδέονται στο Διαδίκτυο και σε e-mail υπηρεσίες μέσω των ασύρματων επικοινωνιών ενώ τα ασύρματα τοπικά δίκτυα για υπολογιστές είναι πλέον ευρέως διαδεδομένα σε δημόσιους χώρους. Παρόλα αυτά, η μακράν δραματική αλλαγή και εξέλιξη στη χρήση των ασύρματων επικοινωνιών, υπήρξε η χρήση του κινητού τηλεφώνου [6].
1.4 Δίκτυα Πρώτης Γενεάς
Το 1G (ή 1-G) αναφέρεται στην πρώτη γενιά των δικτύων κινητής τηλεφωνίας, και των κινητών τηλεπικοινωνιών. Αυτά είναι τα αναλογικά τηλεπικοινωνιακά πρότυπα που εισήχθησαν κατά τη δεκαετία του 1980 και λειτουργούσαν μέχρι τη στιγμή που αντικαταστάθηκαν από τα ψηφιακά πρότυπα του 2G. Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο αυτών γενεών συστημάτων κινητής τηλεφωνίας (του 1G και του 2G), είναι ότι τα ραδιοκύματα που χρησιμοποιούνται στα 1G δίκτυα είναι αναλογικά, ενώ στα 2G είναι ψηφιακά.
Αν και τα δύο συστήματα χρησιμοποιούν ψηφιακή σηματοδότηση για να συνδέσουν το Σταθμό Βάσης (δηλαδή τον πομπό) με την Κινητή Μονάδα του χρήστη, η ίδια φωνή κατά τη διάρκεια μιας κλήσης είναι κωδικοποιημένη σε ψηφιακούς παλμούς στο 2G ενώ στο 1G η μόνη διαμόρφωση που λαμβάνει χώρα είναι η αύξηση της συχνότητας, συνήθως 150 ΜΗΖ και άνω.
Ένα πρότυπο του 1G είναι το ΝΜΤ (Nordic Mobile Telephone), που χρησιμοποιήθηκε στις σκανδιναβικές χώρες, την Ελβετία, την Ολλανδία, την Ανατολική Ευρώπη και τη Ρωσία. Ένα άλλο είναι το AMPS (Advanced Mobile Phone System) που χρησιμοποιήθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Αυστραλία, το TACS (Total Access Communications System) στο Ηνωμένο Βασίλειο, το C-450 στη Δυτική Γερμανία, την Πορτογαλία και τη Νότια Αφρική, το RadioCom 2000 στη Γαλλία και το RTMI στην Ιταλία.
Στην Ιαπωνία υπήρξαν πολλά συστήματα. Τρία πρότυπα, το ΤΖ-801, το ΤΖ-802, και το ΤΖ-803 αναπτύχθηκαν από την ΝΤΤ, ενώ ένα ανταγωνιστικό σύστημα που δημιουργήθηκε από την DDI χρησιμοποίησε το πρότυπο JTACS (Japan Total Access Communications System). Πρόγονος της 1G τεχνολογίας μπορεί να θεωρηθεί το κινητό ραδιοτηλέφωνο ή το 0 G [7].
Ν. Χρυσάνθου 22
1.5 Δίκτυα Δεύτερης Γενεάς
Το 2G (ή 2-G) είναι η δεύτερη γενιά των δικτύων κινητής τηλεφωνίας η οποία εμπορικά δημιούργησε το πρότυπο GSM στη Φινλανδία από την εταιρεία Radiolinja το 1991. Τα τρία κύρια οφέλη των δικτύων 2G έναντι των προκατόχων τους ήταν:
1. Οι τηλεφωνικές συνομιλίες ήταν ψηφιακά κωδικοποιημένες και Κρυπτογραφημένες,
2. Τα 2G συστήματα έκαναν πολύ πιο αποτελεσματική διαχείριση φάσματος, γεγονός που πρακτικά σημαίνει πολύ μεγαλύτερο αριθμό χρηστών και
3. Το 2G εισήγαγε υπηρεσίες μετάδοσης δεδομένων σε κινητά τηλέφωνα, με αφετηρία τα μηνύματα κειμένου SMS.
Παρόλο που το 2G έχει ξεπερασθεί από νεότερες τεχνολογίες όπως το 2.5G, το 2.75G, το 3G και το 4G, ωστόσο δίκτυα 2G χρησιμοποιούνται ακόμα σε πολλά μέρη του κόσμου [5].
Τα κύρια πρότυπα του 2G είναι τα εξής:
1. Το GSM (βασισμένο στο TDMA), αρχικά στην Ευρώπη, αλλά χρησιμοποιείται σε όλες σχεδόν τις χώρες του κόσμου. Αντιπροσωπεύει σήμερα άνω του 80% του συνόλου των συνδρομητών σε όλο τον κόσμο. Πάνω από 60 φορείς εκμετάλλευσης κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιούν επίσης κάποιες παραλλαγές του, όπως το CDMA2000 στη ζώνη των 450 ΜΗΖ (CDMA450),
2. Το IS-95 ή cdmaOne (βασισμένο στο CDMA, που συνήθως αναφέρεται ως απλά CDMA στις ΗΠΑ), που χρησιμοποιείται στην Αμερική και σε αρκετά μέρη της Ασίας. Αντιπροσωπεύει σήμερα περίπου το 17% του συνόλου των συνδρομητών σε παγκόσμιο επίπεδο. Είναι πάντως αξιοσημείωτο πως πάνω από δώδεκα φορείς του CDMA "μετανάστευσαν" στο GSM συμπεριλαμβανομένων των φορέων στο Μεξικό, την Ινδία, την Αυστραλία και τη Νότια Κορέα.
3. Το PDC (βασισμένο στο TDMA), που χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην Ιαπωνία,
4. Το IDEN (βασισμένο στο TDMA), το ιδιόκτητο δίκτυο που χρησιμοποιείται από τη Nextel στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Telus Mobility στον Καναδά,
5. Το IS-136 ή D-AMPS (βασισμένο στο TDMA, που συνήθως αναφέρεται ως απλά TDMA στις ΗΠΑ), ήταν κάποτε διαδεδομένο στην Αμερική αλλά οι περισσότεροι έχουν "μεταναστεύσει" στο GSM [5].
1.5.1 Το Δίκτυο GSM
Το δίκτυο GSM αποτελεί το πιο δημοφιλές σύστημα κινητής τηλεφωνίας στον κόσμο και παρουσιάστηκε στα δίκτυα δεύτερης γενιάς.
Η γενική δομή ενός GSM δικτύου αναλύεται σε τέσσερα κύρια μέρη:
• Την Κινητή Μονάδα (κινητό τηλέφωνο) – Mobile Station (MS)
Ν. Χρυσάνθου 23
• Το Σταθμό Βάσης - Basic Station Subsystem (BSS)
• Το Σύστημα Δικτύου και Κόμβου Μεταγωγής - Network and Switching Subsystem (NSS)
• Το Σύστημα Λειτουργιών και Υποστήριξης - Operation and Support Subsystem(OSS)
Η γενική ιδέα του δικτύου GSM είναι ότι το δίκτυο χωρίζεται σε κυψέλες (κυψελωτό δίκτυο). Κυψέλη είναι η γεωγραφική εκείνη περιοχή μέσα στην οποία αναπτύσσονται και διακινούνται οι υπηρεσίες παροχής κινητής επικοινωνίας. Κάθε κυψέλη αποτελείται από ένα σύνολο Κινητών Μονάδων οι οποίες είναι συνδεδεμένες με το Σταθμό Βάσης. Όλοι οι Σταθμοί Βάσης συνδέονται με το Σύστημα Δικτύου και Κόμβου Μεταγωγής και μέσω αυτού παράγεται το Σύστημα Λειτουργιών και Υποστήριξης στους Χρήστες που δεν είναι άλλο από τις υπηρεσίες που «απολαμβάνει»
ο χρήστης της κινητής μονάδας [6].
Σχήμα 1: Το δίκτυο GSM , Κυψέλες, σταθμοί βάσης
1.5.2 Δίκτυα 2.5G (GPRS)
Το 2,5 G είναι ένα "σκαλοπάτι" μεταξύ της 2G και της 3G τεχνολογίας κυψελωτών ασύρματων δικτύων. Ο όρος "δεύτερη και μισή γενιά" χρησιμοποιείται για να περιγράψει τα συστήματα 2G που υλοποιούν τεχνολογία μεταγωγής πακέτου εκτός από την ήδη υπάρχουσα (από το GSM) τεχνολογία μεταγωγής κυκλώματος. Δεν παρέχει κατ 'ανάγκη πιο γρήγορες υπηρεσίες, διότι οι υπάρχουσες χρονοθυρίδες χρησιμοποιούνται και για τις υπηρεσίες μετάδοσης δεδομένων μέσω μεταγωγής κυκλώματος (HSCSD).
Το πρώτο σημαντικό βήμα στην εξέλιξη των δικτύων GSM προς τα 3G συνέβη με την εισαγωγή του General Packet Radio Service (GPRS). Τα δίκτυα CDMA2000 εξελίχθηκαν παρομοίως μέσω της εισαγωγής του 1xRTT. Ο συνδυασμός λοιπόν αυτών των δυνατοτήτων έγινε γνωστός ως 2.5G
Το GPRS μπορούσε να προσφέρει ταχύτητες δεδομένων από 56 kbit / s έως 115 kbit / s. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υπηρεσίες όπως το Πρωτόκολλο Ασύρματης Πρόσβασης, γνωστό ως WAP, την Υπηρεσία Μηνυμάτων Πολυμέσων (MMS), καθώς
Ν. Χρυσάνθου 24
και για υπηρεσίες επικοινωνιών στο Διαδίκτυο όπως το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο και το World Wide Web. Η χρέωση της μετάδοσης των δεδομένων στον χρήστη του GPRS συνήθως γίνεται ανά megabyte μεταφερθείσας κίνησης, ενώ τα δεδομένα της επικοινωνίας μέσω της παραδοσιακής μεταγωγής κυκλώματος χρεώνονται ανά λεπτό χρόνου σύνδεσης, ανεξάρτητα από το αν ο χρήστης μεταδίδει δεδομένα ή είναι σε κατάσταση αδράνειας [6].
Το 1xRTT υποστηρίζει αμφίδρομες (uplink και downlink) ταχύτητες δεδομένων έως και 153,6 kbit / s, παρέχοντας ένα μέσο throughput της τάξης των 80-100 kbit / s σε εμπορικά δίκτυα. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για υπηρεσίες WAP, SMS & MMS, καθώς και για πρόσβαση στο Internet.
1.6 Δίκτυα Τρίτης Γενεάς
Η International Mobile Telecommunications-2000 (ΙΜΤ-2000), ευρύτερα γνωστή ως 3G ή 3η Γενιά, είναι μια γενιά προτύπων για τα κινητά τηλέφωνα και για τις κινητές τηλεπικοινωνίες που πληρούν τις προδιαγραφές της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (ITU). Υπηρεσίες εφαρμογών περιλαμβάνουν ευρείας ζώνης ασύρματη τηλεφωνία, κινητή πρόσβαση στο Internet, πραγματοποίηση video - κλήσεων και κινητή τηλεόραση, όλα μέσα από μία κινητή συσκευή. Σε σύγκριση με τα παλαιότερα 2G και 2,5G πρότυπα, ένα 3G πρέπει να επιτρέπει την ταυτόχρονη χρήση φωνής και υπηρεσιών δεδομένων, καθώς και παροχή δεδομένων τουλάχιστον με ρυθμό 200 Kbit / s σύμφωνα με τις προδιαγραφές του ΙΜΤ-2000.
Οι πιο πρόσφατες εκδόσεις του 3G, οι οποίες συχνά συμβολίζονται ως 3.5G και 3.75G, παρέχουν επίσης κινητή ευρυζωνική πρόσβαση πολλών Mbits για φορητούς υπολογιστές και smartphones.
Τα πρότυπα στο "αρχικό" 3G είναι:
1. Το σύστημα UMTS, το οποίο άρχισε να υφίσταται το 2001, τυποποιημένο απ τη 3GPP, χρησιμοποιείται κυρίως στην Ευρώπη, την Ιαπωνία, την Κίνα (αν και με διαφορετικές ραδιοεπαφές) και άλλες περιοχές κυριαρχώντας έναντι του 2G GSM. Τα κινητά τηλέφωνα είναι συνήθως υβριδικά, δηλαδή είναι συμβατά με το UMTS, αλλά ταυτόχρονα και με το GSM. Αρκετές ραδιοδιεπαφές προσφέρονται από τους φορείς κινητής τηλεφωνίας, οι οποίες μοιράζονται την ίδια υποδομή.
Η πρώτη και πιο διαδεδομένη ραδιοδιεπαφή ονομάζεται W-CDMA.Η διεπαφή TD-SCDMA, ήταν στο εμπόριο το 2009 και προσφέρεται μόνο στην Κίνα.
Η τελευταία έκδοση του UMTS, το HSPA, μπορεί να παρέχει μέγιστες ταχύτητες δεδομένων έως και 56 Mbits στο downlink (τη στιγμή που το UMTS παρέχει 28 Mbit / s) και 22 Mbit / s στο up!ink.
2. Το σύστημα CDMA2000, που αρχικά προσφέρθηκε το 2002, έχει τυποποιηθεί από την 3GPP2, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως στη Βόρεια Αμερική και τη Νότια Κορέα, διαμοιράζεται την ίδια υποδομή με το 2G πρότυπο IS-95. Τα κινητά τηλέφωνα είναι συνήθως υβριδικά και υποστηρίζουν ταυτόχρονα CDMA2000 και IS-95. Η τελευταία έκδοση EVDO Rev. Β προσφέρει μέγιστη ταχύτητα 14,7 Mbits στο downstream [1].
Ν. Χρυσάνθου 25
1.7 Δίκτυα Τέταρτης Γενεάς
1.7.1 Ανάγκη για την τέταρτη γενιά κινητών επικοινωνιών
Η μεγάλη ανάγκη για υπηρεσίες Internet, ασύρματα συστήματα διανομής καλωδιακής τηλεόρασης (wireless cable television distribution) και για πρόσβαση στην τεχνολογία της πληροφορίας καθιστά επιτακτική την ανάπτυξη ασύρματων κινητών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων ευρείας ζώνης. Γενικά, είναι άμεση ανάγκη για ασύρματα δίκτυα τα οποία θα είναι ευέλικτα, θα έχουν την δυνατότητα αναβάθμισης για μεγάλο αριθμό χρηστών, θα είναι ικανά να παρέχουν πληροφορία για τη θέση του χρήστη σε παγκόσμια κλίμακα, θα παρέχουν ασφάλεια από υποκλοπές, θα συνεργάζονται με ενσύρματα δίκτυα και θα είναι εύκολα προσαρμόσιμα στις κατά καιρούς απαιτήσεις.
1.7.2 Προβλεπόμενα χαρακτηριστικά
Εδώ παρουσιάζονται κάποια από τα βασικά χαρακτηριστικά των 4G υπηρεσιών.
• Υποστήριξη Ευρυζωνικότητας και πολυμεσικών υπηρεσιών.
• Υψηλή ασφάλεια και ανοχή σφαλμάτων (fault-tolerance) στις επικοινωνίες, προσαρμοζόμενη δυναμικά στις απαιτήσεις του κάθε δικτύου και του εκάστοτε χρήστη σε συνδυασμό με τη βέλτιστη χρήση των πόρων (φάσμα, μπαταρία, QoS) της κινητής συσκευής.
• Συγκεκριμένα, εξατομικευμένα χαρακτηριστικά ασφάλειας και πιστοποιητικά ασφάλειας για κάθε παρεχόμενη υπηρεσία 4G και για κάθε κινητή συσκευή. Οποιαδήποτε πρόσβαση θα γίνεται μόνο εφόσον τα πιστοποιητικά πρόσβασης και των δύο πλευρών είναι αμοιβαία αποδεκτό (από τον πάροχο της υπηρεσίας και από τον χρήστη) [8].
• Διασυνδεσιμότητα παντού, με πλήθος δικτύων (σταθερά, κινητά, ad hoc).
Τα αναμενόμενα θέματα που πρέπει να επιλυθούν σε αυτή την τεχνολογία είναι:
• Η ενσωμάτωση του IΡ πρωτοκόλλου το οποίο θα επιφέρει μεγαλύτερη ασφάλεια καθώς και υψηλό ρυθμό αποστολής και λήψης δεδομένων από και προς τις κινητές συσκευές που χρησιμοποιούν την 4G τεχνολογία .
• Η δυνατότητα να κατεβαίνουν δεδομένα με ταχύτητα έως 100 Mbps μέσω του Διαδικτύου και έως 1 Gbps μέσω του τοπικού δικτύου .
• Αντί της υβριδικής τεχνολογίας που χρησιμοποιείται στο 3G με το συνδυασμό του CDMA και του 1S-95, μια νέα τεχνολογία, η OFDMA εισάγεται στο 4G.
Στο OFDMA η ιδέα είναι για άλλη μια φορά η χρήση μεθόδων πολλαπλής πρόσβασης, αλλά όχι η TDMA ή η CDMA.
Το ΙΡν6 έχει εγκριθεί από τη Verizon ως ένα πρότυπο του 4G από τον Ιούνιο του 2009.
