Συγκριτική ανάλυση αλγορίθµων µεταποµπής σε δίκτυα LTE-Advanced δύο επιπέδων

ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟ∆ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ

ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

∆ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ∆ΩΝ ΣΤΗ ∆ΙΟΙΚΗΣΗ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΤΩΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ∆ΙΚΤΥΩΝ

∆ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Συγκριτική ανάλυση αλγορίθµων µεταποµπής σε δίκτυα LTE-Advanced δύο επιπέδων

Νικόλαος Χ. Ηλιάδης Γρηγόριος ∆. Κακκάβας

Επιβλέποντες: Λάζαρος Μεράκος, Καθηγητής Τµήµατος Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών

ΑΘΗΝΑ

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2012

Συγκριτική ανάλυση αλγορίθµων µεταποµπής σε δίκτυα LTE-Advanced δύο επιπέδων

Νικόλαος Χ. Ηλιάδης Α.Μ.: ΜΟΠ301

Γρηγόριος ∆. Κακκάβας Α.Μ.: ΜΟΠ302

ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: Λάζαρος Μεράκος, Καθηγητής Τµήµατος Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών

Σεπτέµβριος 2012

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Οι φεµτοκυψέλες είναι κυψελοειδή σηµεία πρόσβασης µικρής εµβέλειας και χαµηλού κόστους, τα οποία εγκαθίστανται από τους καταναλωτές. Αξιοποιούν την οπισθόζευξη ευρυζωνικής πρόσβασης του τελικού χρήστη (π.χ. xDSL) προκειµένου να διασυνδέσουν τους τυπικούς εξοπλισµούς χρήστη µε το δίκτυο του κινητού παρόχου. Λειτουργούν στο αδειοδοτηµένο φάσµα του κινητού παρόχου και ενσωµατώνουν τη λειτουργικότητα ενός κανονικού σταθµού βάσης, παρόλο που τυπικά υποστηρίζουν λίγους χρήστες. Η χρήση φεµτοκυψελών παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήµατα τόσο για τους κινητούς παρόχους όσο και για τους τελικούς χρήστες. Από την οπτική του κινητού παρόχου µειώνει το κόστος κεφαλαίου και τα λειτουργικά κόστη, ενισχύει τη συνολική χωρητικότητα του συστήµατος, οδηγεί σε υψηλότερη χωρική επαναχρησιµοποίηση συχνότητας και χαµηλότερες εκποµπές ισχύος και τέλος αποσυµφορεί τους κοντινούς µακροκυψελικούς σταθµούς βάσης. Από την άλλη, σύµφωνα µε την οπτική των τελικών χρηστών επιτυγχάνεται µια βελτιωµένη εσωτερική κάλυψη και ενισχυµένη ποιότητα υπηρεσίας.

Επιπροσθέτως, υπάρχει σηµαντική εξοικονόµηση ενέργειας στον εξοπλισµό χρήστη που οδηγεί σε µια διευρυµένη διάρκεια ζωής της µπαταρίας της συσκευής.

Η έκδοση 10 του LTE, γνωστή και ως LTE-Advanced, δεν είναι µια καινούργια τεχνολογία ραδιοπρόσβασης αλλά η εξέλιξη του LTE για την περαιτέρω βελτίωση των επιδόσεων. Το LTE-Advanced όχι µόνο πληροί αλλά ξεπερνά τις απαιτήσεις του International Mobile Telecommunications (IMT)-Advanced που έχουν ορισθεί από την

∆ιεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών. Καθώς είναι µια εξέλιξη του LTE, η έκδοση 10 περιλαµβάνει χαρακτηριστικά των εκδόσεων 8/9 και προσθέτει αρκετά νέα. Τα σηµαντικότερα από αυτά, όπως αναλύουµε στο αντίστοιχο κεφάλαιο, είναι η συνάθροιση φερουσών, η ενισχυµένη χωρική πολυπλεξία κατερχόµενης/ανερχόµενης ζεύξης και συντονισµένη µετάδοση από πολλαπλά σηµεία κατερχόµενης ζεύξης, η βελτιωµένη υποστήριξη για ετερογενείς διατάξεις και η αναµετάδοση.

Η χρήση φεµτοκυψελών αυξάνει την πολυπλοκότητα των διαδικασίων διαχείρισης παρεµβολών και κινητικότητας. Συγκεκριµένα, το µη σχεδιασµένο µοτίβο εγκατάστασης φεµτοκυψελών, η µικρή ακτίνα της φεµτοκυψέλης, οι περιορισµοί ελέγχου πρόσβασης, η υψηλή ευαισθησία της φεµτοκυψέλης στην κινητικότητα χρήστη και η πυκνότερη διάταξη δικτύου δηµιουργούν την ανάγκη σχεδιασµού περισσότερο προηγµένων διαδικασιών διαχείρισης παρεµβολών και κινητικότητας. Στο πλαίσιο των φεµτοκυψελών, η διαχείριση κινητικότητας αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά βήµατα:

χαρακτηρισµός/ταυτοποίηση φεµτοκυψέλης, έλεγχος πρόσβασης, ανακάλυψη δικτύου, απόφαση µεταποµπής και εκτέλεση µεταποµπής. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζουµε µια κατανοητή µελέτη των αλγορίθµων απόφασης µεταποµπής που έχουν σχεδιαστεί για τα διεπίπεδα ιεραρχικά δίκτυα µακροκυψελών/φεµτοκυψελών. Προκειµένου, να πραγµατοποιηθεί µια συστηµατική σύγκριση κατηγοριοποιούµε τους αλγορίθµους σε πέντε οµάδες µε βάση το κύριο κριτήριο που εφαρµόζουν. Βασικό µας στόχος είναι η ανάλυση όλων των αλγορίθµων και η παρουσίαση του διαγράµµατος ροής της προτεινόµενης διαδικασίας µεταποµπής. Επιπροσθέτως, σηµειώνονται τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα κάθε αλγορίθµου και εκτιµάται η σχέση µεταξύ πολυπλοκότητας υλοποίησης και αποδοτικότητας.

ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ:

ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙ∆ΙΑ:

χρήστη, λαµβανόµενη ένταση σήµατος, ενεργειακή αποδοτικότητα, συνάρτηση κόστους.

ABSTRACT

Femtocells are short-range, low-cost cellular access points, which are installed by the consumer. They utilize the end user’s broadband access backhaul (e.g. xDSL) in order to interconnect standard user equipment (UE) to the mobile operator network. They operate in the mobile operator’s licensed spectrum and they embody the functionality of a regular base station although they typically support up to a few users. The femtocell deployment has a lot of advantages for both mobile operators and users. From the mobile operator’s perspective it reduces the capital and operational expenditure, it enhances overall system capacity, it results in higher spatial frequency reuse and lower power transmissions and finally it decongests nearby macrocell base stations. On the other side from the end user’s perspective there is an improved indoor coverage and enhanced Quality of Service (QoS). Moreover, there are significant user equipment energy savings which lead to a prolonged handset battery lifetime.

LTE Release 10, also known as LTE-Advanced, is not a new radio access technology but the evolution of LTE to further improve performance. It fulfills and even surpasses the International Mobile Telecommunications (IMT)-Advanced requirements set by the International Telecommunication Union (ITU). Being an evolution of LTE, Release 10 includes all the features of Release 8/9 and adds several new features. The most important, as discussed in the corresponding chapter, are carrier aggregation, enhanced DL/UL spatial multiplexing and DL CoMP, improved support for heterogeneous deployments and relaying.

The femtocell deployment increases the complexity of the interference and mobility management procedures. In particular, the unplanned femtocell deployment pattern, the short femtocell radius, the access control restrictions, the high femtocell sensitiveness to user mobility and the denser network layout create the need for the design of more advanced interference and mobility management procedures. In the femtocell context, mobility management consists of the following key steps: femtocell characterization/identification, access control, network discovery, HO decision and HO execution. In this thesis we present a comprehensive survey of the HO decision algorithms designed for the two tier hierarchical macro/femto-cell networks. To offer a systematic comparison, we categorize the algorithms into five groups based on the main handover criterion used. Our main goal is to analyze all the algorithms and give the flowchart of the proposed handover procedure. Moreover, we note the advantages and disadvantages of each algorithm and evaluate tradeoffs between their complexity of implementation and efficiency.

SUBJECT AREA:

KEYWORDS:

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Αρχικά, θα θέλαµε να ευχαριστήσουµε ιδιαίτερα τον επιβλέποντα της εργασίας, κ.

Λάζαρο Μεράκο, καθηγητή του Τµήµατος Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστηµίου Αθηνών, για την ανάθεση της διπλωµατικής αυτής εργασίας, την καθοδήγησή του και την ευκαιρία που µας έδωσε να ασχοληθούµε µε αυτό το ενδιαφέρον θέµα και να συνεργαστούµε µαζί του.

Θερµές ευχαριστίες οφείλουµε στην κ. ∆ιονύση Ξενάκη για τη συνεχή επιστηµονική του βοήθεια, την πολύτιµη συµβουλευτική καθοδήγηση και υποστήριξή του, τις εύστοχες παρατηρήσεις του και τη βιβλιογραφία µε την οποία µας εφοδίασε. Επίσης, θα θέλαµε να ευχαριστήσουµε τους ανθρώπους του Εργαστηρίου ∆ικτύων Επικοινωνιών (Ε∆Ε) για την ευχάριστη ατµόσφαιρα που δηµιουργήθηκε καθ’ όλη τη διάρκεια της συγγραφής της εργασίας.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

1 ΔΙΚΤΥΑ ΦΕΜΤΟΚΥΨΕΛΩΝ ... 11

1.1 Εισαγωγή ... 11

1.2 Ιστορική αναδρομή φεμτοκυψελών ... 12

1.3 Πολιτικές πρόσβασης στις φεμτοκυψέλες ... 13

1.4 Πλεονεκτήματα – περιορισμοί φεμτοκυψελών ... 14

1.4.1 Πλεονεκτήματα και περιορισμοί υπό το πρίσμα του χρήστη ... 15

1.4.2 Πλεονεκτήματα για τον πάροχο του δικτύου ... 16

1.5 Οικονομικά και ρυθμιστικά ζητήματα ... 17

1.5.1 Επιχειρηματικό πλάνο του παρόχου ... 17

1.5.2 Κίνητρα του συνδρομητή και του παρόχου υπηρεσιών Διαδικτύου ... 18

1.5.3 Φεμτοκυψέλες σε σύγκριση με το WiFi... 18

1.5.4 Ρυθμιστικά ζητήματα ... 19

1.6 Τρέχουσες υλοποιήσεις φεμτοκυψελών ... 19

1.7 Τεχνικές προκλήσεις ... 20

1.7.1 Συντονισμός παρεμβολών ... 20

1.7.2 Συσχέτιση κυψέλης και προτιμήσεις ... 21

1.7.3 Κινητικότητα και μεταπομπές ... 22

1.7.4 Αυτο-οργανούμενα δίκτυα ... 23

1.7.5 Περαιτέρω προκλήσεις ... 24

2 LTE ΚΑΙ LTE-ADVANCED ... 26

2.1 Εισαγωγή ... 26

2.2 Επισκόπηση της έκδοσης 8 του LTE ... 26

2.3 Πορεία προς το IMT-Advanced ... 28

2.4 Επισκόπηση της αρχιτεκτονικής των δικτύων LTE και LTE-Advanced ... 29

2.4.1 Η αρχιτεκτονική των ραδιο-πρωτοκόλλων ... 32

2.4.2 Οι διεπαφές ... 33

2.4.3 Υποστήριξη φεμτοκυψελών ... 34

2.4.4 Ραδιοεπαφή ... 34

2.5 Τεχνικά χαρακτηριστικά της έκδοσης 10 του LTE ... 36

2.5.1 Συνάθροιση φερουσών ... 36

2.5.2 Χωρική πολυπλεξία κατερχόμενης/ανερχόμενης ζεύξης και συντονισμένη μετάδοση κατερχόμενης ζεύξης από πολλαπλά σημεία ... 38

2.5.2.1 Βελτίωση της υποστήριξης MU-MIMO στην κατερχόμενη ζεύξη των κυψελών ...39

2.5.2.2 Επέκταση σε χωρική πολυπλεξία κατερχόμενης ζεύξης 8 επιπέδων ...39

2.5.2.3 Υποστήριξη συντονισμένης μετάδοσης κατερχόμενης ζεύξης από πολλαπλά σημεία ...40

2.5.2.4 Επέκταση σε χωρική πολυπλεξία ανερχόμενης ζεύξης 4 επιπέδων ...41

2.5.3 Ετερογενή δίκτυα ... 41

2.5.4 Αναμετάδοση ... 44

3 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΚΙΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ... 47

3.1 Εισαγωγή ... 47

3.2 Αρχική διαδικασία πρόσβασης μετά την ενεργοποίηση του UE ... 49

3.3 Μετρήσεις στο LTE ... 50

3.3.1 Λαμβανόμενη ισχύς σήματος αναφοράς (RSRP) ... 50

3.3.2 Ενδείκτης έντασης λαμβανόμενου σήματος (RSSI) ... 51

3.3.3 Λαμβανόμενη ποιότητα σήματος αναφοράς (RSRQ) ... 51

3.4 Διάκριση τύπων μεταπομπής ... 51

3.5 Διαχείριση κινητικότητας και καταστάσεις εξοπλισμού χρήστη ... 52

3.5.1 Διαχείριση Κινητικότητας Κατάστασης Αδράνειας ... 52

3.5.2 Διαχείριση Κινητικότητας Συνδεδεμένης Κατάστασης ... 55

3.5.2.1 Μετρήσεις σε συνδεδεμένη κατάσταση ...55

3.5.2.2 Μεταπομπή εντός E-UTRAN που συμβαίνει εντός των ίδιων δικτυακών κόμβων LTE... 57

3.5.2.3 Mεταπομπή εντός E-UTRAN που συμβαίνει μεταξύ διαφορετικών δικτυακών κόμβων LTE ...59

3.5.2.4 Μεταπομπή μεταξύ δικτύων 3GPP διαφορετικής ραδιοτεχνολογίας ...61

3.5.2.5 Mεταπομπή μεταξύ E-UTRAN και δικτύων διαφορετικής ραδιοτεχνολογίας εκτός 3GPP ...64

3.5.2.6 Μεταπομπή σε φεμτοκυψέλες κλειστής και υβριδικής πρόσβασης ... 67

4.1 Εισαγωγή ... 70

4.2 Κριτήρια Απόφασης Μεταπομπής... 70

4.3 Κατηγοριοποίηση Αλγορίθμων Απόφασης Μεταπομπής ... 72

4.4 Αλγόριθμοι Απόφασης Μεταπομπής ... 73

4.4.1 Αλγόριθμοι που βασίζονται στη λαμβανόμενη ένταση σήματος ... 75

4.4.1.1 Αλγόριθμος μεταπομπής που βασίζεται στο συνδυασμό των RSSs από τους σταθμούς βάσης της μακροκυψέλης και της φεμτοκυψέλης. ...75

4.4.1.2 Αλγόριθμος μεταπομπής που βασίζεται στη λαμβανόμενη ένταση σήματος και στις απώλειες ασύρματης μετάδοσης σε ιεραρχικά κυψελωτά δίκτυα ...79

4.4.1.3 Αλγόριθμος προσαρμοστικού περιθωρίου υστέρησης για μεταπομπή σε δίκτυα φεμτοκυψελών ...83

4.4.1.4 Ασύμμετρο σχήμα μεταπομπής με χρήση του αλγορίθμου διπλού κατωφλίου ...86

4.4.2 Αλγόριθμοι που βασίζονται στη συνάρτηση κόστους ... 89

4.4.2.1 Αλγόριθμος μεταπομπής προσαρμοστικής υστέρησης βάσει μιας συνάρτησης κόστους ...89

4.4.2.2 Μηχανισμός μεταπομπής μεταξύ φεμτοκυψέλης και μακροκυψέλης βάσει μιας συνάρτησης κόστους και της ταχύτητας του εξοπλισμού χρήστη ...94

4.4.2.3 Αλγόριθμος μεταπομπής σε ιεραρχικά δίκτυα βάσει μιας συνάρτησης κόστους κατάστασης χρήστη ... 97

4.4.3 Αλγόριθμοι που βασίζονται στην ταχύτητα του εξοπλισμού χρήστη ... 100

4.4.3.1 Αλγόριθμος προληπτικής και αντιδραστικής μεταπομπής με χρήση πρόβλεψης κινητικότητας ...100

4.4.3.2 Αλγόριθμος απόφασης μεταπομπής χαμηλής πολυπλοκότητας βάσει της ταχύτητας του UE ...103

4.4.3.3 Αλγόριθμος απόφασης μεταπομπής σε φεμτοκυψέλες με υβριδική πολιτική πρόσβασης ...105

4.4.3.4 Αλγόριθμος μεταπομπής με χρήση πρόβλεψης θέσης για ιεραρχικά δίκτυα δύο βαθμίδων. ...108

4.4.4 Αλγόριθμοι που λαμβάνουν υπόψη τις παρεμβολές ... 113

4.4.4.1 Ενδοκυψελική μεταπομπή για το μετριασμό των παρεμβολών σε δίκτυα δύο βαθμίδων ...113

4.4.5 Αλγόριθμοι με επίκεντρο την ενέργεια ... 118

4.4.5.1 Αλγόριθμος μεταπομπής με επίκεντρο την ενέργεια για το ολοκληρωμένο δίκτυο μακροκυψελών – φεμτοκυψελών ...118

4.5 Σύγκριση των προσεγγίσεων ... 121

5 ΕΠΙΛΟΓΟΣ ... 129

ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ ... 132

ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ-ΑΡΤΙΚΟΛΕΞΑ-ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ ... 137

ΑΝΑΦΟΡΕΣ ... 140

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ

Σχήµα 1: Η ταξινόµηση των αλγορίθµων στις πέντε κατηγορίες ... 73

Σχήµα 2: ∆ιάγραµµα ροής του αλγορίθµου Moon et al. [48] ... 78

Σχήµα 3: ∆ιάγραµµα ροής αλγορίθµου Xu et al. [49] ... 82

Σχήµα 4: ∆ιάγραµµα ροής του αλγορίθµου Becvar et al. [50] ... 85

Σχήµα 5: ∆ιάγραµµα ροής του αλγορίθµου Yang et al. [51] ... 88

Σχήµα 6: ∆ιάγραµµα ροής τους αλγόριθµου Lee et al. [54] ... 93

Σχήµα 7: ∆ιάγραµµα ροής αλγορίθµου Zhang et al. [55] ... 96

Σχήµα 8: ∆ιάγραµµα ροής αλγορίθµου Xu et al. [56] ... 99

Σχήµα 9: ∆ιάγραµµα ροής αλγορίθµου Ulvan et al. [57] ... 102

Σχήµα 10: ∆ιάγραµµα ροής αλγορίθµου Zhang et al. [58] ... 104

Σχήµα 11: ∆ιάγραµµα ροής του αλγορίθµου WU et al. [59] ... 107

Σχήµα 12: ∆ιάγραµµα ροής του αλγορίθµου Jeong et al. [60] ... 112

Σχήµα 13: ∆ιάγραµµα ροής του αλγόριθµου Perez et al. [61] ... 117

Σχήµα 14: ∆ιάγραµµα ροής του αλγόριθµου Xenakis et al. [65] ... 120

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ

Εικόνα 1: Χρονική – συχνοτική δοµή του LTE (LTE time-frequency structure)... 27

Εικόνα 2: Επισκόπηση αρχιτεκτονικής EPS για το πρότυπο 3GPP ... 30

Εικόνα 3: Βασική αρχιτεκτονική των LTE και LTE-Advanced δικτύων ... 30

Εικόνα 4: Λειτουργικός διαχωρισµός σε δίκτυα LTE και LTE-Advanced. ... 32

Εικόνα 5: Η στοίβα πρωτοκόλλων για το πεδίο χρήστη στο LTE ... 33

Εικόνα 6: Η στοίβα πρωτοκόλλων για το πεδίο ελέγχου στο LTE ... 33

Εικόνα 7: Αρχιτεκτονική µε HeNBs ... 34

Εικόνα 8: Συνάθροιση Φερουσών (Carrier Aggregation) στο LTE Release 10 ... 38

Εικόνα 9: Πλαίσιο εργασίας (framework) CoMP για DL µετάδοση ... 40

Εικόνα 10: Ετερογενής διάταξη µε µία µακρο-κυψέλη να επικαλύπτει πολλαπλές πικο- κυψέλες. ... 42

Εικόνα 11: Αναµετάδοση (relaying) ... 45

Εικόνα 12: ∆ιαδικασία αναφοράς µετρήσεων ... 55

Εικόνα 13: Inter και intra frequency σενάρια µετρήσεων ... 56

Εικόνα 14: Intra-MME/Serving Gateway HO... 58

Εικόνα 15: Inter-MME/Serving Gateway HO... 60

Εικόνα 16: Φάση προετοιµασίας inter-RAT µεταποµπής από LTE σε UMTS ... 62

Εικόνα 17: Φάση εκτέλεσης inter-RAT µεταποµπής από LTE σε UMTS ... 63

Εικόνα 18: Μεταποµπή από LTE σε WiMAX ... 64

Εικόνα 19: Προετοιµασία και εκτέλεση µεταποµπής από LTE σε cdma2000 HRPD ... 66

Εικόνα 20: Ενεργοποίηση κοµιστών στη µεταποµπή από LTE σε cdma2000 HRPD .... 66

Εικόνα 21: Ολοκλήρωση µεταποµπής από LTE σε cdma2000 HRPD ... 67

Εικόνα 22: Μεταποµπή από eNB/HeNB σε HeNB... 69

Εικόνα 23: Σενάριο µεταποµπής ενός κινητού UE από µια µακροκυψέλη σε µια φεµτοκυψέλη ... 76

Εικόνα 24: Σενάριο παρεµβολών για µεταδόσεις κατερχόµενης ζεύξης ... 106

Εικόνα 25: Σενάριο παρεµβολών για µεταδόσεις ανερχόµενης ζεύξης ... 106

Εικόνα 26: Ένα παράδειγµα του µοντέλου συστήµατος ... 110

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ

Πίνακας 1: Υπάρχουσες προσφορές φεµτοκυψελών ... 19

Πίνακας 2: Απαιτήσεις και αντίστοιχα χαρακτηριστικά του LTE ... 28

Πίνακας 3: Κριτήρια και κατηγορία για κάθε αλγόριθµο ... 73

Πίνακας 4: Γενικοί συµβολισµοί αλγορίθµων ... 74

Πίνακας 5: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Moon et al. [48] ... 75

Πίνακας 6: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Xu et al. [49] ... 79

Πίνακας 7: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Becvar et al. [50] ... 83

Πίνακας 8: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Yang et al. [51] ... 86

Πίνακας 9: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Lee et al. [54] ... 89

Πίνακας 10: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Zhang et al. [55] ... 94

Πίνακας 11: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Xu et al. [56] ... 97

Πίνακας 12: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Ulvan et al. [57] ... 100

Πίνακας 13: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Zhang et al. [58] ... 103

Πίνακας 14: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Wu et al. [59] ... 105

Πίνακας 15: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Jeong et al. [60] ... 108

Πίνακας 16: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Perez et al. [61] ... 113

Πίνακας 17: Ειδικοί συµβολισµοί του αλγορίθµου Xenakis et al. [65] ... 118

Πίνακας 18: Συγκριτικός πίνακας των δεκατριών αλγορίθµων που παρουσιάστηκαν .. 127

Πίνακας 19: Σύνοψη των κριτηρίων και των προσοµοιώσεων των 13 αλγορίθµων ... 128

1 ∆ΙΚΤΥΑ ΦΕΜΤΟΚΥΨΕΛΩΝ

Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζεται η έννοια των φεµτοκυψελών στα ιεραρχικά δίκτυα δύο βαθµίδων που ενσωµατώνουν φεµτοκυψέλες στο υφιστάµενο µακροκυψελικό δίκτυο.

Αρχικά, περιγράφεται το πλαίσιο σύλληψης της ιδέας των φεµτοκυψελών και παρουσιάζεται συνοπτικά η πορεία τους κατά τη διάρκεια των χρόνων. Στη συνέχεια, αναφέρονται οι πολιτικές πρόσβασης των φεµτοκυψελών, οι οποίες διαδραµατίζουν καθοριστικό ρόλο στη διαχείριση κινητικότητας. Ακολούθως, αναφέρονται τα πλεονεκτήµατα από τη χρήση αυτών των δικτύων, τόσο για τους ίδιους τους χρήστες, όσο και για τους τηλεπικοινωνιακούς οργανισµούς. Μετέπειτα, εξετάζονται το επιχειρηµατικό πλάνο και τα κίνητρα του παρόχου, τα κίνητρα των συνδροµητών και κάποια ρυθµιστικά ζητήµατα σχετικά µε τα δίκτυα αυτά. Τέλος, το σηµαντικότερο µέρος του κεφαλαίου επικεντρώνεται στις τεχνικές προκλήσεις και στις διάφορες εναλλακτικές λύσεις που µπορούν να εφαρµοστούν για την επίλυσή τους και χρήζουν περαιτέρω µελέτης.

1.1 Εισαγωγή

Η ανάγκη επίτευξης υψηλότερων ρυθµών µετάδοσης δεδοµένων σε ασύρµατα δίκτυα, προκάλεσε τον σχεδιασµό και την ανάπτυξη νέων κυψελοειδών προτύπων όπως το WiMAX (802.16e) και τα πρότυπα HSPA (High Speed Packet Access) και LTE (Long Term Evolution) του Third Generation Partnership Project (3GPP). Παράλληλα αναπτύχθηκαν πλεγµατικές (mesh) τοπολογίες δικτύων Wi-Fi για να παρέχουν υπηρεσίες µε υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων µε ένα πιο κατανεµηµένο τρόπο. Αν και τα δίκτυα Wi-Fi δε θα είναι σε θέση να υποστηρίξουν υπηρεσίες ισάξιου επιπέδου σε θέµατα κινητικότητας και κάλυψης όπως αυτές των κυψελοειδών προτύπων, τα συστήµατα κινητής τηλεφωνίας για να είναι ανταγωνιστικά για οικιακούς και εταιρικούς χρήστες θα πρέπει να παρέχουν υπηρεσίες αρκετά συγκρίσιµες µε αυτές των δικτύων Wi-Fi.

Με την πάροδο των χρόνων παρατηρήθηκε µια αύξηση στην χωρητικότητα των ασυρµάτων δικτύων µε τη διεύρυνση του φάσµατος των δικτύων αυτών. Επιπλέον, το ενιαίο αυτό διευρυµένο φάσµα χωρίστηκε σε µικρότερα κοµµάτια, χρησιµοποιώντας παράλληλα αποδοτικότερα σχήµατα διαµόρφωσης, µε αποτέλεσµα την αύξηση του κέρδους µετάδοσης δεδοµένων λόγω της µείωσης του µεγέθους των κυψελών, καθώς και της απόστασης µετάδοσης. Τα µεγάλα κέρδη από τη µείωση του µεγέθους των κυψελών προκύπτουν από την αποδοτική χωρική επαναχρησιµοποίηση του φάσµατος (spatial reuse of spectrum) [1].

Ένα βασικό πρόβληµα αυτής της συνεχούς µείωσης του µεγέθους των κυψελοειδών δικτύων αποτελεί το γεγονός ότι η υποδοµή του δικτύου πλέον καθίσταται αρκετά ακριβή. Αποτέλεσµα αυτής της µείωσης του µεγέθους των κυψελών είναι η δηµιουργία της φεµτοκυψέλης, η οποία ονοµάζεται επίσης οικιακός σταθµός βάσης και είναι ένας χαµηλής εµβέλειας, χαµηλού κόστους και χαµηλής ισχύος σταθµός βάσης που εγκαθίσταται από το χρήστη για καλύτερη λήψη τόσο δεδοµένων όσο και φωνής από το εσωτερικό του σπιτιού του. Αυτή η συσκευή επικοινωνεί µε το κυψελοειδές δίκτυο µέσω µιας ευρυζωνικής σύνδεσης όπως για παράδειγµα µια ψηφιακή συνδροµητική σύνδεση (DSL), ένα καλωδιακό µόντεµ ή µέσω ενός ξεχωριστού καναλιού ραδιοσυχνοτήτων.

Σύµφωνα µε τις συµβατικές προσεγγίσεις για να παρέχονται σε έναν οικιακό χρήστη τόσο υπηρεσίες σταθερής όσο και κινητής τηλεφωνίας χρειάζονται συσκευές διπλής λειτουργίας (dual-mode). Αντίθετα, µε χρήση των φεµτοκυψελών µπορεί να επιτευχθεί µια σύγκλιση κινητών και σταθερών επικοινωνιών µε τις υπάρχουσες συσκευές.

Συγκρίνοντας την διάταξη της φεµτοκυψέλης µε άλλες τεχνικές αύξησης της

χωρητικότητας του συστήµατος, όπως είναι τα συστήµατα κατανεµηµένων κεραιών και οι µικροκυψέλες, ένα από τα πλεονεκτήµατα των φεµτοκυψελών είναι ότι υπάρχει πολύ µικρό κόστος για τον πάροχο της υπηρεσίας.

1.2 Ιστορική αναδροµή φεµτοκυψελών

Οι εταιρείες κινητής τηλεφωνίας στην προσπάθειά τους να ενισχύσουν τη θέση τους και να µεγαλώσουν το µερίδιο τους στην αγορά δοκιµάζουν διάφορες στρατηγικές και µεθόδους ανάπτυξης. Σε πυκνοκατοικηµένες περιοχές στις οποίες παρατηρείται µεγάλη πυκνότητα και συγκέντρωση χρηστών ακολουθήθηκε η στρατηγική της µείωσης της κάλυψης που προσφέρει µια κυψέλη µε την παράλληλη εµφάνιση µικροκυψελών και πικοκυψελών. Εποµένως, κρίνεται απαραίτητη η βελτιστοποίηση της ποιότητας των υπηρεσιών που παρέχονται, καθώς και η µείωση της κάλυψης της κυψέλης, γεγονός που µπορεί να προκαλέσει δυσκολίες στην περίπτωση που η εκάστοτε εταιρεία προσπαθήσει να ικανοποιήσει τόσο τους χαµηλής κινητικότητας χρήστες της (ενδοοικιακούς ή ενδοεπιχειρησιακούς καταναλωτές), όσο και τους υψηλής κινητικότητας εξωτερικούς χρήστες της. Στην περίπτωση των χαµηλών συχνοτήτων παρατηρείται ότι υπάρχει καλύτερη διάδοση του σήµατος σε σχέση µε την ζώνη υψηλών συχνοτήτων, γεγονός που επιτρέπει στα σήµατα αυτά να διαπερνούν ευκολότερα κτήρια και τοίχους ώστε να φτάνουν στους εσωτερικούς χρήστες. Επιπλέον, στις ζώνες χαµηλής συχνότητας υπάρχει καλύτερη απόδοση µε αποτέλεσµα να υπάρχει υψηλός λόγος παροχής δεδοµένων προς τον χρήστη, ενώ γίνεται προσπάθεια να ενεργοποιηθούν ξανά στη µετάδοση σηµάτων ζώνες της τάξης των 450MHz και 700MHz.

Η ιδέα για την χρησιµοποίηση µικρών κυψελών µελετάται εδώ και τρείς δεκαετίες [2].

Αρχικά, η έννοια των «µικρών κυψελών» περιέγραφε το µέγεθος των κυψελών σε µια µητροπολιτική περιοχή, στην οποία µια µακροκυψέλη (µε διάµετρο τάξεως χιλιοµέτρων) θα διασπαστεί σε ένα αριθµό από µικρότερες κυψέλες, γνωστές σήµερα ως µικροκυψέλες, οι οποίες θα χαρακτηρίζονται από χαµηλότερη ισχύ µετάδοσης και θα έχουν ακτίνα κάποιων εκατοντάδων µέτρων.

Ταυτόχρονα, διερευνήθηκαν κυψελοειδείς αναµεταδότες ή ενισχυτές ως µια εναλλακτική λύση έναντι των µικρών σταθµών βάσεων. Αυτές οι συσκευές είχαν σκοπό να συνεισφέρουν στη βελτίωση της ποιότητας του σήµατος σε περιοχές µε φτωχή κάλυψη, µειώνοντας παράλληλα το κόστος από το γεγονός ότι δεν απαιτείται ενσύρµατη οπισθόζευξη (backhaul). Όµως, η επαναχρησιµοποίηση του αδειοδοτηµένου φάσµατος για την οπισθόζευξη µειώνει την απόδοση συστήµατος που µπορεί να επιτευχθεί. Ως εκ τούτου, αυτοί οι αναµεταδότες δεν είναι τελικά χρήσιµοι για τη χωρητικότητα του συστήµατος, ενώ δεν είναι απλή ούτε και η εγκατάστασή τους.

Στην δεκαετία του 1990, άρχισε να εµφανίζεται ένας πρόδροµος των κυψελοειδών πικοκυψελών, µε την ανάπτυξη κυψελών µε µεγέθη που κυµαίνονταν από 10 µέτρα έως και 100 µέτρα [3]. Αυτές οι «παραδοσιακά» µικρές κυψέλες χρησιµοποιήθηκαν για τη βελτίωση της χωρητικότητας και της κάλυψης, για παράδειγµα για τις περιπτώσεις όπου η διείσδυση της µακροκυψέλης είναι ανεπαρκής για να παρέχει µια αξιόπιστη σύνδεση ή στις περιοχές στις οποίες η µακροκυψέλη είναι υπερφορτωµένη. Αυτοί οι τύποι των µικρών κυψελών αποτελούσαν ουσιαστικά µια µικρότερη έκδοση των σταθµών βάσης µακροκυψελών και προϋποθέταν παρόµοιο σχεδιασµό, διαχείριση και δικτυακές επαφές. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990 αναπτύχθηκε από την Bell και την Panasonic ένα ερευνητικό πρόγραµµα, τα αποτελέσµατα του οποίου µοιάζουν περισσότερο µε τις σηµερινές συσκευές φεµτοκυψελών. Συγκεκριµένα, αναπτύχθηκε µια λύση για την εσωτερική κάλυψη των χρηστών, µε την επαναχρησιµοποίηση του ίδιου φάσµατος για τις µακροκυψέλες και για την ενσύρµατη οπισθόζευξη (T1 ή PSTN)

[4]. Βέβαια, υπήρχε έλλειψη IP οπισθόζευξης και το επίπεδο της ολοκλήρωσης δεν είχε φτάσει στο επιθυµητό σηµείο ώστε οι σταθµοί βάσης αυτοί να είναι µια µικρογραφία των µακροκυψελών. Οι τεχνολογίες αυτές των µικρών κυψελών ήταν τεχνικά ένα βήµα µπροστά, ωστόσο ήταν οικονοµικά ασύµφορες διότι το κόστος της ανάπτυξης και λειτουργίας ενός µεγάλου αριθµού µικρών κυψελών αντιστάθµιζε το πλεονέκτηµα που παρείχαν.

Για να αντιµετωπιστούν τα λειτουργικά και κοστολογικά ζητήµατα που προκύπτουν από τη δηµιουργία των µικρών κυψελών, άρχισαν να γίνονται σκέψεις για νέες µεθόδους ανάπτυξης και διαµόρφωσης των κυψελοειδών συστηµάτων. Αυτές οι µέθοδοι εφαρµόστηκαν µε επιτυχία στις οικιακές φεµτοκυψέλες, όπου τα θέµατα κόστους είναι περισσότερα. Μια φεµτοκυψέλη είναι εντελώς διαφορετική από τις παραδοσιακές µικρές κυψέλες, όσον αφορά την ανάγκη τους να είναι περισσότερο αυτόνοµες και αυτοπροσαρµοζόµενες. Επιπλέον, η διεπαφή οπισθόζευξης που οδηγεί πίσω στο κυψελοειδές δίκτυο (το οποίο βασίζεται στις διευθύνσεις IP και υποστηρίζει µικρότερους ρυθµούς και υψηλότερες καθυστερήσεις από ότι το πρότυπο διεπαφών Χ2 για τη σύνδεση µακροκυψελών και πικοκυψελών), επιβάλλει τη χρήση των πυλών των φεµτοκυψελών και άλλων νέων υποδοµών δικτύου για την κατάλληλη δροµολόγηση και εξυπηρέτηση του φόρτου κίνησης από και προς αυτό, γεγονός που σύντοµα θα δηµιουργήσει εκατοµµύρια νέους σταθµούς βάσης.

Η ραγδαία αύξηση των δεδοµένων που ανταλλάσσονται στις κινητές επικοινωνίες, επιτείνει την ανάγκη για µια νέα κυψελοειδή αρχιτεκτονική η οποία θα παρέχει το λιγότερο µια τάξη µεγέθους περισσότερη χωρητικότητα από ότι πριν. Ο πιο βιώσιµος τρόπος για να καλυφθεί η αυξηµένη ζήτηση είναι να µειωθεί το µέγεθος της κυψέλης και έτσι και η χωρική επαναχρησιµοποίηση συχνότητας [5], εκτός και αν οι άφθονες (και ανέξοδες) συχνότητες των δεκάδων GHz µπορούν να αξιοποιηθούν για την ευρυζωνικότητα στις κινητές επικοινωνίες, γεγονός βέβαια εξαιρετικά δύσκολο.

Παράλληλα µε την κλιµακούµενα αυξανόµενη ζήτηση και άλλες τεχνολογικές και κοινωνικές τάσεις κατέστησαν τις φεµτοκυψέλες µια χαµηλού κόστους βιώσιµη λύση.

Αυτές περιλαµβάνουν τη µεγάλη διαθεσιµότητα και το χαµηλό κόστος των ενσύρµατων ευρυζωνικών συνδέσεων στο διαδίκτυο. Επιπλέον, αναπτύσσονται 4G κυψελοειδή πρότυπα βασισµένα σε IP και συµβατά µε διαµόρφωση OFDMA και παρέχεται µια καλύτερη πλατφόρµα για επίπεδα υπέρθεσης φεµτοκυψελών από ότι το 3G CDMA δίκτυο που είναι ένα κύκλωµα µεταγωγής (η οπισθόζευξη στις φεµτοκυψέλες γίνεται µέσω IP).

Η ανάπτυξη φεµτοκυψελών γνωρίζει σηµαντική εµπορική επιτυχία. Στις Ηνωµένες Πολιτείες η Sprint Nextel ξεκίνησε τη διανοµή φεµτοκυψελών το 2008, µε τις Verizon και AT&T να ακολουθούν το 2009 και το 2010 αντίστοιχα. Στην Ευρώπη, η Vodafone άρχισε πρώτη τη διανοµή φεµτοκυψελών το 2009 στην Μεγάλη Βρετανία και στη συνέχεια σε άλλες χώρες. Στην Ασία η Softbank mobile, η China Unicom, και η NTT DoCoMo ξεκίνησαν την παροχή υπηρεσιών των φεµτοκυψελών το 2009. Σύµφωνα µε το Femto Forum η παραγωγή των παρόχων αυξήθηκε κατά 60% στο δεύτερο τρίµηνο του 2011, συµπεριλαµβανοµένων 8 από τους 10 κορυφαίους παγκόσµιους οµίλους παρόχων κινητών τηλεφωνίας.

1.3 Πολιτικές πρόσβασης στις φεµτοκυψέλες

Για να περιγραφούν οι διαδικασίες ελέγχου πρόσβασης είναι σηµαντικό να σηµειωθεί ότι σε ένα δίκτυο δυο επιπέδων οι χρήστες µπορούν να ταξινοµηθούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα µε τα δικαιώµατα συνδεσιµότητας που τους έχουν δοθεί. Συγκεκριµένα:

Ένας συνδροµητής (subscriber) µιας φεµτοκυψέλης είναι ένας χρήστης που είναι εγγεγραµµένος σε αυτή. Εποµένως, οι συνδροµητές είναι οι δικαιούχοι χρήστες

και είναι συνήθως κινητά τερµατικά του ιδιοκτήτη της φεµτοκυψέλης και της οικογένειας του.

Ένας µη συνδροµητής (non-subscriber) είναι ένας χρήστης ο οποίος δεν είναι εγγεγραµµένος στη φεµτοκυψέλη.

Σύµφωνα µε το 3GPP έχουν προταθεί τρεις µέθοδοι πρόσβασης για τις φεµτοκυψέλες:

η κλειστή, η ανοιχτή και η υβριδική πρόσβαση. Στην κλειστή πρόσβαση µόνο ένα υποσύνολο των χρηστών, που προσδιορίζεται από τον ιδιοκτήτη της φεµτοκυψέλης, µπορεί να συνδεθεί σε αυτή. Αυτό το µοντέλο ονοµάζεται επίσης κλειστή οµάδα συνδροµητών (Closed Subscriber Group, CSG) και η λίστα των συνδροµητών µιας φεµτοκυψέλης λίστα CSG. ∆ηλαδή, στην πολιτική κλειστής πρόσβασης µόνο οι συνδροµητές µπορούν να συνδεθούν στη φεµτοκυψέλη τους. Από την άλλη οι φεµτοκυψέλες ανοιχτής πρόσβασης, που ονοµάζονται και ανοιχτές οµάδες συνδροµητών (Open Subscriber Group, OSG), είναι προσβάσιµες από όλους. Εφόσον και οι δύο προηγούµενες προσεγγίσεις έχουν κάποια µειονεκτήµατα έχει προταθεί επίσης και η υβριδική πρόσβαση. Σύµφωνα µε αυτήν, ένας περιορισµένος αριθµός των πόρων της φεµτοκυψέλης είναι διαθέσιµος σε όλους τους χρήστες, ενώ οι υπόλοιποι πόροι δεσµεύονται για τους συνδροµητές της. ∆ηλαδή, οι συνδροµητές έχουν προτεραιότητα στην πρόσβαση στις φεµτοκυψέλες τους και οι µη συνδροµητές έχουν το δικαίωµα να συνδεθούν µε περιορισµένη πρόσβαση στους πόρους της φεµτοκυψέλης.

Όταν η µέθοδος πρόσβασης εµποδίζει τη χρήση των πόρων της φεµτοκυψέλης από ένα υποσύνολο χρηστών που βρίσκονται εντός της περιοχής κάλυψης της, εµφανίζεται στην περιοχή αυτή ένα νέο σύνολο σηµάτων παρεµβολής. Εποµένως, η εφαρµογή πολιτικής κλειστής πρόσβασης από τις φεµτοκυψέλες εντείνει το πρόβληµα µετριασµού των παρεµβολών. Αντίθετα, η χρήση φεµτοκυψελών ανοιχτής πρόσβασης επιλύει αυτό το πρόβληµα, αλλά εγείρει ζητήµατα ασφάλειας και ιδιωτικότητας στους πελάτες.

Επιπλέον, όταν οι χρήστες διασχίζουν περιοχές µε µεγάλο αριθµό ανοιχτών φεµτοκυψελών, ο αριθµός των µεταποµπών και εποµένως η σηµατοδοσία στο δίκτυο αυξάνεται. Τέλος, οι τεχνικές υβριδικής πρόσβασης µπορούν να θεωρηθούν ως ένας συµβιβασµός µεταξύ των προσεγγίσεων ανοιχτής και κλειστής πρόσβασης. Ωστόσο, ο αριθµός των διαµοιραζόµενων πόρων πρέπει να καθορίζεται προσεκτικά ώστε να αποφεύγεται µια µεγάλη επίδραση στην ποιότητα της παρεχόµενης υπηρεσίας [38].

1.4 Πλεονεκτήµατα – περιορισµοί φεµτοκυψελών

Η προσθήκη της φεµτοκυψέλης στους τύπους των κυψελών που χρησιµοποιούνται για τις επικοινωνίες αποτέλεσε θέµα έρευνας όσον αφορά τα πλεονεκτήµατα που παρέχει σε σχέση µε τις µεγάλες κυψέλες, τις περιπτώσεις στις οποίες µπορεί να χρησιµοποιηθεί, τις επιδόσεις που προσφέρει καθώς και τους περιορισµούς στους οποίους υπόκειται. Στη συνέχεια αναφέρονται τα πλεονεκτήµατα τόσο για το χρήστη όσο και για τον πάροχο του δικτύου.

Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα τα οποία απολαµβάνει ο χρήστης είναι η βελτίωση στην ενδοοικιακή κάλυψη, η µεγαλύτερη χωρητικότητα δεδοµένων και οι ειδικές τιµές, κάτι που εξαρτάται όµως από την πολιτική της εταιρείας παροχής υπηρεσιών τηλεφωνίας.

Επιπλέον, στην περίπτωση των ενδοεπιχειρησιακών χρηστών επιτρέπεται η χρήση των αποθηκευµένων τηλεφώνων του κινητού και στο χώρο της εταιρείας.

Όσον αφορά τους περιορισµούς, ο κυριότερος από αυτούς είναι ότι οι φεµτοκυψέλες χρειάζονται ειδικό υλικό (hardware) και έτσι οι συµβατικοί δροµολογητές WiFi ή DSL δεν µπορούν να συνδεθούν µε τη φεµτοκυψέλη. Εξαιτίας του γεγονότος ότι οι φεµτοκυψέλες διαθέτουν µηχανισµούς για να ειδοποιούν τους παρόχους όταν αλλάζει η τοποθεσία τους, οι εταιρείες µπορούν να επιτρέψουν ή όχι την αλλαγή της τοποθεσίας. Γενικότερα,

η αλλαγή τοποθεσίας της φεµτοκυψέλης µε τη µεταφορά της σε άλλη χώρα στο εξωτερικό δεν επιτρέπεται µιας και κάθε φεµτοκυψέλη µεταδίδει σε συγκεκριµένες συχνότητες. Οι συχνότητες αυτές µπορούν να χρησιµοποιούνται από µια άλλη εταιρεία σε κάποια διαφορετική χώρα στο εξωτερικό, γεγονός που θα δηµιουργούσε σύγχυση.

Τα πλεονεκτήµατα των φεµτοκυψελών καθώς και οι περιορισµοί τους θα αναλυθούν περαιτέρω παρακάτω [6].

1.4.1 Πλεονεκτήµατα και περιορισµοί υπό το πρίσµα του χρήστη

Η τοποθέτηση µιας φεµτοκυψέλης στο εσωτερικό µιας οικίας ή ενός γραφείου έχει σηµαντικά οφέλη για τον χρήστη. Συγκεκριµένα, είναι τα ακόλουθα:

Βελτιωµένοι ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων (throughput). Μειώνεται το block error rate (BLER) εξαιτίας του γεγονότος ότι ο χρήστης µπορεί να είναι πολύ κοντά στη φεµτοκυψέλη, αυξάνοντας µε αυτό τον τρόπο τον µέσο ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων. Όσο µικρότερη είναι η απόσταση χρήστη µε τη φεµτοκυψέλη τόσο καλύτερους ρυθµούς θα επιτυγχάνει.

Βελτίωση στην ενδοοικιακή κάλυψη. Η εγκατάσταση µιας φεµτοκυψέλης στο εσωτερικό µιας οικίας ή ενός γραφείου µειώνει την απώλεια συνδέσεως κατά 10- 15 dB. Ανάλογα µε την απόσταση του γραφείου ή της οικίας από την µακροκυψέλη ίσως παρουσιαστεί πρόβληµα στην ενδοεπιχειρησιακή ή ενδοοικιακή κάλυψη. Στην διατήρηση της κάλυψης και της µείωσης των απωλειών από παρεµβολές σηµαντικό ρόλο παίζουν και οι τοίχοι του κτηρίου όπου εγκαθίσταται µια φεµτοκυψέλη. Η διάδοση του σήµατος που προέρχεται από τη δηµόσια µακροκυψέλη µέσα από τους τοίχους είναι µη επιθυµητή, αλλά αναγκαία, ενώ από την πλευρά της φεµτοκυψέλης η παρουσία των τοίχων µειώνει τις εκποµπές προς τα έξω.

Ασφάλεια. Απαιτείται πιστοποίηση της αυθεντικότητας του χρήστη, µιας και η σύνδεση της φεµτοκυψέλης γίνεται µέσω του δηµόσιου ISP (Internet service provider) για την µεταφορά δεδοµένων στο ιδιωτικό κυψελοειδές δίκτυο. Στις περισσότερες περιπτώσεις για την εξασφάλιση των προσωπικών και επαγγελµατικών δεδοµένων γίνεται χρήση του IPsec από το πάροχο.

Απλή εγκατάσταση. Η εγκατάσταση είναι τόσο απλή από τον εκάστοτε χρήστη ώστε να µειώνεται η πιθανότητα να υπάρξει κάποιο λάθος.

Μείωση της κατανάλωσης ισχύος. Η φεµτοκυψέλη βρίσκεται σε κοντινή απόσταση από το χρήστη µε αποτέλεσµα να µην χρειάζεται υψηλή ισχύ για τη µετάδοση δεδοµένων από το χρήστη. Έτσι, ο χρήστης έχει χαµηλότερη ηλεκτροµαγνητική επιβάρυνση, ενώ και η µπαταρία της συσκευής του χρήστης θα έχει µεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Εξελιγµένες εφαρµογές. Τέτοιες εφαρµογές µπορεί να είναι εφαρµογές πολυµέσων και υπηρεσιών IP, όπως εφαρµογές µε βίντεο, µε υπολογιστές κ.α.

Καλύτερο επίπεδο ποιότητας φωνής. Γίνεται χρήση κωδικοποιητών φωνής µε µεγαλύτερες δυνατότητες µεταφοράς δεδοµένων, εξαιτίας της µικρής απόστασης µεταξύ της φεµτοκυψέλης και του εξοπλισµού του χρήστη.

Μεγιστοποίηση της ικανοποίησης των πελατών. Το γεγονός αυτό συµβαίνει εξαιτίας των αυξηµένων ρυθµών µετάδοσης δεδοµένων και της καλύτερης κάλυψης που προσφέρεται.

Νέες εφαρµογές. Υπάρχει πλέον η δυνατότητα σύγκλισης ενδοοικιακών συσκευών όπως υπολογιστές µε τις συσκευές κινητών τηλεφώνων, η οποία µε τη

σειρά της θα δηµιουργήσει τη δυνατότητα για νέες εφαρµογές. Για παράδειγµα µε τη βοήθεια των φεµτοκυψελών είναι πλέον εφικτή η µετάδοση πληροφοριών από ηλεκτρονικές ιατρικές συσκευές που θα υποστηρίζονται από τις φεµτοκυψέλες σε κάποιο άλλο νοσοκοµείο.

Από την άλλη µεριά, τα κυριότερα µειονεκτήµατα και περιορισµοί από τη χρήση των φεµτοκυψελών είναι τα εξής:

Λογαριασµός. Ο χρήστης ο οποίος χρησιµοποιεί κυψελοειδείς υπηρεσίες, θα πρέπει να πληρώσει έναν λογαριασµό για την ευρυζωνική του σύνδεση από την εταιρεία τηλεφωνίας καθώς και έναν επιπλέον λογαριασµό για τις κυψελοειδείς υπηρεσίες που απολαµβάνει. Ο λογαριασµός των κεψελοειδών υπηρεσιών θα επιβαρύνεται µε ένα επιπλέον ποσό για τη χρήση των φεµτοκυψελών. Οι πάροχοι θα πρέπει να αποφασίσουν αν στο λογαριασµό τους θα χρεώνουν µε βάση την προέλευση των κλήσεων ή αν για παράδειγµα θα χρεώνουν µε µια πάγια µηνιαία χρέωση. Αυτή η συσσώρευση των λογαριασµών µπορεί να αποθαρρύνει τους µελλοντικούς χρήστες από το να υιοθετήσουν την τεχνολογία των φεµτοκυψελών.

Μετρήσεις. Η εγκατάσταση πολλών φεµτοκυψελών σε µικρές αποστάσεις µπορεί να δηµιουργήσει σύγχυση στον εξοπλισµό χρήστη ο οποίος θα πρέπει να κάνει µετρήσεις όχι µόνο για την µακροκυψέλη αλλά και για όλες τις γειτονικές φεµτοκυψέλες. Το µειονέκτηµα σε αυτή την περίπτωση είναι ότι θα γεµίσει ο πυρήνας του δικτύου µε πολλές µετρήσεις του εξοπλισµού χρήστη σχετικά µε τις γειτονικές κυψέλες, από τις οποίες οι περισσότερες δεν είναι καθόλου χρήσιµες.

Οικιακοί πόροι. Ο αριθµός των κουτιών που θα χρειαστούν για την εγκατάσταση είναι συνάρτηση του επιπέδου ενσωµατώσεως (integration level) των συσκευών.

Έτσι, µέρος της οικίας µπορεί να καλυφθεί από κουτιά, τα οποία καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια.

1.4.2 Πλεονεκτήµατα για τον πάροχο του δικτύου

Τα πλεονεκτήµατα της χρήσης φεµτοκυψελών για τους παρόχους του δικτύου είναι τα εξής:

Αύξηση εσόδων. Θα υπάρξει µια αύξηση των µέσων εσόδων ανά χρήστη για τους παρόχους µιας και θα αυξηθεί τόσο ο αριθµός των χρηστών όσο και τα µηνιαία έσοδα. Τα πλεονεκτήµατα των φεµτοκυψελών θα προσελκύσουν και νέους πελάτες οι οποίοι θα συνεισφέρουν σε αυτή την αύξηση των εσόδων της εταιρείας.

Μειωµένο κόστος. Οι πάροχοι στην προσπάθεια τους να κάνουν πιο ανταγωνιστικές τις υπηρεσίες τους, να αυξήσουν την κάλυψη και τη χωρητικότητα του δικτύου τους αυξάνουν τόσο την πολυπλοκότητα του δικτύου τους όσο και το κόστος τους. Οι πάροχοι για να αυξήσουν τη χωρητικότητά τους, µίκρυναν το µέγεθος της δηµόσιας κυψέλης (από µάκρο σε µίκρο και µετά σε πίκο) αυξάνοντας παράλληλα και το κόστος του δικτύου σχετικά µε την εγκατάσταση, τη συντήρηση, τη µίσθωση δικτυακών υπηρεσιών κ.α. Καθοριστικός παράγοντας για τη µείωση αυτή του κόστους είναι η εκµετάλλευση ενός ήδη υπάρχοντος δικτύου όπως το ∆ιαδίκτυο, µιας και στην εποχή µας ο χώρος των τηλεπικοινωνιών βασίζεται πολύ στο πρωτόκολλο IP.

Βελτίωση αξιοπιστίας µακροκυψέλης. Στην περίπτωση που η κίνηση που δηµιουργείται από τους εσωτερικούς οικιακούς χρήστες (indoors) µπορεί να απορροφηθεί από την εκάστοτε φεµτοκυψέλη µέσω του βασικού IP κορµού της,

ο σταθµός βάσης της µακροκυψέλης µπορεί να διαθέσει τους πόρους του στο να παρέχει καλύτερη λήψη για τους κινητούς χρήστες.

Αυξηµένη χωρητικότητα. Απελευθερώνονται φυσικοί πόροι του δικτύου από την µετακίνηση πολλών χρηστών από τη δηµόσια µακροκυψέλη στην ιδιωτική φεµτοκυψέλη. Έτσι, οι µακροκυψέλες µπορούν να υποστηρίξουν και νέους χρήστες µε αποτέλεσµα ο αριθµός των συνολικών χρηστών του δικτύου να αυξάνεται συνεχώς.

Βελτιωµένη εσωτερική κάλυψη. Με την τοποθέτηση φεµτοκυψελών οι πάροχοι καταφέρνουν να αυξήσουν την ενδοοικιακή ή ενδοεπιχειρησιακή κάλυψη για τους χρήστες τους γεγονός που αποτελούσε σηµαντικό στόχο τους. Με τη χρήση φεµτοκυψελών τα επιπλέον 10-15 dB τα οποία απαιτούνταν από την µετάδοση της µακροκυψέλης για να διαπεραστούν οι τοίχοι και τα πατώµατα δεν θα απαιτούνται πλέον. Σε ιδανικές περιπτώσεις ο πάροχος θα µπορούσε να αφιερώσει αυτά τα επιπρόσθετα dB στην αύξηση του ρυθµού µεταφοράς δεδοµένων.

Ανταγωνισµός µε άλλες τεχνολογίες συγκλίσεως. Το WLAN (wireless local area network) αποτελεί µια πολύ συνηθισµένη ασύρµατη τεχνολογία σύνδεσης (RAT – Radio Access Technology) στο ∆ιαδίκτυο για ένα χρήστη από την οικία του. Με την αύξηση των ρυθµών µετάδοσης της κυψελοειδούς τεχνολογίας, οι χρήστες θα µπορούν να χρησιµοποιούν και το κυψελοειδές δίκτυο για τη µεταφορά δεδοµένων, επιπροσθέτως της µεταφοράς φωνής και πολυµέσων.

∆ιαφοροποίηση προϊόντος. Η χρήση φεµτοκυψελών µε τα πλεονεκτήµατα που προσφέρει αποτελεί ένα µεγάλο ανταγωνιστικό όπλο για όποιον πάροχο το προσφέρει µιας και µε την αύξηση της περιοχής ενδοοικιακής κάλυψης και τη βελτίωση των ρυθµών µετάδοσης δεδοµένων ικανοποιούνται περισσότερο οι ανάγκες των χρηστών. Ως επακόλουθο οι χρήστες προτιµούν αυτούς τους παρόχους έναντι των υπολοίπων που δεν προσφέρουν υπηρεσίες φεµτοκυψέλης.

Αναβαθµισµένες υπηρεσίες. Ο πάροχος εκµεταλλευόµενος τη σύνδεση του χρήστη µε το ∆ιαδίκτυο µπορεί να αναπτύξει ενισχυµένες υπηρεσίες γύρω από τον εξοπλισµό χρήστη και γενικά γύρω από το κυψελοειδές δίκτυο του χρήστη.

Μειώνονται οι απώλειες συνδροµητών. Η κακή εσωτερική κάλυψη προκαλεί στους πελάτες δυσαρέσκεια, ωθώντας τους είτε να αλλάξουν διαχειριστή είτε να διατηρήσουν µια ξεχωριστή ενσύρµατη γραµµή εσωτερικά. Η ενισχυµένη εσωτερική κάλυψη που παρέχουν οι φεµτοκυψέλες, µειώνει τα κίνητρα των πελατών να αλλάξουν διαχειριστή.

1.5 Οικονοµικά και ρυθµιστικά ζητήµατα

1.5.1 Επιχειρηµατικό πλάνο του παρόχου

Το επιχειρηµατικό πλάνο για τις φεµτοκυψέλες έχει αναλυθεί από πλήθος ερευνών. Η βασική πρόταση αξίας είναι ότι το κόστος της φεµτοκυψέλης είναι πολύ µικρότερο σε σύγκριση µε την εξοικονόµηση που προκύπτει από την αποσυµφόρηση των δικτύων µακροκυψελών [7]. Αυτά τα ευρήµατα επαληθεύονται σε µεγάλο εύρος τµηµάτων αγοράς από τους οικιακούς έως τους εταιρικούς χρήστες. Σύµφωνα µε ορισµένα µοντέλα, οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι µπορούν να επιτύχουν έως 10x επιστροφή από τις φεµτοκυψέλες. Επιπροσθέτως, οι νεοεισερχόµενοι πάροχοι και οι πάροχοι που αναπτύσσουν τεχνολογίες τέταρτης γενιάς (4G) µπορούν να εκµεταλλευτούν τις