Távközlő hálózatok és szolgáltatások 5. Mobiltelefon Hálózatok: HSPA-tól LTE-ig
Cinkler Tibor BME TMIT 2016. május 2. Hétfő 16:15 - 17:45 IB.028
Nem kell vizsgára!
techwelkin.com/meaning-mobile-symbols-g-e-2g-3g-h-4g-mobile-internet-signal-bar
2
Magyar Telekom 4G lefedettség mérési adatok http://szelessav.net/hu/aggregalt_sebesseg/mobil kék:beltér, lila: kültér, fekete: nincs Nem kell vizsgára!
3
Telenor 4G lefedettség mérési adatok http://szelessav.net/hu/aggregalt_sebesseg/mobil kék:beltér, lila: kültér, fekete: nincs Nem kell vizsgára!
4
Vodafone 4G lefedettség mérési adatok http://szelessav.net/hu/aggregalt_sebesseg/mobil kék: beltér, lila: kültér, fekete: nincs Nem kell vizsgára!
6
„Szélessáv” mérési eredmények Nem kell vizsgára!
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
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
Generációk: 4
3.9G (Pre-4G) LTE
(170 Mbps up, 320 Mbps down) LTE (all-IP) (1Gbps) OFDMA (Long Term Evolution, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)
4G
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
Alternatív 4G
Wi-Fi
WiMAX IEEE 802.16m
LTE-U: LTE in unlicensed spectrum
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)
HSUPA (High Speed Uplink Packet Access, nagy sebességű csomagkapcsolt feltöltési hozzáférés)
akár 14 Mb/s
akár 5,76 Mb/s
Az UMTS része, annak részben továbbfejlesztése
3,5G néven is emlegetik Nem minden 3G képes mobil végberendezés tudja
12
HSPA
HARQ: Hybrid ARQ: Hybrid Automatic Repeat Request
RTD (Round Trip Delay) csökkentése 2 ms blockok 10 ms helyett / 10 ms alatt újraküldve 80-100 helyett Minden keretet visszaigazol, nem ablakonként mint TCP UE és NodeB között!
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: http://index.hu/tech/3gtura3/
érdekes fejlemények http://index.hu/tech/cellanaplo/2011/02/25/halozati_hiba_miatt_ervenytelen_a_3g_tura/
14
HSPA+
A következő lépés: HSPA+
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. 2013-ra igérte befejezni
http://www.hwsw.hu/hirek/46906/telenor-3g-hspa-hipernet-internet-mobilnet-zte-modem-samsung.html
Vodafone:
elvi max 42 Mb/s le, 22 Mb/s fel Ezt követi majd az LTE (Long Term Evolution)
Először Budapesten (első körben 14 Mb/s, az ország sok részén) http://www.hwsw.hu/hirek/46635/magyar-telekom-ericsson-t-mobile-mobil-mobiltelefon-3g-2g-edge-halozat-hspa.html
Érdekes cikk a hálózatfejlesztésekről: http://www.hwsw.hu/hirek/46827/t-mobile-vodafone-ericsson-huawei-mobiltelefon-halozat-hspa-3g-lte.html
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
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): https://www.youtube.com/watch?v=8rMtqRObvvU
17
Nyalábképezés - BeamForming Több antenna térben Különböző fázissal és jelszinttel MultiUser MIMO
18
Több vivő: Multi Carrier http://www.3gpp.org/technologies/keywordsacronyms/97-lte-advanced Carrier Agregation – vivő-aggregálás – max 5
19
Több vivő
http://www.3gpp.org/technologies/ keywords-acronyms/97-lteadvanced
Sávon belül? Folytonos?
20
Nem kell vizsgára!
21
22
Nem kell vizsgára!
Mit kell tudjon a 4G? Mi is a 4G? „IMT-Advanced” Standard
International Mobile Telecommunications-Advanced ITU-R követelmények
2008-ban jelent meg 4G mobil követelmények IP csomagkapcsolt hálózat (hozzáférésben és maghűlózatban is) 100 Mbit/s gyors és 1Gbit/s lassú felhasználóknak
(International Telecommunication Union –Radiocommunication Sector)
67 MHz sávban1Gbit/s DS (DownStream)
15 bit/s/Hz spektrális hatékonyság QoS minőségi követelmény 23
Sebesség (bit/s) növelése? Nagyobb sáv (több vivő együtt) Új modulációs formátumok
Kevesebb felhasználó cellánként (kisebb cella)
Nagyobb spektrális hatékonyság (Shannon korlát!) Új rádiós interfész micro – pico – femto – ato Small Cell – a fenti négy együtt
Több technológia – offload
Pl.: Wi-Fi, 3+4 G, stb
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
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
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
Cyclic Prefix Ciklikus prefix védőidő helyett Többutas terjedés hatását csökkenti Csökkenti az interferenciákat Folytonos jelformát eredményez
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, 2012
6/29
Modulációs Formátumok jel-zaj (interferencia is) viszony függő adaptív
30
Jel-zaj viszony (SNR) hatása az átviteli kapacitásra (Throughput) http://mwrf.com/contributors/cellular-networks-get-primed-tomorrow
31
Távközlő hálózatok és szolgáltatások 5. Mobiltelefon Hálózatok: LTE-A-tól 5G-ig
Cinkler Tibor BME TMIT 2016. május 3. Kedd 12:15 - 13:45 K.234
RB (Resource Block)
A számolás menetét érteni kell – a számértékeket nem kell tudni fejből
LTE CellaKapacitás számolás
12 x 15 kHz = 180 kHz / 0.5 ms Elvi maximum 100.8 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%)
Részletes számolással
Érteni kell mi befolyásolja a bitsebességeket, a számértékeket nem kell tudni fejből
https://frankra yal.com/2011/ 06/27/ltepeakcapacity/
34
Modulation and Coding Schemes (MCS) Moduláció és kódolás Robosztus Távoli UE
Érteni kell mi befolyásolja a bitsebességeket, a számértékeket nem kell tudni fejből
Érezékenyebb Közeli UE Hatékonyabb
35
Signal Quality and User Capacity Signal Quality: Column 4 of Table
Interference
Bit Rate
Source Power
A képleteket nem kell tudni, csak ismerni a tényezőket, melyek befolyásolják a bitsebességeket: csillapítás, interferencia, zaj, kódolási hatásfok
Attenuation
Noise
Efficiency: Col. 5 of Table
Total power of all cells in the range (neighbours)
12 sub-carriers 11 symbols out of 14 in time
1 ms
Throughput
Block Error Rate (Table) 36
MIMO
Többantennás működés HSPA, LTE-ben 2 v 4 (v 8) antenna mindkét oldalon
Független átvitel, vagy ugyanaz „késleltetve” Térbeli nyalábolás (Beam Forming)
„minél meszebb” – laptop smartfone mérete?
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
Massive MIMO
Massive MIMO: 32, 64, 128 antenna
BeamForming
nyalábképzés (antennák elhelyezése pl. egy mátrix) Akár 3D is lehet
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
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!!! http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/97-lte-advanced
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)
EPC
eNodeB Ehhez csatlakoznak UEk
Interfészek: • S1 • X2 • S5 •
(S-GW és PDN-GW között) 41
Funkciók
MME: Mobility Management Entity
S-GW: Serving GateWay
eNodeB és PDN-GW között alagutak (tunel)
PDN-GW: Packet Data Network GateWay
Authentikáció Hordozók (IP tunel) kialakítása Mobilitás Handover Más hálózatokkal együttműködés SMS és beszéd átvitele
Internet, IMS, NAT…
HSS: Home Subscriber Server
GSM UMTS HLR együttműködés
42
Handover és hibák
Nem kell vizsgára!
Átadás horizontal - geographic
43
Roaming (Barangolás)
Nem kell vizsgára!
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
VoLTE Voice over LTE Beszéd adatszolgálatra tervezett hálózaton ITU-T G.722.2 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
Small Cell
Small Cell
Licenced / Unlicenced LTE (LAA: Licensed Asissted Access)
Virtualizálás (Virtualized Network Functions: VNF, NFV)
D2D (M2M, IoT, P2P)
ISM sáv
Cloud RAN
micro – pico – femto - ato Bárhol Internetre csatlakozva Nem Mobil! Itthon Vodafone kínálta (JCDecaux – reklámtáblákba, buszmegállókba, Vodafonnal)
Device-to-Device, Machine-to-Machine, Internet of Things, Person-to-Person
FMC (Fixed Mobile Convergence) 5G
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.”
http://the-mobile-network.com/2016/04/wifistandards-body-urges-3gpp-to-get-specific-onlaa/ 48
Energia - Rendelkezésre állás – Minőség kompromisszum Energy-Availability-QoS Trade-off for FMC
WiFi?
mikro pico femto cella ? ato
makro 2G 3G ? 4G
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
Access Network
Interface changing Mobile Aggregatio n Network
Üzenet: • Energiafogyasztás csökken • Rendelkezésre állás javítható • Minőség garantálható 49
Hogyan Működik? Csak az arányokat érdemes a táblázatból megjegyezni, nem a konkrét számokat.
Mennyit fogyaszt a 2G, 3G, 4G?
50
LTE-A
A valódi 4G
eddigi nem az volt ITU-T: 1 Gbit/s 3GPP Rel. 10 – 2011 március
Magyarországon:
2014 április 29 Ericssom és Magyar Telekom 250 Mbit/s az 1,8 és 2,6 GHz frekvenciasávban Carrier Aggregation (HiperNet is) https://www.telegeography.com/products/commsupda te/articles/2014/04/29/mtel-and-ericssondemonstrate-lte-a-technology-a-first-for-hungary/
51
Carrier Aggregation
http://www.3gpp.org/technologies/keyword s-acronyms/101-carrier-aggregationexplained
Vivő aggregálás Csak Ismétlés!!!
52
LTE-A: 1Gbit/s
Hogyan? Forrás: Fazekas Péter: Teltrans szeminárium 256 QAM 3D Beam-Forming
53
Mobil megoldások összevetése
Nem kell vizsgára!
54
Mobil megoldások összevetése
Nem kell vizsgára!
55
5G
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
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
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?
[email protected] 59
5G Követelmények Source: https://5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2015/02/5G-Vision-Brochure-v1.pdf
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 2010 1/5 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
További 5G követelmények Source: https://5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2015/02/5G-Vision-Brochure-v1.pdf
109
1012
[email protected] 61
5G? http://www.3gpp.org/ LTE LTE-Adanced LTE-Advanced Pro … 5G kezdete: Rel. 14 (http://www.3gpp.org/release-14, 2017 június) Rel. 15. 2018 közepe Rel. 16. 2019 vége
[email protected] 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: http://www.3gpp.org/
Olvasmány: http://www.ericsson.com/research-blog/lte/release-14-the-start-of-5gstandardization/
[email protected] 63
