Távközlő hálózatok és szolgáltatások 5. Mobiltelefon Hálózatok: HSPA-tól LTE-ig

Átírás

1 Távközlő hálózatok és szolgáltatások 5. Mobiltelefon Hálózatok: HSPA-tól LTE-ig Cinkler Tibor BME TMIT május 2. Hétfő 16:15-17:45 IB.028

2 Nem kell vizsgára! techwelkin.com/meaning-mobile-symbols-g-e-2g-3g-h-4g-mobile-internet-signal-bar 2

3 Magyar Telekom 4G lefedettség mérési adatok kék:beltér, lila: kültér, fekete: nincs Nem kell vizsgára! 3

4 Telenor 4G lefedettség mérési adatok kék:beltér, lila: kültér, fekete: nincs Nem kell vizsgára! 4

5 Vodafone 4G lefedettség mérési adatok kék: beltér, lila: kültér, fekete: nincs Nem kell vizsgára! 6

6 Szélessáv mérési eredmények Nem kell vizsgára! 7

7 Generációk: 1, 2 1G A konkrét számértékek pontosan nem, csak kb., de a viszonyuk egymáshoz kell a vizsgára! 1982, FDMA, analóg 2G 1992, TDMA, digitális, GSM (Global System for Mobile communications) 2.5G 2003, HSCSD (43.2 kbps) (High-Speed Circuit-Switched Data) GPRS (64.2 kbps) (General Packet Radio Service) 2.75G EDGE (236.8 kbps) (Enhanced Data rate for GSM Evolution) 8

8 Generációk: 3 A konkrét számértékek pontosan nem, csak kb., de a viszonyuk egymáshoz kell a vizsgára! 3G UMTS, W-CDMA (384 kbps) (Universal Mobile Telecommunications Systems, WideBand Code Division Multiple Access) 3.5G HSDPA (1.8,3.6, 7.2,14 Mbps) (High-Speed Downlink Packet Access) 3.75G HSPA (HSUPA+HSDPA) (21.28 Mbps) (High-Speed Packet Access) HSPA+ (Evolved HSPA) MIMO, DC/MC, 42.2 Mbps (Multiple Input Multiple Output, Beam Forming, Dual/Multi Carrier) Advanced HSPA+, DualCell, 64QAM, (84.4, 168 Mbps down, 22 Mbps up) 9

9 Generációk: 4 3.9G (Pre-4G) LTE 4G (170 Mbps up, 320 Mbps down) LTE (all-ip) (1Gbps) OFDMA (Long Term Evolution, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) LTE-A (LTE Advanced) Carrier Aggregation (vivő-aggregálás) DL 3Gbps,UL 1.5 Gbps 8x8 MIMO DL, 4x4 MIMO UL LTE-A Pro (LTE Advanced Pro) 3GPP Release14 10

10 Alternatív 4G Wi-Fi WiMAX IEEE m LTE-U: LTE in unlicensed spectrum 11

11 HSPA HSPA (High-Speed Packet Access, nagy sebességű csomagkapcsolt hozzáférés) UMTS továbbfejlesztése nagyobb adatsebességek felé 2 protokoll közös neve: HSDPA (High Speed Downlink Packet Access, nagy sebességű csomagkapcsolt letöltési hozzáférés) akár 14 Mb/s HSUPA (High Speed Uplink Packet Access, nagy sebességű csomagkapcsolt feltöltési hozzáférés) akár 5,76 Mb/s Az UMTS része, annak részben továbbfejlesztése 3,5G néven is emlegetik Nem minden 3G képes mobil végberendezés tudja 12

12 HSPA HARQ: Hybrid ARQ: Hybrid Automatic Repeat Request RTD (Round Trip Delay) csökkentése 2 ms blockok 10 ms helyett / 10 ms alatt újraküldve helyett Minden keretet visszaigazol, nem ablakonként mint TCP UE és NodeB között! 13

13 HSPA Magyarországon nagy területen elérhető: letöltés max. 14 Mb/s feltöltés max. kb 2 Mb/s 14 Mb/s csak kevés helyen (a végberendezésnek is tudnia kell) amúgy 7,2 Mb/s vagy alacsonyabb (3,6) a max. sebesség a gyakorlatban tipikus a max. 1-6 Mb/s letöltési sebesség mindez nem túl drágán, ráadásul mobil ajánlott olvasmány: érdekes fejlemények 14

14 HSPA+ A következő lépés: HSPA+ elvi max 42 Mb/s le, 22 Mb/s fel Ezt követi majd az LTE (Long Term Evolution) Telenor ( Hipernet becenéven), T-Mobile: HSPA+ (21 MB/s le) lefedettség a cél mindenhol, ahol 3G van A hálózatfejlesztések 2012 nyáron indultak T-Mobile pl ra igérte befejezni Vodafone: Először Budapesten (első körben 14 Mb/s, az ország sok részén) Érdekes cikk a hálózatfejlesztésekről: 15

15 Advanced HSPA+ DL: 84.4, 168 Mbit/s (UE felé: le irány: DownLink) UL: 22 Mbit/s (UE felől: fel irány: UpLink) 4x4 MIMO 64 QAM Multi-Carrier (több vivő: akár nem-folytonos sáv is!) Dual-Cell / Multi-Cell 2 v. több cella egyidőben (HSDPA) MultiFlow A kiszolgáló cella mellett a szomszédhoz is csatlakozik Szomszéd szabad kapacitását is használja 16

16 Mi a MIMO? (SISO: 1x1) MIMO: Multiple Input Multiple Output Több bemenet több kimenet Térosztás (spatial multiplexing) Pl.: 2x2 vagy 4x4 (sok antenna: massive MIMO) Ugyanabban a frekvenciában és időben két különböző jel Multiser MIMO: Beam Forming (Spatial Filtering): 17

17 Nyalábképezés - BeamForming Több antenna térben Különböző fázissal és jelszinttel MultiUser MIMO 18

18 Több vivő: Multi Carrier Carrier Agregation vivő-aggregálás max 5 19

19 Több vivő keywords-acronyms/97-lteadvanced Sávon belül? Folytonos? 20

20 Nem kell vizsgára! 21

21 Nem kell vizsgára! 22

22 Mit kell tudjon a 4G? Mi is a 4G? IMT-Advanced Standard International Mobile Telecommunications-Advanced ITU-R követelmények (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) 2008-ban jelent meg 4G mobil követelmények IP csomagkapcsolt hálózat (hozzáférésben és maghűlózatban is) 100 Mbit/s gyors és 1Gbit/s lassú felhasználóknak 67 MHz sávban1gbit/s DS (DownStream) 15 bit/s/hz spektrális hatékonyság QoS minőségi követelmény 23

23 Sebesség (bit/s) növelése? Nagyobb sáv (több vivő együtt) Új modulációs formátumok Nagyobb spektrális hatékonyság (Shannon korlát!) Új rádiós interfész Kevesebb felhasználó cellánként (kisebb cella) micro pico femto ato Small Cell a fenti négy együtt Több technológia offload Pl.: Wi-Fi, 3+4 G, stb 24

24 LTE vázlat (3.5G, 3.75G, 3.9G (3.95, 3.99), 4G) OFDM (LTE) SNR - Channel Quality Adaptive Coding MIMO - Multiple Input Multiple Output VoLTE Handover Architektúra FMC Licenced/Unlicenced LTE CoMP 25

25 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Egy széles sáv helyett sok párhuzamos keskeny sávú átvitel Egy segédvivőn az alábbi négyszögletes jel, sin(x)/x spektrummal Wi-Fi, Wi-Max, DVB, ADSL, OOFDM szintén 26

26 OFDM Átlapolódó spektrum Delta f ( f) megválasztása fontos! Itt 7 al-vivő (segéd-vivő) Pl. 32 segédvivő 4 QAM vagy 128 segédvivő 64 QAM 27

27 Cyclic Prefix Ciklikus prefix védőidő helyett Többutas terjedés hatását csökkenti Csökkenti az interferenciákat Folytonos jelformát eredményez 28

28 OFDM Source: G. Zhang, M. De Leenheer, A. Morea, B. Mukherjee: A Survey on OFDM-Based Elastic Core Optical Networking, IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, /29

29 Modulációs Formátumok jel-zaj (interferencia is) viszony függő adaptív 30

30 Jel-zaj viszony (SNR) hatása az átviteli kapacitásra (Throughput) 31

31 Távközlő hálózatok és szolgáltatások 5. Mobiltelefon Hálózatok: LTE-A-tól 5G-ig Cinkler Tibor BME TMIT május 3. Kedd 12:15-13:45 K.234

32 A számolás menetét érteni kell a számértékeket nem kell tudni fejből LTE CellaKapacitás számolás RB (Resource Block) 12 x 15 khz = 180 khz / 0.5 ms Elvi maximum Mbit/s felhasználónként mert: 64 QAM esetén 6 bit/szimbólum, 168 szimbólum/ms 168*6*1000 bit/sec (168 = 7*12 / 0.5 ms) 18 MHz sávban 100 darab 180 khz sáv 33 (20 MHz 18MHz: Guard band overhead 10%)

33 Részletes számolással Érteni kell mi befolyásolja a bitsebességeket, a számértékeket nem kell tudni fejből yal.com/2011/ 06/27/ltepeakcapacity/ 34

34 Modulation and Coding Schemes (MCS) Robosztus Távoli UE Moduláció és kódolás Érteni kell mi befolyásolja a bitsebességeket, a számértékeket nem kell tudni fejből Érezékenyebb Közeli UE Hatékonyabb 35

35 Signal Quality and User Capacity Signal Quality: Column 4 of Table Source Power Attenuation A képleteket nem kell tudni, csak ismerni a tényezőket, melyek befolyásolják a bitsebességeket: csillapítás, interferencia, zaj, kódolási hatásfok Interference Noise Total power of all cells in the range (neighbours) Bit Rate Efficiency: Col. 5 of Table 12 sub-carriers 11 symbols out of 14 in time 1 ms Throughput Block Error Rate (Table) 36

36 MIMO Többantennás működés HSPA, LTE-ben 2 v 4 (v 8) antenna mindkét oldalon minél meszebb laptop smartfone mérete? Független átvitel, vagy ugyanaz késleltetve Térbeli nyalábolás (Beam Forming) Jobb jelszint jobb lefedettség az adott irányban Jobb SNR (jel-zaj viszony) Kisebb interferencia (más irányból nagy elnyomás) SDM (térbeli MUX már nem a hagyományos méhsejtes) Többfelhasználós MIMO több előfizetőnek egyszerre küld (beam1, beam2) Általában 20 MHz cellánként Frekvencia újrahasználási faktor: 1 GSM: 3 vagy 7; 3G, LTE: 1 37

37 Massive MIMO Massive MIMO: 32, 64, 128 antenna BeamForming nyalábképzés (antennák elhelyezése pl. egy mátrix) Akár 3D is lehet 38

38 CoMP (Coordinated Multi-Point) Rel. 11 Koordinált Több-Pont Cellahatáron jobb jel (emlékeztető: 3G légző cella probléma) Több cella veszi a jelet - Több cella küld Mindenkinek saját cellája van A cella virtuális, nincs cellahatár DL CoMP Együttes adás U.a. freki és idő mindkét adó ad Dinamikus pontválasztás Egyik adó kiválasztva UL CoMP Több adó vesz egyszerre Összesítenek 39

39 Relay - Átjátszás RN: Relay Node átjátszó csomópont Kis és nagy (small and macro) cellák együtt DeNB Donor enodeb Kis cella ehhez kötve, nem optikára Uu és Un interfész: ne legyen interferencia!!! 40

40 LTE Architektúra Maghálózat (CN: Core Network) EPC: Evolved Packet Core (SAE: System Architecture Evolution) PDN-GW Gateway Packet Data Network gw MME/Serving Gateway (S-GW) (Mobility Management Entity) LTE RAN: Radio Access Network (E-UTRAN) (Evolved Universal Mobile Telecommunications Stystem Terrestrial Radio Access Network) enodeb EPC Interfészek: S1 X2 S5 (S-GW és PDN-GW között) Ehhez csatlakoznak UEk 41

41 Funkciók MME: Mobility Management Entity Authentikáció Hordozók (IP tunel) kialakítása Mobilitás Handover Más hálózatokkal együttműködés SMS és beszéd átvitele S-GW: Serving GateWay enodeb és PDN-GW között alagutak (tunel) PDN-GW: Packet Data Network GateWay Internet, IMS, NAT HSS: Home Subscriber Server GSM UMTS HLR együttműködés 42

42 Handover és hibák Nem kell vizsgára! Átadás horizontal - geographic 43

43 Roaming (Barangolás) Nem kell vizsgára! 44

44 VoLTE Kinek van LTE képes telefonja? Most LTE-n van? Kezdjen egy hívást! (pl saját magát) Vagy fogadjon hívást a mellette ülőtől Most melyik technológiát használja? 4G még? Szakítsa meg a hívást, most mi történt? 45

45 VoLTE Voice over LTE Beszéd adatszolgálatra tervezett hálózaton ITU-T G AMW-WB beszédkodek max 28.8 kbps (Adaptive Multi-Rate Wideband) IMS IP Multimedia Subsystem SS7 --- SIP (SS7 over SIP) Gondok: Roaming, charging CSFB: Circuit Switched Fall Back 3G vagy 2G hálózatra OTT Viber, skype 46

46 Small Cell Small Cell micro pico femto - ato Bárhol Internetre csatlakozva Nem Mobil! Itthon Vodafone kínálta (JCDecaux reklámtáblákba, buszmegállókba, Vodafonnal) Licenced / Unlicenced LTE (LAA: Licensed Asissted Access) ISM sáv Cloud RAN Virtualizálás (Virtualized Network Functions: VNF, NFV) D2D (M2M, IoT, P2P) Device-to-Device, Machine-to-Machine, Internet of Things, Person-to-Person FMC (Fixed Mobile Convergence) 5G 47

47 LAA kitúrja a WI-Fi-t? Csak tudni kell a problémáról, és okáról, semmi több! There were further concerns over how often an LAA enodeb may send Discovery Reference Signals too many may mean that WiFi devices see the messages as load on spectrum channels that in fact have no load in terms of user traffic. So IEEE would like to see limits on how often an LAA enodeb can query a channel using the DRS mechanism. 48

48 Energia - Rendelkezésre állás Minőség kompromisszum Energy-Availability-QoS Trade-off for FMC WiFi? mikro pico femto cella? ato 3D hozzáférés választás 3D Access selection (Interface changing/steering) (Handover, load balancing) (Traffic steering, dynamic shifting) Horizontal? (Homogeneous, geographical) Vertical? (Heterogeneous, multi-rat) Transversal? (Inter-Operator)? Selective switch-off & Consolidation Szelektív kikapcsolás és Megszilárdítás makro 2G 3G? 4G Interface changing Access Network Mobile Aggregatio n Network Üzenet: Energiafogyasztás csökken Rendelkezésre állás javítható Minőség garantálható 49

49 Hogyan Működik? Csak az arányokat érdemes a táblázatból megjegyezni, nem a konkrét számokat. Mennyit fogyaszt a 2G, 3G, 4G? 50

50 LTE-A A valódi 4G eddigi nem az volt ITU-T: 1 Gbit/s 3GPP Rel március Magyarországon: 2014 április 29 Ericssom és Magyar Telekom 250 Mbit/s az 1,8 és 2,6 GHz frekvenciasávban Carrier Aggregation (HiperNet is) te/articles/2014/04/29/mtel-and-ericssondemonstrate-lte-a-technology-a-first-for-hungary/ 51

51 Carrier Aggregation s-acronyms/101-carrier-aggregationexplained Vivő aggregálás Csak Ismétlés!!! 52

52 LTE-A: 1Gbit/s Hogyan? Forrás: Fazekas Péter: Teltrans szeminárium 256 QAM 3D Beam-Forming 53

53 Mobil megoldások összevetése Nem kell vizsgára! 54

54 Mobil megoldások összevetése Nem kell vizsgára! 55

55 5G 56

56 5G? 3GPP Release 14: 2017 júniusa 4.5G / pre-5g / road to 5G Elő 5G, az út az 5G felé LTE Advanced Pro? Teljesíti az 5G követelményeket? LLA: Licensed Assisted Access SC: Small-Cell jellemzően kis cellára LLA IoT and Wearables Sharing, Sliceing, Chaining Megosztás, Szeletelés, Felfűzés 57

57 5G követelmények: IMT-2020 Még csak követelmények, megoldás még nincs ITU-R 2015 június, Genf A Wi-Fi 6G integrálva lesz az 5G-be 58

58 5G Követelmény, elvárás, vagy csak óhaj? Requirements, Expectations, Wishes A 4G-hez képest az 5G: 1000 times the system capacity 10 times the spectral efficiency higher data rates (i.e., the peak data rate of 10 Gb/s and the user experienced rate of 1Gb/s) 25 times the average cell throughput 5 times reduction in E2E latency (<1ms) 100 times connectivity density 99,999% availability De hogyan? cinkler@tmit.bme.hu 59

59 5G Követelmények Source: 5G PPP követelmény-megfogalmazása: 1,000 X mobile data volume per geographical area reaching a target 10 Tb/s/km2 1,000 X number of connected devices reaching a density 1M terminals/km2 100 X user data rate reaching a peak terminal data rate 10Gb/s 1/10 X energy consumption compared to /5 X end-to-end latency reaching 5 ms for e.g. tactile Internet and radio link latency reaching a target 1 ms for e.g. Vehicle to Vehicle communication 1/5 X network management OPEX 1/1,000 X service deployment time reaching a complete deployment in 90 minutes 60

60 További 5G követelmények Source: cinkler@tmit.bme.hu 61

61 5G? LTE LTE-Adanced LTE-Advanced Pro 5G kezdete: Rel. 14 Rel. 15. Rel. 16. ( június) 2018 közepe 2019 vége 62

62 Az 5G újdonságai Enhanced Mobile Broadband Massive Machine Type Communications (M2M) Ultra-reliable and Low Latency Communications New Radio (new RAT) Non-backward-compatible High Frequency Ranges (>6GHz) Small Cell Macro Cell Wi-Fi HS 2.0 Source: Olvasmány: 63