4G VAGY B3G : ÚJGENERÁCIÓS

“4G” VAGY “B3G”: ÚJGENERÁCIÓS MOBIL KOMMUNIKÁCIÓ A 3G UTÁN (Simon Vilmos fóliái alapján)

Médiakommunikációs hálózatok Média-technológia és –kommunikáció szakirány Bokor László

2013. május 17., Budapest

kutatómérnök BME Híradástechnikai Tanszék [email protected]

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)

FOMA szolgáltatások i-mode

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 [email protected] “4G” vagy “B3G”: újgenerációs mobil kommunikáció a 3G után

© Bokor László, Simon Vilmos, Híradástechnikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

29