4G VAGY B3G : ÚJGENERÁCIÓS MOBIL KOMMUNIKÁCIÓ A 3G UTÁN (Simon Vilmos fóliái alapján) Médiakommunikációs hálózatok Média-technológia és kommunikáció szakirány 2013. május 17., Budapest Bokor László kutatómérnök BME Híradástechnikai Tanszék bokorl@hit.bme.hu
Kivonat Fejlődési irányok a 3G után 3G továbbfejlesztése (3G+) HSDPA HSUPA 4G
3G után
3GPP szabványcsoportok Release 99: Az W-CDMA rádióhálózat szabványosítása FDD (Frequency Division Duplex) és TDD (Time Division Duplex) mód, AMR (Adaptive Multi-Rate) codec Release 2000 : A gerinchálózat standardizációja Release 4 (2000-2001): GERAN (GSM/Edge Radio Access Network) támogatás Streaming MSC szétválasztása MSC server és Media Gateway elemekre
3GPP szabványcsoportok Release 5 HSDPA Az IMS (Internet Multimedia Subsystem) standardizációja IPv6 gerinchálózat SIP (Session Initiation Protocol) alapú multimédia szolgáltatások IP alapú adattovábbítás Release 6 IMS 2. fázisa (ami nem fért bele a Rel 5-be) Elérés független (UTRAN, GERAN, WLAN, xdsl)
3GPP szabványcsoportok Rel7 MIMO Rel8 Seamless roaming a mobil és WLAN hálózatok között Long Term Evolution
IP előretörése a mobil hálózatokban
Mik voltak a célkitűzések a 3G mobil-rendszerekkel szemben? Új multimédiás és valós idejű szolgáltatások bevezetése A mobil Internet-hozzáférés lehetőségeinek kiterjesztése Pl. Internetes vásárlás Lokális információt nyújtó, adatszóró illetve streaming szolgáltatások bevezetése a vezetékes telefonszolgáltatással ekvivalens beszédátviteli minőség nyújtása Vertikális handover váltás különböző rádiós technológiákat használó hálózatok között
Mit tudnak a 3G-rendszerek? Szabványosítás: 3GPP (Third-Generation Partnership Project) 3GPP2 WCDMA ill. a 3GPP2-ban a CDMA-2000 UTRAN (UMTS Terrestial Radio Network) WCDM Az elérhető legnagyobb bitsebességek vonalkapcsolt átvitelnél 384 kbit/sec csomagkapcsolt átvitel esetében 2 Mbit/sec Folyamatos fejlődés a már létező 2G hálózati architektúrákból (GSM, GPRS) Európában: a vonalkapcsolt GSM, és az IP alapú csomagkapcsolt GPRS gerinchálózati alapokon
Az első 3G szolgáltatás-csomag (Japán, 1999) i-mode FOMA szolgáltatások Nagyméretű e-mail (max. 5000 japán karakter) továbbítása, képekkel és hanggal, i-appli alkalmazások (pl.: JAVA játékok a hálózaton) Videó-telefon Max. 64 kbit/s sebességű, kisfelbontású mozgókép-továbbítással Nagysebességű adathozzáférés Downlink: max. 384 kbit/s, uplink: max. 64 kbit/s Beszédátvitel minősége A vezetékes telefonszolgáltatással ekvivalens
A 3G-rendszerek határai Csomagkapcsolt átvitelnél a sebesség 2 Mbit/s-ig, de a valódi idejű szolgáltatások továbbra is csak max. 384 kbit/s sebességgel, mert csak az áramkörkapcsolt üzemmódban van QoS és mobilitás Ezért bár a készülékek már alkalmasak többféle szolgáltatásra, nincs átmenet a vonalkapcsolt UMTS-ből pl. a csomagkapcsolt WLAN-ba A teljes hálózatban IP felett kellene mennie minden forgalomnak A 2 Mbit/s egyébként is kevés lehet a multimédia alkalmazásokhoz
Elvárások az újabb generációval szemben (4G vagy B3G) Interaktív multimédia szolgáltatások támogatása (telekonferencia, wireless Internet, etc.) Nagyobb adatsebességek Globális mobilitás Globális szolgáltatás-hordozhatóság always best connected Bővíthetőség (Scalability) nagyságrenddel nagyobb hálózatméretek a mindenütt jelenlevőség (ubiquity) érdekében az egy mobil egy felhasználó elv helyett egy mobil egy végpont, nagyszámú nem-humán végpont Alacsony költségek
Milyen új technikák teszik lehetővé az elvárások teljesítését? A 4G nem egy egységes technológia/rendszertechnika, mint a 2G v. a 3G, hanem több különböző technika bevezetése Tisztán csomagkapcsolás All-IP, IPv6, QoS, mobil IPv6 Nagy átviteli képesség mobilitás mellett is (100 Mbit/sig): OFDM alkalmazása Szigorú hálózati biztonság Szoftver-rádió
Szoftver-rádió Software-defined radio (SDR) Jelenleg: minden egyes kommunikációs technológiához külön-külön specifikus hardver, pl. Bluetooth PAN-ok közötti és PAN-okon belüli kommunikációra WLAN irodai és otthoni használatra GSM, 3G (WCDMA) mobil távközlési hálózatokban Szoftver-rádió: egyetlen hardver, a működés szoftverrel újradefiniálható Jelentősége: a 4G-ben sincs esély globálisan egységes rendszerre, ezen belül egységes rádiós interfészre vertikális handover igénye a WPAN-WLAN-WMANtechnikákkal
UMTS továbbfejlesztése (3G+) High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Adaptív moduláció és kódolás (AMC), Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), Gyors ütemezés (RNC helyett BTS) Gyors ARQ (RNC helyett BTS)
HSDPA: Adaptív moduláció és kódolás (AMC) A moduláció és kódolás a rádiós csatorna pillanatnyi állapota alapján kerül megválasztásra pl. csillapítás, interferencia, a vevő érzékenysége alapján Már EDGE-ben is volt ilyen Dinamikus adaptáció: HSDPA-ban minden 2ms-ban (CQI:Channel Quality Indication) Pl. zajos csatornánál QPSK (1,6Mb/s), kevésvé zajosnál 16QAM (3,2Mb/s) FEC (Forward error correction) kódolási ráta : zajosnál 1/3, nem zajosnál majdnem 1/1
MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) Több antenna van az adó és vevőoldalon is Nagyobb adatátvitelt és hatótávolságot nyújt az adóteljesítmény vagy sávszélesség növelése nélkül Mikrocelláknál akár 30-50%-os növekedés adatá.-ben Magas sprektrális hatékonysággal éri ezt el (bit/s/hz)
Gyors ütemezés Az ütemezés is rádiós csatorna függő Minden felhasználó periodikusan küldi a downlink jelminőséget (2ms-ként) a bázisállomásnak Ez alapján a bázisállomás eldönti melyik felhasználó és mennyit fog adni a következő 2ms-os keretben Azok a felhasználók akik jobb downlink jel minőséget jelentenek, több adatot tudnak küldeni
Gyors ütemezés
HARQ (Hybrid automatic repeat request) Sima ARQ: Hibajelző bitek az adathoz: vevő újrakéri ha hibát észlel Nyugtázza a vevő a hibamentesen megérkezett adatokat az adónak Időzítő: lejárta után az adó újraküldi az adatot ha addig nem jött meg a nyugta Hibrid ARQ A hibajelző bitek mellett hibajavító bitek is (Turbo kódok) Első alkalommal csak a hibjavító bitek egy része, ha helyesen átmegy akkor ok Ha nem, újraküldi a hibajavító bitek másik részét, a kettőből már lehet rekonstruálni Vezetéknélküli környezetre, komplexebb implementálni, de feljavítja a rossz rádiós csatornát
HSDPA adatsebesség Jellemzően 3.6, 7.2, 14.4 Mb/s maximális letöltési sebesség Európa után Japánban, USA-ban is kezd elterjedni
HSUPA (High Speed Uplink Packet Access ) Release 6 Nincs adaptív moduláció Ütemezés Létezik ütemezés mentes mód: pl. VoIP esetén amikor kis késleltetés és konstans adatátviteli sebesség kell HARQ (NodeB vezérli)
Evolved HSPA Akár 42Mb/s downlink és 22Mb/s uplink MIMO technológiának és magasabb szintű modulációknak köszönhetően HSDPA: 16 QAM => 64 QAM HSUPA: QPSK => 16 QAM All IP elv érvényesül: bázisállomások IP gerinchez csatlakoznak Bázisállomás kezd IP router-á válni 2008 december: első 21 Mbit/s (downlink), 5.8 Mbit/s (uplink) link kereskedelmi hálózatban (Telstra-Ausztrália)
4G Gyűjtőnév a 3G után következő hálózatokra, közös jellemzőik: Nagy sebességeknél 100 Mbit/s, alacsony mobilitás esetén 1Gbit/s 100Mbit/s bármelyik két pont között a világon Handover heterogén hálózatok között Magas szintű QoS multimédia szolgáltatások esetén Valós idejű audio, HDTV, mobile TV All IP, csak csomagkapcsolás!
4G technológiák OFDM: a frekvencia szelektív csatorna miatt MIMO: a magas spektrális hatékonysághoz Turbo kódok: a vevőoldali előírt jel-zaj viszony minimalizálásához Adaptív rádiós interfész Modulációk: PSK-k helyett pl. 64QAM IPv6 Hamarosan kimerül az IPv4 címtér Új szolgáltatások jobb multicast, biztonság és route optimalizálási képességekkel Szoftver rádió
Első 4G hálózatok 802.16e mobil WiMAX 3GPP Long Term Evolution (USA-ban idén indul) Release 8 downlink: 100 Mbit/s, uplink: 50 Mbit/s vivő sávszélesség: 1,5Mhz-20Mhz Adaptív moduláció: QPSK, 16-QAM, 64-QAM OFDM, MIMO (4 antenna/állomás) Multimedia Broadcast Multicast Service (Mobile TV)
Jövőbeli trendek Egyes elvárások szerint 2015-re akár 20x lehet a mobil forgalom Első LTE hálózatok 2010-re, elterjedésük 2014-ben várható LTE még csak pre-4g, Release 9 fogja tartalmazi a 4G-t
WiMAX-LTE verseny Az UMTS elterjedtsége miatt nyerésben áll a mobil WiMAXal szemben mobil felhasználok 80%-a már UMTS infrastruktúrát használ Nincs megfelelő frekvenciatartomány WiMAX-ra Valószínűleg kiegészítik egymást: LTE: mobil forgalom WiMAX: fix és alacsonyabb fokú mobilitás
Kérdések? KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! Bokor László kutatómérnök BME Híradástechnikai Tanszék bokorl@hit.bme.hu 4G vagy B3G : újgenerációs mobil Bokor László, Simon Vilmos, Híradástechnikai Tanszék kommunikáció a 3G után 29 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem