távközlő hálózatok és szolgáltatások -...
TRANSCRIPT
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
techwelkin.com/meaning-mobile-symbols-g-e-2g-3g-h-4g-mobile-internet-signal-bar
2
Nem
ke
ll v
izs
gára
!
3
Magyar Telekom 4G lefedettség mérési adatok
http://szelessav.net/hu/aggregalt_sebesseg/mobil
kék:beltér, lila: kültér, fekete: nincs
Nem kell vizsgára!
4
Telenor 4G lefedettség mérési adatok
http://szelessav.net/hu/aggregalt_sebesseg/mobil
kék:beltér, lila: kültér, fekete: nincs
Nem kell vizsgára!
6
Vodafone 4G lefedettség mérési adatok
http://szelessav.net/hu/aggregalt_sebesseg/mobil
kék: beltér, lila: kültér, fekete: nincs
Nem kell vizsgára!
„Szélessáv” mérési eredmények
7
Nem kell vizsgára!
Generációk: 1, 2
1G
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
A konkrét számértékek pontosan nem,
csak kb., de a viszonyuk egymáshoz kell a vizsgára!
Generációk: 3
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
A konkrét számértékek pontosan nem,
csak kb., de a viszonyuk egymáshoz kell a vizsgára!
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
12
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
13
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!
14
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/
15
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. 2013-ra igérte befejezni http://www.hwsw.hu/hirek/46906/telenor-3g-hspa-hipernet-internet-mobilnet-zte-modem-samsung.html
Vodafone:
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
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/keywords-
acronyms/97-lte-advanced
Carrier Agregation – vivő-aggregálás – max 5
19
Több vivő
20
http://www.3gpp.org/technologies/
keywords-acronyms/97-lte-
advanced
Sávon belül?
Folytonos?
21
Nem kell vizsgára!
22
Nem
kell
viz
sg
ára
!
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
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
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
6/29
Source: G. Zhang, M. De Leenheer, A. Morea, B.
Mukherjee: A Survey on OFDM-Based Elastic Core Optical
Networking, IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS &
TUTORIALS, 2012
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
33
LTE CellaKapacitás számolás RB (Resource Block)
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
(20 MHz → 18MHz: Guard band overhead 10%)
A s
zám
olá
s m
en
eté
t ért
en
i kell
– a
szám
ért
ékeket
nem
kell
tu
dn
i fe
jbő
l
Részletes számolással
https://frankra
yal.com/2011/
06/27/lte-
peak-
capacity/
34
Érteni kell mi befolyásolja
a bitsebességeket,
a számértékeket nem kell tudni fejből
35
Modulation and Coding Schemes (MCS) Moduláció és kódolás
Robosztus
Távoli UE
Érezékenyebb
Közeli UE
Hatékonyabb
Érteni kell mi befolyásolja
a bitsebességeket,
a számértékeket nem kell tudni fejből
36
Signal Quality and User Capacity
Signal Quality:
Column 4 of
Table
Source
Power
Attenuation
Interference Noise Total power of all cells in
the range (neighbours)
Bit Rate
Throughput
Efficiency: Col.
5 of Table
12 sub-carriers
11 symbols out
of 14 in time
1 ms
Block Error Rate (Table)
A képleteket nem kell tudni,
csak ismerni a tényezőket,
melyek befolyásolják a bitsebességeket:
csillapítás, interferencia, zaj, kódolási hatásfok
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
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
39
DL CoMP
Együttes adás U.a. freki és idő mindkét
adó ad
Dinamikus
pontválasztás Egyik adó kiválasztva
UL CoMP
Több adó vesz
egyszerre
Összesítenek
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)
eNodeB
Ehhez csatlakoznak UEk 41
Interfészek:
• S1
• X2
• S5 • (S-GW és PDN-GW
között)
EPC
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
Handover és hibák
Átadás
horizontal - geographic
43
Nem kell vizsgára!
Roaming (Barangolás)
44
Nem kell vizsgára!
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
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
LAA „kitúrja” a WI-Fi-t?
„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/wifi-
standards-body-urges-3gpp-to-get-specific-on-
laa/
48
Csak tudni kell
a problémáról, és okáról,
semmi több!
Energia - Rendelkezésre állás – Minőség kompromisszum
Energy-Availability-QoS Trade-off for FMC
Selective switch-off & Consolidation
Szelektív kikapcsolás és Megszilárdítás
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)?
Üzenet:
• Energiafogyasztás
csökken
• Rendelkezésre állás
javítható
• Minőség
garantálható
Wi-Fi
IP
edge
Fixed Aggregatio
n Network
Access Network
Commonly distributed elements of the
mobile packet core
Mobile IP
edge
Core Network
Commonly centralized elements of the
mobile packet core
Mobile Aggregatio
n Network
SERVICE
Interface changing
49
50
Hogyan Működik?
Mennyit fogyaszt a 2G, 3G, 4G?
Csak az arányokat érdemes a táblázatból
megjegyezni, nem a konkrét számokat.
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-ericsson-
demonstrate-lte-a-technology-a-first-for-hungary/
51
Carrier Aggregation http://www.3gpp.org/technologies/keyword
s-acronyms/101-carrier-aggregation-
explained
52
Vivő aggregálás
Csak Ismétlés!!!
LTE-A: 1Gbit/s
Hogyan?
Forrás: Fazekas Péter: Teltrans szeminárium
256 QAM
3D Beam-Forming
53
Mobil megoldások összevetése
54
Nem kell vizsgára!
55
Mobil megoldások összevetése Nem kell vizsgára!
56
5G
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
58
A Wi-Fi 6G integrálva lesz az 5G-be
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
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
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-5g-
standardization/ [email protected]
63